Основные элементы ЭВМ

Основные элементы ЭВМ

Логические операции счета в двоичной системе могут выполнять электромагнитные реле. Первые вычислительные машины состояли из большого числа электромагнитных реле, которые своими контактами или размыкали электрическую цепь, что соответствовало 0 (нулю), или замыкали, что соответствовало 1 (единице).

Но реле громоздки и ненадёжны, поэтому вычислительная техника перешла к использованию электронных ячеек с двумя устойчивыми состояниями – триггеров. Простейший триггер собирают из двух взаимно управляемых ламп или транзисторов. Если открыта одна лампа (или транзистор) триггера, то вторая закрыта. Каждый очередной управляющий импульс, поступающий на вход триггера, переключает его в другое состояние. При переключении на выходе триггера возникает ответный импульс, который может служить для переключения другого триггера. Из триггеров и переходных диодов можно составлять пересчетные устройства.

Рассмотрим цепь из четырёх последовательно включённых триггеров (см. схему на рис. 69). На рис. 69 показаны состояния транзисторов этой цепи (красный кружок – открыт, тёмный – закрыт). Устройство отсчитывает каждые десять входных импульсов и на каждый десятый выдаёт выходной импульс. Этот импульс может быть использован как счётный импульс для последующей счётной декады.

Puc. 69. Схема пересчетной ячейки

Рис. 70. Триггер

Прежде чем приступить к моделированию счётных каналов ЭВМ, подробно рассмотрим работу триггера и попытаемся собрать элементарную счётную ячейку. Как видно из рис. 70, триггер состоит из двух усилительных ступеней с непосредственной взаимной связью. Благодаря наличию отрицательной обратной связи он имеет два устойчивых состояния.

Для переключения триггера из одного состояния в другое необходимо внешнее воздействие, приводящее к открыванию закрытого транзистора. Это свойство триггера менять скачком напряжение на выходе от нуля до некоторого значения и наоборот позволяет наиболее просто создавать электронное устройство, выполняющее арифметические операции.

Скачки напряжения триггеров используют в ЭВМ для отображения чисел. Наличие напряжения обозначают цифрой 1, отсутствие – 0. Своё название этот своего рода бесконтактный переключатель получил от английского слова trigger, что означает «спусковой крючок». Наиболее распространён в практике транзисторный триггер с независимым смещением, с раздельными выходами и одним общим (счётным) входом.

Прежде чем познакомиться с пересчетными декадами, состоящими из последовательных цепей триггеров, рассмотрим работу триггеров различных типов.

Триггер с раздельными входами (рис. 71) – это две усилительные ступени с жёсткой обратной связью через резисторы R2 и R5. Она обеспечивает триггеру два устойчивых состояния: когда один из его транзисторов открыт, а другой закрыт, и наоборот. Из одного устойчивого состояния в другое триггер переключается поочерёдной подачей управляющих импульсов положительной полярности на его входы. Для наглядного контроля за состоянием транзисторов в цепь коллекторов транзисторов включены лампы накаливания (HL1 и HL2) на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А.

Рис. 71. Триггер с раздельными входами

Стоит кратковременно нажать на кнопку SB2, как триггер перейдёт в другое устойчивое состояние, так как при этом на базу транзистора VT2 от элемента G1 (элемент 332) поступит положительный импульс. Триггер сохраняет своё устойчивое состояние сколь угодно долго. Благодаря отрицательным обратным связям через резисторы R2 и R5 процесс перехода триггера в новое устойчивое состояние происходит лавинообразно в течение нескольких микросекунд. Напряжение на электродах транзисторов, соответствующее другому устойчивому состоянию триггера, показано в скобках. Рассмотрим работу триггера.

Триггер со счётным входом. Схема этого триггера (рис. 72) выделена красной линией. Он похож на уже знакомый триггер с раздельными входами, но содержит несколько дополнительных элементов: конденсаторы СЗ и С4, резисторы R2 и R8, диоды VD1 и VD2 и, кроме того, имеет один общий вход. Конденсаторы СЗ, С4 и диоды VD1, VD2 образуют цепи, через которые на базу транзисторов VT1 и VT2 подводят входные управляющие импульсы.

Из одного устойчивого состояния в другое триггер переключается положительными импульсами напряжения, подаваемыми на вход. При отрицательных входных импульсах изменения состояния триггера не происходит.

Подавать на вход триггера одиночные импульсы кнопкой нельзя, так как в момент соприкосновения контактов кнопки во входной цепи возникает не один, а серия импульсов продолжительностью в несколько микросекунд (это явление называют «дребезгом контактов»). Здесь роль формирователя одиночных импульсов играет вспомогательный триггер с раздельными входами на транзисторах VT3 и VT4, управляемый кнопкой SB1.

В коллекторную цепь транзисторов VT1 и VT2 целесообразно включить индикаторные лампы HL1 и HL2, по свечению которых удобно судить о состоянии транзисторов.

Как работает триггер со счётным входом? При включении питания (батарея GB1) один из его транзисторов, как и в триггере с раздельными входами, открывается, другой – закрывается. Будем считать исходным состоянием триггера такое, при котором транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт (должна гореть лампа HL2). Если состояние триггера иное, то нажмите на короткое время на кнопку SB1.

Рис. 72 Триггер со счётным входом

При этом лампа HL2 должна загореться, a HL2 – погаснуть. Устойчивое состояние, когда транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, поддерживается цепями отрицательной обратной связи точно так же, как в триггере с раздельными входами. Напряжение на базе закрытого транзистора VT1 положительно, а на его коллекторе – отрицательно, поэтому диод VD1 закрыт и база этого транзистора отключена от входа триггера (путь сигналу через конденсатор СЗ блокирован).

Рис. 73 Структура обучающегося робота – манипулятора

В то же время наличие отрицательного напряжения на базе открытого транзистора VT2 (около – 0,4 В) и на его коллекторе (-0,2 В) приводит к открыванию диода VD2, тем самым вход триггера к базе транзистора VT2 подключается через конденсатор С4. Переключают триггер в другое состояние подачей на его вход положительного импульса. Для этого надо лишь кратковременно нажать на кнопку SB1. При каждом нажатии на кнопку SB1 на вход триггера со счётным входом поступает одиночный импульс положительной полярности.

Таким образом, триггер переключается положительными импульсами. Положительный и отрицательный перепады напряжения, снимаемые с Выхода 1 и Выхода 2, могут быть использованы для управления другими электронными устройствами. Положительный импульс на Выходе 1 появляется при поступлении на вход триггера каждого нечётного импульса, а на Выходе 2 – чётного импульса; триггер, следовательно, делит частоту поступающих на его вход импульсов на два. То есть коэффициент счета триггера К = 2. Мы уже говорили о том, что основным элементом ЭВМ, участвующим во всех вычислительных операциях, является триггер. На основе триггеров можно создать множество занимательных конструкций, например действующие модели светофоров, увлекательные кибернетические игры. В промышленности триггерные счётчики широко применяют в электронной измерительной аппаратуре с цифровой индикацией результатов измерений. Такие счётчики можно использовать и в роботе, например, для подсчёта проходящих мимо него деталей или людей.

Объединение механической системы робота – манипулятора с ЭВМ (рис. 73) позволяет создавать обучаемых роботов.