книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Для параллельного вывода данных к выходам Qi, Qu Qo следует подключить схемы совпадения, открываемые разрешающим чтение сигна­ лом V9аналогично тому как это было сделано в параллельном регистре с помощью схем совпадения, управляемых сигналом с2.

Для построения регистра, смещающего код числа влево, выходы по­ следующего триггера соединяют с входами предыдущего. Использование в цепях межкаскадных связей комбинационных схем совпадения (рис.8.10) обеспечивает возможность электрического управления порядком соедине­ ния ячеек для получения реверсивного регистра, осуществляющего сдвиг числа влево и вправо.

м

с— 1-------------------------------------1

Рис. 8.10. Реверсивный регистр сдвига

При подаче сигналов управления М= 1 функционируют верхние эле­ менты передачи сигналов между триггерами, осуществляющие сдвиг впра­ во, а при М —0 открываются нижние схемы совпадения, обеспечивающие сдвиг влево. В таких регистрах код числа можно записывать по входу Хи смещая его вправо, а воспроизводить на том же входе при сдвиге влево. Возможна также запись с правого входа при смещении влево.

Одной из областей применения реверсивных регистров служит про­ граммная организация операций умножения и деления, основанных на том, что сдвиг двоичного числа на один разряд вправо или влево соответствует его умножению или делению на два.

Промышленность выпускает в виде отдельных микросхем или в со­ ставе БИС множество разновидностей регистров, отличающихся числом разрядов или быстродействием, которое характеризуется временем приема, выдачи и сдвига или максимальной частотой сдвига. Широкое распростра­ нение получили комбинированные (универсальные) регистры, в которых управляющие комбинационные схемы обеспечивают параллельный или последовательный ввод и вывод данных с возможностью сдвига вправо и влево. Следует иметь в виду, что аппаратное увеличение функциональных возможностей неизбежно связано со снижением быстродействия вследст­ вие увеличения общего времени прохождения сигнала в комбинационных схемах.

Для получения регистров большей разрядности предусмотрены воз­ можности простого соединения микросхем с объединением соответст­ вующих выводов.

С ч е т ч и к представляет собой устройство, состояние которого онределяется числом поступивших на его вход импульсов. Счетчики исполь зуют для подсчета числа импульсов и фиксации его в заданном коде, деле­ ния частоты следования импульсов, формирования последовательностей импульсов и кодов управления цифровыми блоками.

Выпускается множество разновидностей счетчиков, отличающихся назначением (двоичные, десятичные, с произвольным модулем счета), ти­ пом и количеством используемых счетных ячеек (триггеров), организацией связи (последовательный или параллельный перенос сигналов между раз­ рядами), направлением счета (суммирующие, вычитающие, реверсивные) способом управления (синхронные, асинхронные). Классификационные признаки не связаны между собой и могут в устройствах встречаться п разных сочетаниях.

Двоичный «-разрядный счетчик содержит п каскадно-соединенных ячеек, в качестве которых используют счетные Г-триггеры (рис.8.11 ,я).

Рис. 8.11. Структура двоичного счетчика (а) и диаграммы его работы (б)

При поступлении входных импульсов по их спаду происходит по­ следовательное изменение состояния всех триггеров (рис.8.11,6). Такое пе­ реключение, называемое е с т е с т в е н н ы м п о р я д к о м с ч е т а , по­ зволяет запомнить в двоичном коде N=2n поступивших импульсов. Напри­ мер, к моменту г, на вход воздействовало три положительных импульса и на выходах зафиксировано двоичное число 011 = 32. При поступлении им­ пульса с номером 2 п счетчик вновь переходит в нулевое состояние и по­ вторяет цикл счета. Счетчик обычно снабжен входом S для предваритель­ ной записи кода заданного числа и входом R, по которому все разряды можно установить в нулевое состояние.

Период следования повторяющихся импульсов на выходе каждого последующего каскада увеличивается вдвое по сравнению с предшест­ вующим, т.е. происходит удвоение частоты следования, что находит отра­ жение в названии «счетчик-делитель».

К характерным параметрам счетчика относят емкость и быстродей­ ствие. Под емкостью понимают число импульсов, доступное счету за один цикл, называемое м о д у л е м с ч е т а Ксч(для двоичного счетчика Ксч^ 2 ')■ Быстродействие характеризуют временем установления кода Густ, т.е. ин­ тервалом времени с момента поступления входного сигнала до перехода

счетчика в новое устойчивое состояние, и разрешающей способностью tp, определяемой как минимальный интервал между двумя входными сигна­ лами, не приводящий к сбоям. Обратную разрешающей способности вели­ чину называют м а к с и м а л ь н о й ч а с т о т о й с ч е т а F ^ .

Время установления кода зависит от параметров триггеров и способа организации переноса, т.е. прохождения сигналов между триггерами. В двоичном счетчике с последовательным переносом каждая последующая ячейка переключается сигналом, формируемым на выходе предыдущего разряда, и при переключении всех триггеров в момент завершения цикла новое состояние установится с задержкой f3= ntu, где гг, t„ - число тригге­ ров и время переключения каждого соответственно.

Для уменьшения времени задержки распространения применяют счетчики с параллельным переносом, в которых комбинационная схема обеспечивает одновременный перенос во всех разрядах. В таких счетчиках, построенных на Ж-триггерах, счетные импульсы поступают одновременно на входы триггеров всех разрядов (рис.8.12,а).

Рис. 8.12. Структура счетчика с параллельным переносом (а) и его обозначение (б)

Схема на элементах совпадения И разрешает срабатывание каждого последующего триггера только при наличии единиц на выходах всех триг­ геров предшествующих разрядов.

Функционально завершенный счетчик имеет вход Т счетных им­ пульсов, вход R установки нулевого состояния, входы Dj, D2, D4, D8 пред­ варительной параллельной записи по сигналу разрешения V, выходы Q\, (?2>£?4>£?& а также дополнительные входы выбора кристалла, разрешения счета (рис.8.12,6).

Двоичный суммирующий счетчик работает в соответствии с алгоритмом к : = к +1 для всех состояний к от 0 до 2 "-1. В цифровых устройствах нашли применение вычитающие счетчики к: = к - \, которые можно построить аналогично суммирующим при подаче на входы последующих триггеров сигналов с инверсных выходов предыдущих.

Реверсивные счетчики, объединяющие схемы суммирования и вычи­ тания, реализуются с помощью управляющей комбинационной схемы, приведенной на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Реверсивный счетчик

При разрешающем сигнале М= 1 открыты верхние схемы совпадение и работают цепи передачи сигнала с использованием прямых выходо триггеров. Это обеспечивает суммирование поступающих на вход импуль сов. Противоположный разрешающий сигнал М - 0 приводит к подключе нию цепей передачи сигнала с использованием инверсных выходов три геров. При этом реализуется операция вычитания, т.е. уменьшения ко_ при поступлении счетных импульсов.

В различных устройствах необходимы счетчики, которые могут счи тать не только в двоичной, но и других системах счисления (десятичной троичной и т.п.). Счетчики с произвольным модулем счета Ксн Ф 2преали зуют путем исключения лишних (2ПКсн) состояний с помощью комбина ционной схемы или предварительной установки начального кода.

Десятичный счетчик можно построить на основе четырехразрядно г двоичного со схемой совпадения, приведенной на рис.8.14.

Рис. 8.14. Структура счетчика с модулем 10

При поступлении первых восьми импульсов схема работает как двоичный счетчик с естественным порядком счета (0000; 0001 ;_;1000). С приходом девятого импульса схема совпадения определяет его код 92 ~ 1001 и формирует на своем выходе напряжение (У1, которое поступа­ ет на входы триггеров ТТ2 ,ТТз и переключает их в единичное состояние. Таким образом, счетчик пропускает 6 «лишних» состояний и переходи! к коду 1111, завершающему цикл счета.

В серийных вычислительных системах (например, микропроцессор­ ных) невозможно дополнять внутреннюю структуру встроенных двоичных счетчиков. При необходимости получения счетчика с произвольным мод> - лем программным способом производят начальную установку двоичною счетчика. Например, для Ксч = 10 в четырехразрядный двоичный счетчик предварительно устанавливают код 0110 = 62, т.е. равный числу «лишних» состояний.

Выпускаемые промышленностью счетчики имеют в своем составе дополнительные входы и устройства (вход сигнала разрешения счета, де­ шифратор и т.п.), расширяющие их функциональные возможности.

На основе счетчиков, дополненных комбинационными устройствами (преобразователями кодов, дешифраторами), строят более сложные после­ довательностные узлы вычислительных устройств. В цифровых управ­ ляющих системах получили распространение распределители импульсов и генераторы числовых последовательностей. Они вырабатывают импульс­ ные потоки для управления работой различных узлов вычислительного устройства.

Триггеры и регистры памяти служат базой для реализации запоми­ нающих устройств. Важная роль, которую играет память в системах обра­ ботки информации, и существенное разнообразие принципов и элементов для ее реализации, обусловили выделение запоминающих устройств в от­ дельную группу изделий электронной техники.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем состоит принцип функционирования последовательностных устройств?

2.Что входит в структуру последовательностного устройства?

3.Какой тип устройств относится к триггерным системам?

4.Какие признаки заложены в основу классификации триггеров?

5.Каковы особенности основных типов триггеров?

6.Какой триггер называется универсальным и почему?

7.В чем смысл построения двухступенчатого триггера?

8.Каково назначение основных типов регистров?

9.Что служит основой структуры регистров?

10.Какие типы счетчиков существуют?

11.Чем отличаются различные виды счетчиков?

12.Каким образом осуществляется изменение направления счета в реверсивном счетчике?

13.Как реализуется произвольный модуль счета?

14.В чем смысл начальной установки двоичного счетчика в вычислительных систе­ мах?

Глава 9

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

9.1. Типы, структура и параметры запоминающих устройств

Эффективность систем обработки информации во многом опредс ляется характеристиками технических средств ее хранения, т.е. организа цией и свойствами памяти. П а м я т ь ю называют способность воспрь нимать, хранить и воспроизводить информацию. Технические средства, реализующие функции памяти, носят называние з а п о м и н а ю щ е г о у с т р о й с т в а .

Основой ЗУ служит материальная среда, способная фиксировать и сохранять во времени след информационного воздействия (сигнала). Функционально завершенное ЗУ содержит связанные с накопителем (за­ поминающей средой) каналы ввода (записи) и вывода (воспроизведения) информационных сигналов, а также устройства управления процессами.

Физическая среда идеального накопителя фиксирует полученное под

записанный сигнал без искажений s(t~T). Под влиянием внутренних про­ цессов и внешних воздействий в запоминающих ячейках на всех этапах преобразования происходят искажения сигналов, уровень которых зависит от многих факторов.

Изменение параметров среды под действием сигнала может быть не­ прерывным (аналоговые ЗУ) или скачкообразным (дискретные ЗУ). Наи­ большее распространение получили цифровые ЗУ, использующие двоич­ ное кодирование хранимых данных. Накопитель (информационная среда) цифровых ЗУ представляет собой совокупность запоминающих элементов (ячеек) с двумя устойчивыми состояниями. Реализация таких ЗУ базирует­ ся на использовании различных физических эффектов, определяющих клас­ сы электромеханических, электромагнитных, полупроводниковых, опто­ электронных, термопластических, акустоэлектронных и других устройств.

Эффективность электронной информационно-вычислительной сис­ темы во многом определяется свойствами ЗУ, составляющими значитель­ ную ее часть. Различные условия эксплуатации и весьма широкий диапа­ зон требований к параметрам устройств приводят к необходимости ис пользования в вычислительной системе ЗУ разного функционального на­ значения и типа, представляющих собой многоуровневую иерархическую систему памяти.

В микропроцессорной вычислительной системе обмен информацией между устройствами осуществляется с использованием шины данных (ма­ гистрали), объединяющей функциональные блоки (рис.9Л).

Рис. 9.1. Запоминающие устройства в вычислительной системе

По принадлежности к вычислительному средству ЗУ делят на внут­ ренние, непосредственно входящие в его структуру, и внешние (ВЗУ), пре­ доставляющие возможность переноса данных из одной вычислительной системы в другую. В соответствии с функциональным назначением среди внутренних ЗУ выделяют:

•о п е р а т и в н ы е (ОЗУ), непосредственно участвующие в вычисли­ тельном процессе с непрерывной (оперативной) заменой содержа­ щихся данных;

•с в е р х о п е р а т и в н ы е (СОЗУ), работающие непосредственно с центральным процессорным элементом (ЦПЭ);

•п о с т о я н н ы е (ПЗУ) для хранения программ и данных, практиче­ ски не изменяющихся в течение срока службы вычислительной сис­ темы;

•б у ф е р н ы е (БЗУ), обеспечивающие согласование темпа работы внешних устройств различного быстродействия, подключенных че­ рез устройства ввода-вывода (УВВ).

Основные свойства ЗУ, по которым производится их сопоставление, характеризуются такими параметрами, как:

1)информационная емкость N, т.е. максимальный объем хранимой информации в битах или байтах;

2)быстродействие, определяемое временем выборки tBот момента пода­ чи сигнала до появления информации на выходе и циклом записи гц, т.е. минимально допустимым интервалом между моментами записи и считывания, за который можно ввести, модифицировать или выбрать данные;

3)надежность, зависящая от времени безотказной работы;

4)энергопотребление (в ряде случаев удельное, т.е. на 1 бит информации);

5)стоимость или соотношение стоимости и совокупность параметров.

По способу обращения цифровые ЗУ являются адресуемыми устрой­ ствами, т.е. чтение и запись информации осуществляются в соответствии с назначенным идентификатором (адресом). К основным свойствам ЗУ от­ носят также способ адресации и адресное пространство. Адресное хране­ ние информации требует наличия в составе ЗУ устройств управления дос­

При записи размагниченный (или намагниченный до насыщения) магнитный носитель перемещают в поле записывающей головки (ГЗ), в обмотку которой подают импульсы тока /3, отражающие регистрируемый сигнал U].

Процесс чтения заключается в перемещении носителя вблизи голов­ ки воспроизведения (ГВ), в обмотке которой за счет внешнего поля намаг­ ниченного материала наводится напряжение и = dQ>/dt. Полученное на­ пряжение усиливается и обрабатывается для восстановления записанного сигнала и2.

Существует множество способов представления цифровых сигналов при магнитной регистрации информации. Наиболее распространенными являются модификации записи без возвращения к нулю (БВН), исполь­ зующие различные направления остаточной намагниченности носителя. Кодирование информации заключается в изменении намагниченности ма­ териала (остаточной индукции) на противоположное (+2?гили -В г) при за­ писи каждой единицы (рис.9.2,б).

При наличии на сигнальном входе щ единичного напряжения в мо­ мент прихода синхроимпульса ток в обмотке ГЗ изменяет свое направле­ ние и соответственно изменяет знак остаточная намагниченность материа­ ла. При прохождении записанного магнитного сигнала вблизи ГВ в ее об­ мотке наводится напряжение ы, которое детектируется и в моменты совпа­ дения с синхроимпульсами формирует выходной сигнал м2, причем едини­ це соответствует наличие импульса в рассматриваемом такте.

Достоинством магнитной записи является высокая плотность записи, практически неограниченный срок хранения данных, простота электриче­ ского процесса записи-воспроизведения без промежуточных преобразова­ ний и возможность многократной перезаписи информации.

Конструкция накопителя содержит несколько дисков, смонтирован­ ных на оси - шпинделе, который приводится во вращение электроприво­ дом (рис.9.2,в). Головки записи-воспроизведения помещают на позицио­ нер, приводимый в движение электроприводом на основе соленоидального линейного электродвигателя. Накопитель оснащен электронной схемой управления (стабилизаторы скорости, дешифраторы команд контроллера, усилители записи-чтения и т.п.), построенной на основе цифрового сиг­ нального процессора.

О п т и ч е с к и е ЗУ предназначены для регистрации весьма боль­ ших объемов данных, так как обладают очень высокой плотностью записи данных (более 10 Мбит/мм). Информация в оптическом ЗУ хранится в ви­ де последовательности отражающих и неотражающих свет участков на до­ рожках плоской поверхности вращающегося диска.

В соответствии с технологией записи видеодиски с точки зрения пользователя можно разделить на две группы:

1) только для чтения (запись информации осуществляют в промыш­ ленных условиях);

2)с возможностью записи информации пользователем.

Впервом случае вначале записывают информацию на мастер-диск, с которого делают матрицы для тиражирования компакт-дисков. Во втором случае пользователь записывает информацию с использованием специаль­ ного ЗУ. Процессы записи информации в обоих вариантах практически идентичны.

Регистрируемый двоичный сигнал управляет работой оптического модулятора, который изменяет интенсивность светового потока, излучае­ мого полупроводниковым лазером. Смещенный системой приводов в за­ данную точку диска световой поток воздействует на чувствительный па­ раметр запоминающей среды (рис.9.3).

Характеристики носителя информации (запоминающей среды) опре­ деляют технические и эксплуатационные параметры всего оптического ^ Применяют два основных типа запоминающих сред: с непосредственным изменением параметров носителя (отражения, пропускания, преломления) под действием оптического излучения и с преобразованием светового по тока в тепловую энергию, изменяющую параметры носителя (прожигает пленку, изменяет направление намагниченности магнитного покрытия). Для считывания информации в оптических ЗУ обычно используют те ж узлы, что и при записи с меньшей энергией излучения, что обеспечивает возможность многократного воспроизведения.

Нашли применение также устройства управления магнитными свой ствами материала с помощью оптического излучения, которые относят к магнитооптическим.

П о л у п р о в о д н и к о в а я п а м я т ь занимает ведущее место по универсальности применения и аппаратной совместимости внутренних ЗУ с микроэлектронными вычислительными средствами. Планарная полупро­