Аппаратная реализация логических схем

В каждом современном компьютере используется логическая система, основой которой

являются два логических значения:

1 — истина, 0 — ложь.

Был найден технический способ реализации логических операций посредством использования так называемых логических вентилей, которые строятся главным образом из транзисторов — переключательных устройств, способных либо проводить электрический ток (истина), либо препятствовать его прохождению (ложь). На вход каждого вентиля поступают электрические сигналы высокого и низкого уровней напряжения, которые он интерпретирует, в зависимости от своей функции, и выдает один выходной сигнал также либо высокого, либо низкого напряжения.

В вентиле НЕ транзисторы соединены таким образом, что реализуется операция инвертирования: принимая сигнал низкого уровня, вентиль вырабатывает сигнал высокого уровня и наоборот. На приведенном ниже рисунке схематически изображены выходные состояния вентиля ИЛИ при различных значениях сигналов, подающихся ему на вход.

Рис. 4.1. Состояния вентиля ИЛИ

Все остальные логические схемы компьютера, предназначенные для выполнения

различных операций (в том числе арифметических) над информацией, могут быть

построены путем соединения в различные комбинации вентилей трех типов: И,

ИЛИ, НЕ. Ниже показана схема полусумматора, который складывает два

одноразрядных двоичных числа и выдает один разряд их суммы и одноразрядный

перенос.

Рис. 4.2. Схема полусумматора

Имеются также полные сумматоры, учитывающие разряд переноса от предыдущего

сложения. Совокупность (каскад) таких сумматоров позволяет вычислять сумму

многоразрядных двоичных чисел. Остальные арифметические операции можно

выразить через сложение.

Такие схемы называют электронными. В первых электронных схемах каждый

компонент изготавливался отдельно, а затем они соединялись посредством пайки.

Совершенствование технологии изготовления транзисторов позволило уменьшить их

до микроскопических размеров, соответственно уменьшились и размеры

электронных схем. Это привело к созданию интегральных микросхем (ИС).

ИС — это кремниевая пластинка, в которой сформировано многослойное

хитросплетение сотен схем, настолько крошечных, что их невозможно различить

невооруженным глазом. Например, в микропроцессоре Pentium используются

элементы размером 0,00035 мм. Соответственно количеству компонент,

размещенных на одной микросхеме, различают большие интегральные схемы (БИС) и

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Наиболее сложные современные ИС имеют размер несколько см и содержат до

нескольких миллионов компонент. Благодаря этому вычислительные машины стали

более дешевыми, универсальными, малогабаритными, надежными и более

быстродействующими, т. к. теперь электрическим импульсам приходится

преодолевать меньшие расстояния.