Тема логические элементы и типовые узлы эвм. Логические элементы и узлы Логические элементы и узлы эвм

Несмотря на различное конструктивное офор­мление и назначение машин, детали и узлы в них в ос­новном одинаковые (типовые, нормальные и стандартные). Сборочные единицы и детали можно разделить на элементы общего назначения (болты, гайки, зубчатые колеса, валы и др.) и элементы специального назначения, которые используются в специальных типах машин (шнек, поршень, цилиндр и др.)- Рассмотрим классификацию элементов обще­го назначения.

Первая группа элементов - соединения - является наи­более общей. Соединения (соединительные детали) предназна­чены для фиксации взаимного положения деталей и объеди­нения их в сборочные единицы и узлы. К ним относятся свар­ные, заклепочные, резьбовые, соединения вал-ступица и др.

Вторая группа элементов - передачи. Они осуществляют передачу энергии от двигателя к исполнительному органу. К этой группе относятся:

элементы, передающие вращательное движение. Они делятся на передачи зацеплением - цилиндрические, конические, планетарные, волновые, червячные и цепные; передачи трением - ременные, фрикционные, а также валы и соединяющие их муфты. Их основные детали - зубчатые и червячные колеса, червяки, шкивы, звездочки,ремни, цепи;

элементы, преобразующие движение. Это передачи рычажные, кулачковые, винт-гайка. Их детали - рычаги, тяги, кулачки, копиры, ходовые винты, гайки.

Третья группа элементов включает несущие и базирую щие элементы:

валы и оси, которые поддерживают вращающиеся детали (кроме того, валы передают вращающий момент);

подшипники - опоры вращающихся валов и осей, базирующиеся в корпусных деталях;

направляющие, поддерживающие поступательно движущиеся детали;

корпусные и несущие детали - основные части редуктора, воспринимающие нагрузки (на них монтируются и базиру­ются остальные детали и узлы).

Отдельные группы составляют:

устройства для защиты узлов от загрязнений (уплотнения, кожухи, крышки);

системы для смазывания (форсунки, штуцеры, жиклёры, трубопроводы);

упругие элементы (пружины, рессоры, амортизаторы).

В особую группу входят элементы специального назначе­ния, например для ЛА характерны винты, шасси, элероны, шпангоуты, лонжероны и др.

Примером механизма, содержащего большинство элементов общего назначения является редуктор. Редукторы  меха­низмы, используемые для пониже­ния угловых скоростей и увеличе­ния крутящих моментов, выпол­ненные в виде отдельного агрегата. В соответствии с классификацией редуктор имеет следующие элемен­ты: корпус 1, зубчатое колесо 2, вал 3 , подшипник 4 и муфту 5 .

классификация элементов технических объек­ тов по производственно  технологическим признакам :

Металлические детали, изготовляемые механической обра­боткой, литьем, сваркой, штамповкой, ковкой и др.;

Неметаллические детали, получаемые прессованием, фор­мованием, склейкой.

Способ изготовления определяет облик детали и ее прочно­стные характеристики.

В особую группу входят элементы системы управления, включающие электрические и электронные устройства, кото­рые рассматривать не будем.

По характеру нагружения детали можно разделить на вос­принимающие статическую или динамическую нагрузку или ударное воздействие.

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?

В настоящее время фундаментом всех компьютерных устройств являются двоичные электронные логические элементы. Поэтому понимание базовых идей их функционирования для представления об общей логике работы компьютера трудно переоценить.

Логические элементы

Может показаться, что для реализации сложных логических функций требуется большое разнообразие логических элементов. Тем не менее из теории логических функций следует, что достаточно очень небольшого базового набора, чтобы с помощью различных комбинаций, его составляющих, можно было получить абсолютно произвольную функцию (такой набор называется полным 1). Базисный набор может быть сформирован различными способами, но чаще всего используется классическая “тройка” логических операций И, ИЛИ, НЕ. Именно эта “тройка” применяется в книгах по логике, а также во всех языках программирования: от машинных кодов до языков высокого уровня. Обозначения логических элементов 2 , реализующих соответствующие операции, показаны на схемах a –c . Соответствующие им таблицы истинности приведены в статье “Логические операции. Кванторы”.

Часто к указанному списку добавляют еще элемент “исключающее ИЛИ” (схема d ), который позволяет сравнивать двоичные коды на совпадение. Данная операция имеет и другие практически полезные свойства, в частности, восстанавливает исходные данные в случае повторного применения, что удобно использовать, например, для временного наложения видеоизображений.

Классический базис не является единственным. Более того, на практике инженеры предпочитают альтернативный вариант на основе единственного комбинированного логического элемента И-НЕ (схема e ). Несложно показать, что из элементов И-НЕ можно построить все примитивы классического базиса 3 .

Отметим, что на практике логические элементы могут иметь не только два, но и значительно большее количество входов (для примера см. схему на с. 4).

Внутренняя электронная схема логического элемента может быть различной, более того, она может существенно совершенствоваться по мере развития технологий производства.

Изготовление логических микросхем прошло огромный путь - от одиночных логических элементов до больших интегральных схем (БИС) вплоть до микропроцессора. Уровень сложности БИС таков, что разобраться в их внутреннем устройстве для неспециалиста не то что нецелесообразно, а просто невозможно. В результате для понимания наиболее общих принципов работы современной ЭВМ удобнее и правильнее рассмотреть несколько типовых узлов, а изучение поведения отдельных БИС заменить изучением функциональной схемы компьютера.

В качестве характерных цифровых узлов выберем два наиболее важных и интересных - сумматор и триггер . Первый из них замечателен тем, что составляет основу арифметико-логического устройства процессора , а второй, будучи универсальным устройством для хранения одного бита информации , имеет еще более широкое применение - от регистров процессора до элементов памяти. Подчеркнем, что выбранные логические схемы принадлежат к разным типам. Так, выходные сигналы сумматора определяются исключительно установившимися на входе напряжениями и никак не зависят от поступавших ранее сигналов (в литературе такие схемы называют комбинационными ). Состояние триггера, напротив, зависит от предыстории, т.е. схема имеет память .

Рассмотрим логическую схему сумматора . Для простоты ограничимся изучением работы отдельного двоичного разряда. В этом случае сумматор будет содержать три входа - бит первого слагаемого А , второго - В и перенос из предыдущего разряда Ci (обозначение происходит от английских слов Carry in - входной перенос), и два выхода - результирующая сумма S и выходной перенос C o (Carry out ). Таблица истинности для полного одноразрядного сумматора имеет вид:

При построении практической схемы оказывается удобным сумматор представить в виде двух полусумматоров , первый из которых складывает разряды А и В , а второй к полученному результату прибавляет бит переноса из предыдущего разряда Ci . Таблица истинности для полусумматора значительно упрощается:

Несложный анализ таблицы показывает, что для реализации полусумматора достаточно соединить параллельно входы двух логических элементов: И и исключающее ИЛИ (см. схему a ). Если скомбинировать два полусумматора, как показано на схеме b , то получится полный сумматор, способный осуществить сложение одного бита чисел с учетом возможности переноса.

Перейти к многоразрядным числам можно, например, путем последовательного соединения соответствующего количества сумматоров. Мы не будем обсуждать возникающие при этом проблемы ускорения процесса переноса в такой схеме: для того чтобы иметь некоторое представление о том, как компьютер производит вычисления, полученных знаний уже достаточно.

Стоит особо подчеркнуть, что сумматор играет важную роль в реализации не только сложения, но и других арифметических действий - он фактически является основой арифметического устройства современного компьютера.

Его схема приведена на рисунке, а таблица истинности имеет следующий вид:

Как видно из схемы выше, триггер собран из четырех логических элементов И-НЕ, причем два из них играют вспомогательную роль инверторов входных сигналов. Триггер имеет два входа, обозначенные на схеме R и S , а также два выхода, помеченные буквой Q , - прямой и инверсный (черта над Q у инверсного выхода означает отрицание). Триггер устроен таким образом, что на прямом и инверсном выходах сигналы всегда противоположны.

Как работает триггер? Пусть на входе R установлена 1, а на S - 0. Логические элементы D 1 и D 2 инвертируют эти сигналы, т.е. меняют их значения на противоположные. Поскольку на одном из входов D 4 имеется 0, независимо от состояния другого входа на его выходе обязательно установится 1. Эта единица передается на вход элемента D 3 и в сочетании с 1 на другом входе порождает на выходе D 3 логический 0. Итак, при R = 1 и S = 0 на прямом выходе триггера устанавливается 0, а на инверсном - 1.

Обозначение состояния триггера по договоренности связывается с прямым выходом. Тогда при описанной выше комбинации входных сигналов результирующее состояние можно условно назвать нулевым: говорят, что триггер устанавливается в 0 или сбрасывается . Сброс по-английски называется Reset , отсюда вход, появление сигнала на котором приводит к сбросу триггера, принято обозначать буквой R .

Аналогичные рассуждения для “симметричного” случая R = 0 и S = 1 приводят к тому, что, наоборот, на прямом выходе получится логическая 1, а на инверсном - 0. Триггер перейдет в единичное состояние - установится (установка по-английски Set ).

Проанализировав состояние схемы при отсутствии входных сигналов (рекомендуем читателям проделать это самостоятельно), убедимся, что триггер сохраняет свое “предыдущее” состояние, а значит, может служить устройством для хранения одного бита информации.

Комбинация входных сигналов R = 1 и S = 1 приводит к тому, что в этом случае на обоих выходах триггера установится 1! Такое состояние, помимо своей логической абсурдности, еще и является неустойчивым: после снятия входных сигналов триггер случайным образом перейдет в одно из своих устойчивых состояний. Вследствие этого комбинация R = 1 и S = 1 на практике не используется и является запрещенной.

Мы рассмотрели простейший RS -триггер. Существуют и другие разновидности этого интересного и полезного устройства. Все они различаются не столько принципом работы, сколько входной логикой, усложняющей “поведение” триггера.

Подобно тому, как объединяются для обработки двоичных чисел однобитовые схемы сумматоров, для хранения многоразрядных данных триггеры объединяются в единый блок, называемый регистром . Над регистром, как над единым целым, можно производить ряд стандартных операций: сбрасывать (обнулять), заносить в него код и некоторые другие. Часто регистры способны не просто хранить информацию, но и обрабатывать ее. Примером такого типа может служить регистр, который способен сдвигать находящийся в нем двоичный код, или регистр, подсчитывающий количество поступающих импульсов, - счетчик.

С выходов триггеров регистра сигналы могут поступать на другие цифровые устройства. Особый интерес с точки зрения принципов функционирования компьютера представляет схема анализа равенства (или неравенства) регистра нулю, которая позволяет организовать по этому признаку условный переход. Для n -разрядного двоичного регистра потребуется n -входовый элемент И (см. схему), сигналы для которого удобнее снимать с инверсных выходов триггеров. Фактически такая схема анализа выполняет комбинированную логическую операцию НЕ-И.

z = 0 - результат равен 0
z = 1 - результат не равен 0

В самом деле, пусть содержимое всех битов регистра равно 0. Тогда на входы элемента И с инверсных выходов триггеров поступают все 1 и результат z = 1. Если хотя бы один из разрядов отличен
от 0, то с его инверсного выхода снимается 0 и этого, как известно, уже достаточно, чтобы получить выходной сигнал z = 0 независимо от состояния всех остальных входов элемента И.

Заметим, что проверку знака числа реализовать еще проще - достаточно проанализировать состояние знакового (обычно старшего) разряда: если он установлен в 1, то регистр содержит отрицательное число.

Триггеры очень широко применяются в компьютерной технике. Помимо уже описанного применения в составе разнообразных регистров, на их основе могут еще изготовляться быстродействующие ИМС статического ОЗУ (в том числе кэш-память).

Логические узлы как основа устройства компьютера

Мы изучили только два из многочисленных узлов вычислительной техники - сумматор и регистры. Казалось бы, много ли можно понять, зная всего два этих устройства? Оказывается, не так уж и мало. Можно, например, весьма успешно попытаться представить себе, как строится арифметическое устройство процессора. В самом деле, подумаем, каким образом можно спроектировать схему для реализации сложения двух чисел. Очевидно, что для хранения исходных чисел потребуется два триггерных регистра. Их выходы подадим на входы сумматора, так что на выходах последнего сформируются сигналы, соответствующие двоичному коду суммы. Для фиксации (запоминания) результирующего числа потребуется еще один регистр, который можно снабдить описанными выше схемами формирования управляющих признаков. Наша картина получается настолько естественной и реалистичной, что мы можем найти ее в наиболее подробной учебной литературе в качестве основы устройства простых учебных моделей компьютера. В частности, очень похоже выглядит описание внутреннего устройства процессора учебного компьютера “Нейман” 4 .

В процессе рассмотрения материала статьи мы прошли путь от изучения простейшего единичного логического элемента до понимания наиболее общих идей построения весьма крупных узлов ЭВМ, таких, как арифметическое устройство. Следующий уровень знакомства с логикой работы компьютера - на уровне функциональных устройств (процессор, память и устройства ввода/вывода), будет подробно изложен в статье “Функциональное устройство ”.

В связи с этим особо хотелось бы подчеркнуть важность темы с точки зрения формирования у учеников некоторого единого представления об устройстве компьютера. Мировоззрение складывается не только (а может даже и не столько) в ходе рассуждений “о высоких материях”, но и в результате создания некоторой единой связной картины изучаемого материала. Очень важно, чтобы темы отдельных уроков не казались независимыми, выбранными кем-то по недоступным нам соображениям.
В этом смысле значение вопроса, соединяющего отдельные логические элементы с узлами реального вычислительного устройства, трудно переоценить. Иными словами, ценность материала заключается в том, что он “перекидывает мостик” между разрозненными абстрактными знаниями о логических элементах и устройством реального компьютера. В школьной практике это служит надежным средством борьбы с традиционным “Зачем все это нужно?”.

Ситуация с включением описанного материала в школьный курс информатики согласно опубликованным нормативным документам выглядит, мягко говоря, непрозрачно. В Стандартах и Примерных программах, несмотря на включение всевозможных вопросов математической логики, ни логические элементы, ни логические узлы ниже уровня “процессор–память–устройства ввода/вывода” даже не упоминаются. Зато в рекомендованных Министерством образования билетах выпускного экзамена по информатике четко сформулирован вопрос “Логические элементы и схемы. Типовые логические устройства компьютера: полусумматор, сумматор, триггеры, регистры”.

Если же руководствоваться логикой курса информатики и стремлением сформировать у школьников некоторое общее представление о том, что такое компьютер и как он работает, то необходимость изложения на уроках приведенного в данной статье материала не вызывает никаких сомнений.

1 Андреева Е.В., Босова Л.Л., Фалина И.Н. Математические основы информатики. М.: БИНОМ, Лаборатория Знаний, 2005, 328 с.

2 Ямпольский В.С. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. М.: Просвещение, 1991, 223 с.

3 Токхейм Р. Основы цифровой электроники. М.: Мир, 1988, 392.

4 Информатика. Задачник-практикум в 2 т. / Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Т. 1. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.

Индивидуальное задание №4 (Урок № 1)

(К ЛР№2 «Исследование операционных узлов ЦУ»)

Схемы устройств представлены в соответствующем разделе лабораторной работы.

Задача 1: Реализовать для параллельного регистра памяти режим записи и хранения заданного кода

Задача 2: Реализовать для последовательного сдвигающего регистра режим записи и хранения заданного кода. Необходимо учесть, что запись осуществляется начиная со старшего разряда.

Варианты исходных данных для анализа работы регистров Таблица 1

Вариант	Параллельный регистр памяти (запись, хранение кода)	Последовательный сдвигающий регистр (запись, хранение кода)
3р	2р	1р	0р	3р	2р	1р	0р
1, 21, 41
2, 22, 42
3, 23, 43
4, 24, 44
5, 25, 45
6, 26, 46
7, 27, 47
8, 28, 48
9, 29, 49
10, 30, 50
11, 31, 51
12, 32, 52
13, 33, 53
14, 34, 54
15, 35, 55
16, 36, 56
17, 37, 57
18, 38, 58
19, 39, 59
20, 40, 60

Задача 3: Реализовать для счетчиков режимы предустановки и счета для заданных исходных данных:

Варианты исходных данных для анализа работы реверсивных счетчиков Таблица 3

Вариант	Режим предустановки (С=0) Qn=Dn	Режим счета (С=1)
Счетчик СТ2 (DD10)	СчетчикСТ2/10 (DD11)	+1	-1
D8	D4	D2	D1	D8	D4	D2	D1
1, 21, 41
2, 22, 42
3, 23, 43
4, 24, 44
5, 25, 45
6, 26, 46
7, 27, 47
8, 28, 48
9, 29, 49
10, 30, 50
11, 31, 51
12, 32, 52
13, 33, 53
14, 34, 54
15, 35, 55
16, 36, 56
17, 37, 57
18, 38, 58
19, 39, 59
20, 40, 60

Задача 4: Выполнить анализ работы параллельного сумматора с последовательным переносом для исходных данных:

Варианты исходных данных для анализа работы сумматора Таблица 3

Вариант	Р in	Число А (а i)	Число В (bi)
А4	А3	А2	А1	В4	В3	В2	В1
1, 21, 41
2, 22, 42
3, 23, 43
4, 24, 44
5, 25, 45
6, 26, 46
7, 27, 47
8, 28, 48
9, 29, 49
10, 30, 50
11, 31, 51
12, 32, 52
13, 33, 53
14, 34, 54
15, 35, 55
16, 36, 56
17, 37, 57
18, 38, 58
19, 39, 59
20, 40, 60

Тема 3. Типовые элементы и узлы ЦТ

Индивидуальное задание №5 (Урок № 2)

(К ЛР№3 «Исследование узлов преобразования кодов,

Коммутации сигналов и контроля ЦУ»)

Задача 1. Для дешифратора на 2 входа (преобразователя двоичного двухразрядного кода X 2 X 1 в код семисегментного индикатора) составить и минимизировать логическое уравнение для одного из сегментов. Нарисовать схему реализации данного уравнения на элементах ИЛИ – НЕ, И – НЕ. Для этого воспользоваться таблицей истинности дешифратора (табл. 1).

Таблица 1

Код 10сс	Код 8421 (входные переменные)	Элемент индикации (семисегментный код)
X 4	X 3	X 2	X 1	a	b	c	d	e	f	g

Задача 2: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) цифрового одноразрядного компаратора схемы №2 (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему №2, проверить полученную таблицу истинности

Задача 3: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы мажоритирования (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности

Входы схемы контроля	Выход схемы контроля	Номер отказавшего канала
F 3	F 2	F 1	F	a 1	a 0

Задача 4: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы контроля четности (нечетности) единиц параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности

Задача 5: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы кодирования на четность параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности

Задача 6: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы контроля на четность параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности

Задача 7: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы передачи параллельного двухразрядного кода с контролем на четность (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности

Тема 4. Микропроцессорная техника

Индивидуальное задание №6 (ПЗ№3)

(К ЛР№4 «Исследование работы микропроцессора»)

Задача №1. Используя систему команд микропроцессора КР580ИК80А, определить коды операций для команд:

Варианты
0+	ADD L	ADD H	ADD A	ADD B	ADD C	ADD E	ADD H	ADD D	ADD L	ADDH
	MOV A, E	MOV B, D	MOV C, A	MOV D, B	MOV E, L	MOV H, B	MOV L, D	MOV A, B	MOV A, C	MOV E, L
	MVI A	MVI B	MVI A	MVI B	MVI A	MVI B	MVI A	MVI B	MVI D	MVI A
	ADD A	ADD D	ADD A	ADD D	ADD A	ADD D	ADD A	ADD D	ADD C	ADD D
	SUB C	SUB H	SUB C	SUB H	SUB C	SUB H	SUB C	SUB H	SUB C	SUB D
10+	ADD H	ADD A	ADD B	ADD C	ADD E	ADD H	ADD D	ADD L	ADD B	ADDВ
	MOV A, D	MOV A, L	MOV A, H	MOV B, A	MOV B, C	MOV B, D	MOV B, E	MOV B, L	MOV B, H	MOV B, C
	MVI C	MVI L	MVI C	MVI L	MVI C	MVI L	MVI C	MVI L	MVI E	MVI D
	ADD C	ADD H	ADD C	ADD H	ADD C	ADD H	ADD C	ADD H	ADD B	ADD D
	SUB E	SUB B	SUB E	SUB B	SUB E	SUB B	SUB E	SUB B	SUB E	SUB D
20+	ADD B	ADD C	ADD E	ADD H	ADD D	ADD B	ADD C	ADD E	ADD H	ADDА
	MOV C, A	MOV C, B	MOV C, D	MOV C, L	MOV C, H	MOV C, E	MOV D, A	MOV D, B	MOV D, C	MOV C, D
	MVI D	MVI H	MVI D	MVI H	MVI D	MVI H	MVI D	MVI H	MVI H	MVI A
	ADD B	ADD L	ADD B	ADD L	ADD B	ADD L	ADD B	ADD L	ADD E	ADD C
	SUB L	SUB A	SUB L	SUB A	SUB L	SUB A	SUB L	SUB A	SUB L	SUB H
30+	ADD L	ADD B	ADD C	ADD E	ADD B	ADD C	ADD E	ADD H	ADD D	ADDL
	MOV D,E	MOV D,L	MOV D,H	MOV E,A	MOV E,B	MOV E,C	MOV E,D	MOV E,H	MOV E,L	MOV D, B
	MVI E	MVI A	MVI E	MVI A	MVI E	MVI A	MVI E	MVI A	MVI L	MVI H
	ADD E	ADD A	ADD E	ADD A	ADD E	ADD A	ADD E	ADD A	ADD D	ADD L
	SUB A	SUB D	SUB A	SUB D	SUB A	SUB D	SUB A	SUB D	SUB A	SUB H

Задача №2. Используя систему команд МП КР580ИК80А, составить программу в машинных кодах. Вычислительная задача и исходные данные представлены в таблице.

По результату выполнения арифметической операции индивидуального задания №3 определить состояние (расписать по разрядам-признакам в двоичной системе счисления) регистра признаков F .

Вариант
Вычисл. задача	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z
X 16	7А в М(0907)	4B в М(0807)	B2 в p.H	в М(0A0F)	3А в М(0804)	E2 в p. H	6B в М(0807)	в М(090F)	7B в М(0809)	в p. A
Y 16	в р.D	в р.A	в р.B	в р.E	в р.D	в р.L	в М(0A08)	в р.C	в М(0A0C)	в р.H
Z	в М(0908) в р.E	в М(0A08)	в р.C	в р.L	в М(0902) в р.H	в р.A	в р.A	в р.B	в р.E	в р.B
Вариант
Вычисл. задача	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z
X 16	в М(0903)	DB в М(0805)	B7 в p.A	в М(0A06)	1А в М(0808)	E5 в p. A	AB в М(0804)	в М(0906)	в М(0800)	в p. H
Y 16	в р.L	в р.B	в р.B	в р.E	в р.D	в р.L	в М(0A08)	в р.E	в М(080C)	в р.A
Z	в М(0908) в р.E	в М(0A08)	в р.C	в р.A	в М(0906) в р.H	в р.D	в р.A	в р.B	в р.E	в р.B
Вариант
Вычисл. задача	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z
X 16	7А в М(0907)	4B в М(0807)	B2 в p.H	в М(0A0F)	3А в М(0804)	E2 в p. H	6B в М(0807)	в М(090F)	7B в М(0809)	в p. A
Y 16	в р.D	в р.A	в р.B	в р.E	в р.D	в р.L	в М(0A08)	в р.C	в М(0A0C)	в р.H
Z	в М(0908) в р.E	в М(0A08)	в р.C	в р.L	в М(0902) в р.H	в р.A	в р.A	в р.B	в р.E	в р.B
Вычисл. задача
X 16	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z	Х-У=Z	Х+У=Z
Y 16	в М(0903)	DB в М(0805)	B7 в p.A	в М(0A06)	1А в М(0808)	E5 в p. A	AB в М(0804)	в М(0906)	в М(0800)	в p. H
Z	в р.L	в р.B	в р.B	в р.E	в р.D	в р.L	в М(0A08)	в р.E	в М(080C)	в р.A
	в М(0908) в р.E	в М(0A08)	в р.C	в р.A	в М(0906) в р.H	в р.D	в р.A	в р.B	в р.E	в р.B

Задание к ЛР№4 Исследование работы микропроцессора: Необходимо каждому студенту выполнить индивидуальное задание по программированию микропроцессоров.

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 < 5 нс, Р = 50-1000 мВт.

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.

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.).

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:

Функционирование 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.