DW EditSeite anzeigenÄltere VersionenLinks hierherAlles aus-/einklappenNach oben Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt. CKG Editor ====== Im Herzen eines Computers ====== ==== Einführung ==== <imgcaption pic1|Ein Microcontroller oben ohne>{{ :Decapped_IC_Travis_Goodspeed.jpg?300|Blick in einen Mikrocontroller}}</imgcaption> Der Kern eines Computer ist der Prozessor in dem die Befehle ausgeführt werden. Diese Zentrale Prozessoreinheit (CPU) wird auch in Microcontrollern genutzt, die um uns herum in fast jedem Gerät zu finden sind: Mobiltelefone, PKWs, Bankkarten, Waschmaschinen… Häufig sind in den Geräten sogar mehrere Microcontroller verbaut. Im Microcontroller ist neben dem befehlsausführenden Microprozessor (genauer der {{wpde>Arithmetisch-logische Einheit|arithmetisch-logischen Einheit}}) auch weitere Peripherie wie Speicher, Taktgeneration, Analog-Digital-Wandler und vieles mehr verbaut. Dies macht ihn zum kompakten Werkzeug für viele Anwendungen. Betrachtet man den Microcontroller unter dem optischen Mikroskop, so ergibt sich nebenstehendes Bild (<imgref pic1>). Darin sind die verschiedenen Peripheriekomponenten zu sehen. ~~CLEARFIX~~ <imgcaption pic2|Microcontroller unter dem Mikroskop>{{ :atmega8-hd_wiki.jpg?300|atmega8-hd_wiki.jpg}}</imgcaption> <imgcaption pic3|Microcontroller schematisch>{{ :atmega8-hd_interior.jpg?300|atmega8-hd_interior.jpg}}</imgcaption> Wir wollen uns aber nun den Aufbau des Prozessors ansehen. Der in <imgref pic2> und <imgref pic3> dargestellte Chip wurde 1990 von [[https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/chip-hall-of-fame-atmel-atmega8|zwei Studenten]] entwickelt und besteht aus mehreren Zehntausend Transistoren. Dieser Chip hat den Weg zu günstigen, schnellen und dennoch leicht programmierbaren Controllern, vom Faxgerät bis in den Hobbykeller, geebnet und ist u.a. auf den Arduinoboards zu finden. Den ATmega328 - einen entfernten Nachfolger mit mehreren hunderttausend Transistoren - werden Sie in höheren Semestern kennen und programmieren lernen. Im Folgenden soll nun betrachtet werden, wie eine einfache Rechnung wie $1+1=2$ im Rechner abläuft. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== zwei Transistor(typ)en reichen ==== <WRAP right><well> <imgcaption pic4|n- und p-Kanal MOSFETs></imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BOJyWoVaYDsYAcuA2BAJgFZdjcEBmSgkAFlJGYeoCgAzES3cBhiGrV6YAS2IZmMSMXYAlISJ74l9MvUhRGW6dpil2AczXgs9YaJJQFZ0eLCV+giJLDwe0ZsS-7oDBHYAdztncGsxQTkQy3ACLVjsTXYGSGo4rTBHFT5I7WoAfTACyCLiYgQGAtIS2Dhi0uICwo5uXiFIQVjqTpZ0rRlonlJ7KNU8yGNTWgTlalJJScVEp1iETW1Uln0pYOHR-Y7BSZCNI5zzyYAPIQJ1HBZIPmIsQRc+AAcAWgBpAEMAHZ-AA2AB0AM4AWQA8gBlABiAFEACrsG7ULDpSosMDMBBYRjgPgA36AkEQmEIlFolTMMB3HhIOLod4gADiNPatGYPUktD4rI56KYcR5pAJ9IFRJAsJp1BFFQS4sZ6VZsuFdPlQmVYAxhLwIAAInLxLQCfMLD19XxjZDQnkkhltD5DCEwBFxGcJuwgA 600,500 noborder}} </well></WRAP> Ok, nun wissen wir zumindest, dass er Chip besteht aus vielen Transistoren besteht. Aber wie funktionieren diese und wie kann man daraus so etwas komplexes wie einen Prozessor aufbauen? Die genaue Funktion ist Inhalt eines Kurses im 2. und 3. Semester. Für die digitale Anwendung ist es ausreichend ein einfaches Bild eines bestimmten Transistortyps - dem MOSFET - im Kopf zu haben. Dieser hat die drei Anschlüsse: * **S**ource ("Quelle"), der Zulauf der Ladungsträger * **D**rain ("Senke"), der Ablauf der Ladungsträger * **G**ate ("Tor"), dem Türsteher, der den Durchgang zwischen Source und Drain regelt: Liegt am Anschluss Gate die richtige Spannung((tatsächlich kommt es auf die Spannung zwischen Gate und Source an, nicht nur auf die Spannung vom Gate. Aber dazu in [[elektronische_schaltungstechnik:2_transistoren|Elektronische Schaltungstechnik]] mehr)), so werden die Anschlüsse Source und Drain kurzgeschlossen, dass heißt ein Strom kann fließen und der Spannungsabfall dazwischen wird klein. Vom MOSFET sind bei den folgenden digitalen Schaltungen zwei Typen wichtig: * einer, der bei __niedrigen__ Spannungen ($0V$, logisch $0$, Low, $L$ oder Falsch) am Gate __nichtleitend__ ist (__n__-Kanal MOSFET) und * einen, der bei hohen Spannungen ($5V$, logisch $1$, High, $H$ oder Wahr) am Gate nichtleitend ist (p-Kanal MOSFET). Im Bild rechts (<imgref pic4>) sehen Sie die beiden Varianten in Aktion, wenn die Spannung am Gate gerade die digitalen Spannungswerte annimmt (vgl. [[grundlagen_der_digitaltechnik:zahlensysteme|Video 1 zu Zahlensysteme]]). ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ Interessant ist nun, dass diese zwei Arten von Transistoren ausreichen, um alle Varianten an logischen Funktionen aufzubauen. Logische Funktionen kombinieren einen oder mehrere Eingänge ($X_1, ... X_n$) in der Art, dass jede Art von Eingabe eindeutig zu einer Ausgabe ($Y_1, ... Y_n$) führt. In Schaltungen entsprechen sogenannte Gatter den logischen Funktionen. Dabei muss es sich nicht nur um so einfache Funktionen wie ein AND-Gatter handeln (logisches UND, Konjunktion, "nur wenn beide Eingänge wahr sind, wird der Ausgang wahr."). Es können so auch mathematische Operationen abgebildet werden. Dazu müsstne Gatter geschickt miteinander kombiniert werden. In einer Übung zu [[grundlagen_der_digitaltechnik:binaere_logik|Binärer Logik]] wird gezeigt, dass sich alle Gatter durch NAND- oder NOR-Gatter aufbauen lassen. Wenn wir also herausfinden könnten, wie man ein NAND oder NOR Gatter aus Transistoren aufbauen könnten, so könnte man daraus wiederum alle Gatter bis hin zur Addition aufbauen. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Gatter logisch? ==== <WRAP right><well> <imgcaption pic20|Simulation eines Inverters></imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=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-MFgDCGwA8kWGgAVesVxsFrMFnMAe3rtebQA 600,500 noborder}} </well></WRAP> Bevor das NAND-Gatter betrachtet wird, soll zunächst eine sehr einfache Schaltung aufgebaut werden, welche aus dem digitalen Eingangswert $X=0$ den Ausgangswert $Y(0)=1$ erzeugt und für $X=1$ entsprechend $Y(1)=0$. Diese Schaltung negiert also stets den Eingangswert und wird Inverter genannt. Zu diesem Zweck werden die beiden Transistortypen miteinander ähnlich eines Spannungsteilers oder einer Halbbrücke kombiniert. Damit wird immer nur ein Transistor leitfähig, der andere entsprechend hochohmig. In <imgref pic20> ist auch die entsprechende Schaltung mit Schließer- und Öffnerschalter gezeichnet. Wichtig für die kommende Betrachtung ist, dass die über die Schalter die logischen Spannungen ($0V$, $5V$) gerade komplementär geschalten werden. Aus diesem Grund wird diese Technik auch CMOS-Technik genannt: __C__omplementary __MOS__FET. In der heutigen Elektronik ist diese Technik durchgängig in Verwendung und hat ältere Varianten (z.B. TTL) vollständig abgelöst. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP right><well> <imgcaption BildNr1 | Inverter-Gatter in CMOS auf Chip> </imgcaption> {{drawio>InverterGatterMikroskop}} </well></WRAP> Aus diesem Beispiel ist zu sehen, wie in Mobiltelefonen, Fahrzeugsteuer- und Fernsehgeräten aus einer logischen $1$ eine $0$ werden kann. Die <imgref BildNr1> zeigt die Realisierung dieses Gatters in Silizium: * Bild (1) zeigt die Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskop, welche mehrere Schichten gleichzeitig darstellt. Die drei kreisförmigen Elemente sind elektrische Durchlässe ("Vias") durch mehrere Schichten. In grün sind die beiden Strukturen der MOSFETs zu sehen, welche als "Ventil" den Anschluss nach oben ($5V$) oder unten ($0V$) öffnen können. * Bild (2) ist ein Falschfarbenbild. In beige ist die obere, leitfähige Schicht zu sehen und in blau der nicht leitfähige Bereich der oberen Schicht. * In Bild (3) wurden die verschiedenen Signale hervorgehoben. Der Ausgang $A$ wird über ein Via mit dem rechten Anschluss abgeführt. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== nicht-UND, oder? ==== <WRAP right><well> <imgcaption pic21|Simulation eines CMOS NAND-Gatters></imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=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 600,500 noborder}} </well></WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <imgcaption pic6|>{{ :tmpl-32.png?123|NAND Gate in CMOS auf Chip}}</imgcaption> <WRAP right><well> <imgcaption BildNr2 | NAND-Gatter in CMOS auf Chip> </imgcaption> {{drawio>NANDGatterMikroskop}} </well></WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP right> <WRAP group><WRAP column> <imgcaption pic7|>{{ :cmos_nand_schematic.gif|NAND Gate in CMOS auf Chip (schematisch)}}</imgcaption> </WRAP><WRAP column> <well> <imgcaption pic22|Simulation eines CMOS NAND-Gatters (Struktur ähnlich Si-Die)></imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgDOB0YzCMI5kgJhig7BgzGAHCgGwCcxGIKArCNZWAFADmFeeI2hbKrIALHIXD0ASnzaVu7FDUkJpaCCkjUl1bJDj9KxIpWyU8ZYtii88IsX0K8pVm3MQwKy52o0ZrpFNjyEUxQgxiNmRKegB3Swk2XmsZEPpeMBM8CF4Ainx48EQAfWtcsFy4FH9eXMpC6HhC3JRi3OxE5JBUvmx5LNibRXzyov4wesrkWDAyQko-EbrZpoBZCiSpNLYOiEVlZpTFHjQ1tBzCPtrB4aq4WrgI9g5EXhsONk0em6f7mySIF6FI7Dv3oDOL92MD3l9QQlIrwOpCxBB3gxItw1mCwI9gQxRLhPmt0TkNnwINRCaE3vizO1pJSkVTLDDpD9aTjLCymW9DnAdCsKChXtCBBQpnxBesQfxBFzqYL9uKZV0ZXzxTE4vpqXFmYcqIIxWLmcCfu8SlClgjDmYzRsbhaeTbEfRFpTolESjlVA76XFKQ8Qq56AAzHn-HWHd4SRAuUYoAMikNpUXA8NwSPQaOBsVSnk-PQRkmpjmWoN3BiBiWIbll7MmZN5ob0AAeIAAtLQ4NQ4AhKHAYksQABBBvN6i8JMIEfD3sAITeBskfO+klp88yXGWepuy9ly+N4rizu6pt3NmXDMPzLuy7VZ7e4cv4YPDEbTdDVHYZp7SoA8gBVAAq1plYVT2XWlgOWMtSn5HlINuQQQLeC81y1YUGDbBAIDaTDCWkYlBybPBaGkJsSBoCclWnJ8CNaExiOIVpBGPGwB0WJtYTiVjqV9d0WNhDIONabCtkifiNRADUbn4jIICkiwRJsJtKTiBwkE2FQXHUOAPHSHQfD8AIghCLZREkwQFLYDIHAUVxrI0rQdEmfRDCCExkDMG4sMQV02lpDtpDaXzm0FHzXSbQUzMCwRH0CylQoQJtgmbD8bB-f8WJisK2lCyK-SAA 600,500 noborder}} </well> </WRAP></WRAP></WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== eine einfache Rechnung ==== <WRAP right><well> <imgcaption pic24|Simulation eines Addierers></imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgpABZsAoMBCFGqsDQkbNcTqECmoJ6AGT5d2-ALTFJAgGYBDADYBnAKbVIYwWxBy9VWfKrL1WpDoCyFfhy4IZhqimgimEbNi4PaYX35XAREAd24fcGIhb0DJenDY8EIqJL8dRMi-Hil4zwiuPCoaAJAigSEkMKMooTQ8WqgEiWTXfQCqGwoaGhBpUoQevpdBd0ZmAr7Skq5++UqKcYg6ITmKMFXS4Kpqlb6eWgO1jMPNrhmp+PC94oPyk73yi-vmtJTJwl6TpM-J6QOHqU-AgUA10q9IoZWFQXM16gYuPCwNEmpl5OlUS1cq1Mcwzt1esdmk44hRQVi4foofgEU0AB6CSCrPDEQSlaR4c56EAAHQADvQGZQILIdkw+nhyL1WLyAI70ABG4CG0l+KXIKBQ2Hp4E5fSGaFWJVo3IAgoLBJR9dLCLNjdLegAhC0IEH67UIEj64rcgDCLrwSGkdBAKRF+gdIAAyoxiEgkv0UWxjMihDpxAnU4I8A1E2nFKpNNpdJn3qDcx0BGZC5YmrY9nnaOVG64xvWjpWaM3K62REA 600,500 noborder}} </well></WRAP> Werden viele Eingänge oder Ausgänge zusammengefasst , können größere Zahlenwerte umgesetzt werden. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Nano-Lego ==== <imgcaption pic10|>{{ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Silicon_chip_3d.png?300|dreidimensionale Struktur eines Silizium Chips}}</imgcaption> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ----- ===== weiterführende Links ===== * Eine schöne Übersicht der Kernideen zum [[https://informatik.mygymer.ch/ef2019/rechnen-mit-strom|Rechnen mit Strom]] ist vom Gymnasium Kirchenfeld (CH) zusammengestellt worden * diverse Mikroskopaufnahmen auf [[http://www.siliconzoo.org/megamos.html|SiliconZoo.org]] * [[http://www.righto.com/2016/12/die-photos-and-analysis-of_24.html|http://www.righto.com/2016/12/die-photos-and-analysis-of_24.html]] * Erklärung zu [[https://ca.wikipedia.org/wiki/CMOS|CMOS]] in der englischen Wikipedia * Wikiseite zu [[https://de.wikipedia.org/wiki/Integrierter_Schaltkreis|Integrierte Schaltkreise]] ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ---- ===== Bildreferenzen ===== <imgref pic1>: [[https://www.flickr.com/photos/travisgoodspeed/2818745933|TravisGoodspeed@Flickr]] [[https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/|CC BY 2.0]] <imgref pic2>: [[https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmega8-HD.jpg|ZeptoBars@Wikimedia]],[[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en|CC BY 3.0]] <imgref BildNr1>, <imgref pic6>: [[http://www.siliconzoo.org/megamos.html|SiliconZoo.org]], Lizenz unbekannt <imgref pic7>: [[https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Silicon_chip_3d.png|David Carron@Wikimedia]],public domain