Цифровой логический уровень

В самом низу иерархической схемы уровней архитектуры компьютера находится цифровой логический уровень, или аппаратное обеспечение компьютера. Здесь мы рассмотрим различные аспекты цифровой логики, что должно послужить основой для изучения более высоких уровней в дальнейшем.

Вентили и булева алгебра

Цифровые схемы могут конструироваться из небольшого числа простых элементов путем сочетания этих элементов в различных комбинациях. Ниже мы опишем эти основные элементы, покажем, как их можно сочетать,

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, могут вычислять различные функции от этих двузначных сигналов. Эти вентили формируют основу аппаратного обеспечения, на которой строятся все цифровые компьютеры. Принцип работы вентилей относится к уровню физических устройств, который находится ниже уровня 0.

Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель. На рис. 3.1, а изображен биполярный транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет три соединения с внешним миром: коллектор, базу и эмиттер. Если входное напряжение У_IN ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу V_OUT, близкому к V_CC (напряжению, подаваемому извне), обычно +5 В для данного типа транзистора. Если V_IN превышает критическое значение, транзистор включается и действует как провод, вызывая заземление сигнала V_OUT (по соглашению 0 В).

Рис. 3.1. Транзисторный инвертор (а); вентиль НЕ-И (б); вентиль НЕ-ИЛИ (в)

Важно отметить, что если напряжение V_IN низкое, то V_OUT 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 количество тока, проходящего через транзистор, чтобы транзистор не сгорел. На переключение с одного состояния на другое обычно требуется несколько наносекунд.

На рис. 3.1, 6 два транзистора соединены последовательно. Если и напряжение V₁ и напряжение V₂ высокое, то оба транзистора будут служить проводниками и снижать V_OUT. Если одно из входных напряжений низкое, то соответствующий транзистор будет выключаться и напряжение на выходе будет высоким. Другими словами, V_OUT будет низким тогда и только тогда, когда и напряжение V₁, и напряжение V₂ высокое.

На рис. 3.1, 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 вентиля. Они называются вентилями НЕ, НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Вентили НЕ часто называют инверторами. Мы будем использовать оба термина. Если мы примем соглашение, что высокое напряжение (V_СС) — это логическая 1, а низкое напряжение («земля») — логический 0, то мы сможем выражать значение на выходе как функцию от входных значений. Значки, которые используются для изображения этих трех типов вентилей, показаны на рис. 3.2, а — в. Там же приводится поведение функции для каждой схемы. На этих рисунках А и В — это входные сигналы, а X — выходной сигнал.

Рис. 3.2. Значки для изображения 5 основных вентилей. Поведение функции для каждого вентиля

Если выходной сигнал (см. рис. 3.1, б) подать в инвертор, мы получим другую схему, противоположную вентилю НЕ-И, то есть такую схему, у которой выходной сигнал равен 1 тогда и только тогда, когда оба входных сигнала равны 1. Такая схема называется вентилем И; ее схематическое изображение и описание соответствующей функции даны на рис. 3.2, г. 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 — 1, и равен 0, если оба входных сигнала равны 0. Изображение этой схемы, ко горая называется вентилем ИЛИ, а также описание соответствующей функции даны на рис. 3.2, д. Маленькие кружочки в схемах инвертора, вентиля НЕ-И и вентиля НЕ-ИЛИ называются инвертирующими выходами.

Пять вентилей, изображенных на рис. 3.2, составляют основу цифрового логического уровня. Из предшествующего обсуждения должно быть ясно, что вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ требуют два транзистора каждый, а вентили И и ИЛИ — три транзистора каждый. По этой причине во многих компьютерах используются вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ, а не И и ИЛИ.

Две основные технологии производства вентилей — 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 выполненияопераций.

Вентили МОП работают медленнее, чем ТТЛ и ЭСЛ, но потребляют гораздо меньше энергии и занимают гораздо меньше места, поэтому можно компактно расположить большое количество таких вентилей.