Если раскрутить самый сложный клубок, то рано или поздно придёшь к каким-то простым вещам. Вот и в основе всей цифровой техники лежат всего три логических операции и три логических элемента:
- И (логическое умножение)
- ИЛИ (логическое сложение)
- НЕ (логическое отрицание)
Остальные элементы можно составить из этих трёх. Реализовать эти операции можно хоть на реле. Можно и на транзисторах или диодах (пример логического И на диодах см. здесь). Но чаще эти элементы реализованы в виде логических микросхем (одна микросхема обычно содержит несколько одинаковых элементов). Ну а внутри микроконтроллеров таких элементов тысячи и десятки тысяч.
По советским ГОСТам эти “три кита” цифровой электроники на схемах изображаются так:
Западные стандарты немного отличаются. И, честно говоря, мне они не нравятся. Не знаю почему. Может просто советские ГОСТы у меня в крови (с детства ещё помню эти обозначения в журналах “Радио” и книгах по электронике). Поэтому я всегда на схемах изображаю эти элементы именно так.
По нашему ГОСТу цифровой (логический) элемент изображается в виде прямоугольника. Входы изображаются слева (их может быть один или несколько), выходы изображаются справа. Кружком (как на рисунке у элемента НЕ) изображается инверсия. То есть в простейшем случае с элементом НЕ входной сигнал просто инвертируется, то есть “переворачивается”. Если на входе логическая единица, но на выходе будет ноль. Если на входе ноль, то на выходе будет единица.
Все логические элементы работают с цифровыми сигналами. Это означает, что сигнал на входе логического элемента должен принимать либо значение логического нуля, либо логической единицы. Как говорится, третьего не дано. На выходе каждый элемент также обеспечивает только один из двух возможных вариантов сигнала, в зависимости от того, какой это элемент и какие сигналы на входе. Вообще ещё может быть и третье состояние, но об этом в другой раз.
Что считать логическим нулём, а что единицей? Это зависит от конкретной микросхемы (или другого устройства), где реализован логический элемент. Так что надо смотреть документацию на конкретную микросхему. Ну или хотя бы на серию микросхем или на стандарты технологии, по которой выполнена микросхема.
Например, для микросхем, выполненных по технологии ТТЛ, логическим нулём считается напряжение в диапазоне 0…0,4 В. Логической единицей считается напряжение 2,4…5 В. При таких уровнях вы гарантированно получите нужный сигнал (ноль или единицу). Если же напряжение на входе будет “в серой зоне”, то есть в диапазоне 0,4…2,4 В, то никаких гарантий правильной работы логики и правильного результата на выходе уже не будет. Потому что логика может переключиться в любой момент от незначительной помехи, и гарантировать правильную её работу невозможно.
Для каждого логического элемента существуют так называемые “таблицы истинности”, которые показывают состояние выхода элемента в зависимости от состояния его входов. Об элементе И я уже рассказывал здесь. А в следующих статьях расскажу о других логических элементах. Так что подписывайтесь на канал, чтобы ничего не пропустить…