Алгебра Дж. Буля и ее применение в теории и практике информатики

Страница 2

/

y

z = x V y

V

x

y

x

схемы, подсоединяя выходы одних элементов к входам других. Если при таких соединениях избегать воз­никновения замкнутых контуров (например, подсоединения выхода элемента на один из его собствен­ных входов), то возникает класс схем, называемых обычно комбина­ционными схемами. Такие схемы находятся в однозначном соответст­вии с формулами булевой алгебры, так что с их помощью может быть выражена любая система булевых функций. Например, схема, изображенная на рис. 2, реа­лизует систему булевых функций

u = x / y / ù z и v = ù (x V y V z).

На практике построение комбинационных схем усложняется, поскольку сигналы при прохождении через вентили ослабляют­ся, искажают свою первоначальную форму, запаздывают. Поэто­му необходимо наряду с логическими элементами включать в схему различного рода согласующие элементы (усилители, фор­мирователи сигналов и др.). Задача этих элементов—сделать схему работоспособной и надежной.

Из сказанного ясно, что можно построить комбинационную схему для решения любого конечного множества задач, решения которых однозначно определяются их условиями (подавае­мыми на вход схемы). В частности, если ограничиться какой-ли­бо фиксированной точностью представления вещественных чисел (разрядностью), то можно в принципе построить комбинацион­ную схему, вычисляющую любую заданную вещественную функ­цию у = f(xi, ., xn) (в двоичных кодах).

На практике, однако, оказывается, что уже схема умножителя (вычисляющая функцию у = X1 • Х2) при разрядности (двоичной) 32 и более оказывается столь сложной, что умножение в совре­менных ЭВМ предпочитают реализовать другим, так называемым алгоритмическим способом, о котором речь пойдет ниже.

В то же время многие, более простые функции, например функции сложения двух чисел, реализуются комбинационными схемами приемлемой сложности. Соответствующая схема носит наименование параллельного сумматора.

Следует заметить, что успехи микроэлектроники делают воз­можным построение все более сложных схем. Если еще в 60-е годы каждый логический элемент собирался из нескольких физи­ческих элементов (транзисторов, диодов, сопротивлений и др.), то уже к началу 80-х годов промышленностью выпускаются так называемые интегральные схемы, содержащие многие сотни и даже тысячи логических вентилей. При этом важно подчеркнуть, что не только сами логические элементы, но и соединения меж­ду ними (т. е. вся схема в целом) изготовляются одновременно в едином технологическом процессе на тонких пластинках хими­чески чистого кремния и других веществ размерами в доли квад­ратного сантиметра. Благодаря этому резко уменьшилась стои­мость изготовления схем и повысилась их надежность.

Обладая возможностью реализовать любые ф и к с и р о в а н н ы е зависимости между входными и выходными сигналами» комбинационные схемы неспособны обучаться, адаптироваться к изменяющимся условиям. На первый взгляд кажется, что такая адаптация обязательно требует структурных изменений в схеме,. т. е. изменения связей между ее элементами, а возможно, и со­става этих элементов. Подобные изменения нетрудно реализовать путем механических переключении. Однако такой путь практи­чески неприемлем из-за резкого ухудшения практически всех параметров схемы (быстродействия, габаритов, надежности и др.).

Существует гораздо более эффективный путь решения ука­занной проблемы, основанный па введении в схему в дополнение к уже перечисленным логическим элементам так называемых элементов памяти. Помимо своих входных и выходных сигналов, элемент памяти характеризуется еще третьим информационным параметром—так называемым состоянием этого элемента. Со­стояние элемента памяти может меняться (но не обязательно) лишь в заданные дискретные моменты времени t1,t2, . под влиянием сигналов, появляющихся на его входах в эти моменты. Наиболее употребительна так называемая синхронная организа­ция работы элементов памяти, при которой моменты их возмож­ных переключении (изменении состояния) следуют друг за дру­гом через один и тот же фиксированный промежуток времени Dt = const, называемый тактом. Эти моменты определяются обычно с помощью импульсов, вырабатываемых специальным тактирующим синхрогенератором. Количество тактовых импуль­сов, выдаваемых им в течение одной секунды, называется так­товой частотой.

В современной электронике употребляются в основном двоич­ные элементы памяти, состояние которых представляет собой бу­леву величину. Иными словами, элемент памяти способен запом­нить всего лишь один бит информации. При необходимости запоминания большего количества информации используется составная память (запоминающее устройство), состоящая из некоторого множества элементов. В реальных условиях это мно­жество, разумеется, всегда конечно, хотя в теоретических исследованиях бывает удобно рассматривать и бесконечную память (по крайней мере потенциально).

В простейшем случае множество элементов памяти организу­ется в так называемый регистр, т. е. в (конечную) линейно упо­рядоченную последовательность элементов, называемых разряда­ми (ячейками) регистра. Разряды нумеруются последовательны­ми натуральными числами 1, 2, ., п. Число п этих разрядов на­зывается длиной регистра.

Состояния в, отдельных разрядов составляют (булев) вектор о, называемый состоянием регистра. Входные и выходные сигна­лы отдельных разрядов рассматриваемого регистра (также пред­полагаемые булевыми) составляют соответственно входной х и выходной у (векторные) сигналы данного регистра.

Заметим еще раз, что в подавляющем большинстве случаев у = а.

Обычная последовательностная схема, называемая также конечным автоматом, составляется из регистра памяти и двух комбинационных схем.

Условность подобного представления заключается прежде всего в том, что в схеме с чисто двоичными сигналами нельзя переключить сигнал и на один из выходов, а на других выходах де иметь ничего (это был бы третий вид сигнала, отличный как от 0, так и от 1). Кроме того, в подавляющем большинстве слу­чаев схемы нецелесообразно строить отдельно одну от Дру­гой, так как при этом, вообще говоря, возрастает общее число используемых логических элементов. Однако эти условности не меняют главного — сделанных оценок для числа различных ком­бинационных схем, реализуемых конечным автоматом. Кроме то­го, при некоторых реализациях двоичных сигналов (например, импульсами различной полярности) в электронных схемах есте­ственным образом реализуется и третий вид сигнала, а именно, отсутствие каких-либо импульсов. В этом случае предложенная интерпретация фактически теряет свою условность и может быть реализована практически.