Muutamia käytännön digitaalielektroniikan piiriosia

Digitaaliset porttipiirit

Digitaaliset porttipiirit ovat yksinkertaisimpia digitaalisia integroituja piirejä, SSI (Small Scale Integration). Nämä piirit rakentuvat esimerkiksi muutamasta kombinatoorisesta logiikkaportista tai yksinkertaisista sekvenssilogiikan portista (esim. D-kiikku == yksinkertainen muisti). Piirit eivät ole kovin monimutkaisia, vaan sisältävät vain muutaman tulo- ja lähtöliitynnän, ja piirin toiminta on hyvin alkeellisella tasolla. SSI-piirejä pystyy suunnittelemaan ruutupaperitasolla, sillä kytkennästä ei tule muutamaa piiriä käyttämällä liian monimutkaista.

Esimerkki yksinkertaisen logiikkapiirin sisäisestä toiminnasta (7400), sekä kuva piirilevyllä olevasta SSI-piiristä.

Ohjelmoitavat logiikkapiirit

Ohjelmoitavat logiikkapiirit (PLD, Programmable Logic Devices) ovat em. porttipiirejä hieman monimutkaisempia. Ohjelmoitavia porttipiirejä voi nimensä mukaisesti ohjelmoida suorittamaan jotakin yksinkertaista tehtävää. Ohjelmointi ei kuitenkaan ole mitään tietokonemaista ohjelmointia (esim. C-kielellä tai Pythonilla), eikä ohjelmointia voi kovin usein edes muuttaa päivittämällä piiriä valmiissa laitteessa. Ohjelmoitaviin piireihin kuuluu, jaottelutavasta riippuen, mm. yksinkertaiset porttimatriisipiirit (kuten  GAL, Gate Array Logic), monimutkaisemmat ohjelmoitavat porttimatriisit (CPLD, Complex PLD) ja FPGA-piirit (Field Programmable Gate Array). Pääpiirteittäin kaikki piirit koostuvat pienistä digitaalisista osasista, kuten portit, joiden välillä on piirin sisäinen johdotus. Tämän piirin sisäisen johdotuksen suunnitteluun ja ohjelmointiin perustuu näiden piirien monikäyttöisyys. Loogisia lohkoja piirillä voi olla kymmenestä aina miljooniin. Osan ohjelmoitavien piirien piirisuunnittelusta voidaan tehdä ruutupaperitasolla, mutta monimutkaisimmissa piireissä joudutaan väistämättä käyttämään tietokoneavusteista suunnittelua.

Suorituskykyisestä ohjelmoitavasta piiristä voidaan räätälöidä vaikka oma erikoiskäyttöinen prosessori, jos kaupasta ei löydy valmista piiriä käyttötarkoitukseen tai halutaan toteuttaa sovellukseen optimoitu, mahdollisimman nopea laskentateho esimerkiksi nopeaan videokuvan käsittelyyn. Etuna valmiiden piirien käyttöön on myös se, että monimutkainenkin digitaalinen järjestelmä voi olla mahdollista toteuttaa vain yhdellä piirillä.

Suurennettu kuva ohjelmoitavan logiikkapiirin sisäisestä periaatteellisesta rakenteesta. Kuvassa näkyy johdotusmatriisi, joka ohjelmoidaan suunnittelijan toimesta. Tässä kuvassa ei näy kuin muutama digitaaliportti koko piirin sisältä, yksittäisiä lohkoja pienissäkin ohjelmoitavissa piireissä on vähintään tuhansia.

Kuva piirilevyllä olevasta FPGA-piiristä. Kuten liityntäjalkojen lukumäärästä näkee, on piirin sisällä huomattavasti suurempi määrä tavaraa kuin mitä yksinkertaisissa logiikkapiireissä.

Muistit

Digitaalisten piirien muisteja on myös hyvin monenlaisia, käydään tässä läpi muutama esimerkki. Yksinkertaisimmillaan muisti on aikaisemmin sivuttu yhden bitin kiikku, johon voidaan tallentaan yhden bitin verran informaatiota muistiin. Toisena esimerkkinä tietokoneissa käytettävät muistit, joihin voidaan tallentaa jopa useita satoja megatavuja digitaalista informaatiota. Karkeasti jaoteltuna muistit voidaan jakaa myös kahteen tyyppiin: ROM ja RAM. ROM (Read-Only Memory) on muisti, josta pystytään lukemaan tallennettu tietoa, johon tallennettu tieto ei häviä ja tietoa ei pysty helposti tai vahingossa muuttamaan. RAM (Read And write Memory) taas on muisti, johon voidaan kirjoittaa ja josta voidaan lukea tietoa. RAM-muistissa olevaa tietoa voidaan muuttaa käytön aikana, ja usein RAM muisti tyhjenee kokonaan virran katketessa. Sekä ROM- että RAM- muisteja on useita eri alalajeja, joiden toiminta poikkeaa toisistaan paljonkin. Puolijohteista koostuvien muistien lisäksi tarjolla on esimerkiksi magneettisia ja optisia levyjä, jotka voidaan mieltää jossakin määrin myös muisteihin kuuluvaksi.

Mikroprosessorit

Mikroprosessoreja on myös hyvin eri typpisiä. Lukijalle varmaan ensimmäisenä mieleen juolahtaa PC-tietokoneessa oleva Intel i5 tai vastaava, mutta mikrotietokoneissa käytettävät prosessorit ovat vain yksi prosessoriperheen alalaji. Prosessorit ovat optimoitu yleensä jotakin tehtävää varten. Esimerkiksi PC-tietokoneissa olevat prosessorit ovat optimoitu lähinnä yleiskäyttöisiksi, PC-yhteensopiviksi, prosessoreiksi, joilla onnistuu henkilökohtaisissa tietokoneessa tarvittava laskenta, kuten nettiselailu, videoiden katselu ja kevyt toimistotyöt, jollakin kohtalaisella nopeudella.

PC:n tai pelikonsolin sisällä on myös on usein myös erillinen näytönohjeimen prosessori, joka poikkeaa melko lailla pääprosessorista. Näytönohjaimen prosessori on optimoitu laskemaan mahdollisimman nopeasti erilaisia grafiikkaan ja videokuvaan liittyviä tehtäviä. Näytönohjaimen prosessori edustaa alalajia digitaalisista signaaliprosessoreista (DSP, Digital Signal Processor), jotka on optimoitu mahdollisimman nopeaan signaalinkäsittelyn laskentaan (esim. kuva, ääni, koodaus tiedonsiirrossa ...).

Prosessorien sukuhaarassa laiteläheistä käyttökohdetta edustavat nk. mikrokontrollerit (microcontrollers), jotka on optimoitu taas nimensä mukaisesti usein kontrolloimaan, ohjaamaan, jotakin elektronista järjestelmää. Näistä järjestelmistä esimerkeinä digitaalisesti ohjattu pesukone tai mikroaaltouuni, teollisuuden monet koneet tai auton elektroniset järjestelmät, kuten lukkiutumattomat jarrut, ohjaustehostin tai moottorin ohjaus ja päästöjen hallinta. Mikrokontrollereihin on ympätty varsinaisen laskennan tekevän prosessoriytimen lisäksi usein monenlaisia tietokonejärjestelmän osia, kuten muisteja, AD- ja DA- muuntimia, digitaalisia tuloja ja lähtöjä (IO, Input-Output). Näillä liitynnöillä voidaan esimerkiksi mitata ja ohjata ohjattavan järjestelmän toimintaa, jolloin mikrokontrollerilla voidaan toteuttaa jonkin järjestelmän digitaalinen äly lähes yhdellä piirillä.

ASIC

ASIC (Application Specific Integrated Circuit, "asiakaspiiri") on yleisnimitys tiettyä sovellusta varten tehdystä mikropiiristä. ASIC ei ole pelkästään digitaalisen elektroniikan komponentti, vaan ASIC voi olla täysin analoginen komponentti, tai sisältää sekä digitaalista että analogista elektroniikkaa. ASIC on tehty suorittamaan pelkästään tiettyä tehtävää, esimerkiksi matkapuhelimessa huolehtimaan puheen koodaamisesta GSM-standardin mukaisesti tai vaikkapa ohjaamaan tehoelektroniikan komponentteja kannettavan tietokoneen akkulaturissa.

Kuva tietokoneen äänet toteuttavasta ASIC-piiristä.