天道酬勤,学无止境

CPU的各个部分是如何通过电子元器件实现的

在前面的课程中,我们大致的了解了CPU的组成,了解了CPU的运算器和控制器是一个怎样的组成结构,主要作用是什么,那么我们在第8小节里面会将,CPU的运算器和控制,是如何通过电子元器件来实现的,或者说电子元器件到底是怎么构建出cpu芯片的。。

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1 从三极管到计算机

我们通过下面这张图就能大概的知道,三极管是如何一步一步的构建出我们的计算机的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)三极管

因为三极管内部的工作原理就是模拟的,所以三级管属于《模拟电路》这部分课程的内容。

 

2)门电路,时序电路,触发器,组合电路

这些由是由三极管所构建的数字电路的,这些电路的工作原理属于《数字电路》这门课程的内容。

 

3)集成电路

属于微电子主要研究的是,研究如何将门电路,时序电路,触发器,组合电路等数字电路集成到芯片中。

4)计算机

设计原理图,绘制PCB板,通过PCB板,将各种集成芯片,比如CPU、内存颗粒、显卡等等,以及各种电阻、电容、电感等连接在一起,构成计算机的电路板,属于电子的内容。

 

当然除了以上这些外,还有计算机外壳的设计,这些是属于产品结构工程师要做的事情。

 

8.2 三极管

8.2.1 符号与实物图

 

 

 

 

 

 

我们在硬件基础知识部分就讲过,三极管属于半导体电子元器件。

 

8.2.2 三极管的功能

1)三级管的基本功能

1)基本功能

a)通过向1端输入一个微小的电流,

·可以控制2和3之间导通与关闭

 

·2与3之间导通之后,2和3端流通的电流会比1端电流大,相当于1段电流相当于被放大了,而且这种放大成一定的倍数。

实际上1端输入的微小电流也会进入3端,也就是说3端的电流=1端微小电流+2端电流,但是由于1端输入的电流太小了,可以忽略不急,因此我们认为2端和3端电流是一样的

 

b)与三级管工作原理相似的例子:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上面这张小水流控制大水流的示意图,与三极管工作的逻辑非常相似,小水流大小会通过杠杆控制大水流管的开关幅度,从而实现了以小空大,同样有两方面的功能,一个是控制控制大水管开与关,二是水流可以被放大。

 

2)三极管的使用有两个方向

1)侧重使用电流放大功能

2)是侧重使用其开关功能(即用于设计二进制数字电路)。

 

 

2)电流放大功能

1)侧重关心电流的放大

使用电流放大功能时,并不是说三极管就没有开关功能,只是使用者着重关心的是电流的放大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

使用电流放大功能时,着重关心的是2和3导通后对1端输入电流的放大(电流不可能被无限制放大)。如果1端输入的电流增加或者减少,那么2 3之间的的电流会按照某个倍数同步的增加或者同步减少,至于放大倍数是多少,就需要查看《模拟电路》这本书里面的内容了。

 

 

 

 

 

2)电流放大的用途

a)目的:驱动加大需要大电流的设备工作

当我们希望用某电流控制电子设备工作,但是这个这种控制型的电流一般都是芯片发出的,一般情况下电流都非常的小,根本无法正常驱动设备工作,这个时候就可以使用这个放大功能,让放大后的电流去驱动外部设备工作。

 

b)例子:驱动蜂鸣器的例子

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

比如这张图里面,芯片IO口输出的电流太小,无法驱动蜂鸣器,这个时候通过控制一个三极管,三极管导通后,5V的电压加在蜂鸣器两端,会产生一个大很多的电流,这个电流就可以驱动蜂鸣器。

 

3)开关功能

1)开关功能侧重点:开与关

开关作用就是,侧重关心2 3之间的导通与关闭(即开与关),尽管电流还是有被放大的话,但是并不关心2与3之间对于1端输入的电流放大了多少,重点只关心三极管的开与关。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在上面这张图中,在5V电源与2端之间接一个电阻R1,在3端和地之间接一个电阻R2,这样子就能控制控制3端的输出电压了,提供高低电平的输出,用于表示二进制要求的1/0。

 

a)开三极管

通过1端把三极管打开后,2和3之间就看成是一根导线(实际上2和3之间也是分走一点电压的),假设流通的电压为I,那么

5V = R1*I + R2*I

 

总电压等于两个电阻电压之和,5V分摊在了R1和R2上,只要R1和R2的电阻值选取合适,我们就能够将R2电阻两端的电压控制在2.5v~5v之间,也就是说三极管3端输出的电位为2.5v~5v,也就是说输出了高电平。

 

 

b)关三极管

1端不再输入电流时三极管就被关闭,2与3端没有导通电流,在电阻两端没有电压,此时输出电平就为低电平,即0v。

 

2)开关功能的用途

通过控制三极管的开关功能,就能控制输出高低电平,三极管就表现出了开关特性,因为这个开关特性备用于设计数字电路,因此三极管便成为了数字电路的基石,在前面的课程中我们也讲过,现在在集成电路中大多已经使用MOS管了,MOS管和三极管在内部机构上虽然不同,但是在外部特性上的表现差不多,因此在集成电路中,mos管才被用于代替三极管,因为MOS管的体积更小,有利于提高集成密度。

 

8.2.3 三极管的分类

三极管分为两种,这两种因为内部结构的不同,一种叫PNP,一种叫做NPN,三极管符号如下:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前面为了讲课的方便,我们将三极管的三端标记为1段、2端、3端,实际上这三端都有对应的名称,分别叫叫基极(符号B),集电极(符号C),发射极(符号E)。这两种不同的三极管的实物外形没有什么不同,只能通过标记的NPN或者PNP来区别,由于篇幅关系,这里不在详述有关这来那个之间的具体区别。

 

8.2.4 三极管知识掌握深度把握

1)it开发者

对于偏向编程的it开发工程师来说,对于三级管的理解到这个层次就已经可以了,我们只需要关心三级管在宏观上所表现出来的特性即可。

 

(2)微电子和硬件工程师

要求对三极管的特性,比如内部结构、电压电流关系非常清楚。

 

我们这里的课程是程是体系结构介绍性质的课程,进行了严格的深度控制,只讲我们这堂课所应该要设计的内容和深度,如果你确实对三极管的更多深入知识感兴趣的话,我们会在后面的模拟电子这门课中,详细讲解三极管的内部原理等知识。


作者:佳嵌工作室

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    针对电机控制、微网控制等应用,各大芯片厂商不仅生产了各种芯片和功率器件,还提供了一套完成的解决方案。这些解决方案包含了相关控制算法的程序、硬件设计方案和上位机调试工具。一般使用厂商提供的算法程序时,需要使用相应厂商的芯片,部分厂商提供的是开源的类库(就是直接给代码了)或开放的算法方案(比如告诉你具体的公式),可以直接移植到开发者所想使用的芯片上。 ST解决方案 ST为电机控制应用设计了FOC库,目前已经到了5.x系列版本,并且在5.x系列开始完全开源,当然了开源代码的获取需要用企业邮箱或者教育邮箱才能申请得到。此前的版本开放了各种算法,但是无位置控制算法和弱磁等控制策略是闭源的。 无位置传感器算法上,在低速情况下,早期版本,ST采用I/F开环启动,4系列版本之后已经加入了高频注入法作为启动方式。初期版本的开环到闭环的切换策略是直接强行切换,3系列版本之后改为了加权角度切换。在中高速阶段采用了龙伯格观测器法,通过观测到的反电动势,用PLL或者cordic算法,来计算出最终的角度和速度。当然,FOC库也包含了霍尔传感器和编码器等驱动程序。 此外,库函数包含了前馈解耦的PI控制器、分段PI控制,并且含有弱磁和MTPA的模块。FOC库包含了单电阻采样法、三电阻采样法和隔离霍尔传感器驱动程序。底层驱动是以库函数形式操作为主,从以前的标准外设库(SPL库)转为了现在的HAL库和LL库
  • IDC机房专业除尘技术详解
    概要 机房是每个单位的核心服务器的正常运行也是企业正常业务系统保障。在国内我们的机房环境灰尘、静电、空气环境等都没有重视过往往被我们自己忽视。到底机房环境的指标到底是什么如何改善机房环境的 第一章【灰尘】是影响机房环境的最大敌人 灰尘对网络设备的影响主要表现在以下几个方面在国家标准《计算机场地要求》中对其洁净度提出了如下的要求见下表 国家标准洁净度的要求项目A级B级C级粒度(um)≧0.5≧0.5≧0.5粒数(粒/L)≦3500≦10000≦18000 1灰尘会增加触电的接触阻抗造成键盘等器件不能正常的输入操作2灰尘吸附在磁盘表面会引起磁头的磨损导致数据丢失甚至会损坏磁盘3灰尘容易吸附在集成电路及电子元器件表面一方面会使电子元器件的散热能力下降另一方面由于灰尘吸潮电子元器件会因潮湿而发生腐蚀。 1.1机房内灰尘的产生①新风系统在给机房内输送新鲜空气时过滤装置精度不足使灰尘进入机房内。②工作人员进入机房时从外界带入灰尘。③工作人员在机房内工作时产生尘埃。④设备的移动、更换、搬运、维修、维护产生的灰尘。⑤机房围护结构不严实灰尘通过缝隙进入。 ⑥机房的墙壁、顶棚、地面等部位起尘涂层脱落产生灰尘。 1.2机房内灰尘防护 ①在机房的入口安装风路通道。②机房装修材料采用不吸尘、不发尘的环保材料。③对机房围护结构严格处理。④使设备的发尘量减少到最小。⑤新风系统送入机房内时进行高效或亚高效过滤
  • 毕设:基于FPGA的FIR数字滤波器设计
    今天给大侠带来在毕业设计之基于FPGA的FIR数字滤波器设计,仅供大侠参考,话不多说,上货。 本篇介绍基于FPGA的FIR数字滤波器设计,针对毕业设计要做的基本工作有如下几点: (一)掌握有限冲击响应FIR(Finite Impulse Response, FIR)的基本结构,研究现有的实现方法,对各种方案和步骤进行比较和论证分析,然后针对目前FIR数字滤波器需要的特点,速度快和硬件规模小,作为指导思想进行设计计算。 (二)基于硬件FPGA的特点,利用Matlab软件以及窗函数法设计滤波器。对整个FPGA元件,计划采用模块化、层次化设计思想,从而对各个部分功能进行更为详细的理解和分工设计,最终FIR数字滤波器的设计语言选择 Verilog HDL硬件编程语言。 (三)设计中的软件仿真使用开发软件Quartus II,并且利用Matlab工具进行对比仿真,在仿真的过程中,对比证明,本设计的滤波器的技术指标已经全部达标。 目 录 1 绪 论 1.1 本课题研究意义 1.2 国内外研究现状分析 1.3 研究思路 1.4 相关概念说明 2 FIR数字滤波器的设计方法 2.1 理论部分 2.1.1 引言 2.1.2 FIR数字滤波器的基础 2.1.3 数字滤波器的设计原理 2.1.4 FIR数字滤波器的理论计算方式与参数转换思想 2.1.5 Matlab直接FDAtool设计方式解析 2.1
  • 聊一聊磁珠在电路中的作用
    EMI问题属于电子产品设计中最值得关注的问题之一。上一篇讲的是共模电感在电路设计中解决EMI问题的应用场景及工作原理。当然除了共模电感以外,还有很多器件会运用到电路中来解决EMI的问题。其中磁珠就是属于一项。 简介 磁珠属于EMI静噪元器件。在电路中起到了消除干扰噪声的作用。其等效于电阻电感电容串并联在电路中。其表现出的阻抗特性也会随着电路中工作频率的变化而变化。 功能 前面也说了磁珠属于EMI静噪元器件。从大的方面说是消除干扰噪声的作用。但是细说的话,其还是主要用于消除信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,同时还具备吸收静电脉冲的能力。 例如,RF能量是叠加在直流信号上的交流成分。然而直流成分是属于有用的部分,而RF能量属于干扰的部分。他会沿着线路向外辐射,对其他电子器件产生影响。此时,我们加入磁珠,会对电路产生的噪声改善很多。其中的作用就是消除信号线上的高频噪声干扰。 领域 就小编所从事的手机/平板领域来说,其主要应用于例如一些器件的电源输入端口,Camera电路方面的主时钟部分以及一些RF电路中。 磁珠等效模型 R1为磁心损耗 阻抗为R1 R2为线圈阻抗 阻抗为R2 L1磁珠有线圈存在电感 阻抗为jwL C1为线圈与线圈之间存在寄生电容 阻抗为1/jwc 所以总阻抗可以用Z=R+jX来代表 其中R为实部,jX为虚部。 因此也就有了下面图中的三条曲线
  • 模拟电路与数字电路基础知识及实训QY-DG760A
    模拟电路 1.有源滤波器和无源滤波器的区别 无源滤波器:这种电路主要有无源元件R、L和C组成 有源滤波器:集成运放和R、C组成。具有不用电感、体积小、重量轻等优点。 集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 2.带负载能力 把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。对于不同的负载,电路输出特性(输出电压,输出电流)几乎不受影响,不会因为负载的剧烈变化而变,这就是所谓的带载能力 3.输入电阻和输出电阻 在独立源不作用(电压源短路,电流源开路)的情况下,由端口看入,电路可用一个电阻元件来等效。这个等效电阻称为该电路的输入电阻。从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻Ro。 4.差模信号、共模信号 两个大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号。差动放大电路输入差模信号(uil =-ui2)时,称为差模输入。两个大小相等、极性相同的一对信号称为共模信号。差动放大电路输入共模信号(uil =ui2)时,称为共模输入。在差动放大器中,有用信号以差模形式输入,干扰信号用共模形式输入,那么干扰信号将被抑制的很小。 5.阻抗匹配 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。 低频:当负载电阻跟信号源内阻相等时