Логические вентили, схемы, структуры

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит их простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Определение 1.14. Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция «инверсия», или отрицание, реализуется логической схемой (вентилем), называемой логической схемой НЕ (NOT).

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, «0» или «ложь» отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или «истина», которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт («истина»), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть «ложь» (схемы на рис. 1.1).

Рис. 1.1.  Принцип работы схемы НЕ.

Дизъюнкцию реализует логическое устройство (вентиль) называемое логической схемой ИЛИ (OR) (рис. 1.2 а, б, в).

Рис. 1.2 a.

Рис. 1.2 б.

Рис. 1.2 в.  Принцип работы схемы ИЛИ.

Конъюнкцию реализуетлогическая схема (вентиль), называемая схемой И (AND) (рис. 1.3 а, б, в):

Рис. 1.3 a.

Рис. 1.3 б.

Рис. 1.3 в.  Принцип работы схемы И.

Из простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем (НЕ, И, ИЛИ) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно «соединять» и «вкладывать» друг в друга (осуществлять композицию и суперпозицию схем).

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.