виде числа «1», а условие «ВЫКЛ» — в виде числа «0», то можно создать систему логических элементов, которая способна осуществлять вычисления. А поскольку она может считать, то она способна выполнять и арифметические действия.
Когда электронные лампы пришли на смену реле, появились первые работающие цифровые компьютеры. Затем транзисторы вытеснили радиолампы, а их в свою очередь сменили микросхемы, что привело к появлению настольных компьютеров, которые сейчас воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Но по сути, на самых низких уровнях этих невероятно сложных устройств действуют законы логики, открытые Джорджем Булем.
Кстати, если в поисковых системах вы добавляете слова И и ИЛИ для уточнения поиска, то фактически вы используете логические операторы.
Основы логических элементов
Элемент И-НЕ — самый фундаментальный «строительный блок» цифровых компьютеров, поскольку для реализации сложения достаточно одних элементов И-НЕ. Если вы желаете узнать об этом больше, поищите в онлайн-источниках такие темы, как «двоичная арифметика» и «полусумматор». Вы можете также найти схемы, которые выполняют сложение с помощью логических операторов, в моей книге Make: More Electronics.
Вообще говоря, существуют семь типов логических элементов: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ, Исключающее ИЛИ-НЕ, НЕ. Эти названия обычно пишутся заглавными буквами. Из числа первых шести элемент Искл. ИЛИ-НЕ почти не используется.
У всех перечисленных логических элементов два входа и один выход, за исключением элемента НЕ, у которого только один вход и один выход. Его чаще называют инвертором. Если у него высокий вход, то он выдает низкий выход, а если вход низкий, то выход будет высоким.
Символы, которыми изображают семь типов элементов, показаны на рис. 4.86. Обратите внимание на то, что маленькие кружки в нижней части некоторых элементов инвертируют выход. Таким образом, выход элемента И-НЕ является инверсией элемента И.
Что я понимаю под словом «инверсия»? Это станет понятным, если вы взгляните на таблицы истинности на рис. 4.87-4.89. В каждой из этих таблиц два входа показаны слева, а выход — справа; красный цвет означает высокое логическое состояние, а синий - низкое. Сравните выходы каждой пары элементов, и вы увидите, как логические комбинации меняются на противоположные.
Загадочный мир ТТЛ и КМОП
В 60-х годах прошлого века первые логические элементы были созданы на основе транзисторно-транзисторной логики, сокращенно ТТЛ; это означает, что крошечные биполярные транзисторы были вытравлены на единой кремниевой пластине. Вслед за ними появились комплементарные металл- оксидные полупроводниковые приборы, сокращенно КМОП. Микросхема 4026В, которую вы использовали в эксперименте 19, — это старая КМОП- микросхема.
Вы, должно быть, помните, что биполярные транзисторы усиливают ток. Таким образом, ТТЛ-схемам для работы требуется значительная мощность. Однако КМОП-микросхемы очень чувствительны к напряжению, что позволяет им потреблять ничтожно малый ток, пока они ожидают сигнал или пока они находятся в режиме паузы после генерации сигнала.
На рис. 4.90 приведено сравнение свойств двух типов микросхем. Серии КМОП с номерами моделей 4000 и выше обладали низким быстродействием, а также легко повреждались статическим электричеством, но их ценили за малое потребление энергии. Серии ТТЛ с номерами моделей от 7400 и далее потребляли намного больше энергии, но были менее чувствительны и работали очень быстро. Таким образом, если вы хотите собрать компьютер, то выбирайте семейство ТТЛ, но если вам нужно маленькое устройство, которое было бы способно неделями работать от небольшой батареи, то предпочтение следует отдать семейству КМОП.
