Основы теории и организации ЭВМ

Архитектура и организация ЭВМ

2-е издание, исправленное

Гуров В.В.
Чуканов В.О.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 004(075.8)
ББК 9
Г95
Основы теории и организации ЭВМ / Гуров В.В., Чуканов В.О. - M.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 5-9556-0040-X

В лекциях рассматриваются схемотехнические основы ЭВМ. Представлены основные устройства
ЭВМ. Рассматривается взаимодействие устройств ЭВМ при автоматическом выполнении программы.
Описана работа мультипрограммной ЭВМ.
В курсе рассмотрены основные схемотехнические элементы ЭВМ: логические элементы, триггерные
схемы, регистры, счетчики и т.д. Рассматривается организация и принципы работы запоминающих
устройств, устройства управления, арифметико-логического устройства. Их анализ проводится на
примерах реализации устройств, выполняющих заданные функции. Рассмотрены режимы адресации
и форматы команд персональной ЭВМ с системой команд x86. Приведены основные характеристики
32-разрядного микропроцессора. Проведен анализ конвейерной организации работы
микропроцессора для случая идеального конвейера и конвейера, в работе которого встречаются
конфликты. Рассмотрены основные режимы работы мультипрограммной ЭВМ, характеристики ЭВМ
при работе в мультипрограммном режиме, дисциплины распределения ресурсов. Описана работа
системы прерывания как с классической точки зрения, так и применительно к современным
персональным компьютерам. Рассмотрены вопросы, возникающие при работе системы
распределения памяти. Представлен анализ классических методов защиты информации в ЭВМ и
методов, поддерживаемых на аппаратном уровне в современных ЭВМ. Рассмотрена организация
ввода-вывода информации, включая прямой доступ к памяти.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2006-2016
(c) Гуров В.В., Чуканов В.О., 2006-2016

3

Основные функциональные элементы ЭВМ, часть 1

Рассматриваются основные функциональные элементы ЭВМ: дешифратор, шифратор,
триггерные схемы различных типов.

Рассмотрим некоторые схемы, составляющие основу элементной базы любого
компьютера.

Дешифратор

Дешифратором называется комбинационная схема, имеющая n входов и 2n выходов и
преобразующая двоичный код на своих входах в унитарный код на выходах.
Унитарным называется двоичный код, содержащий одну и только одну единицу,
например 00100000. Условно-графическое обозначение дешифратора на три входа
приведено на рис. 1.1.

Рис. 1.1.  Условно-графическое обозначение трехвходового дешифратора

Номер разряда, в котором устанавливается ” 1 ” на выходе дешифратора, определяется
кодом на его входах. Ниже приведена таблица истинности трехвходового
дешифратора (таблица 1.1).

Таблица 1.1.

Входы
Выходы

2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

Реализация дешифратора в одноэлементном базисе “Штрих Шеффера” достаточно
проста, так как таблица истинности для любого выхода имеет только одну единицу. На
рис. 1.2 представлена схема формирования сигнала на одном из выходов дешифратора
(сигнал f5 на выходе 5 ):

4

Рис. 1.2.  Схема формирования сигнала на выходе 5 трехвходового дешифратора

Из представленной схемы видно, что фактически логику преобразования выполняет
лишь элемент 2, в то время как элемент 1 служит для получения инверсии сигнала x1, а
элемент 3 преобразует полученное на элементе 2 инверсное значение функции в
прямое. Многие элементы хранения, например триггерные схемы, позволяют получать
сигнал в парафазном коде, то есть имеют два выхода, на одном из которых сигнал
имеет прямое, а на другом – инверсное значение. Это позволяет избавиться от элемента

1 в схеме. Если предположить, что значения выходных сигналов имеют инверсный вид
по отношению к представленному в табл 1.1, то отпадает необходимость в элементе 3.
В большинстве реальных интегральных микросхем реализованы именно дешифраторы
с инверсными выходами. Обозначение такого дешифратора показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3.  Условно-графическое обозначение дешифратора с инверсными выходами

На выходах такого дешифратора образуется унитарный код, содержащий один и
только один ноль. Например, если входные сигналы имеют значение 1102=610, то
выходы дешифратора, представленного на рис. 1.3, будут находиться в состоянии

10111111, то есть выход 6 будет иметь значение, отличное от остальных выходов.

Дешифраторы широко применяются в различных устройствах компьютеров. Прежде
всего, они используются для выбора ячейки запоминающего устройства, к которой
производится обращение для записи или считывания информации. При этом часть
разрядов адресного кода может дешифрироваться дешифраторами, выполненными в
виде отдельных интегральных схем, а другая часть разрядов (обычно младшая)
дешифрируется с помощью дешифраторов, встроенных непосредственно в БИС
запоминающего устройства. Кроме того, дешифраторы находят применение в
устройстве управления для определения выполняемой операции, построения
распределителей импульсов и в других блоках.

Шифратор

Шифратор – схема, имеющая 2n входов и n выходов, функции которой во многом

5

противоположны функции дешифратора (рис. 1.4). Эта комбинационная схема в
соответствии с унитарным кодом на своих входах формирует позиционный код на
выходе (таблица 1.2).

Рис. 1.4.  Условно-графическое обозначение шифратора на 4 входа

Таблица 1.2.

Входы Выходы
3 2 1 0 1
0

0 0 0 1 0
0

0 0 1 х 0
1

0 1 x х 1
0

1 х x х 1
1

Триггер

Триггер – электронная схема, обладающая двумя устойчивыми состояниями. Переход
из одного устойчивого состояния в другое происходит скачкообразно под
воздействием управляющих сигналов. При этом также скачкообразно изменяется
уровень напряжения на выходе триггера [7].

Триггеры служат основой для построения регистров, счетчиков и других элементов,
обладающих функцией хранения.

Главной частью любого триггера является запоминающая ячейка (ЗЯ). Схема
запоминающей ячейки на элементах “И-НЕ” представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5.  Запоминающая ячейка на элементах “И-НЕ”

Входной сигнал S (Set ) служит для установки ЗЯ в состояние ” 1” (Q=1, Q=0). Сигнал R
(Reset) устанавливает ЗЯ в состояние ” 0 ” (Q=0, Q=1). Активными значениями для них

6

являются сигналы низкого уровня.

Пусть на входы ЗЯ поданы сигналы: S=0, R=1. Тогда при любом исходном состоянии ЗЯ
на выходе элемента 1 установится высокий уровень напряжения. Так как на входы
элемента 2 поступают значения Q и R, то на его выходе будет сигнал низкого уровня.
Таким образом, ЗЯ перейдет в состояние ” 1 “.

Аналогично при S=1, R=0 запоминающая ячейка перейдет в состояние Q=0, Q=1, то есть в
” 0 “.

Если S=1, R=1, то состояние ЗЯ будет определяться ее предыдущим состоянием. Если
ЗЯ находилась в состоянии ” 1 “, то сигнал Q=0, поступая на вход элемента 1,
подтвердит состояние его выхода Q=1. На входы элемента 2 поступят сигналы только
высокого уровня. Поэтому его выход будет находиться в состоянии Q=0, то есть не
изменится. Если ЗЯ находилась в состоянии ” 0 “, то сигнал Q=0, поступая на вход
элемента 2, подтвердит состояние его выхода Q=1. В свою очередь, выход элемента 1
также останется без изменения. Таким образом, эта комбинация входных сигналов
соответствует режиму хранения.

Если на входы S и R поданы сигналы низкого уровня ( S = R = 0 ), то сигнал на
выходах элементов 1 и 2 будет высоким ( Q = Q = 1 ). При переводе ЗЯ в режим
хранения ( S = R = 1 ), выходы элементов 1 и 2 могут установиться в произвольное
состояние. Поэтому комбинация сигналов S = R = 0 на управляющих входах не
используется.

Работа триггерной схемы определяется не таблицей истинности, как для
комбинационной логической схемы, а таблицей переходов. Таблица переходов
показывает изменение состояния триггера при изменении состояния входных сигналов
в зависимости от его текущего состояния. Таблица переходов запоминающей ячейки,
показанной на рис. 1.5, представлена в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

S R Q(t+1)
Функция

0 0 х
Запрещенная комбинация

0 1 1
Установка в ” 1 “

1 0 0
Установка в ” 0 “

1 1 Q(t)
Хранение

Аналогичная запоминающая ячейка может быть построена на элементах “ИЛИ-НЕ”.

Такие запоминающие ячейки можно рассматривать как простейшие асинхронные
триггеры, на базе которых строятся синхронные триггерные схемы.

Триггеры можно классифицировать по различным признакам, например так, как это
показано на рис. 1.6.

7

Рис. 1.6.  Классификация триггерных схем

Триггер называется синхронным, если его таблица переходов хотя бы по одному
управляющему входу реализуется под воздействием синхронизирующего сигнала.

Рассмотрим организацию синхронного одноступенчатого триггера (рис. 1.7).

Рис. 1.7.  Обобщенная схема синхронного одноступенчатого триггера

Основу синхронного одноступенчатого триггера составляет рассмотренная выше
запоминающая ячейка (элементы 1, 2 ). Комбинационная схема преобразует
управляющие сигналы триггера, а также, для некоторых типов триггеров, сигналы Q и

Q с выходов ЗЯ в сигналы S и R на входах запоминающей ячейки. Синхросигнал C
разрешает передачу на входы элементов 1 и 2 таких значений сигналов S и R, которые
устанавливают ЗЯ в то или иное состояние. Неактивное значение синхросигнала
обеспечивает на входах запоминающей ячейки состояние управляющих сигналов S = R

= 1, что соответствует для нее режиму хранения.

Схема синхронного одноступенчатого RS-триггера приведена на рис. 1.8. Его таблица
переходов представлена в табл. 1.4.

8

Рис. 1.8.  Синхронный одноступенчатый RS-триггер

Таблица 1.4.

R S Q(t+1)
Функция

0 0 Q(t)
Хранение

0 1 1
Установка в ” 1 “

1 0 0
Установка в ” 0 “

1 1 х
Запрещенная комбинация

Еще раз подчеркнем, что данная таблица переходов будет реализовываться лишь при
активном уровне синхросигнала C (для данной организации это C = 1 ). При C = 0
выходы элементов 3 и 4 (см. рис. 1.8) будут в состоянии ” 1 “, что соответствует
режиму хранения запоминающей ячейки, реализованной на элементах 1 и 2.

Таблицы переходов JK - и D - триггеров приведены в таблицах 1.5 и 1.6
соответственно.

Таблица 1.5.

J K Q(t+1)
Функция

0 0 Q(t)
Хранение

0 1 0
Установка в ” 0 “

1 0 1
Установка в ” 1 “

1 1 Q(t)
Инвертирование предыдущего состояния

Таблица 1.6.

D Q(t+1)
Функция

0 0
Установка в ” 0 “

1 1
Установка в ” 1 “

Представленный на рис. 1.8 триггер имеет статическую синхронизацию, при которой
управляющие сигналы активизируют входы S и R запоминающей ячейки во время
высокого уровня сигнала на входе синхронизации. Его условно-графическое
обозначение приведено на рис. 1.9,а. Условно-графические обозначения триггеров,
использующих другие типы синхронизации, приведены на рис. 1.9,б,в,г (на примере

9

RS-триггера ).

На рис. 1.9,б представлено УГО триггера со статической синхронизацией в случае,
если активный уровень синхросигнала низкий. Условно-графические обозначения
триггеров с динамической синхронизацией показаны на рис. 1.9,в и 1.9,г. В первом
случае изменение состояния триггера под воздействием поступивших управляющих
сигналов происходит только в момент переключения синхронизирующего сигнала с
низкого уровня на высокий, а во втором – при переключении с высокого на низкий
уровень. При постоянном значении уровня синхросигнала состояние выхода триггера
с динамической синхронизацией не меняется при любых изменениях управляющих
сигналов на его входах.

Рис. 1.9.  Условно-графические обозначения RS-триггера с различной синхронизацией:
а - статическая синхронизация; б - статическая инверсная синхронизация; в динамическая синхронизация передним фронтом синхросигнала; г - динамическая
синхронизация задним фронтом синхросигнала

Идеализированная (без учета задержек) временная диаграмма работы RS-триггеров с
различными типами синхронизации приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.10.  Временная диаграмма работы RS-триггера с различными типами
синхронизации: Qа – статическая синхронизация; Qб– статическая инверсная
синхронизация; Qв –динамическая синхронизация передним фронтом синхросигнала;
Qг– динамическая синхронизация задним фронтом синхросигнала

Как отмечалось выше, синхронный триггер, помимо управляющих входов,
воздействующих на его состояние при подаче сигнала синхронизации, может иметь
входы, которые воздействуют на его состояние непосредственно. Обычно они
используются для установки триггера в то или иное начальное состояние перед
подачей последовательности синхросигналов. Схема синхронного RS-триггера с
асинхронными входами установки в ” 0 ” и в ” 1 ” приведена на рис. 1.11, а его
условно-графическое обозначение – на рис. 1.12.

10