Tranzistordan kompüterə gedən yol — 1-ci hissə
Hər bir rəqəmsal cihaz, istər personal kompüter olsun, istər smartfon olsun, istərsə də router informasiyanı saxlayan və emal edən çiplər əsasında qurulmuşdur. Baxmayaraq ki, bu çiplər müxtəlif formalarda olur, hamısının əsasında eyni elementar məntiq qapıları durur. Bu məntiq qapıları müxtəlif cür və müxtəlif komponentlərdən istehsal olunsalar da, onların iş prinsipləri bütün növ kompüterlərdə eynidir. Bu məqalələr seriyasında primitiv məntiq qapılarından ən vacibi — nand qapısı və ondan kompüterin necə düzəldilməsi prosesini addım-addım izah edəcəm.
Kompüterlərin anladığı yeganə dil ikili say sistemi olduğundan biz elə rəqəmsal sistem dizayn etməliyik ki, kompüterlə danışa bilək. İkili say sistemi 1 və 0-lardan ibarət say sistemidir ki, bununla həm də Bul cəbri(Boolean algebra) əməliyyatlarını etmək mümkündür. Elektrikə aid iki ən vacib göstərici gərginlik və cərəyandır. Gərginlik elektrik yüklərinin iş görmə potensialıdır. 1 və 0-ları maşın dilində ifadə etmək üçün yüksək və alçaq gərginlikdən istifadə olunur. Yüksək gərginlik adətən 2–5 volt arası olur ki, buna da yüksək məntiq səviyyəsi deyilir. Alçaq gərginlik isə 0–0.8 volt arası olur ki, buna da alçaq məntiq səviyyəsi deyilir. Bu o deməkdir ki, 2–5 volt arası olan gərginlik məntiq qapısının girişinə daxil olduqda o 1 məntiqi vəziyyəti kimi qəbul olunur, 0–0.8 volt arası gərginlik isə 0 məntiqi vəziyyəti kimi qəbul olunur.
Məntiq qapılarını müxtəlif cür qurmaq mümkündür. Adi elektrik açarları, relelər, vakkuum lampları, diodlar və tranzistorlar məntiq qapılarının qurulması üçün istifadə oluna bilər. 2-ci dünya müharibəsinə qədər olan dövrdə kompüterlər çox primitiv əməliyyatlarda istifadə olunurdu və çox az hesablama gücü var idi. Müharibə vaxtı hesablama əməliyyatlarına tələbat artdığı üçün müxtəlif kompenentlər vasitəsiylə məntiq qapılarının qurulması təcrübədən keçirildi. 1947-ci ildə ABŞ-da Bell laboratoriyasında ilk dəfə tranzistor ixtira olundu. Bu ixtiradan qısa müddət sonra kompüterlərdə rele və lampalar tranzistorlarla əvəz olundu. Tranzistora aid ikinci böyük ixtira yenə də Bell laboratoriyasında 1960-cı ildə oldu. Kəşf olunan yeni növ tranzistor MOSFET olaraq adlandırıldı. MOSFET tranzistoru əvvəlkindən fərqli olaraq elektrik cərəyanı yox, elektrik gərginliyi vasitəsiylə açılır və müasir rəqəmsal elektronika məhz MOSFET əsasında qurulur.
MOSFET tranzistoru necə işləyir? Bu tip tranzistorun 2 növü vardır: n-tip və p-tip MOSFET. N-tip MOSFET-də mənbə torpaqlanır(grounda qoşulur), axım ucu isə yükə birləşdirilir, tranzistor qapıya pozitiv gərginlik verildikdə açılır, yəni mənbə-axım arasında elektrik cərəyanı olur. P-tip MOSFET-də isə mənbə pozitiv gərginliyə birləşdirilir, tranzistor qapısı o vaxt açılır ki, qapıdakı gərginlik mənbədəki gərginlikdən az olsun. N-tip MOSFET-lə işləmək asandır, istehsalı və istifadəsi ucuz başa gəlir.
Məntiq qapılarının qurulmasında p və n-tip MOSFET-lər birgə istifadə olunur və CMOS(complementary metal–oxide–semiconductor-tamamlayıcı metal oksid yarımkeçirici) adlanır. CMOS texnologiyası inteqrə olunmuş sxemlərin, mikroprosessorların, mikrokontrollerlərin, yaddaş çiplərinin və digər rəqəmsal dövrələrin istehsalında istifadə olunur və TTL(transistor-transistor logic) texnologiyasını sıradan çıxarmışdır.
Sadə NOT qapısı misalında CMOS texnologiyasının istifadəsinə baxaq.
Yuxarıdakı şəkildə 2 MOSFET-in ardıcıl birləşdirildiyini görürük. Yuxarıdakı p-tip, aşağıdakı n-tipdir. A siqnalı hər iki tranzistorun qapısına daxil olur, amma n-tip tranzisotu açsa da, p-tip tranzistoru açmır. Əgər A siqnalı yüksək məntiq səviyyəyi(1) olsa bu zaman yuxarıdakı tranzistor bağlı qalacaq, aşağıdakı isə açılacaq. Cərəyanın Vdd-dən axması üçün yol olmadığından(yuxarıdakı tranzistor bağlıdır, aşağıdakının bu halda açıq olmasının əhəmiyyəti yoxdur.) Q çıxışına siqnal getmir, dolayısıyla, A siqnalının əksini Q çıxışında almış olduq. Əgər A siqnalı alçaq məntiq səviyyəsi(0) olsaydı bu zaman yuxarıdakı tranzistor açılacaq, aşağıdakı bağlı qalacaq, cərəyanın Vdd-dın Q-yə axmasına yol olacaqdı. A-da olan 0 Q-də 1 olacaq inverslənəcəkdi. NOT qapısı MOSFET-lə qurulan ən sadə məntiq qapısıdır.
Növbəti vacib addım NAND qapısının qurulmasıdır. NAND qapısı elə universal qapıdır ki, onunla yerdə qalan 6 məntiq qapısının(NOR, AND, OR, XOR, NOR, XNOR) hamısını qurmaq mümkündür.
Vdd pozitiv gərginlik səviyyəsi, Vss ground, A və B giriş siqnalları, O isə çıxış siqnalıdır. NAND qapısının məntiq cədvəlinə baxdıqda görürük ki, A və B siqnalları 1 olduqda O 0 alınır, qalan bütün kombinasiyalarda O çıxışı 1 alınır. A və B hər ikisi 1 olduqda yuxarıdakı p-tip MOSFET-lər açılmır, aşağıdakı n-tip MOSFET-lər açıldığı üçün A və B-dən gələn cərəyan grounda axır, O çıxışı isə sıfır olaraq qalır. A 0, B 1 olduğu halda yuxarıdakı A siqnalı girən tranzistor açılır, aşağıdakı A siqnalı girən tranzistor bağlı qalır, ona görə də Vdd-dən axan cərəyan A siqnalı girən yuxarıdakı tranzistordan axıb grounda gedən yol bağlı olduğu üçün O çıxışına axır.
NAND qapısından sonra növbəti addım NOT qapısının qurulmasıdır. Əgər NAND qapısının hər iki girişinə eyni siqnalı versək çıxışda inverslənmiş siqnal alacağıq.
Hər növbəti addımı əlimizdə olan komponentlərlə quracağıq. Hazırda NAND və NOT qapılarımız var. Növbəti addım olan AND qapısını aşağıdakı kimi qura bilərik.
NAND, NOT, AND qapılarımız var. OR məntiq qapısı aşağıdakı sxemlə olacaq.
XOR qapısı aşağıdakı sxemlə olacaq.
Növbəti addım yarım və tam cəmləyicilərdir. Yuxarıdakı qapıların köməyi ilə həmin sxemləri seriyanın ikinci məqaləsində quracağam.
