Презентация ОТМП. Элементы и узлы ЭВМ. (Тема 2) онлайн

Содержание слайда: Элементы и узлы ЭВМ Тема № 2

Содержание слайда: Дискретный и цифровой сигнал. Сигнал называется дискретным, если он может принимать только конечное число значений. Цифровой сигнал -сигнал, дискретный по оси времени, представленный конечным множеством возможных значений.

Содержание слайда: Двоичный цифровой сигнал. Двоичный цифровой сигнал - сигнал, дискретный по оси времени, представленный двумя возможными значениями – уровнем нуля и уровнем единицы. Цифровой сигнал не обязательно двоичный.

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Способ записи чисел знаками называется системой счисления. Системы счисления делятся на непозиционные, например, римская система счисления, и позиционные. В непозиционных системах значение конкретной цифры постоянно и не зависит от ее расположения в записи числа. Примером такой системы счисления является Римская система записи числа. Например, в числе XXXVII значение цифры X не зависит от ее местоположения в записи числа. Оно везде равно 10. Система называется позиционной, если значение каждой цифры, входящей в запись числа, определяется ее местоположением в числе. В цифровой технике нашла применение только позиционная система счисления.

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Любое число в позиционной системе счисления можно представить в виде суммы: где Nq – число, записанное в системе счисления q; Kn – разрядные коэффициенты; qn – весовые коэффициенты. n – разрядность; q – основание системы счисления. Разрядные коэффициенты представляют собой целую степень основания системы счисления. Для десятичной: 100, 101, 102,103……

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Основанием системы счисления q называется общее количество символов (цифр), используемых в данной позиционной системе для записи чисел. Если принять q = 10, 2, 8, 16 и т.д., то будем иметь соответственно десятичную, двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления. Количество различных чисел, которое может быть записано в позиционной системе счисления с основанием q при заданном числе разрядов:

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Широкое распространение в цифровой технике получила позиционная система счисления с основанием q=2 — двоичная система счисления. По определению в такой системе есть только два цифровых знака 0 и 1. Разрядные коэффициенты представляют собой целую степень основания системы счисления: 20=1; 21=2; 22=4; 23=8,……

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Пример перевода из десятичной системы в двоичную.

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Шестнадцатеричная система счисления (hexadecimal), или система с основанием 16, использует 16 символов от 0 до 9 и А, В, С, D, E, F. В таблице приведены эквиваленты десятичных, двоичных и шестнадцатеричных чисел.

Содержание слайда: Системы счисления (обзор) Над числами в двоичной системе счисления могут выполняться арифметические и логические операции. К арифметическим относятся четыре операции: сложение, вычитание, умножение и деление. Алгоритм выполнения арифметических операций такой же, как и в десятичной системе счисления. Логические операции относятся к поразрядным (операции выполняются внутри каждого разряда без переносов и заемов).

Содержание слайда: Логические устройства Последовательным называется устройство, в котором входные переменные подаются на вход и выходные переменные снимаются с выхода не одновременно, а последовательно. Параллельным называется устройство, в котором все разряды входных переменных подаются на вход и все разряды выходных переменных снимаются с выхода одновременно. В последовательно - параллельных устройствах входные и выходные переменные представлены в различных формах. Либо на вход переменные подаются последовательно, а с выхода они снимаются одновременно, либо наоборот. По принципу действия все логические устройства делятся на два класса комбинационные устройства и цифровые автоматы. Комбинационными устройствами или автоматами без памяти называют логические устройства выходные сигналы которых однозначно определяются только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных и не зависят от значений переменных действовавших на входе ранее. Цифровыми автоматами или автоматами с памятью называют логические устройства выходные сигналы которых определяются не только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных, но и всей последовательностью входных переменных действовавших в предыдущие моменты времени.

Содержание слайда: Условные обозначения. Входы. Прямой статический вход Инверсный статический вход Прямой динамический вход Инверсный динамический вход Вывод, не несущий логической информации Гистерезисный вход

Содержание слайда: Условные обозначения. Выходы. Прямой статический выход Инверсный статический выход Вывод, не несущий логической информации Открытый вывод (Э, К или И, С) Открытый выход типа High (присутствует «верхний» ключ) Открытый выход типа Low (присутствует «нижний» ключ) Выход с третьим (высокоимпедансным “Z”) состоянием

Содержание слайда: Выходы

Содержание слайда: Выходы

Содержание слайда: Логические уровни, активные уровни, временная диаграмма

Содержание слайда: Элемент НЕ (инвертор)

Содержание слайда: Логические элементы. Элемент И

Содержание слайда: Логические элементы. Элемент И-НЕ

Содержание слайда: Логические элементы. Элемент ИЛИ

Содержание слайда: Логические элементы. Элемент ИЛИ-НЕ

Содержание слайда: Логические элементы. Элемент Исключающее-ИЛИ

Содержание слайда: Альтернатива (правило Де-Моргана в действии)

Содержание слайда: Задержки Время нарастания ttLH (transition time low -high) и время спада ttHL (transition High - low) определяются интервалами, границы которых соответствуют 10% и 90% максимальной амплитуды напряжения. Время задержки распространения при переходе от уровня low к уровню high tpLH (propagation delay time low - high) и время задержки распространения при переходе от уровня high к low tpHL (propagation delay high - low) определяются как интервалы времени между моментом времени соответствующим уровню напряжения на входе, равному 50% максимального напряжения на входе и моментом достижения такого же уровня напряжения на выходе. Время задержки распространения сигнала в логическом вентиле представляет собой среднее значение упомянутых выше интервалов времени.

Содержание слайда: Дешифратор. Дешифратором называется комбинационная цифровая схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если дешифратор, имеющий n входов, имеет 2n выходов, то такой дешифратор называется полным. Если количество выходов меньше, то дешифратор называется неполным.

Содержание слайда: Дешифратор На выходе дешифратора вырабатываются все возможные логические произведения всех входных переменных (конъюнктивные минтермы). Подключая к определенным выводам дешифратора логический элемент “ИЛИ” или используя дешифратор с открытым выходом и реализуя на нем «монтажное ИЛИ», можно реализовать любую логическую функцию.

Содержание слайда: Шифратор. Шифратором называется устройство, предназначенное для преобразования чисел из одной системы в другую, например, десятичной системы в двоичную.

Содержание слайда: Преобразователь кодов Преобразователи кодов предназначены для преобразования кода одного вида в код другого вида, например, преобразования двоично-десятичного кода в двоичный или обратного преобразования, для преобразования двоичного кода в код Грея, для преобразования двоичного кода в код управления шкальными или матричными индикаторами, для преобразования двоичного кода в код управления сегментными индикаторами. Пример преобразователя двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Содержание слайда: Мультиплексор. Мультиплексор имеет один выход, информационные входы и адресные или управляющие входы. В зависимости от кода, подаваемого в адресные шины X0, X1 один из информационных входов подключается к выходному каналу. Функция алгебры логики, описывающая работу мультиплексора, имеет вид:

Содержание слайда: Демультиплексор. Демультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от одного источника информации в несколько выходных каналов. Демультиплексор имеет один информационный вход, n адресных шин и 2n - выходов.

Содержание слайда: Комбинационный сумматор Комбинационный сумматор - это цифровое устройство, предназначенное для арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных кодов. Обычно сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров. При сложении двух чисел в каждом разряде производится сложение трех цифр: цифры первого слагаемого ai, цифры второго слагаемого bi и цифры переноса из младшего разряда Pi. В результате суммирования на выходных шинах получается сумма Si и перенос в старший разряд Pi+1.

Содержание слайда: Цифровой компаратор Цифровые компараторы предназначены для сравнения цифровых кодов. Количество входов определяется разрядностью чисел. На выходе обычно формируются сигналы A=B, A>B и A<B. На рисунке изображен компаратор на четыре разряда. Разрядность можно наращивать, например, для восьмиразрядного кода, берутся две схемы, для двенадцати - три и т.д. Можно без наращивания разработать схему любой разрядности.

Содержание слайда: Триггеры Триггером называется цифровое устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит из одного состояния в другое под действием входных сигналов. Триггеры можно классифицировать по способу управления (приема информации), принципу построения, функциональным возможностям. По способу приема информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер изменяет свое состояние в момент прихода сигнала на его информационные входы. Синхронные триггеры изменяют свое состояние по закону входных сигналов только в момент прихода активного сигнала на его синхронизирующий вход. Если хотя бы с одного входа информация в триггер заносится под воздействием синхронизирующего сигнала, триггер называется синхронным.

Содержание слайда: Триггеры По виду активного сигнала, действующего на информационных входах триггеры подразделяются на статические и динамические. Статические переключаются потенциалом (уровнем напряжения) Динамические - перепадом (передним или задним фронтом импульса). Входные информационные сигналы могут быть прямыми и инверсными. По принципу построения триггеры можно подразделить на одноступенчатые и двухступенчатые (mastr-slave). В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень запоминания. В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. В обозначении таких триггеров дублируется символ ТТ По функциональным возможностям триггеры делятся на: RS-триггер, D-триггер, Т-триггер, JK-триггер, (DV и TV-триггеры).

Содержание слайда: Триггеры (классификация)

Содержание слайда: RS-триггер Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа R и S и два выхода Q-прямой и - инверсный. Под действием входного сигнала S-set - установка триггер устанавливается в состояние “1” Под действием сигнала R- reset – сброс- переходит в состояние "0" . При поступлении запрещенной комбинации на входы нарушается логика работы триггера. На прямом и инверсном выходах появляется одинаковый логический уровень, что противоречит логике. При переходе к хранению после этого состояния на выходе может, как остаться единица, так и появиться ноль. То есть, при переходе к хранению, состояние выхода будет не определено.

Содержание слайда: RS-триггер синхронный Синхронизируемый однотактный RS-триггер Входы RS синхронизируются сигналом С через элементы 2-И №1,2. Инверсные входы - асинхронные. Синхронизируемый двухтактный RS-триггер.

Содержание слайда: D-триггер синхронный D - триггер от «Delay» – задержка. Простейший элемент памяти емкостью один бит. D - триггер имеет информационный вход D и вход стробирования - С и два выхода Q - прямой и инверсный. Состояние прямого выхода Q повторяет состояние входа D при активном сигнале на синхронизирующем входе (записи) C. Состояние выхода Q не меняется при любом состоянии входа D при не активном сигнале на синхронизирующем входе (записи) C.

Содержание слайда: JK- триггер JK- триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. При поступлении сигналов на оба входа J и K триггер изменяет свое состояние на противоположное. JK-триггер является универсальным триггером. На его основе можно построить RS, D, Т-триггеры.

Содержание слайда: T- триггер Т-триггер имеет один информационный вход Т Т-триггер изменяет свое состояние на противоположное при поступлении на этот вход фронта или спада сигнала. Т-триггер – счетный триггер

Содержание слайда: Регистр Регистр — функциональное устройство, предназначенное для приема (записи) и запоминания n-разрядного слова (кода), а также для выполнения определенных микроопераций, например – сдвиг, над этим словом. Регистр представляет собой упорядоченную совокупность триггеров со схемой управления входными и выходными сигналами. С помощью регистров можно осуществлять операции преобразования информации из одного вида в другой (последовательного кода в параллельный и т. п.). При помощи объединения схемы управления (комбинационной схемы) и регистра можно осуществить различные операции, например: ввод и вывод из регистра хранимой информации; преобразование кода числа, хранящегося в регистре; сдвиг числа влево или вправо на определенное число разрядов; преобразование последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д.

Содержание слайда: Регистры Регистры классифицируют по различным признакам, основными из которых являются: способ ввода информации (записи) в регистр и ее вывод, способ представления вводимой и выводимой информации. По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на: параллельные (регистры памяти); последовательные (регистры сдвига); параллельно-последовательные.

Содержание слайда: Параллельный регистр В параллельных регистрах запись информации производится в параллельном коде одновременно по всем разрядам. Параллельные регистры применяются, например, для хранения информации и поэтому называются еще регистрами памяти. Параллельный регистр может быть выполнен, например, на D-триггерах. Если вход записи динамический, запись информации производится по фронту тактового сигнала. Если вход записи статический, то при активном уровне на нем, происходит прямая передача информации с входов на выходы, а при смене сигнала на не активный уровень – фиксация данных, которые присутствовали на входе в момент смены уровня сигнала записи. На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логические схемы для преобразования кодов в прямые или инверсные.

Содержание слайда: Регистр сдвига В сдвиговых регистрах выполняется сдвиг информации влево или вправо. Информация в регистр может записываться в последовательном или параллельном коде Информация может выводиться в последовательном или параллельном коде. В сдвиговых регистрах можно преобразовывать коды из последовательного в параллельный и обратно. Сдвиг информации в регистре в зависимости от управляющего сигнала может осуществляться влево и вправо. Такие регистры называются реверсивными. Регистры могут иметь вход, который переводит выходы в высокоимпедансное Z-состояние, производя отключение выходов регистра от шины.

Содержание слайда: Счетчики Счетчик представляет собой устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода, хранящегося в триггерах. Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в результате счета. Для счета и выдачи результатов в счетчиках имеется один вход и n выходов в зависимости от количества разрядов. В общем случае счетчик имеет М=2n устойчивых состояний, включая нулевое. Счетчик, установленный в определенное состояние, сохраняет его до тех пор, пока на вход не поступит следующий сигнал. Каждому состоянию счетчика соответствует порядковый номер 0, 1, 2,..., М—1. При подаче на вход счетчика М-го входного сигнала на выходе его возникает сигнал переполнения и счетчик возвращается в начальное состояние, т. е. счет единичных сигналов осуществляется в нем по модулю М. Модуль М называется коэффициентом пересчета.

Содержание слайда: Счетчики Счетчики бывают суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. для суммирования входных импульсов. Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в сторону уменьшения, т.е. в режиме вычитания. Реверсивный счетчик имеет вход управления, позволяющий изменять направление счета. По способу организации межразрядных связей счетчики выполняются с: последовательным переносом, параллельным переносом и параллельно-последовательным переносом. Самые простые и вместе с тем самые медленные - это счетчики с последовательным переносом. Наибольшим быстродействием обладают счетчики с параллельным переносом.

Содержание слайда: Счетчик двоичный 4-х разрядный с последовательным переносом, суммирующий. М=16.

Содержание слайда: Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можно построить на основе двоичных счетчиков с организацией обратной связи с выходов соответствующих разрядов через схему И (дешифратор) на вход R- обнуления счетчика. Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можно построить на вычитающих счетчиках в режиме автоматической перезагрузки по сигналу заема.

Содержание слайда: Счетчик двоичный 4-х разрядный с параллельным переносом, реверсивный. М=16. SN74LS193

Содержание слайда: Накапливающие сумматоры Накапливающие сумматоры предназначены для последовательного суммирования нескольких чисел. В каждом такте к предыдущей сумме добавляется очередное число. Накапливающие сумматоры строятся на базе комбинационных сумматоров и параллельных регистров.

Содержание слайда: Запоминающие устройства

Содержание слайда: Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимое ЗУ, которое служит для хранения стандартных (неизменяемых) программ и констант, необходимых для выполнения программы. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое служебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управляющих определенными объектами с использованием фиксированных или редко изменяемых программ, для их хранения также обычно используется ПЗУ (память ROM - Read-Only Memory) или репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM - Electrically Erased Programmable Read-Only Memory или флэш-память). Масочные ПЗУ программируются исключительно в условиях полупроводникового производства. Механизмов занесения информации в программируемые ПЗУ существует несколько.

Содержание слайда: Основные принципы хранения информации Физически пережигаемые перемычки матрицы на основе нихрома или поликристаллического кремния (ограниченное применение) Элементы памяти на полевых транзисторах с плавающими (не имеющими выводов, находящиеся в толще диэлектрика между управляющим затвором и каналом) затворами с лавинно-инжекционным накоплением зарядов. Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей. MLC память может быть с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку, память с 8 уровнями (3 бита) иногда называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC и более.

Содержание слайда: Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - энергозависимое ЗУ, которое служит для хранения данных, получаемых в результате выполнения программы. В оперативное запоминающее устройство (для принстонской архитектуры) также возможна загрузка программы или части программы и передача управления этому фрагменту программы, т.е. в ОЗУ может хранится выполняемая программа (или ее фрагменты), а также данные, подлежащих обработке. Информация, находящаяся в ОЗУ теряется при снятии питающего напряжения. Элементами памяти в статических ЗУ, как правило, являются триггеры. Один триггер может запомнить один бит информации. После записи информации в ячейку для обеспечения хранения не требуется никаких дополнительных действий до следующей записи. Чтение не влияет на состояние ячеек памяти. Память такого типа имеет высокую стоимость в силу большого количества транзисторов необходимых для построения одной ячейки памяти. При снятии питания информация разрушается.

Содержание слайда: Структура ЗУ ЗУ с двумерной адресацией позволяет осуществлять побитовую запись или считывание информации. ЗУ с такой структурой осуществляют двухкоординатную выборку запоминающих элементов матрицы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е. уменьшить число выходов дешифратора.

Содержание слайда: Структура статического запоминающего устройства объемом 32кбайт, организацией 32к * 8бит

Содержание слайда: Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) С целью упрощения реализации ячейки памяти, соответственно, удешевления хранения единицы информации, увеличения объемов ЗУ широко применяется ОЗУ динамического типа. Элементом памяти в этом типе ЗУ является конденсатор. Поскольку конденсатору свойственно явление саморазряда, т.е. потери заряда вследствие наличия токов утечки, такой тип ячейки памяти требует регулярное обновление информации – так называемой регенерации.

Содержание слайда: Условные графические обозначения

Содержание слайда: Временные диаграммы ОЗУ динамического типа

Содержание слайда: АЦП Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(tj)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(tj)}.

Содержание слайда: Классификация АЦП

Содержание слайда: Параллельный АЦП Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=Uоп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.

Содержание слайда: ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Цифро-аналоговые преобразователи можно классифицировать по следующим признакам: разрядность по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода по быстродействию