Основные логические устройства компьютера (сумматор, регистр)

Поскольку любая логическая операция может быть представлена в виде комбинации трех базовых операций (И, ИЛИ, НЕ), любые устройства компьютера, производящие обработку или хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов как из кирпичиков.

Логический элемент И. На входы А и В логического элемента последовательно подаются четыре пары сигналов различных значений, на выходе получается последовательность из четырех сигналов, значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности операции логического умножения (рис. 11).







Логический элемент ИЛИ. На входы Аи В логического элемента последовательно подаются четыре пары сигналов различных значений, на выходе получается последовательность из четырех сигналов, значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности операции логического сложения (рис. 12).

Логический элемент НЕ. На вход А логического элемента последовательно подаются два сигнала, на выходе получается последовательность из двух сигналов,

значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности логического отрицания (рис. 13).

Сумматор. В целях максимального упрощения работы компьютера все многообразие математических операций в процессоре сводится к сложению двоичных чисел. Поэтому главной частью процессора является сумматор, который обеспечивает такое сложение.

При сложении двоичных чисел образуется сумма в данном разряде, при этом возможен перенос в старший разряд. Обозначим слагаемые (А, В), перенос (Р) и сумму (S). Построим таблицу сложения одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса в старший разряд (табл. 4).





Теперь, на основе полученного логического выражения, можно построить из базовых логических элементов схему полусумматора (рис. 14).

Данная схема называется полусумматором, так как выполняет суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда.

Многоразрядный сумматор процессора состоит из полных одноразрядных сумматоров. На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключен ко входу сумматора старшего разряда.

Триггер. Важнейшей структурной единицей оперативной памяти компьютера, а также внутренних регистров процессора является триггер (рис. 15). Это устройство позволяет запоминать, хранить и считывать информацию (каждый триггер может хранить 1 бит информации).

Для построения триггера достаточно двух логических элементов «ИЛИ» и двух элементов «НЕ».





В обычном состоянии на входы триггера подан сигнал «О», и триггер хранит «О». Для записи «1» на вход S (установочный) подается сигнал «1». При последовательном рассмотрении прохождения сигнала по схеме видно, что триггер переходит в это состояние и будет устойчиво находиться в нем и после того, как сигнал на входе S исчезнет. Триггер запомнил «1», т. е. с выхода триггера Q можно считать «1».

Чтобы сбросить информацию и подготовиться к приему новой, на вход R (сброс) подается сигнал «1», после чего триггер возвратится к исходному «нулевому» состоянию.

Этапы решения задачи с помощью компьютера (построение модели — формализация модели — построение компьютерной модели — проведение компьютерного эксперимента — интерпретация результата).

Рассмотрим процесс решения задачи на конкретном примере:

Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью с некоторой высоты. Определить его местоположение и скорость в заданный момент времени.

На первом этапе обычно строится описательная информационная модель объекта или процесса. В нашем случае с использованием физических понятий создается идеализированная модель движения объекта. Из условия задачи можно сформулировать следующие основные предположения:

1) тело мало по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой;

2) скорость бросания тела мала, поэтому:

— ускорение свободного падения считать постоянной величиной;

— сопротивлением воздуха можно пренебречь.

На втором этапе создается формализованная модель, т. е. описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка.

Из курса физики известно, что описанное выше движение является равноускоренным. При заданных начальной скорости (V0)у начальной высоте (Н0) и ускорении свободного падения (g= 9,8 м/с) зависимость скорости (V) и высоты (Н) от времени (t) можно описать следующими математическими формулами:



На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компъютерную модель, т. е. выразить ее на понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели:

— создание алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;

— формирование компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и т. д.).

Для реализации первого пути надо построить алгоритм определения координаты тела в определенный момент времени и закодировать его на одном из языков программирования, например на языке Visual Basic.

Второй путь требует создания компьютерной модели, которую можно исследовать в электронных таблицах. Для этого следует представить математическую модель в форме таблицы функции зависимости координаты от времени (таблицы функции и таблицы зависимости скорости тела от времени (V = V0 - g • t).

Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.

Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и т. д.

На пятом этапе выполняется анализ полученных результатов и при необходимости корректировка исследуемой модели. Например, в нашей модели необходимо учесть, что не имеет физического смысла вычисление координаты тела после его падения на поверхность Земли.

Таким образом, технология решения задач с помощью компьютера состоит из следующих этапов: построение описательной модели — формализация — построение компьютерной модели — компьютерный эксперимент — анализ результатов и корректировка модели.