Логическая реализация типовых устройств компьютера

Обработка любой информации на компьютере сводится к выполнению процессором различных арифметических и логических операций. Для этого в состав процессора входит так называемое арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно состоит из ряда устройств, построенных на рассмотренных выше логических элементах. Важнейшими из таких устройств являются триггеры, полусумматоры, сумматоры, шифраторы, дешифраторы, счетчики, регистры.

Этапы конструирования логического устройства.

Конструирование логического устройства состоит из следующих этапов:

1. Построение таблицы истинности по заданным условиям работы проектируемого узла (т.е. по соответствию его входных и выходных сигналов). 

2. Конструирование логической функции данного узла по таблице истинности, ее преобразование (упрощение), если это возможно и необходимо. 

3. Составление функциональной схемы проектируемого узла по формуле логической функции. После этого остается только реализовать полученную схему.

Сумматор - это электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел поразрядным сложением. Одноразрядный двоичный сумматор на три входа и два выхода называется полным одноразрядным сумматором. Сумматор является центральным узлом арифметико-логического устройства процессора. Находит он применение и в других устройствах компьютера. Сумматор выполняет сложение многозначных двоичных  чисел. Он представляет собой последовательное соединение одноразрядных двоичных сумматоров, каждый из которых осуществляет сложение в одном разряде. Если при этом возникает переполнение разряда, то перенос суммируется с содержимым старшего соседнего разряда. 

Триггер - электронная схема, применяемая для хранения значения одноразрядного двоичного кода. Эта схема используется для проектирования памяти 

Воздействуя на входы триггера, его переводят в одно из двух возможных состояний (0 или 1). С поступлением сигналов на входы триггера в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо исходное состояние сохраняется. При отсутствии входных сигналов триггер сохраняет свое состояние сколь угодно долго.

Существуют разные варианты исполнения триггеров в зависимости от элементной базы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) и функциональных связей между сигналами на входах и выходах (RS, JK, T, D и другие).

Один триггер хранит один бит информации. Для хранения одного байта информации необходимо 8 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.

По технологии изготовления память делится на статическую и динамическую. На триггерах основана статическая память, а динамическая устроена по принципу конденсатора: заряженный конденсатор соответствует единице, а незаряженный - нулю. Динамическая память проще по устройству, имеет больший объем и дешевле. В силу этих преимуществ в настоящее время основной объем оперативного запоминающего устройства компьютера является динамическим. Однако статическая память имеет более высокое быстродействие. Кэш-память имеет статическую природу, что позволяет согласовать высокое быстродействие процессора и низкую скорость работы динамической памяти.

Некоторое количество триггеров, объединенных вместе общей системой управления, называется регистром. Регистры содержатся в различных вычислительных узлах компьютера - процессоре, периферийных устройствах и т.д. Регистр - это устройство, предназначенное для хранения многоразрядного двоичного числового кода, которым можно представлять и адрес, и команду, и данные.

Упрощенно регистр можно представить как совокупность ячеек, в каждой из которых может быть записано одно из двух значений: 0 или 1, то есть один разряд двоичного числа. 

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: 

сдвиговый регистр - предназначен для выполнения операции сдвига;

счетчики - схемы, способные считать поступающие на вход импульсы. 

счетчик команд - регистр устройства управления процессора (УУ), содержимое которого соответствует относительному адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; 

регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные - для хранения кодов адресов операндов.

Техническая сторона логики компьютера основана на технологии транзистора, что позволяет получать одну из двух возможных единиц информации (0 и 1), оперируя с передачей или отсутствием передачи тока. На следующем уровне вступает система носителей информации - это нули и единицы, которые отражают в себе реальную информацию путем применения, как систем счисления, так и системы команд микропроцессора.

Логика микропроцессора (МП).  МП имеет встроенную логику, основанную на формальной логике человека. Таким образом, имеется возможность обрабатывать информацию. Так, например, получая группу информационных потоков (два потока), МП может, используя формальную логику, выдать один искомый поток.

Логика операционной системы. Хотя технически возможна работа на компьютере без использования операционной системы (ОС), так как в ПЗУ могут находиться для этого специальные программы, целесообразность использования ОС никем не подвергается сомнению. ОС представляет собой программу (группу программ), которая обеспечивает полный системный интерфейс компьютера.

Машина Тьюринга

В 1936 г. Аланом Тьюрингом для уточнения понятия алгоритма был предложен абстрактный универсальный исполнитель. Его абстрактность заключается в том, что он представляет собой логическую вычислительную конструкцию, а не реальную вычислительную машину. Термин «универсальный исполнитель» говорит о том, что данный исполнитель может имитировать любой другой исполнитель. Например, операции, которые выполняют реальные вычислительные машины можно имитировать на универсальном исполнителе. В последствие, придуманная Тьюрингом вычислительная конструкция была названа машиной Тьюринга.

Кроме того, предполагается, что универсальный исполнитель должен уметь доказывать существование или отсутствие алгоритма для той или иной задачи.

Машина Тьюринга состоит из бесконечной в обе стороны ленты, разделенной на ячейки, и автомата (головки), которая управляется программой. Программы для машин Тьюринга записываются в виде таблицы, где первые столбец и строка содержат буквы внешнего алфавита и возможные внутренние состояния автомата (внутренний алфавит). Содержимое таблицы представляет собой команды для машины Тьюринга. Буква, которую считывает головка в ячейке (над которой она находится в данный момент), и внутренне состояние головки определяют, какую команду нужно выполнить. Команда определяется пересечением символов внешнего и внутреннего алфавитов в таблице.

Чтобы задать конкретную машину Тьюринга, требуется описать для нее следующие составляющие:

• Внешний алфавит. Конечное множество (например, А), элементы которого называются буквами (символами). Одна из букв этого алфавита (например, а₀) должна представлять собой пустой символ.
• Внутренний алфавит. Конечное множество состояний головки (автомата). Одно из состояний (например, q₁) должно быть начальным (запускающим программу). Еще одно из состояний (q₀) должно быть конечным (завершающим программу) – состояние останова.
• Таблица переходов. Описание поведения автомата (головки) в зависимости от состояния и считанного символа.

Автомат машины Тьюринга в процессе своей работы может выполнять следующие действия:

• Записывать символ внешнего алфавита в ячейку (в том числе и пустой), заменяя находившийся в ней (в том числе и пустой).
• Передвигаться на одну ячейку влево или вправо.
• Менять свое внутреннее состояние.

Одна команда для машины Тьюринга как раз и представляет собой конкретную комбинацию этих трех составляющих: указаний, какой символ записать в ячейку (над которой стоит автомат), куда передвинуться и в какое состояние перейти. Хотя команда может содержать и не все составляющие (например, не менять символ, не передвигаться или не менять внутреннего состояния).