Типовые логические элементы.

При строительстве дома используют различного рода типовые строительные материалы: кирпичи, блоки, рамы, двери и т.д. Аналогично поступают и при разработке цифровой технике.

Любое электронное устройство, собирают из электронных схем. Каждая схема состоит из определенного набора типовых электронных элементов. Электронным элементом называют соединение различных деталей − резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов − в виде электрической схемы, которая выполняет простейшую функцию. Современная реализация схем на электронных элементах осуществляется в виде интегральных схем.

Если электронный элемент устанавливает определенную взаимосвязь входных и выходных сигналов, то его называют логическим элементом. Логический элемент может иметь как один, так и несколько входов и выходов. Наличие сигнала на входах или выходах обозначается 1, отсутствие сигнала − 0. Любую схему можно построить на основе типовых логических элементов: инвертора, логического элемента И, логического элемента ИЛИ, триггера.

Инвертор служит для получения выходного сигнала, противоположного входному. Он реализует функцию отрицания, называемую «НЕ». Операция отрицания записывается в виде горизонтальной черты над той переменной, которая преобразуется в инверторе.

Например, В = Ā, где А − входной сигнал, В – выходной сигнал. На рис. 3а приведены условные обозначения инвертора (слева) и логика его работы (справа). Инвертор всегда имеет один вход и один выход. В основе всех цифровых микросхем КМОП находятся три логических элемента: И, ИЛИ, и коммутационный ключ (КК).

Логический элемент «И» предназначен для реализации функции, − выходной сигнал равен 1, когда все входные сигналы равны 1. Входов может быть несколько, выход - один. Если хотя бы на одном входе не будет сигнала, то есть 0, то на выходе сигнал тоже отсутствует. Условное обозначение двухходовой схемы «И» и логика ее работы представлены на рис. 3б. Для обозначения операции «И» используется точка или знак ^. Например, С = А+В или С = А^В.

а) «Инвертор»

б) «И»

в) «ИЛИ»

г) «Триггер»

Входы	Выходы
S	R	Q
		Хранение
		Комбинация недопустимая

Рис. 3. Логические элементы

Логический элемент «ИЛИ» предназначен для реализации функции, − выходной сигнал равен 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1. Входов может быть несколько, выход – один. Для условного обозначения 2-кодовой схемы «ИЛИ» и логики операции «ИЛИ» используется знак + или v. Например, С = А+В или С = AvB (рис. 3в).

Триггер служит в качестве запоминающего элемента. Его действия подобны действию выключателя на два положения: «включено» или «выключено». Триггер так же, как и выключатель, всегда находится в одном из устойчивых состояний, называемых «установка» и «сброс».

Необходимо специальное усилие – электронный импульс, чтобы перевести его из одного состояния в другое. Триггер (рис. 3г) имеет два импульсных входа – S, R и два потенциальных (статических) выхода – Q, .

Импульсом (рис. 4а) называется кратковременный электрический сигнал, потенциалом (рис. 46) – постоянный уровень электрического сигнала в течение продолжительного времени.

а) б)

Рис. 4. Одиночные импульсы

Триггер от анг. Trigger – означает защелка то - есть устройство которое может находится в двух устойчивых состояниях (1) или (0) в которых может прибывать как угодно долго и обеспечивает запоминание последнего поданного на его вход импульса. Правила работы триггера следующие:

− импульс, приходящий на вход «установка» S (SET – установка) вызывает высокий уровень напряжения на его выходе Q, что соответствует 1;

− импульс, приходящий на вход «сброс» R (reset – сброс) устанавливает низкий уровень напряжения на выходе Q, что соответствует 0.

− вход С – команда записи

− вход D – исходный сигнал.

Обозначение на схемах:

Таблица состояния D – Триггера

Вход	Выход
Синхронный	Асинхронный
C	D	R	S	Q	Q
импульс
импульс
импульс	Х			без изменения
Х	Х
Х	Х
Х	Х

На основе рассмотренных типовых логических элементов строится любой функциональный узел. Функциональным узлом называется совокупность логических элементов, выполняющих простейшие функции хранения и преобразования информации над машинными словами. Все функциональные узлы связаны между собой, выходы одного узла являются входами одного или нескольких других узлов. Совокупность функциональных узлов, объединенных определенным образом, образует функциональный блок. Типовыми узлами, которые используются в качестве базовых при разработке более крупных узлов, являются регистры, счетчики, дешифраторы.

Рис. 5

Счетчик (рис. 5) используется для подсчета числа импульсов, приходящих на его вход. Счетчик представляет собой триггерный регистр, который увеличивает хранящееся в нем число на 1 по мере прихода импульса на вход. Реализуется счетчик на триггерах и схемах «И». Счетчики бывают двоичные, десятичные, двоично – десятичные, и т.д. Для установки счетчика в исходное нулевое состояние используется вход «очистка».

Инверторы, элементы и, или можно применять не только для решения задач комбинаторной логики, но и для создания схем автогенераторов и др.