И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

1 = 0·23 + 0·22 + 0·21 + 1·20, т. е. 0001;

2 = 0·23 + 0·22 + 1·21 + 0·20, т. е. 0010;

3 = 0·23 + 0·22 + 1·21 + 1·20, т. е. 0011;

4 = 0·23 + 1·22 + 0·21 + 0·20, т. е. 0100;

15 = 1·23 + 1·22 + 1·21 + 1·20, т. е. 1111;

235 = 1·27 + 1·26 + 1·25 + 0·24 + 1·23 + 0·22 + 1·21 + 1·20 = (128 + 64 + 32 + 0 + 8 + 0 + 2 + 1), т. е. 11101011.

Как видно из приведенных выше примеров, двоичная запись, образованная из четырех цифр, это четырехбитовая запись. Она позволяет записать лишь числа от 0 до 15 (23 + 22 + 21 + 20 = 8 + 4 + 2 + 1), и на этом ее емкость исчерпывается. В связи с этим в цифровой технике часто пользуются и другими двоичными системами, представляющими модификацию «чистой» системы, т. е. двоичной системы, обозначаемой обычно как 8421.

Часто применяется двоично-десятичный код. Он основан на том, что каждую цифру числа, записанного в десятичной системе, записывают отдельно с помощью четырех битов. Поясним это на примере числа 235 (табл. 12.1).

Достоинством двоично-десятичной системы является упрощение замены чисел, записанных в десятичной системе, числами, записанными в двоичной системе, и наоборот.

Очевидно, что действия с двоичными числами отличны от операций, которые выполняют с числами, записанными в десятичной системе. Они очень просты и легки для запоминания.

Сложение чисел, записанных в двоичной системе, выполняется в соответствии со следующим правилом (или иначе алгоритмом):

0 + 0 = 0;

0 + 1 = 1;

1 + 0 = 1;

1 + 1 = 0 с переносом единицы на следующую позицию влево.

Последний алгоритм имеет сходство со сложением в десятичной системе, когда результат сложения больше или равен 10,

Вычитание осуществляется согласно следующему алгоритму:

0 — 0 = 0;

0 — 1 = 1 и затем со следующей позиции (похоже на ситуацию в десятичной системе);

1 — 1 = 1;

1 — 1 = 0.

Умножение чисел в двоичной системе производится очень просто. Вместо большой таблицы умножения в десятичной системе в двоичной имеем маленькую и легкую для запоминания таблицу

0·0 = 0;

1·0 = 0;

0·1 = 0;

1·1 = 1.

Деление двоичных чисел обычно заменяется умножением, и при этом используются приведенные выше алгоритмы.

Логическим элементом, или функтором, называется элемент, принимающий значения 0 и 1. В нем существует определенная логическая связь между входным и выходным сигналами. Связь между сигналами определяется логической функцией. Для математического описания логической функции используется булева алгебра.

Основными логическими операциями этой алгебры являются: отрицание, логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение (дизъюнкция). Существуют и другие логические операции.

Обозначим через х некоторое утверждение или состояние И примем, что если х истинно, то можно записать х = 1, а если х ложно, то х = 0. Введем еще одно утверждение или состояние у и также примем, что у = 1, если у истинно, и у = 0, если у ложно.

Основой логического умножения

z = х·у,

где z — логическое произведение, причем «·» означает именно логическую операцию, а не арифметическое действие, является анализ утверждения, что х и у истинны.

Рассмотрим четыре возможных случая:

Случай 1. Примем: х = 1; у = 1. Это означает, что х истинно, у истинно. Очевидно, утверждение «х и у истинны» также является истинным, что записываем следующим образом: z = х·у = 1.

Резюмируем, для х = 1 и у = 1 z = х·у = 1.

Случай 2. Примем: х = 1; у = 0. В этом случае сделанное утверждение z = х·у ложно, т. е. z = х·у = 0.

Резюмируем: для х = 1 и у = 0 z = х·у = 0.

Случай 3. Примем: х = 0; у = 1. В этом случае утверждение z = х·у ложно, как в случае 2, и можем записать для х = 0 и у = 0 z = х·у = 0.

Случай 4. Примем: х = 0; у = 0, и тогда z = х·у = 0, Рассмотренные случаи можем cвести в табл. 12.2

Как легко заметить, приведенная таблица идентична «таблице умножения», обязательной в двоичной системе и приведенной, выше.

Функция логического умножения, называемая также конъюнкцией, реализуется логическим элементом (функтором) И, элементом типа И и осуществляется в виде схемы, которая дает на выходе единицу тогда и только тогда, когда сигналы на обоих входах логического элемента имеют значение, соответствующее единице. Это совпадает с табл. 12.2. Самым простым способом такую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из двух реле, включенных последовательно (рис. 12.3). При этом можно получить четыре случая, описанных правилами логического умножения, причем один из них вызывает появление выходного сигнала.

Рис. 12.3. Пример простого осуществления функции И (а) и графическое обозначение элемента И (б)

На рисунке приведено функциональное обозначение элемента типа И, встречающееся в литературе и используемое для обозначений на электрических схемах. Чаще всего применяется функциональное обозначение.

Очевидно, что функцию И можно реализовать и другим способом — чисто электронным путем. Это будет рассмотрено ниже.

Как в случае логического умножения исходим из некоторого сделанного утверждения. Для операции логического сложения — это утверждение, что х или у истинны» Запишем это следующим способом: z = х + у, причем знак «+» означает, как и ранее, знак «·», только логическую операцию, а не арифметическое действие. Такое утверждение является действительно истинным тогда, когда по крайней мере только х или только у истинны, а также и в случае, когда х и у одновременно истинны. Возможны четыре случая» сведенные в табл. 12.3:

Функция логического сложения, называемая также дизъюнктцией, реализуется логическим элементом типа ИЛИ в виде схемы, которая дает на выходе единицу, если это значение имеет по крайней мере один из входных сигналов. Это соответствует табл. 12.3. Самым простым способом такую функции можно реализовать с помощью схемы, образованной двумя реле, включенными параллельно, как показано на рис. 12.4. На этом же рисунке указано также графическое обозначение элемента типа ИЛИ.

Другие функциональные схемы, реализующие функцию ИЛИ, приводятся ниже.

Рис. 12.4. Пример осуществления функции ИЛИ (а) и условное графическое обозначение элемента ИЛИ (б)

Исходим из утверждения, что х ложно, выражаемого также сокращенно «не х» и записываемого следующим образом: z = х¯. Это утверждение правильно только тогда, когда х = 0. Следовательно, имеются два случая (табл. 12.4).

Операция отрицания или инверсии, называемая также функцией НЕ или элементом типа НЕ, осуществляется в виде схемы, изменяющей логическое значение входного сигнала на противоположное, например схемы, дающей на выходе сигнал 1, когда на входе 0, и наоборот. Такую функцию можно реализовать, например, с помощью усилителя, инвертирующего фазу сигнала. Графическое изображение элемента типа НЕ представлено на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Условное графическое обозначение элемента НЕ

Это логический элемент[26], реализующий отрицание логического сложения (функция Пирса) или, что в конечном результате равнозначно, реализующий произведение отрицаний; запишем это следующим образом: