И наконец, функцию Исключающее ИЛИ можно использовать для определения четного количества истинных входов. При каскадном соединении n + 1 вентилей Исключающее ИЛИ выходной сигнал будет равен 1, если входное n-битное число содержит четное число единичных битов. Добавляя к слову данных дополнительный бит, так чтобы общее число битов было четным, можно реализовать простейшую защиту от ошибок. Приемное устройство будет контролировать четность принимаемых данных, и любое несоответствие будет означать их повреждение.
Рис. 1.5. Обнаружение переполнения в знаковом бите
Глава 2
Логические схемы
Итак, мы с вами выяснили, что цифровая обработка данных заключается в пересылке, обработке и хранении двоичных значений. В этой главе мы несколько расширим представления, введенные в предыдущей главе, чтобы можно было приступить к рассмотрению собственно архитектуры компьютеров и микроконтроллеров. Мы познакомимся с несколькими важными логическими функциями, рассмотрим выпускаемые микросхемы, которые реализуют эти функции, а также их практическое применение.
Прочитав эту главу, вы:
• Познакомитесь с областями применения и характеристиками выходных каскадов с активной подтяжкой (двухтактный выход), с открытым коллектором и с тремя состояниями.
• Поймете логическую структуру и назначение дешифратора.
• Познакомитесь с интегральной микросхемой, представляющей собой набор элементов Исключающее ИЛИ-HE и использующейся для определения равенства двух значений.
• Поймете, как можно реализовать на логических элементах 1-битный сумматор и как его можно доработать для сложении двух n-битных чисел.
• Разберетесь, почему АЛУ имеет такое большое значение для программируемых систем.
• Ознакомитесь со структурой и областями применения постоянных запоминающих устройств (ПЗУ).
• Поймете, как из двух логических элементов, объединенных перекрестными связями, можно создать RS-триггер.
• Разберетесь, чем отличается D-защелка от D-триггера.
• Поймете, как из набора D-триггеров или защелок можно реализовать регистр.
• Узнаете, как с помощью каскадного соединения D-триггеров можно реализовать сдвиговый регистр.
• Поймете, как можно использовать D-триггер в качестве делителя на 2 и как посредством каскадного соединения D-триггеров можно реализовать двоичный счетчик.
• Узнаете, как с помощью связки АЛУ/регистр можно реализовать блок аккумулятора процессора.
• Разберетесь в принципах работы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
В первых интегральных микросхемах, появившихся в конце 60-х годов, реализовывались главным образом логические элементы И-НЕ, ИЛИ-HE и НЕ. Наиболее популярным семейством логических микросхем тогда были, да и сейчас в какой-то мере остаются микросхемы 74-й серии, построенные по технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Эта серия была разработана фирмой Texas Instruments и впоследствии скопирована всеми ведущими производителями микросхем.
Микросхема 74LS00[23][24] содержит четыре двухвходовых элемента И-НЕ, объединенные в 14-выводном корпусе. Для питания микросхемы используется напряжение 5 ±0.25 В, прикладываемое между выводами Vcc[25] (обычно около 5 В) и GND. Напряжения логических уровней для этой серии составляют: 2.4…5 В — для ВЫСОКОГО уровня и 0…0.4 В — для НИЗКОГО. Для большинства семейств логических микросхем требуется напряжение питания 5 В, однако существуют и 3-вольтовые версии. При этом большинство КМОП-микросхем могут работать в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В.
Цоколевка микросхемы 74LS00 в корпусе DIP показана на Рис. 2.1, а. Функция этой микросхемы полностью описывается четырьмя двухвходовыми элементами И-НЕ в положительной логике, поскольку НИЗКИЙ и ВЫСОКИЙ логические уровни эквивалентны логическим значениям 0 и 1. Если же принять, что 0 соответствует ВЫСОКОМУ уровню, а 1 — НИЗКОМУ (отрицательная логика), то микросхема будет выполнять функцию четырех двухвходовых элементов ИЛИ-НЕ. На изображениях логических элементов по стандарту ANSI/IEC[26] НИЗКИЙ уровень обозначается символом полярности 
(см. Рис. 2.1, б). Таким образом, изображение символа И-НЕ по стандарту ANSI/IEC основано на реальном функционировании схемы. В данном случае логика работы схемы совпадает с функцией И-НЕ в терминах положительной логики. Оператор & (И), изображенный в верхнем прямоугольнике, относится и к остальным трем элементам.
23
Символы «LS» означают «low-power shottky transistor» (маломощные ТТЛ ИС с диодами Шоттки). Существуют и другие разновидности этой серии, такие как ALS (усовершенствованные маломощные ТТЛ ИС с диодами Шоттки), AS (усовершенствованные ТТЛ ИС с диодами Шоттки) и НС (быстродействующие КМОП ИС). Эти микросхемы отличаются быстродействием и потреблением, однако все микросхемы с одинаковым номером выполняют одни и те же функции и имеют одинаковую цоколевку.
25
Исторически сложилось так, что положительный вывод источника питания в цифровых ИС обозначается как VCC (символ «С» взят потому, что питание подается на коллектор биполярного транзистора). Аналогичным образом ИС, построенные по технологии КМОП, используют обозначение VDD (символ «D» указывает на напряжение, подаваемое на сток). Вывод общего провода обычно обозначается как «GND», однако иногда используются обозначения VEE (для эмиттера) или VSS (для истока).