Цифровой логический уровень

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, позволяют получать различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся все цифровые компьютеры.

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 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 Vin ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vout, близкому к Vcc (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vin превышает критическое значение, транзистор включается и действует как проводник, вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению — это 0 В).

Важно отметить, что если напряжение Vin низкое, то Vout 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 из одного состояния в другое обычно требуется несколько наносекунд.

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 А и В — входные сигналы, X — выходной сигнал. Каждая строка таблицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.

Булева алгебра

Чтобы описать схемы, получаемые сочетанием различных вентилей, нужен особый тип алгебры, в которой все переменные и функции могут принимать только два значения: 0 и 1. Такая алгебра называется булевой. Она названа в честь английского математика Джорджа Буля (1815-1864). На самом деле в данном случае мы говорим об особом типе булевой алгебры, а именно — об алгебре релейных схем, но термин «булева алгебра» очень часто используется в значении «алгебра релейных схем», поэтому мы не будем их различать.

Как и в обычной алгебре (то есть в той, которую изучают в школе), в булевой алгебре есть свои функции. Булева функция на входе получает одну или несколько переменных и выдает результат, который зависит только от значений этих переменных. Можно определить простую функцию F, сказав, что F(A) = 1, если А = 0, и F(А) = 0, если А = 1. Такая функция будет функцией НЕ (см. рис. 3.2, а).

Так как булева функция от n переменных имеет только 2n возможных комбинаций значений переменных, то такую функцию можно полностью описать в таблице с 2n строками. В каждой строке будет даваться значение функции для разных комбинаций значений переменных. Такая таблица называется таблицей истинности. Все таблицы на рис. 3.2 представляют собой таблицы истинности.

Если мы договоримся всегда располагать строки таблицы истинности по порядку номеров, то есть для двух переменных в порядке 00, 01, 10, 11, то функцию можно полностью описать 2n-разрядным двоичным числом, которое получается, если считывать по вертикали колонку результатов в таблице истинности. Таким образом, НЕ-И - это 1110, НЕ-ИЛИ - 1000, И - 0001 и ИЛИ - 0111. Очевидно, что существуют только 16 булевых функций от двух переменных, которым соответствуют 16 возможных 4-разрядных цепочек. В обычной алгебре, напротив, есть бесконечное число функций от двух переменных, и ни одну из них нельзя описать, дав таблицу значений этой функции для всех возможных значений входных переменных, поскольку каждая переменная может принимать бесконечное число значений.

На рис. 3.3, а показана таблица истинности для булевой функции от трех переменных: М = F(A, B, С). Это функция большинства, которая принимает значение 0, если большинство переменных равны 0, или 1, если большинство переменных равны 1. Хотя любая булева функция может быть определена с помощью таблицы истинности, с возрастанием количества переменных такой тип записи становится громоздким. Поэтому вместо таблиц истинности часто используется другой вариант записи.

Чтобы увидеть этот другой тип записи, отметим, что любую булеву функцию можно определить, указав, какие комбинации значений входных переменных приводят к единичному значению функции. Для функции, приведенной на рис. 3.3, а, существует 4 комбинации переменных, которые дают единичное значение функции. Мы будем рисовать черту над переменной, показывая, что ее значение инвертируется. Отсутствие черты означает, что значение переменной не инвертируется.

Кроме того, мы будем использовать знак умножения (точку) для обозначения булевой функции И (этот знак может опускаться) и знак сложения (+) для обозначения булевой функции ИЛИ. Например, AВС принимает значение 1, только если A = 1,B = 0 и С=1. Кроме того, АВ + ВС принимает значение 1, только если (А = 1 и В = 0) или (В = 1 и С = 0). В таблице на рис. 3.3, а функция принимает значение 1 в четырех строках: , , и ABC, Функция М принимает значение истины (то есть 1), если одно из этих четырех условий истинно. Следовательно, мы можем написать

М = + + + ABC.

Разработчики схем часто стараются сократить число вентилей, чтобы снизить цену, уменьшить занимаемое схемой место, сократить потребление энергии и т. д. Чтобы упростить схему, разработчик должен найти другую схему, которая может вычислять ту же функцию, но при этом требует меньшего количества вентилей (или может работать с более простыми вентилями, например, двухвходовыми вместо четырехвходовых). Булева алгебра является ценным инструментом в поиске эквивалентных схем.