📚 Elmélet: Digitális technika
Utoljára frissítve: 2024. 07. 16. 13:25:49
A digitális technika jelenti modern világunk alapját. Szinte minden eszközünk, a számítógépek, a telefonok, még a mikrók és a porszívók is mint digitális technikára épülnek. A digitális technika nélkül nem lennének weboldalak, számítógépes játékok, Youtube, Tiktok, de gyors bankok, könnyen induló autók, de még időzíthető klímák se.
A Boolean algebra
A digitális technika arra az alapelvre, épül, hogy a legegyszerűbb információ a van/nincs páros. Ez mindenféle rendszerben nagyon jól alkalmazható. Van-e levegőnyomás, vagy nincs, világít-e valami vagy nem, folyik-e áram vagy nem, van-e elég magas feszültség vagy nincs. Főleg utóbbi kettő (pontosabban három) ami megalapozza a modern elektronikai rendszereket.
Elektronikában a két érték kifejezhető két feszültségértékkel. Az egyik rendszerint 5V, a másik 0V. Attól függően kivel beszélünk a következő neveik lehetnek ezeknek az értékeknek (ezek a nevek mind egyenértékűek, egymás szinonimái):
| 0V | 5V |
| logikai 0 | logikai 1 |
| alacsony | magas |
| low | high |
A boolean algebrában a "sima" matekkal szemben csak három művelet van. Ezek az ÉS, a VAGY és a NEM.
A NEM a legegyszerűbb, 0-ból 1-et, 1-ből 0-t csinál.
Az ÉS kb. ugyanaz mint a matematikai szorzás. Ha mind a két érték 1, akkor 1*1=1, ha bármelyik nulla, akkor bármi nullával szorozva 0.
A VAGY nagy vonalakban a matematikai összeadásra hasonlít, azzal a különbséggel, hogy csak két rétékünk vagy. Tehát 0+0 = 0, 1+0=1, de viszont 1+1=1.
Logikai kapuk
A digitális világ alapkövei a logikai kapuk, melyek tranzisztorokból és/vagy diódákból épülnek fel. Használatukkal bármi megvalósítható az egyszerű villogótól kezdve a legmodernebb processzorokig. Többféle alapművelet létezik, de mindössze 3 segítségével mindent meg lehet oldani. Természetesen az összes típusból gyártanak kapukat.
Minden kapunak van legalább 1 bemenete, illetve 1 kimenete. A bemeneteket az ábécé első betűivel (A,B,C...) szokás jelölni, míg a kimenetet Q, Y vagy F jelöli.
UGYANAZ kapu
Ez a kapu látszólag semmi nem csinál, ugyanazt az értéket adja vissza, ami a bemenetén is van. Jellemzően jelerősítésre, máshogy fogalmazva ismétlésre használják, ezért jelét is a műveleti erősítőtől örökölte meg - egy háromszög.
Igazságtábla:
| A | Q |
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
NEM kapu - NOT gate
Más néven inverter. Működése nagyon egyszerű. A bemenetet invertálja, logikailag tagadja. Azaz ha a bemeneten 1-es érték volt, akkor a kimeneten 0 lesz, illetve ha 0 volt akkor 1 lesz. Ez a három legfontosabb kapu közül az első. Ha egyenletben szeretnénk jelölni a tagadást, akkor azt egy felülvonással tehetjük. Ez az egyetlen kapu aminek csak egy bemenete van. Jele az UGYANAZ kibővítése, a tagadást mind bemeneten mind kimeneten egy kis körrel jelöljük.
Igazságtábla:
| A | Q |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
ÉS kapu - AND gate
Két vagy több bemenete lehet. A kimeneten a bemenetek ÉS kapcsolatát valósítja meg. Ez azt jelenti, hogy a kimenet akkor lesz Igaz ha MINDEN bemenet Igaz. Minden más esetben a kimeneten Hamis érték lesz. Jelölése F=A·B
Igazságtábla:
| A | B | Q |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
VAGY kapu - OR gate
Két vagy több bemenete lehet. A kimeneten a bemenetek VAGY kapcsolatát valósítja meg. Azaz a kimenet akkor lesz Igaz ha legalább egy bemenet Igaz, különben Hamis. Vagy ha jobban tetszik, a kimenet csak akkor Hamis, ha minden bemenet Hamis. Minden más esetben a kimenet Igaz lesz. Jelölése F=A+B
Igazságtábla:
| A | B | Q |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 |
0 |
1 |
| 1 |
1 |
1 |
Tipp!
Ezen az oldalon a szimulációk interaktívak, a bemenetre kötött H és L betűkre kattintva tudod változtatni a bemeneteket!
NEM-VAGY kapu - NOR gate
Hasonló egy VAGY kapuhoz ahogy a neve is árulkodik. Annyi a különbség, hogy a kimenete mindig a sima VAGY kapu ellentettje (negáltja). Azaz ha egy VAGY kapu igazat adna, akkor a NOR kapu hamisat fog. A három legfontosabb kapu közül a második. Na de miért nem a sima VAGY kapu a fontosabb, minek kell bonyolítani az életet még egy tagadással is? A tranzisztorok világában egy NOR kapcsolatot sokkal egyszerűbben (olcsóbban) lehet megcsinálni. Sőt, a beépített tagadás miatt még inverterként is lehet használni ügyes tervezéssel, míg ezt egy sima OR kapuval nem lehetne.
Igazságtábla:
| A | B | Q |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
NEM-ÉS - NAND gate
A név itt is árulkodik egy kicsit. A NAND kapu kimenete pont egy AND kapu kimenetének az ellentettje. Azaz a NAND kapu akkor ad hamisat ha minden bemenete Igaz. A három legfontosabb kapu közül az utolsó.
Igazságtábla:
| A | B | Q |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 |
1 | 0 |
Funkcionális blokkok
A funkcionális blokk mint fogalom nem egy alkatrészt hanem az alkatrészek egy nagyon nagy csoportját jelenti. Alapvetően minden olyan digitális integrált áramkört funkcionális blokknak hívunk, ami bonyolultabb, mint egy logikai kapu.
A funkcionális blokkok a logikai kapuk egyfajta továbbfejlődése. Amikor a mérnökök és fejlesztők feltalálták a tranzisztort, sok rutinfeladatokhoz mindig ugyanazokat a kapcsolásokat kellett megépíteniük, így jöttek létre a műveleti erősítők és a logikai kapuk mint önálló, tokozott alkatrészek. Természetesen a fejlődés nem állt meg és a mérnökök már logikai kapukból is elkezdték a bonyolultabb, de újra rutinszerű kapcsolásokat létrehozni - ilyenek például a különböző tárolók (regiszterek), útválasztók (multiplexerek és dekódolók), digitális összehasonlítók, stb. Funkcionális blokkoknak akár más funkcionális blokkok is lehetnek az építőkövei. Ha nagyon szigorúan nézzük, a mai modern processzorok is (elképesztően bonyolult) funkcionális blokkok.
Attól függően, hogy egy funkcionális blokk mennyire számít bonyolultnak (ez nagyjából arányos azzal, hogy mennyi tranzisztor kell a megépítéséhez) különböző kategóriákba lehet őket sorolni
- SSI (Small scale integration - kis bonyolultság): általában csak pár, maximum 20-30 tranzisztort tartalmaz. A legtöbb logikai kapu és alap funkcionális blokk ide sorolható.
- MSI (Medium scale integration - közepes bonyolultság): legfeljebb pár száz tranzisztorból álló kapcsolások. Ilyenek például a nagyobb léptetőregiszterek, útválasztók.
- LSI (LArge scale integration - nagy bonyolultság): itt már akár több tízezer tranzisztor is lehet egy IC-ben, ami mikrokontrollerekhez, multiméter-vezérlő áramkörökhöz, LCD-kijelző áramkörökhöz is elég.
- VLSI (Very large scale integration - különösen nagy bonyolultság): ennek a kategóriának a technológia fejlődése miatt nincs konkrét határa, de 2020-ban 30-40 milliárd tranzisztornál járunk. FPGA-k, modern Intel és AMD processzorok, AMD és nVidia grafikus chipek tartoznak ide, sok más, nagybonyolultságú, általában programozható eszközök mellett.
Alapvető funkcionális blokkoknál további csoportosítás szokott lenni, hogy aszinkron vagy szinkron
működésűek-e. Ha egy blokk aszinkron működésű, akkor bármilyen változás
a bemenetén azonnal változást von maga után a kimenetén. Szinkron
eszközök esetén mindig van egy úgynevezett órajel, aminek a változását
be kell várnia az eszköznek, csak az órajel változása esetén változhat a
kimenete. Mára az az általánosan elfogadott jótanács alakult ki, hogy aszinkron funkcionális blokkokat ne használjunk digitális kapcsolásokban.
A latch ("retesz")
A latch (magyarul retesz, de nem nagyon használják a magyar kifejezést) Egy olyan eszköz, aminek két bemenete és egy kimenete van. A bemenetek közül az egyik az adat, a másik a kapu. Ha a kapu logikai igaz állapotban van, akkor a kimenet és a bemenet közvetlenül össze van kötve. Ha a kapu logikai hamis, a kimenet megtartja az utolsó bemeneti értéket (igaz vagy hamis).
Tipp!
A latch alapmködéséből adótóan aszinkron eszköz és manapság már elég ritka, de speciális esetekben még mindig használják.
A flip-flop
A flip-flop (ami kb. úgy fordítható hogy "ide-oda", rövidítve gyakran FF), egy olyan eszköz, ami memóriaként tud működni, azaz valamilyen módon meg tudja tartani az egyszer megkapott értékét. Több típusa létezik, ebből a legfontosabbak a D (Data, adat), T (Toggle, váltó) és JK (fenetudja miért pont ez a két betű :D).
A FF-nek általában van egy bemenete, egy órajele, és egy kimenete. Ha az órajel hamis-magas jelváltozást produkált (az ilyet nevezzük felmenő élnek). A D-FF az órajel ilyen változására a kimenetre "elmenti" az aktuális bemenetet. A T-FF esetében, ha a bemenet igaz, invertálja a kimenetet; ha hamis, megtartja a meglévő állapotát.
Tipp!
A D-FF-nek a számítástechnikában kiemelt jelentősége van, mert működése gyakorlatilag 1 bit RAM-nak felel meg. A processzorok cache (gyorsítótár) memóriája a mai napig D-FF-eből épül fel.
A JK-FF egy univerzális FF, bármilyen másik szinkron FF-et tud helyettesíteni. Mivel a JK-FF-nek két bemenete van ezért összesen négyféle kombinációból lehet választani:
- Ha J és K is hamis, akkor a kimeneten marad a meglévő érték,
- Ha J hamis de K igaz, a kimenetre hamis kerül
- Ha J igaz de K hamis, a kimenetre igaz kerül
- Ha J és K is igaz, a kimenet negálódik
A regiszter
A regiszter
nem más mint 8-14-26 D-FF összepárosítva. A könnyebb kezelés érdekében
az róajeleik össze van kötve egy közös jelre, így az IC-n a lábak száma
kevesebb tud lenni és magát az eszközt is könnyebb kezelni.
Leggyakrabban adattárolásra használják.
A léptetőregiszter
A léptetőregiszter a sima regiszter egy speciális fajtája. Itt az órajel hatására ugyanis az egyes FF-ek értékei jobbra vagy balra el tudnak csúszni.
Ezt főleg párhuzamos-soros átalakításra szokták használni, de pl. a hírek Knight-Rider fényeffektben is ilyen használtak.
Az útválasztók: multiplexer és a dekóder
Feltöltés alatt :(