Поскольку бит – слишком мелкая единица информации, то в вычислительной технике используется число битов, кратное 8. Оно называется байтом. «Слово» – 16 битов – 2 байта, 32 бита – 4 байта, 64 бита – 8 байтов.
С помощью комбинирования битов компьютеры отображают десятичные числа. Любое число от 0 до 255 представляется в виде восьмибитного числа. С помощью 16 битов можно представить числа в диапазоне от 0 до 65 535.
Уровни логического нуля и единицы
Цифровые микросхемы могут находиться в одном из двух состояний, они описаны двумя цифрами: 0 и 1, что физически реализовывается различными параметрами – ток или напряжение в цепях микросхемы, открытый или запертый транзистор на выходе микросхемы, светится или не светится светодиод (если он в составе микросхемы).
В качестве логических состояний цифровых микросхем принимается напряжение на их входе и выходе. Высокое напряжение считается единицей, а низкое напряжение – нулем. В идеале напряжение на выходе микросхем должно равняться напряжению питания или общего провода схемы. В реальности это не происходит.
Даже на полностью открытом транзисторе есть падение напряжения. В итоге на выходе цифровой микросхемы напряжение окажется меньше напряжения питания и больше потенциала общего провода. Поэтому напряжение, меньшее заданного уровня (уровень логического нуля), считается нулем, а напряжение, большее заданного уровня (уровень логической единицы), считается единицей. Если же напряжение на выходе микросхемы будет больше уровня логического нуля, но меньше уровня логической единицы, состояние микросхемы неопределенное.
В таблице приведены допустимые уровни выходных логических сигналов для ТТЛ-микросхем. Чем ближе выходное напряжение к напряжению питания или к напряжению общего провода схемы, тем выше КПД цифровой микросхемы.
Таблица 1.1. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ-микросхем
Напряжение с выхода одной микросхемы поступает на вход другой микросхемы по проводнику. В процессе передачи на этот проводник может наводиться напряжение от каких-либо генераторов помех (мобильные телефоны, различные импульсные генераторы, электро– и радиоприборы). Помехоустойчивость цифровых микросхем определяется максимальным напряжением помех, которое не приводит к превращению логического нуля в логическую единицу и зависит от разности логических уровней цифровой микросхемы. То же относится и к помехам, превращающим логический ноль в логическую единицу.
Таблица 1.2. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ-микросхем
Микросхемы могут оказаться в неблагоприятных условиях – низкая температура, старение и коррозия материалов, воздействие радиации и т. д. Поэтому производители гарантируют срабатывание микросхем с некоторым запасом. Например, фирма Texas Instruments объявляет для своих микросхем входной уровень единицы – 2 В, а уровень нуля – 0,8 В.
Если напряжение на входе цифровой микросхемы приблизится к порогу, разделяющему уровень логического нуля и логической единицы микросхема перейдет в активный режим работы, и оба выходных транзистора могут оказаться открытыми. В результате микросхема может выйти из строя. Поэтому входы цифровых (особенно КМОП) микросхем не должны быть оставлены неподключенными! Если часть элементов цифровой микросхемы не используется, то их входы должны быть подключены к источнику питания или общему проводу схемы. Конкретное значение порога переключения для различных экземпляров микросхем и от серии к серии может изменяться в некоторых пределах. На вход логических микросхем нельзя подавать напряжение в пределах неопределенного состояния, а также оставлять их входы неподключенными.
Цифровые микросхемы используют в своей работе базовые логические элементы, с помощью которых, как из «кирпичиков», строятся более сложные процессы:
• НЕ – инвертирование;
• И – логическое умножение;
• ИЛИ – логическое суммирование.
Логический элемент «НЕ»
Инвертор изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Эту функцию можно записать в виде таблицы истинности. Вход у такого логического элемента один, и таблица истинности состоит только из двух строк.
Таблица 1.3. Таблица истинности логического инвертора
Вне зависимости от электрической схемы выполняется одна и та же функция. Чтобы не привязываться к конкретным электрорадиоэлементам схемы, были введены специальные условные графические обозначения.
Рис. 1.1. Условное графическое обозначение логического элемента «НЕ»
Логический элемент «И»
Схема, реализующая операцию логического умножения «И», может быть представлена в виде таблицы истинности. Элемент, который выполняет эту функцию, имеет два входа и обозначается «2И». Для элемента «2И» таблица истинности будет состоять из четырех строк.
Таблица 1.4. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию «2И»
Активный сигнал на выходе этого логического элемента появляется только тогда, когда и на первом, и на втором входе будут присутствовать логические единицы. Так реализуется функция «И».
Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию «И», на принципиальных схемах приведено на рис. 1.2. Изображение не зависит от аппаратной реализации, которая на уровне элементов осуществляет функцию логического умножения.
Рис. 1.2. Условное графическое обозначение логического элемента «И»
Функция логического умножения трех переменных представлена таблицей истинности, содержащей восемь строк.
Таблица 1.5. Таблица истинности трехвходовой схемы логического умножения «3И»
Элемент «ИЛИ»
Схема, реализующая операцию логического «ИЛИ» (дизъюнкция), описана таблицей, в которой использовано два аргумента. Поэтому элемент, выполняющий эту функцию, имеет два входа и обозначается «2ИЛИ». Для элемента «2ИЛИ» таблица истинности будет состоять из четырех строк.
Таблица 1.6. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию «2ИЛИ»
Для условного обозначения функции «ИЛИ» на принципиальных схемах используется специальный символ «1».
Рис. 1.3. Условное графическое обозначение логического элемента «ИЛИ»
Более подробно ознакомиться с цифровой микроэлектроникой можно в Интернете, а также в соответствующей литературе.
Функция программного обеспечения
Сам по себе ПК, манипулируя одними электрическими сигналами, не может представить информацию в том виде, как мы сегодня привыкли ее воспринимать, – на экране монитора, отпечатанной на листе бумаги. Результаты будут – но не в привычном для человека виде. Для представления информации в том виде, в котором привык видеть ее человек, последовательность импульсов нужно преобразовать.
Символы и буквы могут быть закодированы при помощи восьми двоичных символов.
Распространены таблицы ASCII с национальными расширениями, применяющиеся в DOS (которые можно использовать для записи текстов в микропроцессорах), и таблицы ANSI – в WINDOWS. В таблицах ASCII и ANSI первые 128 символов совпадают. В этой части таблицы содержатся символы цифр, знаков препинания, латинские буквы верхнего и нижнего регистров и управляющие символы. Национальные расширения символьных таблиц и символы псевдографики содержатся в последних 128 кодах этих таблиц, поэтому отображение русских текстов в операционных системах DOS и WINDOWS не совпадает.
Различное оборудование – платы расширения, периферийные устройства – работают по встроенному алгоритму. Чтобы ПК их лучше понимал или вообще воспринимал, существуют драйверы (поставляются на дисках вместе с устройствами), выполняющие функцию посредника между периферийным «железом» ПК и основным вычислительным блоком.
Программа – это последовательность операций, выполняемых компьютером для достижения поставленной задачи. Программа содержит описание действий, записанных на языке программирования или в машинном коде, которые должен выполнить компьютер в соответствии с алгоритмом решения конкретной задачи.
Программное обеспечение (ПО) можно разделить на прикладное, инструментальное и системное. Прикладные программы предназначены для решения пользовательских задач, а ПК только обеспечивает их решение. Это, например, графические редакторы, текстовые процессоры, издательские системы, САПР, СУБД, образовательные программы, игры.
