Podstawy Informatyki Elementarne podzespoły komputera

Transkrypt

1 Podstawy Informatyki

2 Plan wykładu 1 Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne 2 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki 3 Magistrala Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali 4 Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera

3 Reprezentacja informacji Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne Zmienna binarna Przyjmuje tylko dwie wartości, umownie oznaczane jako 0 (stan niski) lub 1 (stan wysoki) i nazywane bitami n-bitowe słowo binarne Wektor informacji cyfrowej przesyłany do (lub z) pamięci operacyjnej za jednym razem Przyjmuje 2 n wartości Wartość n jest ściśle określona dla każdej maszyny cyfrowej Komputer wykonując działania na słowach wykonuje operacje na poszczególnych bitach

4 Reprezentacja informacji Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne Zmienna binarna Przyjmuje tylko dwie wartości, umownie oznaczane jako 0 (stan niski) lub 1 (stan wysoki) i nazywane bitami n-bitowe słowo binarne Wektor informacji cyfrowej przesyłany do (lub z) pamięci operacyjnej za jednym razem Przyjmuje 2 n wartości Wartość n jest ściśle określona dla każdej maszyny cyfrowej Komputer wykonując działania na słowach wykonuje operacje na poszczególnych bitach

5 Podstawowe bramki logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne Bramka logiczna realizuje fizycznie prostą funkcję logiczną na bitach. NOT - negacja XOR - suma modulo 2 x x x y x y OR - suma logiczna NOR - zanegowana suma logiczna x y x + y x y x + y AND - iloczyn logiczny NAND - zanegowany iloczyn logiczny x y xy x y xy

6 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

7 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

8 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

9 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

10 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

11 Podstawowe funkcje logiczne Reprezentacja informacji Podstawowe bramki logiczne Podstawowe funkcje logiczne x y x x + y xy x y x + y xy NOT (x) = x OR(x, y) = x + y AND(x, y) = xy XOR(x, y) = x y NOR(x, y) = x + y NAND(x, y) = xy

12 Przerzutnik Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Układ mający 2 stany stabilne Zmiana stanu z jednego na drugi dokonuje się poprzez krótkotrwały impuls doprowadzony do układu z zewnątrz O stanie wyjść przerzutnika decyduje nie tylko aktualny stan jego wejść ale także jego stan poprzedni Przerzutnik służy do zapamiętywania informacji o pojemności równej 1 bitowi

13 Przerzutnik SR Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Układ bez punktu równowagi p = 1, 0, 1, 0,... lub p = 0, 1, 0, 1,... p

14 Przerzutnik SR Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Układ bez punktu równowagi p = 1, 0, 1, 0,... lub p = 0, 1, 0, 1,... p Układ z dwoma punktami równowagi p = 1, 1, 1,... lub p = 0, 0, 0,... p

15 Przerzutnik SR Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Układ bez punktu równowagi p = 1, 0, 1, 0,... lub p = 0, 1, 0, 1,... p Układ z dwoma punktami równowagi p = 1, 1, 1,... lub p = 0, 0, 0,... p Stąd wywodzi się przerzutnik SR (zał. sr = 0) r s q q

16 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Przerzutnik SR i jego rozszerzenie Przerzutnik SR (S - set, R - reset) s k r k q k q k q k+1 = r k (q k + s k )

17 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Przerzutnik SR i jego rozszerzenie Przerzutnik SR (S - set, R - reset) s k r k q k q k q k+1 = r k (q k + s k ) Przerzutnik JK (J - set, K- reset, JK - zamiana) j k k k q k q k q k+1 = q k j k + q k k k

18 Rejestry Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Rejestr Uporządkowany zbiór przerzutników służących do przechowywania wektora informacji cyfrowej. Można wśród nich wyróżnić rejestry asynchroniczne i synchroniczne. Parametrami charakteryzującymi rejestr są: długość rejestru, równa liczbie przerzutników N pojemność rejestru, równa 2 N szybkość rejestru, czyli czas propagacji zastosowanych przerzutników

19 Podział rejestrów Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Ze względu na sposób wprowadzania i wyprowadzania informacji rejestry dzieli się na: szeregowe, tj. szeregowo-szeregowe - SISO (Serial In Serial Out) równoległe, tj. równoległo-równoległe - PIPO (Parallel In Parallel Out) szeregowo-równoległe - SIPO (Serial In Parallel Out) równoległo szeregowe - PISO (Parallel In Serial Out)

20 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Realizacja wpisu do rejestru równoległego ZE WSTĘPNYM ZEROWANIEM

21 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Realizacja wpisu do rejestru równoległego ZE WSTĘPNYM ZEROWANIEM Z WEJŚCIEM FORSOWANYM

22 Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Realizacja wpisu do rejestru równoległego ZE WSTĘPNYM ZEROWANIEM Z WEJŚCIEM FORSOWANYM Symbol przesyłu między rejestrami

23 Liczniki Plan wykładu Przerzutniki Przerzutnik SR Rejestry Liczniki Licznik Układ sekwencyjny cyfrowy służący do zliczania i pamiętania liczby impulsów podawanych na jego wejście zliczające. Licznik zbudowany jest z przerzutników. Liczniki możemy dzielić na: synchroniczne, asynchroniczne liczące w przód, w tył lub rewersyjne binarne, dziesiętne, inne (pierścieniowy, Johnsona, Graya itd.)

24 Plan wykładu Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Magistrala Zbiór równoległych linii przewodów do których przyłączane są wyjścia rejestrów źródłowych i wejścia rejestrów odbiorczych. Umożliwia przesyły między rejestrami Szerokość magistrali - liczba bitów, które mogą być przesłane w jednym takcie Rozróżniane są 2 typy magistrali: jednokierunkowa (dane przepływają tylko w jednym kierunku) dwukierunkowa (dane przepływać mogą w obu kierunkach)

25 Problemy przy projektowaniu magistral Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Sygnał rozchodzi się na magistrali ze skończoną prędkością, stąd zniekształcenia i opóźnienia.

26 Problemy przy projektowaniu magistral Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Sygnał rozchodzi się na magistrali ze skończoną prędkością, stąd zniekształcenia i opóźnienia.

27 Sygnały poziomowe i impulsowe Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Sygnał wyjściowy powinien zostać wysłany wcześniej i trwać dłuższy okres czasu, aby być sygnałem stabilnym w momencie odczytu.

28 Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali

29 Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali (C) A (C) B wyc, wea wyc, web

30 Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali (C) A (C) B (C) A, B wyc, wea wyc, web wyc, wea, web

31 Multipleksowanie Plan wykładu Magistrala Problemy przy projektowaniu magistral Sygnały poziomowe i impulsowe Przesyły międzyrejestrowe za pośrednictwem magistrali Multipleksowanie Multipleksowanie - realizacja przesyłów między magistralami. Istnieją dwa typy: rozwidlające - wpisanie stanu jednej magistrali na jedną z kilku wybranych koncentrujące - przepisanie stanu wybranej z kilku magistral na daną

32 Zapis informacji binarnej Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Informacja binarna może być zapisana za pomocą N uporządkowanych zmiennych binarnych jako: Kod 1 z N - zbiorowi danych elementarnych odpowiada równoliczny zbiór zmiennych binarnych Naturalny kod binarny - zbiorowi danych elementarnych odpowiada kombinacja zmiennych binarnych (mając N zmiennych binarnych można zapisać 2 N danych elementarnych)

33 Koder i Dekoder Plan wykładu Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Koder Zamienia kod 1 z N na naturalny kod binarny o długości K (N = 2 K ).

34 Koder i Dekoder Plan wykładu Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Koder Zamienia kod 1 z N na naturalny kod binarny o długości K (N = 2 K ). Dekoder Zamienia naturalny kod binarny o długości K na kod 1 z N (N = 2 K ).

35 Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Przykład - koder dwójkowy podsiadający 8 wejść i 3 wyjścia Tablica zależności nr wejścia kodera z 2 z 1 z

36 Równania zmiennych Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Tablica zależności nr wejścia kodera z 2 z 1 z Równania zmiennych dla kodera z 0 = L 1 + L 3 + L 5 + L 7 z 1 = L 2 + L 3 + L 6 + L 7 z 2 = L 4 + L 5 + L 6 + L 7

37 Równania zmiennych Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Tablica zależności nr wejścia kodera z 2 z 1 z Równania zmiennych dla kodera dekodera z 0 = L 1 + L 3 + L 5 + L 7 L 0 = z 2 z 1 z 0 z 1 = L 2 + L 3 + L 6 + L 7 L 1 = z 2 z 1 z 0 z 2 = L 4 + L 5 + L 6 + L 7... L 7 = z 2 z 1 z 0

38 Zapis informacji binarnej Koder i dekoder Przykład realizacji kodera i dekodera Realizacja kodera i dekodera z użyciem bramek logicznych z 0 = L 1 + L 3 + L 5 + L 7 L 0 = z 2 z 1 z 0 z 1 = L 2 + L 3 + L 6 + L 7 L 1 = z 2 z 1 z 0 z 2 = L 4 + L 5 + L 6 + L 7... L 7 = z 2 z 1 z 0 L 1 L3 L 5 L 7 z 0 z 0 z 1 z 2 L 0 L 2 L3 L 6 L 7 z 1 z 0 z 1 z 2 L 1 L 4 L5 L 6 L 7 z 2 z 0 z 1 z 2 L 7