Основные элементы ЭВМ

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

Но реле громоздки и ненадежны, поэтому в электронной вычислительной технике стали использовать бистабильные схемы (триггеры). Такие схемы, состоящие из двух взаимно управляемых ламп или транзисторов, имеют два стабильных состояния: левые лампы открыты, а правые блокированы (закрыты) или, наоборот, новый импульс, поступающий на схему, "опрокидывает" ее из одного положения в другое - из 1-го во 2-е или из 2-го в 1-е. При "опрокидывании" на выходе схемы, например на одном из обоих анодов (или коллекторов транзистора), возникает отрицательный или положительный "ответный импульс", который может служить для того, чтобы опрокинуть последующую коммутационную ступень. Если через промежуточные схемы диодов передавать дальше только отрицательные импульсы, то можно целые цепи таких переключателей связать в счетные схемы.

Рассмотрим схему (рис. 103) из четырех последовательно включенных бистабильных триггеров, под ней показаны ее состояния. Она просчитывает каждые десять поступающих импульсов, занимает позицию нуля и готова для учета следующего поступающего импульса. Пусть первая (левая) ступень находится в состоянии II, а все последующие ступени - в состоянии I. Когда первый считываемый импульс попадает на вход схемы, первая ступень переходит из состояния II в состояние I, при этом на выходе схемы появляется положительный импульс переноса, который не проходит дальше. Иначе обстоит дело со вторым импульсом, который опять переводит первую ступень из состояния I в II. Таким образом, следствием является "ответный импульс", который попадает на вторую ступень и также переводит ее из состояния I в состояние II. То же повторяется на 3-й и на 4-й ступенях. При третьем поступающем импульсе из состояния II в I переходит только 1-я ступень. Четвертый импульс переводит ее обратно из состояния I в II, создает при этом новый импульс и устанавливает 2-ю ступень опять из состояния II в I. И так до 10-го импульса: этот импульс в первый раз устанавливает 4-ю ступень из состояния II в I, а возникающий при этом импульс переноса, поступающий на 2-ю и 3-ю ступени, используется для обнуления счетчика и может быть использован как счетный импульс для последующей счетной декады.

Рис. 103. Счетная схема

Нетрудно из специфичных положений четырех отдельных ступеней найти подсчитываемое число (в двоичной системе). Это без большого труда осуществляют простые схемы из диодов и резисторов, а индикация осуществляется посредством так называемых цифровых индикаторов - ламп, в которых последовательно расположены изображения всех десяти цифр (от 0 до 9).

Рис. 104. Триггер

Если счетчик находится в положении 8, то зажигается только эта маленькая люминесцентная лампочка и в окошечке появляется ясно изображение одной нифры - 8.

С триггером - основным элементом любой ЭВМ мы познакомимся подробнее.

Триггер. Прежде чем приступить к моделированию счетных каналов ЭВМ, подробно рассмотрим работу триггера и расскажем, как собрать элементарную счетную ячейку.

Как видно из рис. 104, триггер - это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью. Схема имеет два устойчивых состояния благодаря наличию отрицательной обратной связи.

Для выведения схемы из одного устойчивого состояния в другое необходимо внешнее воздействие, приводящее к открыванию закрытого транзистора. В результате этого схема переходит в другое крайнее состояние - открытый и закрытый транзисторы меняются местами. Это свойство триггера менять скачками напряжение от нуля до некоторого значения и наоборот позволяет самым экономным образом создавать электронное устройство, выполняющее арифметические операции - ЭВМ.

Скачки напряжений триггеров используются в ЭВМ для изображения цифр. Наличие напряжения; обозначается цифрой 1, отсутствие его - цифрой 0. Так как иных возможностей не может быть, то ЭВМ "знает" всего две цифры: 1 и 0.

Свое название этот своего рода бесконтактный переключатель получил от английского слова trigger, что означает "спусковой крючок". Наиболее распространен в практике транзисторный триггер с независимым смещением, с раздельными входами и с одним общим (счетным) входом.

Рис. 105. Триггер с раздельными входами

Прежде чем познакомиться с пересчетными декадами, состоящими из последовательных цепочек триггеров, рассмотрим работу триггера с раздельными входами, а затем с одним общим (счетным) входом, являющегося основным элементом ЭВМ.

Триггер с раздельными входами (рис. 105) --это два усилительных каскада с жесткой обратной связью через резисторы R2 и R5. -Это обеспечивает триггеру два устойчивых состояния - когда один из его транзисторов открыт, а другой закрыт, и наоборот. Из одного устойчивого состояния в другое триггер переключается поочередной подачей управляющих импульсов положительной полярности на его входы. Для наглядного контроля за состоянием транзисторов схемы в цепь коллекторов транзисторов последовательно с резисторами R1 и R6 включены лампочки накаливания (Л1 и Л2) напряжением 2,5 В и током 0,075 А. При открытом транзисторе Т1 зажигается лампочка Л1, при открытом транзисторе Т2-Л2.

На рис. 105 триггер находится в состоянии, когда транзистор Т1 закрыт и на его коллекторе (выход 1) напряжение (-8,5 В) почти равно напряжению источника питания - 9В (две батарейки 3336 Л). Транзистор Т2 открыт, и на его выходе 2 напряжение почти равно нулю (-0,2 В).

Стоит кратковременно нажать кнопку Кн2 на входе 2, как триггер перейдет в другое устойчивое состояние, так как при этом на базу транзистора Т2 от элемента Э1 (элемент 332) поступит положительный импульс. Триггер сохраняет свое устойчивое состояние сколь угодно долго. При подаче на базу Т2 кнопкой Кн2 положительного импульса транзистор Т2 начнет закрываться, напряжение на его коллекторе станет отрицательным. Это приведет к открытию транзистора Т1 и соответствующему уменьшению напряжения на его коллекторе. Благодаря отрицательным обратным связям через резисторы R2 и R5 процесс перехода триггера в новое устойчивое состояние происходит лавинообразно в течение нескольких микросекунд.

Напряжения на электродах транзисторов, соответствующие новому устойчивому состоянию триггера, показаны в скобках. При таком состоянии триггера транзистор Т1 поддерживается открытым током базы, протекающим по цепи "плюс" батареи Б1, эмиттерный переход, резисторы R5 и R6, "минус" батареи Б1. А ток, протекающий по цепи "плюс" элемента Э1, резисторы R4, R2, открытый транзистор Т1, "минус" элемента Э1, создает на базе транзистора Т2 положительное напряжение, удерживающее этот транзистор в закрытом состоянии.

Триггер со счетным входом. Схема триггера этого вида (рис. 106) выделена штриховой линией. Он похож на уже знакомый триггер с раздельными входами, но содержит несколько дополнительных элементов: конденсаторы С3 и С4, резисторы R2 и R8, диоды Д1 и Д2, и, кроме того, имеет всего один общий вход. Конденсаторы С3, С4 и диоды Д1, Д2 образуют цепи, через которые на базы транзисторов Т1 и Т2 подаются входные импульсы, управляющие триггером.

Из одного устойчивого состояния в другое триггер переключается импульсами напряжения положительной полярности, подаваемыми на зажим "Вход" триггера. При отрицательных импульсах, на входе изменения состояний триггера не происходит.

Подавать на вход такого триггера одиночные импульсы непосредственно кнопкой нельзя, так как в момент соприкосновения контактов кнопки в цепи возникает не один, а серия импульсов продолжительностью в несколько микросекунд. На схеме роль формирователя одиночных импульсов выполняет триггер с раздельными входами на транзисторах Т3 и Т4, управляемый кнопкой Кн1.

В коллекторные цепи транзисторов, между резисторами R1 и R7 и "минусом" батареи R1, включите индикаторные лампочки (2,5 В / 0,075 А), по свечению которых будете судить о состоянии транзисторов.

Рис. 106. Триггер со счетным входом

Кнопки Кн1 и Кн2 у триггера с раздельными входами замените одной кнопкой с контактами на размыкание и замыкание. Роль датчика управляющих сигналов формирователя одиночных импульсов (Кн1) может также выполнять двухпозиционный тумблер.

Оба триггера соедините вместе.

Как работает триггер со счетным входом? При включении питания (батарея Б1) один из его транзисторов, как и в триггере с раздельными входами, открывается, другой транзистор закрывается. Будем считать исходным состоянием триггера такое, при котором транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт (горит лампочка Л2). Напряжения на электродах транзисторов, соответствующие такому состоянию триггера, указаны на рис 106. Если состояние триггера иное, то нажмите и тут же отпустите кнопку Кн1. При этом лампочка Л2 должна загореться, а лампочка Л1 погаснуть.

Закрытое состояние транзистора Т1 и открытое состояние транзистора Т2 поддерживается за счет цепей отрицательной обратной связи - точно так же, как в триггере с раздельными входами. В это время напряжение на базе закрытого транзистора Т1 положительное, а на его коллекторе - отрицательное, поэтому диод Д1, подключенный к базе непосредственно, а к коллектору через резистор R2, закрыт, и база этого транзистора отключена от входа триггера. В то же время отрицательное напряжение на базе открытого транзистора Т2 (около -0,4 В) и небольшое отрицательное напряжение на его коллекторе (-0,2 В) открывают диод Д2, тем самым подключая вход триггера к базе транзистора Т2 (через конденсатор С4). Переключение триггера в другое устойчивое состояние осуществляется подачей на его вход положительного импульса. Для этого надо лишь кратковременно нажать кнопку Кн1.

Исходное состояние транзистора Т3 триггера - формирователя импульсов закрытое, транзистора Т4 - открытое. На вход основного триггера импульсы напряжения подаются с коллектора транзистора Т3. При нажатии кнопки Кн1 транзистор Т4 закрывается, а транзистор Т3, наоборот, открывается. При этом напряжение на коллекторе транзистора Т3 скачкообразно изменяется, становясь, менее отрицательным. Это быстро увеличивающееся напряжение (начало импульса) поступает на счетный вход триггера. При отпускании кнопки Кн1 транзистор ТЗ вновь закрывается, а транзистор Т4 открывается. Таким образом, при каждом нажатии кнопки Кн1 с коллектора транзистора ТЗ на вход триггера со счетным входом подается одиночный импульс положительной полярности.

Проследите за работой триггера, подавая на его вход несколько импульсов. Первый входной импульс через конденсатор С4 и открытый диод Д2 попадает на базу транзистора Т2 и закрывает его. В результате переходных электрических процессов, как в триггере с раздельными входами, триггер переключается в другое устойчивое состояние, при котором транзистор 77 будет открыт, а транзистор Т2 закрыт. В результате диод Д2 окажется закрытым, а Д1 - открытым. Возникающий на коллекторе транзистора Т3 отрицательный перепад напряжения (при отсутствии кнопки) не изменит состояния триггера. Второй входной импульс через конденсатор С3 и диод Д1 поступит на базу транзистора Т1 и закроет его. В результате триггер переключится в первоначальное состояние, при котором транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. Теперь диод Д1 закроется, а диод Д2 откроется. Такие же явления наблюдаются при следующих импульсах, подаваемых на вход триггера.

Таким образом, триггер из одного устойчивого состояния в другое переключается электрическими импульсами положительной полярности; сигналы положительной или отрицательной полярности, снимаемые с зажимов "Выход 1" или "Выход 2", могут быть использованы для управления другими электронными устройствами. Положительный импульс на выходе 1 появляется при поступлении на вход триггера каждого нечетного импульса, а на выходе 2 - при поступлении каждого четного импульса; триггер, следовательно, делит частоту поступающих на его вход импульсов на два.

Рис. 107. Счетчик импульсов

Триггерные счетчики. 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 счетчики широко применяются в электронной измерительной аппаратуре с цифровой индикацией результатов измерений. Такие счетчики можно использовать и при конструировании робота, например для подсчета проходящих мимо него деталей или людей. Познакомимся с несколькими схемами счетчиков.

Счетчик импульсов (рис. 107) состоит из пересчетного устройства, дешифратора и цифрового индикатора. Максимальная скорость счета 250 кГц. Полярность всех импульсов: запускающих, выходных и импульсов сброса - положительная. Амплитуда запускающих импульсов 6 В при длительности фронта не более 0,1 мкс, выходных 10 В, а импульсов сброса 6-10 В.

Пересчетная декада представляет собой четыре последовательно соединенных триггера. Запускающий импульс поступает только в цепь базы открытого транзистора, так как диод в цепи базы закрытого транзистора закрыт большим отрицательным напряжением коллектора.

Резисторы, через которые подается напряжение на пусковые диоды, вместе с конденсаторами емкостью 510 пФ образуют дифференцирующие цепи. Продифференцированные входные импульсы проходят через открытый диод и перебрасывают триггер. Резисторы дифференцирующих цепей и диоды образуют нелинейные связи, ограничивающие токи, протекающие через транзисторы.

Триггеры декады запускаются положительными импульсами. Последующий триггер перебрасывается, как только предыдущий перейдет из состояния 1 в 0. За состояние 1 принимается такое, при котором транзистор, с которого снимается выходной импульс, закрыт, т. е. на его коллекторе высокий отрицательный потенциал. На всех схемах триггеров это левый транзистор.

При поступлении восьмого входного импульса перебрасывается первый триггер, и с него подается сигнал на второй и третий триггеры. Под воздействием этого сигнала оба триггера устанавливаются в состояние 1. Девятый входной импульс устанавливает в состояние 1 первый триггер. Следовательно, после прихода девятого импульса все триггеры находятся в состоянии 1. Девятый импульс возвращает в состояние 0 первый триггер. Второй триггер при этом не запускается, так как он зафиксирован в состоянии 1 сигналом потенциальной обратной связи. Но зато третий триггер также возвращается в состояние 0 под действием импульса, поступающего на его вход с выхода первого триггера. Выходной импульс третьего триггера переводит в состояние 0 четвертый. Положительный перепад напряжения на коллекторе выходного транзистора четвертого триггера, воздействуя на второй через цепь обратной связи, опрокидывает его в состояние 0.

После поступления на вход декады 10 импульсов все триггеры снова устанавливаются в состояние 0, а на выходе пересчетной декады появляется импульс.

Таблица 5

Таблица 6

В табл. 5 показаны состояния триггеров при прохождении импульсов, а в табл. 6 - режимы транзисторов при сбросе и при скорости счета 10 кГц.

Дешифратор выполнен по видоизмененной схеме аналогичного блока пересчетной декады М3-13. Он представляет собой диодную матрицу, имеющую восемь входных и десять выходных шин, которые соединены между собой 30 диодами Д7Ж (Д220Б) в соответствии с кодом декады (см. табл. 5).

Выходы триггеров через работающие в режиме ключей транзисторы МП26А соединены с выходными шинами, а выходные шины, в свою очередь, соединяются цифровыми электродами индиаторной лампы ИН-1.

Восемь перепадов напряжения, поступающих на вход дешифратора, преобразуются в десять выходных сигналов. Один из них (60 В) отличается от девяти остальных (-2 В). Для зажигания цифр - электродов лампы ИН-1 необходимы два источника питания: + 100В и -60 В. Когда к промежутку "цифровой электрод - анод" приложено суммарное напряжение, зажигается соответствующая цифра. При отключении напряжения -60 В цифра гаснет.

Роль переключателей напряжений выполняют ключи-транзисторы. Чтобы светилась только одна нужная цифра, необходимо соединить ее шину с коллекторами закрытых ключей-транзисторов, а для гашения ненужных цифр их шины соединяются с открытыми ключами. Для правильного включения диодов составляются отдельные схемы дешифраторов для четных и нечетных цифр (с помощью табл. 5). Например, при свечении цифры "2" нужно погасить "0", "4", "6", "8". Эту задачу выполняют диоды: Д15 гасит "О", Д26 - "4", Д38 - "6", Д40 - "8". При свечении цифры "9" Д14 гасит "1", Д22 - "3", Д35 - "5", Д24 - "7".

Рис. 108. Табло

В качестве индикаторов пересчетных декад применяют самые различные цифровые индикаторы: газоразрядные цифровые лампы (типа ИН-1, ИН-2), обычные газоразрядные лампы, проекционные, люминесцентные индикаторы, электронно-лучевые трубки.

После подключения источников питания и проверки режимов на вход декады подают прямоугольные импульсы частотой 10 кГц. При подаче на вход декады импульсов с частотой следования 0,5-1Гц должны последовательно высвечиваться цифры от 1 до 0. Если цифры не светятся или светятся одновременно несколько цифр, следует проверить параметры деталей в соответствии с указанными на схеме. Исправность транзисторов МП26А можно проверить следующим образом. Подавая на вход декады импульсы частотой 1 Гц, проверяют с помощью вольтметра перепады коллекторного напряжения транзисторов.

Можно обойтись без источника импульсов. Касаясь пинцетом баз транзисторов, поочередно опрокидывают триггеры. При этом на базах, а следовательно, и на коллекторах исправных ключей должны возникать перепады напряжений в соответствии с табл. 6 (в транзисторах МП16Б не менее 45 В). В случае неправильного деления частоты следует подобрать сопротивление резистора R25 (несколько уменьшить).

Дешифраторы. Дешифратором называется автомат, который, получив на входы число в какой-либо системе счисления, на своих выходах демонстрирует его в другой системе счисления.

Рис. 109. Соединение диодов

Введение в состав вычислительного устройства дешифраторов позволяет работать с такими устройствами на привычном нам языке десятичной системы счисления. Вводимые числа попадают в десятично-двоичный дешифратор, в котором они шифруются двоичными эквивалентами. Все действия выполняются над двоичными числами. Результат вводится в двоично-десятичный дешифратор, который вновь шифрует числа, переводит их с языка двоичной системы на язык десятичной.

При конструировании решающих устройств и выходных каскадов ЭВМ для наглядности можно установить световое табло, в котором с помощью диодной матрицы - устройства, сходного по своей структуре с дешифратором, результаты счета можно демонстрировать крупным планом. В световом табло цифры образуются загоранием различных комбинаций лампочек или тиратронов (например, МТХ-90). Подобные табло сейчас широко используются на стадионах для демонстрации спортивных результатов.

В конструкции можно применить световое табло из 20 лампочек накаливания. Как сделать табло и соединить диоды в матрице, понятно из рис. 108 и 109. В зависимости от мощности ламп накаливания следует выбирать по мощности и диоды от Д2Е до Д220 или даже Д7Ж или Д226. В качестве включающих устройств вместо показанных на рис. 109 кнопок можно использовать контакты электромагнитных реле.