МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К ЭЛЕКТИВНОМУ КУРСУ:

«ЧЕЛОВЕК. ФИЗИКА. КОМПЬЮТЕР»

Автор:         Дьяков В.Н. учитель физики гимназии им. А.М.Горького

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

     Как известно,  естественно-математические науки – плод символов и логики. Это положение долгое время было «сильной»  стороной научного метода. Ведь моделировать мир, гораздо проще, чем рассматривать его во всей сложности связей. Но  научный метод претерпел значительные изменения, с возникновение квантовой физики и достижениями молекулярной биологии. Проблемы этих двух направлений науки, имеют отношение к сознанию, «функционированию» человеческого мозга. В конечном счёте, человек станет, как это часто было в истории, главной «целью» исследований. Если раньше вопрос «человека» можно было отдать на откуп только философии, то с современным развитием науки – это было бы, слишком расточительным.

    Следовательно, тенденцией науки XXI века, является гуманизация и гуманатаризация наук естественно-математического цикла.

Данный элективный курс «Человек. Физика. Компьютер», является начальным звеном, в попытке комплексного представления феномена человека; и базируется на «мягко переплетающемся параллелизме» философии, науки и техники. Чтобы пояснить термин «мягко», поясним, что бы значило – «твёрдо» – это когда уже невозможно понять, где кончается наука и начинается философия, и наоборот.

   Кроме мировоззренческих вопросов, рассмотрены некоторые применения деталей электроники, известных из школьного курса, в применении к компьютеру, и поставлены вопросы для дальнейшего изучения.

I. Философское осмысление проблемы.

Разговор о человеке, машине и мире в котором мы живём.                                                                      

Виды машин. Ценность человека и ценность машины. История человечества и история машин. Часы – новый вид машины. «Что считать? или зачем считать?».  Машины и мораль (наука и мораль).                                                                  

При всём своём кажущемся великолепии,

                                                                          компьютер обладает, по существу, одним

                                                                        единственным талантом – реагировать с

                                                                       молниеносной быстротой на импульсы

                                                                     электрического напряжения.

             Для нашего века характерно то, что многие люди связывают себя с машинами сильными эмоциональными узами, а эти «узы» изменяют основу его эмоционального отношения к себе.  В этом нет ничего удивительного. Инструменты, которыми пользуется человек,  становятся в конце концов «продолжениями» его тела.

В психологии есть понятие интериоризаци,  которое означает формирование двигательных навыков и умственных действий в процессе «освоения» предметов внешнего мира. Другими словами машина (предмет труда), изначально изобретённая человеком, начинает «формировать» самого человека.

        Есть машины, увеличивающие силу мускулов человека. Компьютер к ним не относится – это машина информационная. У человека есть интеллектуальные, познавательные и аффективные функции. В отношении «подобия» данных функций, компьютер «ближе» к человеку, чем машины, просто увеличивающие его мощь. Поэтому человек находит уместным вкладывать свои наиболее интимные чувства в вычислительную машину.

Познавая мир, человек наполняет его смыслом. Но, учитывая то, что вся среда обитания человека насыщена сейчас сложными техническими устройствами, существует опасность узурпации техникой способности человека действовать в качестве независимой силы.

      Положение усугубляется тем, что со времён Ньютона сам мир рассматривается как машина, и альтернативные взгляды популяризуются крайне мало.

      Человек всё больше и больше полагается на машины. В результате падает его независимая самооценка (при этом «самомнение», в контексте пользования машинами, может возрастать), а вместе с этим ценность человека как такового. Необходимо осмыслить слепую веру в «машинность».  Кроме философии, психологии, антропологии, культурологии и других дисциплин, в это мероприятие может внести вклад и одна из главных «виновниц» проблемы – физика. Так как именно физика может объяснить, что эти машины делают, и даже как они делают то, что они делают, создать какую-то концепцию их внутренней «сущности».

      Конечно, объяснение только физики работы компьютера, далеко не исчерпает вопроса его «сущности». Ведь, в конечном счёте, это вопрос о том, можно ли любые аспекты человеческой мысли логически формализовать или, переходя на современный язык, является ли человеческая мысль полностью вычислимой.

     Чтобы не признать человека часовым механизмом, необходимо провести линию, разделяющую интеллект человека и функционирование машины.

      Чаще всего мы рассматриваем историю как борьбу человеческих страстей. И забываем, что это и история машин. Машина, созданная человеком, в свою очередь, является инструментом педагогики. Она, помимо своих основных функций, принимает участие в формировании общества. Эта взаимозависимость заставляет более почтенно и более осторожно относиться к миру техники. Мир техники, как и весь мир – это «конструкция» нашего субъективизма, это мы сами.

     Множество машин дали человеку власть над миром. Они увеличили силу его мышц, сделали его более зорким и чувствительным, позволили перемещаться с невиданной ранее скоростью, «вынырнуть» из океана атмосферы. Но особая машина не имеет отношения к перечисленным «заслугам». Это часы. Часы не вырабатывают энергию, они, как и компьютер – информативная машина.

Результат их работы – часы, минуты, секунды. На протяжении столетий часы постоянно усложнялись и уточнялись: от средневековых башенных, отбивавших только часы, до современных атомных. Фактически, с появление часов сформировалось новое сознание. Абстрактная модель солнечной системы стала определять деятельность человека. Человек больше не смотрел на небо и не слушал пение петуха. Человек стал жить по сигналу машины (часов). Этот отказ от непосредственных ощущений – одна из основных черт современной науки. Апофеоз науки: «Не важно, что чувствует учёный важно то, что показывают приборы». Измерительные приборы, как и часы, стали связующим звеном между человеком и природой. Огромную роль стала играть возможность перевода наблюдений в цифровую форму. Постепенно эта возможность приобрела статус обязательности. Здравый смысл был настолько очарован числом, что всё не представленное числом, стало терять статус истины.

       И, наконец, культура, сформированная таким образом, родила вычислительную машину.

                                                      «Каждый мыслитель, разрушает определенную

                                                       часть внешне стабильного мира, и никто не мо-

                                                      жет предсказать, что возникнет на этом мес-

                                                      те»

                                                                                                                     Джон Дьюи

        Когда–то часы, как и сейчас компьютеры, считались только символом просвещённости, достатка. Никто  не думал о том, что они «научно» ориентируют человеческое общество, а мы, люди, станем «строить» свой день по показаниям циферблата. Каким окажется влияние компьютеризации? Может быть, повторение истории окажется фарсом, или трагедией? И в тоже время история не переписывается. Компьютеры – неизбежность. Поэтому нужно быть не только «пользователем», но и «аналитиком».

       Часы близки нашему сознанию, ведь, в сущности, они представляют собой модели планетной системы. Понятны они и по системе функционирования, т.к. могут быть реализованы на принципах только механики, включая небесную.  Понимание действия современные виды часов, созданных на принципах микрофизики явлений, требует гораздо больших областей  знания, чем только механика.  Но результат использования часов не изменился – мы узнаём время. Важно понять, что усиление конкретного метода ничего не вносит в его обоснованность.

       Компьютер может гораздо более детально осуществить рутинные операции над символами при составлении гороскопа, чем это обычно делает астролог-человек. Но, если астрология бессмысленна, то машинизированная астрология тем более бессмысленна.   Значит, подобное улучшение в методе составления гороскопов не имеет, однако, никакого отношения к обоснованности астрологических предсказаний.

       Напрашивается парадоксальный вывод  о том, что может случиться так, что усиление метода выявит его слабости и недостатки. Наращивание мощности компьютеризации, требует от программистов аккуратности мышления, и, в тоже время, человечество часто отмахивается от неаккуратности мышления в плане использования программ.

         В ХХ в. изобретено значительное число орудий труда, которые действительно расширили область деятельности общества. Автомобиль и автострада, радио и телевидение, современные медикаменты я методы хирургического вмешательства — это мгновенно приходит в голову. Эти достижения позволили людям осуществлять такие виды деятельности, которые прежде не были возможны. Гораздо реже говорится о том, что созданные обществом новые способы действий часто исключает вообще возможность использования старых способов  («спички – огниво», самое простое). Вместе с исключением способов действий, исключаются из человеческого словаря и  слова, обозначающие эти действия. Аналогично и способы достижения цели, гигантски нагромождаясь, подменяют собою цель.

Цель, под натиском успехов средств, просто забывается.

Говоря о цели, я говорю о ценности, имя которой Человек.

       Заселявшие ваш мир машины больше не представляют собой исключительно или в основном лязгающих монстров, шум движения частей которых определяет их «машинность».

Эти «машинные» машины  — просто подмножества законов физики. Компьютеры – «немашинные» машины. Они преобразовывают и передают не энергию, а информацию.

Но в обществе уже сложилось мнение о машине (не важно связана эта машина с физическим движением или нет), как олицетворению регулярности, «неподкупности», законности.  Такое мнение было «не страшным» по отношению к «энергетическим» машинам, но «информационные» машины могут представлять опасность.  Назовём некоторые такого рода опасности:

· машины настолько проникли в мир человека, что мы перестали задавать вопрос : «А что это такое?». Вместо этого мы говорим: «А как этим пользоваться?». Это совсем не равнозначные вопросы. Например, по поводу облака строго квадратной формы, мы бы обязательно спросили: «А что это такое?», вместо: «А как этим пользоваться?»;

· развивая эту тему, неизбежно приходишь к выводу, что язык машинного века изменяет и этику людей, и не всегда в «человеческом» аспекте. Так, в сущности, «машинное» – «заниматься любовью», такой же «монстр», как «заниматься совестью»;

· опасность всегдашней «правоты» результатов машины, как олицетворению «логичности мышления».

Разговор о компьютерах начнём с «железа», элементарных деталей – резисторов и конденсаторов.

II. Резисторы и конденсаторы: 

Резисторы как источники напряжения. Конденсаторы как распределители времени подачи сигнала.

Резисторы как источники напряжения.

         Попробуем подойти к пониманию функционирования некоторых частей компьютера, с позиций элементарных составляющих деталей электроники. А заодно и «передохнём» от философии.

Часто приходится слышать от учащихся: «А для чего нужны резисторы?» Психологически понятие «сопротивления» – не так уж и хорошо. И если  в младших классах не подчёркивалась польза трения, то учащиеся пребывают в бытовом понимании данного слова, т.е.  по преимуществу – негативном. Понятие электрического сопротивления – «последний шанс» показать учащимся, что «опираться можно только на то, что сопротивляется».

«Оказывать сопротивление электрическому току — это не так уж плохо». Доказать это утверждение эффективнее и проще всего с помощью делителя напряжения.

Условимся, что электрическая батарея Б вырабатывает постоянное напряжение,  равное 5В. Резистор R1 подключен к положительному полюсу батареи в точке а и отрицательному в точке б.

Так как к этой батарее, кроме резистора А1, ничего больше не подключено, то резистор принимает на себя все напряжение этой батареи.

Включим вместо одного резистора пять одинаковых резисторов, соединенных последовательно.

Так как резисторы одинаковые, то напряжение теперь уже падает не на одном резисторе, а распределяется поровну на все пять соединенных последовательно резисторов – каждому по 1В.

«Поровну» хорошо, но идеально, чтобы «вписаться»  в реальную жизнь. Собственно,  «равенство» достаточно драматично, т.к. перекликается с проблемой части благ, получаемой индивидом.

Преобразуем схему еще раз. Сделаем так, чтобы появились выводы к точкам А1, А2, АЗ,

А4, А5, B1

У нас получился так называемый делитель напряжения — устройство, способное выделять из первоначальных 5 В, вырабатываемых батареей Б, любое напряжение от 0 до 5 В.

Теперь понятно, что способность оказывать сопротивление электрическому току не такая уж плохая вещь. С ее помощью можно устраивать делители напряжения и получать необходимые для работы различных приборов значения напряжения.

Только совершенно необязательно включать целую цепочку одинаковых резисторов. Предположим, у нас есть электрическая батарея, дающая напряжение 10 В. А нам необходимо получить только 6 В. Тогда делаем такой же делитель, как в предыдущем случае, только резисторы берем не одинаковые, а разные по величине сопротивления: R1 = 6 Ом, R2 = 4 Ом.

Тогда из 10 В, поступающих от батареи, на резисторе R1 будет падать 6 В, а на резисторе R2 4 В. Значит, подключившись к точкам А1 и В1, можно будет получить необходимые 6 В. Ну а если понадобится 4 В, то надо будет подключится к точкам В1 и В2.

Итак, на первый взгляд могло показаться, что резистор «досадная необходимость», соединяющая «более важные» детали, а оказалось, что он может быть миниатюрным источником напряжения.

         Если в схеме компьютера наставить там, где необходимо, батареи, то компьютер окажется не только неподъёмный, но и, пожалуй, непереносимый. Так что, миниатюрностью мы обязаны, по большому счёту, резисторам.

Конденсаторы как распределители времени подачи сигнала.

         Выяснив, что  энергию «борьбы» резисторов с проходящим электрическим током  (напряжение), можно использовать соответственно «накалу» этой борьбы, обратим внимание на то, что существует не менее интересная деталь, чем резистор. В электрической схеме она представлена как… «разрыв» цепи.

Итак, резистор «борется» с проходящим электрическим током. «Накал» этой борьбы используется в виде напряжения. Но существует деталь, которая не борется с электрическим током – она его просто «поглощает», правда, «кулинарным» пристрастиям конденсатора отвечает не «любой» ток, а только постоянный.

Легко понять, как в результате перемещений  электрических зарядов конденсатор окажется заполненным зарядами или заряженным напряжением, равным напряжению батареи Б. Он как бы наполнится энергией  батареи, запасется ею и будет удерживать ее у себя.

Для отключения конденсатора от батареи введем в схему ключ К и с его помощью разорвем цепь, соединяющую конденсатор С1 с батарей Б.

        Как только это произойдет, свободные электроны от отрицательно заряженной пластины, где их избыток, помчатся на положительно заряженную пластину, где их недостаток. Количество зарядов на пластинах уравняется, и конденсатор окажется разряженным.

       Если подходить к разряду конденсатора «по-человечески», то можно сказать, что оно происходит очень быстро. Обычно данное положение не развивается. Но в  электронном мире фиксируются миллионные доли секунды, поэтому пространное «быстро», заменяется вопросительным «сколько»?

        Дело в том, что время заряда-разряда конденсаторов является одной из важнейших величин при конструировании электронных схем. Этим свойством конденсаторов пользуются конструкторы электронной техники, когда возникает необходимость строгого согласования по времени прохождения импульсов в электронных схемах. Устанавливая в необходимых точках схем конденсаторы различной емкости, с разными временами зарядов и разрядов и манипулируя этими временными задержками, конструкторы добиваются, чтобы все импульсы были строго определенной длительности и приходили в нужные точки схемы в строго отведенное для каждого из них мгновенье.

Рассмотрим работу конденсатора в несколько упрощенной, но все же реальной электрической цепи.

    При замыкании ключа, если бы не конденсатор, ток от батареи сразу бы пошёл через резистор R. Но у незаряженного конденсатора сопротивление меньше, чем у резистора.

Пока конденсатор не зарядится, амперметры А1 и А2 будут показывать  прохождение тока, а амперметр А3 ничего не покажет — тока нет.

      Как только конденсатор зарядится, маршрут движения электронов изменится. Ток пойдёт по ветви резистора, ведь конденсатор – разрыв цепи. Теперь будет на нуле только стрелка амперметра А1. Т.о. начало прохождения электрического тока через резистор R задержится на время зарядки конденсатора. 

При размыкании ключа, конденсатор разряжается через резистор R. При этом прибор А2 ничего не показывает. Приборы А1 и АЗ показывают прохождение тока. Несмотря на то, что батарея уже отключена, прохождение тока через резистор R будет продолжаться до окончания полной разрядки конденсатора.

    Мы добились того, что процесс прохождения тока через резистор R как бы сдвинулся во времени по отношению к моментам включения и выключения источника электрического тока. Это свойство конденсаторов и используется для строго согласования прохождения импульсов в электронных схемах.

     Свойства конденсаторов накапливать электрическую энергию и сдвигать процесс ее распространения во времени, а также по-разному вести себя в цепях постоянного и переменного тока, являются очень важными и широко используются в электронике.

      Итак, используя в схеме различные ёмкости, можно руководить временем «доставки» сигналов  в нужное место схемы.

     Следует заметить, что если заряженный конденсатор – шлагбаум для постоянного тока, то для переменного он является обычным сопротивлением. Ну,  не обычным, а  «ёмкостным», но, тем не менее, переменный ток через него «проходит». 

 Теперь мы видим, знакомые нам резисторы и конденсаторы – действительно полезнейшие детали электронных схем, к которым, конечно, относится и компьютер.

III. Полупроводники.  Диод.

Как электроны «сшивают» вещество. «Принципиальность» диода».                                                                                                     

Как электроны «сшивают» вещество.

      Резисторы и конденсаторы – обязательные составляющие любой электронной схемы.

Обязательные, но не основные. Основными же «электронными тружениками» являются полупроводниковые приборы. Известно высказывание о «золотой середине», как лучшего выбора для человека. В мире электроники «золотая середина» – это полупроводники.

Они могут «превращаться», т.е. делать то, чего не могут ни проводники, ни диэлектрики.

«Превращение» полупроводников заключается в умении  изменять свою электропроводность. «Ассистентами» и «реквизитом» в их «фокусах» выступают температура, свет, поток быстрых частиц, сильные электромагнитные поля и, что особенно важно – введении примесей специальных веществ.

        Наиболее изученными и часто применяемыми веществами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si) и германий (Gе). Оба они четырёхвалентны.  Их валентные электроны, находящиеся на внешних оболочках атома, вращаясь с «бешеной» скоростью, незримой «нитью» сшивают соседние атомы (ковалентная связь). При этом «шитьё» настолько совершенно, что дополнительных «швов» не требуется. Тогда если подмешать к ним вещество с избыточным количеством валентных электронов в атомах, то мы получим массу свободных, не нужных для «сшивания» свободных электронов. Эти-то электроны, которые не пригодились как «портные», меняют «профессию» и становятся «носителями электрической информации».

   Другими словами, возникнет знакомая нам по металлам электронная проводимость, которая называется проводимостью n-типа (Зона «Э»).

        Если в материал полупроводника ввести вещество, с меньшей валентностью, то «шитьё» пострадает. На полотне не будет хватать связующих «нитей». И тут начинает проявлять «агрессию» «пустое место» – отсутствие связи.  «Оно» стремится «сшиться», воруя нити-электроны у соседей. В зависимости от точки зрения, этот процесс можно назвать игрой по перебрасыванию электрона или как-то ещё. Главное не в этом, а в том, что при этом создаётся картина перемещения положительного заряда, ведь «пустое место» – это и есть положительный заряд, создающийся отсутствием «нити-электрона».

Остаётся только назвать  «пустое место»  «дыркой», и мы получим теорию проводимости р-типа (зона «Д»).

«Принципиальность» диода»

Если прижать два полупроводника с различными проводимостями, то при толщине границы в  одну десятитысячную долю миллиметра, электрические силы атомов приграничных слоев начнут воздействовать друг на друга.

В результате из зоны «Э» уходит отрицательные заряды, а в зоне «Д» ликвидируются положительные заряды и на их месте возникают нейтральные атомы.

Электрических зарядов в этом нейтральном слое нет. Если подключить к этим двум кусочкам полупроводников источник электрического тока, то из-за отсутствия электрических зарядов (свободных электронов и дырок) ток через этот нейтральный слой пройти не сможет.

Поэтому такой нейтральный слой называется ЗАПИРАЮЩИМ СЛОЕМ.

С этим понятием связано главное свойство пограничного слоя – его капризность. Запирающему слою принципиально не всё равно, каким образом он будет подключён к батарее. Если сделать подключение так, как показано на рисунке, то система из двух разнородных полупроводников (диод), превратится в одну из ипостасей полупроводника – диэлектрик.

В этом случае свободные электроны зоны «Э» начнут притягиваться положительным полюсом батареи и отодвинутся от границы внутрь зоны, расширив приграничный нейтральный слой. То же самое произойдет и в зоне «Д», где положительные заряды — дырки, стремясь приблизится к отрицательному полюсу батареи, тоже отойдут вглубь своей зоны и оставят около границы более широкий нейтральный слой. В результате ширина нейтрального запирающего слоя увеличится.

Значит, при таком варианте подключения полюсов батареи путь прохождения тока будет прегражден расширенным запирающим слоем.

Теперь поменяем полярность подключения батареи и подадим минус на зону «Э», а плюс на зону «Д».

И снова превращение полупроводника, теперь уже в проводник.

В этом случае электроны зоны «Э» и дырки зоны «Д» станут отталкиваться от подключенных полюсов батареи и двинутся в сторону границы между зонами. Чем больше будет увеличиваться напряжение батареи, тем сильней будет отталкивание, тем больше электронов и дырок будет подходить к границе из глубины своих зон и тем меньше нейтральных атомов будет оставаться на границе.

Наконец, при достаточно большом напряжении батареи, настанет такой момент, когда нейтральные атомы в районе границы вообще исчезнут, а значит, исчезнет и запирающий слой.

Препятствие для прохождения электрического тока исчезнет и ток свободно потечет через границу между кусочками полупроводников.

      Это, может быть, самая главная «артистичность» полупроводниковых приборов: быть либо проводником, либо диэлектриком, в зависимости от полярности включения в цепь.

Также можно рассмотреть данное свойства, как «принципиальность» диода: он ведёт себя в строгом соответствии с полярностью включения. Впрочем, ничего странного: если нас поворачивать к стене, то лицом, то спиной, мы будем вести себя тоже строго «принципиально» – будем то видеть стену, то не видеть.

На схеме полупроводниковый диод обозначается так:

Это один самых главных в электронике приборов. Его задача — пропускать электрический ток там, где это необходимо, и преграждать или затруднять путь ненужным потокам электрического тока.

Конечно, следует помнить, что приведённое описание его действия дано в упрощённом, «метафорическом» виде. Но подобного описания достаточно для понимания электронных процессов.

При обозначениях полупроводниковых диодов на схемах условились:

• пропускным направлением диода (открытое состояние) является от плюса источника тока по стрелочке

;

• запирающим направлением (закрытое состояние), когда полярность приложенного напряжения изменена на противоположную от плюса источника тока против стрелочки

IV Компьютер «шифровальщик» и «дешифровщик».

Языковая проблема. Как «перевести» язык человека на язык компьютера и наоборот.

           Этой главой хотелось бы «убить двух зайцев»: приоткрыть сферу общения человека и компьютера и подчеркнуть роль полупроводникового диода в этом процессе.

     Можно не понимать друг друга, если говорить на разных языках: английском, китайском и т.д. Можно не понимать, даже если говорить на одном языке, иметь разную образованность, либо вкладывать в слова различный смысл. В этом случае термин «язык» используется не в значении английского, китайского и т.д., а в  смысле языка науки, искусства, чувств.

Непонимание людьми друг друга – один из бичей человеческого общества. По образу и подобию человеческих отношений, вписался в человеческое общество и компьютер.

Компьютер и человек общаются на разных языках. Для того чтобы компьютеру было ясно, чего от него хочет человек, нужно сделать так, чтобы человеческие понятия преобразовывались в понятия, ясные для компьютера, и в таком, уже преобразованном виде отдавались компьютеру для обработки. А чтобы человек понимал компьютер, нужна обратная операция — преобразование компьютерного языка в человеческий с последующим выводом результатов работы компьютера в виде цифр, букв, рисунков, графиков, музыки, анимационных картинок, словом, всего того, что понятно человеку.

Вот эти проблемы и решают шифраторы и дешифраторы.

В качестве примера шифрования можно привести упрощенную схему ввода информации с клавиатуры компьютера.

Нам всем понятно, например, слово «арбуз». Как сделать его понятным для компьютера? Ведь он «не признаёт» символы нашего алфавита и вынужден высвечивать их только после длительных «препирательств» с нами. Любимые выражения компьютера – «да» и «нет». Причём, в любом виде: «1» и «0», «есть» и «нет», «хорошо» и «плохо», «чёрное» и «белое».

Нам приходится принять «игру» компьютера и каждой букве алфавита присвоить комбинацию, для простоты, «единиц» и «нулей».

Комбинация 10100000 соответствует букве   «а»

                       11100000                                        «р»

                       10100001                                        «б»

                       11100011                                        «у»

                       10100111                                        «з»

Таким образом, для того, чтобы ввести в компьютер слово «арбуз», надо поочередно ввести комбинации: 10100000, 11100000, 10100001, 11100011, 10100111. Но как это сделать, каким образом перейти от букв к единичкам и ноликам?

Вот для такого перехода и служит устройство, показанное на рис.

Главным элементом этого рисунка является решетка, образованная вертикальными и горизонтальными линиями.

Вертикальные линии этой решетки — это шины (провода), которые идут от клавиатуры компьютера. При нажатии любой из клавиш (от латинского clavis— ключ) замыкается находящийся под ней контакт и на идущую от нее вертикальную шину подается напряжение от источника +U.

Горизонтальные линии — это шины, по каждой из которых от нашего устройства (шифратора) в схему компьютера подается или логический 0, или логическая 1 в виде уровней напряжения.

 Если мы говорим, что на какую-то шину подана логическая 1, это значит, что на эту шину подано напряжение определенного уровня, логический нуль – отсутствие сигнала.

Рассмотрим, что получится в схеме, если мы нажмем клавишу, например, буквы «з».

При нажатии этой клавиши замкнется контакт Кн_з и на соответствующую вертикальную линию будет подано напряжение +U. Как хорошо видно из рисунка, эта вертикальная линия соединена диодами с 8, 6, 3, 2 и 1 горизонтальными линиями. Значит, напряжение +U попадет именно на эти горизонтальные линии. Если наличие потенциала на горизонтальной линии принять за единицу, а отсутствие — за ноль, то на горизонтальных линиях схемы, считая от верхней,  появится код:

т. е. код 10100111.

А это и есть код буквы «з», который теперь можно передать в дальнейшую схему компьютера по кодовым шинам.

Таким образом, нажимая по очереди клавиши букв «а», «р», «б», «у» и «з», мы передадим в компьютер двоичные коды этих букв, а, стало быть,— коды слова «арбуз». А дальше, в зависимости от заложенной программы, компьютер разберется, что с этим словом делать.

                 В 1999 братьями Вачовски был поставлен фильма «Матрица» («Тhе Маtriх»).

Не будем, пока, обсуждать его художественные особенности и культурную ценность. Речь о другом. Оказывается, рассмотренная нами схема: решетка, образованная горизонтальными и вертикальными линиями (шинами), называется матрицей, а вся схема называется матричным шифратором.

И действительно, в этой схеме происходит шифрование (преобразование) букв и знаков, понятных человеку, в комбинации единиц и нулей, понятные компьютеру.

Обратим внимание на количество диодов в схеме шифратора.

          Горизонтальные и вертикальные шины соединяются в узлах матрицы не напрямую, а именно через диоды. Это делается для предупреждения нежелательного перехода напряжения с одной вертикальной шины на другие.

Посмотрим, каким образом такой переход мог бы произойти. Предположим, мы убрали все диоды и в тех местах, где они стояли, напрямую подсоединили горизонтальные шины к вертикальным. Теперь нажимаем любую из клавиш, например клавишу буквы «а». В этом случае потенциал напряжения попадет на 8-ю и 6-ю горизонтальные шины, а с этих горизонтальных шин через их точки присоединения — на другие вертикальные шины. Все перепутается, на выходе схемы будет «непонятно что» и никакого кодирования не получится.

Схему спасают диоды.  Они  пропускают электрический ток только в одном направлении и включены таким образом, что не допускают попадание напряжения с горизонтальных шин на вертикальные.

Символ шифратора — расходящийся веер.

Действительно, с одной стороны — единственный сигнал на входе схемы, а с другой стороны — комбинация единиц и нулей на ее выходных шинах.

Понятно, что дешифратор – нечто противоположное шифратору. Поэтому его символом должен быть –  сходящийся веер.

Вывод информации из компьютера происходит так: комбинация из логических нулей и единиц, поступающая по 8 шинам, с помощью дешифратора преобразуется в соответствующий ей алфавитный символ или цифру и выводится в виде, удобном для чтения человеком. Все эти преобразования позволяют человеку получать от компьютера наглядную информацию, а компьютеру наоборот — работать в его любимой двоичной системе.

Смысл работы дешифратора состоит в том, чтобы принять по разным шинам входную комбинацию единиц и нулей, а затем выработать выходной сигнал и направить его по пути (шине), предназначенному только для этой входной комбинации.

V Транзистор – главный элемент электронных схем.

 Избирательность «питания» транзисторов. «Терминология» транзистора.

Рассмотрим транзистор n-р-n-типа. По рисунку видно, из каких «зон» он состоит, впрочем, это понятно и из названия. Очень напоминает два скреплённых  диода.

Без подачи напряжения, любой электронный прибор – это просто «спайка» неких химических элементов. Напряжение – «живая вода» электроники.

В реальных схемах компьютеров электрическое напряжение на диоды, составляющие транзистор, подается от делителей напряжения, как это мы объясняли раньше, когда рассматривали принципы работы и возможности резисторов.

А пока, для наглядности, рассмотрим подачу на транзистор необходимого напряжения не с помощью делителей напряжения, а с помощью отдельных батарей.

Если батарея Б1 будет подключена так, как показано на рис., то левый диод транзистора окажется открытым и тогда через открытую границу 1 левого диода из слоя Э1, насыщенного свободными электронами, в слой Д устремится лавина электронов. Эти электроны, миновав границу 1, начнут стремительно растекаться по слою Д.

Но, тут вступает в действие напряжение второй батареи.

    Электроны всеми правдами и неправдами станут стремиться попасть на её положительный полюс. Для этого им необходимо перейти через границу 2, на которую от батареи Б2 подана такая полярность напряжения, что граница закрыта.

    В начале этой борьбы, пока электронов в слое Д еще очень мало, они встретят на границе 2 довольно сильное сопротивление со стороны ее запирающего слоя. Однако, впрыскивание электронов в слой Д продолжается. Их количество в слое увеличивается и нейтральным атомам запирающего слоя становится все труднее сдерживать стремление электронов пришельцев из слоя Э1 к положительному полюсу батареи Б2.

   В конце – концов,  электронов становится так много, что нейтральные атомы больше не могут им сопротивляться. Запирающий слой между Д и Э2 исчезает и граница 2 открывается. Значит, открывается свободная дорога для прохождения тока от батареи Б2.

При этом, чем больше будет напряжение батареи Б1, тем больше электронов будет впрыскиваться из слоя Э1 в слой Д, тем сильнее будет разрушение запирающего слоя правого диода и тем слабее будет сопротивление границы 2 прохождению тока от батареи Б2.

А чем слабее сопротивление границы 2, тем больше становится сила тока, проходящего от батареи Б2 через эту границу.

    Значит, если поставить в цепи батареи Б2 резистор R, то можно будет cнимать с него напряжение, изменение которого будет в точности повторять изменение напряжения батареи Б1.

Напряжение батареи Б1 «слабее», чем Б2, поэтому получается, слабый сигнал «левой стороны» управляет мощным током правой (батареи). В этом состоит усилительное свойство транзисторов.

Усилительные возможности транзистора используются в самых различных технических устройствах. Конечно же, они используются и в схемах современных компьютеров, так как сигналы, двигаясь от одного устройства к другому, потихоньку затухают и возникает необходимость их усиления.

Однако транзисторы используются не только в усилительных режимах. Больше и чаще в компьютерной технике транзисторы используются в так называемых «ключевых» режимах.

В триггерах — устройствах, способных находиться в одном из двух устойчивых состояний, регистрах, сумматорах, различных логических устройствах и других схемах, транзисторы используются как переключающие устройства, работающие в режиме 1 или 0, ДА или НЕТ, включено—выключено. В этих схемах усилительные возможности не играют главной роли.

Прежде чем, рассмотреть примеры усилительных и переключающих свойств транзистора, введём специальную терминологию. Электронщики обычно не употребляют слово «граница». Пограничную зону между полупроводниковыми кристаллами в транзисторе они называют словом «переход».

Зоны Э1, Д и Э2 в полупроводниковом транзисторе называются соответственно: ЭМИТТЕР, БАЗА, КОЛЛЕКТОР.

Эмиттер — от латинского еmitteге — испускать, излучать.

База — срединный, центральный слой — это наше название.

Коллектор — от латинского соllесtог— собирающий.

Переход между эмиттером и базой условимся называть эмиттерным переходом, а переход между базой и коллектором — коллекторным переходом.

Расстотрим также более реалистичные рисунки транзистора

Внешне большинство транзисторов имеют форму небольшой шляпки, из под полей которой торчат три ножки — выводы эмиттера, базы и коллектора:

Конечно же, это не относится к транзисторам, находящимся внутри кристалла микросхемы.

Транзисторы обозначаются, как показано на рис.

но в электрических принципиальных схемах контакты (кружочки) и буквы э, б, к не показываются.

Здесь э, б, к — естественно: эмиттер, база, коллектор.

Переход между эмиттером и базой условимся называть эмиттерным переходом, а переход между базой и коллектором — коллекторным переходом.

VI Триггер  

Триггер, как действие частей. Триггер – «моя вторая половина».

Триггер — основной двоичный элемент.

         Компьютер не любит неопределённости, двусмысленности, колебаний. Идеальная для него схема «мышления» – молниеносный перебор «да» и «нет», без всяких «может быть».

(В этом отношении компьютер принципиально не может быть девушкой).

В электронике «интеллектуальной природе» компьютера соответствует устройство, называемое – триггер. Он может находиться в состоянии только логического 0 (нет напряжения) или только логической 1(есть напряжение) и не иметь никаких других промежуточных состояний — это именно то, что нужно компьютеру.

Самое короткое объяснение работы триггера:

Триггер реализует любимое компьютером «да» и «нет» в виде потенциалов напряжения на своих выходах. Это достигается с помощью двух одинаковых транзисторов, работающую таким образом, что один из этих транзисторов надежно закрыт, а другой в это самое время так же надежно открыт. «Мгновенное переключение транзисторов или «перевёртывание» схемы, происходит под воздействием внешних управляющих сигналов.

Условно одно из этих состояний принимается за 1, а другое — за 0, что и позволяет применять триггер в устройствах вычислительной техники в качестве двоичного элемента.

Более подробное «почему» и «как» о работе триггера.

Рассмотрим схему:

Объяснение построим руководствуясь положением, что в точке 1 будет +12 В, так как она соединена напрямую с плюсом батареи, а в  точках 2 и 3 будет 0 В, потому что они соединены между собой и с минусом батареи тоже напрямую с помощью короткого проводника, практически не имеющего никакого сопротивления.

Единственная «нагрузка» батареи – резистор R1, поэтому всё напряжение батареи падает на нём.

Поставим резистор R1 между точками 2 и 3.

Нагрузка осталась прежней, а вот распределение потенциалов напряжения изменилось: в точка 1 и 2 станет +12В, а в точке 3 будет 0В.

Изменение схемы повлияло на потенциал напряжения в точке 2. Её то и нужно взять на «заметку».

Обратимся к следующей схеме:

Принципиально она ничем не отличается от двух предыдущих: та же батарея, только количество «нагрузок» стало побольше.

«Основная «нагрузка – это транзистор, который может «пропускать» ток (быть «открытым»), а может не пропускать (быть «закрытым»). В первом случае сопротивление такого транзистора очень маленькое (можно сказать равно 0), а во втором оно становится очень большим (равно почти ).

По существу, в закрытом состоянии транзистор совершенно не пропускает электрический ток. Здесь символ означает слово «бесконечность» и введён  как гипербола, чтобы подчеркнуть огромную величину сопротивления.

Резисторы R2 и R3 — делитель для подачи необходимого напряжения на элементы транзистора. Ключ К предназначен для того, чтобы при его замыкании минус батареи подавался непосредственно на базу транзистора. В этом случае напряжения на базе и на эмиттере станут равными и транзистор закроется.

На схеме закрытый транзистор можно изобразить в виде резистора с огромным сопротивлением, а еще лучше — в виде разомкнутого ключа К1 ( не забываем ключ К закрыт) между точками 2 и 3, разъединившего электрическую цепь. Сопротивление резистора R1 подбирается таким образом, чтобы оно было достаточно большим, но все же несравнимо меньше, чем у закрытого транзистора.

Поэтому большая часть напряжения батареи Б (практически все напряжение) падает на закрытом транзисторе, между точками 2 и 3.

В точке 2 будет 12 В (плюс батареи).

Резисторы R2 и R3 распределяют напряжение батареи Б таким образом, что при разомкнутом ключе К транзистор находится в открытом состоянии, т. е. на базу должно подаваться положительное напряжение, большее по величине, чем на эмиттер.

Напряжение 12 В батареи Б распределяется так: часть падает на резисторе R3 и эта часть подается на базу, а минус батареи (0 В) подается прямо на эмиттер. Если сопротивления резисторов R2 и R3 равны, то на базу попадется +6 В, а на эмиттер 0 В (минус батареи Б).

В этом случае транзистор открыт.

Если транзистор находится в открытом состоянии (ключ К не замкнут), то электрический ток свободно проходит через все его переходы и не встречает никакого сопротивления. Сопротивление участка схемы между точкам 2 и 3 становится равным 0.

И тогда указанная схема сводится к схеме:

В этом случае при открытом транзисторе, когда, кроме резистора R1, в цепи нет другого сопротивления, все напряжение батареи Б целиком падает на резисторе R1 между точками 1 и 2.

В точке 2 будет 0 В (минус батареи).

Основной вывод:

При подаче запирающего напряжения на базу транзистора потенциал в точке 2 резко увеличивается от 0 до 12 В.

Схема эта будет работать более надежно, если на базу будет подаваться не нулевое, а небольшое, порядка 4.. .5 В, отрицательное напряжение от отдельного источника тока для более надежного закрывания транзистора.

Вторая половина триггера

Дополним исходную схему её «зеркальным отображением».

В силу симметрии оба транзистора Тр_п и Тр_л находятся в совершенно одинаковых условиях и все, о чем мы говорили про правый транзистор, один к одному относится и к его левому соседу.

Существенное новшество – соединение  крест-накрест точки 2 левого транзистора с базой правого транзистора, а точки 2 правого транзистора с базой левого транзистора.

После такого нововведения получится следующее.

Любое изменение (увеличение или уменьшение) напряжения в точке 2 левого транзистора будет сразу передаваться на базу правого транзистора и, наоборот, изменение напряжения в точке 2 правого транзистора изменит напряжение на базе левого транзистора.

Вот и вся схема триггера.

Презентация триггера

Часть 1

Предположим, что в открытом состоянии находится транзистор Тр_п. Из этого следует, что:

· сопротивление этого транзистора равно нулю, а значит и напряжение в точке 2 тоже равно 0;

· этот нулевой потенциал из точки 2 по перекрестному соединению подается на базу левого транзистора, запирает его и держит в закрытом состоянии, так как потенциалы базы и эмиттера сравниваются;

· закрытый левый транзистор является огромным сопротивлением и поэтому напряжение в точке 2 будет близко к 12 В;

· эти 12 В, в свою очередь, подаются на базу правого транзистора и надежно удерживают его в открытом состоянии.

Таким образом, мы видим картину начального со стояния триггера: правый транзистор надежно открыт потенциалом +12 В, а левый — закрыт потенциалом О В.

Из  такого состояния триггер могут вывести две причины: разрядка батареи Б или внешнее воздействие.

Часть 2

На мгновение замкнув ключ К_п можно оказать такое «внешнее воздействие».

При этом:

• минус батареи Б подается на базу открытого правого транзистора и закрывает его;

• мгновенно до 12 В возрастает напряжение в точке 2 и подается на базу левого транзистора;

• эти 12 В открывают левый транзистор;

• резко падает сопротивление левого транзистора и сразу до нуля падает напряжение в точке 2

• это нулевое напряжение подается на базу правого транзистора и закрывает его.

Триггер «опрокинулся», т. е. поменял свое состояние на противоположное.

Было: Тр_п, — открыт, Тр_л — закрыт.

Стало: Тр_п, — закрыт, Тр_л— открыт

Часть 3

Мы «построили» триггер на принципе симметрии. Для того, чтобы вернуть триггер в первоначальное состояние поступим «симметрично» – замкнём на мгновение теперь уже ключ К_л. Все повторится сначала, только в зеркальном отображении. Минус батареи закроет левый транзистор, положительный потенциал откроет правый транзистор, схема опрокинется и триггер вернется в первоначальное состояние. То состояние, которое описывалось в 1 части:

Тр_п — открыт, Тр_л — закрыт.

Если принять такое состояние триггера за 1, то можно сказать, что триггер сначала был в состоянии 1, затем опрокинулся в 0 и снова вернулся в состояние 1.

Таким образом, мы показали, что триггер — это электронное устройство, способное находиться в одном из двух устойчивых состояний и менять эти состояния под воздействием внешних управляющих импульсов.

Для наглядности работу триггера можно сравнить с доской, на которой качаются два человека, а третий перебегает от центра то влево, то вправо.

Человек, находящийся в середине, совершенно «бескомпромиссный»: он не признаёт «среднего» положения и «опрокидывает» качели либо в право, либо влево.

 Он как бы выполняет роль управляющих импульсов подобно импульсам, проходящим через ключи К_л и К_п.

Ну а положение сидящих людей, соответствует выходным сигналам триггера: «низ» – 0, «верх» – 1.

В реальных схемах триггеров ключей К_п и К_л, конечно, не существует. Там подача управляющих (входных) импульсов осуществляется от специальных электронных устройств, заставляющих триггеры срабатывать надежно и в строго рассчитанное время.

Выходные сигналы снимаются в виде потенциалов высокого или низкого напряжения с точек 2 транзисторов.

Настоящая принципиальная схема триггера без всяких упрощений:

Для улучшения устойчивости работы схемы, введены детали и обозначения: диоды D_л и D_п, напряжение — 4,5 В, резисторы R2_л и R2_п, и цепочки R_пC_п и R_лC_л,  — отрицательный полюс, который выводится на корпус аппаратуры.

Отводы от точек 2 обоих транзисторов — это выходы схемы триггера, с которых в зависимости от состояния триггера, можно снимать положительные или отрицательные потенциалы.

Мы рассмотрели триггер – основной двоичный элемент компьютера.

VII Тактовый генератор

Как задаётся темп работы компьютера.

Быстродействие компьютера определяется частотой колебаний напряжения, или частотой импульсов (тактов) напряжения, которые вырабатывает специальное устройство – тактовый генератор. Слово «вырабатывает» – слишком «медленное». Например, число 1000 МГц означает, что за одну секунду генератор вырабатывает одну тысячу миллионов, т. е. — миллиард импульсов (1 ГГц).

Такой темп работы задаёт тактовый генератор всей системе. Он является «полновластным тренером», задающим темп «игры» всей команде.

Принципиальную схему тактового генератора – почти один к одному схема триггера.

Но если они по-разному называются – между ними должно быть различие.

Электропитание обозначено как +Е_к — положительный полюс источника питания.

Отсутствуют цепочки поступления входных сигналов – они просто не нужны, т.к. генератор на то и «генератор», что самостоятельно выдаёт сигналы во внешнюю цепь. Правда, самостоятельные опрокидывания то в одну, то в другую сторону, и вырабатывание последовательности  одинаковых тактовых импульсов, начнётся, конечно, только после подачи в компьютер электрического напряжения.

Очень важную роль играет то, что точки 2 на схеме генератора соединены с базами противоположных транзисторов не через параллельные цепочки RС, а только через конденсатор С без резистора R.

Как уже говорилось, цепочка RС решающей роли в работе триггера не играет, а лишь помогает ему быстрее перейти из одного состояния в другое. Работа её заключается в следующем: Перепад напряжения, который передается из точки 2 на базу противоположного транзистора, является ничем иным, как быстро нарастающим или быстро убывающим броском тока, т. е. током, который изменяет свое значение, т. е. переменным током.

Но ведь конденсатор как раз очень хорошо пропускает переменный ток. Поэтому его и ставят в этом месте, чтобы как можно быстрее пропустить этот перепад. Пропустив через себя перепад напряжения, конденсатор затем разряжается на резистор R и спокойно ждет следующего перепада. Кроме того, он не имеет возможности заряжаться от других, каких- либо напряжений, так как будет постоянно разряжаться на резистор R.

Рассмотрим аналогичный элемент тактового генератора.

Происходит это следующим образом:

• пусть в данный момент транзистор Тр_л закрыт, а Тр_п открыт;

• конденсатор С_л, еще до этого момента был заряжен от источника тока по цепи: +Е_к → резистор R1_л → конденсатор С_л → резистор R3_л →  минус батареи (корпус аппаратуры)

• так как левый транзистор теперь открыт, то у конденсатора появляется дорожка для разряда: левая (положительная) обкладка конденсатора → транзистор Тр_л (через все его открытые переходы) → резистор R3_п → правая (отрицательная) обкладка конденсатора С_л

• в результате разряда конденсатора на резисторе R3_п  создастся падение напряжения, направленное минусом на базу правого (открытого) транзистора;

• начинается процесс запирания (опрокидывания) правого транзистора этим отрицательным напряжением: растет сопротивление правого транзистора, увеличивается положительное напряжение в точке 2_п, которое подается на базу левого транзистора; начинает подзаряжаться конденсатор С_п.

• зарядный ток конденсатора С_п создаст на резисторе R3_л падение напряжение, направленное плюсом на базу левого транзистора, что будет способствовать его открыванию;

• этот процесс нарастает лавинообразно и схема «опрокидывается», причем процесс опрокидывания происходит гораздо быстрее разряда конденсатора С_л.

• состояние схемы меняется на обратное: Тр_л — открывается, Тр_пр — закрывается;

• в таком состоянии схема будет ждать разряда конденсатора С_л.

• после того, как конденсатор С_л разрядится, подача отрицательного напряжения на базу транзистора Тр_п прекратится и процесс начинает разворачиваться в обратную сторону;

• теперь уже конденсатор С_п, подзарядившись, подает запирающее напряжение на базу транзистора Тр_л и закрывает его;

• дальше все повторяется.

Происходит безостановочное поочередное закрывание и открывание то левого, то правого транзисторов, что вызывает появления импульсов напряжения в точках 2. Схема работает беспрерывно, пока на нее подается напряжение источника тока. Если теперь подключиться к этой схеме в одной из точек 2, то на выходе получим череду тактовых импульсов.

Такой генератор называется мультивибратором (от латинского multum — много + вибратор), и, в принципе, может быть использован в качестве задающего (тактового) генератора компьютера.

VIII Транзистор усилитель и ключ

Транзистор – «атлет» и транзистор – «замок».

Усилительное свойство транзистора рассмотрим на примере радиоприемника, построенного на одном транзисторе.

Буквой А обозначена антенна приемника, буквой Г— его громкоговоритель (динамик).

Антенна – «вратарь-фанатик», она «ловит» сигналы – электромагнитные волны. Сейчас речь не о том как она это делает, а о том что из этого увлечения антенны получается. А получается электрический ток в форме ступенчатых сигналов. Для усиления эффекта восприятия, представим, что это сигнал с противоположного конца Земли, а значит чрезвычайно ослабленный.

Слабый ветерок можно «увидеть» на поверхности воды. Такой «водой» служит энергия батареи Б1. Эта «вода» будет очень слабо пульсировать в такт с передаваемыми радиосигналами, улавливаемыми антенной.

Вследствие этого, электрическое напряжение, создаваемое на эмиттерном переходе транзистора, тоже будет пульсировать и, стало быть, количество впрыскиваемых из эмиттера в базу электронов тоже будет изменяться в такт с передаваемыми радиосигналами. Но при этом и сопротивление коллекторного перехода транзистора будет изменяться в зависимости от работы радиопередатчика, расположенного на другом конце Земли. И на «электронную» сцену вступает батарея Б2. Своей мощью она усиливает слабые колебания эммитерного перехода и на динамике появляется во много раз усиленный сигнал: транзистор сработал как усилитель.

Чтобы рассмотреть работу транзистора, как переключателя. Преобразуем схему радиоприёмника.

Изменения заключаются в следующем: в левой части появился ключ, который позволяет (или не позволяет) работать батарее Б1. Собственно, данную батарею можно было не называть «первой», т.к. второй всё равно нет. Вместо неё появился генератор импульсов ГИ и оперативное запоминающее устройство ОЗУ.

В отличие от батареи Б2, генератор импульсов ГИ вырабатывает не сплошной, постоянный, беспрерывный ток, а короткие быстрые сигналы, как правило П-образной формы, так называемые «импульсы».

Чтобы попасть в запоминающее устройство ЗУ, т.е. устройство способное сохранять поступающую информацию из комбинации сигналов напряжения (в любом случае сигналов электромагнитного свойства), «импульсам» нужно пройти через транзистор.  Но транзистор может позволить это прохождение, или нет.

Это зависит от положения ключа. Т. о. транзистор работает как переключающее устройство, разрешающее или запрещающее прохождение сигналов в ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).

IX Числа из электричества.

Аналоговая и цифровая обработка информации. Двоичная и десятичная системы счисления. Биты и байты.

Информация нуждается в материальном носителе. В электронике такой носитель — электрический заряд. Информацию можно представить в виде сигналов электрического тока или напряжения разной величины. Понять работу компьютера, значит разобраться как это происходит в электронных схемах.

Поскольку всякая вычислительная машина имеет дело исключительно с числами, то в первую очередь возникает вопрос, как представить числа в каком-то физическом виде. Сначала это делалось путем изменения напряжения, и чем выше было напряжение, тем большему числу оно соответствовало. Такой принцип устройства вычислительных машин, названный аналоговым, оказался малоудобным и ненадежным, и вскоре на смену таким машинам пришли цифровые ЭВМ, построенные на схемах, которые находятся либо в одном состоянии, либо в другом — третьего не дано. Это заставило создателей перейти к системе, где счет идет двойками, а не десятками, как мы привыкли.

Полезно вспомнить, как устроена обычная наша десятичная система счисления. Ее основание = 10, т. е. для представления любого числа необходимо иметь десять символов — цифр. Число можно записать, используя степени основания, т. е. 10^n-1: в первом разряде 10⁰ = 1 (единица), во втором 10¹= 10 (десять), в третьем 10²= 100 (сто) и т. д. Четырехзначное число 6347 в десятичной системе может быть представлено развернутой записью 6· 10³ + 3·10² + 4.10¹+ 7 ·10⁰. Двоичная система построена аналогично десятичной, но только здесь для записи любого числа используются степени основания 2, т. е. 2 ^n-1.  С помощью всего двух цифр — нуля и единицы — в этой системе также можно записывать числа любой величины, складывать их, умножать, делить и т. д. Четырехзначное двоичное число 0101, таким образом, будет означать 0· 2³ + 1·2²+0·2¹+1·2⁰=5. Максимальное четырехзначное число, которое можно себе представить в двоичной системе счисления, это 1111 = 2³+ 2²+ 2¹+ 2⁰= 15. Чтобы сосчитать до 2¹⁰ – 1 = 1023, требуется десятизначное двоичное число, а до 2²⁰ – 1 = 1 048 575—двадцатизначное.

Хотя в двоичной системе количество разрядов больше, чем в десятичной, зато меньше символов—цифр, т. е. две, а не десять. Преимущество двоичной системы по сравнению с десятичной заключается в том, что в двоичной системе используется меньше знаков.

Внутри системы электронной обработки информации операции счета, как правило, осуществляются с двоичными числами, Связующим звеном между внешней десятичной и внутренней двоичной формами представления чисел служит так называемое двоично-кодированное десятичное представление, т. е выражение десятичных чисел в двоичном коде. Для каждой десятичной цифры требуется четырехзначное двоичное число, так называемая тетрада:

0=0000, 1=0001, 2=0010,

3=0011, 4=0100, 5=0101,

6=0110, 7=0111, 8=1000,

9 = 1001.

Закодированное в двоичном коде число 2536, согласно этому, будет иметь следующую форму записи: 0010 0101 0011 0110. Только после двоично-кодированного десятичного представления десятичное число становится пригодным для обработки в цифровой ЭВМ.

Понять, что из себя представляет цифровая обработка информации, нам поможет рисунок, на котором аналоговый сигнал электрического напряжения разбит на отдельные части, для чего временную ось разделили на короткие одинаковые интервалы. Как и в музыке, эти интервалы называются тактами. На каждом такте электрическое напряжение в первом приближении можно рассматривать как постоянное при условии достаточно малой продолжительности такта. Определенное напряжение, сохраняющееся на протяжении ровно одного такта, называют импульсом напряжения.

На рисунке видно, что аналоговая обработка информации оперирует последовательностями (сериями) импульсов всех возможных значений напряжения. При цифровой обработке информации используются только два значения напряжения — минимальное, обозначаемое нулем, и максимальное, обозначаемое единицей. Каждую аналоговую серию импульсов приближенно можно разделить на значительное число цифровых сигналов, которые вместе взятые приближенно отображают ту же информацию, что и аналоговая серий импульсов.

      Шкалу напряжений делят на определенное число n одинаковых интервалов (на рис. n = 3) в для каждого из них выделяют отдельный проводник – для первого интервала проводник 1,  для второго — проводник 2 и т. д. Рассмотрим теперь на рис. первый такт. Там первый интервал напряжения перекрыт импульсом, а второй и третий свободны. Поэтому в проводник 1 подается импульс, соответствующий единице, а в оба других проводника — импульсы, соответствующие нулю. На втором такте первый интервал занят полностью, второй частично, а третий свободен. В этом случае импульс, соответствующий единице, поступает в первый и второй проводники, а нулевой импульс — в третий. Это повторяется по всем трем временным тактам. В итоге появляется n - е число серий импульсов, составленных только из единиц и нулей. Аналоговая серия импульсов, однако, лишь приблизительно отображается цифровыми сигналами, так как электрическое напряжение описывается n -числом дискретных значений. Погрешность от округления тем меньше, чем мельче сетка, накладываемая на первоначальную аналоговую серию импульсов. Однако одновременно увеличивается как число различных серий импульсов, так и число импульсов в каждой отдельной серии, которые обрабатываются за единицу времени, например в течение одной секунды. Увеличение точности влечет за собой повышение затрат на цифровую обработку. Для получения высокой точности при аналоговой обработке информации требуются схемные элементы высокого качества. В частности, они должны обладать очень хорошей линейностью, т. е. между изменениями напряжения на выходе элемента и на его входе должна существовать точная линейная зависимость; в противном случае на выход будет подана искаженная информация.

         Цифровая форма обработки информации в целом является более надежной и менее подверженной искажениям вследствие несовершенства отдельных элементов. Однако достигается все это путем использования значительно большего числа элементов, нежели при аналоговой обработке. Если же таких элементов недостаточно много, то по скорости цифровая обработка информации уступает аналоговой. Цифровой способ  позволяет добиться более высокой точности и надежности, но ценой увеличения числа элементов. Правда, для микроэлектроники это не является особенно сложной проблемой, ибо разместить на минимальной площади очень большое число не слишком точных, зато миниатюрных, быстродействующих и дешевых элементов—это как раз то, на что она способна. В определенном смысле цифровая обработка информации и микроэлектроника искали и нашли друг друга. С помощью микроэлектроники высокое качество небольшого числа высокоточных операций обработки информации можно заменить большим числом быстрых, но не таких точных операций. Помехи извне или из самой обрабатывающей системы цифровой способ обработки информации «переносит» легче, чем аналоговый.

Поэтому любая цифровая машина — это, по существу, не более чем собрание большого числа двоичных ключей.

Управлять этими ключами вручную, как человек поступает с домашним выключателем, невозможно; значит, это нужно уметь делать автоматически — с помощью каких-то других электрических устройств. Многие годы — это были так называемые реле. Сейчас – это транзисторы.

Байт — 8-битовая порция информации

Бит – это самая маленькая единица информации. «Есть» сигнал и «нет» сигнала.

Видно, что байт состоит из 8 битов. Но почему, например, не 7 битов? Ведь мы привыкли, что в музыке — 7 нот, в радуге — 7 цветов, «семь раз примерь...».

Если взять двоичное число, состоящее только из двух разрядов, и начать переставлять в нем единички и нолики, то получим четыре различные комбинации: 00, 01, 10, 11. Если взять трехразрядное число, то получим восемь комбинаций: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Если взять 8-разрядное число, то получим 256 ни разу не повторяющихся комбинаций единиц и ноликов.

Компьютер обрабатывает не только арифметическую, но и логическую, и графическую, и текстовую информацию.

Обрабатывать текстовую информацию это значит иметь дело с буквами русского и латинского алфавитов, цифрами, знаками препинания, различными значками и символами, которые могут встретиться в самых разных ситуациях. Таких букв, цифр, знаков и символов набралось больше 250 штук (256 комбинаций 8-разрядного  числа вполне устраивает). И каждый из них получил свой код — различное сочетание нулей и единиц, который присущ только этому символу и легко распознается компьютером.

     Если бы конструкторы взяли, скажем, только 7 битов, то количество возможных комбинаций нулей и единиц было бы равно 128. Этого не хватило бы на то, чтобы зашифровать все необходимые буквы и знаки. А если бы взяли 9 битов, из которых можно получить 512 комбинаций, то это привело бы к неоправданному усложнению и удорожанию аппаратуры.

    Кодом буквы А, например, является комбинация 01000001. Чтобы передать эту комбинацию от клавиатуры в компьютер надо, чтобы на 1-ю шину соединительной линии был подан логический 0, на 2-ю шину — логическая 1, на 3, 4, 5, 6 и 7-ю шины — логический 0, на 8-ю — логическая 1, Эта комбинация принадлежит только букве А и никакой другой букве, знаку или символу. другой букве (знаку, символу) принадлежит уже другая комбинация единиц и ноликов. Более подробно этот процесс мы рассматривали ранее, когда говорили о принципах работы шифраторов.

При выводе информации из компьютера все происходит наоборот. Комбинация из логических нулей и единиц, поступающая по 8 шинам, с помощью дешифратора преобразуется в соответствующий ей алфавитный символ или цифру и выводится в виде, удобном для чтения человеком. Все эти преобразования позволяют человеку получать от компьютера наглядную информацию, а компьютеру наоборот — работать в его любимой двоичной системе. Вот почему байт оказался равен 8 битам и вот почему он облегчает человеку общение с компьютером.

X.  Начало технологии изготовления микросхем.

Физико-химические  процессы и понятия.

« Скоро сказка сказывается –

                                                                            да не скоро, дело делается»

               Множество людей представляют методы добычи угля, золота, плавки железной руды. Много людей поражается миниатюрностью и «содержательностью» микросхем.

Но лишь немногие, представляют какие трудности встают перед учёными, технологами, инженерами, чтобы только «добыть» нужный для изготовления ИС,  образец полупроводникового элемента.   

         Обычно, говоря о полупроводниковых материалах, учителя физики ограничиваются только их наименованием. При этом теряются богатейшие дидактические и воспитательные возможности.  «Дидактические», потому что теряется очень много «физики», а «воспитательные», потому что многим детям кажется, что «булки хлеба растут на деревьях».            Не следует забывать, что в основе изготовления микросхем лежат самые разнообразные физические и химические явления.

        Кроме того, изготовление полупроводниковых ИС включает в себя более ста операций, каждая из которых является по существу достаточно самостоятельным и сложным технологическим процессом. Среди десятки полупроводниковых материалов, используемых сегодня в микроэлектронике, особое признание получил кремний (Si).

         Кремний — второй по распространенности элемент после кислорода, и его можно считать одним из основных на земле. В земной коре кремний встречается только в соединениях, важнейшим из которых является оксид кремния (SiO₂). Часто ему сопутствуют кислородные соединения других элементов. Чистота природного SiO₂ составляет 99,8...99,9 %, а в отдельных случаях достигает 99,99 %. Элементарный кремний из кремнезема (так часто называют SiO₂) может быть получен в электрической печи, источником теплоты в которой служит дуговой разряд. При соприкосновении двух графитовых (угольных) стержней (электродов) в месте их контакта электрический ток выделяет значительное количество теплоты. Это происходит из-за очень малой площади соприкосновения электродов и поэтому весьма большого сопротивления их контакта. Температура повышается настолько, что отрицательно заряженный электрод (катод) начинает испускать электроны и возникает термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия ― испускание электронов нагретыми телами (твёрдыми, реже — жидкостями) в вакуум или в различные среды.

Если раздвинуть электроды, между ними возникает яркий светящийся столб — электрическая дуга, в зоне которой достигается температура в несколько тысяч градусов. В этих условиях и происходит разложение кремнезема по реакции

SiO₂ = Si + O₂

 Схема дугового разряда: 1 — катод; 2 — столб дугового разряда; 3 — анод; 4 — пламя сварочной дуги

        Получаемый в результате технический кремний содержит 1 ...2 % примесей и для полупроводниковых ИС не используется. Он является исходным сырьем для производства кремния высокой чистоты, общее содержание примесей в котором не может быть более 10^-6 % .Это означает, что если в полупроводнике объемом 1 см³ находится 10²² атомов, а чистый кремний не должен иметь более 10¹²… 10¹³ атомов посторонних веществ на 1 см³, то один атом примеси может приходиться лишь на 10⁹…10¹⁰ атомов кремния. Очистить кремний до такой степени одним каким-то методом весьма затруднительно, поэтому применяют комбинированную очистку в несколько стадий.

Первоначально технический кремний хлорируют при температуре 300...400 °С и превращают его в легколетучие соединения:

Si + 3HCI ↔ SiHCI₃ + H₂

Si + 4HCI ↔ SiCI₄ + 2H₂

       Таким образом получают до 90 %  трихлорсилана  (SiHCI₃) и 10 %  тетрахлорида кремния  (SiCI₄). В порядке напоминания заметим, что соединения кремния с водородом носят название силанов. Стрелочки вместо знака равенства в уравнениях указывают на то, что приведенные реакции обратимые и могут протекать не только слева направо, но и наоборот. Правда, для этого необходимы несколько иные условия: другая температура, концентрация компонентов и др. Например, в нашем случае реакции протекают слева направо при температуре до 1000 °С и избытке HCI. Справа налево реакция идет при более высоких температурах и меньших количествах НСI.

       Технические хлориды кремния в дальнейшем подвергают очистке несколькими методами, совокупность которых позволяет снизить суммарную концентрацию примесей в хлориде в 10...100 тыс. раз (на 4, а то и 5 порядков), а содержание отдельных примесей при этом не превышает 10^-7 %. Применяются методы экстракции, связывание примесей химическими реагентами, адсорбционные методы и ректификация, в общих чертах известные из школьного  курса химии. Эти виды очистки достаточно сложны, интересны и могут составить тему отдельного и весьма обстоятельного разговора.

Очищенные хлориды обрабатывают водородом при температуре выше 1000 ^оС, в результате чего названные реакции протекают справа налево и при этом из хлоридов восстанавливается кремний. Этот кремний — сырец пока еще не может быть использован для наших целей, так как содержит много примесей — загрязнений, в значительной степени влияющих на его свойства и потому совершенно не нужных и даже вредных при создании полупроводниковых ИС.

     С помощью химического процесса можно очистить кремний от многих загрязнений, но получить материал с содержанием отдельных примесей не более 1...100 атомов на 1 млн. атомов основного вещества не под силу даже химии — одной из древнейших и могущественных наук. Поэтому кремний подвергают очистке с помощью различных физических методов, одним из которых является зонная плавка. Зонная плавка, зонная перекристаллизация, кристаллофизический метод рафинирования материалов, который состоит в перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного твёрдого стержня из рафинируемого материала. Зонной плавке можно подвергать почти все технически важные металлы, полупроводники, диэлектрики, неорганические и органические соединения — свыше 120 веществ.

        Первое упоминание о применении зонной плавки относится к 1927, когда этот метод был использован для очистки железа. Обычно зонную плавку проводят в тиглях из особо чистого графита, но для кремния такой способ не подходит из-за высокой температуры его плавления (1420^оС) и интенсивного химического взаимодействия кремния и материала аппаратуры. Зонную плавку кремния выполняют так называемым бестигельным методом в установках вертикального типа.

       Слиток, изготовленный сплавлением порошкового кремния сырца полученного восстановлением хлоридов в водороде, закрепляют в зажимах, которые могут перемещаться вверх, вниз и вращаться. Чтобы кремний не окислялся, рабочую камеру установки (вертикальную кварцевую трубу) продувают азотом или водородом в течение всего процесса. Затем кремний расплавляют с помощью кольцевого индуктора, перемещаемого сверху вниз со скоростью 1 мм/мин. Плавлению подвергается узкая область слитка. Жидкая зона не растекается и удерживается между твердыми областями за счет сил поверхностного натяжения. Примеси, стремясь остаться в жидкой фазе, уходят из той части слитка, который, охлаждаясь, начинает затвердевать. Многократно повторяя процесс, примеси оттесняют от одного конца слитка к другому, после чего загрязненную часть его отрезают. для лучшего перемешивания расплавленного кремния (расплава) верхнюю и нижнюю части слитка вращают в разные стороны.

Схема бестигельной зонной плавки.

          Бестигельная зонная плавка осуществляется в вертикальной трубе 1, в которой устанавливается подлежащий очистке стержень 2. Нагреватель 3 располагается вокруг стержня снаружи или внутри трубы. Диаметр зонноочищенных слитков кремния достигает 35—50 мм, бериллия, железа — 25 мм, ванадия —15 мм.

         Очищенный таким образом кремний состоит из большого числа маленьких кристалликов и называется поликристаллическим (поли по-гречески — много). Для наших же целей необходим монокристалл (одиночный кристалл) с исключительно правильной, единой для всего слитка кремния кристаллической решеткой. Из учебника физики известно, что «...правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченности строения кристалла. Главное — это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления», что называется анизотропией (от греческих слов анизос — неравный и тропос — направление). Например, слюда легко расслаивается на отдельные пластинки в определенном направлении и гораздо труднее — в направлении, перпендикулярном первому.

          Подобно слюде кристалл кремния проявляет различные свойства в зависимости от направления (кристаллографической ориентации): неодинаково взаимодействует с химическими реактивами, окисляется с разными скоростями и т. д. следовательно, для нас очень важно иметь монокристаллический слиток кремния с определенной ориентацией и заданным типом проводимости (n или р). Такой слиток может быть получен при вытягивании монокристаллического кусочка кремния, называемого затравкой, из очищенного и расплавленного кремния.

            В этот расплав с учетом типа проводимости добавлены элементы третьей или пятой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева.  Затравка закреплена на вращающемся вокруг своей оси стержне и медленно поднимается. Атомы кремния достраивают  кристаллическую решетку  и таким образом формируется монокристалл. Процесс в какой-то мере похож на выращивание больших кристаллов поваренной соли из раствора, в который опущена нитка с маленьким кристалликом соли. При осуществлении этого процесса очень важно выдержать условия выращивания монокристалла: температуру расплава, скорость вращения и вытягивания.

             В противном случае будет получен слиток с большим числом дефектов, т. е. несовершенной кристаллической решеткой. Примерами таких дефектов могут служить отсутствие атома в узле кристаллической решетки (вакансия), лишний атом в междоузлии, внедренный в решетку чужой атом (замещенный) и т. д. Это самые простые, т. е. точечные дефекты. Могут быть и более сложные линейные дефекты — дислокации, представляющие собой смещение слоев кристалла относительно друг друга. Смещения образуются, если один слой атомов не достроен и образовалась полуплоскость. Смещение плоскостей (слоев) по винтовой линии носит название винтовой дислокации и относится к объемным дефектам.

Еще более неприятным моментом является перемещение (миграция) дефектов под воздействием повышенной температуры, электрического поля и других факторов, что приводит к неуправляемому изменению свойств полупроводника и параметров элементов микросхем (дрейф параметров).

                     Из сказанного становится очевидной важность получения кремния в виде монокристалла с минимальным числом дефектов и вполне определенным типом проводимости. Такие слитки поступают на  завод-изготовитель, где и выполняется длительная и кропотливая работа по созданию полупроводниковых микросхем.

Сколько физики, только в разговоре о далеко не всех стадиях изготовления ИС.

И какой «гимн» человеческому разуму и трудолюбию.

XI Феномен человека в познании мира.

Что «осталось неизученным».

                                                                                    Если тебе всё понятно –

                                                                                  значит,  тебе не всё сказали.

               В первой главе, когда говорилось о часах, было замечено, что для их создания достаточно было знать механику, земную и небесную. Компьютер – более сложное изобретение.

             Алгебра, логика, электроника, сложнейшие технологии, новейшие достижения различных отраслей науки: от физики до лингвистики и психологии, положили начало и продолжают совершенствовать ЭВМ.

Компьютер «разделяют» на «железо» и «софт». Первый термин используется для обозначения всех устройств и элементов, из которых состоит компьютер (печатные платы, транзисторы, провода, накопители на магнитных дисках и т.п.), включая также полное руководство по сборке. Термин «софт» относится к различным программам, которые могут выполняться на компьютере.

          Подобный подход очень напоминает, начавшиеся с Декарта, «деление» человека на «тело» и «сознание». Теория Декарта на века определила точку зрения по этому вопросу, выявив защитников и противников «разделения», или равнодушных, с молчаливого согласия которых, как известно, творится множество преступлений.

             Наше время – время изменения научной парадигмы, «избытка» информации по всем вопросам, снова подняло вопрос о человеке. Например, компьютеризация серьёзно поставила вопрос об искусственном интеллекте (ИИ). Но, чтобы создать ИИ, нужно понять: «А что же такое наш собственный интеллект?» Загадка природы нашего мышления, стимулирует исследования в области познания человеческого мозга. Мы можем дать объяснение памяти компьютера, но не знаем механизмов собственной памяти.

         Человечество познаёт себя, постигая окружающий мир, частью которого является  им же созданная техника, к которой относится  также  «железо» и «софт» компьютера,  Но в любом восприятии, важны начальные установки, цель. Если главной целью и ценностью будет человек, знание будет формироваться вокруг этого стержня. Если же это будет техника, можно потерять человека,  просто сделав вывод, что если компьютер – это кремний плюс программа, то человек – это углерод плюс нейроны.

Собственно полемика по этому поводу уже ведётся  и сторонников достаточно с обеих сторон.

      В течение данного курса мы вели в большей степени параллельный разговор: философский и физический. Общей базой (или контекстом) для разговора были «человек» и «компьютер». В продолжение нужно сделать качественный скачок к синтезу.  К сожалению, сделать это сразу, автору не представляется целесообразным, по причине «оторванности» данных познавательных областей в сознании большинства учащихся. Целью курса было «хорошо понять», а не «хорошо выучить», ибо только на этой основе возможен творческий синтез.

     Итак, наш курс был подготовительным этапом к разговору о памяти, эмоциях, программируемости, возможностях познания, ИИ и т.п. А этот разговор без синтеза так, называемых «точных» и «гуманитарных» наук , просто невозможен.

          В разделе о «шифраторах» и «дешифраторах», был упомянут  фильм «Матрица».

Вспомним его содержание. Люди создали искусственный разум ИР (или ИИ), который почувствовал себя очень могущественным и решил, что его превосходство не признают, поэтому нужно истребить всех людей. Уже это положение достойно обсуждения, т.к. фактически утверждает, что ИР обладал эмоциями. У искусственного разума было одно слабое место: он нуждался в солнечной энергии. И люди решили «выжечь небо», чтобы лишить его источника питания. Но ИР нашел выход из положения, сделав людей источниками энергии своей подзарядки. С этой целью он стал выращивать людей.

Виртуальная реальность для своих жертв   — матрица — была смоделирована по образцу мира конца ХХ века. И люди, которые на самом деле были помещены в металлические контейнеры и питались останками своих друзей и близких, были уверены, что живут в типичном американском мегаполисе накануне ХХI века…

     Наверное, уже понятно,  сколько здесь тем для обсуждения, и «непосредственно» физических, и определяющих место человека во Вселенной.