Digitalteknik og mikrocomputere — grundlæggende
Fra ettaller og nuller til logikporte og den lille computer på printet
Analog elektronik arbejder med signaler, der glider jævnt mellem alle værdier — som lydstyrken på et gammelt radioapparat. Digital elektronik arbejder derimod kun med to tilstande: høj og lav, ofte kaldet 1 og 0. Den forenkling lyder som en begrænsning, men den er faktisk digitalteknikkens store styrke, fordi et signal, der kun kan være to ting, er langt sværere at forveksle med støj end et signal, der kan være hvad som helst.
§Det binære talsystem
Mennesker tæller normalt i titalssystemet, men en digital kreds tæller i totalssystemet — binært. Hvert ciffer er enten 0 eller 1, og en gruppe af sådanne cifre kaldes en bit-streng. Otte bit udgør en byte, som kan repræsentere 256 forskellige værdier (2 opløftet i 8. potens). Alt, hvad en mikrocomputer regner på — tal, tekst, billeder, lyd — er i sidste ende bare mønstre af nuller og ettaller, læst og fortolket efter en aftalt kode.
§Logikporte — de mindste byggesten
En logikport er en lille kreds, der tager et eller flere digitale signaler ind og leverer ét digitalt signal ud, efter en bestemt regel. Portene bygges op af transistorer, men du kan bruge dem uden at tænke på transistorerne indeni — det er selve reglen, der er interessant.
| Port | Regel (forenklet) |
|---|---|
| AND (OG) | Output er 1 kun hvis begge indgange er 1 |
| OR (ELLER) | Output er 1 hvis mindst én indgang er 1 |
| NOT (IKKE) | Vender signalet om — 1 bliver 0 og omvendt |
| XOR (ENTEN-ELLER) | Output er 1 hvis indgangene er forskellige |
| NAND / NOR | AND/OR efterfulgt af en invertering — meget udbredte i praksis |
§Fra porte til hukommelse og tælling
Sætter man logikporte sammen på bestemte måder, kan de huske en tilstand — det kaldes et flip-flop, og det er den mindste hukommelsescelle i digital elektronik. Rækker af flip-flops danner registre, der kan holde et tal, og tæller-kredse, der kan tælle pulser. Det er samme grundprincip, der ligger bag alt fra en simpel digital ur-visning til hukommelsen i en avanceret computer.
§Mikrocomputeren — logik, du kan programmere
I stedet for at koble tusindvis af enkelte logikporte sammen for hver ny opgave, samler man i praksis en færdig regneenhed, hukommelse og forbindelser til omverdenen på én chip: en mikrocomputer eller mikrocontroller. Den består typisk af en processorkerne (CPU), der udfører instruktioner, hukommelse der gemmer program og data, samt indgange og udgange (I/O), der forbinder chippen med sensorer, knapper, lysdioder og motorer. Programmet — firmwaren — bestemmer, hvad chippen skal gøre, og kan opdateres uden at ændre en eneste komponent på printet.
- 01CPU — udfører programmets instruktioner trin for trin
- 02Hukommelse — gemmer selve programmet og de data, det arbejder med
- 03I/O-ben — forbinder chippen til sensorer, kontakter, lysdioder og motorer
- 04Ur/clock — sætter takten, alt inde i chippen synkroniseres efter
- 05Firmware — det program, der bestemmer chippens adfærd, og som kan opdateres
§Broen mellem den analoge og den digitale verden
Virkeligheden udenfor chippen er analog: temperatur, lyd og lys glider jævnt. Derfor har mikrocomputere ofte en analog-til-digital-omformer (ADC) indbygget, der oversætter et analogt sensorsignal til et digitalt tal, chippen kan regne videre på — og modsat en digital-til-analog-omformer (DAC), når resultatet skal ud i den analoge verden igen, for eksempel som lyd eller en styrespænding. At forstå denne oversættelse er nøglen til at forbinde digital logik med den fysiske verden, som uddannelsens mål om 'analog-, HF-, digital- og mikrocomputerteknik' netop kræver, at du kan sammenkoble og fejlfinde i praksis.
“En mikrocomputer er ikke magi — det er logikporte, hukommelse og et program, samlet på én lille chip.”
— Faglig betragtning om digitalteknik