Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen rakentamisessa? 2013-2014 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. 2013-2014 Lasse Lensu 3
Tietojenkäsittelytieteen perusteet Tietokoneen komponentteja 2013-2014 Lasse Lensu 4
Tietokoneen komponentteja Boberg J 2010 Alaoutinen S 2008 Ikonen L 2011 Aritmeettis-looginen yksikkö: Laskutoimitukset Loogiset vertailut Muisti Väylät Kello Syöttö ja tulostus 2013-2014 Lasse Lensu 5
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'. 2013-2014 Lasse Lensu 6
Puolisummain 2013-2014 Lasse Lensu 7
Kokosummain 2013-2014 Lasse Lensu 8
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 2013-2014 Lasse Lensu 9
Vähennyslasku Puolivähennin A B Bo Di 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 2013-2014 Lasse Lensu 10
Kiikut Kiikku on loogisista porteista rakennettu piiri, joka muistaa yhden bitin. Kiikulle on vaihtoehtoisia toteutustapoja. Kiikut voidaan jakaa asynkronisiin (salpa; latch) ja synkronisiin (flip-flop). Synkroninen kiikku muuttaa tilaansa vain loogisen piirin toimintaa synkronoivan kellosignaalin muuttuessa. 2013-2014 Lasse Lensu 11
Kiikut Esimerkkeinä vaihtoehtoisista toteutustavoista yksinkertainen kiikku ja SR-salpa: 2013-2014 Lasse Lensu 12
Yksinkertaisen kiikun käyttö Asetetaan kiikulle arvo (ylempi syöte 1): 2013-2014 Lasse Lensu 13
Yksinkertaisen kiikun käyttö Kiikun arvo asettuu ja säilyy: 2013-2014 Lasse Lensu 14
Yksinkertaisen kiikun käyttö Kiikun arvo säilyy edelleen vaikka ylempi sisääntulo muuttuu: 2013-2014 Lasse Lensu 15
Rekisteri Käytetään esimerkiksi useamman bitin jonon/sanan tallettamiseen muistiin ja rinnakkais-sarja muunnoksiin. Rakentuu kiikuista (esimerkkinä SR-salpa): 2013-2014 Lasse Lensu 16
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 2013-2014 Lasse Lensu 17
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. 2013-2014 Lasse Lensu 18
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. 2013-2014 Lasse Lensu 19
Tietokoneen rakenne John von Neumannin (1903-1957) arkkitehtuuri: Muisti Ohjausyksikkö Aritmeettislooginen yksikkö Akku Wikimedia Commons Syöttö Tulostus 2013-2014 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. 2013-2014 Lasse Lensu 21