ساختار و عملکرد يک جمع‌کننده الکترونيکی - نانوالکترونیک6

در این مقاله می‌خواهیم درباره‌ی ساختار و عملکرد یک واحد پردازش اصلی و بسیار پرکاربرد در رایانه صحبت کنیم. اما قبل از آن لازم است علاوه بر سه گیتِ NOT ، AND و OR با گیت دیگری هم آشنا شویم. نام این گیت، XOR است.

عملکرد گیت‌های پایه
قبل از آشنایی با گیت XOR، به منظور یادآوری، یک بار دیگر عملکرد سه گیتِ NOT ، AND و OR را مرور می‌کنیم.

تصویر1- تصویر شماتیک عملکرد گیت‌های NOT ، AND و OR

تصویر1 را مشاهده کنید. گیتِ NOT (ستون اول تصوير 1)، یک ورودی دارد. اگر ورودیِ آن صفر باشد، خروجی یک می‌شود و اگر ورودیِ آن یک باشد، خروجی صفر می‌شود. گیتِ AND (ستون دوم تصوير 1)، حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، باید همه‌ی ورودی‌ها، یک باشند. در غیر این صورت خروجی آن صفر خواهد بود. گیتِ OR (ستون سوم تصوير 1) نيز حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، کافی است حداقل یکی از ورودی‌ها یک باشد. به بیان دیگر خروجی آن فقط در صورتی صفر است که همه‌ی ورودی‌ها صفر باشند (در تصویر1 یک گیتِ OR را با دو ورودی مشاهده می‌کنیم).
گیتِ XOR، مانند گیتِ OR حداقل دو ورودی دارد. نماد مداری گیت XOR را در تصویر2 می‌بينيم. ما در این مقاله، به علت سعی در خلاصه‌گویی، به ساختار ترانزیستوری گیت XOR اشاره نمی‌کنیم اما لازم است که نحوه عملکرد آن‌را بدانيم. برای این که خروجیِ اين گيت یک باشد، باید تعداد یک‌های ورودی عددی فرد باشد. یعنی اگر تعداد یک‌های ورودی عددی زوج باشد، خروجی آن صفر خواهد بود. در تصویر2، عملکرد شماتیک یک XOR با دو ورودی و یک XOR با سه ورودی را مشاهده می‌کنیم.

تصویر2- عملکرد شماتیکِ گیت XOR با دو ورودی و سه ورودی

ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده
خُب همان طور که قول داده بودیم اکنون که با عملکرد گیت‌های پایه آشنا شدیم، می‌خواهیم درباره‌ی یکی از اصلی‌ترین واحدهای پردازش، یعنی جمع‌کننده، صحبت کنیم. جمع‌کننده یک واحد پردازش اصلی است که در پردازشگر مرکزی همه‌ی رایانه‌ها به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته جمع‌کننده در سایر وسایل الکترونیکی نظیر ماشین حساب و ... نیز کاربرد بسیاری دارد.
در تصویر3 ساختار یک جمع‌کننده را مشاهده می‌کنیم. اين تصوير، جمع‌کننده را در حال جمع زدن دو عددِ سه رقمی با یکدیگر نشان می‌دهد (ما در این مقاله درباره‌ی مبحث گسترده‌ طراحی این جمع‌کننده و سایر واحدهای پردازش صحبت نمی‌کنیم. علاقه‌مندان می‌توانند برای آشنایی بیشتر به کتاب‌های طراحی دیجیتال یا مدار منطقی رشته‌ی مهندسی برق یا کامپیوتر مراجعه کنند!). این دو عدد در مبنای 2 با یکدیگر جمع می‌شوند.

تصویر3- ساختار یک جمع‌کننده

با استفاده از یک مثال ساده می‌توانيم عملکرد این جمع‌کننده را توضیح ‌دهیم. فرض کنید می‌خواهیم دو عددِ و را که دو عدد در مبنای 2 هستند، با یکدیگر جمع کنیم. در تصویر4 فرآیند جمع کردنِ دستیِ این دو عدد را مشاهده می‌کنیم.

تصویر4- فرآیند جمع کردنِ دستیِ دو عددِ سه رقمی در مبنای 2

اکنون همین دو عدد را در ساختار جمع‌کننده قرار می‌دهیم. تصویر5 را ملاحظه کنید. در این تصویر ورودی‌های مورد نظر اعمال شده و خروجی هر گیت نیز در تصویر مشخص شده است. خروجی مورد نظر مطابق آن چه انتظار داشتیم، تولید شده است. آیا می‌توانيد بگوييد که اين خروجی چگونه توليد شده است؟

تصویر5- فرآیند جمع کردن دو عدد سه رقمی در یک جمع‌کننده

به تصویر5 نگاه کنید. از سمت راست شروع می‌کنیم؛ خروجی اول (اولین عدد صفر که با رنگ سبز در سمت راست مشخص شده) خروجی یک XOR است. چون در ورودی XOR دو عدد یک وجود دارد، پس خروجی آن صفر می‌شود. (یادتان هست که خروجی XOR در صورتی یک می‌شود که تعداد یک‌های ورودی فرد باشد.) پس از آن 3 گیت AND هست. خروجی AND اول، یک است، چون هر دو ورودی آن یک است. اما خروجی AND دوم و سوم برابر صفر است، چون در هر دو، یک ورودی یک و ورودی دیگر صفر است. خروجی گیت OR هم یک می¬شود، چون برای یک شدن خروجی OR، یک بودنِ یکی از ورودی‌ها کافی است.
به این ترتیب عملکرد یک سوم جمع‌کننده را ملاحظه کردیم. عملکرد بقیه‌ی جمع‌کننده نیز نظیر همین قسمت است. فقط کافی است عملکرد گیت‌های AND، OR و XOR را به یاد داشته باشید. برای این منظور می¬توانید از تصاویر1 و 2 استفاده کنید.

در یک رایانه عملیات‌های پردازشی بسیارِ دیگری نيز نظیر تفریق، ضرب، تقسیم، مقایسه و ... انجام می‌شود. همه‌ی این عملیات‌های پردازشی در واحدهای پردازش گوناگونی انجام می‌شود که همگی آن ها از ترانزیستورها تشکیل شده‌اند. علاوه بر این، عملیات‌های منطقی و کنترل قسمت‌های گوناگون رایانه نیز توسط قطعات الکترونیکی انجام می‌شود که همگی از ترانزیستور ساخته شده‌اند. همچنین حافظه‌ها نیز که از عناصر اصلی رایانه‌ها هستند، نوعی قطعات الکترونیکی هستند که با توجه به حجم‌شان از هزاران، صدها هزار یا حتی میلیون‌ها ترانزیستور تشکیل شده‌اند.

به منظور طراحی واحدهای پردازش، روش‌های متنوع و گوناگونی وجود دارد، که بیان آن ها در موضوع این مقاله نمی‌گنجد. ما در این مقاله قصد داشتیم به منظور درک بیشتر نقش و اهمیت ترانزیستور، یک مثال واقعی را بیان کنیم. همان طور که در این مثال دیدیم، ترانزیستور سنگ بنای اصلی ما در طراحی و ساخت بسیاری قطعات الکترونیکی است.
ما در مقاله‌ی بعد درباره‌ی اندازه‌ی ابعاد ترانزیستور صحبت خواهیم کرد. همچنین خواهیم گفت که ظهور فناوری‌نانو موجب چه تغییراتی در ابعاد ترانزیستور شده است. چرا تلاش می‌کنیم ابعاد ترانزیستور را به محدوده‌ی نانو متر نزدیک کنیم؟ از فواید بسیار فناوری‌نانو در این گستره از الکترونیک می‌گوییم و چالش‌های روبروی آن را مختصری بیان می‌کنیم.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید