Нас окружает огромное количество умной техники, начиная от смартфонов, заканчивая умными сидениями для унитазов. И в сердце у каждого из этих девайсов находится вычислительное устройство, именуемое процессором, но что же это такое и как оно работает?
Разумеется в рамках одной статьи мы не сможем в должной мере разобраться во всех особенностях работы процессоров. Поэтому этой теме я посвящу цикл статей, в которых буду рассказывать об отдельных уровнях и элементах этих устройств.
Для начала нам нужно разобраться, что такое процессор?
Центральное процессорное устройство (ЦПУ), так же именуемое процессором или микропроцессором - это интегральная микросхема, выполняющая машинные инструкции определенным образом. Если вам мало что понятно из вышесказанного, то не переживайте, эти статьи нацелены как раз на то, чтобы вы начали разбираться в этой теме.
Микропроцессоры очень сложные цифровые системы, которые состоят из миллионов и миллиардов различных элементов. Чтобы справиться с пониманием, а тем более и с разработкой этих устройств необходимо систематизировать наш подход. Для этого используют различные уровни абстракции понимания работы отдельных блоков.
Так все процессоры, на сегодняшний день изготавливаются из кремния, который является твердым телом. И для описания происходящих в нем процессов разработаны целые науки: физика твердого тела и физика полупроводников. Это самый низкий уровень абстракции.
Используя знания физики полупроводников, можно перейти к созданию элементно компонентной базы. Это следующий уровень абстракции. Основным элементом в микропроцессоре является транзистор, а именно полевой транзистор. Один из таких я описал в этой статье, можете перейти по ссылке для ознакомления.
Транзисторы могут различаться по типу проводимости. p-МОП транзистор, описанный в приведенной выше статье, "открывается", если на него подать отрицательный потенциал. Иными словами: ток между стоком и истоком будет протекать только в том случае, если на затворе отрицательное напряжение. n-МОП транзистор наоборот: "открывается" только при подаче на него положительного потенциала. Так же возможна конфигурация со встроенным каналом. В этом случае нам нужно будет не индуцировать канал, а наоборот, закрывать его.
Как же нам это может помочь при построении процессора? Сам по себе микропроцессор - это цифровое устройство, то есть при работе он оперирует цифровыми сигналами. Для его проектирования нам понадобится немного изучить цифровую схемотехнику.
Цифровая схемотехника полагается на дискретную математику, которая оперирует логическими функциями. Давайте попробуем составить самую простую логическую функцию НЕ. Действие этой функции предельно просто: она должна инвертировать все, что поступает на ее вход. То есть если на входе логический 0, то на выходе должна быть логическая 1, и наоборот. А теперь составим такую функцию с помощью нашей элементно компонентной базы.
Для начала нам нужно определить, что такое логический 0 и логическая 1. В цифровой схемотехнике за уровень логического 0 принято напряжение в 0 Вольт, а за уровень логической 1 напряжение питания. Но так как нет ничего идеального в этом мире, не всякая цифровая конфигурация может достичь этих уровней(шумы, помехи, быстродействие и так далее).
Поэтому для более легкого достижения необходимых условий, эти уровни "размазываются". Допустим, мы проектирует микросхему на довольно старом технологическом процессе и напряжение питания у нас составляет 5 Вольт. Тогда уровень логического 0 будет находиться от 0 до 1.4 Вольт, а логическая 1 находится на уровне от 3.2 до 5 Вольт, напряжение между 1.4 и 3.2 Вольт считается запрещенной зоной.
Итак, как вы поняли нам необходима как минимум "земля" (0 Вольт) и питание. Элемент НЕ мы построим с помощью 2 транзисторов (p-МОП со встроенным каналом и n-МОП с индуцированным), соединенных следующим образом:
Итак, как это у нас работает? Когда на вход мы подадим логическую 1, то p канальный транзистор закроется и не будет соединять питание с выходом. В это время n-МОП транзистор открывается и соединяет землю с выходом. Таким образом на выходе у нас будет логический 0.
Теперь подадим на вход логический 0. В этом случае, так как p-МОП у нас со встроенным каналом, он будет соединять питание с выходом (так как он открыт), ну а n канальный транзистор закрыт и не соединяет землю с выходом. И как мы видим, у нас на выходе в данный момент логическая 1.
И так мы смогли создать логический элемент. Это и есть следующий уровень абстракции (логические элементы). В следующей статье я покажу как можно сделать другие логические функции (попробуйте сами поразмыслить как сконструировать такие элементы как И, ИЛИ, исключающее ИЛИ). Если вам нравится тема современных технологий, то ставьте пальцы вверх!
Чтобы не пропускать новые статьи не забывайте подписываться на канал. Всего вам доброго и до скорых встреч!
