Классификация счетчиков. Двоичные счетчики.

Классификация счетчиков

Понятие "счетчик" является очень широким. К счетчикам относят автоматы, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на их вход импульсов в том или ином коде.

Классификация счетчиков

По способу кодирования внутренних состояний различают двоичные счет­чики, счетчики Джонсона, счетчики с кодом "1 из N" и др.

По направлению счета счетчики делятся на суммирующие (прямого счета), вычитающие (обратного счета) и реверсивные (с изменением направления счета).

По принадлежности к тому или иному классу автоматов говорят о синхрон­ных или асинхронных счетчиках (более подробную классификацию по этому признаку не затрагиваем, учитывая реальный состав микросхем счетчиков).

Счетчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. Соответственно организации этих связей различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированными переносами.

Возможные режимы работы счетчика:

§ регистрация числа поступивших на счетчик сигналов;

§ деление частоты.

Как и любой автомат, счетчик можно строить на триггерах любого типа, однако удобнее всего использовать для этого триггеры типа Т (счетные) и JK, имеющие при J = К = 1 счетный режим.

Состояние счетчика читается по выходам разрядных схем как слово Q_n-1 Q_n-2...Q₀, входные сигналы поступают на младший разряд счетчика.

Двоичным счетчиком назовем счетчик, имеющий модуль М = 2ⁿ, где n — целое число, и естественную последовательность кодов состояний (его состояния отображаются последовательностью двоичных чисел, десятичными эквивалентами которых будут числа 0, 1, 2, 3,..., М-1).

 

Двоичные счетчики

Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический. Таблица ис­тинности двоичного счетчика — последовательность двоичных чисел от ну­ля до М—1. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приво­дит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния млад­шего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы по­казывают чередование нулей и единиц вида 01010101..., что естественно, т. к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каж­дого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последова­тельность пар нулей и единиц вида 00110011.... В третьем разряде образует­ся последовательность из четверок нулей и единиц 00001111... и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключа­ется с частотой, в два раза меньшей, чем данный.

Представление счетчика цепочкой Т-триггеров справедливо как для сумми­рующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку закономерность по соотношению частот переключения разрядов сохраняется как при просмот­ре таблицы сверху вниз (прямой счет), так и снизу вверх (обратный счет). Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего раз­ряда, вызывающего переключение следующего. При прямом счете следую­щий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении 1-0, а при обратном— при переключении 0-1. Следовательно, различие между вариантами заключается в разном подключении входов триггеров к выходам предыдущих. Если схема строится на счетных триггерах с прямым динами­ческим управлением, то характер подключения следующих триггеров к пре­дыдущим для получения счетчиков прямого и обратного счета будет соот­ветствовать рис. 3.43, б.

 

40. Запоминающие устройства. Основные параметры.

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими ЦУ. Микросхемы памяти в общем объеме выпуска ИС зани­мают около 40% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ.

Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, боль­шая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэто­му системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическая структу­ра, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

- регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора или других устройств (т. е. внутренние для этих блоков), благодаря которым уменьшается чис­ло обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией;

- кэш-память, служащая для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Высокое быстродействие кэш-памяти повы­шает производительность ЭВМ;

- основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная), работаю­щая в режиме непосредственного обмена с процессором и по возможно­сти согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

- специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфиче­ских архитектур (многопортовые, ассоциативные, видеопамять и др.);

- внешняя память, хранящая большие объемы информации. Эта память обычно реализуется на основе устройств с подвижным носителем ин­формации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.). В настоящем пособии устройства внешней памяти не рассматриваются.

Важнейшие параметры ЗУ

Информационная емкость — максимально возможный объем хранимой ин­формации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хра­нится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово — запоминающей ячейкой (ЗЯ), т. е. группой ЗЭ, к которым возможно лишь одновременное обращение. Добавление к единице измерения множителя "К" (кило) означает умножение на 2¹⁰ = 1024, а множителя "М" (мега) — умножение на 2²⁰ = 1048576.

Организация ЗУ— произведение числа хранимых слов на их разрядность. Видно, что это дает информационную емкость ЗУ, однако при одной и той же информационной емкости организация ЗУ может быть различной, так что организация является самостоятельным важным параметром.

Быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временами считывания, записи и длительностями циклов чтения/записи. Время считывания — ин­тервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ.

Время чтения, записи и длительности циклов — традиционные параметры. Для некоторых современных ЗУ они должны быть дополнены новыми. Причиной является более сложный характер доступа к хранимым данным, когда обращение к первому слову некоторой группы слов (пакета) требует большего времени, чем обращение к последующим. Помимо указанных основных параметров для ЗУ указывают еще целый набор временных интервалов. Перечисленные выше динамические параметры являются эксплуатационными (измеряемыми). Кроме них, существует ряд режимных параметров, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ, поскольку оно имеет несколько сигналов управления, для которых должно быть обеспечено определенное взаимное расположение во времени. Для этих сигналов задаются длительности и ограничения по взаимному положению во времени.

Время записи — интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом. Минимально допустимый интервал между последовательными чтениями или записями образует соответствующий цикл. Длительности циклов могут превышать времена чтения или записи, т. к. после этих операций может потребоваться время для восстановления необходимого начального состояния ЗУ.

Рис. 4.1. Типичные сигналы ЗУ (а) и их временные диаграммы (б)

Классификация ЗУ.

Для классификации ЗУ (рис. 4.2) важнейшим признаком является способ доступа к данным.

При адресном доступе код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равнодос­тупны. Эти ЗУ наиболее разработаны, и другие виды памяти часто строят на основе адресной с соответствующими модификациями.

Адресные ЗУ делятся на RAM (Random Access Memory) u ROM (Read-Only Memory). Русские синонимы термина RAM: ОЗУ (оперативные ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, уча­ствующие в обмене при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью.

В ROM (русский эквивалент — ПЗУ, т. е. постоянные ЗУ) содержимое либо вообще не изменяется, либо изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это "память только для чтения".

Рис. 4.2. Классификация полупроводниковых ЗУ

RAМ делятся на статические и динамические. В первом варианте запоми­нающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет н овой записи данных. Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специ­альных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминаю­щими элементами, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов стано­вится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называют квази­статическими.

Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM).

Статические ОЗУ можно разделить на асинхронные, тактируемые и син­хронные (конвейерные). В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязатель­но должны быть импульсными, например, сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного со­стояния в активное (должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле). Этот тип ЗУ называют часто синхронным. Здесь использован тер­мин "тактируемые", чтобы "освободить" термин "синхронные" для новых типов ЗУ, в которых организован конвейерный тракт передачи данных, син­хронизируемый от тактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных в несколько раз.

Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невы­сокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная память ЭВМ. Поскольку от этой памяти требуется высокое быстродействие, разработаны многочисленные архитектуры повышенного быстродействия, перечисленные в классификации.

Постоянная память типа ROM (M) программируется при изготовлении ме­тодами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. В русском языке ее можно назвать памятью типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). Для потребителя это в полном смысле слова постоянная память, т. к. изменить ее содержимое он не может.

Это программируемая пользователем память (в русской тер­минологии ППЗУ — программируемые ПЗУ). Ее содержимое записывается либо однократно (в PROM), либо может быть заменено путем стирания ста­рой информации и записи новой (в EPROM и EEPROM). В EPROM стира­ние выполняется с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми луча­ми, ее русское название РПЗУ-УФ (репрограммируемое ПЗУ с УФ-стиранием). В EEPROM стирание производится электрическими сигналами, ее русское название РПЗУ-ЭС (репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием). Английские названия расшифровываются как Electrically Programmable ROM и Electrically Erasable Programmable ROM. Программиро­вание PROM и репрограммирование EPROM и EEPROM производятся в обычных лабораторных условиях с помощью либо специальных программато­ров, либо специальных режимов без специальных приборов (для EEPROM).

Память типа Flash по запоминающему элементу подобна памяти типа EEPROM (или иначе E²PROM), но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

Запись данных и для EPROM и для E²PROM производится электрическими сигналами.

В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют некото­рую очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке.

Прямой порядок считывания имеет место в буферах FIFO с дисциплиной "первый пришел — первый вышел" (First In — First Out), а также в файловых и циклических ЗУ.

Разница между памятью FIFO и файловым ЗУ состоит в том, что в FIFO запись в пустой буфер сразу же становится доступной для чтения, т. е. поступает в конец цепочки (модели ЗУ). Прием данных из файлового ЗУ начинается после обнаружения приемником символа начала блока.

В циклических ЗУ слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К такому типу среди полупроводниковых ЗУ относится видеопамять (VRAM).

Считывание в обратном порядке свойственно стековым ЗУ, для которых реализуется дисциплина "последний пришел — первый вышел". Такие ЗУ называют буферами LIFO (Last In — First Out).