3.Структура и принцип работы базовых электронных элементов

Все многообразие устройств ЭВМ базируется на ограниченном наборе типовых электронных элементов. Поэтому принцип действия даже сверхсложного компьютера легко понять, если предварительно разобраться в структуре и принципе работы базовых электронных элементов, к которым относятся инвертор (ключ), вентиль и триггер.

Инвертор. На рис. 3, а представлена схема электронного ключа на биполярном транзисторе, реализующая логическую функцию «НЕ» (отрицание), а на рис. 3, б - его условное обозначение. При подаче на вход схемы сигнала низкого уровня (логического «0») транзистор будет заперт, т.е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал высокого уровня (напряжение источника питания Еп, логическая «1»). Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (логическую «1»), то транзистор «откроется», начнет пропускать электрический ток. На его выходе за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн установится напряжение низкого уровня (логический «0»).Таким образом, схема преобразует (инвертирует) сигналы одного уровня в другой, тем самым выполняя логическую функцию «НЕ».

Вентиль На рис. 4,а изображена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «И», а на рис. 4,б – его условное обозначение. Функция «И» - логическое умножение, ее результат С равен единице, когда оба аргумента, и А, и В, равны единице.

Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические «0»), то оба транзистора закрыты, ток через них не проходит, выходное напряжение на Rн близко к 0. Пусть на один из входов подано напряжение высокого уровня (логическая «1»). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление нагрузки Rн по-прежнему не будет проходить. Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов схема не переключается и на выходе остается напряжение низкого уровня. И лишь при одновременной подаче на входы сигналов высокого уровня (логических «1») на выходе мы также получим сигнал высокого уровня: открытые транзисторы практически не оказывают сопротивление току, все напряжение падает на сопротивлении нагрузки, потенциал вывода Вых становится высоким.

На рис. 5, а приведена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «ИЛИ», а на рис. 5, б дано его условное обозначение. Функция «ИЛИ» - логическое сложение, ее результат С равен единице, если хотя бы один из аргументов равен единице.

Здесь транзисторы включены параллельно друг другу. Если оба закрыты, то их общее сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический «0»).Достаточно подать сигнал высокого уровня (логическую «1») на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая «1»).

Показано ("Бинарная логика, законы алгебры логики"), что любая сколь угодно сложная логическая функция может быть разложена на комбинацию элементарных логических функций «НЕ», «И» и «ИЛИ», так что из инвертора и соответствующих вентилей можно построить электронную логическую схему, выполняющую любое запланированное действие. Там же показано, что вместо трёх вышеперечисленных логических функций, можно использовать всего лишь одну комбинированную логическую функцию «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ». Эти логические элементы получаются из «И» и «ИЛИ» путём переноса сопротивления нагрузки Rн из эмиттерной цепи в коллекторную (как в схеме инвертора).

Триггер.Триггером называется электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых характеризуется высоким (логическая «1»), а второе низким (логический «0») уровнем выходного сигнала. Триггер состоит из двух вентилей. На рис. 6,а показан триггер, составленный из двух вентилей «ИЛИ-НЕ» (точно так же для этой цели используются и вентили «И-НЕ»), а на рис 6,б – его условное обозначение. (Анимацию можно запустить, если нажать правую клавишу мыши на рисунке и выбрать команду "Воспроизвести".)

Рассмотрим работу этой схемы. Пусть в начальный момент времени входы R, S и выход Q имеют низкий логический уровень. Для переключения триггера в состояние Q=1 необходимо на вход S подать «1».На входе соответствующего вентиля будут действовать входные логические сигналы: «0»(с выхода Q) и «1» (со входа S). На его выходе возникает инвертированная «1»,т. е. «0». Следовательно, через некоторое время Dt, в течение которого входной сигнал S=1 достигнет выхода вентиля, состояние выхода `Q изменится с «1» на «0». Теперь на входы второго вентиля будет действовать новая пара сигналов: «0» на вход R и «0» с выхода `Q. Следовательно, еще через Dt на выходе этого вентиля возникнет инвертированный сигнал «0», т. е. «1». Таким образом, через время 2Dt после подачи входного сигнала S=1 на выходе Q триггера логический «0» изменится на логическую «1». Следующее переключение триггера произойдет, если на вход R подать сигнал высокого уровня, и т. д. Триггер может работать бесперебойно лишь с периодом, не меньшим 4Dt.  В современных транзисторных вентилях Dt составляет единицы наносекунд (10-9 с), поэтому быстродействие электронных элементов вычислительных устройств очень большое, достигающее сотен миллионов переключений в секунду.

Регистр. Из триггеров (они бывают и других типов, отличных от рассмотренного) строятся многие элементы ЭВМ, например регистры. Они предназначены для приема, временного хранения и передачи информации в двоичном коде. Каждый триггер регистра используется для ввода, хранения и вывода одного разряда двоичного числа. Регистр, предназначенный для хранения информации, называют накопительным. Существуют также сдвигающие регистры, в которых двоичную информацию можно перемещать поразрядно влево и вправо, а также счетные регистры, предназначенные для преобразования десятичных чисел в двоичные и обратно. На основе базовых элементов строятся различные микросхемы ЭВМ, например, процессор, память, сумматор, дешифратор, мультиплексор и др.

Назад   На главную

Hosted by uCoz