2.4.2. Osnovni logički sklopovi računala

Razvoj digitalnih računala usko je povezan s razvojem tehnologije izrade integriranih sklopova, koja omogućava nebrojne mogućnosti kreacije spojeva logičkih sklopova u jednom kućištu vrlo malog volumena.

Na ulaze logičkih integriranih sklopova dovode se impulsi nad kojima se želi izvršiti operacija, a rezultat operacije se očituje na izlazu odmah po promjeni ulaznog stanja ili po dopuštenju kojim upravlja nekakav generator takta.

Slika 2.4.2 Osnovni logički sklopovi digitalnog računala.

Povezivanjem logičkih sklopova u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu ostvaruju se pojedine zadaće kao aritmetičke operacije i druge.

Prikazani simboli na slici 2.4.2 uvriježeni su u anglosaksonskoj stručnoj literaturi, iako se mogu susresti i drugačije ali slične oznake. No za ilustraciju označavanja i crtanja logičkog sklopovlja dovoljni su i primjeri sa slike.

Primjer I

Realizacija zbrajanja binarnih brojeva u računalu:

Slika 2.4.3 Logička shema i tablica istine polusumatora.

Sklop na predhodnoj slici obavlja samo operaciju zbrajanja bez prijenosa prikazanog na izlazu 'C'. Sklop će obaviti zadaću za nulti bit binarnog broja (prva znamenka). Da bi se prijenos obuhvatio pri zbrajanju uz naredne bit-ove binarnog broja (daljnje znamenke) to znači da se izlaz 'C' mora pridružiti ulazima 'A' i 'B' za svaku narednu znamenku, odnosno jedan polusumator vršio bi binarno zbrajanje znamenki, a drugi bi polusumator izračunatom zbroju pridodao predhodni prijenos i tako za svaku narednu znamenku.

Ako bi se prilikom zbrajanja posljednje znamenke pojavio preljev, isti bi se pohranio u statusnom registru (spremniku) mikroprocesora i korisniku bi se ova pojava signalizirala u vidu nekakve poruke.

Polusumator na slici 2.4.3 obavlja samo operaciju zbrajanja dva bit-a. Da bi se prijenos obuhvatio pri zbrajanju bit-ova veće težine potrebna su tri ulaza. To znači da se potpuni sumator sastoji od dva polusumatora od kojih jedan vrši binarno zbrajanje, a drugi pribraja prijenos koji dobiva od predhodnog sumatora. Jedna od mogućih realizacija sumatora (zbrajala) prikazana je na narednoj slici.

Slika 2.4.4 Realizacija zbrajala za binarne brojeve 'A' i 'B'.

A₀ i B₀ su bitovi najmanje težine te nema potrebe da se na ulaz C₀ dovodi prijenos. Rezultat zbrajanja je S₀. Druga dva bita brojeva 'A' i 'B' dolaze na ulaze A₁ i B₁, a prijenos C₁ na ulaz drugog potpunog sumatora. U prvom polusumatoru drugog sumatora zbrajaju se binarne znamenke A₁ i B₁, a njihovoj sumi pribraja se u drugom polusumatoru prijenos C₁ (1 ili 0, ovisno o ishodu računa). Rezultat zbrajanj je S₁, a prijenos C₂ ide u naredni potpuni sumator. PRELJEV nastao prilikom zbrajanja pohranjuje se u registru (spremniku) STATUSA mikroprocesora.

Broj potpunih sumatora odgovara broju bit-ova u binarnim brojevima 'A' i 'B' s kojima se vrši računska operacija. Ulaz svih bit-ova je ISTOVREMEN te se stoga za ovakav binarni sumator (binarno zbrajalo) kaže da vrši PARALELNO zbrajanje.

Postoje i realizacije zbrajala za serijsko zbrajanje binarnih brojeva (bit po bit), koje se zbog sporosti u obradi podataka često ne koriste.

Primjer II

Realizacija binarnog brojila:

Jedna od osnovnih kombinacija logičkih sklopova u digitalnoj tehnici je impulsno brojilo. Zadaća mu je pored binarnog brojanja i dijeljenje frekvencije. Osnovni element brojila je bistabil. Najjednostavniji primjer u izvedbi s T-bistabilom prikazan je na narednoj slici.

Slika 2.4.5 Asinkrono binarno brojilo.

T-bistabil ima osobinu, prema izvedbi na slici, da mijenja stanje na izlazu pri svakom prelasku ulaznih impulsa iz stanja "1" u stanje "0". Ako se izlaz iz jednog bistabila uporabi kao ulaz u drugi osim efekta dijeljenja frekvencije, što si vidi prema duljini impulsa na svakom od izlaza, binarne kombinacije na izlazima bistabila daju upravo binarni vrijednost broja impulsa koji su pridošli na ulaz u brojilo.

Brojilo s tri bistabila brojati će do 2³=8. S većim brojem bistabila i međusobnim povratnim spregama s izlaza jednog prema ulazu nekog od predhodnih može se postići brojanje do deset.

Brojila imaju osobito veliki značaj pri dizajnu elektroničkih komponenti za mjerne svrhe. I samo digitalno računalo u svojoj konstrukciji sadrži nekoliko brojila od kojih rad jednog od njih prepoznajemo kroz prikaz datuma i vremena na monitoru računala.

SAŽETAK:

Logički sklopovi povezani u raznolike funkcionalne cjeline sastavni su dio računala i njegovih dodatnih uređaja. Razvoj logičkih sklopova i projektiranje logičkih cjelina je u uskoj vezi s razvojem tehnologije kojoj je opći cilj da se u što manjem volumenu smjesti što više logičkih sklopova i da im je brzina rada što veća. Takav skup sklopova, smješten u zajedničkom kućištu s izvodima za spajanje s okolišem, popularno se naziva INTEGRIRANI SKLOP - 'ČIP' (u žargonu - žohar), i nerijetko sadrži tisuće logičkih sklopova koji izvršavaju razne INSTRUKCIJE date računalu brzinom čak do sto miliona instrukcija u sekundi (100 MIPS-a).

Tehnologija izrade temelji se na izradi skupine od više stotina istovrsnih integriranih sklopova odjednom. Na osnovnoj podlozi (wafer) raznim elektrokemijskim metodama jetkanja i naparivanja različitih materijala i njihovom termičkom obradom dobivaju se elektronički logički sklopovi. Osvijetljeni 'pravokutnik' na slici 2.4.6 predstavlja jedan od mnoštva istovjetnih sklopova s okrugle pločice. Kada se 'pravokutnici' razlome u zasebne cjeline postavljaju se u kućišta s nožicama i zlatnim nitima povezuju se kontakti sklopa s nožicama (pin-ovima) kućišta. Prije ugradnje u kućište testiraju se na ispravnost te potom još jednom kad se ugrade u kućište. Kako svi 'pravokutnici' nisu na istom mjestu u kolaču neki su bolje 'ispečeni' te pokazuju bolje osobine tijekom rada. Prilikom testiranja neki se trajno oštete. Oni koji su prošli testove naplaćuju više od iste 'braće' koja je eventualno prošla testove bez oštećenja ali ne zadovoljava zadane kriterije u punoj mjeri. Stoga se i različito označavaju, na primjer 'Pentium®4 3.6GHz' i 'Pentium®4 2.8GHz', ali i različito naplaćuju.

Slika* 2.4.6 Izrada 'kolača' s integriranim krugovima.

Tehnologija izrade integriranih sklopova, odnosno MIKROELEKTRONIKA, presudni je čimbenik u razvoju, izradi i dizajnu računalnih sustava sutrašnjice. Nepobitno je da je u našem svakodnevnom životu računalo sve prisutnije, od rashladnog uređaja, perilice pa nadalje, a sve us svrhu da nam olakša svakodnevne zadaće. No shodno sve većem prodoru mikroelektronike, životni ritam čovjeka je sve brži što ne mora imati pozitivne efekte. Što donosi budućnost pokazat će se.

Osnovna pretpostavka mikroelektronike je kako u što manje mjesta staviti što više elektroničkih komponenti od kojih su integracijom pojedinih dobivaju različiti logički sklopovi koji opet integrirani u jednu jedinstvenu funkcionalnu cjelinu mogu izvršiti namijenjene im zadaće. Veličina pojedinih komponenti ovisi o osobitostima primijenjenih materijala, načinu njihove tehnološke obrade, predviđene radne frekvencije (takta) i još podosta drugih faktora. Uglavnom se spominju mikro-metarske i nano-metarske tehnologije, recimo mikroprocesor u 90nm ili 45nm tehnologiji ili memorija u 30nm tehnologiji i slično. Ove brojke su u osnovi dosegnuta granica u smanjivanju veličine tranzistora ugrađenih u logičke jedinice INTEGRIRANIH KRUGOVA (čipova), a koji se prema namijeni nazivaju operaciono pojačalo, mikroprocesor, grafički procesor, čipset, memorijski čip i slično.

Nepobitno je da je u našem svakodnevnom životu računalo sve prisutnije, od rashladnog uređaja, perilice pa nadalje, a sve u svrhu da nam olakša svakodnevne zadaće. No shodno sve većem prodoru mikroelektronike, životni ritam čovjeka je sve brži što ne mora imati pozitivne efekte. Što donosi budućnost pokazat će se.