Jistě jste již slyšeli, že počítače pracují s jedničkami a nulami. To je pravda. Důvodem je snadná rozpoznatelnost stavu „jedna“ a „nula“ - je snadné rozlišit, jestli je něco zapnuté nebo vypnuté.
V reálném počítači se k tomuto účelu užívá úrovně elektrického napětí, kdy nulové napětí je označováno jako „logická nula“ a napětí o určité hodnotě je označované jako „logická jednička“. Možná vás napadne, že informace „jedna“ nebo „nula“ je poněkud málo a máte pravdu. Samotná tato informace nás nepřipojí k internetu a nezobrazí film ve 4K rozlišení.
Co je to bit a byte v počítači?
Prostor v počítači, do kterého umístíme informaci „jedna“ nebo „nula“ se nazývá „bit“. Tyto bity můžeme poskládat za sebe do větších celků – tím získáme prostor pro více informací. Například osm bitů dá dohromady jeden „byte“ (čti „bajt“). Takový byte dokáže reprezentovat 256 různých stavů.
Pro představu: pevný disk počítače má dnes kapacitu i několik „terabytů“, což je milión miliónů bytů (to je mnoho jedniček a nul za sebou). Dále vás možná napadne, jak může osm jedniček reprezentovat 256 různých čísel. Je to díky takzvané „dvojkové soustavě“.
My lidé přemýšlíme v desítkové soustavě (a proto používáme číslice 0-9). Číslo 10 je „deset“ v desítkové soustavě, ale „dva“ v soustavě dvojkové. Každé číslo se dá reprezentovat ve dvojkové soustavě, například číslo 5 je ve dvojkové soustavě „101“, číslo 33 je „100001“.
Logické hradlo
Jakmile máme takto jednotlivé bity v bytech, můžeme vytvořit obvody, které s nimi budou provádět jednotlivé operace (například sčítání nebo vykreslení na monitor). Veškeré tyto operace se dají převést do takzvaných „logických funkcí“, ty bývají realizovány pomocí „logických hradel“.
Logické hradlo se skládá z několika tranzistorů, jednoho nebo několika vstupů a výstupu. Výstup logického hradla je závislý na vstupech. Obrázek číslo 1 ukazuje obvod (a jeho simulaci). Jedná o logické hradlo „NOT“ (negace). Všimněme si, že pokaždé, kdy je na vstupu log. jednička, je na výstupu log. nula a naopak.
Obrázek číslo 2 ukazuje takzvané hradlo „AND“, také se mu říká „logický součin“ nebo „A“. Výstup tohoto hradla je log. jedna pouze pokud jsou oba vstupy v log. jedničce (viz simulace), jinak je na výstupu log. nula.
Obrázek číslo 3 ukazuje hradlo „OR“ („logický součet“), kterému se také říká „NEBO“. Zde je menší problém s významem. V češtině chápeme spojku „nebo“ jako „první nebo druhá možnost, ale ne obě současně“. Buď platí A nebo B. V našem logickém hradle je výstup tohoto hradla nulový pouze, pokud jsou oba vstupy nulové.
Vstupy logických hradel
V našich simulacích jsme doteď buď používali konstantní hodnotu napětí nebo jsme používali jeho sinusový průběh. V dnešních simulacích je u zdrojů napětí IN1 a IN2 nastaven takzvaný „pulsní průběh“ napětí, jedná se o „zuby“, které vidíte v grafech. Tento průběh napětí simuluje výše zmíněné stavy „je napětí“ a „není napětí“. Jak tuto simulaci nastavit je vidět na obrázku číslo 4.
U hradel AND a OR jsou pulsy proti sobě posunuté. Když nebyly, docházelo v místech hran k ošklivému „přeskakování“ výstupu, těch jsem se chtěl pro účely ukázky vyvarovat. Dalším vylepšením schémat je oddělení zdrojů napětí od části schématu s tranzistory.
Program LTspice za nás propojí stejně pojmenované spoje (například všechny IN1 se propojí). Zároveň se propojí i veškeré zemnící body. To nám umožňuje vytvářet přehlednější schémata. Jak by schéma hradla AND vypadalo bez této úpravy je vidět na obrázku číslo 5.
Závěr
Snad vás tento seriál obohatil a snad jste objevili chuť poznávat elektroniku (je to totiž zábava). Bylo mi ctí být vám průvodcem na této cestě.
