Што канкрэтна ёсць у 1 біце лічбавай памяці?

Крыніца: giphy.com

Мы часта гаворым пра тое, што кампутары разумеюць толькі тыя (1) і нулі (0), і ў нашым паўсядзённым жыцці праграмавання, часцей за ўсё, мы гаворым пра "байтавыя патокі", калі мы спрабуем растлумачыць тое ці іншае. Але вы ніколі не задумваліся над тым, што канкрэтна ўяўляюць сабой гэтыя лічбы і 0? Мы часта ўяўляем, як яны бегаюць па правадах, ці не так? Ці сапраўды нешта рухаецца? Ну, ёсць, але не тое, што вы думаеце. Такім чынам, давайце капацца.

Ну, нам трэба будзе вывучыць рэчы на ​​малекулярным узроўні, калі мы сапраўды хочам зразумець, што ўваходзіць у адзін біт памяці. Мы дабярэмся да гэтага праз хвіліну. Але перад гэтым ёсць яшчэ нешта, што нам трэба спачатку разабрацца.

"Транзістары" - Вынаходніцтва транзістара стала адной з асноўных вех у гісторыі навукі, і яна зрабіла рэвалюцыю ў тэхналогіі, якую мы выкарыстоўваем сёння. Прасцей кажучы, транзістар разглядаўся як найважнейшае вынаходніцтва ў сучаснай гісторыі. Калі вы паглядзіце ўнутры працэсара (напрыклад, працэсар на кампутары ці смартфоне), вы знойдзеце там мільярды транзістараў. Вядома, яны мікраскапічныя. Але што рабіць гэтыя транзістары з бітамі? Ну, усё! І вы ўбачыце, чаму.

Давайце пабудуем 1 біт памяці

Пачнем з самага пачатку, і мы павольна будуем тэарэтычны біт. Я збіраюся растлумачыць усё да атамнага ўзроўню, так што на самой справе няма апраўдання, каб вы не зразумелі гэтага :)

Усё пачынаецца з крэмнію

Крэмній складае 27,7% зямной кары па масе і з'яўляецца другім найбольш распаўсюджаным элементам (кісларод - першым) на зямлі па дадзеных Каралеўскага таварыства хіміі. Але тое, што нас цікавіць, гэта якасць паўправаднікоў, гэта значыць здольнасць весці і кіраваць патокам электронаў, якімі іншымі словамі з'яўляецца электрычны ток. Уявіце сабе 6,24 х 10 6.2 колькасць электронаў, якія праходзяць адну кропку на працягу секунды, і гэта адзін ампер (ампер) току ў вас ёсць.

Зараз возьмем крамянёвы элемент і пераходзім да яго атамнага ўзроўню і вывучым тое, што на самой справе ёсць.

Здаецца выявай: www.homepower.com

Вам не трэба разумець усё, што ёсць на прыведзеным вышэй дыяграме. Проста назірайце за самай знешняй абалонкай, якую яшчэ называюць «валентная абалонка», і вы ўбачыце ў ёй 4 электрона. Гэтая валентная абалонка можа быць перададзена альбо сумесна з іншым атамам, і таму кожны атам крэмнія на самай справе звязаны з яшчэ 4-ма суседнімі атамамі, і мы называем гэта "кавалентнай сувяззю".

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/sili.html

Справа ў тым, што калі гэты чысты крэмній праводзіць электраэнергію, у яго павінны быць некалькі свабодных электронаў. Такім чынам, гэтыя электроны павінны паглынаць нейкую энергію, каб вызваліцца ад кавалентнай сувязі. Так што чысты крэмній у сваёй першапачатковай форме практычна бескарысны.

Дык якое рашэнне? - Допінг

Таму для паляпшэння праводнасці крэмнія выкарыстоўваецца метад, які называецца допінгам, шляхам змешвання невялікай колькасці прымешак у крышталі крэмнію. На самай справе ёсць два віды допінгаў.

Допінг N-тыпу

https://www.science.org.au/curious/technology-future/solar-pv

Калі мы ўводзім крэмній з такім рэчывам, як "Фосфар", у яго вонкавай абалонцы пяць электронаў, то адзін электрон можа рухацца. Паколькі электроны маюць адмоўны зарад, мы называем гэты допінг N-тыпам.

Допінг P-тыпу

https://www.science.org.au/curious/technology-future/solar-pv

Цяпер, калі мы ўводзім крэмній з 3-х валентным электронам, падобным да "Бора", цяпер у рашотцы ёсць свабоднае месца (адтуліна) для электрона. Гэтая адсутнасць электронаў стварае станоўчы зарад, адсюль і назва P-тыпу і памятайце, што цяпер суседнія электроны могуць запоўніць гэтыя дзіркі ў любы момант.

Спалучыце тыпы P і N і атрымаеце "Дыёд"

Дыёд

Калі мы ўводзім адну частку крамянёвай пласціны з борам, а іншую - фосфарам, мы можам стварыць дыёд. Гэта значыць, адна частка будзе паводзіць сябе як P-тып, а другая N-тыпу, і калі мы размесцім гэтыя дзве часткі побач з сабой, мы атрымаем дыёд PN.

Зараз на N баку ў нас свабодныя электроны для руху, а на баку P - дзіркі. Дык што вы думаеце, што адбудзецца на мяжы P і N?

Ну, багата электронаў з N-боку паспрабуе перанесці ў адтуліны ў баку Р, каб злучыцца з імі, пакінуўшы N-бок злёгку пазітыўна зараджаным, робячы бок Р злёгку адмоўна зараджанай.

У выніку гэтага ўзнікае электрычнае поле, якое называецца "знясіленне пласта", якое будзе супрацьстаяць любым далейшым міграцыям электронаў, ствараючы бар'ер для праходжання праз яго любога току.

Зваротны зрух

Калі мы ўжываем знешнюю крыніцу харчавання, як паказана на прыведзенай вышэй схеме, правы канец крыніцы сілкавання прыцягне электроны, а на другім канцы электроны паспрабуюць адысці ад адмоўнага тэрмінала (таму што электроны адштурхоўваюць адзін аднаго, бо абодва маюць адмоўны электрычны зарад ) пакідаючы адтуліны там, і гэта зробіць пласт знясілення, каб ён пашырыўся. Таму зараз немагчыма, каб электраэнергія паступала праз дыёд.

Форвард зрушэння

Але калі мы створым крыніцу харчавання наадварот, сітуацыя стане зусім іншай. Калі выказаць здагадку, што ў крыніцы электраэнергіі дастаткова напружання, каб пераадолець бар'ер, электроны, якія адштурхоўваюцца ад адмоўнага тэрмінала, перасякаюць бар'ер і будуць прыцягвацца да станоўчага тэрмінала і прымусяць ток цячы. Гэта вядома як зрушэнне наперад.

Транзістар нараджаецца!

Калі мы прывяжаем тры пласта да NPN моды, мы гэта называем транзістарам. Калі вы ўважліва паглядзіце на схему ніжэй, вы ўбачыце, што ў нас ёсць два дыёды. НП і ПН. Аднак незалежна ад таго, якім чынам мы будзем падключаць крыніцу харчавання, праз транзістар не будзе паступаць электрычнасць, таму што адзін дыёд заўсёды будзе шануцца прадузята.

Называнне павінна быць NP і PN ... Мая памылка

Але ёсць нешта, што мы можам зрабіць, каб ток цякнуў праз транзістар. Хітрасць заключаецца ў прыкладанні невялікага току да сярэдняга пласта, і ён узмоцніць ток, які працякае ў цэлым. Але як?

Дапусцім, што другая крыніца электраэнергіі, якую мы падключылі, мае дастатковую напругу, каб пераадолець бар'ер на стыку NP. Такім чынам, зараз гэта проста зрушэнне наперад. Такім чынам, цяпер электроны з N-вобласці пачнуць перамяшчацца ў P-вобласць, і нешматлікія з іх будуць перацякаць на другую крыніцу харчавання, у той час як значна большая колькасць электронаў будзе прыцягнута да станоўчага тэрмінала першай крыніцы харчавання (прычына гэтага гэта вузкасць рэгіёну Р). Так што мы можам узмацніць цяперашнюю.

Яшчэ адна важная рэч, якую мы можам зрабіць з прыведзенай схемай, гэта на аснове напружання другой крыніцы харчавання, якую мы можам кантраляваць токам, які праходзіць праз яе. Прасцей кажучы, мы можам прымусіць транзістар перайсці "на" або "выключыць". Як мы гэта робім? Ну, вы, напэўна, здагадаліся. Калі ўваходнага напружання другой крыніцы харчавання недастаткова для пераадолення патэнцыяльнага бар'ера, ток току проста не будзе цячы.

Такім чынам, зыходзячы з напружання, мы можам кіраваць транзістарам "уключаны" і "выключаны", і гэта адкрыла дзверы "лічбавай памяці". Але мы яшчэ далёкія ад таго, каб зрабіць гэта 1 біт. Так што трымайцеся моцна.

З бакавой запіскі, калі ласка, звярніце ўвагу, што існуе два тыпу транзістараў, якія называюцца біпалярнымі злучальнымі транзістарамі (BJT) і палявымі транзістарамі (FET). Транзістар, пра які мы казалі, мае тып BJT. Мы не збіраемся ўдавацца ў падрабязнасці пра гэтыя тыпы, гэта не ўваходзіць у рамкі. Для нашай задачы пабудаваць 1 біт памяці дастаткова мець вельмі асноўнае ўяўленне пра транзістар.

У электронных схемах названы вышэй транзістар прадстаўлены наступным сімвалам.

Транзістар

Цяпер уваходзіць у вароты NAND!

Мы ведаем, што калі на базе няма напружання, ток не будзе цячы ад С да Е, то ёсць транзістар выключаны ў гэты момант. Але калі на базе ёсць станоўчае напружанне, транзістар уключаны. Зараз давайце скарыстаемся двума з гэтых транзістараў для стварэння засаўкі NAND. Вароты NAND - гэта адна з найбольш важных логічных варот, таму што ўсе астатнія вароты (АБО, НЕ і інш.) Можна пабудаваць, выкарыстоўваючы камбінацыю гэтых варот NAND.

Зараз мы разгледзім, які будзе выхад для розных станаў транзістараў. Мы будзем прадстаўляць наяўнасць і адсутнасць току ў дадзенай кропцы адпаведна з "1" і "0".

  1. Калі абодва транзістара выключаны, ток будзе паступаць праз выхад, а не па транзістарах. Такім чынам, вывад "1".
  2. Калі толькі "b" мае станоўчае напружанне, ток ад 5V па-ранейшаму не можа прайсці транзістары, але выхад будзе мець ток. Такім чынам, выхад усё яшчэ "1".
  3. Калі "a" мае станоўчае напружанне, ток будзе праходзіць першы транзістар, але не другі. Але ўсё яшчэ ёсць станоўчае напружанне на выхадзе, інакш кажучы, гэта ўсё яшчэ "1".
  4. Калі і "a", і "b" маюць станоўчыя напружання, ток будзе паступаць прама ўніз транзістара, таму на гэты раз выход будзе "0".

Такім чынам, калі мы абагульнім вышэйзгаданыя пункты ў 1s і 0s, то атрымаем наступную табліцу праўды для NAND gate.

Табліца праўды для варот NAND

Вароты NAND звычайна прадстаўлены наступным сімвалам.

Такім чынам, гэта ўсё, што нам трэба. Падключыце 4 гэтыя вароты NAND у пэўным фармаце, як на наступным малюнку, і ў нас будзе 1 біт памяці. (Заўвага: наступная інфармацыя, якую я сабраў, - гэта цудоўная кніга пад назвай "Але, як гэта ведаць", напісаная Дж. Кларкам Скотам. Калі вы хочаце ведаць больш, перачытайце гэтую кнігу.)

Крыніца

Вярнуцца да тэмы. Зараз паглядзім, як мы можам выкарыстоўваць гэта для мадэлявання 1 біта памяці.

я - біт ўводу, які мы хочам запомніць

o - выхад крыху, які запомніўся

s - Увод, які паведамляе вароты, калі трэба ўсталяваць памяць

Тут трэба вывучыць чатыры сітуацыі. Я скапіраваў адно і тое ж малюнак у кожны раздзел, каб вам было лёгка зразумець логіку.

Калі s - on з i - off [Што такое выхад?]

Трохі стану ў кожнай браме,

Брама 1: s (1) i (0) - - - - - - - a (1) - далей

Брама 2: a (1) s (1) - - - - - - - b (0) - off

Вароты 4: b (0) - - - - - - - - - c (1) [паколькі адзін з уваходаў у вароты 4 роўны 0, у адпаведнасці з табліцай праўды NAND мы ведаем, што выхад у c будзе 1]

Вароты 3: c (1) a (1) - - - - - - - o (0) - off

Брама 4: o (0) - - - - - - - - - c (1) - па-ранейшаму

Адказ: s - уключаны, i - off, выход - off

Калі 's' уключаны, вывад будзе такім жа, як 'i'.

Калі s - на з i - на [што такое выхад?]

Трохі стану ў кожнай браме,

Брама 1: s (1) i (1) - - - - - - - a (0) - off

Брама 2: a (0) s (1) - - - - - - - b (1) - далей

Вароты 3: a (0) - - - - - - - - - o (1) [паколькі адзін з уваходных крыніц 3 роўны 0, у адпаведнасці з табліцай праўды NAND незалежна ад таго, які будзе другі выхад на o. 1]

Брама 4: o (1) b (1) - - - - - - - c (0) - выключана

Вароты 3: c (0) - - - - - - - - - 0 (1) - па-ранейшаму

Адказ: s - далей, i - далей, выхад - далей

Калі 's' уключаны, вывад будзе такім жа, як 'i'.

Калі s - off [што такое выхад?]

Незалежна ад таго, што "я", "a" будзе ўключана, бо "s" выключана.

Брама 1: s (0) - - - - - - - - - a (1) - далей

Брама 2: a (1) s (0) - - - - - - - b (1) - далей

Зараз "а" і "б" абодва, і што будзе з выхадам? Зараз, каб знайсці "о", мы павінны разгледзець сітуацыю, перш чым "s" выключылі.

Калі "i" і "o" абодва былі ўключаныя, перш чым "s" адключылі, уключаецца "o". Як?

Вароты 3 мелі (0) c (0) - улічваючы папярэднюю сітуацыю "o" як далей

Вароты 4 мелі b (1) o (1) - улічваючы, што c выключана

Такім чынам, калі s (o) для 'b' павінна быць '1' → 'a', павінна быць '1' '

але ўсё яшчэ "c" - "0", таму на варотах 3 → a (1) c (0) - - - - - - - o (1)

Калі "i" і "o" абодва былі выключаны да таго, як 's' быў адключаны, 'o' выключана. Як?

Вароты 3 мелі (1) c (1) - разглядаючы папярэднюю сітуацыю "o" як выключаную

Вароты 4 мелі b (0) o (0) - улічваючы, што c знаходзіцца на

Так што "о" застаецца прэч.

Адказ: калі 's' выключана, выхад застаецца такім, якім ён быў, і «i» не закране.

Выснова

Дзеля прастаты, давайце прадставім гэтыя 4 вароты NAND у наступным знаку. Гэта насамрэч наша памяць.

Крыніца

У нас ёсць уваход (i), кантролер (ы) і выхад (o).

Мы бачылі, калі "s" уключана, "o" робіць тое, што "я" робіць. Калі 's' выключана, 'o' застаецца такім, як было раней, чым 's' сышло. Такім чынам, калі 's' выключана, нават калі 'i' змяняецца, 'o' застаецца пастаўленым. І менавіта так мы можам захаваць крыху статус, які быў усталяваны ў нейкі момант часу.

Такім чынам, што канкрэтна знаходзіцца ў памяці 1 біт? Са слоў Дж. Кларка Скота,

Трохі проста месца. Гэта не што іншае, як уключэнне або выключэнне электрычнасці. Калі ў гэтым месцы няма электрычнасці, то трохі выключаецца. Калі электрычнасць прысутнічае, то трохі ўключаецца. Такім чынам, адзінае, пра што можа запомніць кампутар, - уключаны ці выключаны біт.

Цяпер вы бачыце, чаму людзі часта кажуць, што кампутары могуць разумець толькі 1s і 0s [1 - on, 0 - off].

У гэтым загадка "1 біт". Спадзяюся, вам спадабалася!

Рэзюмэ

Крэмній → допінг → дыёды → транзістары → брама → біты

Заўвага: Калі вы зацікаўлены ў тым, каб мадэляваць працэсарны ўзровень на працэсары, праверце гэта. Ніжэй прыведзена толькі нерухомае малюнак гэтага, вы можаце паспрабаваць сапраўднае мадэляванне, вынікаючы гэтым URL. Але будзьце асцярожныя, хоць ядуць шмат памяці.

http://visual6502.org/JSSim/index.html

Літаратура

  • http://www.buthowdoitknow.com/
  • https://www.amazon.com/But-How-Know-Principles-Computers/dp/0615303765
  • https://www.youtube.com/watch?v=OwS9aTE2Go4
  • https://www.youtube.com/watch?v=95kv5BF2Z9E
  • https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4
  • http://www.rsc.org/periodic-table/element/14/silicon
  • https://www.science.org.au/curious/technology-future/solar-pv