Pagina in constructie
Inainte sa incepem, daca nu stiai deja, trebuie neaparat sa stii asta: toate aparatele electronice digitale functioneaza cu doar doua stari de electricitate: 0 si 1. Oprit si Pornit.
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor - semiconductor complementar din metal-oxid), este o tehnologie de fabricare a cipurilor, de proiectare a tranzistorilor in cip.
Sa le luam de la 0.
Tranzistorul
E caramida electronicii. Componentul de baza in electronica digitala.
Ce e trazistorul mai exact?
E doua lucruri: intrerupator si amplificator. Poate fi folosit pe post de ambele in functie de ce ai nevoie.
Daca-l folosesti pentru un sistem audio, e amplificator. Daca-l folosesti intr-un cip, ei bine, il folosesti ca intrerupator. Asta ne intereseza pe noi acum.
De ce intrerupator? Nu te speria, ajungem si acolo, nu scapi nelamurit.
Sigur ai vazut un tranzistor pana acum:
Da' boss, cum naiba zici tu ca se fac cipuri din asa ceva si incap miliarde intr-un cip, cand eu am vazut cipuri mai mici decat chestia aia?
Ei bine, exista si tranzistori microscopici, care tot aia fac. E vorba de cum functioneaza, nu de cum arata:
Ei bine, exista si tranzistori microscopici, care tot aia fac. E vorba de cum functioneaza, nu de cum arata:
Si da, incap chiar si 2 miliarde de tranzistori intr-un cip modern.
Ce face tranzistorul?
Dupa cum am spus, in electronica digitala, intrerupe curentul. De ce? Pentru ca foarte multe opriri si porniri reprezinta limbajul binar, starile de 0 si 1.
Cum functioneaza?
Are trei picioruse. Si anume, colector, baza si emitor.
(pozitia lor difera in functie de tipul de tranzistor)
1. Cum functioneaza ca amplificator
Colectorul primeste curentul primit de chestia pe care vrei sa o amplifici (de exemplu curentul din mufa jack).
Baza primeste curentul principal din sursa de alimentare (sau din transformator) si ii permite sa circule in functie de cum circula curentul mai mic din mufa jack. Il moduleaza, il face pe ala mare sa "se miste" dupa cum se misca ala mic. Asta-i de fapt amplificarea. Face curentul ala mare sa varieze in intensitate dupa cum variaza ala mai mic. Nu-i o "umflare" a curentului mai mic, nu-i o amplificare in sine a aceluiasi curent.
(Sunetul e o unda, care e "imprimata" in voltaj, si ca sa intelegi asta, citeste aici despre cum functioneaza sunetul digital)
Emitorul da mai departe in circuit curentul transformat, modulat.
2. Cum functioneaza ca intrerupator (switch)
Ce e CMOS?
Ca sa ai un sens intr-o adunatura de plastic si metal, ca sa poti programa un chip, nu poti arunca doar tranzistorii aia acolo, ii legi intre ei si gata, ai un cip programabil gata sa fie un procesor sau un controler. Trebuie sa stii ce urmeaza sa faci cu bucata aia de plastic-metal-oxid... etc, la fel cum daca vrei o casa nu poti doar sa cumperi caramizile de la Dedeman, le cladesti pe toate intr-un singur perete si gata, bati grinzile si faci comanda la perdele.
Trebuie sa fie "plantati" cu un sens. Acest sens, e logica ce urmeaza sa i-o dai cipului, ca mai apoi sa-l programezi cum vrei in baza la logica aia. I-ai facut o structura, un aranjament logic.
CMOS e cea mai populara tehnologie folosita pentru a lega tranzistorii intre ei intr-un mod practic.
Ca electronica sa capete sens, tranzistorii sunt combinati in structuri numite porti logice.
Mai multi tranzistori = o poarta logica
Mai multe porti logice = un chip
Mai multe chip-uri = un computer
Bun. Ce sens au portile logice? Inteleg ca legi tranzistorii intre ei sa formezi porti logice, dar de ce? De ce trebuie sa faci porti logice?
Pentru ca ele conteaza cel mai mult. De la ele incepe povestea electronicii digitale. Pe ele se bazeaza limbajul de baza in care urmeaza sa programezi cipul. Felul in care sunt combinate aceste porti logice intre ele ne da posibilitatea sa avem circuite destepte, ca sa poata fi programate.
O poarta logica e o idee practica, care foloseste logica binara inventata de George Boole in 1847, logica bazata de fapt pe numaratoarea binara, inventata de Gottfried Leibniz in 1689.
O poarta logica se detasaza ca si concept de partea fizica a electronicii. Portile logice sunt baza inteligentei unui chip, si vom explica totul in continuare.
Limbajul binar
Numaratoarea zecimala o stii: numeri pana la 10. Pentru asta folosesti 10 cifre: 0123456789
Numaratoarea binara inseamna, pur si simplu, ca numeri pana la 1. Folosesti doar 0 si 1, adica 2 cifre.
Deci limbajul binar foloseste numaratoare binara.
In acest limbaj, nu poti avea o stare de "superpozitie" intre 0 si 1. Nu poti avea mai mult de doua cifre. Daca ar fi trei cifre, asta ar insemna deja alt sistem de calcul, probabil extraterestru, care foloseste ceva mult mai avansat decat chip-urile, care are programatori si proiectanti cu IQ de vreo 300.
Calculatoarele nu stiu 1, 2, 3. Calculatoarele nu stiu nici macar 1, 2. Calculatoarele nu pot "gandi" in mai mult de aceste doua cifre: 0 si 1. De ce? Pentru ca asa sunt construite. Pentru ca e vorba, de fapt, de curent si lipsa lui.
Cum poate fi limbajul binar practic daca foloseste doar 0 si 1?
Tranzistoarele din cip folosesc conceptul de "curent si lipsa lui", sunt legate intre ele sa formeze porti logice care creaza un sens folosind curentul electric din intrarile si iesirile din acestea inchise si deschise. Logica cu care functioneaza portile logice, cu care folosesc ele curentul sa creeze un sens, se numeste logica booleana, numita dupa George Boole care a inventat algebra booleana, bazata pe numaratoarea binara a lui Leibniz.
Algebra booleana
E un tip de matematica, care foloseste doar 0 si 1. Mai precis, e o matematica ce foloseste tabel de adevar (adevarat sau fals).
Operatiile astea se desfasoara la nivel de BIT INDIVIDUAL, la nivel de porta logica. Nimeni nu programeaza un calculator din tastatura folosind algebra booleana, aceasta e folosita atunci cand sunt create, cand sunt proiectate cipurile, cand sunt modificate tipuri, structuri generale de chip-uri, de catre "dumnezeii" electronicii. Si cand zic asta, ma refer la modificari probabil seculare, pentru ca tehnica, logica binara e deja baza electronici. E tehnica cu care se proiecteaza portile logice din cipuri, cu care sunt legati tranzistorii intre ei. TOTUL din orice aparat electronic digital foloseste logica asta, iar sa zici ca modifici tehnica binara, e ca si cum ai zice ca reinventezi roata, ca descoperi o culoare noua. Practic reinventezi toata electronica daca poti sa modifici implementarea algebrei booleene.
Ca algebra booleana sa poata fi implementata si folosita, e nevoie de porti logice. Sunt ansabluri de tranzistori (dupa cum ai vazut mai sus). Din acest punct incepe electronica digitala si se face abstractie de tranzistor ca "tranzistor". Tranzistorul acum e doar componentul elementar, chestia care "colecteaza" curentul, caramida care nu are niciun scop fara zidul din care face parte.
Portile logice sunt cele de care se foloseste algebra booleana, deci acum pot fi facute instructiuni de baza, pe care sa se bazeze limbajele de programare.
Portile logice si tabelul de adevar al algebrei booleene
Tipuri de porti logice
Mai sus am aratat doar un singur exemplu de poarta logica, si anume poarta AND (şi). Dar exista multe.
Ce face fiecare, mai exact?
Cu logica asta e creat tot ce vezi pe ecran sau auzi in difuzoarele oricarui PC, laptop, telefon, tableta, ceas digital, indicator LCD, PDA, pager, brick game, practic toate aparatele electronice digitale.
Ce legatura are CMOS-ul cu toate astea?
CMOS e o tehnologie cu care faci porti logice din tranzistori. E o metoda cu care "construiesti" logica intr-un chip.
Poti face porti logice in mai multe feluri, nu doar folosind CMOS, in functie de tipul de cip. Dar aici vorbim de CMOS pentru ca asta e de departe cea mai folosita tehnologie in electronica, in special intr-un computer. De exemplu, CMOS e folosit pentru a crea porti logice pentru procesoare, controllere, memorii RAM, etc.
Cum arata portile logice CMOS in memoria RAM?
Exista si NMOS, pe de alta parte. E folosit cel mai mult pentru a crea amplificatoare, dar nu vom vorbi aici despre celelalte tehnologi. La urma urmei, toate au la baza MOS (metal-oxyde semiconductor). Diferenta dintre aceste tehnologii e mai mult aparenta. E exact ca si cum ai zice "pahar sau borcan", care pana la urma sunt un singur lucru: sticla.
Circuitele CMOS sunt foarte cunoscute pentru consumul lor redus de curent. Aceasta, spre deosebire de tehnologia TTL (Tansistor-Transistor Logic), o alta tehnologie de fabricare a cipurilor, dar primitiva. Extrem de rar intalnita in zilele noaste, cu toate ca, aceste doua tehnologii concurau candva.
CMOS in lumea foto
Senzorul aparatului foto care captureaza lumina e un cip CMOS. Da, se fac si astfel de cip-uri.
Acesti senzori convertesc lumina in impulsuri electrice. care sunt tradusi in informatie digitala.
Cipul e o matrice, un "tabel" extrem de mare de celule, iar lumina din fiecare celula e transformata in voltaj specific, care e tradus in secvente de biti specifice, la fel cum functioneaza sunetul digital.
Cum nu toata lumina e alba, culori diferinte insemnand frecvente diferite, cip-ul e "lovit" in mod diferit, cu o frecventa diferita pe fiecare celula in functie de chestia careia-i faci poza, asta insemnand voltaj diferit pe fiecare celula, chestie care inseamna la randul ei culori diferite pe care le vedem pe monitor cand ne uitam la poza.
Da, nu e musai ca fiecare celula sa aiba voltaj diferit, că poate facem poza la cer, sau la iarba, caz in care e folosit acelasi voltaj pe cea mai mare parte a suprafetei senzorului, dar unde-i culoare diferita, acolo e curent diferit.
Ei bine, aceste celule, sunt porti logice CMOS aranjate in asa fel incat pot captura frecvente specifice de lumina.
Cipul e o matrice, un "tabel" extrem de mare de celule, iar lumina din fiecare celula e transformata in voltaj specific, care e tradus in secvente de biti specifice, la fel cum functioneaza sunetul digital.
Cum nu toata lumina e alba, culori diferinte insemnand frecvente diferite, cip-ul e "lovit" in mod diferit, cu o frecventa diferita pe fiecare celula in functie de chestia careia-i faci poza, asta insemnand voltaj diferit pe fiecare celula, chestie care inseamna la randul ei culori diferite pe care le vedem pe monitor cand ne uitam la poza.
Da, nu e musai ca fiecare celula sa aiba voltaj diferit, că poate facem poza la cer, sau la iarba, caz in care e folosit acelasi voltaj pe cea mai mare parte a suprafetei senzorului, dar unde-i culoare diferita, acolo e curent diferit.
Ei bine, aceste celule, sunt porti logice CMOS aranjate in asa fel incat pot captura frecvente specifice de lumina.