姜咏江

 

数字电子计算机一般就使用两种非常容易识别和控制的信号“1”和“0”。电路中某一处的电位高到一定界限就用数码1来记，而电位低到一定界限时就用数码0来记。

 

用电信号可以控制的线路开关叫三态门，它的作用就如同我们家里用的电路开关一样，但不是用手搬动，而是用0和1的电信号控制。图4是三态门示意图，控制端e=0时，a、b两端断开，e=1时，a、b两端接通。三态门是电信号控制的，因而通断的速度极快。

 

图 4 三态门开关示意图

 

实际做成的三态门是单向导电的，所以在示意图中加一个三角形，并且不用画出三角形的内部结构。如果要让导线双向导电，可将两个一反一正地连在导线上来控制双向导电。

 

石英钟能不断发出等时震荡的“0”“1”信号，能不能利用它发出的“1”信号制造一个能够指示顺序步骤的设备？人们用三极管设计了一种叫触发器的元件，它不但能够在时钟为“1”的时候接收线路上的“0”“1”信号，而且能够设置初始信号。触发器的示意图如图5所示，其中D是输入端，Q是输出端，clk是等时给出1信号的时钟，p和c是为触发器设置最初值的信号端。这个触发器的工作过程是：D输入端的值只有在clk=1的时候才能够进入到触发器，并在Q输出端表现出来，p、c的工作不受时钟clk 的影响，p=1使Q=1；c=1使Q=0；p=p=0时，不影响触发器的输入输出。

 

图 5 触发器示意图

 

触发器最初的值是由p和c的值谁为1来确定的，p=1，触发器的Q=1，如果c=1那么Q=0。p=c=0时，不影响触发器的输出值。当p=c=0时，每当clk=1的那一刻，D的值就进入了触发器，使Q和进来的D值一样。现在我们就用这个触发器循环连接来构造一个能够记录工作步骤的节拍器。

 

图6是一个能够循环标出4拍的节拍器。

 

图 6 节拍器

 

时钟clk发出信号之前，我们先一瞬间让s=1，那么有Q1=1、Q2=0、Q3=0、Q4=0，这是开始的状态，也就是进入了第一拍。以后每次clk=1时，前面的Q值就会传递到后面的触发器，那么随着clk不断地送来1，那么Q4Q3Q2Q1的值就0001→0010→0100→1000→0001→0010→……这样循环变化，第几个Q值为1，就表明是第几步。

 

有了三态门和节拍器，我们就能够让图3的3+2运算过程变成机器自动控制进行了。

 

图 7 加法的自动控制

 

在电路图当中同字符标注的导线是连在一起的，这样规定会使图示更加清晰，避免混乱的连线。图7的同名字符表示节拍器的输出导线和三态门相应的控制线是连接在一起的，由于Q1～Q4是按先后顺序为1的，故有：

 

第一步：d=1使3从存储器进入A寄存器；

 

第二步：b=1使2从存储器进入B寄存器；

 

第三步：a=1使相加的结果5进入A寄存器；

 

第四步：d’=1使5从A寄存器进入存储器。

 

以上的四步是一个自动执行的过程，不需要我们进行任何的干预。有了能够区分步骤的节拍器，就有了操作的先后顺序，因而也就有了“自动”的基础，这是机器能够替代人脑进行工作的关键因素。图7的节拍器就是这个加法电路的控制器。

 

计算机的石英震荡时钟频率很高，现在一秒钟可以间断地发出30亿到50亿左右个“1”，因而象我们这里分析的情况，如果其他设备都能跟得上这个速度，就可以做10亿次以上的加法运算。

 

2010-10-15