2 Устройство эвм

2.1 Цифровой логический уровень

Цифровые схемы могут конструироваться из небольшого числа простых элементов путем сочетания этих элементов в различных комбинациях.

2.1.1 Логические элементы

Цифровая схема - это схема, в которой есть только два логических значения. Обычно сигнал от 0 до 1В 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 логическими элементами, могут вычислять различные функции от этих двузначных сигналов. Эти логические элементы формируют основу аппаратного обеспечения, на которой строятся все цифровые компьютеры.

Рис 2.1 Построенные на транзисторах логические элементы НЕ (а), И-НЕ (б), ИЛИ- НЕ(в).

Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель. На рис. 2.1(а) изображен биполярный транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет коллектор, базу и эмиттер.

Если входное напряжение Vвх ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vвых, близкому к Vоп (напряжению, подаваемому извне), обычно +5 В для данного типа транзистора. Если Vвх превышает критическое значение, транзистор включается и действует как провод, вызывая заземление сигнала Vвых (по соглашению О В). Важно отметить, что если напряжение Vвх низкое, то Vвых высокое, и наоборот. Эта схема, таким образом, является инвертором, превращающим логический 0 в логическую 1 и логическую 1 в логический 0. Резистор нужен для ограничения количество тока, проходящего через транзистор, чтобы транзистор не сгорел. На переключение с одного состояния на другое обычно требуется несколько наносекунд.

На рис. 2.1 (б) два транзистора соединены последовательно. Если и напряжение V1 и напряжение V2 высокое, то оба транзистора будут служить проводниками и снижать Vвых. Если одно из входных напряжений низкое, то соответствующий транзистор будет выключаться и напряжение на выходе будет высоким. Другими словами, Vвых будет низким тогда и только тогда, когда и напряжение V1 и напряжение V2 высокое.

На рис 2.1 (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. Эти три схемы образуют три простейших логических элемента НЕ, НЕ-И и НЕ- ИЛИ.

Более подробно логические элементы мы рассматривали в курсе цифровая электроника [2.1].

Хотя устройство логических элементов относится к уровню физических устройств, мы все же упомянем основные серии производственных технологий, так как они часто упоминаются в литературе. Две основные технологии - биполярная и МОП (металл- оксид- полупроводник). Среди биполярных технологий можно назвать ТТЛ (транзисторно- транзисторную логику), которая служила основой цифровой электроники на протяжении многих лет, и ЭСЛ (эмиттерно-связанную логику), которая используется в тех случаях, когда требуется высокая скорость выполнения операций.