§ 6. Типовые логические устройства компьютера: триггеры, регистры, дешифраторы

Определения и обозначения

Триггер — логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, которое хранит один бит: 0 или 1. Устойчивость означает, что состояние сохраняется после исчезновения сигнала, который его вызвал. Входы управляют переключением, а выходы обычно обозначают Q и Q̅: второй показывает значение, противоположное первому. Это обозначение помогает понять, какое значение хранит схема.

Регистр — устройство для хранения многоразрядного двоичного числа, составленное из нескольких триггеров. Каждый триггер отвечает за один разряд слова, поэтому разряды сохраняются одновременно. Регистр нужен, когда компьютеру требуется удерживать не один бит, а целое двоичное значение.

Дешифратор — логическое устройство, которое получает двоичный код и активирует соответствующий ему выход. Код выступает как номер выхода, а сам выходной сигнал сообщает, какой вариант выбран. Дешифратор применяют для выбора устройства, ячейки или команды.

RS-триггер — триггер с входами установки S и сброса R. Установка переводит его в состояние Q=1, а сброс — в Q=0; при отсутствии управляющих сигналов он сохраняет прежнее состояние. Таблица состояний показывает результат для каждой пары входов и помогает не перепутать обычные команды с особой комбинацией.

Как это устроено

В основе триггера лежит обратная связь: выход схемы связан с её входной частью так, что результат поддерживает одно из состояний. Если схема уже находится в устойчивом состоянии, изменение внешнего сигнала не обязательно меняет выход. Для переключения нужно подать предусмотренную управляющую комбинацию. Поэтому триггер способен помнить значение, а не просто реагировать на текущий вход.

У RS-триггера вход S устанавливает единицу, а R сбрасывает её в ноль. Для распространённого RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ с активными единицами сочетание S=0, R=0 сохраняет предыдущее состояние. При S=1, R=0 выход Q становится равен 1, а при S=0, R=1 — 0. Сочетание S=1, R=1 особое: оно приводит к недопустимому или неопределённому результату после снятия сигналов, поэтому его не используют как обычную команду и проверяют по таблице конкретной схемы.

Несколько триггеров можно соединить так, чтобы каждый хранил отдельный разряд одного слова. Например, триггер первого разряда удерживает первый бит, следующего — второй, и так далее. Если слово содержит n разрядов, в нём n битов, а значит, требуется n триггеров. Такое соответствие позволяет записать в регистр разные комбинации нулей и единиц.

Дешифратор анализирует двоичные значения на входах и определяет, какой выход соответствует получившемуся коду. Например, если входы задают код 101, активируется выход, которому в принятой нумерации соответствует это сочетание. Остальные выходы остаются неактивными, поэтому схема выполняет выбор одного варианта из нескольких. Так код превращается в управляющий сигнал.

Каждый вход дешифратора может принимать два значения: 0 или 1. Поэтому для одного входа возможны 2 кода, для двух — 4, а для n входов число сочетаний достигает 2ⁿ. Если предусмотрен отдельный выход для каждого сочетания, у дешифратора может быть до 2ⁿ выходов. На практике часть сочетаний или выходов может не использоваться.

Назначение и устройство типовых логических устройств

Сравнивайте устройства по назначению: триггер и регистр сохраняют данные, а дешифратор преобразует код в выбор выхода. Строки о входах и выходах помогают проследить, как информация поступает в устройство и что можно получить на его выходе. Обратите внимание, что регистр строится из триггеров, но выполняет задачу хранения целого слова.

Разбор задач

Задача 1. Составим таблицу состояний RS-триггера для всех сочетаний S и R. Считаем, что используется распространённый вариант на элементах ИЛИ-НЕ с активными единицами, а Q показывает хранимое состояние. Особую комбинацию входов отметим отдельно.

1. При S=0 и R=0 ни установка, ни сброс не поданы, поэтому Q сохраняет прежнее значение. Это не задаёт нового значения: результат зависит от состояния до подачи сигналов.

2. При S=1 и R=0 действует установка, значит, Q=1. При S=0 и R=1 действует сброс, значит, Q=0.

3. При S=1 и R=1 оба управляющих входа активны одновременно. Для выбранного варианта это запрещённая комбинация: её нельзя трактовать как обычную установку или сброс.

Ответ: 00 — хранение прежнего состояния; 10 — установка Q=1; 01 — сброс Q=0; 11 — особый, запрещённый режим. Для других реализаций RS-триггера таблица может отличаться, поэтому проверяйте тип схемы и активный уровень входов.

Задача 2. Определим, сколько триггеров нужно для регистра, хранящего 8-разрядное число, и какова ёмкость регистра. Сравним число разрядов слова с числом битов, которое хранит один триггер. Затем проверим, что каждый разряд представлен отдельным элементом памяти.

1. В условии дано слово из 8 разрядов, то есть в нём 8 битов. Значение каждого разряда может быть нулём или единицей.

2. Один триггер хранит один бит, поэтому одному разряду соответствует один триггер. Для восьми разрядов требуется 8 триггеров.

3. Ёмкость регистра равна числу битов, которое он способен хранить. Следовательно, такой регистр хранит 8 битов, или одно 8-разрядное двоичное слово.

Ответ: нужны 8 триггеров; ёмкость регистра — 8 битов. Не следует считать, что один триггер хранит всё слово: каждый из них отвечает только за собственный разряд.

Задача 3. У дешифратора три входа; найдём число возможных выходов и выход для кода 101. Предполагаем, что выходы пронумерованы от 0 и соответствуют двоичным значениям входного кода. Сначала определим количество комбинаций, затем сопоставим код с номером выхода.

1. Для n входов число возможных кодов равно 2ⁿ. При n=3 получаем 2³=8 сочетаний, поэтому может быть 8 выходов.

2. Входной код 101 нужно прочитать как двоичное число. Его значение равно 1·2² + 0·2¹ + 1·2⁰ = 5.

3. При нумерации выходов от 0 коду 101 соответствует выход с номером 5. Именно он становится активным, а остальные выходы не выбираются.

Ответ: возможны 8 выходов; при коде 101 активируется выход 5 при нумерации от 0. Если в конкретной схеме выходы нумеруются от 1 или задано другое соответствие, нужно следовать её обозначениям.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что один триггер хранит несколько битов. Её допускают, путая триггер с целым регистром, который собирают из нескольких таких элементов. Проверьте себя: у одного триггера только два устойчивых состояния, а значит, он кодирует один бит.

Ошибка — называть регистром отдельный триггер. Триггер хранит один разряд, тогда как регистр объединяет элементы для хранения многоразрядного слова. Чтобы проверить ответ, найдите число разрядов слова и убедитесь, что ему соответствует несколько триггеров, если разрядов больше одного.

Ошибка — думать, что дешифратор запоминает входной код. Это устройство выбирает выход по текущей комбинации входов, но не удерживает её как память. Проверка проста: спросите, сохраняется ли значение после изменения входов; дешифратор сам по себе этого не делает.

Ошибка — трактовать особую комбинацию входов RS-триггера как обычную установку или сброс. Так происходит, если помнить только назначение S и R и не учитывать их одновременную активацию. Сверяйте комбинацию с таблицей состояний, предварительно выяснив тип схемы и активный уровень сигналов.

Связь с другими темами

Для понимания этих устройств нужны навыки чтения двоичных чисел, знания логических операций, таблиц истинности и базовых логических элементов. Они помогают проследить, как значения на входах меняют выходы и как устроена обратная связь. Если уверенно переводить двоичные коды и проверять таблицы, проще анализировать работу схем.

Триггеры и регистры помогают перейти к изучению памяти компьютера и процессорных устройств: из них строятся узлы, которые хранят данные и промежуточные результаты. Дешифраторы связывают двоичный код с выбором команды, устройства или ячейки. Эти принципы встречаются при изучении кодирования команд и построения цифровых схем.

Что запомнить

• Триггер имеет два устойчивых состояния и хранит один бит.
• Входы триггера задают изменение или сохранение его состояния.
• Регистр хранит двоичное слово и составляется из триггеров.
• Число триггеров регистра равно числу хранимых разрядов.
• Дешифратор преобразует двоичный код в сигнал на соответствующем выходе.
• При n входах дешифратор может различать до 2ⁿ кодов.