Физические основы действия современных компьютеров
Московский Государственный Открытый Педагогический Университет
(физико-математический факультет)
Физические основы работы современного компьютера
(Курсовая работа)
Выполнил:
Гуревич Г.А. (4 курс заочной формы обучения)
Проверил:
Зайцев Г.О.
(Москва, 2000)
Введение 3
Двоичная система счисления и логика. 3
Схема действия компьютера. 4
Долговременная память. 4
Накопители на магнитных дисках и лентах. 4
CD и DVD-ROM. 5
Полупроводниковые устройства. 6
Биполярные транзисторы. 8
Полевые транзисторы 10
Реализация других полупроводниковых приборов в интегральных схемах. 11
Оперативная память. 12
Статическое ЗУ 14
Динамическое ОЗУ 15
Системная память: взгляд в будущее 16
Шесть технологий памяти будущего. Определения 18
Центральный процессор. 20
Новые технологии. 21
Медные соединения 23
SiGe 24
Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI) 24
Перовскиты 25
Заключение 25
Список использованной литературы: 26
Введение
Сейчас, когда человечество входит в третье тысячелетие, для обитателей
мегаполисов незаменимой вещью, фактически правой (или левой) рукой стал
компьютер. Однако, очень мало кто действительно представляет себе, как
работает этот «черный ящик». В данной работе мы попытаемся описать не
только структурное устройство компьютера, но и продемонстрировать,
благодаря каким физическим законам он действует.
Двоичная система счисления и логика.
Для большинства людей не является тайной, что компьютеры работают в
двоичной системе счисления. Однако, что это за система такая, и почему
именно в ней - знают не все. N-ичная позиционная система счисления суть
такая система, где роль «десятки» выполняет число N. В случае двоичной
системы счисления роль десятки играет число 2, и в ней числа будут
записываться как 0, 1, 10, 11, 100, 101, 111… и т.д. Таким образом, число
1310 (13 в привычной нам, десятичной, системе счисления) в двоичной будет
записываться как 11012.
Почему же была избранна именно двоичная система счисления? Дело в том,
что компьютер, как любое электрическое устройство, может оперировать либо с
модулированным сигналом, либо с наличием\отсутствием сигнала. Таким
образом, если бы нам захотелось заставить компьютер считать в десятичной
(привычной всем нам) системе счисления, то пришлось бы решать задачу как,
например, различать сигнал по напряжению. Например, сигнал в 1 вольт – это
будет единица, 3 вольта – тройка и так до десяти. Однако, модулированный
сигнал требует измерения. А это не очень удобно, т.к. требует
дополнительного усложнения системы. Тем не менее, подобные попытки все же
предпринимались, и компьютеры, измерявшие поступивший сигнал назывались
аналоговыми. Таким образом, родилась идея использовать троичную систему
счисления, где роль нуля, единицы и минус единицы играли отсутствие
напряжения, наличие положительного напряжения и наличие отрицательного
напряжения на входе в элемент. Однако, И это оказалось не совсем удобным
(хотя многие первые компьютеры использовали именно эту систему).
В результате, остановились на двоичной системе, где роль единицы и нуля
играло наличие и отсутствие напряжения на входе. Это оказалось еще удобно
тем, что двоичная система счисления очень удобно связывается с логикой,
т.к. логика оперирует понятиями истинности и ложности – чем не нуль и
единица? С помощью двоичной системы счисления оказалось возможным
кодировать любую информацию. Так, если одну цифру (0 или 1) считать
минимальной единицей информации (ее назвали «бит), то 8 бит (23 бит) – 8
цифр 0 или 1 (называемые «байт») в виде одного числа могут принимать
значение от 0000000 до 111111112 т.е. 25510. Таким образом, в один байт
можно записать 256 разных значений, что вполне достаточно для представления
одним байтом всех цифр десятичной системы счисления, двух алфавитов
(например, латинского и греческого), набора специальных символов типа
точек, тире, и т.п. и еще «место осталось».
Таким образом, оказалось очень удобно использовать в компьютерах двоичную
систему счисления, а информацию мереть в битах, байтах и тысячах,
миллионах, миллиардах и т.п. байт (килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт).
Следует заметить, что килобайт – это вовсе не 1000 байт, а 1024 (210 –
система-то двоичная) и т.п. Как же эти нулики и единички циркулируют в
компьютере?
Схема действия компьютера.
В общем и целом, компьютер состоит из устройств ввода-вывода, памяти и
центрального процессора. Вполне понятно, что устройства ввода – это
клавиатура, мышь, сканер, дисководы, жесткие диски, накопители на магнитной
ленте, CD и DVD-ROM и т.п. Устройства вывода – монитор, принтер, плоттер, а
так же снова дисководы, жесткие диски, накопители на магнитной ленте, CD и
DVD-ROM и т.п. Строго говоря, поименованные накопители, которые вошли в
устройства ввода и устройства вывода одновременно так же можно отнести и к
разряду памяти, но не оперативной, а долговременной. Впрочем, о них позже.
Память (оперативная) – это буфер для содержания непосредственно необходимых
для выполнения данной задачи данных, а центральный процессор – устройство,
которое собственно ведает выполнением программы и управляет остальными.
Именно центральный процессор занимается счетом и решением логических задач.
Легко догадаться, что любую задачу (от похода в магазин до расчета
параметров аэрокосмического истребителя) можно задать как набор логических
и математических параметров, увязанных логическими структурами типа «если –
то – иначе). Как функционирует процессора мы рассмотрим ближе к концу
данного труда, а сейчас обратимся снова к памяти.
Долговременная память.
Накопители на магнитных дисках и лентах.
Это самый известный нам способ хранения информации. Суть его заключается
в намагничивании областей на носителе (ленте, диске) а потом считывании
наличия\отсутствия намагниченности. Накопители на магнитных лентах сейчас
отошли в прошлое из-за крайне невысокой скорости поиски информации, а диски
используются и по сю пору крайне широко.
Бегло рассмотрим параметры современных магнитных дисков. На данный момент
используются три их вида: дискеты 5.25 дюйма диаметром, дискеты 3.14 дюйма
и накопители на жестких магнитных дисках, в простонародье называемых
“винчестерами” (что связано с объемом первых НЖМД, численно равным калибру
наиболее распространенных ружей данного производителя). Диски 5.25 дюйма
имеют объем до 1.2 мегабайта, таким образом, минимальная область
намагничивания (область одного бита, если можно так выразиться) имеет
площадь:
[pic]3.14*(5.25*2.54*10-2)2/(4*1.2*220)(1.16*10-8м2.
По той же формуле рассчитываем размеры единицы информации на диске 3.14
дюйма, кторые достигают объемом 1.44 мегабайта. Получаем примерно 4*10-9м2.
Современные же жесткие диски имеют линейные размеры 3.14 дюйма, в одной
сборке (одном «винчестере») содержится до 10 дисков, а объем его может
достигать сотен терабайт. Таким образом, размеры единицы информации на них
по прядку величины – до 10-14м2. Понятное дело, что накопители на жестких
дисках очень чувствительны к пыли и потому содержатся в герметичных
корпусах.
CD и DVD-ROM.
На этих накопителях используется оптическая система записи данных. Сам
диск состоит из зеркальной поверхности, на которой имеются углубления. Диск
облучается лазером, и в зависимости от наличия или отсутствия, фотодиод
улавливает либо не улавливает отраженный свет. Таким образом формируются
единицы и нули.
[pic]
Сравнительные характеристики этих накопителей:
| |CD |DVD |
|Диаметр диска |120 мм. |120 мм. |
|Толщина диска |1.2 мм |1.2 мм |
|Структура диска |Один слой |Два слоя по 0.6 мм |
|Длинна волны лазера |708 нм. |650 и 635 нм. |
|Числовая апертура |0.45 |0.60 |
|Ширина дорожки |1.6 мкм |0.74 мкм |
|Длинна единичного |0.83 мкм |0.4 мкм |
|«углубления» | | |
|«Слоев» данных |1 |1 или 2 |
|Емкость |Около 680 |При одном слое данных: |
| |мегабайт |2*4.7 Gb, при двух – |
| | |2*8.5Gb |
Само собой разумеется, что размеры «углублений» должны быть сравнимы с
длинной волны лазера, чтобы в достаточной мере проявлялись корпускулярные
свойства его света, а волновые себя практически не проявляли. Впрочем, это
и следует из таблицы.
Полупроводниковые устройства.
Для начала рассмотрим принцип действия полупроводниковых приборов.
Поскольку для компьютера наиболее важными является транзисторы, именно ими
мы рассмотрение полупроводниковых устройств и ограничим.
Полупроводниками называют группу элементов и их соединений, у которых
удельное сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и
диэлектриками. Исходным материалом для изготовления полупроводниковых
приборов являются элементы четвертой группы периодической системы
Менделеева (кремний, германия и т.п.), а так же их соединения. Все они
являются кристаллическими веществами при нормальных условиях.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой
энергией, часть валентных электронов, получив необходимую энергию, уходят
из ковалентных связей, при этом они становятся носителями электрических
зарядов. Одновременно, при разрыве ковалентных связей, образуются и «дырки»
– незаполненные ковалентные связи. В химически чистых полупроводниках, как
легко догадаться, количество свободных электронов равняется количеству
дырок. Таким образом, полупроводник не теряет электрической нейтральности,
т.к. кол-во дырок и кол-во свободных электронов в ем равны. В электрическом
и магнитных полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом,
