Лекция 2: Цифровой логический уровень.
Основные схемы
2.1. Вентили и их виды
Как уже ранее, мы говорили, самым простейшим объектом на цифровом логическом уровне является вентиль. Вентиль – это крошечное электронное устройство, сконструированное из одного или нескольких транзисторов и вычисляющее логическую функцию от одного или несколькихцифровых сигналов.
Под цифровыми сигналами при этом являются сигнал от 0 до 1В, и он чаще всего принимается за аналог двоичного 0, и сигнал от 2 до 5В, являющийся тогда аналогом двоичной 1, при этом напряжение за пределами указанных величин недопустимо. Такая логика, используемая в компьютере, называется позитивной логикой. Существуют компьютеры, в которых, наоборот, сигнал низкого уровня напряжения принимается за двоичную 1, а высокого уровня напряжения за двоичный 0, такая логика называется негативной. Мы будем далее вести рассмотрение исходя из позитивной логики.
Итак, вентили строятся из транзисторов, рассмотрим работу вентиля, изображенного на рис.2 (а). Хотя этот вопрос и не относится к области рассмотрения архитектуры компьютера, а принадлежит физическому уровню и связанными с ним дисциплинам, рассмотрение его поможет нам лучше понять, как работают схемы, состоящие из вентилей, и косвенно еще раз покажет, как важно и удобно представлять компьютер в виде уровней.
Транзистор является очень быстрым бинарным переключателем. Это свойство транзистора положено в основу цифровой логики. Транзистор имеет три соединения с внешним миром – коллектор (1 – рис.2.а), базу (2 – рис.2.а) и эмиттер (3 – рис.2.а). Если входное напряжение Vвх ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vвых близкому к напряжению, подаваемому извне – Vву (обычно +5 В для данного типа транзистора). Если Vвх превышает критическое значение, транзистор включается и действует как провод, вызывая заземление сигнала Vвых (по соглашению 0 В). Таким образом, получается, что когда на вход Vвх транзистора подают высокое напряжение, то есть 1, то на выходе Vвых будет низкое напряжение, то есть 0, и наоборот. Таким образом, транзистор, изображенный на рис. 2 (а) работает, как инвертор (логическая функция «НЕ»).
Рассмотрим работу вентиля, показанного на рис.2 (б), при подаче высокого напряжения на входы Vвх1, Vвх2 оба транзистора включаются, и сигнал Vвых заземляется, то есть на выход подается 0. При подаче на входы Vвх1, Vвх2 напряжения ниже критического значения транзисторы запираются и на выходе Vвых будет напряжение приблизительно равное напряжению на входе Vву. Таким образом, данная схема на выходе Vвых имеет значения, соответствующие логической функции «НЕ-И».
На рис. 2 (в) два транзистора соединены параллельно. Если один из входных сигналов высокий, будет включаться соответствующий транзистор и снижать выходной сигнал. Если оба напряжения на входе низкие, то выходное напряжение будет высоким. Такая схема соответствует логической функции «НЕ-ИЛИ».
Помимо этих трех вентилей существует еще несколько, а именно «И», «ИЛИ», исключающее «ИЛИ». В схемах вышеперечисленные вентили обозначаются, как показано на рис. 3.
Объединяя различные вентили в более крупные схемы, можно создавать электронные схемы, выполняющие сложные логические функции. Они получили название цифровые логические схемы. Одна и та же схема, выполняющая одну и ту же сложную логическую функцию, может быть построена из вентилей разного вида. Тогда такие схемы будут являться эквивалентными.
Алгоритм построения схемы, реализующей какую-либо сложную логическую функцию, выглядит следующим образом:
Составить таблицу истинности для данной функции.
В схеме обеспечить инверторы, чтобы создавать инверсии для каждого входного сигнала.
Нарисовать вентиль «И» для каждой строки таблицы истинности с результатом 1 и соединить их с соответствующими входными сигналами.
Вывести выходы всех вентилей «И» в вентиль ИЛИ.
Н
апример,
для функции схема, построенная по
вышеописанному алгоритму, будет
выглядеть, так как показано ниже:
A |
B |
C |
F |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Важно отметить, что один и тот же вентиль может вычислять разные функции в зависимости от используемых соглашений. Если мы принимаем соглашение, что 0 В – это логический ноль, а 3,3 В или 5 В – логическая единица, то такое соглашение будет называться позитивной логикой. Однако если мы будем считать, что 0 В — это логическая единица, а 3,3 В или 5 В — логический ноль, то мы получим негативную логику. Естественно, что таблицы истинности и схемы для одной и той же функции, созданные в разных соглашениях, будут отличаться друг от друга. Таким образом, все зависит от того, какое соглашение выбрано для отображения вольт в логических величинах. Мы будем использовать позитивную логику.