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Im Herzen eines Computers

Einführung

Abb. 1: Ein Microcontroller oben ohne

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 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 (Abbildung 1). Darin sind die verschiedenen Peripheriekomponenten zu sehen.

Abb. 2: Microcontroller unter dem Mikroskop Abb. 3: Microcontroller schematisch

Wir wollen uns aber nun den Aufbau des Prozessors ansehen. Der in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellte Chip wurde 1990 von 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.

zwei Transistor(typ)en reichen

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:

• Source („Quelle“), der Zulauf der Ladungsträger
• Drain („Senke“), der Ablauf der Ladungsträger
• Gate („Tor“), dem Türsteher, der den Durchgang zwischen Source und Drain regelt: Liegt am Anschluss Gate die richtige Spannung¹⁾, 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 (Abbildung 4) sehen Sie die beiden Varianten in Aktion, wenn die Spannung am Gate gerade die digitalen Spannungswerte annimmt (vgl. Video 1 zu Zahlensysteme).

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 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.

Gatter logisch?

Abb. 6: Inverter-Gatter in CMOS auf Chip

Zunächst soll 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 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 Abbildung 5 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: Complementary MOSFET. In der heutigen Elektronik ist diese Technik durchgängig in Verwendung und hat ältere Varianten (z.B. TTL) vollständig abgelöst.

Aus diesem Beispiel ist zu sehen, wie in Mobiltelefonen, Fahrzeugsteuer- und Fernsehgeräten aus einer logischen $1$ eine $0$ werden kann. Die Abbildung 6 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 MOSFETs
• Bild (2)

nicht-UND, oder?

Abb. ## Abb. 9

eine einfache Rechnung

Werden viele Eingänge oder Ausgänge zusammengefasst , können größere Zahlenwerte umgesetzt werden.

Nano-Lego

Abb. 12

weiterführende Links

• Eine schöne Übersicht der Kernideen zum Rechnen mit Strom ist vom Gymnasium Kirchenfeld (CH) zusammengestellt worden
• diverse Mikroskopaufnahmen auf SiliconZoo.org
• http://www.righto.com/2016/12/die-photos-and-analysis-of_24.html
• Erklärung zu CMOS in der englischen Wikipedia
• Wikiseite zu Integrierte Schaltkreise

Bildreferenzen

Abbildung 1: TravisGoodspeed@Flickr CC BY 2.0

Abbildung 2: ZeptoBars@Wikimedia,CC BY 3.0

Abbildung 6, Abbildung ##: SiliconZoo.org, Lizenz unbekannt

Abbildung 9: David Carron@Wikimedia,public domain