Логические элементы и узлы эвм. Типовые логические элементы и устройства эвм. Двоичный цифровой сигнал

Элементы и узлы ЭВМ.

Элемент ЭВМ - наименьшая конструктивная и функциональная часть ЭВМ, которая используется при ее логическом проектировании и технологической реализации. По назначению они различаются на логические, запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы реализуют логические операции и применяются как для построения сложных логических схем (узлов), так и для управления работой отдельных блоков и устройств ЭВМ.

Запоминающие элементы предназначены для хранения и выдачи двоичной информации.

Вспомогательные элементы используются чаще всего для энергетического обеспечения и согласования работы различных блоков ЭВМ.

Рассмотрим принцип построения и функционирования элементов и узлов широко применяемых в ЭВМ.

Триггер - элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями. Состояние 0 на выход Q соответствует выключенному состоянию, а Q=1 - включенному. Триггеры осуществляют запоминание информации и остаются в заданном состоянии после прекращения действия переключающих сигналов. Они широко применяются широко применяются при цифровой обработке информации.
По способу организации логических связей, определяющие особенности функционирования, различают триггеры RS, T, D, JK. Из них JK триггер называется универсальным, так как из него можно получить все остальные виды триггеров.

Принцип работы JK триггера хорошо поясняется на графе переходов.

Схемы включения JK триггера:

Асинхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе Т формируют один сигнал на выходе.

Синхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе С формируют один сигнал на выходе, если на входе Т присутствует логическая 1.

Синхронный D триггер - реализует функцию временной задержки. Функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов.

Асинхронный RS триггер - элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями и двумя входами R и S, функционирующий в соответствии со следующей таблицей переходов.

Синхронный RS триггер - отличается от асинхронных RS триггеров тем, что кроме информационных входов имеет вход синхронизации С. При С=0 триггер находится в режиме хранения информации. При С=1 синхронный триггер работает как асинхронный RS триггер.

Регистры - это узлы ЭВМ, служащие для хранения информации в виде машинных слов или его частей, а так же для выполнения над словами некоторых логических преобразований. Они представляют собой цифровые автоматы Мили, выполненные на триггерах.
Регистры способны выполнять следующие операции:
- установка регистра в состояние 0 или 1 (на всех выходах);
- прием и хранение в регистре n разрядного слова;
- сдвиг хранимого в регистре двоичного кода слова в право или в лево на заданное значение разрядов;
- преобразование кода хранимого слова в последовательный, и наоборот, при приеме или при выдачи двоичных данных;
- поразрядные логические операции.

Ниже показано условно графическое обозначение универсального регистра и назначение его выводов:

Счетчики - узлы ЭВМ, которые осуществляют счет и хранение кода числа подсчитанных сигналов. Они представляют собой цифровые автоматы Мура, в которых новое состояние счетчика определяется его предыдущим состоянием и состоянием логической переменной на входе.
Внутреннее состояние счетчиков характеризуется коэффициентом пересчета К, определяющим число его устойчивых состояний. Основными параметрами являются разрешающая способность (минимальное время между двумя сигналами, которые надежно фиксируются) или максимальное быстродействие и информационная емкость. Обозначение и назначение выводов реверсивного счетчика показано на рисунке ниже.

Дешифратор, или избирательная схема, - это узел ЭВМ, в котором каждой комбинации входных сигналов соответствует наличие сигнала на одной вполне определенной шине на выходе (комбинационное устройство). Дешифраторы широко используются для преобразования двоичных кодов в управляющие сигналы для различных устройств ЭВМ.

Шифратор, или кодер, - это узел ЭВМ, преобразующий унитарный код в некоторый позиционный код. Если выходной код является двоичным позиционным, то шифратор называется двоичным. С помощью шифраторов возможно преобразование цифр десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого другого двоично-десятичного кода.

Преобразователи кодов - это узлы ЭВМ, предназначенные для кодирования чисел. В число преобразователей кодов входят: двоично-десятичные преобразователи, преобразователи цифровой индикации, преобразователи прямого кода двоичных чисел в обратный или дополнительный код и т. д.

Мултиплексоры - это узлы, преобразующие параллельные цифровые коды в последовательные. В этом устройстве выход соединяется с одним из входов в зависимости от значения адресных входов. Мультиплексоры широко используются для синтеза комбинационных устройств, так как это способствует значительному уменьшению числа используемых микросхем.

Демултиплексоры - это узлы, преобразующие информацию из последовательной формы в параллельную. Информационный вход D подключается к одному из выходов Qi определяемый адресными сигналами A0 и A1.

Сумматор - это узел, в котором выполняется арифметическая операция суммирования цифровых кодов двух двоичных чисел.

Используя одноразрядные сумматоры можно построить многоразрядные сумматоры.

ТЕМА 3.

Логические элементы и типовые узлы ЭВМ.

3.1. Классификация элементов и узлов ЭВМ.

ЭВМ может быть представлена как совокупность узлов, а каждый узел - как совокупность элементов.

Элемент - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации.

По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на:

Логические (реализующие одну из функций алгебры логики);

Запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа);

Вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т.п.).

^ По типу сигналов :

Аналоговые;

Цифровые.

По способу представления входных и выходных сигналов:

Потенциальные;

Импульсные;

Импульсно-потенциальные.

Узел - совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций.

Различают два типа узлов ЭВМ:

Комбинационные;

Накапливающие (с памятью).

В свою очередь комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т.д.

Накапливающие узлы - триггеры, регистры, счётчики и т.п.

В цифровых устройствах переменные и соответствующие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени. Временной интервал между соседними моментами времени называется тактом .

Информация в элементах ЭВМ может обрабатываться в последовательном или параллельном коде. При последовательном коде каждый временной такт предназначен для обработки одного разряда слова. При этом все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом.

При параллельной обработке информации код слова развертывается не во времени, а в пространстве, т.к. значения всех разрядов обрабатываются одновременно за один такт.

ЭВМ 3-го поколения строились на основе базовых логических элементов (ЛЭ). Например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ . Важнейшими характеристиками любого базового логического элемента является быстродействие и потребляемая мощность. В зависимости от рассеиваемой мощности различают следующие ЛЭ:

Микроватные Р до 300 мкВт;

Маломощные Р до 3 мВт;

Средней мощности Р до 30 мВт;

Мощные Р свыше 30 мВт.

По величине среднего времени задержки ЛЭ разбиваются на группы:

Низкое быстродействие tз > 50 нс, Р = 0,01-1 мВт;

Среднее быстродействие tз = 10-50 нс, Р = 1-10 мВт;

Высокое быстродействие tз = 5-10 нс, Р = 10-50 мВт;

Сверхвысокое быстродействие tз
Каждый ЛЭ кроме того характеризуется величиной напряжения

Соответствующим уровням логических ""0" и ""1" , коэффициентом объединения по входу, коэффициентом разветвления по выходу.

ЛЭ объединяются в группы (серии) интегральных микросхем, например, серии К155 , К500 , К176 и др.

Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности размещения элементов на кристалле - снижением быстродействия.

3.2 Узлы комбинированного типа .

Сумматор. Для понимания принципов построения и функционирования сумматора рассмотрим пример сложения двоичных чисел:

В каждом i разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос в старший разряд.

Различают полусумматор ^ HS (не учитывает сигнал переноса) и полный сумматор SM (учитывает сигнал переноса).

Полусумматор Полный сумматор Многоразрядный

Сумматор

Хi – входы

Si – выходы

Рi – перенос

Кодепреобразователь – это комбинационное устройство (КУ), имеющее m входов и n выходов и преобразующее входные m- разрядные двоичные числа в выходные n- разрядные. Чаще всего используются 2 вида - шифраторы и дешифраторы.

Дешифратор (ДС) - это КУ с m -входами и выходами, формирующие ""1"" только на одном из выходов, десятичный номер которого соответствует входной десятичной комбинации. Работа ДШ задается таблицей истинности.

Шифратор (СД) - решает обратную приведенной раньше задаче.

Мультиплексор (MUX) - это КУ, которое осуществляет коммутацию одного из своих входов Х на единственный выход У. Подключение входа к выходу, как правило, осуществляется в момент подачи на синхронизирующий вход с тактового импульса, а номер подключаемого к выходу входа определяется адресным кодом, подающимся на адресные входы мультиплексора А.

Демультиплексор (ДМХ) решает обратную задачу.

Обозначение MUX, ДМХ приведено на рисунке:

Коммутатор - это КУ с m входами и n выходами, которое по заданным адресам А входа и B выхода соединяет между собой требуемые вход и выход.

Программируемая логическая матрица - универсальная комбинационная схема для преобразования входного n- разрядного двоичного кода в выходной m- разрядный код по заданной таблице истинности. Широко используются в устройствах управления микропроцессоров.

Схемы сравнения - необходимы для организации ветвящихся процессов обработки данных и т.д. (см. рис.).

3.3 Узлы накапливающего типа.

В качестве запоминающих элементов ЭВМ используются триггеры или устройства на основе магнитных материалов.

Триггер - это конечный автомат, который обладает двумя устойчивыми состояниями и под воздействием управляющего сигнала переходит из одного состояния в другое.

По функциональному назначению различают RS , Т, JK , D - триггеры, комбинированные RST-триггеры, JKRS , DRS -триггеры и т.п. При этом применяют обозначения S , R - входы для раздельной установки триггера в состояние "1"(S) и "0"(R) .

Т - счетный вход триггера.

J, k - входы для раздельной установки Jk триггера в состояние "1" (J) и "0" (k).

D - вход для установки триггера в состояние "1" или "0" с временной задержкой относительно момента появления информационного сигнала.

С - вход синхронизации.

Состояние триггера определяется сигналом Q на его прямом выходе. Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов с компактной записью, при которой в столбце состояний может быть указано, что новое состояние совпадает с предыдущим либо является его отрицанием.

Рассмотрим RS - триггер. Асинхронный (не синхронизируемый) RS - триггер на интегральных элементах ИЛИ - НЕ приведен на рисунке:

Триггер образуется из 2-х элементов ИЛИ - НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии выходной транзистор одной из схем ИЛИ - НЕ закрыт, а другой открыт.

Таблица переходов RS - триггера:

Ф
ункционирование RS-триггера может быть описано выражением:

Качество работы триггеров оценивается основными показателями – такими, как быстродействие, нагрузочная способность, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Дополняя RS-триггер входной комбинационной схемой, можно построить любой вид триггера.

Чтобы иметь возможность синхронизировать работу узлов и устройств ЭВМ, используют синхронные триггеры, имеющие специальный вход для синхроимпульсов. Если момент срабатывания асинхронного триггера привязан к моменту изменения уровня входных сигналов, то для синхронного - к моменту поступления синхроимпульсов.

Двуступенчатые триггеры позволяют избежать сбоев при записи или считывании информации в одном такте: первая ступень осуществляет запись по переднему фронту тактового импульса, а вторая - выдачу (перезапись во вторую ступень) по заднему фронту.

Т – триггер изменяет свое состояние при приходе каждого импульса, т.е. он их считает. Используется для построения счётчиков.

Регистры . Предназначены для записи, хранения и преобразования в них двоичных чисел. В качестве элементарной ячейки регистра используется триггер, который может хранить одноразрядное двоичное число. Запись и считывание информации в регистр может производиться последовательно (поразрядно) или параллельно (всеми разрядами одновременно). В соответствии с этим различают регистры последовательные, параллельные, последовательно-параллельные, параллельно-последовательные и универсальные.

Счётчик . Функциональный узел, предназначенный для подсчета числа получивших на его вход сигналов (импульсов) и фиксации результата в виде многоразрядного двоичного числа.

Счётчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Несущую систему станка образует совокупность его элементов, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания. Основными элементами несущей системы станка являются станина и корпусные детали (поперечины, хоботы, ползуны, плиты, столы, суппорты и т.д.).

Станина 1 (рис. 3.2) служит для монтажа деталей и узлов станка, относительно нее ориентируются и перемещаются подвижные детали и узлы. Станина так же, как и другие элементы несущей системы, должна обладать стабильностью свойств и обеспечивать в течение срока службы станка возможность обработки заготовок с заданными режимами и точностью. Это достигается правильным выбором материала станины и технологией ее изготовления, износостойкостью направляющих.

Для изготовления станин используют следующие основные материалы: для литых станин - чугун; для сварных - сталь, для станин тяжелых станков - железобетон (иногда), для станков высокой точности - искусственный материал синтегран, изготовляемый на основе крошки минеральных материалов и смолы и характеризующийся незначительными температурными деформациями.

Рис. 3.2. Станины станков:
а - токарно-винторезного; б - токарного с программным управлением; в - плоскошлифовального; 1 - станина; 2 - направляющие

Направляющие 2 обеспечивают требуемое взаимное расположение и возможность относительного перемещения узлов, несущих инструмент и заготовку. Конструкции направляющих для перемещения узла допускает только одну степень свободы движения.

В зависимости от назначения и конструктивного исполнения существует следующая классификация направляющих:

• по виду движения - главного движения и движения подачи; направляющие для перестановки сопряженных и вспомогательных узлов, неподвижных в процессе обработки;
• по траектории движения - прямолинейного и кругового движения;
• по направлению траектории перемещения узла в пространстве - горизонтальные, вертикальные и наклонные;
• по геометрической форме - призматические, плоские, цилиндрические, конические (только для кругового движения) и их сочетания.

Наибольшее распространение получили направляющие скольжения и направляющие качения (в последних используют шарики или ролики в качестве промежуточных тел качения).

Для изготовления направляющих скольжения (рис. 3.3) (когда направляющие выполнены как одно целое со станиной) используют серый чугун. Износостойкость направляющих повышают поверхностной закалкой, твердость HRC 42...56.

Рис. 3.3. Примеры направляющих скольжения:
а - плоская; б - призматическая; в - в виде «ласточкина хвоста»

Стальные направляющие выполняют накладными, обычно закаленными, твердостью HRC 58...63. Чаще всего используют сталь 40Х с закалкой ТВЧ1, стали 15Х и 20Х - с последующей цементацией и закалкой.

Надежная работа направляющих зависит от защитных устройств, предохраняющих рабочие поверхности от попадания на них пыли, стружки, грязи (рис. 3.4). Защитные устройства изготовляют из различных материалов, в том числе полимерных.

Рис. 3.4. Основные типы защитных устройств для направляющих:
а - щитки; б - телескопические щитки; в, г и д - лента; е - гармоникообразные меха

Шпиндели и их опоры

Шпиндель - разновидность вала - служит для закрепления и вращения режущего инструмента или приспособления, несущего заготовку.

Для сохранения точности обработки в течение заданного срока службы станка шпиндель обеспечивает стабильность положения оси при вращении и поступательном движении, износостойкость опорных, посадочных и базирующих поверхностей.

Шпиндели, как правило, изготовляют из стали (40Х, 20Х, 18ХГТ, 40ХФА и др.) и подвергают термической обработке (цементации, азотированию, объемной или поверхностной закалке, отпуску).

Для закрепления инструмента или приспособления передние концы шпинделей стандартизованы. Основные типы концов шпинделей станков показаны в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Основные типы концов шпинделей станков

В качестве опор шпинделей применяют подшипники скольжения и качения. Конструктивная схема регулируемых подшипников скольжения, выполняемых в виде бронзовых втулок-вкладышей, одна из поверхностей которых имеет коническую форму, приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Регулируемые подшипники скольжения:
а - с цилиндрической шейкой шпинделя: 1 - шейка шпинделя; 2 - разрезная втулка; 3 - корпус; б - с конической шейкой шпинделя: 1 - шпиндель; 2 - цельная втулка

В опорах скольжения шпинделей используют смазочный материал в виде жидкости (в гидростатических и гидродинамических подшипниках) или газа (в аэродинамических и аэростатических подшипниках).

Существуют одно- и многоклиновые гидродинамические подшипники . Одноклиновые наиболее просты по конструкции (втулка), но не обеспечивают стабильного положения шпинделя при больших скоростях скольжения и малых нагрузках. Этот недостаток отсутствует в многоклиновых подшипниках, имеющих несколько несущих масляных слоев, охватывающих шейку шпинделя равномерно со всех сторон (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Опора шпинделя шлифовального круга с гидродинамическим пятивкладышным подшипником:
1 - самоустанавливающиеся вкладыши; 2 - шпиндель; 3 - обойма; 4 - гайка; 5 - подшипники качения; 6 - винты со сферическим опорным торцом; 7 - манжеты

Гидростатические подшипники - подшипники скольжения, в которых масляный слой между трущимися поверхностями создается путем подвода к ним масла под давлением от насоса, - обеспечивают высокую точность положения оси шпинделя при вращении, имеют большую жесткость и обеспечивают режим жидкостного трения при малых скоростях скольжения (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Гидростатический подшипник:
1 - корпус подшипника; 2 - шейка шпинделя; 3 - карман, создающий несущую поверхность подшипника (стрелками показано направление подвода смазочного материала под давлением и его отвод)

Подшипники с газовой смазкой (аэродинамические и аэростатические) по конструкции подобны подшипникам гидравлическим, но обеспечивают меньшие потери при трении, что позволяет применять их в опорах быстроходных шпинделей.

Подшипники качения в качестве опор шпинделей широко применяют в станках разных типов. К точности вращения шпинделей предъявляют повышенные требования, поэтому в их опорах применяют подшипники высоких классов точности, устанавливаемые с предварительным натягом, который позволяет устранить вредное влияние зазоров. Натяг в радиально-упорных шариковых и конических роликовых подшипниках создается при их парной установке в результате осевого смещения внутренних колец относительно наружных.

Это смещение осуществляется с помощью специальных элементов конструкции шпиндельного узла: проставочных колец определенного размера; пружин, обеспечивающих постоянство силы предварительного натяга; резьбовых соединений. В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается за счет деформирования внутреннего кольца 6 (рис. 3.8) при затяжке его на коническую шейку шпинделя 8 с помощью втулки 5, перемещаемой гайками 1. Подшипники шпиндельных опор надежно защищены от загрязнения и вытекания смазочного материала манжетными и лабиринтными уплотнениями 7.

Рис. 3.8. Передняя опора шпинделя токарного станка на подшипниках качения:
1 - гайки; 2 - регулировочные гайки; 3 - пружины; 4 - подшипники качения упорные; 5 - втулки; 6 - внутреннее кольцо роликоподшипника; 7 - уплотнения; 8 - шпиндель

Подшипники качения 4 широко используют в качестве упорных, фиксирующих положение шпинделя в осевом направлении и воспринимающих возникающие в этом направлении нагрузки. Предварительный натяг шариковых упорных подшипников 4 создается пружинами 3. Регулирование пружин осуществляют гайками 2.

Пример использования радиально-упорных шариковых подшипников для восприятия осевых нагрузок приведен на рис. 3.6. Предварительный натяг создается регулировкой положения наружных колец подшипников 5 с помощью гайки 4.

Типовые механизмы для осуществления поступательного движения

Поступательное движение в рассматриваемых станках обеспечивают следующие механизмы и устройства:

• механизмы, преобразующие вращательное движение в поступательное: зубчатое колесо или червяк с рейкой, ходовой винт-гайка и другие механизмы;
• гидравлические устройства с парой цилиндр -поршень;
• электромагнитные устройства типа соленоидов, используемые в основном в приводах систем управления.

Приведем примеры некоторых из указанных механизмов (условные обозначения см. в табл. 3.1).

Пара зубчатое колесо-рейка имеет высокий КПД, что обусловливает ее применение в большом диапазоне скоростей движения рейки, в том числе в приводах главного движения, передающих значительную мощность, и приводах вспомогательных перемещений.

Червячно-реечная передача отличается от пары зубчатое колесо - рейка повышенной плавностью движения. Однако эта передача сложнее в изготовлении и имеет более низкий КПД.

Механизм ходовой винт-гайка широко применяется в приводах подач, вспомогательных и установочных движений и обеспечивает: малое расстояние, на которое перемещается движущийся элемент за один оборот привода; высокую плавность и точность перемещения, определяемую главным образом точностью изготовления элементов пары; самоторможение (в парах винт-гайка скольжения).

В станкостроении для ходовых винтов и гаек скольжения установлено шесть классов точности: 0 - наиболее точный; 1, 2, 3, 4 и 5-й классы, с помощью которых регулируют допустимые отклонения по шагу, профилю, диаметрам и по параметру шероховатости поверхности. Конструкция гаек зависит от назначения механизма.

Пары ходовой винт-гайка скольжения из-за низкого КПД заменяют винтовыми парами качения (рис. 3.9). В этих парах устранен износ, уменьшены потери при трении и могут быть устранены зазоры за счет создания предварительного натяга.

Рис. 3.9. Пара винт-гайка качения:
1, 2 - гайка, состоящая из двух частей; 3 - винт; 4 - шарики (или ролики)

Недостатки, присущие парам винт-гайка скольжения и винт-гайка качения, обусловленные особенностями их эксплуатации и изготовления, исключены в гидростатической передаче винт-гайка. Эта пара работает в условиях трения со смазочным материалом; КПД передачи достигает 0,99; масло подается в карманы, выполненные на боковых сторонах резьбы гайки.

Типовые механизмы для осуществления периодических движений

В процессе работы в некоторых станках требуется периодическое перемещение (изменение положения) отдельных узлов или элементов. Периодические движения могут осуществляться храповыми и мальтийскими механизмами, механизмами кулачковыми и с муфтами обгона, электро-, пневмо- и гидромеханизмами.

Храповые механизмы (рис. 3.10) наиболее часто используют в механизмах подачи станков, в которых периодическое перемещение заготовки, режущего (резца, шлифовального круга) или вспомогательного (алмаз для правки шлифовального круга) инструмента производится во время перебега или обратного (вспомогательного) хода (в шлифовальных и других станках).

Рис. 3.10. Схема храпового механизма:
1 - храповик; 2 - собачка; 3 - щиток; 4 - тяга

В большинстве случаев храповые механизмы используют для прямолинейного перемещения соответствующего узла (стола, суппорта, пиноли). Спомощью храповой передачи осуществляют также и круговые периодические перемещения.

Муфты служат для соединения двух соосных валов. В зависимости от назначения различают муфты нерасцепляемые, сцепляемые и предохранительные.

Нерасцепляемые муфты (рис. 3.11, а, б, в) служат для жесткого (глухого) соединения валов, например соединения с помощью втулки, через упругие элементы или через промежуточный элемент, имеющий на торцовых плоскостях два взаимно перпендикулярных выступа и позволяющий компенсировать несоосность соединяемых валов.

Рис. 3.11. Муфты для соединения валов:
а - жесткая типа втулки; б - с упругими элементами; в - крестово-подвижная; г - кулачковая; д - многодисковая с механическим приводом: 1 - шайба; 2 - нажимной диск; 3 - шарики; 4 - неподвижная втулка; 5 - втулка; 6 - гайка; 7 - пружины; е - электромагнитная: 1 - шлицевая втулка; 2 - электромагнитная катушка; 3 и 4 - магнитопроводящие диски; 5 - якорь; 6 - втулка

Сцепляемые муфты (рис. 3.11, г, д, е) применяют для периодического соединения валов. В станках используют сцепляемые кулачковые муфты в виде дисков с торцовыми зубьями-кулачками и зубчатые муфты. Недостатком таких сцепляемых муфт является трудность их включения при большой разнице угловых скоростей ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты не имеют недостатка, присущего кулачковым муфтам, и позволяют включить их при любых скоростях вращения ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты бывают конусные и дисковые. В приводах главного движения и подачи широко применяют многодисковые муфты, передающие значительные крутящие моменты при сравнительно небольших габаритных размерах. Сжатие ведущих дисков с ведомыми осуществляется с помощью механического, электромагнитного и гидравлического приводов.

Предохранительные муфты (рис. 3.12) соединяют два вала при нормальных условиях работы и разрывают кинематическую цепь при повышении нагрузки. Разрыв цепи может происходить при разрушении специального элемента, а также в результате проскальзывания сопрягаемых и трущихся частей (например, дисков) или расцепления кулачков двух сопрягаемых частей муфты.

Рис. 3.12. Схемы предохранительных муфт;
а - шариковая; б - кулачковая; 1 - кулачки; 2 - подвижный элемент муфты; 3 - пружины; 4 - гайка; 5 - шарики

В качестве разрушаемого элемента обычно используют штифт, площадь сечения которого рассчитывают для передачи заданного крутящего момента. Расцепление сопрягаемых элементов муфты происходит при условии, что осевая сила, возникающая на зубьях, кулачках 1 или шариках 5, при перегрузках превышает силу, создаваемую пружинами 3 и регулируемую гайкой 4. При смещении подвижный элемент 2 муфты воздействует на концевой выключатель, разрывающий электрическую цепь питания двигателя привода.

Муфты обгона (рис. 3.13) предназначены для передачи вращающего момента при вращении звеньев кинематической цепи в заданном направлении и для разъединения звеньев при вращении в обратном направлении, а также для передачи валу различных по частоте вращений (например, медленного - рабочего вращения и быстрого - вспомогательного). Муфта обгона позволяет передавать дополнительное (быстрое) вращение без выключения основной цепи. В станках наиболее широко применяют муфты роликового типа, которые могут передавать вращающий момент в двух направлениях.

Рис. 3.13. Муфта обгона роликовая:
1 - обойма; 2 - ступица; 3 - ролики; 4 - поводковая вилка; 5 - пружины

В качестве муфт обгона используют также храповые механизмы.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляют к станинам и направляющим станков?
2. Расскажите о назначении и конструкциях шпиндельных узлов и подшипников.
3. Какие муфты применяют в станках?

Элементы и узлы ЭВМ

Тема № 2

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.
Филиппенко О.И.
ТКС
2

Двоичный цифровой сигнал.

Binary
AMI
2B1Q
Филиппенко О.И.
Двоичный цифровой
сигнал - сигнал,
дискретный по оси
времени,
представленный
двумя возможными
значениями – уровнем
нуля и уровнем
единицы.
Цифровой сигнал не
обязательно двоичный.
ТКС
3

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.
Филиппенко О.И.
ТКС
4

Системы счисления (обзор)

Любое число в позиционной системе счисления
можно представить в виде суммы:
N q K n q n K n-1q n-1 ..... K1q1 K 0 q 0 ....
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……
Филиппенко О.И.
ТКС
5

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: N q n
Филиппенко О.И.
ТКС
6

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,……
Филиппенко О.И.
ТКС
7

Системы счисления (обзор)

Пример перевода из десятичной системы в двоичную.
Филиппенко О.И.
ТКС
8

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.
Филиппенко О.И.
ТКС
9

10. 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).
Филиппенко О.И.
ТКС
10

11. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
11

12. Условные обозначения. Входы.

Прямой статический вход
Инверсный статический вход
Прямой динамический вход
Инверсный динамический вход

информации
Гистерезисный вход
Входы информационные и управляющие
Филиппенко О.И.
ТКС
12

13. 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
Филиппенко О.И.
ТКС
13

14. Выходы

Филиппенко О.И.
ТКС
14

15. Выходы

Филиппенко О.И.
ТКС
15

16. Логические уровни, активные уровни, временная диаграмма

ТТЛ
5V
Положительная и отрицательная логика
2,7 V
Неопределенный
уровень
1,8 V
0V
Пример временной диаграммы
Филиппенко О.И.
ТКС
16

17. Элемент НЕ (инвертор)

Физический
эквивалент
элемента НЕ
Инвертор
1
A
F
A
F
F=A
Таблица истинности
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
А F
1 0
0 1
ТКС
17

18. Логические элементы. Элемент И

Физический
эквивалент
элемента 3И.
Элемент 2И
&
F = AB
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
0
0
1
Таблица истинности
ТКС
18

19. Логические элементы. Элемент И-НЕ

Физический
эквивалент элемента
3И-НЕ.
Элемент 2И-НЕ
&
F = AB
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
1
1
1
0
Таблица истинности
ТКС
19

20. Логические элементы. Элемент ИЛИ

Физический
эквивалент
элемента 3ИЛИ.
Элемент 2ИЛИ
1
F = A+B
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
1
1
1
Таблица истинности
ТКС
20

21. Логические элементы. Элемент ИЛИ-НЕ

Физический
эквивалент
элемента 3ИЛИ-НЕ.
Элемент 2ИЛИ-НЕ
1
F = A+B
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
1
0
0
0
Таблица истинности
ТКС
21

22. Логические элементы. Элемент Исключающее-ИЛИ

Элемент Исключающее
ИЛИ (XOR)
Элемент Исключающее
ИЛИ-НЕ (XNOT-OR)
F=A+B
F=A+B
=1
=1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
1
1
0
A
0
0
1
1
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
B
0
1
0
1
F
1
0
0
1
Таблица истинности
ТКС
22

23. Альтернатива (правило Де-Моргана в действии)

(a + b) = a * b
(a * b) = a + b
a + b = (a * b)
(a * b) = (a + b)
Филиппенко О.И.
ТКС
23

24. Задержки

Филиппенко О.И.
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.
ТКС
24

25. Дешифратор.

Схема (а)
условное обозначение (б)
таблица истинности (в)
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.
Филиппенко О.И.
ТКС
25

26. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
26

27. Шифратор.

Схема (а), условное обозначение (б), таблица истинности (в)
Шифратором называется устройство,
предназначенное для преобразования чисел из
одной системы в другую, например, десятичной
системы в двоичную.
Филиппенко О.И.
ТКС
27

28. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
28

29. Мультиплексор.

Мультиплексором
называется
комбинационное
цифровое устройство,
предназначенное для
управляемой передачи
информации от
нескольких источников в
один выходной канал.
Мультиплексор 4 в 1:
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:
Y D0 X1 X 0 D1 X1 X 0 D 2 X1 X 0 D3 X1 X 0
Филиппенко О.И.
ТКС
29

30. Демультиплексор.

Схема демультиплексора (а),
условное обозначение (б),
таблица истинности (в)
Демультиплексор 1 в 4:
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.
Филиппенко О.И.
ТКС
30

31. Комбинационный сумматор

Структурная схема
одноразрядного сумматора
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.
Филиппенко О.И.
ТКС
31

32. Цифровой компаратор

Обозначение (а),
таблица истинности(б)
Компаратор на 4 разряда
Цифровые компараторы предназначены для сравнения
цифровых кодов.
Количество входов определяется разрядностью чисел. На
выходе обычно формируются сигналы A=B, A>B и A 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
32

33. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
33

34. 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: RSтриггер, D-триггер, Т-триггер, JK-триггер, (DV и TV-триггеры).
Филиппенко О.И.
ТКС
34

35. Триггеры (классификация)

по функциональному
назначению
Филиппенко О.И.
по способу управления
(ввода информации)
ТКС
35

36. RS-триггер

Филиппенко О.И.
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.
ТКС
36

37. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
37

38. D-триггер синхронный

Вход С может быть статический или
динамический
Филиппенко О.И.
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.
ТКС
38

39. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
39

40. T- триггер

T
Q(t+1)
0
Q(t)
1
Q(t)
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
Филиппенко О.И.
ТКС
40

41. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
41

42. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
42

43. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
43

44. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
44

45. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
45

46. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
46

47. Счетчик двоичный 4-х разрядный с последовательным переносом, суммирующий. М=16.

временные диаграммы работы
Филиппенко О.И.
ТКС
Состояние выходов
47

48. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
48

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

Филиппенко О.И.
ТКС
49

50. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
50

51. Запоминающие устройства

Устройства для хранения информации
Классификация запоминающих устройств в интегральном исполнении.
Филиппенко О.И.
ТКС
51

52. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
52

53. 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 лавинноинжекционным 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
53

54. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
54

55. 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.
Адресный код разрядностью К + L делится на две части: одна (К разрядов)
служит для определения строки, вторая (L разрядов) - для определения
столбца. Таким образом, выбирается один бит нужного слова, находящийся
в ЗЭ на пересечении активных выходов обоих дешифраторов. При
построении ЗУ для многоразрядных слов к дешифраторам DC1 и DC2
подключаются параллельно несколько матриц М, число которых равно
разрядности хранимых слов
Филиппенко О.И.
ТКС
55

56. Структура статического запоминающего устройства объемом 32кбайт, организацией 32к * 8бит

Филиппенко О.И.
ТКС
56

57. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
57

58. Условные графические обозначения

RAM
ROM
ОЗУ
ПЗУ
ОЗУ
Филиппенко О.И.
ОЗУ
ТКС
58

59. Временные диаграммы ОЗУ динамического типа

Чтение
Филиппенко О.И.
Запись
ТКС
59

60. 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)}.
Филиппенко О.И.
ТКС
60

61. Классификация АЦП

Филиппенко О.И.
ТКС
61

62. 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.
Филиппенко О.И.
ТКС
62

63. 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
Филиппенко О.И.
ТКС

Элемент это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации. По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на: логические (реализующие одну из функций алгебры логики); запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа триггеры); вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т. п.).

Узел совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций. Различают два типа узлов ЭВМ: комбинационные; комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т. д. накапливающие (с памятью). накапливающие узлы триггеры, регистры, счётчики и т. п.

Шифратор (кодер) преобразует единичный сигнал на одном из входов в n разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления. Входы Выходы Х Y 3 Y 2 Y 1 Y 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 Y 0=X 1+X 3+X 5+X 7+X 9 Y 1=X 2+X 3+X 6+X 7 Y 2=X 4+X 5+X 6+X 7 Y 3=X 8+X 9.

Дешифратор (декодер) это узел, преобразующий код, поступающий на его входы, а сигнал только на одном из его выходов.

Мультиплексор узел, предназначенный для опроса и передачи входных информационных сигналов в одну выходную цепь. В каждый момент времени выбирается только одна одноразрядная или многоразрядная входная цепь. УГО – условное графическое отображение

Цифровым компаратором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для сравнения чисел, представленных в виде двоичных кодов. Число входов компаратора определяется разрядностью сравниваемых кодов. На выходе компаратора обычно формируется три сигнала:

Двоичный сумматор логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. Различают схемы сумматоров двух видов: Полусумматор; Полный сумматор.

Полусумматор – предназначен для сложения одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из предыдущего разряда. Составим таблицу логических значений для сумматора, где А, В - слагаемые, Р и S - перенос и цифра разряда для суммы соответственно.