Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen

Transkriptio

1

2 Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen rakentamisessa? Lasse Lensu 2

3 Transistori yhdessä muiden elektronisten komponenttien kanssa voi toimia sähkövirran vahvistimena, mutta myös sähköisenä kytkimenä. Sopivalla tavalla yhdistetyt kytkimet (sähkövirta kulkee tai ei kulje) muodostavat yksinkertaisia piirejä, jotka toteuttavat jonkin totuustaulun ja Boolen funktion. Näiden loogisten porttien avulla on mahdollista toteuttaa loogisia lausekkeita Lasse Lensu 3

4 Tietojenkäsittelyn perusteet II Tietokoneen rakenne Lasse Lensu 4

5 Tietokoneen rakenne Lasse Lensu 5

6 Tietokoneen komponentteja Boberg J 2010 Alaoutinen S 2008 Ikonen L 2011 Aritmeettis-looginen yksikkö: Laskutoimitukset Loogiset vertailut Muisti Väylät Kello Syöttö ja tulostus Lasse Lensu 6

7 Yhden bitin yhteenlasku Logiikkapiiriä, joka suorittaa yksibittisten lukujen yhteenlaskun, sanotaan puolisummaimeksi (engl. half adder). Piiri saa syötteekseen kaksi yksibittistä lukua A ja B, ja tuottaa tuloksenaan niiden summabitin S sekä muistibitin C. Kokosummain ottaa syötteenä myös olemassaolevan muistibitin, eli summaa kolme yksibittistä lukua A, B ja C, tuottaa summabitin S sekä uuden muistibitin C' Lasse Lensu 7

8 Puolisummain Lasse Lensu 8

9 Kokosummain Lasse Lensu 9

10 Yhteenlaskupiirit Yleinen n-bittisten binäärilukujen yhteenlaskupiiri saa syötteenään kaksi n bitin jonoa x = x n-1 x n-2 x 0, y = y n-1 y n-2 y 0 ja palauttaa tuloksenaan näiden summajonon z = z n z n-1 z n-2 z 0. x n-1 y n-1 x 1 y 1 x 0 y 0 c 2 c 1 c n-1 0 z n z n-1 z 1 z Lasse Lensu 10

11 Vähennyslasku Puolivähennin A B Bo Di Lasse Lensu 11

12 Kiikut Kiikku on loogisista porteista rakennettu piiri, joka muistaa yhden bitin (vaihtoehtoisia toteutustapoja). Kiikut voidaan jakaa asynkronisiin (salpa; latch) ja synkronisiin (flip-flop). Synkroninen kiikku muuttaa tilaansa vain kellosignaalin muuttuessa Lasse Lensu 12

13 Kiikut Vaihtoehtoisia toteutustapoja: Lasse Lensu 13

14 Kiikun käyttö Asetetaan kiikulle arvo (ylempi syöte 1): Lasse Lensu 14

15 Kiikun käyttö Kiikun arvo asettuu ja säilyy: Lasse Lensu 15

16 Kiikun käyttö Kiikun arvo säilyy edelleen vaikka ylempi sisääntulo muuttuu: Lasse Lensu 16

17 Rekisteri Käytetään esimerkiksi bittijonon/sanan tallettamiseen ja rinnakkais-sarja muunnoksiin. Rakentuu kiikuista: Lasse Lensu 17

18 Väylät Tietokoneen eri komponentteja yhdistävät väylät, jotka välittävät tietoa komponenttien välillä: Väylän leveys n (johtimien lukumäärä) on yleensä sama kuin tietokoneen sanakoko. Väylät voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: Osoiteväylä: viittaus haluttuun muistipaikkaan Data-/tietoväylä: välitettävä tieto Ohjausväylä: eri komponenttien toiminnan ohjaaminen Lasse Lensu 18

19 Kello Tietokoneen komponentit vaativat ohjaussignaalin toimiakseen synkronoidusti (oikea-aikaisesti). Ohjaussignaali määrää esimerkiksi sen, milloin kiikku voi tallentaa syötteensä ja minkä komponentin vuoro on siirtää tietoa väylälle. Ohjaussignaalin tuottaa ohjauslogiikka ja erityisesti kellopiiri (sähköinen värähtelijä): Kello tuottaa sakara-aaltoa, eli vuorottelevia ykkös- ja nollasignaaleja tietyllä taajuudella. Yhden signaalin aikana tietokoneessa toteutetaan aina yksi alkeistapahtuma kellotaajuus osaltaan määrää tietokoneen nopeuden Lasse Lensu 19

20 Syöttö ja tulostus Tiedon välittämiseksi tietokoneeseen ja tietokoneesta tarvitaan liityntöjä, muuntimia ja yhteyskäytäntöjä. Elektroniikka hoitaa erilaisten syöttö- ja tulostuslaitteiden sovittamisen itse tietokoneeseen: Esimerkkilaitteita: näppäimistö, näytön kosketusanturi, näyttö ja tulostin Lasse Lensu 20

21 Yhteenveto Tietokone perustuu sähköisiin kytkentöihin, jotka toteuttavat halutut loogiset operaatiot syötteilleen. Tietojenkäsittely on laskemista loogisten piirien avulla. Tietokoneen ydin koostuu aritmeettisloogisesta yksiköstä, muistista, väylistä, kellosta sekä syöttö- ja tulostusliitynnöistä Lasse Lensu 21