Операционные устройства

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Лектор:
доцент кафедры «Компьютерная
инженерия» Мальчева Раиса Викторовна

2.

СТРУКТУРНЫЙ БАЗИС
Операционные
устройства
(автоматы)
(ОА)
синтезируются
с
использованием некоторого набора элементов, называемого структурным
базисом.
Наиболее часто для этих целей используется следующий набор элементов:
1.Регистры – для приёма, хранения и выдачи информации.
2.Комбинационные схемы – для вычисления новых значений слов информации.
3.Шины – для передачи информации между отдельными частями ОА.
clock
start
F
D
R1
Ф
S’
R
Rk
X
S
Структура операционного автомата
УА
Y

3.

ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

4.

Регистр
Регистр — устройство для хранения n-разрядных двоичных данных.
Регистр представляет собой упорядоченный набор триггеров, обычно Dтриггеров, число которых соответствует числу разрядов.
Основой построения регистров являются: D-триггеры, RS-триггеры, JKтриггеры.
D-триггер (D от delay — задержка, либо от data —
данные) — запоминает состояние входа и выдаёт его на
выход.
D-триггеры имеют, как минимум, два входа:
информационный D и синхронизации С. Вход
синхронизации С может быть статическим
(потенциальным) и динамическим. У триггеров со
статическим входом С информация записывается в
течение времени, при котором уровень сигнала C=1,
такие триггеры иногда называют "прозрачной защёлкой".
При С=0 триггер хранит предыдущее состояние.

5.

МИКРООПЕРАЦИИ С РЕГИСТРАМИ
1. Микрооперация установки. В результате её выполнения слову информации
(регистру) присваивается значение константы. Например, A:=01.
2. Микрооперация передачи. Микрооперация
инициирует
передачу
информации
между
регистрами (A:=B), в процессе которой некоторые
разряды источника могут меняться.
3. Микрооперация инвертирования.
После выполнения операции значение слова
изменяется на инверсное (A:= A). Микрооперация
выполняется при помощи многоразрядного
инвертора, включённого в цепь обратной связи
регистра A. Если y1=1, то выполняется
поразрядное инвертирования слова A и новое
значение слова заносится в регистр по сигналу
Clock. Знак „:=” означает, что в операции участвует
регистр и справа в выражении находится
содержимое регистра в момент времени t, а слева
в момент t+1 (t=0,1,…).
Если At=0101, то в результате выполнения
микрооперации инвертирования At+1=1010 будет
записано в регистр A.

6.

МИКРООПЕРАЦИИ С РЕГИСТРАМИ
4. Микрооперации сдвига. Предназначены для изменения положений разряда
слова по отношению к первоначальному путём перемещения каждого разряда на n
позиций влево или вправо.
Сдвиг на n разрядов вправо (A:=Rn(A)) приводит к потере n младших разрядов слова
и заполнению старших n разрядов нулями. Например, R2(110110)=001101,
R3(A)=000110.
Сдвиг на n разрядов влево (A:=Ln(A)) приводит к потере n старших разрядов слова и
заполнению младших n разрядов нулями. Например, L1(110110)=101100,
L2(110110)=011000.
Циклический сдвиг на n разрядов вправо (A:=СRn(A)) приводит к заполнению n
старших разрядов слова значениями n младших разрядов слова. Например,
CR2(110110)=101101, то есть четыре старших разряда 1101 переместились на две
позиции вправо, а младшие два разряда 10 переместились на место двух старших
разрядов.
Циклический сдвиг на n разрядов влево (A:=СLn(A)) приводит к заполнению n
младших разрядов слова значениями n старших разрядов слова. Например,
CL2(110110)=011011, то есть четыре младших разряда 0110 переместились на две
позиции влево, а старшие два разряда 11 переместились на место двух младших
разрядов.
Арифметический сдвиг (B:=ARn(B)), при котором значение старшего разряда
дублируется в n старших разрядах. Например, AR3(100100)=111100,
AR2(100100)=111001.

7.

Пример синтеза комбинационной схемы для организации сдвигов

8.

Пример синтеза комбинационной схемы для организации сдвигов
Применив к уравнениям со слайда 7 законы двойной инверсии и законы Де
Моргана, получим схему сдвигателя:
Схема сдвигателя параллельного кода

9.

ОРГАНИЗАЦИЯ ШИН
Шина
представляет
собой
совокупность
проводников,
предназначенных для передачи двоичной информации. Каждый проводник
передаёт один бит информации, поэтому для передачи K бит информации
шина должна включать K проводников. Условимся обозначать шину
именем слова информации, которое по ней передаётся.
Простейшим видом является асинхронная шина, выполняющая
микрооперацию передачи информации B=A. Условное обозначение шины:
Условное обозначение (а) и организация (б) асинхронной шины
Каждый провод этой шины организован идентично и k-й
проводник (Рис. б) выполняет операцию b[k]=a[k].

10.

УПРАВЛЯЕМАЯ ШИНА
Управляемая шина выполняет операцию передачи информации только
при наличии специального управляющего сигнала. Управляемая шина
выполняет операцию
A, если y AB 1,
B
0, если y AB 0,
где уAB управляющий сигнал, инициирующий передачу информации.
Таким образом, можно написать, что B= уAB A, то есть b[k]= уAB a[k], k=1,…K.
условное обозначение управляемой шины и схемы её k-го разряда.

11.

УПРАВЛЯЕМАЯ ШИНА
Для передачи информации от нескольких источников информации одному
приёмнику используется сборка шин. Например, если информация из источника Ai
передаётся к приёмнику B по сигналу yi (i=1,…,I), то сборка выполняет функцию:
Условное обозначение (а) и организация (б) сборки

12.

ДЕШИФРАТОР
Дешифратором (DC) называется комбинационная схема (КС), преобразующая
входной S-разрядный двоичный код в унитарный t-разрядный код, где t=2S.
Таблица истинности трёхвходового DC содержит входы x1, x2, x3 и выходы y0,…,
y7.
Из таблицы следует, что каждая выходная функция yi (i=0,1,..,7) является
минтермом, то есть yi=Fi.
Как правило дешифраторы имеют специальный вход, называемый входом
выборки кристалла (CS), управляемый сигналом yCS.

13.

ДЕШИФРАТОР
Обычно выходы DC и вход CS являются инверсными. Если yCS=1, то на всех
выходах DC устанавливаются единичные уровни. Если yCS=0, то на выходе,
соответствующем входной комбинации, устанавливается уровень yi=0, а на всех
остальных выходах – единичные уровни.
Таким образом, таблица истинности для реального DC будет иметь вид:

14.

ДЕШИФРАТОР
Из
этой
таблицы
формируется
следующая система функций:
На схеме все входные проводники
пронумерованы и сведены в общую шину.
Такой подход позволяет упрощать схемы,
так как вместо наименований переменных
пишутся номера соответствующих
проводников, что делает изображение схемы
менее громоздким.
Инвертор реализован на схеме 2И-НЕ
для однообразия применяемого базиса.

15.

МУЛЬТИПЛЕКСОР
Мультиплексором называется устройство, передающее информацию от
нескольких источников к одному приёмнику. Мультиплексор (MX) имеет S
управляющих входов, L=2S информационных входов, вход выборки
и один (или два парофазных) выход. Таблица истинности MX с S=2
приведена ниже.

16.

МУЛЬТИПЛЕКСОР

17.

Реализация сборки шин на мультиплексорах(а) и
тристабильных элементах (б)
(а) Очевидно, функции сборки шин аналогичны функциям
мультиплексора. Пусть I=3, закодируем наборы, <y1y2y3> двухразрядными
кодами z1z2 следующим образом: 100 01, 010 11, 001 11, 000 00.
В этом случае каждый элемент сборки реализуется следующим образом:
(б) Наиболее часто для организации сборки используют элементы с
тремя состояниями. Одно из состояний соответствует логическому нулю,
второе единице, третье высокоимпедансное состояние, в котором
элемент отключён от шины.
Для перевода схемы в третье состояние используется специальный сигнал,
в нашем случае это сигнал передачи информации (Рис. б). Если yi=1, то
слово Ai передаётся на выход B (i=1,2,3). Если yi=0, то элемент передачи
информации переводится в третье состояние и передачи не происходит.