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 logička 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 računala / NI sklop. ( + / - )

U usporedbi s tablicama istine iz prethodnog poglavlja, jedini sklop koji ne obavlja logičku operaciju je s oznakom ' P ', PROPUSNIK (buffer). Njegova zadaća je da prenese stanje s ulaza na izlaz bez promjene, a zbog načina izrade elektroničkih logičkih sklopova koja su u osnovi skupina pojačala, u stanju je regenerirati ulazni impuls ako je došao izobličen, a djeluje i kao povratni ventil; u jednom smjeru propušta signal a u drugom smjeru ne propušta kao usmjerivač prometa. (o.a. naziv nije 'službeno' prihvaćen). Za ovakav način djelovanja ne može se reći da ' P ' logički sklop djeluje kao ispravljač. Prije bi se moglo ustvrditi da služi za odvajanje (razdvajanje) ili usmjeravanje slijeda impulsa.

Iz navedenog proizlazi da svaki logički sklop osim obavljanja logičkih operacija ujedno ima i regenerativnu funkcionalnost glede oblika impulsa. Povezivanjem logičkih sklopova u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu ostvaruju se pojedine zadaće kao aritmetičke operacije i druge. Na slici 2.4.2b prikazano je kako se je u samim začecima dizajnirao skup logičkih sklopova u bipolarnoj TTL (Transistor–transistor_logic) tehnologiji postavljenih u standardizirano plastično kućište, a na slici 2.4.2c prikazana je električna shema ' NI ' logičkog sklopa. Uzgred, sklopovi za civilnu uporabu imali su oznaku 7XXX, a sklopovi za vojnu uporabu oznaku 9XXX. Naravno, osnovna razlika je u temperaturnom rasponu rada i odstupanju od potrebitih parametara.

Više objedinjenih tranzistorskih jedinica u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu, postavljenih u zajedničko kućište, tvori INTEGRIRANI SKLOP (integrated circuit), poularno nazvan ČIP (chip). Danas se TTL tehnologija gotovo ne koristi, ipak moguće je naći integrirane sklopove, kao na slici 2.4.2b, ali u CMOS (Complemetary Metal Oxide Semiconductor) tehnologiji izrade i obično imaju oznaku 4XXX i 5XXX. CMOS tehnologija koristi unipolarne tranzistore koje odlikuje mnogo manja potrošnja i dimenzije, a koriste se i izvedbe s manjim kućištem. Izrada integriranih sklopova, kao što je sklop na slici 2.4.2b, količinski je znatno manja nego u doba primjene TTL tehnologije.

Današnji integrirani sklopovi sadrže mnogo više tranzistorskih elemenata nego nekad, a njihove logičke funkcije mnogo su složenije i svestranije, često su stoga napravljeni kao strogo namjenski integrirani sklopovi u skladu s zahtjevima i potrebama, a ne kao sklopovi opće namjene (dizajn prema potrebama - custom design), i sve više je integriranih sklopova koji su strogo namjenski dizajnirani, kao na primjer sklopovi za grafičku podršku, binarno računanje i upravljanje, analognu obradu signala, pretvaranje analogno signala u binarni slijed impulsa i još mnoštvo raznolikih složenih zadaća. Negdašnji radioprijemnik veličine kutije za cipele, danas se u osnovi realizira na temelju jednog jedinog integriranog sklopa veličine par milimetara, kome pripomaže par ulaznih nisko šumnih tranzistora za prijem VF signala s antene i naravno izlazno pojačalo za zvučnik koje je opet jedan integrirani sklop za pojačanje NF analognog signala koji izlazi iz prijemnika. Jedan od proizvoda takvih osobitosti je vrlo popularni MOBITEL. Više prostora zauzima njegova baterija, ekran i tipke, nego elektronički sklopovi koji su u njega ugrađeni.

Prikazani simboli na slici 2.4.2a i 2.4.2b 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. Od osnovnih logičkih sklopova moguće je dizajnirati i složenije logičke sklopove koji će se u računalu ponašati kao prilagodni elementi, usmjerivači prometa podataka, operativna spremišta podataka (registri), a jedan od osnovnih složenih uređaja je bistabil (flip-flop), logički sklop koji je u stanju po pobudi zapamtiti stanje do naredne pobude. Najjednostavniji sklop je ' RS ' bistabil prikazan na narednoj slici.

Slika* 2.4.3 Logička shema i tablica istine RS bistabila. ( + / - )

Bistabil ima dva ulaza i dva komplementarna izlaza. Oznaka 'S' (set) odnosu se na ulaz koji po njegovom aktiviranju (dovođenje logičke vrijednosti '1') postavljanje izlaza 'Q' na '1'. Oznaka 'R' (reset) odnosi se akciju koja postavljanja izlaz 'Q' na '0'. U tablici istine stanje izlaza bistabila pred promjenu označeno je s 'Q', a stanje nastalo po promijeni označeno je s 'Q+1'. Na ulaze je moguće dovesti četiri različite binarne kombinacije kako prikazuje tablica istine pri čemu kombinacija '1-1' nije dozvoljena jer je rezultat neizvjestan (oznaka 'X'). Kombinacija ulaza '0-0' znači da se postojeće stanje izlaza zadržava. Slika 2.4.3a prikazuje verziju bistabila koji stanja na izlazima mijenja odmah po prisutnosti stanja na ulazima, dok slika 2.4.3b prikazuje verziju bistabila koja stanja na izlazima mijenja prema stanjima na ulazima ali tek uz prisutnost kontrolnog impulsa (cp) iz generatora takta. Nadziranje operacija iz generatora takta omogućava sinkronizirano obavljanje više logičkih operacija, odnosno njihov istovremeni 'paralelni' rad. Kako je kontrolni takt treći ulazni parametar, u tom slučaju tablica istine trebala bi imati osam redaka, za njegova stanja '0' i '1'. No stanja koja pripadaju 'nulama' nisu od značaja tijekom rada bistabila jer se ništa ne mijenja, te stoga tablica istine nije proširena za još četiri reda.

Neizvjesnost u stanjima na izlazu nije osobitost stabilnog rada te je iz ' RS ' bistabila razvijen ' JK ' bistabil koji je nema, naime kombinacija '1-1' na ulazima znači izmjenu izlaznih stanja u suprotnu vrijednost od dotad postojećih stanja, a njegovu načelnu realizaciju i tablicu istine prikazuje naredna slika.

Slika 2.4.4 Logička shema i tablica istine JK bistabila.

Zajedničko svima navedenima je da se stanje s izlaza 'Q' vraća na ulaz koji po aktivnostima pripada suprotnom ulazu, te se ostvaruje pozitivna povratna sprega između izlaza i ulaza koja ima osobitost da pospješuje-podržava promjenu koja je nastala. Isto vrijedi za komplementarni izlaz. Zbog navedenog promjena stanja ovih logičkih sklopova odvija se strahovito brzo i ovo načelo koristi se kod izrade vrlo brzih radnih memorija. Osim toga iz ove osnovne vrste bistabila izvedene su ostale, na primjer kao uređaji za unošenje kašnjenja i slično. Ako se u povratnu spregu ukomponiraju otpornički i kondenzatorski elementi mogu se realizirati generatori takta, a uz uporabu kristala kvarca može se postići vrlo velika stabilnost radne frekvencije.

Primjer I

Realizacija zbrajanja binarnih brojeva u računalu:

Slika 2.4.5 Logička shema i tablica istine polusumatora.

Sklop na prethodnoj 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 prethodni 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 2.4.5 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 prethodnog sumatora. Jedna od mogućih realizacija sumatora (zbrajala) prikazana je na narednoj slici.

Slika 2.4.6 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 bit-a 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 zbrajanja 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.

Zbrajalo je izuzetno važan logički sklop digitalnog računala zbog činjenice da se sve matematičke operacije u konačnici svode na zbrajanje binarnih brojeva kako je opisano u poglavlju 2.3. Postoje i realizacije zbrajala za serijsko zbrajanje binarnih brojeva (bit po bit), koje se zbog sporosti u obradi podataka često ne koriste.

Primjer II

Generator takta izveden od logičkih NI sklopova:

Slika 2.4.7 Generator takta realiziran logičkim sklopovima.

TTL tehnologija izrade logičkih krugova jedna je od prvih koje su omogućile izradu učinkovitih integriranih krugova. U samim začećima integrirane tehnologije jedan jednostavan integrirani krug sadržavao je na primjer četiri NI sklopa u jednom kućištu, kao prema slici 2.4.2b, od kojih su u ovom primjeru tri uporabljena kao na slici 2.4.7. Napajanje je +5 V (Vcc) u odnosu na masu (GND). Otpornici R služe kao negativna povratna sprega između ulaza i izlaza logičkih sklopova glede postizanja njihove pojedinačne stabilnosti u radu, a kristal kvarca 'Q' kao 'LC' komponenta je pozitivna povratna sprega između prva dva slijedno vezana NI logička kola. +5 V na jednom od ulaza prikazanih 'NI' sklopova znači da su ti ulazi uvijek u stanju "1". TTL integrirani krug s četiri NI sklopa izrađivao se je od nekoliko tranzistora, otpornika i dioda po jednom NI sklopu (slika 2.4.2c) i imao je četrnaest nožica na koje su bili spojeni izvodi za napajanje i masu, te ulazi i izlazi pojedenih međusobno odvojenih NI sklopova. Povezivanje sklopova vršilo se je ožičenjem izvan kućišta. Već odavno ova tehnologija se ne koristi, ali načela uporabe i funkcionalnosti logičkih sklopova nisu se promijenila.

Na opisani način omogućena je samopobuda ulaza u prvi NI sklop od strane izlaza drugog NI sklopa u slijedu te stvaranje slijed impulsa koji se trećim NI sklopom prosljeđuje na izlaz i koji ujedno odvaja izlaz od generatora impulsa (prva dva NI sklopa) kako opterećenje izlaza ne bi remetilo stabilnost generatora. Ispravno odabran kristala kvarca i 'RC' vremenska konstanata određuju frekvenciju izlaznog signala.

Primjer III

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 2.4.7 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 prethodnih 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 izrezanoj od monokristalnog silicija (waferu) raznim elektrokemijskim metodama jetkanja i naparivanja različitih materijala i njihovom termičkom obradom dobivaju se elektronički logički sklopovi. Osvijetljeni 'pravokutnik' na slici 2.4.9 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 3.6 GHz' i 'Pentium®4 2.8 GHz', ali i različito naplaćuju.

Slika* 2.4.9 Izrada 'kolača' s integriranim krugovima. ( + / - )

Tehnologija izrade integriranih sklopova, odnosno MIKROELEKTRONIKA, presudni je čimbenik u razvoju, izradi i dizajnu računalnih sustava sutrašnjice. 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 90 nm ili 45 nm tehnologiji ili memorija u 30 nm tehnologiji i slično. Ove brojke su u osnovi dosegnuta granica u smanjivanju veličine elementarnih tranzistora ugrađenih u logičke jedinice INTEGRIRANIH KRUGOVA (čipova), a koji se prema namijeni nazivaju operaciono pojačalo, pojačalo snage, 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. Shodno sve većem prodoru mikroelektronike, životni ritam čovjeka sve je brži što ne mora imati pozitivne efekte. Što donosi budućnost pokazat će se.