számítógépe k működése 1. elődás analóg és digitális fogalma · azokon a területeken,...

Számítógépek működése 1. elődás

Analóg és digitális fogalma

● Valamely változó jelenségnek, vagy fizikai mennyiségnek diszkrét (nem folytonos), megszámlálhatóan felaprózott, s így számokkal meghatározható, felírható értékeinek halmaza (például: jel (informatika), számítógép, széles sávú internetkapcsolatok, digitális fényképezők, digitális hangrögzítés, stb.).

● Digitális rendszerek számokat (leginkább bináris számokat) használnak bevitelhez, feldolgozáshoz, átvitelhez, tároláshoz vagy megjelenítéshez, vagy a nem-numerikus szimbólumokat, mint a betűk vagy ikonok.

● leggyakrabban a számítástechnika és az elektronika területén használják, különösen azokon a területeken, ahol a való világ információit konvertálják át bináris számokká. Ilyenek például a digitális hang(zás) és a digitális fényképezés. A digitális adatátvivő jelek az elektronikus vagy optikai impulzus két lehetséges értéke közül az egyiket vehetik fel: a logikai 1 (van impulzus) vagy 0 (nincs impulzus) értékeket.

● Az analóg jel egy fizikai állapotváltozás nyomán létrejött üzenet, információ, amely időben változó, az állapotváltozással analóg, folytonos és arányos.

● Diszkrét jeleknek azokat a jeleket nevezzük, amelyek véges sok, jól megkülönböztethető értéket, formát vehetnek fel. A digitalizálás lényege, hogy a jelet véges számú és véges pontosságú (kerekítünk) diszkrét jelekre bontjuk, ha még nem ilyen elemekből áll és mindegyik diszkrét jelformának, adott szabály szerint, számokat (egészeket, ill. véges pontosságú számokat) feleltetünk meg.

Számítógépek működése 1. elődás

Áram, feszültség teljesítmény

● Az elektromos áram (villamos áram) az elektromos töltéssel rendelkező részecskék (töltéshordozók) sokaságának elektromos mező hatására kialakuló rendezett mozgása.

● Az áram irányát a pozitív töltéshordozók mozgásának az irányával definiáljuk.

● Az áramlás irányának váltakozása alapján beszélhetünk váltakozó, vagy áramlás irányának állandósága esetén egyenáramról.

● áram erősségét (I) az áramvezető teljes keresztmetszetén adott idő alatt áthaladó összes töltésmennyiség (Q) és az idő ( t) hányadosával jellemezzük.

● SI-mértékegysége az amper, amelynek jele A.● 1A az áram erőssége, ha két párhuzamos, egyenes, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör keresztmetszetű és vákuumban, egymástól 1 m távolságban lévő vezető között méterenként 2 ⋅ 10^-7 N erőt hoz létre.

Elektromos mezőben két pont között az elektromos feszültség (villamos feszültség) megadja, hogy mennyi munkát végez a mező egységnyi töltésen, míg a töltés az egyik pontból elmozdul a másikba. Mértékegysége tehát a joule/coulomb, amit voltnak neveznek.

pillanatnyi villamos P teljesítménye:

P(t) a pillanatnyi teljesítmény wattban (W)U(t) feszültség voltban (V)I(t) áram amperben (A)

Számítógépek működése 1. elődás

Félvezetők: dióda

● A félvezető diódát egy monokristály lapkából alakítják ki úgy, hogy a lapka egyik felét p, míg a másik felét n típusú adalékanyaggal szennyezik.

A p-n átmenet kialakulása pillanatában a szabad töltéshordozók diffúziós áramlása kezdődik meg. Ennek kapcsán a p rétegből lyukak kerülnek át (a határrétegen keresztül) az n rétegbe, ahol a jelenlévő elektronokkal rekombinálódnak. Ugyanígy az n rétegből a diffúzió folytán elektronok kerülnek a határréteg másik oldalára, a p rétegbe, ahol az ott nagy számban lévő többségi töltéshordozó lyukakkal rekombinálódnak. Mindennek következtében:1. Az n rétegben, a határréteg környékén nem lesznek szabad elektronok, mert egyrészt a p rétegbe távoztak, másrészt rekombinálódtak a p rétegből érkezett lyukakkal,2. a p rétegben, a határréteg környékén nem lesznek szabad lyukak, mert egyrészt az n rétegbe távoztak, másrészt rekombinálódtak az n rétegből érkezett elektronokkal,3. az n réteg, amely eddig elektromosan semleges volt, most pozitív töltésűvé vált, mert a határrétegen keresztül negatív töltésű elektronok hagyták el, ugyanakkor pozitív töltésű lyukak érkeztek,4. a p réteg, amely önmaga szintén elektromosan semleges volt, most negatív töltésűvé vált, mert pozitív töltésű lyukak hagyták el, és elektronok érkeztek.Kiürített réteg alakul ki A határréteg két oldalán kialakuló potenciálgát tehát megakadályozza, hogy a határrétegen további többségi töltéshordozók jussanak át: nagysága germánium esetében 0,1-0,2V, szilícium esetében 0,5-0,7V

a p kivezetéshez külső feszültségforrásból negatív, az n kivezetéshez pozitív feszültséget vezetünk, a p kivezetésen keresztül a külső feszültségforrásból további elektronok érkeznek a p rétegbe, míg az n réteget elektronok hagyják el a külső feszültségforrás felé. Ez által a két réteg közötti potenciálgát tovább növekszik, ami lehetetlenné teszi a többségi töltéshordozóknak a határrétegen való átjutását.

Számítógépek működése

1. elődás

Félvezetők: bipoláris tranzisztor

● A bipoláris tranzisztor három szennyezett félvezető réteget tartalmazó eszköz, amelynek mindhárom félvezető rétegét kivezetéssel látják el, ezeket elektródáknak nevezzük. A három réteg sorrendje kétféle lehet: N-P-N vagy P-N-P. Ez alapján megkülönböztetünk NPN, illetve PNP tranzisztorokat. A három kivezetést emitternek, bázisnak és kollektornak nevezzük.

● A három kivezetés segítségével működtetjük a tranzisztort.

Az egyes elektródák jele és szerepe a tranzisztor működtetésében:

- emitter (E): a töltéshordozókat kibocsátó elektróda, - bázis (B): vezérlésre szolgáló elektróda, - kollektor (C): töltéshordozókat gyűjtő elektróda. A tranzisztorok bázisrétegének szélessége sokkal kisebb, mint a kollektor és az emitter rétegé. Az emitter és kollektor megközelítőleg azonos szennyezettségű, és erősebben szennyezett, mint a bázistartomány.

A bázisréteg kisebb szélessége és alacsony szennyezettsége miatt a szabad töltéshordozók száma kicsi, e miatt a bázisréteg vezetőképessége kisebb a másik kettőhöz viszonyítva.

Az N-P-N tranzisztor lineáris erősítőként való működtetéséhez az szükséges, hogy a bázisra pozitívabb feszültséget adjunk, mint az emitterre (nyitóirányba feszítjük elő), illetve a bázis - kollektor PN - átmenetnél pedig a kollektornak pozitívabbnak kell lennie, mint a bázisnak (záróirányba feszítjük elő). Ha a tranzisztor ezeket az előfeszítéseket nem kapja meg, akkor nem működik.

A nyitóirányú bázis - emitter feszültség hatására az emitterből az elektronok elindulnak a bázis felé és az ott lévő szabad lyukakkal rekombinálódnak. Ebből a rekombinációból létrejön a bázis áram. Az elektronok nagyobbik része átrepül a vékony bázis rétegen, és a kollektoron keresztül semlegesítődik a kollektorra kapcsolt nagy pozitív feszültségen. Ez lesz a kollektor áram.

Az áramok viszonya

A tranzisztor nyitóirányú karakterisztikája

A tranzisztor kimeneti karakterisztikája

Munkapont beállítása

Számítógépek működése

1. elődás

FET

● A FET tranzisztor a bipoláris tranzisztorokhoz hasonlóan, három kivezetéssel rendelkező félvezető eszköz.

● Neve az angol Field Effect Transistor elnevezésből származik.

● A térvezérlésű tranzisztorok másképpen működnek, mint a bipoláris tranzisztorok, ezért megkülönböztetésül másképpen is hívják az elektródákat: az emitternek a source (forrás), a bázisnak a gate (kapu), a kollektornak a drain (nyelő) elektróda felel meg.

● A működés lényege, hogy a gate elektróda környezetében kialakult kiürített réteg vastagságával befolyásolni lehet a csatorna ellenállását, azaz vezérelni lehet a kimenetet.

● bipoláris tranzisztoroknál a kollektoráramot a bázisárammal vezéreljük, miközben a bázis-emitter diódát nyitó irányban használjuk.

● A térvezérlésű tranzisztoroknál a gate elektróda záró irányban van igénybe véve (vagy el van szigetelve), áram így gyakorlatilag nem folyik, tehát a csatorna áramát a gate elektróda környezetében kialakult villamos tér vezérli.

Számítógépek működése

1. elődás

MOSFET

● A MOS tranzisztorok a FET tranzisztorokkal azonos elven működnek.

● A MOS elnevezés az angol Metal Oxid Semiconductor névből ered, a kivezetések elnevezése a FET tranzisztor kivezetéseivel megegyező.

● A FET tranzisztor felépítéséhez képest az eltérés az, hogy a gate és a csatorna között igen vékony (általában szilíciumdioxid) szigetelőréteg található. Ennek köszönhetően a gate és a másik két elektróda között gigaohm nagyságrendű az ellenállás.

● Kiürítéses típus: a gate-source feszültség növelésére a source-drain áram csökkenése következik be

● Növekményes típus: a gate-source feszültség növelésére a source-drain áram növekedni fog

Számítógépek működése

1. elődás TTL

● Tápfeszültségük: 5V (4.5V-5,5V)● A rendszer npn tranzisztorokból, diódákból és ellenállásokból áll. A kimenetek és a bemenetek egymással csatolóelem nélkül köthetők össze, tranzisztor tranzisztorhoz csatlakozik

● az általános szokásoktól eltérően az áramkörök bemenetére nem áramot kell adni, hanem ellenkezőleg, azokról áramot kell elvenni. Más szavakkal: a bemenetre nem forrást, hanem nyelőt kell csatlakoztatni.

A bemeneti feszültségtartomány:● logikai nem: 0…0,8 V● logikai igen: 2…5 V.A kimeneti feszültségtartomány:

● logikai nem: 0…0,4 V● logikai igen: 2,4…5 V.

Zajtartalék: 0,4 V

Kimeneti terhelhetőség● Egy TTL kimenetre nem kapcsolható tetszőlegesszámú TTL bemenet, mert véges áramot képeskiadni (néhány mA).

A bemeneti feszültségtartomány:● logikai nem: 0…0,8 V● logikai igen: 2…5 V.A kimeneti feszültségtartomány:

● logikai nem: 0…0,4 V● logikai igen: 2,4…5 V.

Zajtartalék: 0,4 V

Kimeneti terhelhetőség● Egy TTL kimenetre nem kapcsolható tetszőlegesszámú TTL bemenet, mert véges áramot képeskiadni (néhány mA).

Számítógépek működése

1. elődás CMOS

● Komplementer MOS áramkör felépítéseP-csatornás és N-csatornás növekményes MOS tranzisztorpárok alkotják. A kétféle típusú tranzisztort együtt alkalmazva ugyanis kiváló tulajdonságú integrált áramkörök készíthetők.

A CMOS áramkör legfontosabb jellemzői:● rendkívül kis áramfogyasztás● széles működési tápfeszültség-tartomány● nagy zavarvédettség

Előnyös tulajdonságokkal rendelkező változata a CMOS áramköröknek az SOS (Silicon on Sapphire) áramkör: szilícium helyett zafír hordozóra alakítják ki

● működési sebessége egy nagyságrenddel nagyobb, mint a szilícium alapú CMOS áramköröké.

● Egy kapu terjedési-késleltetési ideje 1-2 ns● jelentősen csökken az áramkör nyugalmi áramfelvétele is

Számítógépek működése

1. elődás

Analóg gép

● Az analóg számítógépek fizikai jelenségek matematikai leírásával szimulálják a folyamatokat, be- és kimenetük is valamilyen fizikai jellemző (pl. villamos feszültség, hőmérséklet, nyomás)

● Előnyösen használhatók többek között biológiai, áramlástani, stb. feladatok megoldására.

● Pontosságuk és sebességük korlátozott.

Számítógépek működése

1. elődás

Turing gép

● Alan Turing alkotta meg 1936-ban azzal a céllal, hogy algoritmusok bonyolultságát vizsgálja, valamint azt, hogy melyek azok a feladatok, amelyek megoldására létezik algoritmus, s melyekre nem létezik. A Turing-gép segítségével megmutatható többek között az is, hogy van algoritmikusan megoldhatatlan probléma.

● Church-Turing-tézis: minden formalizálható probléma, ami megoldható algoritmussal, az megoldható Turing-géppel is → Turing-gép egy univerzális algoritmikus modell

Egy Turing-gépet a következő T = (Q, Σ, Γ, q0, _ , F, δ) hetes ír le, ahol: Q egy véges, nem üres halmaz, ez a gép állapotainak halmaza Σ egy véges, nem üres halmaz, ez a bemeneti ábécé Γ egy véges, nem üres halmaz, ez a szalagábécé q0 ∈ Q a kezdőállapot _∈ Γ \ Σ, a szalagon az üres jel F ⊆ Q az elfogadó állapotok halmazaδ az átmeneti függvény, δ : (q, a) → (q’, b, D), ahol q, q’ ∈ Q, a, b ∈ Γ és D ∈ {B, J, H} (azaz Balra, Jobbra vagy Helyben).

Gép kezdőhelyzete:A gép kezdetben a q0 állapotban van a szalag elején a bemeneti szó található (ebben csak Σ-beli karakterek szerepelhetnek), a szalag többi része _ szimbólumokkal van feltöltve és a fej a szalag első (bal szélső) mezőjén áll

(q, a) → (q’, b, J) jelentése

Gép állapota q Gép állapota q’

A Turing-gép egy számítás során a kezdőhelyzetből indulva az átmeneti függvénynek megfelelő lépések sorozatát hajtja végre3 eset lehetséges:● a gép előbb-utóbb leáll elfogadó állapotban, tehát a szót a gép elfogadja

● a gép előbb-utóbb leáll hibával (”leesik a szalagról”) vagy leáll nem elfogadó állapotban

● a gép az adott bemenet hatására soha sem áll meg

Turing-gép által elfogadott nyelv L(M) = {w ∈ Σ : M elfogadja w szót}

Számítógépek működése

1. elődás

Neumann-elvek

● A Neumann-elveket 1946-ban dolgozta ki a számítógépek ideális működéséhez.

● Az elvei alapján működő első számítógépet tervezte, az EDVAC-ot.

1. A számítógép legyen soros működésű: A gép az egyes utasításokat egymás után, egyenként hajtja végre.2. A számítógép a kettes számrendszert használja, és legyen teljesen elektronikus: A műveleteket és a számokat kettes számrendszerben kezeli a számítógép elektronikus jelek (áram és feszültség) formájában.

3. A számítógépnek legyen belső memóriája: A számítógép gyors működése miatt nincs lehetőség arra, hogy minden egyes lépés után a kezelő beavatkozzon a számítás menetébe. A belső memóriában tárolhatók az adatok és az egyes számítások részeredményei, így a gép bizonyos műveletsorokat automatikusan el tud végezni.4. A tárolt program elve: A programot alkotó utasítások kifejezhetők számokkal, azaz adatként kezelhetők. Ezek a belső memóriában tárolhatók, mint bármelyik más adat. Ezáltal a számítógép önállóan képes működni, hiszen az adatokat és az utasításokat egyaránt a memóriából veszi elő.

5. A számítógép legyen univerzális: A számítógép különféle feladatainak elvégzéséhez nem kell speciális berendezéseket készíteni.

Számítógépek működése 1. elődás

Neumann architektúra

A fő komponensek● A CPU: központi egység● A (központi) tár (memória)● A perifériák, eszközök, I/O modulok● A sín (busz)

A működés általánosan:– A CPU veszi a soron következő gépi instrukciót és azt elemzi, végrehajtja. Ha kell, adatokat is vesz.– Egyes instrukciók a perifériákat kezelik.

Számítógépek működése 1. elődás

Harvard architektúra

● 1944 Mark I● Elkülönített program és adat memória: az adatmemória és a programmemória adatszélessége különböző lehessen

● Nagyobb biztonság● Kedvezőbb teljesítmény● Lehetőség eltérő adat és program memória szervezésre

● Nem képes saját programját generálni● Főleg kisméretű számítógépekben(mikrokontrollerekben) elterjedt

Számítógépek működése 1. elődás

módosított Harvard architektúra

● Mentes a Neumann architektúra hiányosságaitól● Képes a saját programját generálni és futtatni● Esetleges hátrány: az adat és programmemória nem lehet különböző szervezésű

● Az általános célú számítógépekben széleskörűen használt felépítés

Számítógépek működése 2. elődás

A modern digitális számítógép rövid története

● 1642: Blaise Pascal feltalálta a számológépet● 1801: Joseph Marie Jacquard megalkotott egy szövőszéket, ami lyukkártyákat használt1800 -as évek:

● Charles Babbage megkísérelt építeni egy analitikus gépet (mechanikai számítógép)

● Augusta Ada Byron megalkotott sok alapvető programozási fogalmat

● George Boole megalkotta a Bool logikát.

● 1937: Mark I elkészült (Aiken, Harvard University, IBM).● Első elektronikus számítógép reléket használva.

● 1939: ABC elkészült● Első teljesen elektromos digitális számítógép. Vákuumcsövet

használ.● 1943-46: ENIAC (Mauchly, Eckert, University of Pennsylvania).

● Első általános tervezésű digitális számítógép● 1945: Neumann architektúra terv.

● A mai számítógépek működésének alapelvei:● Tárolt program elve● Bináris aritmetika használata

● 1947: Tranzisztor feltalálása (Bardeen, Shockley, Brattain, Bell Labs).

● 1951: UNIVAC: Az első kereskedelmi számítógép

● 4bit [1971.09.17 Texas Instruments TMS1000; majd Intel 4004 MCS-4; AMD Am2901]

● 8bit [Intel 8008, 8080, 8086, 8088; Fairchild F8; Zilog Z8; Motorola MC6800]

● 16bit [Intel 80186, 80286]● 32bit [Intel 80386, 80486; AMD K5, K6, Duron, Athlon]

● 64bit [Intel Pentium, Core, Core2, i3, i5, i7; AMD Sempron, Athlon64, Phenom, Turion]

● 128bit-es és 256bit-es CPU-k is léteznek, de a mindennapokban ezekkel nem találkozunk