Warstwy abstrakcji

Software	Aplikacje
	Sterowniki	S. operacyjny	Kompilatory
	J. asemblera	Zbiór instrukcji	J. maszynowy
Hardware	Procesor	Pamięć	Układ I/O
	System łączności i sterowania
	Bramki logiczne
	Przełączniki i połączenia

Elektryczne obwody logiczne

Służą do wykonywania obliczeń numerycznych. Obwody powstają przez połączenie przewodami elektrycznymi prostych urządzeń elektronicznych. Najprostszym z nich jest przełącznik (switch). Przełącznik ma dwa stany, jest więc urządzeniem binarnym

Dwa stany przełącznika Symbol przełącznika

Można mu przypisać funkcję logiczną przyjmującą dwie wartości 0 (lampa nie świeci) lub 1 (lampa świeci). Jej argument (stan wejścia, czyli stan przełącznika) jest zmienną logiczną x.

x	F(x)	Przełącznik - S	Lampa - L
0	0	of	nie świeci
1	1	on	świeci

Każdą funkcję logiczną można zdefiniować za pomocą tabeli lub wzoru matematycznego. Można również powiedzieć, że funkcja opisuje pewien system dynamiczny, który w powyższym przykładzie ma jedno wejście x (stan przełącznika) i jedno wyjście, którym jest wartości funkcji (stan lampy).

Przykładem bardziej złożonego systemu jest poprzedni obwód ale z dwoma przełącznikami połączonymi szeregowo. Lampa będzie się świecić gdy obydwa; przełącznik S₁ i przełącznik S₂ będą zamknięte (będą w stanie 1). Tym razem funkcja logiczna opisuje system o dwóch wejściach . Funkcję definiuje tabela wartości (truth table)

			lampa
0	0	0	nie świeci
1	0	0	nie świeci
0	1	0	nie świeci
1	1	1	świeci

Funkcja logiczna o takich właściwościach ma nazwę własną AND

Inny przykład to obwód z dwoma przełącznikami połączonymi równolegle. Lampa będzie się świecić gdy przełącznik S₁ lub przełącznik S₂ będą zamknięte (będą w stanie 1). Ta funkcja logiczna również opisuje system o dwóch wejściach. Tym razem funkcję definiuje inna tabela

			lampa
0	0	0	nie świeci
1	0	1	świeci
0	1	1	świeci
1	1	1	świeci

Funkcja logiczna o takich właściwościach ma nazwę własną OR.

Jeszcze jeden przykład elementarnego obwodu logicznego. Lampa włączona w ten obwód będzie się świecić tylko wtedy gdy przełącznik S będzie otwarty (będzie w stanie 0). Definiuje ją tabela

		lampa
0	1	świeci
1	0	nie świeci

Funkcja logiczna o takich właściwościach ma nazwę własną NOT. Jedna z postaci zapisu wyniku funkcji NOT to .

Wszystkie inne funkcje logiczne można zbudować z trzech powyższych, to znaczy AND, OR, NOT.

Przykład.

Przedstawić funkcję zadaną poniższą tablicą

x	y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	0

w postaci funkcji złożonej, elementarnych funkcji AND, OR, NOT. Można sprawdzić, że tabela wartości funkcji jest identyczna z powyższą.

Budowa złożonych systemów przez łączenie przełączników uruchamianych mechanicznie nie jest możliwa ponieważ wyjściem z nich jest sygnał elektryczny wzbudzający żarówkę. Zatem nie można wyjścia z jednego przełącznika przekazać wprost na wejście innego. Trudność znika jeżeli zmodyfikuje się przełącznik tak aby był sterowany sygnałem elektrycznym. Wówczas zarówno jego wejściem jak i wyjściem są sygnały elektryczne o dwóch wartościach napięcia: małej (np. 0) i dużej (np. kilka woltów). Pierwsza odpowiada stanowi 0 wyjścia druga stanowi 1. Takie wyjście może zostać połączone z wejściem innego przełącznika, niskie napięcie otwiera przełącznik, wysokie zamyka (lub na odwrót).

Inną przeszkodą w budowie złożonych systemów są rozmiary przełączników mechanicznych. W niezbyt wydajnym komputerze muszą ich być miliony w objętości kilku cm³. Budowniczowie pierwszych komputerów mieli z tym poważny kłopot. Jeden z pierwszych, marny z dzisiejszego punktu widzenia komputer, zajmował halę fabryczną i ważył kilka ton. Dzięki odkryciu właściwości półprzewodników w połowie 20 wieku nastąpił ogromny skok w miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.

Bramki na tranzystorach

(a) Tranzystor o bipolarnym złączu NPN

(b)Mała zmiana potencjału elektrycznego bazy wywołuje dużą zmianę natężenia prądu w obwodzie emiter-kolektor (kolorowe strzałki pokazują kierunek ruchu elektronów, kierunek prądu jest przeciwny)

Tranzystor o bipolarnym złączu NPN

(c) symbol graficzny, (d) układ fizyczny. Mały prąd w obwodzie emiter-baza generuje duży prąd w obwodzie emiter-kolektor

Tranzystor NPN pracujący jako wzmacniacz

(a)małe natężenie prądu w obwodzie emiter- baza, (b) duże natężenie prądu w obwodzie emiter-kolektor

Jeżeli przełącznik jest w stanie 0 (otwarty) to w obwodzie emiter-kolektor płynie prąd o bardzo małym natężeniu, niewystarczającym do rozżarzenia włókna żarówki, tranzystor jest w stanie 0. Jeżeli przełącznik jest w stanie 1 (zamknięty) to w obwodzie emiter-kolektor płynie prąd o wystarczająco dużym natężeniu, aby rozżarzyć włókno żarówki, tranzystor jest w stanie 1.

Wydaje się niecelowe używać tranzystora do sterowania pracą żarówki, wystarczy użyć przełącznika mechanicznego, który i tak znajduje się w obwodzie baza-emiter. Jednakże ten przełącznik jest urządzeniem mechanicznym trudnym do miniaturyzacji i sterowania. Zamiast niego w obwodzie baza-emiter możemy użyć dowolnego, słabego źródła prądu stałego. Zmieniając w niewielkim zakresie jego napięcie możemy sterować w dużym zakresie natężeniem prądu w obwodzie emiter-kolektor. Wówczas tranzystor pracuje jako wzmacniacz.

W mikroprocesorach potrzebne są dwustanowe przełączniki, dwa stany przełącznika mają realizować dwie wartości napięcia sygnału elektrycznego: stan 0 odpowiada małemu napięciu (< 0.4V), stan 1 dużemu (>2.5V) napięciu. Z takich przełączników możemy skonstruować fizyczne urządzenia realizujące abstrakcyjne bramki logiczne. Rysunki poniżej pokazują przykłady bramek logicznych zbudowanych z tranzystorów. Emitery wszystkich tranzystorów (z wyjątkiem jednego) są uziemione, to znaczy ich potencjał elektryczny wynosi 0. Wszystkie potencjały mierzone są względem potencjału ziemi. Potencjał V_cc> 0 wymusza przepływ prądu od kolektora do emitera. Opornik zabezpiecza przed zbyt dużym natężeniem prądu w obwodzie kolektor i emiter (prąd o dużym natężeniu mógłby zniszczyć tranzystor). Napięcie V_in jest sygnałem (wartością bitu) wchodzącym do bramki, napięcie V_out jest sygnałem (wartością bitu przetworzonego przez bramkę) wychodzącym z bramki.