Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Это далеко не так просто, как ты обещал, но все же здесь можно разобраться. Только я не вижу, зачем нужен выход, обозначенный буквой R, который ты сделал после элемента 2.

Л. — Призови на помощь свою память. Незнайкин: она должна подсказать тебе, что при сложении двоичных цифр запоминать единицу для переноса в следующий разряд приходится лишь в том случае, если обе слагаемые цифры равны единице; иначе говоря, выход R служит для запоминания переноса и сигнал на нем появляется в случае наличия напряжения одновременно в точках А и В.

Н. — А не можешь ли ты теперь рассказать мне о больших цифровых электронных вычислительных машинах?

Л. — Прежде чем приступить к этому вопросу, я должен в нескольких словах рассказать о методах, используемых для представления чисел в электрической форме. Двоичное число состоит из нескольких нулей или единиц. Предположим, что число состоит из n знаков. Выразить и передать это число в электрической форме можно двумя способами.

Сначала следует сказать о параллельной передаче числа; в этом случае для n знаков используется n проводов, в которые для передачи единицы подается напряжение, а для передачи нуля напряжение не подается, т. е. все знаки поступают одновременно, и для этого проводов требуется по числу знаков.

Второй метод представления носит название метода последовательной передачи числа. Он заключается в передаче по единственному проводу в установленном заранее темпе импульсов или отсутствие этих импульсов, что соответственно и обозначает единицу или нуль. При передаче этим способом числа читаются справа налево.

Н. — Последний способ представляется мне опасным. Если в начале передаваемого числа окажется несколько нулей подряд, то будет совершенно невозможно определить, когда же начинается передача. Так, например, при таком преобразовании семизначного числа, состоящего из единицы с шестью нулями после нее, в твоем последовательном числе окажется всего лишь один импульс. Тогда будет очень трудно разобраться, приняли мы наше семизначное число или же число, состоящее всего лишь из одной единицы или одной двойки.

Л. — Для устранения такой неуверенности используют средство, хорошо известное всем спортсменам. Что делают, чтобы заставить всех бегунов на 100 м одновременно начать бег?

Н. — Поручают стартеру дать выстрел из пистолета.

Л. — И здесь поступают точно так же. По линии, по которой предстоит передавать цифры, посылают так называемый тактовый импульс, который обозначает начало передачи, и после него легко определить места, где должны находиться единицы, двойки, четверки и т. д. Во избежание риска спутать этот знак старта с цифровым импульсом этому условному сигналу придают другую длину, что позволяет его легко выделить.

Н. — Я считаю этот метод значительно разумнее метода параллельной передачи. Для передачи всех знаков любого числа достаточно одного провода. Однако одно в этом методе кажется мне очень странным; почему передачу начинают с единиц, переходя затем к двойкам, четверкам и т. д., ведь обычно цифры числа читают слева направо.

Л. — Это всего лишь привычка, но ты же прекрасно знаешь, что выполнение ряда арифметических операций, таких как сложение и умножение, всегда начинают с единиц. Для удобства работы электронных вычислительных машин с этими последовательными числами лучше подавать эти числа единицами вперед. Что же касается самой приятной стороны последовательного способа представления числа — возможности обходиться одним проводом, то нельзя забывать, что за это положительное качество приходится мириться с двумя недостатками: во-первых, передача занимает больше времени; во-вторых, манипулировать полученным числом не так легко. А теперь рассмотрим, как устроено главное, как бы ключевое устройство электронных вычислительных машин, которое называют сдвигающим регистром. Это своеобразная запоминающая скамья, по которой можно перемещать число на одну метку — разряд (за один прием).

Н. — Как ты намереваешься сделать это запоминающее устройство? К тому же мне думается сдвигать записанное число исключительно трудно.

Л. — На рис. 130 я нарисовал схему трех каскадного сдвигающего регистра.

Рис. 130. Структурная схема сдвигающего регистра; схема способна запомнить двоичное число, которое подается на входы Е. Импульс, подаваемый на вход Z, «продвигает» записанное число влево.

Как ты видишь, она представляет собой повторное использование определенного базового элемента. Этот базовый элемент содержит триггер, на один из его входов сигнал подается прямо, а на другой — через элемент ИЛИ. Выходное напряжение триггера преобразуется в импульсы и подается на элемент задержки, обозначенный на рисунке буквой D. Роль элемента задержки может выполнять схема с одним устойчивым состоянием, устройство которой я тебе уже объяснял.

Н. — Это представляется мне вполне понятным, но с некоторых пор я стал подозрительно относиться к твоим структурным схемам, которые за внешней простотой скрывают ужасающие трудности.

Л. — Не бойся, на этот раз ничего страшного нет. Ты, вероятно, заметил, что триггеры, кроме обычных входов, имеют небольшой боковой вход, который я обозначил буквой Z. Этот вход служит для сброса на нуль. Такой результат можно получить, например, подачей отрицательного импульса на базу транзистора Т2 в приведенной на рис. 82 схеме триггера.

Предположим, что мы именем параллельное представление числа. Подадим его по всем необходимым для него проводам на входе Е1, Е2, Е3 и т. д. сдвигающего регистра, все триггеры которого установлены на нуль. Соединим провода, по которым передается число в параллельном представлении, с соответствующими входами: провод единиц с входом Е1, провод двоек с входом Е2 и провод четверок с входом Е3. Что произойдет теперь, если «параллельное» число подать в виде импульсов или отсутствия импульсов на различные входы нашего сдвигающего регистра?

Н. — Все это для меня настолько туманно, что я могу сказать тебе лишь, что триггеры, получившие импульс, переключатся с 0 на 1, а больше мне сказать нечего.

Л. — Да большего, Незнайкин, я и не спрашиваю. Как ты видишь, триггеры, соответствующие разрядам числа, где стоит единица, опрокидываются. Выходные напряжения этих триггеров служат своего рода памятью, в которой параллельным кодом записано наше число.

Н. — Для запоминания одного числа это, на мои взгляд, слишком сложно. Твое «параллельное» число поступает в виде комбинации импульсов и отсутствия импульсов. Если бы оно поступало в виде постоянных напряжений и отсутствия напряжений, вся твоя схема оказалась бы ненужной?

Л. — Я полностью с тобой согласен. Но необходимо сказать, что схема обладает еще такими возможностями, о которых ты и не подозреваешь. Представь себе, что теперь я подаю на провод Z отрицательный импульс сброса на нуль. Что произойдет?

Н. — О, для того чтобы это узнать, совсем не нужно быть волшебником. Все триггеры вернутся на нуль, и содержимое твоей памяти окажется стертым.

Л. — Действительно, все так бы и случилось, не будь в нашем устройстве элементов задержки. При подаче импульса сброса на нуль все стоявшие в положении 1 (единицы) триггеры возвращаются на нуль. Но в момент опрокидывания они дадут импульс на включенные после них элементы задержки. Эти элементы получат импульс и через некоторое время отправят его на следующие триггеры.

Н. — Но раз твои триггеры возвращены на нуль…

Л. — Я возвратил их на нуль подачей короткого импульса на вход Z. Но к тому моменту, когда получившие импульс элементы задержки передают его на следующие триггеры, поданный на вход Z импульс уже полностью закончился. Поэтому все получающие задержанный импульс триггеры независимо от их предыдущего состояния переключаются в положение 1.

Н. — Охотно соглашусь, что все именно так и произойдет. Но чего ты добился таким любопытным маневром?