!Вентили и булева алгебра (транзисторные схемы, значки, таблицы истинности…)
Основные элементы, из которых конструируются цифровые компьютеры, чрезвычайно просты. При конструировании этих элементов используется специальная двузначная алгебр (булева алгебра).
Вентили
Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических значения. Обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанных величин недопустимо. Крошечные электронные устройства, которые называются вентилями, позволяют получать различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся все цифровые компьютеры. Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель.
Рисунок 1 – Транзистрорный инвертор
Транзистор имеет три соединения с внешним миром: коллектор, базу и эмиттер. Если входное напряжение Vin ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vout, близкому к Vcc (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vin превышает критическое значение, транзистор включается и действует как проводник, вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению — это 0 В). Важно отметить, что если напряжение Vin низкое, то Vout высокое, и наоборот. Эта схема, таким образом, является инвертором, превращающим логический 0 в логическую 1 и логическую 1 в логический 0. Резистор (ломаная линия) нужен для ограничения тока, проходящего через транзистор, чтобы транзистор не сгорел. На переключение из одного состояния в другое обычно требуется несколько наносекунд.
Рисунок – Вентиль НЕ И
На рисунке два транзистора соединены последовательно. Если и напряжение V1 и напряжение V2 высокое, то оба транзистора становятся проводниками и снижают Vout. Если одно из входных напряжений низкое, то соответствующий транзистор выключается и напряжение на выходе становится высоким. То есть, напряжение Vout является низким тогда и только тогда, когда и напряжение V1 и напряжение V2 высокое.
Рисунок 3 – Вентиль НЕ ИЛИ
На рисунке два транзистора соединены параллельно. Если один из входных сигналов высокий, включается соответствующий транзистор и снижает выходной сигнал. Если оба напряжения на входе низкие, то выходное напряжение становится высоким.
Данные три схемы образуют три простейших вентиля: НЕ, НЕ-И и НЕ-ИЛИ соответственно. Вентили НЕ часто называют инверторами.
Определим высокое напряжение (Vcc) как логическую 1, а низкое напряжение («земля») — логический 0. Тогда можно выражать значение на выходе как функцию от входных значений. Значки, которые используются для изображения этих трех типов вентилей, показаны на рисунке. Там же показаны режимы работы функции для каждой схемы. На этих рисунках А и В — входные сигналы, X — выходной сигнал. Каждая строка таблицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.
Рисунок 4 – Вентили НЕ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ
Если выходной сигнал вентиля НЕ-И подать в инвертор, то можно получить другую схему, противоположную вентилю НЕ-И, у которой выходной сигнал равен 1 тогда и только тогда, когда оба входных сигнала равны 1. Такая схема называется вентилем И. Ее изображение и описание соответствующей функции даны на рисунке:
Рисунок – Вентиль И
Точно так же вентиль НЕ-ИЛИ может быть связан с инвертором. Тогда получится схема, у которой выходной сигнал равен 1 в том случае, если хотя бы один из входных сигналов единичный, и равен 0, если оба входных сигнала нулевые. Изображение этой схемы, которая называется вентилем ИЛИ, а также описание соответствующей функции даны на рисунке.
Рисунок – Вентиль ИЛИ
Маленькие кружочки в схемах инвертора, вентиля НЕ-И и вентиля НЕ-ИЛИ называются инвертирующими выходами. Они также могут использоваться в другом контексте для указания на инвертированный сигнал.
Пять представленных вентилей составляют основу цифрового логического уровня. Для построения вентилей НЕ-И и НЕ-ИЛИ требуются по два транзистора, а для вентилей И и ИЛИ — по три транзистора на каждый вентиль. По этой причине во многих компьютерах используются вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ, а не И и ИЛИ.
Две основные технологии производства вентилей:
биполярная;
МОП (металл, оксид, полупроводник).
Среди биполярных технологий можно выделить:
ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), которая служила основой цифровой электроники на протяжении многих лет,
ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), которая используется в тех случаях, когда требуется высокая скорость выполнения операций.
В отношении вычислительных схем более распространена технология МОП. МОП-вентили работают медленнее, чем ТТЛ и ЭСЛ, но потребляют гораздо меньше энергии и занимают гораздо меньше места, поэтому можно компактно расположить большое количество таких вентилей. Вентили МОП имеют несколько разновидностей: р-канальный МОП, n-канальный МОП и комплементарный МОП. Современные процессоры и память чаще всего производятся с использованием технологии комплементарных МОП, которая работает при напряжении +3,3 В.