Код. Тайный язык информатики

Сумматор, который мы построим, будет большим, нескладным, медленным и шумным по сравнению с современными калькуляторами и компьютерами. Самое интересное заключается в том, что мы соберем эту машину из простых электрических устройств, о которых говорили в предыдущих главах, — переключателей, лампочек, проводов, батарейки и реле, объединенных в различные логические вентили. Этот сумматор будет состоять исключительно из деталей, которые уже были изобретены 120 лет назад. Особенно хорошо то, что нам не нужно ничего собирать в своей гостиной; вместо этого мы можем конструировать на бумаге и в уме.

Эта машина будет работать исключительно с двоичными числами, в ней будут отсутствовать некоторые современные функции. Вы не сможете использовать клавиатуру для ввода чисел, подлежащих сложению; вместо этого будет ряд переключателей. Роль дисплея для отображения результатов в этом сумматоре исполнит ряд лампочек.

Однако машина сумеет сложить два числа, и она сделает это фактически как компьютер.

Сложение двоичных чисел похоже на сложение десятичных. Если хотите сложить два десятичных числа, например 245 и 673, вы разбиваете задачу на более простые этапы. На каждом этапе складываете две десятичные цифры. В данном примере начинаете со сложения 5 и 3. Эта задача решается быстрее, если вы знаете таблицу сложения.

Большая разница между сложением десятичных и двоичных чисел заключается в том, что в случае с двоичными числами используется более простая таблица.

Если вы выросли среди дельфинов, вероятно, вы в школе учили эту таблицу, громко произнося:

0 плюс 0 равно 0,

0 плюс 1 равно 1,

1 плюс 0 равно 1,

1 плюс 1 равно 0, 1 в уме.

Вы можете добавить в эту таблицу нули так, чтобы каждый результат представлял 2-битное значение.

Таким образом, результатом сложения пары двоичных чисел являются два бита, которые называются разрядом суммы и разрядом переноса (1 плюс 1 равно 0, 1 в уме). Теперь мы можем разделить таблицу сложения двоичных чисел на две таблицы. Первая — для разряда суммы.

Вторая — для разряда переноса.

Сложение двоичных чисел удобно рассматривать так, поскольку наш сумматор выполняет операции суммирования и переноса отдельно. Для создания двоичного сумматора потребуется сконструировать схему, выполняющую эти операции. Работа исключительно в двоичной системе счисления значительно упрощает задачу, поскольку все части схемы — переключатели, лампочки и провода — могут представлять двоичные цифры.

Как и при сложении десятичных чисел, мы складываем двоичные числа столбец за столбцом, начиная с крайнего правого.

Обратите внимание: при сложении значений в третьем столбце справа 1 переносится в следующий столбец. Это происходит снова в шестом, седьмом и восьмом столбцах справа.

Какого размера двоичные числа мы хотим сложить? Поскольку мы создаем сумматор прямо в уме, то можем сделать так, чтобы он складывал очень длинные числа. Однако давайте будем благоразумными и ограничимся двоичными числами длиной до восьми бит, то есть будем складывать двоичные числа в диапазоне от 0000 0000 до 1111 1111 (десятичные от 0 до 255). Сумма двух 8-битных чисел может достигать двоичного значения 1 1111 1110 (десятичного значения 510).

Пульт управления нашим двоичным сумматором может выглядеть так.

На этом пульте есть два ряда по восемь переключателей. Этот набор переключателей — устройство ввода, которое мы будем использовать для ввода двух 8-битных значений. В этом устройстве выключенный переключатель (положение вниз) соответствует значению 0, а включенный (положение вверх) — 1, как в случае с настенными переключателями в вашем доме. Устройство вывода в нижней части пульта — ряд из девяти лампочек, которые отобразят результат сложения. Негорящая лампочка соответствует значению 0, горящая — 1. Нам требуется девять лампочек, поскольку сумма двух 8-битных чисел может быть 9-битным числом.

В остальном сумматор будет состоять из логических вентилей, соединенных различными способами. Переключатели будут активировать реле в логических вентилях, которые, в свою очередь, будут зажигать нужные лампочки. Например, если мы хотим сложить числа 0110 0101 и 1011 0110 (из предыдущего примера), включаем соответствующие переключатели.

Загоревшиеся лампочки показывают результат: 1 0001 1011. По крайней мере, мы на это надеемся. Мы ведь еще не собрали устройство!

В предыдущей главе я упомянул, что в этой книге буду использовать множество реле. Для 8-битного сумматора, который мы создаем, требуется не менее 144 реле — по восемнадцать для каждой из восьми пар битов, которые складываем. Если бы я показал готовую схему, вы бы наверняка испугались. Никому не под силу разобраться в схеме, состоящей из ста сорока четырех хитро соединенных реле. Вместо этого мы будем решать такую задачу поэтапно, используя логические вентили.