Логические элементы

Основные логические элементы: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, а также триггер.

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у них бывают от двух до восьми входов и один или два выхода.

Входные и выходные сигналы, соответствующие двум логическим состояниям в логических элементах – 1 и 0 – имеют один из двух установленных уровней напряжения. Например, +3 В и 0 В.

Высокий уровень обычно соответствует значению «истина» («1»), а низкий – значению «ложь» («0»).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию.

Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Схема И. Эта схема реализует конъюнкцию (умножение) двух или более логических значений.

Условное обозначение на структурных схемах схемы И с двумя входами представлено на рисунке 4.1.

Таблица истинности

Рисунок 4.1 – Условное обозначение и таблица истинности схемы И

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.

Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается отношением: z = x∙y (читается как x и y). Операция конъюнкции на структурных схемах обозначается знаком & (читается как амперсэнд), являющимся сокращенной записью английского слова and.

Схема ИЛИ. Эта схема реализует дизъюнкцию (сложение) двух или более логических значений. Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на ее выходе также будет единица.

Условное обозначение на структурных схемах схемы ИЛИ с двумя входами представлено на рисунке 4.2. Знак 1 на схеме соответствует обозначению, т. е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1.

Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением: z = х ν у (читается как х или у)

Таблица истинности

Рисунок 4.2 – Условное обозначение и таблица истинности схемы ИЛИ

Схема НЕ. Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом х этой схемы и выходом z можно записать соотношением z = , где читается как «не х» или «инверсия х».

Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, на выходе 0. Условное обозначение инвертора представлено на рисунке 4.3.

Таблица истинности

X

Рисунок 4.3 – Условное обозначение и таблица истинности схемы НЕ

Схема И-НЕ. Схема состоит из элемента И и инвертора, и осуществляет отрицание результата схемы И. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывается следующим образом: , где читаются как “инверсия x или y”. Условное обозначения на структурных схемах схемы И-НЕ с двумя входами представлено на рисунке 4.4.

Таблица истинности

X	y

Рисунок 4.4 – Условное обозначение и таблица истинности схемы И-НЕ

Схема ИЛИ-НЕ. Схема состоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание схемы ИЛИ. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывается следующим образом: , где читается как “инверсия x или y”. Условное обозначение на структурных схемах схемы ИЛИ-НЕ с двумя входами представлено на рисунке 4.5.

Таблица истинности

x	y

Рисунок 4.5 – Условное обозначение и таблица истинности схемы ИЛИ-НЕ

Триггер — (от англ. trigger — защелка, спусковой крючок) электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями равновесия, чередующимися под воздействием внешних сигналов, предназначенных для записи и хранения одного бита данных.

Для обозначения схемы триггера в английском языке чаще употребляется термин flip-flop, что в переводе означает «хлопанье».

В отличие от рассмотренных выше логических схем, триггеры — это логические устройства c памятью. Выходные сигналы триггеров в общем случае зависят не только от их входных сигналов, действующих в настоящий момент, но и от сигналов, действовавших на входы до этого

Самый распространенный тип триггера- RS-триггер. Принципиальная схема RS-триггера содержит защелку (два элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ), а также два раздельных статических входа управления.

Q - прямой выход триггера;

-инверсный выход триггера;

S - раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q);

R - раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q);

S Q

__

R

Таблица истинности триггера с прямым входом.

Входы	Выходы
R	S	Q
		Без изменений
		Не определено

Рисунок 4.6 – Условное обозначение и таблица истинности триггера

Как видно из рисунка 4.6, комбинация R = 1 и S = 1 является запрещенной. После нее состояние выходов триггера становится неопределенным. На выходе Q может установиться как состояние логического ноля, так и состояние логической единицы.

Иногда режим работы триггера, при котором R = 1, а S = 0, называется режимом очистки, при R = 0, S = 1 – режимом записи, а при R = 0, S = 0 – режимом хранения, так как информация на выходе триггера в этом случае не изменяется.

Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно восемь триггеров, для запоминания килобайта соответственно 8 × 210 = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.