2. Элементарная ячейка памяти

Понятие памяти

Итак, что такое память и в каком смысле можно сказать, что предметы могут обладать памятью? Для ответа на этот вопрос, давайте проведем эксперимент: ударим бетонную стену. Ну или можно не бить, а просто это представить :) А теперь посмотрим на эту стену: запечалился ли на ней наш удар? Скорее всего — нет. То есть глядя на стену нельзя сказать: били ее мы или нет.

В этом смысле можно утверждать, что стена «ничего не запомнила», поскольку наше на нее воздействие на ней самой никак не отразилось. Теперь же ударим по картонной коробке. А вот в данном случае мы уже увидим, что коробка деформировалась и что, в отличии от стены она имеет «память на удар». Это достаточно простое сравнение поможет прояснить в каком смысле мы можем употреблять слово «память» по отношению к предметам: способность изменяться под неким воздействием и сохранять это изменение даже когда воздействие прекратилось. Теперь вернемся к логическим гейтам.

Самоссылание

Гейты, о которых мы до сих пор говорили не обладают памятью: их выходной сигнал целиком зависит от входного и после изменения последнего тоже меняется, не зависимо от текущего состояния. Но тогда возможно ли вообще сделать логическую схему со способностью хранить сигнал, используя базовые логические элементы? Да, и сейчас мы узнаем как. Давайте соединим два NAND-гейта таким образом:

Сходу эта схема может показаться необычной: дело в том что она ссылается сама на себя. Это феномен в виде визуальной метафоры так же можно наблюдать в известной картине Маурица Эшера «Рисующие Руки».

Итак, если на входах A и B у нас нули, то верхний и нижний гейты будут выдавать единицы (поскольку NAND-гейт выдает ноль только когда на обоих его входах единицы).

На этой картинке и в дальнейшем ярко-зеленый цвет провода (носителя сигнала) означает единицу, а темно-зеленый — ноль.

Теперь подадим сигнал 1 на вход A, а на входе B оставим 0: верхний гейт теперь будет выдавать 0, а нижний продолжит выдавать 1.

Теперь, наоборот, подадим сигнал 1 на вход B, а на A пусть будет 0. Картина также изменится на обратную: на выходе верхнего гейта 0, а на выходе нижнего — 1.

Хорошо, а что будет если на оба входа подать единицы? А вот в таком случае мы получаем необычный результат: схема сохраняет свое предыдущее состояние.

То есть состояние схемы, когда на обоих ее входах единицы может быть двояким, и зависит от прошлых входных значений. Вот тут мы и натыкаемся на нужное нам свойство схемы: ее поведение зависит не только от входных данных, но и от ее текущего состояния. Давайте используем эту особенность для создания запоминающего устройства.

Запоминающее устройство

Будем использовать выход C для хранении значения. Схема может хранить либо 0 либо 1

Что бы записать ноль: на A подаем 1, а на B — 0. Что бы записать единицу — делаем все наоборот: на A подаем 0, а на B — 1. После записи нужного нам значения можно подать на оба входа единицы — и значение не изменится. Это значит, что схема «запомнила» нужный нам сигнал. Для автоматизации этого процесса дополним схему еще двумя NAND-гейтами. Точка в месте пересечения двух проводов означает, что сигнал в этом месте раздваивается.

В этой схеме у нас также два входа и один выход. Если S = 0, то I никак не влияет на выходное значение: первый верхний гейт имеет на нижем входе единицу, значит независимо от значения входа I он будет продолжать выдавать единицу.

Если же S равно 1, то значение I уже может влиять на значение выхода. В случае, когда I = 0, A будет равно единице, а B — нулю. Как мы разобрались выше, в данном варианте С будет равно нулю, а D — единице. В случае когда I = 1, наоборот — A будет равно нулю, а B — единице. Следовательно, C=1 и D=0.

Важно заметить, что значение, которое подается на S выступает неким «разрешением на запись». Если S = 1, то выходное значение схемы (то значение, которое на хранит) будет совпадать с I. Если же S = 0, то схема закрыта для изменений и хранит в себе то значение I, которое хранила на момент, когда S была равна единице.

Ячейка памяти

Итак, на основе этой схемы мы можем построить запоминающий элемент. Я изменю имя выхода схемы с С на O (Output — в переводе с английского «выход». I означает Input — Вход, а S — Set — Установить ). И мы получим такую штуку:

Мы передаем на S единицу, что бы открыть запись, а на I передаем то значение, которое хотим записать (ноль или единицу). Теперь даже после того, как мы закроем возможность для записи это значение будет продолжать там храниться.

Источники

1. Чарльз Петцольд «Код — тайный язык информатики»;
2. J Clark Scott «But How Do IT Know»;
3. Logisim — программа для симуляции логических схем.

Источник