Материал: Захаров, Сайфутдинов - Вычислительная техника

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная техника является основой построения информационноизмерительных систем, используемых для решения важнейших научно-технических задач. Вычислительные устройства обеспечивают моделирование реальных радиотехнических комплексов в различных ситуациях, работу систем автоматизированного проектирования, управление сложнейшими технологическими процессами. Проблемы вычислительной техники следующие: это создание и использование современной элементной базы, разработка цифровых узлов и устройств, входящих в состав компьютерных систем, а также разработка новых модифицированных компьютеров с нейронной структурой построения.

Знание элементной базы и эффективное использование ее для построения цифровых устройств в компьютерах обеспечивает успешную эксплуатацию и обслуживание средств вычислительной техники.

Учебник состоит из двух частей и 10 глав. Первая часть посвящена цифровым устройствам, вторая – принципам построения и функционирования компьютеров.

Впервой главе рассмотрены арифметические основы цифровых устройств, системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую, выполнение арифметических операций в цифровых вычислительных устройствах.

Во второй главе изложены логические основы цифровых устройств. Рассмотрены основные законы алгебры логики, минимизация логических функций, логические операции и логические элементы, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП логические элементы и их характеристики.

Втретьей главе рассматриваются комбинационные устройства: сумматоры, шифраторы, дешифраторы, цифровые коммутаторы, преобразователи кодов.

Четвертая глава посвящена изучению последовательностных цифровых устройств. Рассмотрены триггеры RS, D, JK типов и счетчики на их основе. Приведены схемы статических и динамических триггеров, даны функции их возбуждения. Приведены схемы регистров памяти и сдвига.

Пятая глава посвящена цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям, приведены схемы, методы построения и условно-графические схемы преобразователей.

6

Вшестой главе изложены общие принципы построения компьютеров, приведены этапы развития ЭВМ по поколениям развития и элементной базе, принципы фон Неймана, структура центрального процессора и формы представления целых и вещественных чисел в ЭВМ.

Вседьмой главе рассмотрена структура микроЭВМ, система команд и способы адресации. Дается описание типов команд в микроЭВМ и пошаговое выполнение команды микропроцессором, а также организация интерфейсов.

Ввосьмой главе изложена функциональная и структурная организации ПЭВМ. Рассмотрен состав системного блока, основные характеристики микропроцессора, организация и характеристики памяти ПЭВМ, системный и периферийный интерфейсы,

атакже принцип работы устройств ввода и вывода информации.

Вдевятой главе даны классификация и характеристика внешних запоминающих устройств, структура накопителей на гибких и жестких магнитных дисках. Приведены классификация и принципы записи информации на оптических дисках, а также структура файловой системы Windows.

Вдесятой главе рассматриваются программа начальной загрузки компьютера POST, меню базовой системы ввода-вывода BIOS. Даются описание, состав и возможности тестовых программных средств.

Предлагаемый учебник позволяет приобрести теоретические знания и практические навыки по дисциплинам «Схемотехника ЭВМ», «Вычислительная техника и информационные технологии» и «Цифровые устройства и микропроцессоры» и базируется на изданиях, рекомендованных Министерством образования Российской Федерации для высших учебных заведений.

7

ЧАСТЬ 1. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

1. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Системы счисления

Система счисления — совокупность приемов и правил наименования и обозначения чисел, позволяющих установить взаимно однозначное соответствие между любым числом и его представлением в виде конечного числа символов.

Влюбой системе счисления выбирается алфавит, представляющий собой совокупность некоторых символов (букв или цифр), с помощью которого в результате ка- ких-либо операций можно представить любое их количество. Изображение любого количества символов называется числом, а символы алфавита — буквами и цифрами. Символы алфавита должны быть разными и значение каждого из них должно быть известно.

Всовременном мире наиболее распространенной является десятичная система счисления, происхождение которой связано с пальцевым счетом. Она возникла в Индии и в XIII в. была перенесена в Европу арабами. Поэтому десятичную систему счисления стали называть арабской, а используемые для записи чисел цифры, которыми мы теперь пользуемся, — 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 — арабскими.

С давних времен для подсчетов и вычислений применялись различные системы счисления. Например, на Древнем Востоке довольно широко была распространена двенадцатеричная система. Многие предметы (ножи, вилки, тарелки и т. д.) и сейчас считают дюжинами. Число месяцев в году — двенадцать. Эта система счисления сохранилась в английской системе мер (например, 1 фут = 12 дюймов) и в денежной системе (1 шиллинг =12 пенсов). В Древнем Вавилоне существовала весьма сложная 60-ричная система. Она, как и 12-ричная система, в какой-то степени сохранилась и до наших дней (например, в системе измерения времени: 1 ч = 60 мин, 1 мин = 60 с,

аналогично в системе измерения углов: 1 = 60 , 1 = 60 ).

Первые цифры (знаки для обозначения чисел) появились у египтян и вавилонцев. У ряда народов (древние греки, сирийцы, финикийцы) цифрами служили буквы

8

алфавита. Аналогичная система до XVI в. применялась и в России. В Средние века в Европе пользовались системой римских цифр, которые и сейчас часто применяют для обозначения глав, частей, разделов в различного рода документах, книгах, для обозначения месяцев и т. д.

Все системы счисления можно разделить на позиционные и непозиционные.

Непозиционная система счисления — система, в которой символы, обозна-

чающие то или иное количество, не меняют своего значения в зависимости от местоположения (позиции) в изображении числа.

Запись числа А в непозиционной системе счисления D может быть представлена выражением

N

AD = D1 + D2 + … DN = Di ,

i 1

где AD — запись числа А в системе счисления D; Di — символы системы.

Непозиционной системой счисления является самая простая система с одним символом (палочкой). Для изображения какого-либо числа в этой системе надо записать количество палочек, равное данному числу. Например, запись числа 12 в такой системе счисления будет иметь вид: IIIIIIIIIIII. Эта система неэффективна, так как форма записи очень громоздка.

К непозиционной системе счисления относится и римская, символы алфавита которой и обозначаемое ими количество представлены в табл. 1.1.

Запись чисел в этой системе осуществляется по следующим правилам:

1)если цифра слева меньше, чем справа, то левая цифра вычитается из правой

(IV: 1 < 5, следовательно, 5 – 1 = 4, XL: 10 < 50, следовательно, 50 – 10 = 40);

2)если цифра справа меньше или равна цифре слева, то эта цифры складыва-

ются (VI: 5 + 1 = 6, VIII: 5 + 1 + 1 + 1 = 8, XX: 10 + 10 = 20).

9

Так, число 1964 в римской системе счисления имеет вид MCMLXIV (М – 1000, СМ – 900, LX – 60, IV – 4), здесь «девятьсот» получается посредством вычитания из «тысячи» числа «сто», «шестьдесят» — посредством сложения «пятидесяти» и «десяти», «четыре» — посредством вычитания из «пяти» «единицы».

В общем случае непозиционные системы счисления характеризуются сложными способами записи чисел и правилами выполнения арифметических операций. В настоящее время все наиболее распространенные системы счисления относятся к разряду позиционных.

Позиционные системы счисления

Систему счисления, в которой значение цифры определяется ее местоположением (позицией) в изображении числа, называют позиционной.

Упорядоченный набор символов (букв и цифр) {а0, a1, ... , аn}, используемый для представления любых чисел в заданной позиционной системе счисления, называют ее алфавитом, число символов (цифр) алфавита p = n + 1 — ее основанием, а саму систему счисления называют р-ричной.

Основание позиционной системы счисления — количество различных цифр, используемых для изображения чисел в данной системе счисления.

Самой привычной для нас является десятичная система счисления. Ее алфавит — {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}, а основание р = 10, т. е. в этой системе для записи любых чисел используется только десять разных символов (цифр). Эти цифры введены для обозначения первых десяти последовательных чисел, а все последующие числа, начиная с 10 и т. д., обозначаются уже без использования новых цифр. Десятичная система счисления основана на том, что 10 единиц каждого разряда объединяются в одну единицу соседнего старшего разряда, поэтому каждый разряд имеет вес, равный степени 10. Следовательно, значение одной и той же цифры определяется ее местоположением в изображении числа, характеризуемым степенью числа 10. Например, в изображении числа 222,22 цифра 2 повторяется 5 раз, при этом первая слева цифра 2 означает количество сотен (ее вес равен 102); вторая — количество десятков (ее вес равен 10), третья — количество единиц (ее вес равен 100), четвертая — количество десятых долей единицы (ее вес равен 10-1) и пятая цифра — количество сотых долей единицы (ее вес равен 10-2), т. е. число 222,22 может быть разложено по степеням числа 10:

10