Schaltnetze und Schaltwerke - Systemsoftware und Verteilte ...

syssoft.uni.trier.de

Schaltnetze und Schaltwerke - Systemsoftware und Verteilte ...

Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Schaltnetze und SchaltwerkeDipl.‐Inform. Ingo ScholtesSystemsoftware und Verteilte SystemeUniversität Trier1. EINFÜHRUNGFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 1


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Architektursicht: Gatterebene• Komponenten– AND‐Gatter– OR‐Gatter– NOT‐Gatter– ...A0• Verbindung– Leitungen– ev. elektronische BausteineA1E3 E2 E1 E0Architektursicht: Schaltkreisebene• Komponenten– Transistor– Kondensator– Widerstand– Spule– ...T 17R 22• Verbindung– LeitungenFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 7


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008• Jeder Transistor so groß wie ein Haus– 10x10 Meter Haus und 5 Meter Straße, Weg, Grün drum herumVergrößerungGarten, Straße, Weg10x10Hauslometer223 KilSprachsicht: Differentialgleichungen• Unterste Ebene2Et () L d Q () t R dQ ()= + t +2dt dt1C Qt ()Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 9


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Sprachsicht: Boolesche Algebra / Gleichungssysteme• Wahrheitswerte– 0 = False– 1 = True• Grundoperationen– Konjunktion– Disjunktion– Negation• Verknüpfungsregeln, Gesetze( a + b)⋅ ( b + ac)=a ⋅b⋅ ( b + ac)=a ⋅b⋅b+ a ⋅b⋅ a ⋅ c=0• Programmierte Steuerung der HardwareSprachsicht: MikroprogrammePC1010110 01010100010100101101 01000110101010001010 00111110101100100111 10101101010001010110 0101010001010Register 1 Register 2nächsterBfhl Befehl0100111 10101101010001010110 01010100010000101101 01000110101010001010 0011111010110AddiererZeitFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 10


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Sprachsicht: Register‐Transfer‐Sprachen• Register, Datenpfade• Sprachelemente– Ausdrücke (boolesche und arithmetische Funktionen)– Bedingte Anweisungen– Schleifen– ...Sprachsicht: Instruktionssatz• Funktionsumfang komplexer Bausteine– CPU– Coprozessoren– MMU– Signalprozessor– ...• Ausführungsmodell– Kontrollfluß– Datenfluß– ...Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 11


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Sprachsicht: Datenorientierte Protokolle• DatenpaketeBefehlscodeLUN LBA (MSB)LBALBA (LSB)TransferlängeSteuerbyteSCSI‐Host‐AdapterController“Gerät 1”• Protokoll zwischen Sender und Empfänger– Mitteilung / Auftrag– Synchron / Asynchron– Arbitrierung bei Bussen Controller“Gerät n”Sprachsicht: Programmiersprachen• Vielfältige Syntax und Semantik• systemnahe Programmiersprachen, z.B. C oder C++– geeignete g Datenstrukturen• Bitfelder• Zeiger• Repräsentation bekannt– einfache Datentypkonversionen (Cast)– geringer verdeckter Overhead (Performanz)• Assembler– symbolische Befehle (Mnemonic)– 1:1‐AbbildungAssemblerbefehl ‐ Instruktion– Makromechanismen...loop: dec r3jne out:move (r2++),(r1++)jmp loop:out: move (r2++),#0...Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 12


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Praktische Realisierung• Theorie ist technologieunabhängig• Unterschiedliche Realisierungstechniken– Einige Meilensteine folgen …Meilensteine1968Mikroprozessor1950erTransistor und ICAb 1946Von‐Neumann‐Rechner1940er ElektronischAb 1822 MechanischFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 13


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Mechanische Computer (seit 1822)• Charles Babbage (1791 – 1871)– Für astronomische Berechnungen– Maschinelle Addition, Multiplikation, Subtraktion• Arbeitete dezimal– Walzen mit Zahlen• Analytical Engine– Programmierbar mit Lochkarten– Ada LovelaceCharles Babbage Difference Engine (1832)Quelle: http://www‐ipst.u‐strasbg.frRelais• Joseph Henry 1835• Elektromagnet betätigt mechanischen Schalter• Steuerspannung an Spule öffnet/schließt damit Stromkreis– Mechanische Arbeitsweise– Sehr begrenzte Schaltgeschwindigkeit (~ 10 Hz)– Lebensdauer ~ 10 5 Schaltvorgänge typisch– D.h. 10.000 Sekunden ~ 3 Stunden Dauerbetrieb bei 10 HzQuelle: WikipediaFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 14


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Vakuumröhren• Robert von Lieben, 1906• Funktionsweise Triode– Anode (A)– Beheizte Kathode (K)– Steuergitter (S)• Elektronen treten aus Kathode aus– Treffen auf Kathode, ein Strom fließt– Spannung am Steuergitter blockiert oderverstärkt Elektronenfluss• Nicht mechanisch– Schaltgeschwindigkeit deutlich höher– Aber immer noch eng begrenzt• Probleme– Zuverlässigkeit, EnergiebedarfSAVakuumKDer Transistor (1948)• Halbleiter‐basierter elementarer Wechselschalter• John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley– entwickeln 1948 Point‐Contact‐Transitor– Nobelpreis für Physik 1956• Weiterentwicklungen– Feldeffekttransistor– Bipolartransitoren• Lösen Röhren binnen 10 Jahren abAbb: Point‐Contact‐TransistorQuelle: WikipediaFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 15


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Der integrierte Schaltkreis (1958)• Bislang– Computer = Menge verlöteter Transistoren– Viel Handarbeit– Transitoren aufwendig und groß– Begrenzt mögliche Transistorzahl und Komplexität• Jack Kilby / Robert Noyce– Dotierung eines Halbleiter‐Trägermaterials mit Fremdatomen– Selektive Steuerung der Leitfähigkeit des Halbleiter‐Trägermaterials– Viele Transistoren auf einem einzigen Trägermaterial– Miniaturisierung möglich• Belichten statt Löten!Jack Kilby und der erste ICQuelle: http://www.cedmagic.com/history/integrated‐circuit‐1958.htmlDer Mikroprozessor (1968)• Prozessor aus ICs als einzelnes Bauteil– Auf einen einzigen Halbleiter belichtet– Texas Instruments (1968)– Intel 4004 (1971) 2300 Transistoren– Und die Revolution kann beginnen ☺• Grundlegendes Herstellungsprinzip bis heute State‐of‐the‐Art– Core 2 Duo 291 Mio. Transistoren– Pentium D 900 376 Mio. Transistoren– GeForce 8800 681 Mio. TransistorenFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 16


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Chipherstellung: Rohstoff• Gewinnung von Silizium (Silicon) aus Sand (Siliziumdioxid)• Produktion eines Stabs aus reinem Silizium• Wird in 2,5mm dicke Scheiben (Wafer) geschnittenChipherstellung: Wafer• Keine Kristallstörungen– Einkristall• Wafer– aktuell 300 mmBASFSmithsonianFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 17


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Chipherstellung: Belichtung• In mehreren Schritten viele identische Strukturen (Dies)aufbringen– durch Belichtung (mit UV oder sichtbarem Licht)• Vorteile von UV‐Licht?– “Entwickeln” des Wafers– “Bedrucken”• Fremdatome in Silizium einbringen• Zwei Arten der DotierungLeitungen drucken?• Wie erzeugt man Leitungen durch Dotierung?• Ideen?Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 18


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008• Siliziumoberfläche mit Ionen bedampfen• N‐Dotierung– N wie Negativ– Z.B. Phosporatome– Phosphor im Silizium = Elektronendonator– frei bewegliches Elektron = negativer Ladungsträger• Anlegen einer Spannung– Freie Elektronen fließen in Pluspol ab– Hinterlassen positive Lücken– Nachbarelektronen rücken nach– …– „Zufluss“ vom Minuspol• Was fließt wohin?– Freie Elektronen– „Entstehen“ am Minuspol– Fließen zum PluspolChipherstellung: N‐DotierungChipherstellung: P‐Dotierung• Siliziumoberfläche mit Ionen bedampfen• P‐Dotierung– P wie Positiv– Z.B. Aluminiumatome– Aluminium im Silizium = Elektronenakzeptor– „Elektronenloch“ = Defektelektron = positiver Ladungsträger• Anlegen einer Spannung– Elektronen am Minuspol fließen in Lücken– Springen zu Nachbarlücken– …– „Abfluss“ in Pluspol hinterlässt neue Lücken– Am Pluspol „entstehen Elektronenlücken“• Was fließt wohin?– Elektronenlöcher– „Entstehen am Pluspol“– Fließen zum MinuspolFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 19


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Transistor drucken?• Wie wird durch Dotierung ein Transistor hergestellt?• Ideen? Vorschläge?• Kombination aus drei dotierten Schichten• Unipolar• *FET = Field‐effect effect Transistor– MOS = metal oxyd– MES = metal Schottky– …FeldeffekttransistorGt GateSourceDrain‐ ‐ ‐‐ ‐ ‐n‐‐n‐ ‐‐ ‐ ‐p‐‐Drain‐‐‐Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 20


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008• Kombination aus drei dotierten Schichten• Unipolar• *FET = Field‐effect effect Transistor– MOS = metal oxyd– MES = metal Schottky– …Feldeffekttransistor‐Gate GtSource‐+ + + + +Drain+‐ ‐‐n ‐‐ ‐ ‐ ‐‐ ‐n‐ ‐ ‐‐ ‐ ‐ ‐pDrain• BJT = Bipolar Junction Transistor– pnp vs. npn– Bipolar?BipolartransistorCollector‐ ‐‐n+Basep‐‐+‐n‐‐EmitterAbb.: Stefan Riepl (Wikipedia)Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 21


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Herstellung einer CPU• Zerschneiden der Wafer und Aussortieren unvollständiger unddefekter Dies• Einbau in schützendes Gehäuse• Verdrahtung mit GehäusepinsHerstellung einer CPU• Letzter Test• Fertig!Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 22


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Erfolgsgeheimnis der „Elektronik“• Seit Erfindung der integrierten Schaltung (Jack Kilby, 1958)• Schaltung bauen ≈ mehrfarbigem Druck• Moore‘sche Gesetz– “In 1965, Intel co‐founder Gordon Moore sawthe future. His prediction, now popularlyknown as Moore's Law, states that thenumber of transistors on a chip doublesabout every two years. This observationabout silicon integration has fueled theworldwide technology revolution.”• Selbsterfüllende Prophezeiung– Vorgabe an den Fortschritt im EntwicklungsprozeßIntelZukünftige Realisierungen?• Jenseits von Halbleitern / Transistoren …• Biochemisch– DNA / RNA• Optisch– Brechungsändernde Steuerlichtstrahlen• Quantenphysikalisch– Abkehr von binärer Logik– Weitreichende Auswirkungen auch auf TheorieFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 23


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Praxisanteil der Vorlesung• Platinen ätzenRealistischere Praxis• Freiwillig und privat• Proto‐Boards(Steckplatine)– Erschwinglich– Ca. 40 Euro + ZubehörElektronischer WürfelFolien (c) Peter Sturm, University of Trier 24


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008Beinahe‐Praxis ☺• Simulatoren• Bspw. LogicSim• http://www.tetzl.de/• Hinweis– Vorlesung/Übung nächste Woche entfällt!– Aktuelle Infos auf http://syssoft.uni‐trier.de/~scholtes• Nächste Vorlesung / Übung– 21. April 2008Vielen Dank!Folien (c) Peter Sturm, University of Trier 25

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine