Предназначение и принцип на изграждане на комбинационни програмируеми превключватели

Операцията на преместване се състои в преместване на двоична дума наляво или надясно по битовата мрежа с определен брой битове [8, 9].

В съвременните компютри смяната е един от основните видове обработка на информация. Може да се реализира като компонент на други операции (умножение, деление, нормализиране и др.).

Следователно дори в най-ранните компютри са използвани така наречените регистри за изместване. Такива регистри се използват и в най-новите машини, но заедно с тях започнаха да се използват комбинирани многобитови програмируеми превключватели. Факт е, че в регистрите за преместване времето за преместване е право пропорционално на големината (стъпката) на преместването, тъй като в тях само един бит се измества при всеки тактов цикъл. Комбинираните устройства по своята същност са с един край. Времето за изместване на информацията в такива устройства не зависи от големината на изместването. Естествено, внедряването им е съпроводено със значителни хардуерни разходи.

Логическото изместване измества всички битове на думата, включително знаковия бит. Освободените битове на решетката се запълват с нули, независимо от посоката на изместване.

Аритметичното отместване измества само значимите цифри на думата. При изместване надясно освободените битове се запълват със знакова цифра, а при изместване наляво се запълват с нули. В някои случаи стъпката на ляво изместване не трябва да надвишава броя на незначещите цифри между знаковия бит и първата значима цифра. В противен случай битовата решетка се препълва, което трябва да бъде индикирано в устройството със специален информационен сигнал.

Обикновено при логически и аритметични смени размерът на стъпката на смяна не надвишава qmax = n - 1 (където n е дължината на думата на изместената дума), тъй като в противен случай нито една цифра от изместената дума няма да остане вначална битова мрежа, която по правило няма смисъл при обработка на реална информация.

Едно аритметично и до известна степен логическо изместване с q бита наляво е еквивалентно на умножаване на оригиналната дума по 2 q ; по подобен начин, съответното изместване надясно е еквивалентно на разделяне на оригиналната дума на същото количество.

При циклично изместване битовата мрежа условно се затваря в пръстен и по този начин изместената дума се движи по този пръстен. При преместване надясно, освободените цифри от висок ред автоматично се запълват с цифри от нисък порядък на думата, а при изместване наляво, освободените цифри от нисък ред автоматично се запълват с цифри от висок ред на думата. Цикличното изместване е интересно с това, че осигурява всяка позиция на думата в пръстена само с едностранно изместване.

Превключвателят е комбинирано цифрово устройство, което изпълнява операция за преместване на оригиналната двоична дума в съответствие с даден тип, посока и стъпка на преместване. При изместване на дължината на думата n превключвателят трябва да има n информация и 1 + log2n контролни входове, както и m = 3n – 2 информационни изхода (в някои специални случаи броят на изходите може да е по-малък).

Помислете за работата на четири-битов превключвател, който извършва логически премествания във всяка посока, като запазва напредналите цифри (често такъв превключвател се нарича превключвател без закръглящи числа). Ограниченията върху дължината на битовете на превключвателя и вида на отместванията опростяват разглеждането на повдигнатите въпроси, без да водят до значително намаляване на обобщението на резултатите.

UGO на превключвателя е показано на фигура 3.3 и представлява правоъгълник със съкращението SH (от англ. Shifter) във вътрешното поле. Долното поле за въвеждане е предназначено за получаване на сигнали за управление на посоката (D = 0 означава изместване наляво, D = 1 надясно) истъпка на смяна (S0, S1). Например, когато S1 = 1, S0 = 0 - изместване с две цифри.

Фигура 3.3 - Условно графично обозначение на превключвателя

Описанието на превключвателя със смислени термини дава възможност да се конструира неговата редуцирана таблица на истината. Една пълна таблица на истината би имала седем логически аргумента (x3, x2, x1, x0, D, S1, S0), десет функции (y6, y5, y4, y3, y2, y1, y0, y-1, y-2, y-3) и би била много тромава и трудна за разглеждане. Таблицата може да бъде значително намалена, ако аргументите x3, x2, x1, x0 се изведат от лявата й страна и се въведат в работните полета на дясната страна вместо единици, както е направено в таблица 3.2.

Таблица 3.2 - Таблично описание на матричния превключвател

Булеви аргументи (контролни сигнали)

Логически функции (изходна дума)

Смяна на посоката

Сума на смяна

Преместване наляво

директно предаване

изместване надясно

y–1

y–2

y–3

Забележка - D = X е неопределена стойност (0 или 1), тъй като при нулева стъпка понятието "посока на смяна" губи смисъла си.

Данните в таблица 3.2 позволяват да се премине към логико-математическото описание на превключвателя:

(3.1)

Функционална система(3.1) позволява да се изгради функционална схема на превключвателя, но тя ще се окаже неструктурирана и слабо видима. За да може схемата да се чете по-добре (и по-късно да се тества по-лесно), ние я структурираме, като отделяме контролния декодер и изместващата (управлявана) матрица на конюнкторите в него, за което въвеждаме нова нотация:

Замествайки отношения (3.2) в система (3.1), получаваме

(3.3)

Структурираната система от логически функции (3.2), (3.3) дава възможност да се конструират структурните и функционални диаграми на превключвателя (Фигура 3.4).

Анализът на функционалната диаграма показва, че превключвателите от матричен тип имат много висока скорост, която се оценява със стойността на 2tzd.LE, тъй като изместената информация преминава само през един етап на превключване (оттук и името им - едностепенни).

Фигура 3.4 - Комбиниран програмируем превключвател.

Електрическа структурна диаграма (а) и функционална (б)