觸發(fā)器的原理和應(yīng)用

文章來源：APC科學(xué)聯(lián)盟

原文作者：APC君

要提到計(jì)算機(jī)的工作原理，就不得不提到一種電子裝置：觸發(fā)器。觸發(fā)器主要由兩個(gè)電子管組成，當(dāng)電流通過觸發(fā)器時(shí)會(huì)通過其中一個(gè)電子管。觸發(fā)器一共有四個(gè)接觸點(diǎn)，其中兩個(gè)用來接收外部脈沖，另外兩個(gè)用來輸出回答脈沖。外部脈沖輸入的瞬間，觸發(fā)器就會(huì)“翻轉(zhuǎn)”，使原本導(dǎo)通的電子管變成閉合狀態(tài)，電流轉(zhuǎn)而進(jìn)入另一個(gè)電子管。當(dāng)一邊電子管閉合、另一邊電子管導(dǎo)通的瞬間，觸發(fā)器就會(huì)輸出回答脈沖。

現(xiàn)在我們給觸發(fā)器連續(xù)不斷地輸入脈沖，并根據(jù)圖1中兩根電子管其中的一根——右側(cè)的電子管的狀態(tài)來確定觸發(fā)器的狀態(tài)：當(dāng)右側(cè)電子管閉合時(shí)，設(shè)定觸發(fā)器是「0 狀態(tài)」；當(dāng)右側(cè)電子管導(dǎo)通時(shí)，設(shè)定觸發(fā)器是「1 狀態(tài)」。

如果觸發(fā)器的初始狀態(tài)為「0 狀態(tài)」，即右側(cè)電子管為閉合狀態(tài)時(shí)（如圖 1所示），那么輸入第一個(gè)脈沖后，右側(cè)電子管導(dǎo)通，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)成「1 狀態(tài)」。此時(shí)，觸發(fā)器不會(huì)輸出回答脈沖，因?yàn)樽髠?cè)電子管并未導(dǎo)通。接下來，當(dāng)我們輸入第二個(gè)脈沖時(shí)，左側(cè)電子管導(dǎo)通，右側(cè)電子管閉合，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為「0 狀態(tài)」，輸出回答脈沖。

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過兩次輸入脈沖之后觸發(fā)器回到了原始狀態(tài)。接著繼續(xù)輸入第三個(gè)脈沖，觸發(fā)器變成了「1 狀態(tài)」，再輸入第四個(gè)脈沖，觸發(fā)器又變成「0 狀態(tài)」……也就是說，觸發(fā)器的狀態(tài)是以2個(gè)脈沖為周期進(jìn)行循環(huán)的。

圖1

如果將多個(gè)觸發(fā)器相互連接會(huì)發(fā)生什么事呢？以三個(gè)觸發(fā)器：觸發(fā)器1、觸發(fā)器2、觸發(fā)器3相連為例（如圖 2 ），給觸發(fā)器1輸入脈沖信號(hào)，之后觸發(fā)器1的回答脈沖會(huì)作為觸發(fā)器2的輸入脈沖，觸發(fā)器2的回答脈沖之后又會(huì)作為觸發(fā)器3的輸入脈沖，最后觸發(fā)器3產(chǎn)生回答脈沖。

圖2

假設(shè)一共有 5 個(gè)觸發(fā)器相互連接，最初的狀態(tài)都為「0 狀態(tài)」，我們可以把這個(gè)觸發(fā)器組的狀態(tài)標(biāo)記為「00000」。給最右邊的觸發(fā)器輸入第一個(gè)脈沖后，該觸發(fā)器的狀態(tài)變?yōu)椤? 狀態(tài)」，但由于沒有回答脈沖，左側(cè)的 4 個(gè)觸發(fā)器依舊是「0 狀態(tài)」，整體可以標(biāo)記為「00001」。接著，我們輸入第二個(gè)脈沖，最右邊的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為「0 狀態(tài)」，同時(shí)最右邊的觸發(fā)器輸出的回答脈沖輸入相鄰的觸發(fā)器中，相鄰的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，成為「1 狀態(tài)」，其他觸發(fā)器由于沒有接收到回答脈沖，仍舊處于「0 狀態(tài)」，整體可標(biāo)記為「00010」。緊接著輸入第三個(gè)脈沖，最右邊的觸發(fā)器又會(huì)翻轉(zhuǎn)為「1 狀態(tài)」同時(shí)不輸出回答脈沖，其他觸發(fā)器狀態(tài)不變，狀態(tài)為「00011」。如此循環(huán)，我們最終得到如下數(shù)據(jù)：

輸入第 1 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00001

輸入第 2 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00010

輸入第 3 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00011

輸入第 4 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00100

輸入第 5 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00101

輸入第 6 個(gè)脈沖后的狀態(tài)為：00110

如果把上述狀態(tài)視為二進(jìn)制的數(shù)字，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制之后我們就能依次得到1，2，3，4，5，6，…。由此可見，相互連接的觸發(fā)器可以對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行「計(jì)數(shù)」，而且是一種特殊的計(jì)數(shù)方式。

二進(jìn)制通過「0」和「1」來表示所有數(shù)字。與十進(jìn)制有所不同的是，二進(jìn)制的后一位是前一位的 2 倍，而不是 10 倍。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)時(shí)，將每位數(shù)分別乘以2 的 n 次方（ n 代表位數(shù)）并求和即可。例如，將二進(jìn)制數(shù)「10011」轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，就是 1 × 2^0 + 1 × 2^1 + 0 × 2^2 + 0 × 2^3 + 1 × 2^4 = 19。

觸發(fā)器每翻轉(zhuǎn)一次（也就是每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)），只需要一億分之幾秒的時(shí)間?，F(xiàn)代計(jì)數(shù)觸發(fā)器可以在 1 秒之內(nèi)「計(jì)算」1000 多萬個(gè)脈沖，而人眼需要 0.1 左右秒才能識(shí)別變換的信號(hào)?？梢哉f，跟人類相比，它快了將近 100 萬倍。

下面，我們來看看觸發(fā)器如何進(jìn)行加法運(yùn)算。把三排觸發(fā)器按照?qǐng)D 3 所示連接起來，其中第一排觸發(fā)器用來表示被加數(shù)，第二排觸發(fā)器用來表示加數(shù)，第三排觸發(fā)器則用來表示二者之和。當(dāng)上面兩排觸發(fā)器的狀態(tài)為「1」時(shí)，會(huì)分別向第三排觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)。

圖3

圖3的例子中，前兩排觸發(fā)器記下的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)是 101 和 111。第三排的第一觸發(fā)器從前兩排的第一觸發(fā)器處別得到一個(gè)脈沖信號(hào)（一共得到兩個(gè)脈沖信號(hào)），根據(jù)前面的分析，第三排的第一觸發(fā)器依舊處于「0 狀態(tài)」，同時(shí)會(huì)給第三排的第二觸發(fā)器輸出一個(gè)回答脈沖。除了這個(gè)回答脈沖之外，第三排的第二觸發(fā)器還會(huì)從第二排的第二觸發(fā)器得到一個(gè)回答脈沖，一共得到兩個(gè)脈沖信號(hào)，處于「0 狀態(tài)」，并輸出一個(gè)回答脈沖給第三排的第三觸發(fā)器。除了這個(gè)回答脈沖之外，第三排的第三觸發(fā)器還從第一排和第二排各得到一個(gè)脈沖，共得到 3 個(gè)脈沖，狀態(tài)為「1」，同時(shí)輸出一個(gè)回答脈沖。第三排的第四觸發(fā)器只得到這一個(gè)回答脈沖，狀態(tài)為「1」。以上過程就是二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算，如果寫成豎式運(yùn)算，就如下圖所示：

圖4

將圖4中的二進(jìn)制數(shù)換算為十進(jìn)制數(shù)，就會(huì)得到 5 + 7 = 12。第三排觸發(fā)器輸出的回答脈沖相當(dāng)于豎式加法運(yùn)算的進(jìn)位。如果每排的觸發(fā)器有 20 個(gè)（或者大于 20 個(gè)），就可以計(jì)算百萬級(jí)甚至千萬級(jí)數(shù)的加法。如果把上述方案改造一下，不但可以進(jìn)行加減法運(yùn)算，還可以進(jìn)行乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算。

審核編輯：湯梓紅