Семинар 2. Цифровой логический уровень и микроархитектурный уровень

На лекции, посвященной архитектуре компьютера, мы обозначили самый нижний уровень как цифровой логический уровень. Объекты этого уровня называются вентилями или переключателями. Эти переключатели могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: переключатель включен или выключен, конденсатор заряжен или разряжен, магнитный домен намагничен или нет, транзистор находится в проводящем состоянии или непроводящем и т.п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения (например, 4 В), а другое – низкий (например, 0 В). В компьютере эти электрические напряжения принимаются соответственно за 1 (логическая единица) и 0 (логический ноль). Хотя возможно и обратное кодирование.

Электротехническая интерпретация.

Рассмотрим основные логические схемы на примере простых электрических переключателей.

Схема логического сложения – ИЛИ.

Рассмотрим простейшую электрическую схему фонарика с двумя кнопками включения/выключения (кнопки А и В).

А

В С

Лампа

+ -

Условимся:

• если кнопка нажата (электрическая цепь замкнута), это соответствует логической 1;

• если кнопка не нажата (электрическая цепь разомкнута), это соответствует логическому 0;

• лампа горит – 1, лампа не горит – 0.

Определим физически возможные состояния схемы:

• оба контакта разомкнуты (А=0, В=0), лампа не горит (С=0);

• замкнут контакт А, контакт В разомкнут, (А=1, В=0), лампа горит (С=1);

• контакт А разомкнут, контакт В замкнут, (А=0, В=1), лампа горит (С=1);

• оба контакта замкнуты (А=1, В=1), лампа горит (С=1).

А теперь приведем эти данные в таблицу, получим Таблицу истинности элемента ИЛИ. На схемах этот элемент с двумя входами (их может быть и больше) обозначается так, как на рисунке слева от таблицы.

1

А А В С

С

0 0 0 A+B A

0 1 1

В 1 0 1

1 1 1 B

Схема логического умножения – И

А В

С

A

AxB

Лампа B

+ -

Определим физически возможные состояния этой схемы:

• оба контакта разомкнуты (А=0, В=0), лампа не горит (С=0);

• замкнут контакт А, контакт В разомкнут, (А=1, В=0), лампа не горит (С=0);

• контакт А разомкнут, контакт В замкнут, (А=0, В=1), лампа не горит (С=0);

• оба контакта замкнуты (А=1, В=1), лампа горит (С=1) – единственно возможный вариант, когда цепь замкнута.

Приведите эти данные в таблицу, чтобы получить Таблицу истинности элемента И.

Электронные ключи.

Теперь рассмотрим реализацию этого уровня на простейших электронных элементах – биполярных транзисторах.