Читать «Архитектура компьютера» онлайн - страница 143

Описание принципов работы вентилей не является темой этой книги, поскольку относится к уровню физических устройств, который находится ниже уровня 0. Тем не менее мы очень кратко коснемся основного принципа, который не так уж и сложен. Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый двоичный 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 V.n ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vout, близкому к V_CC (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vn превышает критическое значение, транзистор включается и действует как проводник, вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению — это 0 В).

a б вРис. 3.1. Транзисторный инвертор (а); вентиль НЕ И (б); вентиль НЕ ИЛИ (в)

Важно отметить, что если напряжение V.n 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 тока, проходящего через транзистор, чтобы транзистор не сгорел. На переключение с одного состояния на другое обычно требуется не более наносекунды.

На рис. 3.1, б два транзистора соединены последовательно. Если и напряжение V1, и напряжение V2 высокое, то оба транзистора становятся проводниками и снижают Vout. Если одно из входных напряжений низкое, то соответствующий транзистор выключается, и напряжение на выходе становится высоким. Другими словами, напряжение Vout является 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, включается соответствующий транзистор и снижает выходной сигнал. Если оба напряжения на входе низкие, то выходное напряжение становится высоким.

Эти три схемы образуют три простейших вентиля. Они называются вентилями НЕ, НЕ-И и НЕ-ИЛИ соответственно. Вентили НЕ часто называют инверторами. Мы будем использовать оба термина. Если мы примем соглашение, что высокое напряжение (VCC) — 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 показаны режимы работы функции для каждой схемы. На этих рисунках A и B — входные сигналы, X — выходной сигнал. Каждая строка таблицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.