Чарльз Петцольд - Код. Тайный язык информатики

Если вам сложно представить такой маленький промежуток времени, вы не одиноки. Мы можем охватить его лишь мыслью. Наносекунды намного короче всего, что доступно человеческому опыту, поэтому они навсегда останутся за пределами нашего понимания. Каждое объяснение лишь делает наносекунду более непостижимой. Например, я могу сказать, что если вы держите эту книгу на расстоянии 30 сантиметров от лица, то наносекунда — это время, за которое свет преодолевает расстояние от страницы до вашего глаза. Однако стали ли вы от этого лучше понимать, что такое наносекунда?

Тем не менее именно благодаря таким коротким промежуткам времени, как наносекунда, возможно существование компьютеров. Как вы видели в главе 17, компьютерный процессор выполняет очень простые действия: перемещает байт из памяти в регистр, складывает с другим байтом и возвращает результат обратно в память. Единственная причина, по которой результат работы компьютера — нечто существенное (в данном случае речь идет о реальном компьютере, а не о том, который описывался в главе 17), заключается в том, что эти операции происходят очень быстро. Как сказал Роберт Нойс: «Если примириться с понятием наносекунды, то компьютерные операции концептуально довольно просты».

Давайте продолжим изучение справочника по микросхемам ТТЛ. В этой книге вы увидите много уже знакомых компонентов. Микросхема 7402 содержит четыре двухвходовых вентиля ИЛИ-НЕ, микросхема 7404 — шесть инверторов, микросхема 7408 — четыре двухвходовых вентиля И, микросхема 7432 — четыре двухвходовых вентиля ИЛИ, а микросхема 7430 — восьмивходовый вентиль И-НЕ.

Аббревиатура NC означает no connection — «не подключено».

Микросхема 7474 тоже может показаться знакомой. Это сдвоенный D-триггер со сбросом и предустановкой, срабатывающий по фронту, схема которого выглядит следующим образом.

В справочник по микросхемам ТТЛ включена логическая схема для каждого из триггеров.

Эта схема может показаться похожей на схему, приведенную в конце главы 14, за исключением того, что я использовал вентили ИЛИ-НЕ. Приведенная в справочнике по микросхемам ТТЛ таблица логики также немного отличается.

В этой таблице H означает высокий (high), а L — низкий (low) уровень сигнала. Если хотите, можете считать эти обозначения единицей и нулем. В моем триггере входы «Сброс» и «Установка» обычно равны 0; в данном случае они обычно равны 1.

Далее в справочнике по микросхемам ТТЛ вы обнаружите, что микросхема 7483 — это 4-битный двоичный полный сумматор, микросхема 74151 — селектор с восемью входами и одним выходом, 74154 — дешифратор с четырьмя входами и 16 выходами, 74161 — синхронный 4-разрядный двоичный счетчик, 74175 — счетверенный D-триггер со сбросом. Вы можете использовать две из перечисленных микросхем для создания 8-битной защелки.

Итак, теперь вы знаете, откуда взялись различные компоненты, которые я использовал в главе 11, — из справочника по микросхемам ТТЛ.

Будучи инженером-разработчиком цифровых ИС, вы потратили бы множество часов на чтение справочника по микросхемам ТТЛ и изучение существующих чипов. Освоив инструменты, вы могли бы собрать из микросхем ТТЛ компьютер, описанный в главе 17. Соединить между собой микросхемы намного проще, чем отдельные транзисторы. Однако вы вряд ли бы захотели использовать схемы ТТЛ для создания массива RAM объемом 64 килобайт. Объем самого емкого чипа RAM, описанного в справочнике The TTL Data Book for Design Engineers 1973 года, составлял всего 256 × 1 бит. Для создания массива RAM объемом 64 килобайт вам понадобилось бы 2048 таких чипов! Микросхемы ТТЛ никогда не были оптимальной технологией для создания памяти. К этой теме я вернусь в главе 21.

Вероятно, вы решите использовать осциллятор. Несмотря на возможность подключения выхода ТТЛ-инвертора к его же входу, лучше иметь осциллятор с более предсказуемой частотой. Такой осциллятор можно легко собрать, используя кристалл кварца, который помещается в небольшой плоский цилиндрический корпус с двумя выводами. Эти кристаллы вибрируют с определенной частотой, которая обычно составляет по меньшей мере миллион циклов в секунду. Миллион циклов в секунду соответствует частоте один мегагерц . Если бы компьютер, описанный в главе 17, был собран из микросхем ТТЛ, он бы нормально работал с тактовой частотой десять мегагерц. На выполнение каждой инструкции уходило бы 400 наносекунд. Это, безусловно, многократно превышает скорость работы релейных устройств.