Mikroprocesor je základná jednotka počítača, ktorá pozostáva z množstva malých elektrických obvodov (integrované obvody) usporiadaných do blokov / segmentov na ukladanie čísel do pamäte a na spracovanie matematických operácií. Tieto segmenty zasa pozostávajú z menších častí, a to tranzistorov.
Tranzistor
Tranzistor je polovodičová trióda a dnes je základným stavebným prvkom skoro každého elektronického zariadenia. Je to trojvrstvová polovodičová súčiastka s vrstvami NPN, alebo PNP, pričom N je od slova negatívny a P od slova pozitívny.
Jeho 3 vrstvy sú zložené z atómov kremíka (kremík má vo valenčnej vrstve 4 elektróny), pričom N vrstva má občas namiesto kremíka atóm fosforu (prípadne hociktorý iný atóm s piatimi elektrónmi vo valenčnej vrstve) a P vrstva má občas namiesto kremíka atóm bóru (prípadne hociktorý iný atóm s tromi elektrónmi vo valenčnej vrstve).
(stačí napríklad, aby kremík bol znečistený tak, že na 100 miliónov jeho atómov pripadá jediný atóm prímesí)
Susedné atómy zo štyroch strán zdieľajú po jednom svojom elektróne so susedom a tak naplnia svoju snahu mať plný počet 8 elektrónov vo valenčnej vrstve.
V N vrstve sa piaty elektrón (alebo vlastne deviaty) ľahko odtrhne a môže sa voľne pohybovať pomedzi atómy, čím robí materiál vodivým a označujeme ho písmenom N ako negatívny.
V P vrstve trom elektrónom chýba štvrtý (alebo vlastne siedmim zdieľaným elektrónom chýba ôsmy) a tým sa akoby vytvorí diera, čo robí materiál príjemcom elektrónov, teda je pozitívny a označujeme ho písmenom P.
PN prechod
V priestore okolo rozhrania sa utvára prechod PN ako elektrická dvojvrstva s iónmi opačnej polarity. Voláme ju hradlová vrstva, alebo izolačná línia, po anglicky depletion layer.
Na rozhraní medzi NP naskáču najbližšie voľné elektróny z N vrstvy do najbližších dier v P vrstve a vytvoria tak líniu záporne nabitých atómov. Atómy pozdĺž línie majú pôvodný počet protónov v jadre, ale väčší počet elektrónov. Táto záporná línia potom odpudzuje ďalšie elektróny, ktoré by možno chceli naskákať do dier vnútornejšie v materiáli. Pri istej veľkosti elektrikej intenizty tohto poľa, rádovo 105 V/m, sa utvorí rovnovážny stav.
Vzniknuté elektrické pole v prechode PN zabraňuje prechodom ďalších elektrónov. Preto má veľký elektrický odpor, ktorý rozhoduje o celkovom elektrickom odpore polovodiča.
Keď však priblížime kladný elektrický pól k vrchnej časti P vrstvy, izolačná línia sa naruší, lebo kladný pól bude priťahovať všetky elektróny z okolia a vytvorí sa tak vodivý most medzi dvoma N vrstvami. Tento kladný elektrický pól stačí aby mal malé napätie, len na prebitie izolačnej línie (nad 0,7 volta). Prúd preteká len tam, kde sú voľné elektróny, a teda hlavne v hornej polovici strednej P vrstvy.
Napätie medzi pravou a ľavou stranou NPN bude ešte väčšie, aby elektróny neostali v strede, ale mali dôvod cestovať doprava.
Logické operácie
Pomocou dvoch tranzistorov a žiarovky vieme vytvoriť obvod znázorňujúci logickú operáciu OR. Ak zapneme hociktorý vypínač, prúd sa k žiarovke dostane. Žiarovka nebude svietiť jedine v prípade, že oba vypínače sú vypnuté.
Ak zmeníme prepojenie tak, že výstup z prvého tranzistora ide ako vstup do druhého tranzistora, potom vytvoríme logický obvod AND. V takom obvode nestačí, aby bol zapnutý len jeden vypínač, musia byť zapnuté oba, aby svietila žiarovka.
Poďme skúsiť ešte inú logickú schému. Ak vytvoríme dva obvody s jedným zdrojom, prúd pôjde tam, kde je menší odpor. V prípade zapnutých oboch tranzistorov pôjde prúd radšej cez ne. Ak je táto cesta zahataná, prúd si vyberie ostávajúcu možnosť, a to žiarovku. Takto vytvoríme logický obvod NAND.
Matematické operácie
Z týchto troch základných obvodov vieme vyrobiť obvod pre binárne sčítanie. Ak by boli oba vypínače zapnuté, do pravej žiarovky by nešiel prúd.
Zmeňme teraz obvod tak, že ľavá žiarovka bude vstupom do ďalšieho obvodu, pretože jej význam je vlastne prenos hodnoty do vyššieho rádu (pri sčítaní viacciferných čísel).
Označme teraz tento zložitý tranzistorový obvod jedným obdlžníkom s nálepkou „Adder“ (z anglického sčítač) a zapojme za sebou viac takýchto sčítačov. Presnejšie 8 sčítačov, čo je presne toľko, koľko bitov má jeden Byte.
Takto vie vďaka tranzistorom mikroprocesor sčítavať.
Ako vie mikroprocesor násobiť? Na to nájdete odpoveď v článku Program sa skladá z detailov. Piatich.
Zdroje:
- https://www.youtube.com/watch?v=VBDoT8o4q00
- https://www.youtube.com/watch?v=OwS9aTE2Go4
- https://www.youtube.com/watch?v=J4oO7PT_nzQ
- https://youtu.be/uTNCVRxuP_c