Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen rakentamisessa? 2012-2013 Lasse Lensu 2
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. 2012-2013 Lasse Lensu 3
Tietojenkäsittelyn perusteet II Tietokoneen rakenne 2012-2013 Lasse Lensu 4
Tietokoneen rakenne 2012-2013 Lasse Lensu 5
Tietokoneen komponentteja Boberg J 2010 Alaoutinen S 2008 Ikonen L 2011 Aritmeettis-looginen yksikkö: Laskutoimitukset Loogiset vertailut Muisti Väylät Kello Syöttö ja tulostus 2012-2013 Lasse Lensu 6
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'. 2012-2013 Lasse Lensu 7
Puolisummain 2012-2013 Lasse Lensu 8
Kokosummain 2012-2013 Lasse Lensu 9
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 0 2012-2013 Lasse Lensu 10
Vähennyslasku Puolivähennin A B Bo Di 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 2012-2013 Lasse Lensu 11
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. 2012-2013 Lasse Lensu 12
Kiikut Vaihtoehtoisia toteutustapoja: 2012-2013 Lasse Lensu 13
Kiikun käyttö Asetetaan kiikulle arvo (ylempi syöte 1): 2012-2013 Lasse Lensu 14
Kiikun käyttö Kiikun arvo asettuu ja säilyy: 2012-2013 Lasse Lensu 15
Kiikun käyttö Kiikun arvo säilyy edelleen vaikka ylempi sisääntulo muuttuu: 2012-2013 Lasse Lensu 16
Rekisteri Käytetään esimerkiksi bittijonon/sanan tallettamiseen ja rinnakkais-sarja muunnoksiin. Rakentuu kiikuista: 2012-2013 Lasse Lensu 17
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 2012-2013 Lasse Lensu 18
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. 2012-2013 Lasse Lensu 19
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. 2012-2013 Lasse Lensu 20
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. 2012-2013 Lasse Lensu 21