Регистры

46

VIII. Регистры

Доктор физико-математических наук М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН, кандидат физико-математических наук Г. С. СИМИН, В. Я. СИНДАЛОВСКИЙ

ЭВМ часто сравнивают с живым организмом. В этом сложном организме роль сердца играет тактовый генератор, заданной ритм работы машины, роль мозга — процессор, управляющий всеми операциями, производными ЭВМ. «Глаза» и «уши» ЭВМ — устройства ввода информации, «невная система» — сложнейшая сеть проводников, объединяющая в единое целое элементы ЭВМ, «речь» — устройства ввода полученных результатов.

В этом сложном организме мы изучили работу одиночных клеток — трансисторов. Именно из таких «клеток» — биоплярных или полевых трансисторов состоит почти все части ЭВМ. Не изучив, как устройна клетка и как она работает, нельзя глобоко понять работу организации. Но с другой стороны, ясно, что ограничись только знакомством с одиночной клеткой, особенно далеко в исследовании сложного организма тоже не продвиhesся.

В этой и следующей заметках мы рассжем, в качестве примера, как на основе уже изученных нами простейших логических схем и триггеров на трансисторах создают более сложные радиоэлектронные схемы, неосредственно служящие узлами ЭВМ,— регистрации и сумматоры.

Вся информация, хранящаяся и перерабатываемая в ЭВМ, представлена, как мы знаем, в форме чисел, записанных в двойной системе. Регистры используют в ЭВМ для записи, хранения и считывания чисел.

На рисунке показана упрощенная схема регистрации для записи чисел, имеющих четырех разрядов (в действительности регистрации современных ЭВМ могут содержать до 64 разрядов). Регистр состоит из запоминающих элементов — триггеров, входных схем «И», разрешающих запись, и выходных схем «И», разрешающих считывание числа.

Обратите внимание на условное обозначение триггера. Оно похож на условное обозначение других логических схем, но содержит в правом верхнем углу знаок «T». Два входа триггера обозначают буквами S (от англійского слова set — установить) и R (от слова reset — возвратить, восстановить). Различие между входами число условное — электрические они совер-

Так вылідит оперативная память современной ЭВМ. На печатной плате видны кремневые интергральные микросхемы. Время записи и считывания в результате такой памяти составляет 50—100 ns.

При выполнении действия с большими числами мы пользовемся представлением числа в следующем виде:

0,123826·10⁵ порядок магнитса основание системы счисления

В резистрах ЭВМ используется аналогично представлении чисел с той только разницей, что основанием системы счисления служит 2 (двоичная система), а mantissa и порядок записи в двойной системе.

Запись в девятирардном резистре ЭВМ числа — 4,5:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 0 0 1 1 1 0 0 1

знак знак порядка магнитса мантиссы.

Первы разряд резистра отводится для записи знака числа (мantиссы). Число 1 в разряде соответствует минуту, 0 — плюс. Второй разряд показывает знак порядка. В данной примере порядок имеет знак плюс. Разряды с 3 по 5 отведены для записи порядка; в данной примере порядок равен +3. Разряды с 6 по 9 служат для записи двойной mantиссы. Единица в 6-м разряде соответствует 2⁻¹, в 7-м — 2⁻², в 8-м — 2⁻³ и т. д. Таким образом, записано число — (1·1/2 +0×(1/4+0·1/8+1·1/16)). 2³ = -4,5.

В приведенном примере mantисса может изменяться от

47

— $\frac{15}{16}$ до + $\frac{15}{16}$, а порядок от — 7 до + 7. В ЭВМ серии ЕС в 32-разрядных решетрах хранятся числа от $\approx 5,4 \cdot 10^{-79}$ до $\approx 7,2 \cdot 10^{75}$.

В ЭВМ близкой基数 будущее на смену кремниевым ВИС прудут ИС оперативной памяти на основе полупроводникового материалов арисенда саллала. На фотораффици показана ячейка такой ИС, имеющая размер 62×65 мкм. Полевые трансисторы, входящие в состав схемы, имеют затворы длиной 1 мкм. Кристалл с объемом памяти 4 кбит содержит 26600 полевых трансисторов и имеет размер 5,6×6 мм. Выстроёные ИС — 2 ис.

Объем оперативной памяти недостаточен для решения сложных задач на ЭВМ. Основная часть информации хранится во внешней памяти, имеющей горадо больший объем, хотя и меньше быстродействие. На фотораффици изображено устройство внешней памяти на магнитной ленте, немного похожое на обычный катушечный магнитfon. На ленте длиной 750 м может хранить до 6 мл. 32-разрядных чисел. Время считывания всей такой ленты составляет 6—7 минут.

Шенно эквивалентны. Вход $R$ используется для установки начального «нулевого» состояния триггера, а вход $S$ — для подачи сигнала, который необходимо заполнить. Выход триггера, например на котором устанавливается равным «1» при подаче «1» на $S$, называется основным (верхний выбор на рисунке 1), а второй выбор, например на котором инверсно по отношению к входному сигналу, называется дополнительным. Инверсия, так же как и в схемах типа «НЕ», обозначается кругжом.

Входы «установка нуля» $R$ всех триггеров соединены; на них перед записью подается сигнал «1», в результате чего на всех основных выходах триггеров устанавливается «0».

Проследим, как производит запись числа в регистр. Каждая из входных схем «И» имеет два входа. Один из них (низкий на рисунке 1) — общий для всех схем. Проводик, соединяющий эти общие входы, называется шинной записи (ЗАП). Если на шину записи подано нульое напряжение, то на всех выходах схем «И» также будет нульое напряжение, независимо от сигналов на вторых, «сигналных» входах — таково свойство схем типа «И» (см. заметки в № 1, 2 «Квант», 1986). Однако, если на шину записи ЗАП подается сигнал «1» — разрешение записи, — то напряжение на выходах схем «И», а следовательно, и на $S$ — входах триггеров будет зависеть от того, какой сигнал поступает в этот момент на вторые, сигналные входы схем «И».

На рисунке 1 для примера показана запись числа 9 (1001). В первом и четвертом разряда на сигналных входах сигнал «1». Если на шине ЗАП также сигнал «1», то на вход $S$ триггеров 1-го и 4-го разрядов поступит сигнал «1», который «перевернет» эти триггеры. В 1-м и 4-м разряда запишется «1». В разрядах 2 и 3, где на сигналных входах «0», на выходах схем «И» также будет «0» и в тригграх остаются записанным «0».

Действие выходных схем «И» аналогично действию входных. Как только на шину считывания (СЧ) будет подан сигнал «1», на выходах схем «И» появятся сигналы «1» в тех разрядах, в которых на основном выходе триггера была записана «1».

В схемах реализующих триггеров. На этих выходах создается так называемый «обратный код» записанного числа, в котором на месте «1» находится «0» и наоборот. Обратный код используется в ЭВМ для осуществления некоторых арифметических операций с двойными числами.

Совокупность регистрации, использующих ЭВМ для заполнения программы работы, исходных и промежуточных данных математических действия, называется оперативной памятью. Оперативная память одной из больших отечественных ЭВМ «ВЭСМ-6» содержит 32768 (32768=2$^{15}$) регистра, каждой из которых позволяет хранить 48-разрядные двойные числа.

От оперативной памяти требуется высокое быстрое, потому что она должна успевать записьать и считывать числа с такой же скоростью, с какой машина производит вычисления. Среди современных промышленных интерфейсов схем наиболее быстрое построением обладают ИС на основе кремневых биполярных трансисторов. Поэтому оперативная память больших ЭВМ выполняется из логических схем и триггеров на биполярных трансисторах.

Регистры микрокалькуляторов изготовливаются на основе полезных МДП-транзисторов. Быстроествие такой памяти значительно ниже, но это МДП-транзисторы потребляют гораздо меньше энергии. Благодаря этому микрокалькулятору могут десятички часов работы от минитаорной батарейки.