To jediné, čo počítače skutočne robia na úplne najnižšej úrovni, je iba zapnutá alebo vypnutá žiarovka, sčítavanie jednotiek a núl. Všetko ostatné je možné dosiahnuť vhodnou kombináciou týchto sčítavaní a správnym vedením elektrického signálu.
Veľmi dobre sa to dá ilustrovať pri stavaní trás z domina. A pokiaľ máte k dispozícii miliardy doštičiek domina, niekoľko tisíc štvorcových kilometrov priestoru a mnoho dobrovoľníkov, postavíte aj celý počítač.
Základný princíp počítačov je prítomnosť alebo neprítomnosť elektrického signálu v tom-ktorom mieste vnútri elektrických obvodov. Šírenie elektrického signálu budeme demonštrovať padaním radu doštičiek domina. Nespadnuté domino znamená nulu, spadnuté jednotku.
Najjednoduchší príklad je rovný rad nespadnutých doštičiek domina. Keď na začiatku udrieme do prvej doštičky, spravíme na vstupnom signáli z nuly jednotku, spadne celý rad, zapne sa elektrický signál a spadne aj posledná doštička na konci. Dostali sme jednotku ako výstupný signál. Keby sme do doštičky neudreli, na vstupe by to znamenalo nulu a takisto aj na výstupe.
Logické brány
Podstatou fungovania počítačov sú tzv. logické brány (angl. logic gates), ktoré zabezpečia operácie potrebné na funkcionalitu. Každá logická brána má svoje vstupné a výstupné signály. Jednou zo základných logických brán je brána alebo, v angličtine or. Jej názov napovedá jej funkciu. Výstupný signál bude jednotka, pokiaľ aspoň jeden zo vstupných signálov bude tiež jednotka, čiže jeden alebo druhý. Jednotky a nuly sa často z praktických dôvodov označujú aj ako pravda a nepravda. Brána alebo postavená z domina vyzerá veľmi jednoducho. Dva vstupné signály sa v priebehu postavených radov spoja do jedného výstupného. A naozaj to funguje.
Ďalšou bránou je exkluzívne alebo, v angličtine označená ako xor, z ktorej na výstupe dostaneme jednotku iba v prípade, keď práve jeden zo vstupov je jednotka. Ak sú obidva vstupy nula alebo obidva vstupy jednotka, na výstupe dostaneme nulu. Z doštičiek také niečo postavíme tak, že dva vstupné signály sa najprv spoja do protismeru a následne opäť oddelia v tvare slzy, aby sa na konci spojili do jedného výstupu. To zabezpečí jednotku na vstupe, pokiaľ zhodíme iba jeden zo vstupov. Keď aktivujeme obidva signály súčasne, narazia do seba v protismere a padanie sa zastaví, na výstupe dostaneme nulu.
Poslednou logickou bránou, ktorú budeme potrebovať pre náš počítač, je brána a, v angličtine and. Z nej na výstupe dostaneme jednotku iba v prípade, že je jednotka na obidvoch vstupných signáloch. V ostatných prípadoch je na výstupe nula. Pri stavaní z domina sa opäť treba zamyslieť nad tým, ako postaviť rad tak, aby prišiel na koniec iba v prípade pustenia obidvoch vstupov a aby sa zablokoval v prípade pustenia iba jedného z nich. Schému vidíte na obrázku, predstavte si všetky možnosti padania alebo ešte lepšie, postavte si všetky brány z domina a hrajte sa.
Časovanie
Pri týchto troch logických bránach z domina je dôležité aj časovanie. Dve jednotky na vstupe musíte pustiť vždy naraz. Keby ste niektorú aktivovali s omeškaním, signál z domina sa nestihne zablokovať a výsledok bude nesprávny. Na to bude potrebné myslieť aj v druhej časti, keď tieto brány vhodne skombinujeme, aby nám domino niečo reálne vypočítalo a mohli by sme si tak obhájiť tento počítač z domina. Každý rad musí mať dostatočný počet doštičiek na to, aby sa vykompenzovali možné chyby a omeškania, keďže doštičky nikdy nepoložíme s presnosťou na stotinu milimetra a tiež všetky nevážia presne rovnako.
Časovanie je dôležité aj v skutočných počítačoch, tam však s presnosťou na mikrosekundy. Súčasné počítače vykonávajú milióny základných inštrukcií za sekundu a spoliehajú sa okrem iného aj na tieto logické brány. Keď sa niekedy počítač trochu zasekne, je možné, že príčina je práve chvíľkové zlyhanie časovania a elektrický signál sa niekde omeškal. Počítač to vie rýchlo kompenzovať a opraviť.
Text a foto Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Videá autora nájdete na YouTube kanáli To ako prečo?
