Hradlo a tranzistor

Z předchozích kapitol už víš, že pokud signály interpretujeme jako jedničky a nuly tak s nimi můžeme operovat jako s číslicemi ve dvojkové soustavě.

Procesor umí provádět hromadu různých matematických operací: sčítat, odčítat, násobit, dělit atd. apod.

Není nutné vědět, jak jsou v procesoru zadrátované všechny matematické operace, každopádně je dobré mít nějakou základní představu, jak vypadá třeba sečtení dvou čísel.

Než se k tomu dostaneme, je nutné si ještě povědět o 2 dalších věcech a to jsou hradla a tranzistory.

Co je hradlo?

Hradlo (v angličtině gate) se zakresluje na úrovni digitálního signálu. Je to úplně základní a nejčastější prvek, který se do digitální vrstvy zakresluje.

Umístění hradel v digitální vrstě

Co ale přesně hradlo dělá?

No je to nějaká věc, která umí provádět velice jednoduché rozhodnutí na základě vstupních signálů.

Jednotlivý hradla fakt není nutný si pamatovat je nutné se na to aspoň podívat, aby později dávalo smysl, jak procesory provádí matematické operace.

Základní hradla

AND hradlo.
NOT hradlo
OR hradlo
XOR hradlo

Základní hradla jsou tato 4.

  • AND: Pokud je ve všech vstupech signál, pošli signál.
  • OR: Pokud je v aspoň jednom vstupu signál, pošli signál.
  • NOT: Výstupní signál je opačný proti vstupnímu signálu
  • XOR: Výstupní signál je pouze tehdy, pokud počet signálů s hodnotou 1 na vstupu je lichý.

Další hradla

NAND: jde vlastně o hradla za sebou AND a NOT. Signál je na výstupu vždy kromě případu, kdy je všude na vstupu signál.
XNOR: spojená hradla XOR a NOT. Signál na výstupu je jen tehdy, pokud je na všech vstupech stejný stav.
NOR: spojená hradla OR a NOT. Signál je na výstupu jen tehdy, když na žádném vstupu není signál

Zajímavost: S kombinací NAND hradel lze simulovat jakékoliv jiné hradlo

Co je tranzistor?

Tranzistor je elektronický prvek, ze kterého je hradlo postavené na elektronické vrstvě.

  • Tranzistory jsou extrémně levné na výrobu.
  • Předání signálu tranzistorem využívá chování elektronů ve dvou různě polovodivých materiálech vedle sebe
  • Procesor obsahuje 50 miliard tranzistorů právě za účelem stavby různých hradel a složitějších rozhodovacích hradlových systémů.
  • Toto není návod pro elektrotechniky, pro ajťáka fakt není důležitý vědět, jak jsou tranzistory zapojené a jak přesně fungují takže se tomu víc věnovat nebudu. Pokud tě to zajímá, hurá na google.

Ukázka NAND hradla v elektrickém schématu s tranzistory

Jako ajťáka nás elektrická schémata nezajímají ale mám pocit, že je dobré sem dát aspoň ukázku elektrického schématu nějakého hradla. Není důležité tomu schématu rozumět, je ale důležité vědět, že hradla v signální vrstvě jsou implementována tranzistory v elektronické vrstvě.

NAND hradlo s MOSFET tranzistory (Q1, Q2, Q3, Q4). MOSFET je typ tranzistoru, který se používá v procesorech.

Moorův zákon

Jakýsi čóre Moore vysledoval, že počet tranzistorů v procesoru se dvojnásobí každé 2 roky při stejné ceně. Není to nijak užitečná informace ale z nějakýho důvodu ajťáci tuhle informaci zbožňujou.

Moorův zákon.
Zdroj: Wikipedia

Shrnutí

  • Hradlo je prvek který se zakresluje do digitálního schématu a reprezentuje jednoduché „rozhodnutí“.
  • Mezi základní hradla patří AND, OR, NOT a XOR
  • Další hradla jsou kombinace:
    • NAND = AND a hned za ním NOT
    • NOR = OR a hned za ním NOT
    • NXOR = XOR a hned za ním NOT
  • Na fyzické vrstvě jsou hradla funkční díky tranzistorům.
  • Procesory se skládají z 50 miliard tranzistorů.
  • Moorův zákon: počet tranzistorů v procesoru se jednou za 2 roky zdvojnásobí při stejné ceně.