Глава 3. Электронные цифры.

Рис. 2.

Теперь настало время узнать, каким образом в компьютерных системах представляются цифры. Во всех современных вычислительных системах это делается следующим образом: Представим себе некий узел вычислительной системы. Допустим, он должен передавать на последующие узлы числа в электронном виде. Для этого такой узел имеет группу выходов (обычно их количество равно или восми). Обозначим эти выходы, как это принято в вычислительных системах D0 … D7. Эти выходы подключаются к соответствующим входам последующего узла. Для передачи числа используется вся группа выходов одновременно. Передаваемое число представляется в двоичной системе исчисления. Каждый из выходов передает один разряд двоичного числа и может находиться в одном из двух состояний: состояние логического нуля – когда напряжение на выходе отсутствует, и состояние логической единицы – когда на выходе присутствует напряжение (обычно равное напряжению питания). Причем схема сделана так, чтобы исключить появление на выходе промежуточных напряжений. Такая группа выходов называется цифровой шиной данных.

Рис. 3.

Каждый разряд шины имеет свой «вес».  Обычно D0 обозначают разряд, который имеет самый маленький «вес» - вес, равный единице. Это значит, что когда в этом разряде установлена логическая единица, а во всех остальных разрядах логический ноль, то все число равно единице. Разряд D1 имеет «вес» равный двум (10₂). Это означает, что, если значение разряда D1 равно единице, а всех остальных разрядов – нулю, то все число, передаваемое шиной, будет равно двум. Вес D2 – четыре единицы (100₂). И так далее. Вес последнего разряда  шины (D7) равен 128 (10000000₂). Для того, что бы узнать, какое число установлено на шине данных, нужно сложить веса всех разрядов, которые в данный момент установлены в 1. Когда во всех разрядах шины данных устанавливаются логические единицы, это значит, что по шине передается число 255 (1+2+4+8+16+32+64+128=255). Таким образом, по восьмиразрядной шине данных можно передавать числа от 0 до 255 (то есть 256 разных значений). Запомним это, так как восьмиразрядная шина является своего рода стандартом в вычислительной технике. Ну, к шинам мы еще вернемся. А теперь я хотел бы остановиться по подробнее на цифровых сигналах.

Для получения сигналов логической единицы и логического нуля  используются так называемые триггерные схемы, или схемы с двумя устойчивыми состояниями. Напряжения на выходе любого реального устройства не идеальны и имеют разброс в значениях. Например, сигнал для микросхем, выполненных по так называемой ТТЛ технологии (транзисторно-транзисторная логика), допускают следующие отклонения: Для логического нуля на выходе допускается присутствие напряжения до 0,4 В. Для логической единицы  напряжение на выходе должно быть не менее 2,4 В. Это при напряжении питания 5 В. По ТТЛ технологии выполнены микросхемы таких серий, как 155, 555, 533 и др. В других типах микросхем другие допуски. Однако существует правило, верное для любых типов цифровых микросхем: если напряжение на выходе цифровой микросхемы входит в заданный диапазон для данного типа микросхем, то другая микросхема, та, на которую приходит цифровой сигнал, надежно распознает ноль или единица у нее на входе. Это происходит благодаря тому, что у цифровых входов имеется так называемый порог срабатывания. Если входной сигнал выше порога, внутренний триггер устанавливается в состояние логической единицы. Если входное напряжение ниже порога, то триггер переходит в состояние логического нуля. Триггер – это как раз такое устройство, которое может находиться лишь в одном из двух состояний. Среднего не дано. Такой подход повышает надежность работы цифровых схем. Благодаря триггерному эффекту такие явления, как тепловые шумы, дрейф нуля и электромагнитные помехи гораздо меньше влияют на качество передачи цифрового сигнала. Вернее они вообще не влияют, пока не превысят некоторого порога. Правда, если помехи превысят порог, то наступает полный сбой. В этом случае цифровой сигнал, передаваемый по шине данных, будет полностью потерян.

Для обработки цифровых сигналов существует множество схем, которые позволяют хранить цифровую информацию и осуществлять ее преобразование. Например, над электронными цифрами можно производить следующие операции: сложение, вычитание, умножение, деление, инвертирование, поразрядный сдвиг и другие. В дальнейшем мы рассмотрим методы построения схем предназначенных для выполнения основных операций преобразования цифровых данных. Для построения этих схем используются так называемые логические элементы. В следующей главе мы с ними и познакомимся.