1.3. Цифровые устройства

Самые элементарные цифровые устройства называются вентилями (gates). Нет, нет! Не в честь основателя большой фирмы, специализирующейся на выпуске программного обеспечения. [Игра слов: по-английски термин «вентили» (во множ. числе) пишется и звучит точно так же, как имя Билла Гейтса (Bill Gates), основателя знаменитой компании Microsoft. -Прим. перев]. Первоначально вентили получили свое название по выполняемой ими функции, состоящей в том, чтобы пропускать или задерживать поток цифровой информации (служить по отношению к нему «воротами»). В общем случае вентиль имеет один или большее число входов и вырабатывает выходной сигнал, который зависит от значения сигнала на входе (или значений сигналов на входах) в данный момент времени. Хотя входные и выходные сигналы могут быть аналоговыми величинами, такими как напряжение, ток или даже давление жидкости, согласно модели считается, что они принимают только два дискретных значения: 0 и 1.

На рис. 1.1 приведены обозначения трех самых важных типов вентилей. Вентиль И (или логическая схема И, AND gate) с двумя входами, показанный на рис. (а), вырабатывает 1 на выходе, если на обоих его входах действуют единичные сигналы; в противном случае выходной сигнал равен 0. На рисунке один и тот же вентиль повторен четыре раза с четырьмя возможными комбинациями сигналов на его входах и с соответствующими значениями выходного сигнала. Вентиль называется комбинационной схемой (combinational circuit), так как сигнал на его выходе определяется только комбинацией входных сигналов в данный момент времени.

Рис. 1.1. Логические схемы: (а) схема И; (b) схема ИЛИ; (с) схема НЕ или инвертор.

Показанная на рис. (Ь) 2-входовая логическая схема ИЛИ (OR gate) вырабатывает 1 на выходе, если на одном или на обоих ее входах присутствует 1; выходной сигнал этой схемы равен 0 только в том случае, когда оба входных сигнала равны 0. На рисунке снова приведены четыре возможные комбинации сигналов на входах с соответствующими значениями выходного сигнала.

На выходе логической схемы НЕ (NOT gate), чаще называемой инвертором (inverter), вырабатывается сигнал, значение которого противоположно значению входного сигнала, как это показано на рис. (с).

Мы назвали эти три логические схемы самыми важными по убедительной причине. Любую логическую функцию можно реализовать, пользуясь только этими тремя типами логических схем. В главе 3 будет показано, как выглядят логические схемы на транзисторах. Нужно, однако, помнить, что логические схемы строились или могли быть построены и на другой основе, например, на реле или на электронных лампах, а также в виде гидравлической конструкции или молекулярной решетки.

Устройство, способное хранить 0 или 1, называется триггером (flip-flop). Состояние (state) триггера — это значение, которое в нем хранится в настоящее время. Сохраняемое значение можно изменить только в определенные моменты времени, задаваемые «тактовым» входным сигналом, и то, что будет храниться в дальнейшем, зависит от предшествующего состояния триггера и от значений сигналов на его «управляющих» входах. Триггер можно построить в виде комбинации вентилей, включенных некоторым хитрым способом, как будет показано в параграфе 7.2.

Цифровая схема, содержащая триггеры, называется последовательностной схемой (sequential circuit), поскольку значение сигнала на ее выходе в какой-то момент времени зависит не только от сигналов, имеющихся на входах схемы в этот момент времени, но также и от предшествовавшей последовательности значений сигналов, которые были на ее входах ранее. Другими словами, последовательностная схема обладает памятью (memory) по отношению к событиям, происходившим ранее.