Архитектура компьютера

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 О В).

Важно отметить, что если напряжение Vin низкое, то Vout высокое, и наоборот Эта схема, таким образом, является инвертором, превращающим логический 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 соответствующим транзистор выключается и напряжение на выходе становится высоким. Другим: словами, напряжение Vout является низким тогда и только тогда, когда и напряжениеV1 и напряжение V2 высокое.

На рис. 3.1, в два транзистора соединены параллельно. Если один из входных сигналов высокий, включается соответствующий транзистор и снижает выхс я ной 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.

Если выходной сигнал на рис. 3.2, б подать в инвертор, мы получим другую схему, противоположную вентилю НЕ-И, то есть такую, у которой выходной сигнал равен 1 тогда и только тогда, когда оба входных сигнала равны 1. Такая схема называется вентилем И; ее изображение и описание соответствующей функции даны на рис. 3.2, г. Точно так же вентиль НЕ-ИЛИ может быть связан с инвертором. Тогда получится схема, у которой выходной сигнал равен 1 в том случае, если хотя бы один из входных сигналов единичный, и равен 0, если оба входных сигнала нулевые. Изображение этой схемы, которая называется вентилем ИЛИ, а также описание соответствующей функции даны на рис. 3.2, д. Маленькие кружочки в схемах инвертора, вентиля НЕ-И и вентиля НЕ-ИЛИ называются инвертирующими выходами. Они также могут использоваться в другом контексте для указания на инвертированный сигнал.

Пять вентилей, изображенные на рис. 3.2, составляют основу цифрового логического уровня. Из предшествующего обсуждения должно быть ясно, что вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ требуют два транзистора каждый, а вентили И и ИЛИ — три транзистора каждый. По этой причине во многих компьютерах используются вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ, а не И и ИЛИ. (На практике все вентили строятся несколько иначе, но вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ в любом случае проще, чем И и ПЛИ.) Следует упомянуть, что вентили могут иметь более двух входов. В принципе вентиль НЕ-И, например, может иметь произвольное количество входов, но на практике больше восьми обычно не бывает.

Хотя устройство вентилей относится к уровню физических устройств, мы все же упомянем основные линейки производственных технологий, так как они частоупоминаются в литературе. Две основные технологии — биполярная и МОП (металл, оксид, полупроводник). Среди биполярных технологий можно назвать ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), которая служила основой цифровой электроники на протяжении многих лет, и ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), которая используется в тех случаях, когда требуется высокая скорость выполнения операций. В отношении вычислительных схем более распространена технология МОП.

МОП-вентили работают медленнее, чем ТТЛ и ЭСЛ, но потребляют гораздо меньше энергии и занимают гораздо меньше места, поэтому можно компактно расположить большое количество таких вентилей. Вентили МОП имеют несколько разновидностей: p-канальный МОП, n-канальный МОП и комплиментарный МОП. Хотя МОП-транзисторы конструируются не так, как биполярные транзисторы, они тоже могут функционировать как электронные переключатели. Современные процессоры и память чаще всего производятся с использованием технологии комплиментарных МОП, которая работает при напряжении +3,3 В. Это все, что мы можем сказать об уровне физических устройств.