Вентили, интегральные схемы.
Основные элементы, из которых конструируются цифровые компьютеры, чрезвычайно просты. Цифровые схемы могут конструироваться из небольшого числа простых элементов в различных комбинациях.
Цифровая схема – это схема, в которой определены только два логических состояния. Обычно сигнал от 0 до 1вольта представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 вольт – другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанного диапазона недопустимо. Крошечные электронные устройства - вентили могут вычислять различные функции от этих двух сигналов.
Логический элемент ВМ (вентиль) – это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.
Все узлы ВМ реализованы с помощью логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. В таблице 2.1 приведены условные изображения 5 основных вентилей и таблицы истинности для каждого вентиля. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств ЭВМ. Вентили характеризуются не состоянием контактов, а наличием сигналов на входе и выходе элемента. Из вентилей составляют более сложные схемы, которые позволяют выполнять арифметические операции и хранить информацию. Алгебра логики (булева алгебра) является средством разработки, анализа и совершенствования логических схем.
Логический элемент на схеме изображается прямоугольником, линии с левой стороны элемента представляют собой входы данного элемента, а с правой выходы. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.
Таблица истинности – это табличное представление логической схемы (операции), в которой перечислены все возможные сочетания значений истинности входных сигналов (операндов) вместе со значением истинности выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний.
Табл. 2.1
Логический элемент |
Обозначение на схеме |
Таблица истинности |
Название схемы |
||
А |
В |
X |
|||
И
|
&
A B
X |
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
0 0 0 1 |
схема совпадения, дизъюнкция |
ИЛИ
|
1
A B
X |
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
0 1 1 1 |
собирательная схема, дизъюнкция |
НЕ
|
A
X |
0 1
|
- -
|
1 0 |
инвертор |
И - НЕ |
&
A B
X
|
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
1 1 1 0 |
исключающее И |
ИЛИ - НЕ |
1
A B
X
|
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
1 0 0 0 |
исключающее ИЛИ |
Пять вентилей составляют основу цифрового логического уровня. Вентили И–НЕ, ИЛИ–НЕ требуют два транзистора каждый, а вентили И и ИЛИ – три транзистора каждый. По этой причине во многих компьютерах используются вентили И–НЕ, ИЛИ–НЕ.
На практике схемы очень редко конструируются вентиль за вентилем. Сейчас стандартные блоки представляют собой модули, которые содержат ряд вентилей. Модули называются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Все современные вычислительные машины строятся на комплексах интегральных микросхем. Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника (квадратную пластину кремния размером примерно 5х5 мм, на котором находится несколько вентилей). Маленькие интегральные схемы помещаются в прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до 15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину. Вдоль длинных сторон располагается два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину, которые можно втыкать в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого - нибудь вентиля, или с источником питания, или с «землей». Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 40, 64 или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпуса, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу.
В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.).