1.3.1.1. Fra logiske porter til mikroprosessorer

Den digitale elektroniske utviklingen har gått fra logiske porter til dagens mikroprosessorer. Oppfinnelsen av mikroprosessoren var en naturlig følge av en utvikling som begynte med den integrerte digitale kretsteknologien. Før dette var den digitale teknologien basert på diskrete komponenter (resistanser, dioder, transistorer etc.) og elektromekaniske komponenter (releer, kontakter etc.).

Ved hjelp av logiske porter kan vi bygge vipper. Disse kan videre brukes til å bygge tellere, registre, regnekretser og datalager som er basis for datateknologi og datamaskiner.

Logiske porter og kombinatoriske nett

Som vi ser, danner de logiske portene grunnlaget for dagens datateknologi. Hver enkelt port er bygget opp av transistorer, TTL-kretsene (Transistor–Transistor Logic) av bipolare transistorer og CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductors) av MOS-transistorer. De logiske portene kan kombineres i nær sagt et uendelig antall ulike kombinasjoner og kalles derfor også for kombinatoriske kretser. 

Kombinatoriske nett

Logiske nettverk kan benyttes til å løse større logiske operasjoner og funksjoner. Siden de består av en kombinasjon av logiske porter, kalles de også kombinatoriske nett. Større kombinatoriske nett lar seg ofte forenkle ved hjelp av logiske regneregler (boolsk algebra).

De digitale kretsene skal ofte drive eller styre strømkrevende komponenter som releer, motorer etc, Kretsene leverer ikke særlig mye strøm, og spenningene er lave. Signalene må derfor forsterkes, noe vi kan gjøre med såkalte driverkretser, også kalt bufferkretser.

PLD-kretser 

PLD er en forkortelse for Programable Logic Device og er en samlebetegnelse for forskjellige typer integrerte programmerbare logiske kretser for konstruksjon av logiske og sekvensielle nettverk. Programmering av PLD-kretser foregår etter samme prinsipper som programmering av PROM-minnebrikker. Kretsene er rimelige i innkjøp sammenlignet med tilsvarende antall porter med konvensjonelle portkretser, men krever til gjengjeld spesielt utstyr for selve programmeringen. Med PLD oppnår vi høy pakketetthet, som igjen resulterer i et langt lavere effektforbruk enn tilsvarende kretsløsninger med bruk av konvensjonelle TTL- eller CMOS-kretser. Flere logiske nett kan også samles på samme brikke. Noen typer PLD er slettbare og lar seg reprogrammere. Programmeringen foregår med en egen programmeringsenhet som tilkobles PC. Ut fra et logisk uttrykk kan PLD-kretsen programmeres, så hvis dette uttrykket er kjent, blir programmeringen relativt enkel. At PLD-kretsene er programmerbare, er selvsagt viktig å være klar over under eksempelvis feilsøking og reparasjon. Har vi mistanke om at feilen ligger i PLD-en, er det ikke bare å skifte komponenten med en av samme betegnelse. Vi må i tillegg ha adgang til komponentens programmerte innhold og det programmeringsverktøyet som trengs.

ASIC-kretser 

ASIC-kretser (Application Spesific IC) er en form for programmerbare kretser der innholdet er spesifisert av en bruker, og kretsen blir spesialkonstruert på bestilling hos en produsent som eksempelvis Motorola, Texas Instruments eller Philips. ASIC er aktuelt når det er snakk om store kvanta av én og samme krets. Sett fra brukerens side kan PLD være mer anvendelig siden de kan programmeres på stedet dersom man har utstyr for det. 

Logiske porter

Logiske porter kan betraktes som byggeklosser i all digital elektronikk, fra enklere digitale styrekretser til mikroprosessorer og datamaskiner, og kalles derfor logiske grunnelementer.

De tre grunnelementene tegnet som logiske elementer (europeiske og amerikanske tegningssymboler) og lukke- og brytekontakter samt engelske symbolnavn som vi vanligvis finner i datablad:

NOG- og NELLER-port

Ved å kombinere en OG-port og en IKKE-port får vi en NOG-port (eng.: NAND):

Ved å kombinere en ELLER-port og en IKKE-port får vi en NELLER-port (eng.: NOR):

Digitale byggeklosser

Som vi har sett, kan de logiske funksjonene realiseres ved eksempelvis elektriske kontakter/brytere. Dette ble også gjort i de første regnemaskinene, der man benyttet relékontakter og elektromekaniske brytere.

Etter hvert som elektronikken (dioder og transistorer) vant terreng, realiserte man disse funksjonene ved hjelp av elektroniske kontakter og brytere. Men for å få disse til å virke og ikke minst kobles sammen til større logiske funksjoner, måtte man i stor utstrekning tenke elektroniske strømmer og spenninger og gjøre innviklede elektrotekniske beregninger.

Det var derfor et stort fremskritt da man begynte å bygge de logiske funksjonene inn i integrerte kretser, eller såkalte IC-er (Integrated Circuits), som logiske porter.

Kretsene ble standardisert med standard inngangsstrømmer og spenninger og likeledes for utgangene. Dette har gjort det enklere å sette sammen enkeltelementer til større logiske nettverk.

Sannhetstabell

Vi har sett at logiske funksjoner kan verifiseres ved hjelp av logiske uttrykk. De samme funksjonene kan realiseres i en sannhetstabell(også kalt funksjonstabell). For å indikere logisk høy og lav benytter vi de binære verdiene 1 og 0. I datablad for integrerte logiske kretser benyttes ofte også H (High/høy) og L (Low/lav).

EX står for eksklusiv, det vil si eksklusiv ELLER og eksklusiv NELLER.

Oversikt logiske porter, tegningssymboler og sannhetstabeller

Europeiske og amerikanske tegningssymboler. Datablader benytter vanligvis amerikanske symboler.

Her er kun tatt med porter med to innganger. Det finnes portkretser som også har flere innganger, men de er ikke tatt med her.

Legg merke til spesialsymbolet som kan brukes for å markere eksklusiv ELLER.

Integrert krets

Eksempel på integrert krets bestående av fire ELLER-porter med tilhørende nummer for pinnetilkobling samt tilkobling for jord (GND) og driftsspenning (VCC).

Som vi ser, har denne komponenten til sammen 14 tilkoblingsbein fordelt på to rader. Komponenter i denne utførelsen kalles DIL-komponenter (Dual In Line).

Digitale integrerte kretser bygges vanligvis inn i en rektangulær brikke av keramikk eller plast.

Vi skiller mellom

• hullmonterte kretser

• overflatemonterte kretser

Ved hullmontering stikkes beina gjennom kretskortet og loddes fast. Ved overflatemontering loddes/limes beina fast til kortets overflate. Selve den elektroniske kretsen er etset inn på en ørliten silisiumskive med komponenter og ledningsforbindelser.