Dvojhodnotové signály
Číslicová technika sa zaoberá tzv. číslicovými (logickými ) obvodmi. Sú to nelineárne obvody schopné zaujať dva stavy :
- logická 0 - vypnutý - bez napätia - L
- logická 1 - zapnutý - s napätím - H
Historicky tieto obvody môžu byť realizované : mechanické, elektronické relé, elektrónky, diódy ( polovodiče ), tranzistory, IO ( logické hradlá )
Bit a Byte
Bit - je základná jednotka informácie. => v podstate logické nuly alebo jednotky.
Byte - je osem bitová informácia. => v podstate osem miestny riadok núl alebo jednotiek.
Základné logické funkcie a ich realizácia
Logický súčet - OR
Y= A+B+...
Na výstupe je log. 1 vtedy, ak je aspoň na 1 vstupe log.1. Je to funkcia 2 a viac vstupných premenných.
Logický súčin - AND
Y= A.B
Je opäť funkcia 2 a viac vstupných premených. Je duálna k funkcii OR. Na výstupe je log.1 vtedy, ak na všetkých vstupoch je log. 1.
Pozn.: Duálna funkcia (na rozdiel od inverznej napr. YES -NOT kedy sú na výstupoch navzájom opačné hodnoty) je:
-OR: 0 na výstupe, ak sú vstupné samé 0
-AND: 1 na výstupe, ak sú vstupné samé 1.
Negácia log. súčtu - NOR
Y= A+B+...(celé negované)
Je funkcia 2 a viac vstupných premených. Je inverzná k OR. Na výstupe je log.1 vtedy, ak na všetkých vstupoch je log.0,
(alebo: na výstupe je log.1 vtedy, ak na žiadnom vstupe nieje log.1).
Negácia log.súčinu – NAND
Y= A.B (A a B sú negované)
Je funkcia 2 a viac vtup. premenných. Je inverzná k AND a duálna k NOR. Na výstupe je log.1, ak aspoň na 1 vstupe je log.0,
(alebo: Na výstupe je log.1, ak nie je log.1na všetkých vstupoch).
Ekvivalencia
Funkcia 2 vstupných premenných (alebo viac). Na výstupe je log.1 vtedy, ak je na vstupoch rovnaká hodnota
Nonekvivalencia – XOR
Funkcia 2 vstupných premenných (a viac). Je inverzná k ekvivalencii. Na výstupe je log.1 vtedy, ak sú na vstupoch rozdielne hodnoty
Kombinačné logické obvody
Logické obvody môžu byť realizované - mechanickými obvodmi, spínačmi, elektrónkovými alebo polovodičovými diskrétnymi súčiastkami, rôznymi alebo jednotnými polovodičovými log. členmi, pomocou ďalších obvodov (napr. multiplexormi alebo pamäťami), pomocou programovateľných logických polí (PLA), programovo (mikroprocesorovými obvodmi), pomocou zákaznícky alebo sériovo vyrábaných obvodov.
Za logické obvody považujeme také zapojenia, ktoré vykonávajú logické funkcie. Postup vyhľadávania logickej funkcie sa nazýva logická operácia. Z hľadiska funkcie delíme logické obvody na kombinačné a sekvenčné.
Multiplexor (digitálny)
Je obvod, ktorý signál privedený na 1 z viacerých vstupov (kanálov), ktorý je vybraný adresou v binárnom kóde privedie na jediný výstup. Je to teda v podstate elektronický prepínač, ktorý prepína vstup určený binárnou adresou k jedinému výstupu.
Digitálny multiplexor samozrejme "prepína" len 0. a 1. označuje sa MUX alebo MX. Existuje i analógový multiplexor, ktorý dokáže rovnako prepínať i analógové signály. Ten sa označuje AMX. Vzťah medzi počtom vstupov (kanálov) = k, a počtom adresných vstupov = A, je podľa očakávania
Sčítačka je základom tzv. aritmetickej- logickej jednotky mikroprocesora spolu s logickými obvodmi a pamäťovými registrami, čo je základom počítača. Robí aritmetické a logické operácie. V podstate sčituje dve čísla v dvojkovej sústave ostatné operácie sa môžu robiť programovo ako aj vieme najzložitejší výpočet sa dá previesť na rád sčítaní. Pre zrýchlenie výpočtov sa niektoré funkcie môžu robiť i hardwarovo alebo pridať špeciálnu aritmetickú jednotku, matematický koprocesor (od 486 je priamo súčasťou procesora). Sériová sčítačka je pomalá pri 64-bit. Sčítačke treba na spočítanie 64-krokov, pretože pre sčítanie každého rádu musíme v predošlom kroku vypočítať prenos – nemôžeme teda viacerí súčasne sčitovať viaceré rády. Preto vznikne takzvaná paralelná sčítačka. Tá pracuje na princípe, že dopredu sa vypočítajú všetky prenosy pre každý rád, farebne ako funkcia všetkých nižších bitov (sčítancov).
Príklad: vieme, že prenos do prvého rádu C1 závisí od bitov A0 a B0 prenos do druhého rádu C2 závisí od A0,B0,A1 a B1. Potom sa môžu súčasne paralelne sčítať všetky rády (už máme dopredu spočítané všetky prenosy). Výpočet akejkoľvek sčítačky bude teda potrebovať len dva kroky. Čo výpočet a tým i prácu číslicových zariadení – počítačov veľmi zrýchli. Takáto sčítačka je však oveľa zložitejšia.
Sekvenčné logické obvody
Sú také, u ktorých je výstupná hodnota v každom časovom okamihu závislá od kombinácie okamžitých hodnôt vstupných premenných (ak existujú) a súčasne od hodnoty výstupnej premennej v predošlom časovom okamihu. Je to teda obvod so spätnou väzbou - výstupná hodnota sa stáva jednou zo vstupných hodnôt (alebo jedinou). Veľkosť časového okamihu pojmu predošlá výstupná hodnota je daná technologickým oneskorením obvodu, ak treba, môže byť umelo zväčšená (napr. pomocou RC obvodu s časovou konštantou t=R.C). SLO majú teda "akúsi pamäť predošlej výstupnej hodnoty".
Asynchrónne logické obvody sú obvody, v ktorých sa logické rozhodovanie deje v časove nesúvisiacich (asynchrónnych) okamžikoch.
Synchrónne logické obvody sú obvody, v ktorých sa logické rozhodovanie deje v časove označených synchrónnych okamžikoch. U synchrónnych obvodov sú signály na vstupoch pamäťových členov definované v krátkych okamžikoch, obmedzených synchronizačnými impulzmi alebo sa informácia zo vstupu pamäťového obvodu prenáša na jeho výstup len v závislostí na týchto impulzoch
Sekvenčné logické obvody môžeme rozdeliť na
2 typy:
- Sekvenčný logický obvod typu MEALI
Majú ako vstupné premenné predošlú výstupnú hodnotu a "vonkajšie" vstupné hodnoty
- Sekvenčný logický obvod typu MOORE
Majú ako vstupné premenné len predošlú výstupnú hodnotu
Bystabilné klopné obvody, čítače a posuvné registreBystabilné klopné obvody
Je to statické polovodičová pamäť, ktorá sa označuje ako
FLIP-FLOB. Charakterizujú ju dva stabilné stavy
H a
L na výstupe. Pôvodný stav sa označuje Q0 a nasledujúci Q. V pravdivostnej tabuľke BKO sú zahrnuté rôzne stavy pre úrovne na vstupoch :
Q=Q0- KO nezmení svoj stav
Q=Q0negované- KO sa preklopí do opačného stavu
Q=H- výstup KO dosiahne úroveň H
Q=L- výstup KO dosiahne úroveň L
Q=X- KO sa preklopí do ľubovoľného stavu (tomu sa zabraňuje)
Preklápací obvod sa nuluje a nastavuje pomocou vstupov R a S. Nemá ďalší vstup pre synchronizačné impulzy, preto je asynchrónny KO. Preto existuje druhý preklápací obvod so vstupom T kam privádzame synchronizačné impulzy.
Posuvné registre
Posuvný register je reťazovo zapojený pamäťový obvod. Na rozdiel od pamätí RAM v ktorých sú adresovateľné jednotlivé bunky,
informácia uložená v bunkách jedného reťazca sa považuje za nedeliteľný celok.
Rozdelenie:1.Statické - uchovávajú informáciu ľubovoľne dlho.
2.Dynamické - uchovávajú informáciu len po určitú dobu ktorú označujeme Tmin.
Posuvný register sa požíva na prevod z paralelnej formy na sériovú a naopak. V operačných pamätiach a ďalej ako pamäte v triediacich zariadeniach.
Pamäťové obvody
Pamäť slúži na ukladanie spracovávaných informácií pozostávajúcich z dát a programov (jednotlivých inštrukcií programu). Organizačne si pamäť môžeme predstaviť ako maticu miniatúrnych elektronických prvkov. Každá z týchto buniek môže nadobúdať stav 0 alebo 1 a je tak nositeľom informácie o veľkosti jedného bitu jednorozmernej tabuľky, pričom jednotlivé položky-bunky majú svoje poradové číslo (adresu). Tieto jednotlivé položky-bunky obsahujú hodnoty (dáta), ktoré môžeme čítať, ale aj meniť. Konkrétnej adrese je priradená len jedna položka (hodnota) a taktiež konkrétna položka má len jednu svoju adresu.
Vlastnosti pamäte:Kapacita - Udáva sa v násobkoch a združených jednotkách najmenšej veľkosti pamäti - jeden bit. Je to veľkosť pamäti, ktorá dokáže uchovať jeden znak, alebo dvojkové číslo.
Organizácia pamäti - NxM bitov (je daná pevne výrobcom), napr. 256x1 bit, najčastejšie sa upravuje na veľkosť údajovej
zbernice, napr. veľkosť pamäti je 512 kbitov a jej organizácia je 64kbitov x 8 bitov
Prístupová doba - predstavuje čas od prijatia adresy pamäťou po vydanie údajov danej pamäťovej bunky na vývody pamäti. Tento čas charakterizuje ako maximálnu rýchlosť pamäti.
Flash pamäte
Flash pamäť, celým menom
Flash-EEPROM, je zrýchlená EEPROM. V porovnaní s klasickou EEPROM dovoľuje zapisovať (mazať) do viacerých častí pamäte v jednej operácii programu, tzn. vyššiu rýchlosť zápisu. Flash pamäť je - podobne ako EEPROM - nevolatilná, teda (na rozdiel od klasickej RWM) uchováva obsah pamäte aj bez napájania elektrickou energiou. Flash pamäte sa bežne používajú v pamäťových USB diskoch, prenosných MP3 prehrávačoch, pamäťových kartách v digitálnych kamerách a mobilných telefónoch atď. Technicky sa pamäťové bunky Flash pamäte realizujú ako ochudobňovaní NMOS tranzistor
s dvomi hradlami nad sebou - riadiace hradlo je na vrchu a druhé, tzv. plávajúce hradlo (angl. floating gate), ktoré je samotným nosičom informácie, je pod ním odizolované zdola aj zhora (aj zo všetkých strán). Pomocou horného hradla sa tunelovým javom nainjektujú do dolného hradla elektróny, ktoré tam ostanú uväznené - tie potom vytvárajú pole, ktoré ochudobňuje prechod. Najjednoduchšie FLASH bunky poznajú len stav 1-0, t.j. prepúšťa neprepúšťa. Modernejšie bunky používajú viac úrovní náboja na plávajúcom hradle, čím dá uložiť naraz viac bitov, prípadne analógová hodnota, v jednej bunke. Vybíjanie plávajúceho hradla (t.j. mazanie) prebieha tiež tunelovým javom.
Operačné pamäte
Pamäti typu RAM umožňujú častý výber a záznam dát, preto sa používajú hlavne ako operačná pamäť. Operačná pamäť býva realizovaná pamäťami typu DRAM a to hlavne z dôvodu nízkej ceny. Informáciu uloženú v tomto druhu pamäti je nutné obnovovať (refresh), lebo by sa uložené dáta stratili. Je to podmienené princípom funkcie tejto pamäti. Obnovovanie dát je realizované pasívnym vyčítavaním, čo zapríčiňuje čakacie stavy procesora (wait state) a pokles výkonu.
Ďalším typickým predstaviteľom využitia pamäti typu RAM v počítači je pamäť cache, ktorá predstavuje vyrovnávaciu pamäť. Býva realizovaná pamäťami typu SRAM. Zavedenie vyrovnávacej pamäti je hlavne z dôvodu veľkej rýchlosti procesora a malej rýchlosti dynamických pamätí použitých v operačnej pamäti. Slúži ako medzičlánok pri predávaní údajov medzi procesorom a operačnou pamäťou. Pamäť cache sa často používa ako dvojúrovňová: L1 - interná implantovaná priamo v procesore (jej veľkosť je obmedzená veľkosťou plochy čipu) a L2 - externá pamäť (SRAM, prístupová doba
