Proud, polovodiče a mikroprocesory

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004

Proud, polovodiče a mikroprocesory Elektrický proud Elektrický proud je usměrněný tok částic s nábojem. Ty se pohybují vlivem nábojů na koncích vodiče (na zdroji), které jsou vždy vzájemně opačné. Ty na částici působí určitou silou(F), která je po celé délce vodiče stejná. Podle vztahu 1 Q1Q2 F= 4πε 0 r 2 sice síla klesá s vzdáleností, jenže, čím je částice dále od jednoho zdroje náboje, tím je blíže druhého a tak síla zůstává stejná. Proto se dá říci, že síla bude ovlivněna pouze velikostí náboje částice ve vodiči a proto se působení pole označuje jako intenzita(E) a platí pro ni vztah F E= q kde q je náboj částice. Takže pro sílu platí obměněný vztah. F = Eq Je zřejmé, že když bude na částici působit síla, pak se dá do pohybu a získá kinetickou energii(Ek). Která bude záviset na síle a dráze, po které síla působila Ek = Fd = Eqd Z toho vyplývá, že poloha částice určuje její maximální dosažitelnou energii, tzv. potenciální energie(Ep). Tuto energii v obvodu určuje pouze náboj částice, protože jak intenzita tak dráha (vlastně dráha až ke zdroji) jsou pevně dány. Proto se určuje tato vlastnost obvodu jako elektrický potenciál(φ). Fd Eqd ϕ= = = Ed q q V praxi se však více užívá rozdíl potenciálů mezi dvěma místy. Tento rozdíl se nazývá napětí a určuje, jaké energie dosáhne částice meze těmito dvěma body. U AB = ϕ B − ϕ A = Ed B − Ed A = E∆d Při průchodu vodičem narážejí pohybující se částice do iontů, které se nedokonalostí vodiče uvolní ze svého umístění, tomu se říká odpor(R). Aby mohly částice překonávat odpor, musí ztratit část své potenciální energie, tomu se říká úbytek napětí. Vlivem odporu se vodič zahřívá, případně se rozsvítí žárovka. Obecně platí, že na všech odporech v obvodu se spotřebuje veškerá potenciální energie. Odpor vodiče závisí na jeho průřezu, délce a materiálu ze kterého je zhotoven, l R=ρ S stejně jako na jeho teplotě. R = R0 (1 + ∆t ) Co je proud již bylo řečeno, jeho směr je stejný jako směr toku kladných iontů (tzn. od kladné k záporné elektrodě) a velikost je náboj, který proteče průřezem vodiče za určitý čas. Pokud situaci trochu zjednodušíme a budeme předpokládat že proud tvoří pouze elektrony, kterých je N a pohybují se rychlostí v průřezem S, pak platí. -1-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 ∆Q SvNq∆t = = SvNq ∆t ∆t Pro odpor, napětí a proud v obvodu platí tento vztah, U I= R který nazýváme Ohmovým zákonem. V obvodu má většinou zdroj stálé napětí, pokud změníme odpor, třeba zvýšíme, bude docházet k více srážkám, ale jelikož napětí zůstává konstantní, částice se srážkami zpomalí a proud klesá. Pokud by byl stálý odpor a vzrostlo napětí, částice budou dosahovat větší kinetické energie (resp. rychlosti) budou částice protékat rychleji, proud roste. A konečně, pokud bude stálý proud a vzroste odpor, musíme zvýšit napětí, aby se zvýšila rychlost částic. Energie částic lze vyjádřit taky takto (pokud opět uvažujeme jen částice s jedním nábojem) Ek = UqN = UQ = UIt Výkon proudu je uveden jako vydaná energie za určitý čas. E P = k = UI t I=

Polovodiče Izolant, vodič a polovodič Vzhledem ke schopnosti vést elektrický proud je možné rozdělit látky do tří kategorií. Izolanty nevedou proud vůbec, nemají volné elektrony. Ty jsou u nich pevně vázány ve valenčním pásu a nedostanou se do vodivého, jen za dodání obrovské energie. V elektrickém poli se pouze málo polarizují, molekuly se natočí a přemístí elektrony v orbitalech. Patří mezi ně mnohé organické látky jako plasty či dřevo. Vodiče vedou proud vždy. Mají mnoho volných elektronů (obzvláště z dorbitalů), které vlastně tvoří jakýsi „elektronový plyn“. Jejich valenční pás se překrývá s vodivostním. Patří mezi ně povětšinou kovy. Polovodiče jsou vodivé jen za určitých podmínek. Nemají sice volné elektrony, ale jejich valenční a vodivostní pás jsou velice blízko a stačí malá energie (asi 1,1 eV = 1,6 x 10-19 J), aby se uvolnil elektron a vzniklo po něm místo, které má vůči svému okolí kladný náboj – díra. Při teplotách blízkých 0K jsou elektrony pevně ve svých vazbách, při 20 °C se již některé uvolňují a procházejí krystalem křemíku, pokud se setkají s dírou, zaplňují ji – rekombinují. Elektron také může opustit svou vazbu, aby zaplnil blízkou díru a vytvořil tak novou, tímto způsobem se přesouvají díry. Tvorba páru elektron-díra je v rovnováze s rekombinacemi. Pokud zapojíme polovodič do obvodu, začnou se díry a elektrony uspořádaně pohybovat a vzniká proud, který je součtem děrového a elektronového proudu. Při růstu teploty se, na rozdíl od kovů, rezistivita snižuje, rovněž roste množství uvolněných částic (při 20°C je 1,0 x 1016 m-3 a při 300°C činí 1,8 x 1019 m-3). Tomuto se říká vlastní vodivost

-2-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 polovodiče. Aby polovodičem protékal proud, musí částice rekombinovat, jinak se nemohou pohybovat.

Nevlastní vodivost polovodiče Vzniká přidáním atomů jiného prvku s jiným počtem valenčních elektronů. Buďto se přidá látka, která má 5 valenčních elektronů, čtyři se naváží na vazby s křemíkem a jeden se volně pohybuje. Atom příměsi (třeba Arsen) má potom více protonů než elektronů, proto má navenek kladný náboj a stává se z něj nehybný donor. Takovýto polovodič se nazývá polovodič typu N, protože majoritními nositeli náboje jsou negativní elektrony. Nebo se přidá látka s 3 valenčními elektrony. Tři se naváží na vazby a místo čtvrtého vznikne díra, která je postupně zaplněna jiným elektronem a volně cestuje (přeskakuje) krystalem. Atom má pak méně protonů, než elektronů a je navenek záporný (třeba Indium) a je z něj nehybný akceptor. Takový polovodič je polovodič typu P, protože náboj vedou hlavně kladné díry.

-3-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Celkový náboj pohyblivých částic se vyrovnává s nepohyblivými. Zároveň je počet nosičů náboje prakticky konstantní. Když však vzroste teplota, začnou vznikat páry elektron-díra (vlastní vodivost) a roste množství minoritních nosičů, které jsou nežádoucí. Přechod PN a Dioda Dioda se skládá z jednoho přechodu PN. Její vývod z části P se nazývá anoda z části N katoda. Je nelineární součástkou, která se neřídí Ohmovým zákonem. Její vodivost nezávisí jen na velikosti napětí, ale i na jeho polarizaci. Pokud je na anodě vetší potenciál, než na katodě je zapojena v propustném směru a protéká jí proud, pokud opačně, proud jí téměř neprotéká, je zapojena v závěrném směru. To se nazývá Diodový jev.

Dochází k němu takto. Volně se pohybující elektrony z oblasti N a volné díry z oblasti P spolu na rozhraní rekombinují. Tím se naruší elektroneutralita kolem přechodu a převládne působení nepohyblivých iontů. A tak vznikne pole směřující z oblasti N (nepohyblivé X+) do oblasti P (nepohyblivé Y-), což se nazývá hradlová vrstva. Přes tuto vrstvu už neprocházejí další volné částice s nábojem, neboť nemají s čím rekombinovat.

Když je dioda zapojena propustně, napětí zdroje potlačí napětí hradlové vrstvy (je opačné), částice mohou opět rekombinovat a diodou prochází proud. Pokud je zapojena nepropustně, hradlová vrstva se ještě zvětší a proud neprotéká, jen nepatrný proud minoritních nosičů. Pokud překročí napětí kritickou mez (tzv.průrazné napětí) jsou obrovským hradlovým napětím některé elektrony vrženy s takovou energií, že vyrazí elektrony z valenční vrstvy některého iontu v oblasti N a ty působí lavinový efekt, jehož vlivem prudce roste proud.

-4-


Proud zde není přímo závislý na napětí. Z voltampérové charakteristiky je zřejmé, že v propustném směru začne protékat kolem 0,5 voltů, zatímco v nepropustném je potřebné nezměrně větší napětí, až 100V. Usměrňovací diody jsou čistě jednosměrné a při průrazném napětí (proud protéká v závěrném, směru) se zničí. Stabilizační diody vydrží i průraz a mohou fungovat i v opačném směru, pro průraz však stačí i napětí od 5 V (někdy více, dle součástky). Příčinou je Zenerův jev, když při vysoké intenzitě elektrického pole dojde k uvolnění elektronů vázaných na atomy krystalové mřížky, u křemíku nastává při intenzitě 108 Vm-1. Díky nízké tloušťce přechodu PN však někdy postačí i zmiňované napětí 5V. Uplatňuje se i lavinový jev. Kapacitní diody jsou dosti podobné deskovým kondenzátorům, také se jedná o dvě oblasti (desky) s rozloženým nábojem, oddělené nevodivou oblastí. Při zvyšování závěrného napětí šířka nevodivé oblasti roste a tím klesá kapacita. Využívají se k řízení frekvence oscilátoru při frekvenční modulaci.

Tranzistor Tranzistor je součástka, která obsahuje dva PN přechody a skládá se ze tří částí, kolektoru (do něhož vstupuje proud), base (do níž vstupuje řídící proud) a emitoru (odkud vystupuje konečný proud). Může mít stavbu PNP, nebo PNP. Když je zapojen do obvodu, proud (kolektorový, IC) přes něj díky jedné závěrné PN vrstvě neprotéká. Pokud však správně (v propustném směru) připojíme druhý obvod (basický) na PN přechod base-emitor, začne procházet basickým obvodem proud (basický, IB), neboť elektrony vstupují do base a rekombinují (ty tvoří basický proud). Díky malému obsahu base a malému počtu děr rekombinuje jen malé množství elektronů, ostatní jsou silně přitahovány nábojem kolektoru a jako minoritní nosiče mohou volně projít přes basi do kolektoru, což díry nemohou a vytváří mnohem větší proud (kolektorový) než je basický. -5-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Při užití tranzistoru dojde k zesílení kolektorového proudu, což je také jeho hlavní využití. Proud obvodu je téměř lineárně závislý na proudu base a základním parametrem tranzistoru je proudový zesilovací činitel β, pro nějž platí. ∆I β= C ∆I B A u běžných tranzistorů dosahuje hodnot kolem 102.

Takto fungují nejběžnější, bipolární tranzistory, které využívají jak vodivosti děr, tak elektronů. Existují však také unipolární tranzistory, které využívají jen vodivosti děr, nebo elektronů. Tento typ není řízen basickým proudem, ale polem (FET – Field Effect Tranzistor). Třeba do podložky typu P se vytvoří dvě vzdálené oblasti typu N, na něž se připojí elektroda S (source – zdroj) a D (drain – sběrná elektroda) a na ochrannou vrstvu (oxid) mezi nimi se nanese vrstva kovu, řídící elektroda G (gate – hradlo). Jelikož jsou na tranzistoru dva PN přechody, z toho jeden v závěrném stavu, proud neprotéká. Ale, když se zapojí elektroda G a získá kladný náboj, začne přitahovat elektrony (minoritní) a odpuzovat díry (majoritní). Tak vznikne úzký vodivostní kanál elektronů, který přemostí dva ostrůvky oblastí typu N. Šířka kanálu (a tak i velikost proudu) závisí na napětí mezi elektrodami G a D.

Je zřejmé, že kolektorový proud závisí hlavně na basickém proudu. Při růstu kolektorového napětí již od určité hodnoty kolektorový proud neroste. Překročí-li však napětí kritickou mez, vzniká v oblasti kolektorového přechodu lavinový jev a proud prudce roste, dochází k průrazu tranzistoru. Naopak, pokud klesne napětí na kolektoru k hodnotě blízké napětí na basi a potenciály kolektoru a base se vyrovnají se při dalším klesání napětí na kolektoru se stane kolektor vzhledem k basi propustným. Kolektorovým přechodem pak začne -6-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 procházet proud, ve směru proti proudu elektronů z emitoru na kolektor, kolektorový proud se zmenšuje a pokud napětí klesne k nule, směr proudu se otáčí. Tranzistory jsou také určeny ztrátovým výkonem tranzistoru, daný tímto vztahem P = I CU CE což je vlastně elektrická energie, která se v tranzistoru přemění ve vnitřní energii částic, což se projeví zvýšením teploty tranzistoru a uškozením jeho elektrickým vlastnostem. Většina má dán maximální doporučený ztrátový výkon. Kombinace více tranzistorů, diod a dalších zařízení na jedné křemíkové destičce spojené raženými spoji se nazývá Integrovaný obvod, většinou se považuje za jednu diskrétní součástku a má i svou značku.

Integrovaný obvod MAA 115, jeho složení (vlevo) a značka (vpravo)

Výroba polovodičů Následující prvky mají výrazné vlastnosti polovodičů: uhlík, bor, křemík, fosfor, germanium, arsen, selen, antimon, telur a vanad. Buďto se užívají přímo ke konstrukci součástek, nebo jen jako příměs. Surový křemík se zpravidla získává redukcí chloridu křemičitého zinkovými parami. Surový křemík se pak čistí pásmovou tavbou. V podobě dlouhé tyče je v trubici s ochrannou atmosférou a je na něj nasazena indukční cívka pro vysokofrekvenční ohřev, což vytvoří na křemíku úzké roztavené pásmo, neroztavené části drží pohromadě povrchovými silami. Cívka se pomalu posouvá vzhůru, při čemž se vylučují krystalky čistého křemíku a nečistoty zůstávají v tavenině. Celý proces se několikrát opakuje, až klesne znečištění na 1:1014.

-7-


Pak se do roztaveného křemíku přiblíží tyč se zárodkem monokrystalu vyříznutým z jiného monokrystalu. Ta se zvolna otáčí a posouvá, tak narůstá nový monokrystal. Ten je ochlazován kapalinou, která proudí dutou tyčí. Nakonec se monokrystal řeže na 0,4 – 0,6 mm široké destičky a pak se brousí na destičky o šířce 250 – 400 µm a povrch se vyleští. Dále je nutné vyrobit PN přechod. K tomu se využívají následující postupy: 1.Planární technologie: při vyšších teplotách difundují páry příměsi do křemíku. A to při teplotě 1100°C-1300°C. Ale v praxi se to kombinuje s dalšími postupy, třeba leptáním, a oxidací. Leptáním se odstraňuje přebytečný materiál a oxidací se na povrchu vytváří izolant. Viz obrázek, základem je křemíková součástka typu N, na níž se vytvoří oxidací vrstvička SiO2 (a), pak se vyleptá okénko (b) a difundují se páry boru, vznikne base (c). Pak se povrch opět zoxiduje a vyleptá se menší okénko přes něj se difunduje fosfor, vznikne emitor (d). Pak se opět zoxiduje a vyleptají se okénka pro přívody k basi a emitoru (e), nanese se vrstva hliníku (f) a odleptá se tak, aby vznikly přípojky k vodičům (g).Základní destička je pak kolektor (h).

2.Fotolitografie: na vrstvu SiO2 se nanese fotolak citlivý na UV záření. Na vrstvu se promítne maska vymezující okénka pro difúzi. Osvětlený lak polymeruje a je odolný leptání, neosvětlený se odleptá. Opakováním tohoto postupu lze vytvořit složitý systém vodivostí. 3.Planární epitaxní technologie: se od prosté epitaxní technologie liší přidáním epitaxní vrstvy – ta vzniká při vysoké teplotě a má opačnou vodivost než podložka a na ni se poté nanáší fotomaska a postupuje se zase leptáním

-8-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 4.Elektronovým paprskem: fotolitografický proces se provádí i elektronovým paprskem, řízeným počítačem. 5.Technologie tenkých vrstev: při ní se nanášejí vrstvy izolantů, vodičů, polovodičů a feromagnetik. Tyto obvody jsou vlastně tvořeny diskrétními součástkami, proto se nazývají hybridní. Těmito postupy se na destičce o průměru 3-4 cm vytvoří stojky integrovaných obvodů. Mikroprocesory Logické obvody Zapsat analogovou veličinu v soustavě nespojitých impulsů v podobě určitého kódu je poměrně podstatný krok. Jednotlivé impulsy jsou vlastně prezentovány skokově se měnící hodnotou napětí, které nabývá dvou hodnot, buď je (stav 1) nebo není (stav 0). Pro vyjadřování tímto způsobem se užívá binární (dvojková) soustava. Binární a hexadecimální soustava Její princip je jednoduchý, vlastně analogický k decimální. Má pouze dvě čísla 0 a 1. Každý řád má (decimální)hodnotu n-1 mocninu dvojky (dvojková soustava, třetí řád jsou násobky 4) a dva možné násobky 0 a 1 této hodnoty. To, že každý další řád je o 1 více, než maximální násobek všech předešlých (např. 1000-1=111) lze snadno dokázat (analogicky platí následující postup pro každou soustavu), neboť maximální možný násobek řádu je vždy o jedna menší, než číslo, jehož mocniny představují hodnoty řádů (pro binární 2/max násobek je 1, pro decimální 10/max násobek je 9, pro hexadecimální 16/max násobek je 15, resp. F atd.) a to proto, že výčet čísel soustav obsahuje 0. Aby bylo dosaženo hodnoty sousedního, vyššího řádu , musí být maximální hodnota řádu násobena o jedna větším číslem (90→100, pokud se 10 nenásobí 9 ale 10, to už však není základní číslo decimální soustavy), tomu se dá vyhnout, když se přičte maximální násobek předešlého řádu, ale jelikož je jeho maximální násobek také o 1 menší, postupuje se stejně dále a dále až k násobkům prvního řádu (násobky jedné pro každou soustavu), kde je maximální číslo o jedna menší, než číslo, které musíme přidat, aby se vedlejší řád posunul a posunul tak vlastně všechny. Všechno ukážu na příkladu v osmičkové soustavě (skládá se z čísel 0, 1, 2, 3 , 4, 5, 6, 7), ze které se to dá vztáhnout na všechny. Číslo 1000 má hodnotu v decimální soustavě 83x1+82x0+81x0+80x1=512, maximální násobek v této soustavě je 7, takže číslo o 1 menší je 777 a vyplývá to z tohoto aby 82x7+81x7+80x7 bylo 83, chybí ke členu 82x7 přičíst 82 , to by se pak k 81x7 muselo přičíst 81 v tom případě se však musí k 81x7 přičíst 80x8, ale to nelze, maximální možný násobek je 7, a jelikož 80 je jedna, pak chybí jedna, aby 777 bylo rovno 1000 v osmičkové soustavě. Pokud zapisujete číslo v binární soustavě, pak mají čísla (resp. jedničky, 0 nemá hodnotu) pro decimální soustavu tyto hodnoty v tomto pořadí ... − 16384 − 8192 − 4096 − 2048 − 1024 − 512 − 256 − 128 − 64 − 32 − 16 − 8 − 4 − 2 − 1 V binární soustavě lze vyjádřit každé číslo a pravidla pro sčítání, odčítání, násobení i dělení jsou zachována.

-9-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 V počítačovém softwaru se také často používá hexadecimální soustava. Má celkem 16 čísel, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Každý řád má decimální hodnotu n-1 mocninu 16 (druhý řád jsou násobky 16). Zajímavé je, že každé číslo hexadecimální soustavy lze vyjádřit 4 čísly binární soustavy, tak lze čísla přepisovat vzájemně. Třeba 1A v hexadecimální soustavě se dá napsat jako 00011010 v binární. Je to zřejmé, neboť jeden řád v hexadecimální soustavě může nabývat hodnot od 0 do 15 stejně jako čtyři řády v binární. A hodnoty řádů se také neliší, rovnost v první čtyřce se dá snadno dokázat a vlastně ji dokazuje předešlá věta, neboť se násobí jedničkou. Jelikož se hodnoty jednotlivých řádů binární soustavy sčítají (při převodu na decimální hodnotu), musí se každý sčítanec vynásobit stejným číslem jako řád v šestnáctkové, čili 16=24 a tomu tak je, protože se jedná o další čtveřici, tzn. mocniny jsou o 4 větší (exponenty rostou lineárně o 1) pro každý „posunutý“ řád. Bit, šířka toku dat, slabika a slovo Bit (binary digit) je označení pro dvojkovou číslici, která nabývá hodnot 0 nebo 1. Šířka toku dat (šířka sběrnice) je počet bitů, které se sběrnicí(viz níže) přenášejí současně. Slabika (byte) je skupina 8 bitů. Slovo (word) je skupina slabik, která se v počítači zpracuje jako celek. Doba, fáze a strojový cyklus Doba (time period) je časový úsek mezi stejnolehlými body dvou, po sobě jdoucích impulsů. Fáze (beat) je jeden ze stavů řadiče při provádění instrukce. Strojový cyklus (machine cycle) je označení pro jednu, nebo častěji několik dob. Adresy a adresování Adresa je označení místa uložení slova, nebo jeho části. Jelikož je paměť rozdělená na buňky o určité velikosti, z nichž je každá jasně vymezená svým číslem, dá se pomocí adresy identifikovat. Adresy dělíme na - zdrojové, určuje místo, odkud instrukce čerpá data - cílové, určuje kam výsledky operací přesouvá Nepřímá adresa je odkaz na místo, kde je teprve přímá adresa Ukazatelé v paměti poskytují odkazy na pevně zapsané konstanty a proměnné. Von Neumannova a harwardská koncepce Von Neumannova koncepce říká, že PC se skládá z 5 hlavních částí - Operační paměť (viz níže) - Aritmetickologická jednotka (viz níže) - Řadič (viz níže) - Vstupní zařízení - Výstupní zařízení A činnost podle něj - do operační paměti se přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet - stejným způsobem se umístí data ke zpracování -10-


- ALU provede výpočet a mezivýsledky ukládá do operační paměti - po dokončení pošle přes ALUI výsledky na výstup Dnes se počítače liší - PC má i více než 1 procesor - pracuje nejen v diskrétním režimu - pracuje i s více programy paralelně (podle von Neumanna jen s jedním) - program se nemusí zavést celý Harwardská koncepce na rozdíl předpokládá dvě paměti (na program a data zvlášť). Dělají se podle ní kapesní kalkulátory a jednoúčelové automaty. Fyzické principy paměti Každá paměť je tvořena maticí součástek, z nichž každá nese informaci o 1 bitu. Ty lze jako takové číst i zapisovat. Jedná se o paměť RAM. Statická paměť je tvořena klopnými obvody, pro každý bit obsahuje jeden obvod s ovládací logikou. Jsou příliš velké a mají malou kapacitu. Udrží informaci stále. Dynamická paměť obsahuje místo klopných obvodů malé kondenzátory, které jsou nabité (log.1), nebo vybité (log.0). Umístěny ve čtvercové matici, avšak díky malé kapacitě kondenzátorů ztrácejí náboj, proto se musejí obnovovat. Ke ztrátě dat dojde každé 4 milisekundy, obnova se provádí každé 3,86 milisekundy. Přímo jeden kanál DMA je tomu vyhrazen. Paměť SIMM (Single Inline Memory Module) přístupová doba je 60-70 ns, má často paritní bit, který kontroluje činnost paměti, ECC, což je samoopravný kód, většinou mají 72 pinů a 32 bitovou komunikaci. Paměť DIMM (Dual Inline Memory Module) má 168 pinů a 64 bitovou komunikaci, je tedy rychlejší a má větší kapacitu (vejde se více paměťových modulů). Tranzistor jako spínač Pokud je basický proud nulový, a kolektorový je nepatrný (zbytkový), jen vlivem nepravidelnosti struktury polovodiče, pak na odporu kolektoru nedochází k úbytku napětí a kolektorové napětí je stejné jako napětí zdroje. Uzavřený stav (X). K opačné situaci dojde, pokud na vstup připojíme napětí v propustném směru, pak poklesne odpor a tranzistorem začne protékat proud. Na tranzistoru je pak jen malé napětí. Otevřený stav (Y). Uzavřeného a otevřeného stavu se využívá u tranzistorů jako spínačů. Dokáží rychle přecházet ze zavřeného do otevřeného stavu, což jim umožňuje spínat.

-11-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Tyristor Je polovodičová součástka se třemi PN přechody, skladbou PNPN, kde dva krajní přechody jsou orientovány v propustném směru. Obvodem prochází jen malý proud, který s napětím roste. Po překročení spínacího napětí se začne prostřední nepropustný přechod chovat jako stabilizační dioda, nastane lavinový jev a začne protékat proud. Při poklesu napětí pod 1 V (vypínací napětí) lavinový jev zaniká a obvod je přerušen. Tyristor se jinak řídí elektrodami připojenými tak, aby byl dolní PN přechod v propustném směru. Menšinové náboje procházejí přes střední část tyristoru a ten sepíná již při nižším napětí. Když se však tyristor sepne, řídící elektrody již na obvod nemají vliv, a uzavřít jde jen rozpojením obvodu. Tyristory se využívají třeba v regulátorech osvětlení a teploty, silnoproudé elektronice, svařovací technice, galvanizovnách a ve spínačích.

Logické funkce Logické operace se řídí Booleovou algebrou, pro které nabývají proměnné jen dvou hodnot ANO (1, logická jedna), NE (0, logická nula). Nejjednoduššími funkcemi jsou logický součin (funkce AND, konjunkce), tzn. že výsledek je 1 jen tehdy, kdy jsou všechny podmínky jedna. A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Y=A.B 0 0 0 1

Dále logický součet (funkce OR, disjunkce), tzn. že výsledek je jedna, pokud je alespoň jedna z podmínek jedna. A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Y=A.B 0 1 1 1 -12-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 A negace (funkce INVERT), výsledek je roven 1, pokud je podmínka 0 a naopak. Již negovaná tabulka konjunkce (funkce NAND) vypadá takto. A

B

0 0 1 1

0 1 0 1

1 1 1 0

A negace disjunkce (funkce NOR) takto.

A

B

0 0 1 1

0 1 0 1

1 0 0 0

Elektronické logické členy Logický člen lze nejjednodušeji vytvořit vhodným zapojením diod. Kladné napětí se označuje jako úroveň logické jedničky (log. 1), napětí nulové, nebo blízké nule jako úroveň logické nuly (log. 0). U AND je na výstupu log.1, jen tehdy, když je na A i B log.1. Diody jsou v závěrném směru, neprochází jimi proud a napětí na výstupu Y se blíží napájecímu napětí. Pokud je alespoň jedna dioda připojena na log.0, pak protéká proud, ale dioda má malý odpor, proto je na ní malý úbytek napětí a hodnota na výstupu je log.0, většina napětí se ztratí na rezistoru.

U OR jsou diody polarizovány opačně. Pokud je na alespoň jedné log.1, pak dojde k malému úbytku napětí na diodě a velkému na rezistoru, proto je mezi Y a nulovým potenciálem napětí, na výstupu je log.1. Pokud jsou obě diody připojeny k log.0, pak proud neprochází a na výstupu je log.0.

-13-


U INVERT se užívá tranzistoru. Pokud je na A log.1, pak protéká basický proud a také proud přes tranzistor s malým odporem, tzn. k velkému úbytku dojde na rezistoru a na výstupu je log.0. Pokud je na vstupu log.0, tranzistorem neprochází proud a na výstupu je napětí log.1.

Kombinacemi logických členů lze vytvořit i NAND, či NOR. Jelikož logické obvody nepoužívají kondenzátory ani indukci, proto se vyrábějí jako integrované obvody. Hlavně proto, že v číslicové technice se vystačí s omezeným počtem druhů členů, ale ty se hodně opakují. Tak vznikly soustavy číslicových integrovaných obvodů, pod zkratkami RTL (rezistor-tranzistor-logika), DTL (dioda-tranzistor-logika), TTL (tranzistor-tranzistor-logika). TTL se liší tím, že vstupem je NPN tranzistor s více emitory. Prvky optoelektronických obvodů Elektronická vazba omezuje miniaturizaci kvůli integracím s elektrony, u elektroneutrálních fotonů tento problém nehrozí. Dají se využít k působení na pevnou látku a optický signál se dá převést na elektrický a naopak. Polovodiče pohlcují fotony, při dostatečné energii se uvolní z vazby pár elektron-díra. Tomu se říká fotoelektrický jev. Využívá se u následujících součástek. Fotorezistor je fotovodivá, polovodičová vrstva, hermeticky uzavřená. Pokud není osvětlen, má velký odpor. Když je osvětlen roste jeho vodivost a vede proud. Fotodioda má přechod PN a v pouzdře je okénko, kterým dopadá světlo na povrch. Je zapojena v závěrném směru a pokud není osvětlena, protéká jí jen proud minoritních nosičů. Když je však osvětlena, vznikají foton-díra páry a roste koncentrace minoritních nosičů, které mohou pronikat do části s opačnou vodivostí, proto protéká proud i v závěrném směru. Je na ní napětí i beze zdroje, které může v obvodu vytvořit proud. V praxi se užívají jako fotorezistory.

-14-


Fototranzistor má okénko, kterým dopadají fotony na basi a tím je řízen. Světlo vytvoří páry a ty snižují napětí mezi emitorem a basí. Je citlivější než dioda (zesílení). Dále se užívají zobrazovací součástky, ty mění elektrické signály na světelné. Pro to je důležitá elektroluminiscence. Ta je podmíněna rekombinací elektron-díra páru a vyzařováním světla. Elektroluminiscenční dioda je dioda zapojená v propustném směru, kdy na přechodu rekombinují elektrony a díry a dle velikosti proudu tvoří světlo. Barva světla záleží na příměsových prvcích. Využívají se třeba v světelných indikátorech nebo kapesních kalkulátorech, kde každé číslo tvoří sedm diod. Jsou aktivní optoelektronické prvky, které produkují záření.

Některá zařízení světlo jen odrážejí a jejich příkon je minimální, takovým se říká pasivní optoelektronické prvky. A jsou to třeba tekuté krystaly. To jsou organické molekuly protáhlého tvaru, které tvoří uspořádanou strukturu. Působení elektrického pole se orientují jinak a mění index lomu. Vyrábí se jednoduše, mezi dvě skleněné destičky je vrstva tekutého krystalu o tloušťce 10-2 mm a na vnitřní ploše skel jsou elektrody, které vymezují tvar čísel.

Složitější součástkou je optron. Soustava, jejíž vstupní část přemění elektrický signál na optický (záření většinu produkované elektroluminiscenční diodou z arsenidu galitého) a přenese jej na detektor (fotodioda, fototranzistor) , kde je opět transformován na elektrický. Může samozřejmě fungovat i opačně. Užívají se jako součást logických obvodů.

-15-


Optický signál se přenáší optickým světlovodem, tenkým, skleněným vláknem. K jeho konstrukci se využívá úplného odrazu světla. Tyto optické kabely měří až 0,125 mm.

Mikroprocesory Předností číslicových počítačů oproti analogovým je jejich vysoká přesnost a universálnost. Přesnost je prakticky neomezená, neboť lze stále přidávat nové řády. Úloha se zde nemodeluje, ale zpracovává na číselný algoritmus. Existují metody, kterými lze převést úlohy na sčítání, odčítání, násobení a dělení. Aby mohl počítač řešit složitější úlohy, kde se přihlíží k mezivýsledkům, musejí mu být naprogramovány instrukce. Procesor je vlastně polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou, pokrytou integrovanými obvody, s příměsí hliníku nebo mědi. Číslicový počítač se skládá z těchto částí Operační jednotka (operační podsystém), Operační paměť (paměťový podsystém), Řadič (řídící podsystém) a Vstupní/výstupní podsystém. Operační podsystém provádí všechny aritmetické a logické transformace operací. Z operační paměti vybírá instrukce a ukládá do ní mezivýsledky. Operace, které se mají provádět určuje vstupní zařízení a veškeré informace o své činnosti poskytuje řadiči. Obsahuje také registry, které uchovávají operandy, mezivýsledky i konečné výsledky. Obsahuje také sčítačku pro odčítání. Řadič operační jednotky dohlíží na činnost jednotky, řídí a časově sleduje provádění jednotlivých algoritmů. Řídící a operační podsystém spolu tvoří Procesor, ten dokáže vybrat instrukce z operační paměti, dekódovat je a provést operaci. Pracuje ve dvou cyklech, výběrovém, kdy vybírá instrukce a prováděcím, kdy provádí operace. Oba cykly pracují nezávisle, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. K tomu se také využívá přerušovací systém, neboli žádost o přerušení. Jde o to, že vnější asynchronní signál, který upřednostní řešení jiného úkolu (často podprogramu) před současným (vnější signál, ale třeba i vnitřní, vzniklý nestandardní situací), ke kterému se pak počítač zase vrátí. Důležitou součástí počítače je paměť (RAM), ta je charakterizována těmito vlastnostmi: - kapacita - vybavovací doba (doba mezi příkazem k činnosti a výstupem) - cyklus paměti (minimální doba mezi příkazy k činnosti paměti) - možnost změny informace -16-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 způsob vybavování informace (libovolný výběr – doba je nezávislá na adrese x postupný výběr – doba je závislá na adrese) - přenosová rychlost (počet přenesených datových jednotek za sekundu) - chybovost (např. počet chyb na 1000 hodin) - poruchovost (parametr střední doba mezi poruchami – MTBF) - zda se po vypnutí vymaže (volatilní – vymaže se x nevolatilní – nevymaže se) - zda lze číst i zapisovat (ROM – jen číst x RAM – i zapisovat) Dnes se využívají polovodičové paměti, pokud se užije bipolární technologie, paměti jsou dražší, mají menší kapacitu, ale rychlý přístup (v nanosekundách), zatímco unipolární paměti jsou levnější, mají větší kapacitu, ale jsou pomalejší (v desítkách nanosekund). Mikroprocesor je velice podobný procesoru, obsahuje aritmetickologickou jednotku (ALU), řadič, řídící obvody, registry a vyrovnávací paměť. Po připojení V/V zařízení a operační paměti se stává nejjednodušší konfigurací schopnou pracovat podle zadaného programu. Většinou se navíc přidává interface (pro komunikaci s řízeným a sledovaným objektem), velkokapacitní paměti a aritmetickou jednotku s technickými prostředky zajištěnými vyššími aritmetickými operacemi. Lze charakterizovat jako funkční celek s těmito vlastnostmi: - skládá se z integrovaných obvodů s vysokým stupněm integrace - struktura a provádění instrukcí odpovídá von Neumannově koncepci (viz výše) - struktura je universální - operační paměť není součástí, ale připojuje se externě A samy mají tyto charakteristiky: - rychlost v MHz (dnes až GHz), na níž závisí výkon - efektivita mikrokódu (počet kroků k provedení instrukce, např. sečtení dvou čísel) - (ne)přítomnost numerického koprocesoru, ten se užívá k provádění výpočtů v pohyblivé desetinné čárce - šířka slova, čili jaké největší číslo dokáže zpracovat během jedné operace v počtech bitů (např. procesor s šířkou slova 8 bitů dokáže v jedné operaci pracovat jen s čísly z intervalu 0-255) - šířka přenosu dat, udává jaké množství dat je možné do procesoru zavést - Interní Cache paměť, je mezi procesorem a operační pamětí s malou kapacitou (do 1 MB), realizována pomocí rychlých statických pamětí (5-10x rychleji než hlavní paměť) - velikost adresovatelné paměti udává velikost operační paměti, kterou je procesor schopen používat Činnost lze charakterizovat takovou to časovou posloupností - procesor vysílá na sběrnici operační paměti - odtud se instrukce přenese po datové sběrnici do vnitřních obvodů procesoru - tam je dekódována - a obvody řídící jednotky procesoru řídí její provedení

-

-17-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 pokud instrukce vyžaduje komunikaci s ostatními zařízeními, provádí ji vnitřní obvody mikroprocesoru, stejně jako návaznost na další instrukci programu a synchronizuje činnost celého systému. Mikroprocesor se skládá z různých bloků a těmi jsou Střadač, což je registr, který obvykle obsahuje jeden z operandů, pro aritmetickou úlohu (z operační paměti), také se zde ukládají výsledky, které by měly být zapsány do operační paměti a je prostředníkem komunikace mikroprocesoru s V/V zařízeními. Programový čítač, čítá adresy instrukcí tak, aby je mohl mikroprocesor postupně vybírat a provádět. Programy však často vyvolávají různé podprogramy, například pro vypočtení sinu, logaritmu a ty vyvolávají další jako součin, či podíl. Proto je celková činnost je řízena hlavním programem. Vyskytne-li se instrukce volání podprogramu, uloží se do čítače následující instrukce hlavního programu i první instrukce podprogramu. K tomu se používá zásobníková paměť, ukládá se do nejvyššího registru a ostatní se posouvají dolů, vybírání probíhá shora. Volání podprogramu způsobí, že následující instrukce hlavního programu se uloží do nejbližšího volného registru. Další volání podprogramů posouvá vše o krok dolů. Počet podprogramů, které lze vložit beze ztráty adresy hlavního programu je různá. Na konci podprogramu nastává návrat na původní místo v programu. Registr instrukcí, instrukce z paměti se zde ukládají a ponechají k dekódování. Dekodér instrukcí, má za úkol dekódovat instrukce a určuje tak, jaké operace má mikroprocesor provádět. Řídící signály z výstupu dekodéru instrukcí řídí přesuny informací mezi bloky a určují jejich funkci. Instrukce se obvykle seskupují do skupin, což dekódování značně zjednodušuje. Zásobníková paměť(LIFO), používá se jako dočasná paměť různých informací, neboť je přístupnější než operační paměť. Charakteristický je pro ni výběr dat v opačném pořadí, než byla vložena. Fronta(FIFO) je paměť, která vybírá data v pořadí, jakém byla vložena. Aritmetická jednotka, provádí veškeré výpočty, minimálně však tyto operace - sčítání - odčítání - posun doleva a doprava - čítání nahoru a dolů - logický součet a součin - porovnání číselně vyjádřených slov pro podmíněné větvení (jednoduché – stejná nebo rozdílná, nebo s porovnáním všech řádů) Složitější jednotky provádějí i složitější funkce jako násobení a dělení a složitější logické úkony. Všechny operace provádí ve dvojkovém kódu a potřebují převaděče. Řadič, je časovací a řídící obvod s dekodérem (viz výše) a registrem (uchovává operační znak instrukce po dobu jejího vykonávání) instrukcí. Řídí vykonávání operace a chod celého systému podle instrukcí programu. Generuje hodinové impulsy, a je zdrojem taktovacích impulsů pro celý počítač. Jeho opakovací kmitočet je určen rychlostí, s jakou jsou jednotlivé součásti mikroprocesoru schopny vykonávat spolehlivě své úlohy. Sled událostí bývá neměnný, organizován řídícími obvody schopnými reagovat na požadavek přerušení.

-

-18-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Indexový registr, je určen pro adresování paměti mikroprocesoru, jen u některých typů. Je určitým typem zápisníkové paměti (začleněná v procesoru, je vlastně skupina rychlých registrů, které se adresují jen příznaky ve znacích instrukcí). Příznakové klopné obvody, jsou obvody pro uchování jednotlivých bitů, které indukují stavy procesoru. Počítač může fungovat pouze pokud je přítomen základní program, ten nemusí být na první paměťové buňce. Počítač načte instrukci a další se připraví v programovém čítači, původní se dekóduje a čítač zvýší svůj obsah o jedna, čímž se připraví příští instrukce. Během provádění se uskuteční operace určená prováděcím znakem obsaženým v instrukci, např. sečti dvě čísla. Po této fázi je vybrána nová instrukce. Výroba procesorů Předtím, než se začne vyrábět samotný křemíkový procesor, je vytvořen softwarový model procesoru označovaný jako RTL (Register Transfer Logic). Aby bylo testování co nejjednodušší, pracuje tento softwarový model mnohem pomaleji než skutečný procesor, zhruba na frekvenci 2 až 5 Hz. Souběžně s tím je testován další softwarový model, zvaný Arcsim, který na rozdíl od RTL pracuje v hladině špičkového výkonu. Zvláštní testy jsou pak prováděny na velkém hardwarovém modelu. Procesor je testován na skutečných sálových počítacích (mainframech), jejichž cena se pohybuje v rádu statisíců dolaru. Pokaždé, když je v procesoru objevena chyba, je celý model revidován, chyba je odstraněna a nakonec dostane opravený procesor nové označení v podobě kódu složeného ze dvou písmen. Zásahy jsou prováděny speciálně vytvořeným iontovým paprskem, který umožňuje ve spojení s elektronovým mikroskopem měnit obvodové spoje, které jsou často velmi tenké. Proces testování dále pokračuje testováním kompatibility na spoustě hardwarových zařízení a tisících softwarových aplikací. Je totiž velice důležité, aby procesor uměl pracovat se stávajícím hardwarem na trhu a aby dokázal ovládat i současný software. V průběhu těchto testů je již hotový procesor montován do normálních počítačů a je testován bez zásahu techniků. Procesory jsou samozřejmě podrobeny i různým výkonnostním testům. I po zahájení výroby jsou procesory podrobeny celé sérii testů trvajících 10 - 20 sekund. Přesto se však i v prvních sériích procesoru objevují chyby U polovodičové techniky byl od počátku kladen obrovský důraz na miniaturizaci elektronických součástí. Zmenšování součástek tak ovlivnilo rozložení spínacích obvodů na křemíkové destičce. Tím se také velmi zkrátila dráha, kterou musí urazit letící elektron proto se elektrony mohou pohybovat mnohem rychleji mezi jednotlivými funkčními prvky a to umožňuje vyrábět rychlejší procesory. Dalším efektem vyvolaným zmenšováním používaných struktur je to, že není třeba tak vysoké napájecí napětí k ovlivnění jednotlivých spínacích obvodu a tím pádem se muže snížit příkon. Od objevení polovodičové technologie se celý průmysl snaží vyrobit co nejmenší součástky tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. Pomocí technologie 0,25 µm lze vyrobit prvky, které měří pouze 0,25 µm. Intel Pentium 4 se již dnes vyrábí s technologií 0,18 µm a má 42 milionů.

-19-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Historie Počítačů 3000 př.n.l. - V Asii se používají ranné formy uzlových a provázkových počitadel. 876 n.l. - První doložený záznam o použití symbolu pro nulu (v Indii). 1620 - Edmund Gunter z Anglie vynalezl posuvné počitadlo. 1642 - Blaise Pascal navrhl první funkční mechanický kalkulátor, který se používal až do poloviny 20. století. 1694 - Gottfried Leigniz postavil kalkulačku, používající binární (dvojkovou) číselnou soustavu. 1732 - Charles Babbage navrhl první počítač řízený instrukcemi z vnějšku, kvůli nedostatku peněz jej nedokončil. 1857 - Sir Charles Wheatstone představil plynule běžící papírovou pásku, jež mohla sloužit k ukládání a čtení dat. 1890 - Herman Hollerith navrhl sčítací stroj na děrné štítky. 1897 - Karl Braun vyvinul katodovou trubici (počátek obrazovky). 1918 - Dva vynálezci zhotovili počítací stroj založený na binární soustavě, pracující s nulami a jedničkami. 1937 - Johm Atanasoff zahájil práce na prvním digitálním počítači; o deset let později byl na základě jeho práce vyvinut ENIAC. Georges Stibnitz vyvinul v Bellových laboratořích první binární obvod. 1938 - Wiliam Hewlett a David Packard založili v garáži v Palo Altu v Kalifonii společnost HP. Konrad Zuse vyrobil první počítač používající binární kód. 1944- Inženýři Harvardu postavili počítač Mark I, ten se ale příliš často zasekával. 1946 - Odborníci z University of Pennsylvania předvedli první ENIAC, první elektronický počítač pro obecné použití. 1947 - Dva pracovníci z Bellových laboratoří experimentují s prvním trnzistorem. 1949 - John Mauchly vyvíjí Short Code - světově první vyšší programovací jazyk. 1951 - Mauchly a John Eckert staví UNIVAC I, první komerční elektronický počítač. 1953 - IBM vyrábí model 650, první masově vyráběný počítač; společnost jich do -20-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 stažení z trhu v roce 1969 prodala 1500. 1955 - Narinder Kapany vyvinul optické vlákno. Americké aerolinie instalují první velkou, databázovou síť - je postavena společností IBM a spojuje 1200 terminálů. 1956 - IBM vyrábí první pevný disk nazývaný RAMAC. Programátoři z IBM píší programovací jazyk FORTRAN. 1958 - Firma Texas Instruments staví první integrovaný obvod. Bell Telephone uvádí první modem. Vědci v Bellových laboratořích objevují laser. 1959 - Grace Murray Hopper a Charles Philips vymyslili COBOL. Xerox uvádí první kopírku. 1960 - Digital Eqiupment Corporation vyvíjí PDP-1, první komerční počítač vybavený klávesnicí a monitorem. 1963 - Douglas Engelbert vyvíjí v Stanford Research Institute první myš. 1964 - American Standard Association přijímá ASCII jako standardní kód pro přenos dat. 1965 - Digital Equipment Corporation staví první minicomputer, jeho cena je 18 000 dolarů. Byl vyvinut zjednodušený počítačový jazyk BASIC. 1968 - Založení společnosti Intel. 1969 - Spuštění ARPAnet - předchůdce Internetu. 1970 - Na trh je uveden floppy disk. Intel vyrábí první paměťový čip, který pojme. 1024 bitů. Na trhu se objevuje kruhová tiskárna. Bellovy laboratoře vyvíjejí UNIX. 1971 - Firma Texas Instruments uvádí kapesní kalkulačku. Objevují se jehličkové tiskárny. 1972 - Ray Tomlinson vynalézá e-mail. Programátoři z Bellových laboratoří vyvíjejí programovací jazyk C. 1975 - Je uveden první masově prodávaný počítač Altair 8800. Začíná se prodávat LCD displej. Je uveden první textový editor program Electric Pencil. IBM uvádí laserovou tiskárnu. 1976 - IBM vyvíjí inkoustovou tiskárnu. Steve Wozniak a Steve Jobs zakládají Apple Computer. 1977 - Bill Gates a Paul Allen oficiálně ustavují Microsoft. -21-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 1978 - je uveden program WordStar a rychle se stává nejpopulárnějším textovým editorem. 1981- IBM uvádí PC s operačním systémem MS-DOS. 1982 - Andrew Fluegelman vytváří první shareware, program PC-Talk. Osborne staví první přenosné PC. Začínají se prodávat první klony IBM PC. 1983 - IBM uvedlo PC-XT, první počítač se zabudovaným pevným diskem. 1984 - Debut CD-ROMu. Apple uvádí Macintosh. Je představen 2400-baudový modem. Hewlett-Packard začíná prodávat LaserJet, první osobní laserovou tiskárnu. 1985 - Je založena America Online (AOL). Microsoft vyvíjí pro IBM PC Windows 1.0. Nintendo dorazilo do USA. 1986 - National Science Foundation schvaluje investici do páteřní sítě Internetu. 1988 - Microsoft uvolňuje Windows 2.03. Steve Jobs uvádí NeXT. 1989 - Tim Berners-Lee vynalézá World Wide Web. 1990 - Intel uvádí čip i486. Přichází Windows 3.0 . 1994 - Marc Andreesen pomáhá založit Netscape. 1995 - Microsoft uvolňuje Windows95. Jeffrey Bezos zakládá Amazon.com. 1998 - Diamond Multimédia představují přenosný přehrávač MP-3. 1999 - Operační systém Linux je stále populárnější. Další součásti PC Základní deska (MB) je velká plastová deska s integrovanými obvody, na kterou jsou napojena všechna zařízení. Jak sběrnice vnitřních zařízení a mikroprocesor, tak zařízení pro vstup a výstup (I/O), paměťová zařízení. Deska je také připojena ke zdroji na napájí některá zařízení. Pevný disk (HDD) je zařízení určení k trvalému záznamu informace. Skládá se z kovových ploten, potažených oxidy železa v uzavřeném prostředí. Každý talíř má svou čtecí i zapisovací hlavu. Zapisuje se pomocí elektromagnetické indukce, kterou se polarizují částice disku. Při čtení se indukuje proud na procházející hlavě. K záznamu se užívá binární soustava, základ digitálního zpracování dat, založená na dvou hladinách napětí. Nejmenší jednotka informace je jeden bit, osm bitů tvoří jeden byte, do nějž lze vložit číslo od 0 do 255 (00000000-11111111). Jsou to tzv. číselné kódy, kterým odpovídá sada znaků velkých a malých písmen, číslice od 0 do -22-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 9 a další znaky. Nejčastěji se užívá ASCII (American Standard Code for Information Interchange), který obsahuje 128 všeobecných znaků a zbytek tvoří lokální znaky. Operační Paměť (RAM) převádějí se zde data z HDD, aby k nim měl procesor přístup a nesnižoval se jeho výkon. Informace se udržuje podle stavu nabití kondenzátoru (opět 1 nebo 0), když se odpojí napájení, záznam je ztracen. Sběrnice (PCI, AGP, ISA) jsou vodiče, které spojují jednotlivé komponenty, také určují výkon PC). ~ISA má šířku 16 bitů, přenos adresy se realizuje pomocí 24 vodičů ~PCI (Peripheral component interconnect) má šířku přenosu až 64 bitů Paralelní port vede několik bitů informací současně. Sériový post vede bity za sebou. Pružný disk (FDD) pracuje na obdobném principu jako HDD, jen není z kovu a je přenosný. Kompaktní disk (CD) je přenosní zařízení k trvalému záznamu informace. Vypalovací mechanika udělá, nebo neudělá do čtecí strany disku rýhy (vypalovacím laserem) a Čtecí zařízení pak svou fotodiodou zaznamená odraz čtecího laseru (není v místě rýha), nebo nezaznamená (světlo se rozptýlilo v rýze), tak získáme hodnoty napětí 0, nebo 1. Základní rychlost CD je 150 kB/s, jednotlivá čísla jsou násobky této rychlosti (např. 24 rychlostní CD mechanika čte rychlostí 24 x 150 kB/s). Závěr Počítače nyní můžeme najít kdekoli, v domácnostech, v továrnách jak řídí stroje, v letectví a vesmírném cestování, bez nichž by bylo nemožné, ale také v hodinkách. Jejich význam stále roste a jsou jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů aplikované fyziky. V mnoha ohledech nám usnadňují život a urychlují práci. Slouží k ukládání záznamů, vyhodnocování, zábavě a s rostoucím významem ani ne dvacet let starého Internetu i ke komunikaci a jako brána k informacím. V poslední době, kdy rozměry klesají až k úžasné hranici 10 µm, možnost jejich dalšího zmenšování se zdá být technicky neproveditelná. Uvažuje se o počítačích na bázi světla (fotonů), ne elektronů. Takovéto výzkumy jsou finančně velice náročné, ale výrobcům počítačů se rozhodně vyplatí.

-23-

Proud, polovodiče a mikroprocesory Daniel Šmít, 25.5.2004 Obsah: 1) Elektrický proud (strana 1-2) 2) Polovodiče - Izolant, vodič a polovodič (strana 2-3) - Nevlastní vodivost polovodiče (strana 3-4) - Přechod PN a Dioda (strana 4-5) - Tranzistor (strana 5-7) - Výroba polovodičů (strana 7-9) 3) Mikroprocesory - Binární a hexadecimální soustava (strana 9-10) - Bit, šířka toku dat, slabika a slovo (strana 10) - Doba, fáze a strojový cyklus (strana 10) - Adresy a adresování (strana 10) - Von Neumannova a harwardská koncepce (strana 10-11) - Fyzické principy paměti (strana 11) - Tranzistor jako spínač (strana 11) - Tyristor (strana 12) - Logické funkce (strana 12-13) - Elektronické logické členy (strana 13-14) - Prvky optoelektronických obvodů (strana 14-16) - Mikroprocesory (strana 16-19) - Výroba procesorů (strana 19) - Historie Počítačů (strana 20-22) - Další součásti PC (strana 22-23) - Závěr (strana 23) Zdroje: Fyzika: Elektřina a magnetismus, doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., PaedDr. Přemysl Šedivý, nakladatelství Prometheus, roku 2002 Fyzika a technika, Oldřich Lepivý, Přemysl Šedivý, Marcel Grun, Státní pedagogické nakladatelství, roku 1984 Úvod do mikroprocesorů, kolektiv autorů, vydal Dům techniky ČSVTS, roku 1980 Procesory – Architektura, funkce, použití, Lačezar Ličev, David Morkes, vydalo Computer Press, roku 1999 Mikroprocesory, doc. Ing. Pavel Legát, CSc., ing. Michael Novotný, CSc., doc. ing. Radimír Vrba, CSc., Nakladatelství technické literatury, roku 1986 Polovodičová technika a mikroprocesory v silnoproudé technice, ing. Mája Kuzměcová, vydalo ústředí vědeckých, technických a ekonomických informací, roku 1983 Různé internetové stránky

-24-

Proud, polovodiče a mikroprocesory

Recommend Documents