ЭЛЕМЕНТНАЯ СТРУКТУРА ЦВМ

— совокупность принципов построения элементарных компонент цифровой вычислительной машины, осуществляющих переработку информации на уровнях операций над цифрами (в элементах машины) и элементарных операций над словами как систем операций над цифрами (в блоках машины).

К осн. понятиям Э. с. ЦВМ обычно относят следующие: 1) представление цифр в элементах и соединительных цепях; 2) систему связей между элементами; 3) систему элементарных операторов; 4) функционально-схемные особенности элементов системы; 5) способы выполнения элементарных операций над словами (в типовых блоках и автоматах управляющих), 6) главные конструктивно-технологические черты элементной базы. Данные понятия относятся лишь к элементам общего назначения, из которых строятся комбинационные схемы и накапливающие схемы; элементы спец. назначения, такие, как, напр., формирующие элементы в запоминающем устройстве данным термином обычно не охватываются. Указанные понятия разделяются на две осн. группы: 1-я (объединяющая первые три понятия) определяет особенности выполнения операции над отдельными цифрами, а 2-я - особенности выполнения операции над упорядоченными последовательностями цифр. При этом способы выполнения элементарных операций над словами существенно зависят от выполнения операций над отд. цифрами.

По способам представления цифр различают элементы без запоминания и элементы с запоминанием. В элементах без запоминания снятие информации со входа элемента приводит к восстановлению начального состояния носителя, в элементах с запоминанием — не вызывает такого восстановления его. Напр., к элементам без запоминания относятся элементы с применением транзисторов (транзисторно-диодные элементы), к элементам с запоминанием — элементы с применением ферритов в качестве носителей информации (феррит-диодные и феррит-транзисторные элементы). Здесь подразумевается запоминание информации в результате изменения состояния носителя без искусственного удержания его в измененном состоянии с помощью положительной обратной связи после отключения входного сигнала. Т. е., имеется в виду запоминание информации в комбинационных элементах либо в комбинационных частях триггеров (при применении их в качестве отдельных запоминающих элементов). В отличие от элементов с носителем без запоминания элементы с запоминающим носителем, названные логическими задерживающими элементами (ЛЗЭ), требуют принудительного приведения носителя в исходное состояние после либо во время каждого такта съема информации. Это вызывает необходимость фиксированного временного разделения между тактами записи и съема; Указанная класслфинация весьма существенна для построения логич систем. Внутри же данных классов выделяются подклассы способов физ. представления цифр в элементах, определяющие электронно-тех. особенности построения схем.

Представление цифр в соединительных цепях осуществляется информационными сигналами. Различают информационные сигналы импульсные и потенциальные. В основе такой классификации лежат различия в причине образования фронта Сигнала (спада сигнала). Если спад сигнала наступает без внеш. воздействия на образующий этот сигнал элемент, то сигнал считается импульсным (напр., выходные сигналы динамических триггеров), если же спад сигнала возникает вследствие внеш. воздействия на образующий его элемент, то сигнал считается потенциальным (напр., выходные сигналы статических триггеров). В зависимости от того, носителями каких типов выходных сигналов являются элементы, они классифицируются на потенциальные, импульсные и потенциально-импульсные, причем элементы ЛЗЭ, как правило, являются импульсными, а среди остальных элементов встречаются все три указанных типа.

Система связей между элементами определяет принципы передачи и переработки информации в комбинационных и в накапливающих схемах.

В комбинационных схемах различают два способа передачи информации от элемента к элементу — асинхронный и синхронный (и соответствующие этим способам —

классы комбинационных схем). При использовании асинхронного способа информация передается естественным путем, т. е. без спец. внеш. воздействия. В случае синхронной передачи информация между любыми элементами передается спец. синхронизирующими сигналами. Если представить, что процесс преобразования информации в комбинационной схеме разделен на отдельные дискретные такты, то асинхронный способ передачи обусловливает однотактный процесс преобразования, а синхронный способ — многотактный (как правило, двухтактный либо трехтактный процесс применительно к одному каскаду схемы). Для ЛЗЭ единственно возможным способом передачи является синхронный (см. Элементные структуры на логических задерживающих элементах).

В накапливающих схемах в каждом элементарном цикле переработки информации происходит съем информации с триггеров, преобразование ее комбинационными элементами и запоминание преобразованной информации на триггерах. Для удовлетворения условий правильного обмена информацией между запоминающими и преобразующими элементами необходимо, чтобы переключения триггеров происходили лишь после первых двух (обычно совмещаемых) действий.

В связи с этим в накапливающих схемах существуют два оси. способа обмена информацией между триггерами и комбинационными элементами — однотактный и двухтактный. При одиотактном способе обмена информацией разнесение во времени несовместимых действий элементарного цикла осуществляется, как правило, с помощью радиотех. задержек переключения триггеров, при двухтактном — путем введения промежуточных устойчивых состояний схемы с помощью дополнительных триггеров и синхронизирующих сигналов.

Выбор тех или иных способов передачи информации осуществляется в зависимости от способа представления цифр, в соответствии с чем выделяют три типовых системы связей и в соответствии с ними оси. классы Э. с. ЦВМ: а) потенциальная система связей, основанная на использовании исключительно потенциальных информационных сигналов; как правило, в ней реализуется асинхронный способ передачи и двухтактный обмен информацией соответственно в комбинационных и накапливающих схемах; б) потенциально-импульсная система связей, основанная на использовании потенциальных и импульсных информационных сигналов, причем здесь, как правило, на выходах триггеров образуются только потенциальные сигналы, но переключаются триггеры только импульсными сигналами; в отличие от предыдущей системы, здесь применяется (благодаря использованию задержек импульсных сигналов) однотактный обмен информацией в накапливающих схемах; в) импульсная система связей, основанная на использовании только импульсных информационных сигналов. В отличие от предыдущей, в ней используется преимущественно синхронный способ передачи, а в модификации этой структуры на ЛЗЭ — только синхронный.

Система элементарных операторов характеризует принципиальные качественные особенности логич. ф-ций, реализуемых системой элементов. Каждый элементарный оператор может быть получен из элементного комбинационного оператора (логич. ф-ции, реализуемой комбинационным элементом, либо комбинационной частью запоминающего элемента) путем выполнения спец. процедуры, в результате которой к-во аргументов ф-ции уменьшается до минимума при сохранении всех ее свойств.

Напр., элементному оператору соответствует элементарный оператор

Сохранение в элементарных операторах лишь принципиальных функциональных свойств элементных операторов позволяет выделить относительно небольшое к-во типовых (функционально полных либо избыточных) систем элементарных операторов, которым соответствует обширное мн-во систем элементных операторов, применяемых в большинстве известных ЦВМ. В первую очередь это следующие системы элементарных операторов:

Характерно, что указанные системы могут использоваться в элементных структурах, существенно отличающихся физ. принципами построения элементов, но приспособлены они лучшим образом для к.-л. определенного принципа реализации. Вместе с тем использование одной системы элементарных операторов в физически различных системах элементов обусловливает аналогичное построение логич. схем на основе этих систем.

Функциональные особенности системы элементов определяются системой элементных операторов и способами их реализации, в т. ч. способами построения триггеров и восстановления информационных сигналов. Операторы элементные, представляющие собой логич. ф-ции, реализуемые элементами, разделяются на элементные комбинационные операторы и элементные запоминающие операторы как жестко определенные композиции комбинационных операторов. Первые из них представляют собой базисные переключательные функции, суперпозициями которых являются любые переключательные ф-ции, реализуемые в машине в процессе переработки информации; основой элементных комбинационных операторов являются выбранные операторы элементарные. Вторые представляют собой ф-ции, выполняемые триггерами (вне зависимости от способа их реализации). Эти операторы выражаются в виде суперпозиций элементных

комбинациоииых операторов, т. е. в соответствующих операторных формах с учетом вида информационных сигналов.

Однако вне зависимости от операторных форм имеются два вида элементных запоминающих операторов — с раздельными входами и со счетным входом. Выражения этих классов в сокращенной дизъюнктивной нормальной форме соответственно следующие:

где: — состояния (единичный выход) триггера в момент времени следующий исчисляемый момент дискретного времени и — входные сигналы (единичный, нулевой и общий) триггеров с раздельными входами и со счетным входом соответственно. Логич. выражения для реальных триггеров получаются на основе приведенных выражений в результате перевода их в операторную форму с учетом характеристик информационных сигналов и временных соотношений между ними. Способы реализации элементных операторов зависят от выбранного способа представления цифр в элементах и цепях связи. Как правило, триггеры реализуются на основе тех же принципов представления цифр, что и комбинационные элементы.

Система элементов реализует функционально полный набор элементных операторов, содержит в своем составе усилительные элементы для поддержания необходимых характеристик (восстановления) информационных сигналов, что в совокупности обеспечивает ее тех. полноту (в смысле возможности реализации любой схемы). В связи с отсутствием либо наличием усиления выходного сигнала комбинационные элементы соответственно подразделяются на элементы с пассивным и активным выходом (триггеры обязательно обладают активным выходом); в последнее время отдают предпочтение комбинационным элементам с усилением выходного сигнала. Несмотря на наличие усиления выходного сигнала это не исключает целесообразность использования спец. элементов с особо мощным усилением.

В соответствии с приведенными характеристиками выделяются классы типовых Э. с. ЦВМ и др. устр-в для переработки информации, осн. из которых являются следующие: потенциальная элементная структура ЦВМ на полупроводниках и интегральных схемах, потенциально-импульсная элементная структура ЦВМ на полупроводниках; импульсная элементная структура ЦВМ на полупроводниках; Э. с. ЦВМ на ферритах; Э. с. ЦВМ на параметронах. В вычисл. машинах наиболее распространены 1-е три класса Э. с. ЦВМ, из которых в настоящее время получают предпочтение потенциальные Э. с. ЦВМ, как более надежные, однородные и технологичные (в особенности Э. с. ЦВМ на интегральных схемах).

Способы выполнения элементарных операций над словами разделяются на осн. подгруппы характеристик операций —в дешифраторах, регистрах, счетчиках и сумматорах различных функциональных типов. Ниже перечислены лишь осн. характеристики типовых блоков ЦВМ (см. Блоки ЦВМ типовые). Дешифраторы 1-го рода (с выводом всех конституэнт) по способам построения подразделяются на линейные, прямоугольные и пирамидальные, из которых более обширным многовариантным классом является прямоугольный. Дешифраторы 2-го рода, выделяющие диапазоны числовых значений дешифрируемого слова, подразделяются в основном на дешифраторы, реализующие скобочную и бесскобочную формы записи образуемых ф-ций. Регистры как блоки, выполняющие операции промежуточного оперативного хранения, передачи и сдвига слов, подразделяются по способам приема и выдачи, а также по видам и способам преобразования (сдвига) информации. Счетчики как регистры, выполняющие операции счета единиц информации (простые, реверсивные, односторонние и реверсивные двусторонние) по способам представления состояний подразделяются на счетчики с позиционным] кодированием, с непозиционным кодированием, с единичным и комбинированным кодированием. Внутри данных классов также имеет место соответствующая детализация на варианты.

Сумматоры как блоки, выполняющие элементарную операцию сложения (образование суммы числовых значений двух слов), различаются по способам построения на два осн. класса: последовательные и параллельные. В классе последовательных сумматоров выделяются варианты с задержкой и с запоминанием переноса и с различными модификациями комбинационной части. В обширном классе параллельных сумматоров по способу построения выделяются подклассы накапливающих, комбинационных и комбинационно-накапливающих сумматоров и внутри их (также, как и в счетчиках) варианты со сквозными, групповыми и частично-групповыми переносами. Из поразрядных логич. операций главными можно считать логич. сложение и логич. умножение. Их реализация осуществляется на спец. комбинационных схемах с занесением результатов в регистры вычисл. устр-ва либо целиком на его компонентах, используемых для арифм. операций (см. Операции над числами).

В соответствии с типами и с приведенными характеристиками способов выполнения элементарных операций над словами проводится классификация типовых блоков вычисл. машин, причем каждый вариант какого-либо типа блока определяется комбинацией значений данных характеристик. Выбор этой комбинации осуществляется исходя из требований, предъявляемых к блоку, и параметров системы элементов, на базе которой он реализуется.

Главные конструктивно-технологические черты элементной базы являются именно той характеристикой Э. с. ЦВМ, по которой можно классифицировать поколения электронных вычислительных машин, элементы на электронных лампах (1-е поколение), на полупроводниках

как отдельных деталях (2-е поколение), на таких же компонентах, но в микроминиатюрном исполнении (промежуточное между вторым и третьим поколениями), на интегральных полупроводниковых элементарных схемах (3-е поколение), на такого же рода схемах, но со средним уровнем интеграции (промежуточное между третьим и четвертым поколениями), на такого же рода схемах, но с высоким уровнем интеграции (больших интегральных схемах — БИСах, 4-е поколение), на оптико-электронных БИСах с использованием световых (а не электр.) информационных сигналов (5-е поколение). Последние три градации являются перспективными (по отношению к состоянию на 1970 г.). Каждой из этих градаций свойственны специфические особенности конструктивной реализации схем и технологии их изготовления. Поколения вычисл. машин, классифицируемые по данной характеристике их элементных структур, вместе с тем существенно отличаются не только элементными, но и алгоритм, структурами. Лит.: Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М., 1962 [библиогр. с. 464—469]; Вавилов Е. Н., Портной Г. П.. Синтез схем электронных цифровых машин. М., 1963 [библиогр. с. 437—438]; Рабинович 3. Л. Элементарные операции в вычислительных машинах. К., 1966 [библиогр. с. 299—301]; Поспелов Д. А. Логические методы анализа и синтеза схем. М., 1968 [библиогр. с. 324—328]; Ричардс Р. К. Элементы и схемы цифровых вычислительных машин. Пер. с англ. М., 1961. 3. Л. Рабинович.