2.11. Логические элементы

Логические элементы выполняют преобразования информации, которые описываются логическими функциями. Логическая функция и ее аргументы могут принимать только два значения: «0» и «1». Зависимость значений логической функции от значений ее аргументов можно задать с помощью таблицы истинности.

Элементы И, ИЛИ и НЕ (рис. 2.10) составляют функционально полную систему, т.е. из них можно составить любую комбинационную (логическую) схему. Логические элементы, выполненные в виде интегральных схем, обычно реализуют логические функции И-НЕ (функция Шеффера) или ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса). Каждый из этих элементов обладает свойством функциональной полноты. Обозначения элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ на функциональных схемах, а также примеры их реализации приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Логические элементы:

а – И; б – ИЛИ; в – НЕ; г – трехвходовой И-НЕ; д – трехвходовой ИЛИ-НЕ;

е – принципиальная электрическая схема элемента И-НЕ на ТТЛ;

ж – принципиальная электрическая схема элемента И-НЕ на КМОП

Элементы И на два входа часто используют в качестве ключей (вентилей), которые управляют передачей данных между двумя схемами (рис. 2.11).

При передаче одноразрядных данных (см. рис. 2.11, а) один вход элемента И является информационным, а второй – управляющим. На информационный вход поступают одноразрядные данные D от источника A. Если на управляющем входе сигнал «Передать» равен «0», то на приемник В поступает сигнал «0» независимо от значения данных D. Если сигнал «Передать» равен «1», то сигнал на выходе элемента И совпадает с информационным сигналом и на вход приемника поступают данные D.

Рис. 2.11. Схемы передачи данных:

а – одноразрядных; б – многоразрядных

При передаче многоразрядных данных (см. рис. 2.11, б) каждый разряд данных проходит через отдельный элемент И, а сигнал «Передать» подается одновременно на управляющие входы всех ключей.

2.12. Триггеры

2.12.1. Общие сведения о триггерах

Для хранения информации в компьютере могут использоваться различные типы элементов памяти. В зависимости от способа хранения информации элементы памяти могут быть статическими, позволяющими хранить двоичную информацию сколь угодно долго, и динамическими, хранящими информацию в течение ограниченного отрезка времени. В качестве стати­ческих элементов памяти в настоящее время применяют триггеры.

Основу триггера составляет бистабильная ячейка, имеющая два устойчивых состояния. Бистабильные ячейки могут быть построены на двух логических элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ, соединенных перекрестными связями (рис. 2.12).

Существование двух устойчивых состояний бистабильной ячейки объясняется наличием в ее схеме обратных связей, позволяющих сигналу с выхода элемента поступать на его же вход через второй элемент. Так, если на рис. 2.12, а сигнал на верхнем выходе равен «1» и на оба входа подается сигнал «0», то сигнал «1» с выхода элемента 1 поступает на вход элемента 2 и формирует на его выходе сигнал «0». Этот сигнал поступает на вход элемента 1 и поддерживает такое состояние схемы, делая его устойчивым. В этом состоянии на выходе элемента 1 сигнал равен «1», а на выходе элемента 2 сигнал равен «0».

Рис. 2.12. Бистабильная ячейка:

а – на элементах ИЛИ-НЕ; б – на элементах И-НЕ

Для изменения состояния схемы необходимо подать на верхний вход элемента 1 сигнал «1». При этом на выходе элемента 1 сигнал становится равным «0». Тогда на выходе элемента 2 формируется сигнал «1», который вместе с единичным входным сигналом устанавливает выходной сигнал элемента 1 равным «0». Такое состояние схемы также является устойчивым и после того, как сигнал на входе элемента 1 станет равным «0». В этом состоянии на выходе элемента 1 сигнал равен «0», а на выходе элемента 2 – «1». При поступлении сигнала «1» на вход элемента 2 проис­ходит возвращение схемы в начальное состояние. Таким образом, схема имеет два устойчивых состояния, которые можно устанавливать подачей сигнала «1» на вход элемента 1 или 2. Аналогично работает бистабильная ячейка на элементах И-НЕ (см. рис. 2.12, б).

Триггер – это цифровая электронная схема с двумя устойчи­выми состояниями, которые устанавливаются при подаче соот­ветствующей комбинации входных сигналов и сохраняются.

Кроме бистабильной ячейки в состав триггера входит схема Управления (рис. 2.13). Схема управления – это комбинационная схема, при помощи которой осуществляется запись информации в триггер (изменение состояний триггера). Конкретный вид схемы Управления зависит от типа триггера.

Рис. 2.13. Общая структура триггера

Триггер имеет два выхода: прямой и инверсный (Q и ). Сигналы на выходах триггера всегда имеют различные значения. Если на прямом выходе сигнал равен «1», то на инверсном – «0» и наоборот. Состояние триггера определяется значением сигнала на прямом выходе (Q). Если сигнал на прямом выходе равен «1», то триггер находится в состоянии «1». Можно также сказать, что со­стояние триггера – это информация, записанная в триггере. Таким образом, если триггер находится в состоянии «1», то в нем записана единица.

Триггеры могут быть асинхронными или синхронными. В асинхронных триггерах используются только основные или информационные входы. Изменение состояния асинхронного триггера может происходить в произвольные моменты времени, определяе­мые изменениями сигналов на информационных входах.

В синхронных триггерах кроме информационных входов имеется вход синхронизации. На этот вход подается сигнал синхронизации С, который выполняет функции сигнала, разрешающего переключение триггера из одного состояния в другое. Если сигнал синхронизации С равен «0», то состояние синхронного триггера не изменяется при любой комбинации сигналов на информационных входах. Для переключения синхронного триггера необходимо подать на информационные входы определенную, зависящую от типа триггера, комбинацию сигналов и, кроме того, установить значение сигнала С, равное «1».

Логика переключения триггера определяется его типом и зависит от числа и назначения входов. Наиболее часто в цифровой технике используют RS-, JK-, D- и T-триггеры, а также комбинированные триггеры. Буквами R, S, J, К, D и Т обозначаются информационные входы триггеров (X).