Základy digitální techniky

Číslicová technika je poměrně mladý obor, avšak nelze opomenout, že prapůvodní počátky sahají několik století nazpět. Opravdové možnosti k rozvinutí však poskytla teprve elektronika. Nejznámější využití digitální techniky je ve spojení s počítači. Zdaleka to není využití jediné. Přesto si mnoho lidí pod pojmeme číslicová technika představuje spíše výpočetní techniku s programováním. I to se stává.

Čím se tedy zabývá číslicová technika? Vyčerpávající odpověď by byla složitá, a proto si jako ostatně pomůžeme zjednodušením.

Jistě lze souhlasit, že zařízení ovládané číslicovou technikou má v určité oblasti částečně nebo zcela nahradit činnost člověka. Připomeňme si tedy, jak se chová člověk. Ten zpravidla nejprve zjistí potřebné informace, pak se rozhodne a nakonec jedná. Rozhoduje se podle určitých pravidel, která jsou většinou předem dána a která se respektují. Jeho jednání musí být přitom logické. Jinak by nikdo nemohl předpokládat ani tušit, co vlastně udělá. Řečeno výrazy obvyklými v číslicové technice: člověkovými smysly vnímá základní informace neboli logické proměnné a rozhoduje se a provede logickou operaci. Něco podobného požadujeme i od jakékoliv digitálního stroje. Není to rozhodně jednoduchá záležitost. Je to složitější, že na rozdíl od lidské činnosti nemůžeme očekávat od elektrických obvodů rozlišení dvou základních stavů. Např. proud vede nebo nevede, a to v případě, že napětí je nebo není. Stručně řečeno rozlišujeme stav ANO – NE.

Někdo asi bude zklamán a pomyslí si, že je to hodně jednoduchá logika. Ano, je to pravda. Této jednoduché logice, se říká dvojstavová logika a přes svou jednoduchost tvoří základ, na němž je postaveno i tak složité zařízení, jakým je počítač. Abychom se však nemýlili_: i v běžném životě potkáme situace s jednoduchým rozhodováním. Ve všech oborech lidské činnosti najdeme příklady, kdy rozlišujeme právě dva stavy. Žárovka svítí nebo nesvítí, spínač je sepnut nebo rozepnut, vozidlo jede nebo nejede atd. Na základě zjištěné informace rozhodujeme o další činnosti. Často měníme dosavadní stav ve stav opačný. Říkáme tomu negace.

Příklad: světlo nesvítí (NE), vypínač je sepnut (ANO). Složitější rozhodování bývá založeno na informacích o stavech většího počtu prvků jejich vlastností. I v tomto případě vyhodnocujeme stavy ANO – NE.

Příklad: Vozidlo ve městě zastaví, jestliže m,u v jízdě budou bránit následující příčiny: dopravní značka, červené světlo semaforu, chodec. Každá z těchto příčin může mít pouze dva stavy. Jestliže příčina existuje, označujeme stav ANO, v případě že není –stav NE. U našeho příkladu je jasné, že bude-li jedna nebo více příčin přítomno (ANO) vozidlo zastaví. Mohou nastat různé možnosti – kombinace, které přehledně zaznamenává tabulka. Říkáme jí výroková neboli pravdivostní tabulka.

Všechny možné kombinace v uvedeném příkladu dávají osm výroků neboli osm pravd. Všimněme si, že výrok, tedy vyjádření o rozhodnutí, je také jen ANO – NE, což v našem případě znamená zastavit – nezastavit.

Jiný příklad: Aby vozidlo mohlo vjet na hlídané parkoviště, musí být splněny následující podmínky: místo na parkování, zvednutá závora, přítomnost hlídače. Každá z podmínek má pouze dva možné stavy: ANO – NE. Možnosti vjezdů neboli kombinace poměných ukazuje tabulka. Z osmi možností – výroků jen jediné rozhodnutí je s výrokem ANO.

Přestože v obou tabulkách jsme pracovali poiuze s výrokem ANO – NE, rozhodování je zcela odlišné. Řídí se jinou zákonitostí. Pro první tabulku platí rozhodnutí ANO (zastavit) tehdy, jestliže má Ano třeba jen jedna podmínka, např. chodec, nebo druhá podmínka (červená) nebo třetí podmínka (značka). Pro druhou podmínku platí ANO (jet) tehdy, má-li stav ANO nejen jedna podmínka (např. místo), ale i druhá podmínka (zvednutá závora) i třetí podmínka (přítomnost hlídače). Obě rozhodování, přestože odlišná, jsou dána pevnými zásadami a vycházejí z určitého přepisu. Jsou to rozhodování logická.

Ukázali jsme si, že v životě jsou běžné situace, které řešíme rozhodnutím ANO – NE. Netrpělivý čtenář asi položí otázku: Kdo nebo co zpracovává dodané informace podle předem zadané logické funkce? U člověka je to mozek, ale součástka nebo elektrický obvod, případně obojí dohromady žádný mozek nemají.

Stručně si odpovíme: Dodané informace zpracovává v jednodušším případě logický člen, ve složitějších případech logický obvod. Logické obvody, které se vyznačují pevnou logickou funkcí, podle níž mohou samostatně rozhodovat. Jeden logický člen může obvykle plnit jen jednoduché úkoly. Jeho logická funkce je předem známa a je zakódována o označení. Spojíme-li více takových členů, pak můžeme očekávat rozhodování podle složitějších logických zákonitostí.

Jak takový logický člen vypadá? Kdo by neznal integrované obvody v podobě brouka z černého plastu s mnoha nožičkami – vývody po obou stranách?

Nejstarší obvody u nás vyráběné nesou označení začínající velkými písmeny MH, následované nejčastěji dvojčíslím 74, ale také 84 nebo 54. těsně za ním je další dvojčíslí, které na rozdíl od prvního nás informuje o logické funkci. Světoví výrobci používají různý písmenný kód na začátku označení, např. SN, UCY … Číselný kód, tj. následující dvě dvojčíslí se však mezi výrobci většinou neliší. Proto katalogy uvádějí pouze tento číselný kód, který obsahuje veškeré potřebné informace n¨bez ohledu na výrobce. Všimněme si označení některých starších logických členů:
0 7400 – čtveřice dvojvstupových členů NAND
7403 - čtveřice dvojstupňových členů NAND s otevřeným kolektorem
7404 - šestice investorů
7405 - šestice investorů s otevřeným kolektorem
7410 - trojice trojvstupových investorů NAND
7420 - dvojice čtyřstupňových členů NAND
7430 - osmivstupový člen NAND
7450 - dvojice členů AND-NOR

To jsou informace, které snadno získáme z katalogu, jenže mnohým to nic neříká. Co je to logický člen NAND, NOR, ale také AND, OR a další? Nezbývá než se podrobněji seznámit s logickými funkcemi, logickými členy a obvody.v Dříve než tak učiníme, vrátíme se ještě ke katalogu. Nelze tu přehlédnout řadu dalších logických obvodů odvozených od staré řady, ale především novější číslicové obvody, patřící do velké skupiny obvodů CMOS. Na prvním místě a také nejznámější je řada 4000: 4001, 4002, 4006, 4007, 4008, atd. Následuje řada 74C, 74SC, 74HC, 74HCT, 74HCU. Všechny řady obsahují unipolární obvody, na rozdíl od bipolárních obvodů starší řady. Některé unipolární obvody se začaly vyrábět už po roce 1970. Byly to obvody 4000 a 74C. Jejich výrobou se dnes zabývají všichni světoví výrobci součástek a vyráběli se i u nás.

Proč se ustupuje od používání starších obvodů, které spolehlivě sloužili od samého počátku svého vzniku, tj. od roku 1958? Důvodem je především jejich příkon, který je poměrně velký. Vyžaduje zdroj značného výkonu a také důkladné chlazení osazených desek. Je-li na desce několik desítek bipolárních obvodů, pak o odvodu tepla potřebuje ventilátor. V některých konstrukcích zmíněné nedostatky zcela vyloučily použití těchto obvodů. Jmenujme alespoň přístroje v kosmických zařízeních. Je pravděpodobné, že právě to byl jeden z důvodů, proč elektronické laboratoře hledaly nové směry v konstrukci číslicových obvodů.

Kromě malého příkonu ve statickém režimu (tj. není-li právě v činnosti) se číslicové obvody CMOS vyznačují i dalšími výhodami: velkým rozsahem napájecího napětí, jednoduchým napájením, velkou šumovou odolností, která se ještě zvětšuje se zvětšujícím napájecím napětím. Dnes je považujeme za nejperspektivnější číslicové obvody.