Синтез одноразрядного сумматора

Сумматор — это электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел. Сумматор является центральным узлом арифметико-логического устройства компьютера. Многоразрядный двоичный сумматор, предназначенный для сложения многоразрядных двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров.

Условное обозначение одноразрядного сумматора:

При сложении чисел A и B в одном i -ом разряде приходится иметь дело с тремя цифрами:

· цифра a_i первого слагаемого;

· цифра b_i второго слагаемого;

· перенос p_{i –1} из младшего разряда.

В результате сложения получаются две цифры:

· цифра c_i для суммы;

· перенос p_i из данного разряда в старший.

Таким образом, одноразрядный двоичный сумматор есть устройство с тремя входами и двумя выходами, работа которого может быть описана следующей таблицей истинности:

Входы	Выходы
Первое слагаемое ai	Второе слагаемое bi	Перенос pi –1	Сумма ci	Перенос pi

Если требуется складывать двоичные слова длиной два и более бит, то можно использовать последовательное соединение таких сумматоров, причём для двух соседних сумматоров выход переноса одного сумматора является входом для другого.

Например, схема вычисления суммы C = (с ₃ c ₂ c ₁ c ₀) двух двоичных трехразрядных чисел A = (a ₂ a ₁ a ₀) и B = (b ₂ b ₁ b ₀) может иметь вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2.

Постановка задачи: синтезировать комбинационную схему одноразрядного двоичного сумматора, имеющего два входа («а» и «b») и два выхода («S» - значение суммы и «Р» - перенос в следующий разряд.

Порядок выполнения синтеза:

1. Сформировать таблицу истинности.

2. Получить совершенные дизъюнктивные формы логических функций (СДНФ), реализуемых одноразрядным двоичным сумматором.

3. Используя базовый набор элементов И, ИЛИ, НЕ составить структурную схему одноразрядного двоичного сумматора комбинационного типа.

1. Одноразрядный двоичный сумматор реализует следующую таблицу сложения:

a + b	a
b

При сложении двух единиц образуется разряд суммы S = 0 и перенос P = 1 в следующий разряд. Следовательно, одноразрядный комбинационный сумматор реализует две логических функции, таблицы истинности которых имеют вид:

а	b	f 1(a, b) = S	f 2(a, b) = P

Здесь f ₁(a, b) = S - значение цифры суммы в данном разряде; f ₂(a, b) = P - цифра переноса в следующий (старший) разряд.

2. СДНФ для этих функций имеют вид:

Полученные СДНФ являются минимальными.

3. Логическая схема сумматора, реализующего полученные функции, представлена на рис. 3.

 

Рис. 3.

ВЫВОДЫ

1. Преобразование десятичных чисел в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления основано на применении правила последовательного деления к целой части числа и правила последовательного умножения к дробной части.

2. Преобразование восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему счисления осуществляется путем замены каждой цифры эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр) или тетрадой (четверкой цифр). При этом незначащие нули слева от целой части числа, и справа от дробной части отбрасываются. Аналогично осуществляется обратное преобразование: двоичное число разбивается вправо и влево от точки, отделяющей целую часть от дробной, на триады (для восьмеричной системы счисления) или тетрады (для шестнадцатеричной системы счисления). При необходимости крайнюю левую триаду (тетраду) целой части и крайнюю правую триаду (тетраду) дробной части дополняют нулями, а затем каждую триаду (тетраду) заменяют восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.

3. Для преобразования двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в десятичную систему счисления используется формула представления любого числа в виде полинома.

4. В двоично-десятичном коде целые числа представляются в упакованном и распакованном форматах. В упакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по 4 двоичных разряда (полбайта), при этом знак числа кодируется в крайнем правом полубайте числа. В распакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по целому байту, при этом старшие полубайты (зона) каждого байта (кроме самого младшего) заполняются кодом 0011, а в младших (левых) полубайтах обычным образом кодируются десятичные цифры. Старший полубайт (зона) самого младшего (правого) байта используется для кодирования знака числа.

5. В ЭВМ применяются три формы записи (кодирования) целых чисел со знаком: прямой код, обратный код, дополнительный код. Последние две формы позволяют упростить конструкцию арифметико-логического устройства компьютера путем замены разнообразных арифметических операций операцией сложения.

6. Логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы цифрового автомата, которая реализует элементарную логическую функцию. Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И (конъюнктор), ИЛИ (дизъюнктор), НЕ (инвертор), И—НЕ, ИЛИ—НЕ и другие (называемые также вентилями), а также триггер, как элемент памяти.

7. Сумматор — это электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел. Сумматор является центральным узлом арифметико-логического устройства компьютера. Многоразрядный двоичный сумматор, предназначенный для сложения многоразрядных двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров.

Контрольные вопросы

1. Объясните правила перевода десятичных чисел в двоичную (восьмеричную, шестнадцатеричную) систему счисления.

2. Объясните правила перевода восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему счисления. Как осуществляется обратный перевод?

3. Как осуществляется перевод двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в десятичную систему счисления?

4. Объясните правила изображения целых чисел в прямом, обратном и дополнительном кодах.

5. Как складываются целые числа в обратном коде?

6. Как складываются целые числа в дополнительном коде?

7. Расскажите о двоично-десятичной системе счисления. Какие форматы представления данных используются в этой системе счисления?

8. Что такое логический элемент? Какие логические элементы используются при построении ЭВМ?

9. Какие функции реализуются схемами И, ИЛИ, НЕ? Запишите их таблицы истинности.

10. Что такое триггер? Объясните работу RS-триггера.

11. Как составляется таблица истинности для логической функции, заданной в виде формулы?

12. Что собой представляет одноразрядный сумматор комбинационного типа? Какие логические функции он реализует?

13. Объясните порядок синтеза одноразрядного двоичного сумматора.