Elektronički logički sklopovi i registri

Ishodi

OŠ INF A.8.3. opisuje građu računalnih uređaja, objašnjava načine prijenosa podataka u računalu te analizira i vrednuje neka obilježja računala koja značajno utječu na kvalitetu rada samoga računala
OŠ INF A.8.4. prepoznaje i proučava interdisciplinarnu primjenu računalnoga razmišljanja analiziranjem i rješavanjem odabranih problema iz različitih područja učenja.
odr A.5.1. Kritički promišlja o povezanosti vlastitoga načina života s utjecajem na okoliš i ljude.
odr A.5.2. Analizira načela održive proizvodnje i potrošnje.
odr B.5.1. Kritički promišlja o utjecaju našega djelovanja na Zemlju i čovječanstvo.

Ciljevi učenja

  • Učenici će razumjeti što su elektronički logički sklopovi i kako se koriste u računalima.
  • Razvit će sposobnost analize logičkih operacija (NE, I, ILI) te primjene u procesorima i sklopovima.
  • Povezat će teoretsko znanje s praktičnom primjenom koristeći računalne simulacije.
  • Razvit će sposobnost kritičkog razmišljanja o primjeni logičkih operacija u svakodnevnom životu i u ekološkom kontekstu.

UVOD

Znate li što se događa svaki put kad pritisnete gumb na tipkovnici? Kako vaše računalo “zna” koji ste gumb pritisnuli i kako se taj signal pretvori u slovo koje vidite na ekranu? Tajna leži u procesoru, ili kako ga često nazivamo, “mozgu” računala. U procesoru se nalaze elektronički logički sklopovi koji su temelj svih operacija koje računalo izvršava. Logički sklopovi rade koristeći osnovne logičke operacije kao što su NE (NOT), I (AND) i ILI (OR).

Ali, zašto biste to morali znati? Učenje o logičkim sklopovima pomoći će vam razumjeti kako računala donose odluke, obrađuju podatke i izvršavaju složene zadatke poput pretraživanja interneta, igranja igara ili upravljanja robotima. Ovo znanje također vam može pomoći da bolje razumijete kako digitalni uređaji rade i kako ih možete koristiti na pametniji i učinkovitiji način.

Primjer: Zamislite sljedeću situaciju: nalazite se ispred pametnog semafora koji regulira promet na raskrižju. Semafor “razmišlja” o nekoliko informacija: gleda jesu li automobili prisutni na cesti, postoji li pješak koji želi prijeći, te provjerava je li proteklo dovoljno vremena otkako su svjetla promijenila boju. Na temelju tih informacija, semafor odlučuje kada će upaliti crveno ili zeleno svjetlo.

Kako semafor donosi tu odluku? Upravo pomoću logičkih sklopova u svom procesoru! Ako je, primjerice, automobil prisutan (1) i proteklo je dovoljno vremena (1), tada će se upaliti zeleno svjetlo (1). Ovo je primjer upotrebe logičkog sklopa I (AND).

S druge strane, ako automobil nije prisutan (0), ali je pješak pritisnuo gumb (1), semafor će također upaliti zeleno svjetlo za pješake. Ovdje se koristi logički sklop ILI (OR), koji daje izlaz 1 ako je barem jedan od uvjeta ispunjen.

Ova jednostavna logika može se primijeniti u mnogim drugim svakodnevnim situacijama: od upravljanja svjetlom u sobi (ako je netko prisutan ili je došlo vrijeme da se svjetlo upali), do automatskih vrata koja se otvaraju na pokret. Sve te odluke donose se pomoću osnovnih logičkih operacija koje su temelj svakog digitalnog uređaja!

GLAVNI DIO

Elektronički logički sklopovi i registri

Za svaku logičku operaciju u procesoru računala namijenjen je elektronički logički sklop. Svaki elektronički sklop ima ulazni i izlazni dio.

Elektronički logički sklopovi su temeljna jedinica rada svakog računala. Oni primaju ulazne signale (binarne vrijednosti 0 i 1) i pretvaraju ih u izlazne signale na temelju logičkih operacija. Tri osnovna logička sklopa su:

  • Logički sklop NE (NOT): mijenja ulazni signal – ako je ulaz 0, izlaz je 1, i obrnuto (1 ulaz i 1 izlaz)
  • Logički sklop I (AND): daje izlaz 1 samo ako su oba ulaza 1 (2 ulaza i 1 izlaz)
  • Logički sklop ILI (OR): daje izlaz 1 ako je barem jedan od ulaza 1 (2 ulaza i 1 izlaz)

Ovi sklopovi djeluju zajedno u procesoru kako bi izvršili aritmetičke i logičke operacije.

izražava funkciju NEGACIJE
izražava funkciju KONJUNKCIJE i matematičku operaciju MNOŽENJA
izražava funkciju DISJUNKCIJE i matematičku operaciju ZBRAJANJA

Kako procesor obrađuje podatke?

Procesor je mozak računala. Sastoji se od aritmetičko-logičke jedinice i upravljačke jedinice. Aritmetičko-logička jedinica izvršava operacije kao što su zbrajanje, množenje, oduzimanje i dijeljenje, dok upravljačka jedinica upravlja radom svih ostalih komponenti u računalu. Kada pritisnete tipku na tipkovnici, signal se šalje u procesor gdje se, putem logičkih sklopova, pretvara u binarne vrijednosti i obrađuje.

Kombinirani elektronički sklopovi

Da bismo riješili složenije zadatke, logički sklopovi se povezuju u složene kombinirane sklopove. Na taj način možemo simulirati različite matematičke i logičke operacije. Na primjer, pomoću kombiniranog sklopa možemo istovremeno provjeravati više ulaznih vrijednosti i dobiti točan rezultat na temelju zadanih uvjeta.

Primjer:

Imamo tri ulazne vrijednosti (A, B, C). Ako želimo da izlaz bude 1 samo kad su A i B jednaki, a C različit, koristit ćemo kombinirani sklop sastavljen od NE, I i ILI sklopova. Na taj način možemo stvoriti logički izraz:

Ova formula nam govori da će izlaz Y biti jednak 1 samo kada su A i B jednaki, a C nije 1.

Dodatno pojašnjenje:

Zamislimo da programiramo jednostavan alarm za ulazna vrata koji radi na sljedeći način:

  • Alarm će se aktivirati (upali se crvena lampica) samo ako su obje ulazne vrijednosti A i B jednake (obje 0 ili obje 1), ali i ako C nije 1 (npr. C može biti neki sigurnosni senzor koji mora biti isključen).

Zvuči komplicirano? Pokušajmo s vizualnim primjerom:

  1. Vrijednost A može biti predstavljena kao ulazna vrijednost za tipku – na primjer, 0 ako vrata nisu otvorena i 1 ako su otvorena.
  2. Vrijednost B može biti vrijednost brave – 0 ako je brava zaključana i 1 ako je otključana.
  3. Vrijednost C može biti senzor pokreta unutar kuće – 0 ako nema nikoga, 1 ako je pokret detektiran.

Alarm će se aktivirati samo ako:

  • A i B su iste (npr. vrata su otvorena i brava je otključana), a
  • C je 0 (nema pokreta u kući).

Ako su vrata otvorena (A = 1) i brava je otključana (B = 1), ali netko je unutar kuće (C = 1), alarm se neće aktivirati jer postoji osoba koja može biti vlasnik kuće.

Ovo možemo prikazati jednostavnim kombiniranim logičkim sklopom koji provjerava te uvjete i daje rezultat.

Pokušajmo ovo zamisliti kao upute za programiranje alarma:

  1. Provjera prve uvjete: Jesu li vrata i brava u istom stanju? Ako da, onda nastavi. (Logički sklop I koristi se za provjeru jednakosti)
  2. Provjera drugog uvjeta: Je li senzor pokreta isključen (0)? Ako da, upali alarm (logički sklop NE).

Kombiniranjem ovih logičkih sklopova dobivamo uvjet:

Što znači:

  • Izlaz Y (alarm) je jednak 1 samo ako su A i B jednaki ili C nije 1.

Ako to primijenimo u našem alarmnom sustavu, upalit ćemo alarm samo ako su vrata otvorena i brava otključana, a u kući nema pokreta – savršena kombinacija za potencijalnog provalnika.

Sada možete zamisliti kako se ovaj jednostavni primjer primjenjuje i u puno složenijim sustavima, poput upravljanja pametnim domom ili automatskim sigurnosnim sustavima.

Vježbe

Vježba 1: Razumijevanje logičkih sklopova

Zadatak: Upotrijebite program Logical Circuit za simulaciju osnovnih logičkih operacija (NE, I, ILI). Povežite sklopove prema zadanim vrijednostima i provjerite kako se mijenjaju izlazne vrijednosti.

Vježba 2: Kombinirani sklopovi

Zadatak: Dizajnirajte kombinirani logički sklop prema zadanom logičkom izrazu i provjerite njegovu ispravnost pomoću tablice istinitosti.

Vježba 3: Nastavni listići

Projektni zadatak

Grupni rad

U grupama dizajnirajte logički sklop koji će upravljati sustavom za uštedu energije u pametnoj kući. Cilj je osmisliti sklop koji će automatski isključiti svjetla i električne uređaje kada nitko nije kod kuće ili kada je dnevno svjetlo dovoljno jako da nije potrebno koristiti rasvjetu.

Scenarij:
Zamislite da kreirate sustav za uštedu energije u kući. Vaš zadatak je dizajnirati logički sklop koji će automatski isključivati svjetla i električne uređaje u sljedećim situacijama:

  1. Nitko nije kod kuće.
  2. Prisutnost osobe u prostoriji je 0, a razina dnevnog svjetla je visoka (nije potrebno dodatno svjetlo).
  3. U kući je osoba, ali je dan (vanjska svjetlost je visoka), pa nije potrebno paliti svjetla.

Zaključak

Elektronički logički sklopovi su temelj digitalnog svijeta u kojem živimo. Pomažu nam razumjeti kako računala, mobiteli i drugi uređaji obrađuju informacije. Proučavajući njihove funkcije, razvijamo ne samo tehnička znanja, nego i logičko razmišljanje, što nam može pomoći u različitim situacijama u životu.

ZAVRŠNI DIO

  • Provjerite svoje znanje. – KAHOOT KVIZ
  • dodatni digitalni sadržaji na e-Sfera
  • Provjerite razinu razumijevanja gradiva – LISTIĆ ZA SAMOPROCJENU ZNANJA

PROVJERI SVOJE ZNANJE

  1. Što je elektronički logički sklop?
  2. Što je logički sklop NE?
  3. Kada sklop I daje izlaz 1?
  4. Što je aritmetičko-logička jedinica, čemu služi?
  5. Objasnite razliku između sklopova I i ILI.
  6. Zašto se elektronički sklopovi kombiniraju?
  7. Kojoj matematičkoj radnji odgovara funkcija disjunkcije, a kojoj funkcija konjunkcije?
  8. Navedite jedan primjer gdje se logički sklopovi primjenjuju u stvarnom svijetu.