Мікропроцесор

Самим головним елементом в комп’ютері, його “мозком” є мікропроцесор – невелика електронна схема, яка виконує всі обчислення і обробку інформації. Мікропроцесор вміє виконувати сотні різних операцій і робить це зі швидкістю в декілька десятків або навіть сотень мільйонів операцій в секунду.

Основною характеристикою мікропроцесора є його тактова частота. Чим вища тактова частота, тим вища продуктивність мікропроцесора. Тактова частота вказує швидкість виконання елементарних операцій всередині мікропроцесора. Різні моделі мікропроцесорів виконують одні і ті ж команди за різне число тактів. Чим сучасніша модель мікропроцесора, тим, як правило, менше тактів необхідно мікропроцесору для виконання одних і тих самих команд. Тому, наприклад, мікропроцесор Pentium працює приблизно у два рази швидше intel-80486 з такою самою тактовою частотою.

Команди, які виконує мікропроцесор, фактично виконуються електронними схемами, сукупність яких і формує мікропроцесор. Інакше ці схеми називаються вентилями. Вентилі побудовані на транзисторах. В обчислювальній техніці транзистори використовуються в ключовому режимі. В цьому режимі транзистор можна представити, як звичайний вимикач, який в одному положенні проводить струм (замкнутий), а в іншому ні – розімкнутий. На відміну від побутового вимикача, вмикання і вимикання транзистора проводиться з допомогою електрики [4].

Існує багато типів транзисторів. Ми розглянемо тільки МОП-транзистори (рис.1.4).

Скорочення МОП – металоксидпровідник – відноситься до будови транзистора. Кожен МОП-транзистор має чотири контакти: стік, джерело, затвор і підкладка. n-канальний транзистор (рис.1.4 б) проводить струм між джерелом і стоком (замкнутий), тільки якщо на затвор подано додатню відносно підкладки напругу. р-канальний транзистор навпаки проводить струм тільки якщо напруга на затворі (рис.1.4 а) менша за напругу на підкладці.

Рисунок 1.4 - Схематичне позначення МОП-транзисторів

В якості елементарних будівельних “кубиків” в ЕОМ використовують не самі транзистори, а крупніші елементи – вентилі.

Розглянемо так званий КМОП-вентиль “ні” (рис.1.5). Якщо на його вхід подати напругу +5В (“1”), то нижній (n-канальний транзистор замкнеться, а верхній розімкнеться (рис.1.6 а) – на виході вентиля буде напруга 0В (“0”). Якщо ж на вхід вентиля подати 0В, то замкнеться верхній (р-канальний) транзистор, оскільки напруга на його затворі (0В) буде менша напруги на підкладці (+5В). На нижньому транзисторі напруга на затворі (0В) і підкладці (0В) будуть співпадати і транзистор буде розімкнутий (рис.1.7 б). В результаті на виході вентиля буде +5В (“1”).

Таким чином, розглянутий вентиль є найпростішим електронним пристроєм обробки інформації – він інвертує біт: “1” (+5В) на вході перетворює на “0” (0В) на виході, а “0” перетворює в “1”. Якщо поставити у відповідність “1” значення “так”, а “0” – “ні”, то роботу цього вентиля можна описати формулою:

Вихід = нІ вхід (1.5)

Тому, розглянутий вентиль називається інвертором або вентилем “ні”.

В ЕОМ використовують також інші типи вентилів, які відповідають іншим елементарним операціям по обробці інформації. На рис.1.7 зображений КМОП вентиль для формули:

Вихід = нІ (вхід1 або вхід2) (1.6)

Рисунок 1.5 - КМОП-вентиль “ні”

Рисунок 1.6 - Два стани КМОП-вентиля “ні”

Стан транзисторів (замкнутий/розімкнутий) і значення на виході вентиля “АБО – НІ” для всіх сукупностей значень входів зображені на рис.1.8.

В електроніці найбільш поширені вентилі п’яти типів:

1. “І” : ВИХІД = ВХІД1 І ВХІД2

2. “АБО” : ВИХІД = ВХІД1 АБО ВХІД2

3. “НІ” : ВИХІД = НІ ВХІД

4. “І-НІ” : ВИХІД = НІ (ВХІД1 І ВХІД2)

5. “АБО-НІ”: ВИХІД = НІ (ВХІД1 АБО ВХІД2)

Щоби не загромаджувати схеми лишніми деталями, для зображення вентилів застосовуються спеціальні позначення (рис.1.9).

Рисунок 1.7 - КМОП-вентиль “або-ні”

Рисунок 1.8 - Стани КМОП-вентиля “або-ні”

Приведений набір вентилів є надлишковим – одні вентилі в ньому виражаються через інші. Використовуючи тільки вентилі типу “АБО-НІ”, наприклад, можна зібрати будь-яку схему, зокрема вентиль “І” (рис.1.10), заданий формулою: “ВИХІД = ВХІД1 І ВХІД2”

Рисунок 1.9 - Схематичні позначення вентилів

Рисунок 1.10 - Вираження вентиля “і” за допомогою вентилів “або-ні”