Hardware 1. přednáška

1. Výpočetní technika II Hardware1. přednáška Základní principy

2. Cíle předmětu • Seznámit se s fyzikálními principy práce technických komponent počítače (především PC) • Seznámit se s moderními technologiemiv oblasti HW • Seznámit se s hlavními kvalitativními a výkonnostními parametry HW komponent • Naučit se posuzovat a vybírat HW komponenty pro konkrétní účely

3. Struktura předmětu • Přednášky • logické obvody • procesory • paměti • sběrnice • vstupně-výstupní zařízení • úvod do počítačových sítí • Cvičení • Excel (6 cvičení) • tématika z přednášek (3 cvičení) • obhajoby semestrálních projektů (3 cvičení)

4. Ukončení předmětu • Zkouškou. Podmínky jsou • odevzdaný a obhájený semestrální projekt, • zkoušková písemka.

5. Informační zdroje • Veselý, A.: Výpočetní systémy II. Praha: ČZU, 2002. ISBN 80-213-0557-6. • Tichý, M.: Základy obvodové elektroniky http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/ • Brandejs, M.: Výpočetní systémy http://www.fi.muni.cz/usr/brandejs/AP/ • Peterka, J.: Archiv článků a přednášek. http://www.earchiv.cz • seriál Číslicová technikahttp://www.iabc.cz/pages/serial_cislicova.html • http://www.svethardware.cz • http://www.zive.cz • http://technet.idnes.cz/

6. Počítač • Definice: Počítač je stroj na automatické zpracování dat podle předem připraveného programu. • Období vzniku: přelom 30.–40. let20. století (Konrád Zuse, Německo) • Další vývoj: USA 40. léta 20. století, významný vliv matematika Johna von Neumanna – mnohé jeho principy platné dodnes

7. Elektromagnetické relé (spínací) • 1 – cívka, 2 –jádro z magneticky měkké oceli, 3 – pohyblivá kotva, 4 – pružné kontakty, 5 – místo připojení ovládaného zařízení

8. Elektromagnetické relé (rozpínací)

9. Relé

10. Elektronka (vakuová trioda)

11. Fyzikální principy • Elektrický proud – proud volných elektronů • Kovy jsou dobré vodiče – obsahují hodně volných elektronů • Při rostoucí teplotě vodivost kovů klesá – vzrůstá odpor • Izolanty – látky, kde jsou všechny elektrony vázány pevně k jádru

12. Polovodiče • Polovodiče – při nízké teplotě mají vlastnost izolantů, s rostoucí teplotou odpor klesá • Důležité prvky a sloučeniny – Ge, Si, Se, oxid měďnatý • Jsou nezbytné pro přechod od elektronek k tranzistorům – tedy pro miniaturizaci

13. Krystal Germania • Všechny atomy se snaží spojit tak, aby zaplnily valenční vrstvu • U germania – 8 elektronů – 4 vlastní a 4 cizí • Tedy všechny elektrony jsou vázané (izolant) Ge Ge Ge - - - - - - - - - - Ge Ge Ge - - - - - - - - - - Ge Ge Ge - - - -

14. Vodivost polovodičů • Při normální teplotě se občas nějaký elektron uvolní a pohybuje se mřížkou (volný) • Po něm zbude prázdné místo (díra) • Díra má kladný náboj, elektron záporný • Po zahřátí se uvolňování elektronů zrychluje – vlastní vodivost polovodičů (malá)

15. Přimícháním arsenu, který má ve valenční vrstvě 5 elektronů bude 1 elektron přebývat Pohybem volných elektronů vzniká elektron. vodivost Další dárci (donoři): fosfor, antimon Polovodiče typu N – + Ge As Ge - - - - – + - - - - - - - Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - As Ge Ge - - - -

16. Přimícháním india, které má 3 valenční elektrony, bude1 elektron chybět Pohybem volných elektronů vzniká děrová vodivost Další příjemci (akceptoři): bór, galium Polovodiče typu P – + Ge In Ge - - - - – + - + - - - - Ge Ge Ge - - - - - - - - - + Ge Ge In - - - -

17. Přechod NP • Zapojíme-li polovodiče N a P vedle sebe, vznikne přechod NP • Po připojení kladného pólu na P a záporného na N je NP přechod v propustném stavu • Opačně je v nepropustném stavu, protéká jen zbytkový proud • Toto je princip polovodičové diody

18. Zapojení přechodu NP Zapojení přechodu PN v propustném směru: P N - - + + + – - - + + - - - + + - + proud protéká + –

19. Zapojení přechodu NP Zapojení přechodu PN v nepropustném směru: P N - + - – + + - + - - - + - + + - + proud neprotéká(pouze zbytkový – závěrný) – +

20. Bipolární tranzistor • Tranzistor se skládá ze tří polovodičových vrstev • Horní vrstva – kolektor, střední – báze a dolní – emitor • Vznikají dva NP přechody – kolektorový a emitorový • Známe NPN (kladné napětí na kolektoru) a PNP (záporné) • Proč bipolární? Protože přenosu elektronů se účastní oba typy polovodičů, tedy P i N

21. Zapojení bipolárního tranzistoru + • Propojení kolektoru a emitoru nelze – jeden NP přechod bude neprůchozí • Tranzistor působí jako zesilovač k N - - - - - + + - - b P - + + + + + + - - - N e - - -

22. Hlavní nevýhoda bipolárního tranzistoru • Neumožňuje integrovat větší množství tranzistorů na jediném čipu, neboť generované Jouleovo teplo by miniaturní čip nebyl schopen odvést

23. Unipolární tranzistor

24. Unipolární tranzistor • Typ FET (field effect transistor) – tranzistor řízený polem • Je již plnohodnotnou náhradou elektronky • Umožňuje vyšší koncentraci prvků na menší ploše • Proč unipolární? Protože přenosu elektronů se účastní pouze jeden typ polovodiče, tedy buď jen P nebo jen N

25. Tranzistory MOSFET • MOS (metal, oxid, semiconductor) – kov, oxid, polovodič • Základem je křemíková deska s vodivostí N (báze). V destičce vytvořeny dvě oblasti s vodivostí P (emitor a kolektor) • Nosičem elektrického proudu – díry • Jde o technologii používanou v moderních počítačích

26. Tranzistor MOSFET

27. Integrovaný obvod • Uloženo více prvků (i různých typů) na jedné polovodičové destičce • Výhody použití IO většinou vyplývajíz miniaturizace • Integrace také snižuje množství obalů (dříve většinou jeden na každou součástku) • Velikost je ovlivněna technologií

28. Integrované obvody

29. Hierarchie IO • SSI (Small Scale Integration) – malá integrace – několik málo prvků • MSI (Medium...) – střední integrace <500 • LSI (Large...)– rozsáhlá integrace – od 500 do 20000 prvků • VLSI (Very Large...)– nad 20000 prvků na destičce – všechny mikroprocesory • ULSI(Ultra Large...)– v současnosti, řádově milióny prvků

30. Tištěný spoj • Polovodičové prvky potřebují způsob, jak budou přijímat a odesílat signály • Tedy musí být nějak propojeny dohromady – logicky i fyzicky • Na spojování mohou být použity dráty, ale prakticky to nelze kvůli jejich velikosti a množství • Tištěný spoj umožňuje propojení prvků vodivými měděnými cestami (i v několika vrstvách)

31. Tištěný spoj