Hardver elemek Memória-típusok RAM (Random Access Memory): írható és olvasható memóriák, melyek tartalma a gép kikapcsolása után elvész. Két nagy csoportjukat különböztetjük meg: Statikus (S-RAM): flip-flop áramkörökből épül fel, feltöltése után tartalmát megőrzi a kikapcsolásig. Dinamikus (D-RAM): kondenzátorokból készül, így a feltöltés után folyamatos frissítésre szorul. ROM (Read Only Memory): csak olvasható memóriák, melyek gyárilag programozottak valamely speciális feladat elvégzésére. Ilyenekben tárolja a számítógép azokat az adatokat, amelyekre egész élete során változatlanul lesz szüksége. PROM - Programozható ROM (Programmable ROM): olyan csak olvasható memória, amely a gyártáskor még nem tartalmaz adatokat, azokat a felhasználó égeti rá egy speciális készülék segítségével az első használat előtt. Az ebbe beírt adatok nem törölhetőek és nem írhatók felül. EPROM - Törölhető PROM (Erasable PROM): olyan ROM, melynek tartalmát ultraibolya fény segítségével módosíthatjuk. Előnye az előbbi típussal szemben, hogy az adatainkat, programjainkat aktualizálhatjuk. Az EEPROM (Electrical EPROM) memória már elektromos úton törölhető újraírás előtt. FLASH memória: programozása és törlése elektronikus úton, blokkonként (és nem bájtonként) történik az EEPROM egy speciális változata. A modern számítógépekben az egyszerű frissíthetőség miatt ilyenekben tárolják a BIOS-t. A ROM-hoz hasonlóan nem igényel energiaellátást a tartalom megőrzéséhez, de már a számítógép maga tudja írni a tartalmát. MOSFET PC-k legfontosabb építőköve a MOSFET-nek nevezett tranzisztortípus: n FET, pfet Mikor a tranzisztort elkészítik a szilícium lapka felületén, a következő szerkezetet alakítják ki: A (lila) szilíciumban kialakítanak két vezető csatornát (kék), a felületén egy szigetelő réteget(sárga) és fémezéssel egy vezérlőelektródát (piros). Ezeket a szilíciumba diffúzióval bejuttatott "szennyező" atomokkal hozzák létre. Ilyen pl az arzén és az indium. A szigetelő réteget a szilícium oxidálásával állíthatják elő, ami SiO2, vagyis üveg. A MOSFET úgy működik, hogy mikor a "Gate" vezérlőelektródára feszültséget kapcsolunk, a térerősség hatására a két vezetőcsatorna között áram indul meg a szigetelő és a szilícium határfelületén. (sárgalila határ). Vagyis a két csatorna összeköttetésbe kerül, a tranzisztorunk bekapcsol. BB 1
Alapvetően két típusa létezik a MOSFET-eknek: az N-csatornás pozitív, a P-csatornás negatív vezérlő feszültség hatására kapcsol be, vagyis ellentétesen működnek. Innen ered a Complementer MOS, CMOS elnevezés. Dinamikus RAM Az is látszik a fenti ábrán, hogy, ha sikerül elektronokat juttatni a Gate-re, azok ott maradnak, hiszen a szigetelő rétegen keresztül nem tudnak eltávozni, vagyis a tranzisztor megőrzi bekapcsolt állapotát, míg nem avatkozunk be ismét. Lásd az alábbi ábrát: Az S1 kapcsolóval elektronokat juttatunk a Gate-re a negatív tápból, majd a kapcsolót bontva a MOSFET akár hónapokig is bekapcsolva marad, ráköti az 1,8V-ot az ellenállásra, így a kimenet logikai "1"-ben lesz. Ezzel el is tároltunk 1 bitet. Az elektronokat ilyenkor a lilával berajzolt parányi kondenzátor tárolja, amit nem kell külön a MOSFET mellé legyártani, az a MOSFET gyártásakor, mint parazita kondenzátor létrejön. A memória-cellánkat az S0 kapcsolóval törölhetjük, ekkor kisütjük a kondenzátort. A valóságban soha nem integrálnak a chip felületére ellenállást (persze, csak, ha az nem elkerülhetetlen), mivel a MOSFET sokkal kisebb méretben elkészíthető, az ellenállás létrehozása további technológiai lépéseket jelent, pontatlanok, és a fogyasztást is megnövelik: bekapcsolt Q1-nél folyik áram az R1 ellenálláson. Ezért CMOS fetekből rakják össze az áramköröket. Ilyenkor az egymás feletti tranzisztorokból egyszerre mindig csak az egyik van nyitva, így egyik logikai állapotban sincs áramfelvétel. A problémát az okozza, hogy a szilícium lapkán nem lehet ilyen tökéletes kapcsolókat kialakítani. A kapcsolók feladatát is MOSFET-ek látják el, amiknek mindig van egy kis szivárgási áramuk (sárga nyilak): BB 2
Emiatt a parányi kondenzátor rövid idő alatt vagy kisül, vagy feltöltődik attól függően melyik kapcsolónk szivárog jobban. A fenti példában Q3 szivárgási árama nagyobb mint Q4-é, ezért rövid időn belül a beszivárgó elektronok Q1-et kinyitják, Q2-t lezárják, így a kimenet - az eredeti tartalomtól függetlenül - logikai 1-be kerül. Vagyis a memória-cella tartalma elvész. Ezért azt kell csinálni, hogy a memória tartalmát még időben ki kell olvasni, és újra beírni, amit sűrűn ismételni kell: FRISSÍTENI kell a tartalmát. (néhányszor 10ms). A vezérléstől eltekintve 1 bit eltárolásához 2 db tranzisztor kellett. FLASH ROM Ha a fenti kapcsolásban elkezdjük a beíró-feszültséget növelni, előbb-utóbb (néhány voltnál) a MOSFET Gate-jén lévő feszültség átüti a (sárga) szigetelő réteget, és a tranzisztor tönkre megy. Nagyon pontosan beállított feszültségnél, és megfelelően kialakított tranzisztornál az átütés létrejön, de a tranzisztor még épp nem megy tönkre. A feszültséget lekapcsolva, a térerősség megszűnésével az éppen a szigetelő-rétegben lévő elektronok csapdába esnek. Megszűnt a térerősség, ami kicibálná őket onnan. Így ugyanaz az eset áll elő, mintha a vezérlő elektródán lévő elektronok hoznák létre a vezetést. Most viszont a szigetelőbe beágyazódott elektronok a kapcsolótranzisztorokon keresztül sem tudnak elszivárogni, az így beírt tartalom szinte örök időkre megmarad. A kezdeti "tönkremenős" próbálkozásból az is látszik, hogy ez nagyon igénybe veszi a szigetelő réteget - roncsolja -, és idővel menthetetlenül a tranzisztor tönkremeneteléhez vezet. Törölni eleinte csak UV-fénnyel lehetett ezeket a ROM-okat. A néhány percnyi ionizáló sugárzás vezetővé tette a szigetelő réteget, így az elektronok elszivároghattak. (EPROM: IC, kis kvarc ablakkal a közepén.) Ezért is ROM a nevük: Read Only Memory. Nem állandó írásra törlésre szánták. P2-es és korábbi alaplapok ilyenekben tárolták a BIOS-t. Mikor megoldották, hogy elektromos úton is lehessen törölni, a BIOS már frissíthető lett, megjelentek az SD, CF, stb kártyák, Pendrive-ok, majd az SSD-k is. A probléma viszont továbbra is fenn áll a korlátozott élettartammal, bár az eleinte jellemző 100-1000 írási-törlési ciklus jócskán megnőtt. Mint a fenti ábrán is látható, egy 8-bites cellába adatot úgy írhatunk be, hogy amelyik bitet 1-be akarjuk írni, ott a hozzá tartozó kapcsolót 1-be állítjuk, amelyiknél 0-át, ott a kapcsolót békén hagyjuk. BB 3
A probléma az, hogy amelyiknél 0-át akarunk írni és ezért a kapcsolót nem működtetjük, ott valójában nem nullát írunk, hanem a bit eredeti értékét változatlanul hagyjuk. Ha a Byte eredeti tartalma ez volt:00000001 Majd ezt írjuk be új értéknek a fenti módszerrel:00000010 Eredményként ezt fogjuk kapni:00000011 Ami hibás. Tehát a következőt kell tenni: Eredeti Byte:00000001 Törlés:00000000 Beírás: 00000010 Az eredmény: 00000010 A flash memóriák lehetnek NOR vagy NAND típusúak: A NOR memóriák párhuzamos adathozzáférést tesznek lehetővé. Gyors, véletlenszerű elérést biztosítanak, a memória bármelyik pontjára lehet írni, és onnan olvasni. Ebből a memóriából akár egy-egy bájt is kiolvasható. A NAND memóriák soros hozzáférésűek. Az adatokat sorban olvassák, a memóriát kisebb blokkokban kezelik. Ezt a típusú memóriát olyan eszközökben használják, melyeknek sok adatot, folyamatosan kell olvasniuk. Ilyenek például a digitális fényképezőgépek vagy az MP3-lejátszók. Statikus RAM Ez jellemzően a processzorok cache-ramja, de a DRAM, és akár az EPROM kiváltására is használják. Ki lehet úgy is alakítani memória-cellát, hogy nem alapozunk a parányi kondenzátorokra. Az alábbi ábrán egy ilyen cella látható: Működése: ha Q1 vezet, R1 logikai "1"-ben van. Ekkor Q2 Gate-jén sincsenek elektronok, mert azok a zöld nyíl irányába el tudnak folyni. Mivel Q2 lezárt állapotban van, R2-n keresztül Q1 Gate-je folyamatos elektron-utánpótlást kap (lila nyíl) a negatív tápból, vagyis stabil állapot alakul ki. BB 4
Ha S0-t egy pillanatra zárjuk, Q1 Gate-jéről elvezetjük az elektronokat, az lezár, R1-en keresztül Q2 Gate-jére elektronok jutnak, ami kinyit, és egyben Q1-et a továbbiakban zárva tartja, az állapot megfordul. Később S1-gyel újra visszabillenthető az egész cella. (Éppen ezért bistabil multivibrátornak is nevezik.) A kapcsolók szivárgási áramát az ellenállásokon átfolyó áramok tudják pótolni, ezért frissíteni nem kell. Ennek következtében jóval egyszerűbb az alkalmazása is. Másrészt, mivel nem kell így a frissítésre időt pazarolni, és kapcsolástechnikailag sem tér el a processzor többi részétől, bírja a szinkron órajelet a processzorral. Csak egy baj van vele: egy bit tárolásához kétszer annyi tranzisztor kell, mint a dinamikus RAM esetén - Az ellenállások helyett itt is tranzisztorokat alkalmazva kijön a 4 db tranzisztor/bit, a DRAM 2 db tranzisztor/bit-jével szemben. Ez rögtön meg is magyarázza, miért a DRAM terjedt el bonyolultabb kezelése ellenére. A feszültség lekapcsolása után elfelejti az adatokat, viszont nyugalmi állapotban csak ua nagyságú áramot fogyaszt, mint egy kvarcóra. Így egy feltöltött kondenzátor, vagy egy pici elem alkalmazásával akár évekig megőrzi a tartalmát. Ezért gyakran láb-kompatibilisre készítik a nekik megfelelő kapacitású ROM-okkal, így azok helyett is alkalmazhatók. (pl ipari vezérlőkben programok tárolása, vagy fejlesztői környezetben programok tesztelése.) Alább egy érdekesség: SRAM, a chip a tokozásába rejtett elemmel: BB 5
A fenti ismertetőben SET/RESET típusú tárolócelláktól eltérően, a gyakorlatban - vezérlés szempontjából - némileg eltér a DRAM és az SRAM, mivel azoknál nem beírás/törlés történik, hanem az adatokat továbbítják a cellák bemenetére. Valamint - természetesen - további kapcsolókkal kell biztosítani a cellák címzését, illetve kiolvasását is. Még egy megjegyzés: a parazita kondenzátorok nélkül nagyon nagy bajban lennénk memória-gyártás területén. 1 Giga RAM-ban milliárdnyi kis kondenzátor "dolgozik" nekünk. Viszont jórészt ezek okozzák azt is, hogy egy komolyabb processzor 50-100A áramot vesz fel. Minden órajel-ciklusban feltölteni és kisütni kell őket, ami felesleges veszteség. Memóriahierarchia A számítógépek a működés szempontjából tárolt adatokat dolgoznak fel. Elméleti alapon a legjobb az lenne, ha mindent a lapkában elhelyezett regiszterek tárolnának, ám ez fizikailag kivitelezhetetlen feladat. A processzor azonban nagyságrendekkel gyorsabb egy általános adattároló eszköznél (például merevlemez), vagyis a gyors működés érdekében ki kell alakítani valamiféle hierarchiát, hogy az adatok betöltésével a lehető legkevesebb idő menjen kárba. Itt jön képbe az elérési idő fogalma, mely az az időtartam, ami alatt a megcímzett adat betöltődik. Mértékegysége: nanosecundum (ns), millisecundum (ms). Ez a paraméter jellemzi a rendszerek által használt memóriahierarchia különböző szintjeit: A számítógépek a működés szempontjából tárolt adatokat dolgoznak fel. Elméleti alapon a legjobb az lenne, ha mindent a lapkában elhelyezett regiszterek tárolnának, ám ez fizikailag kivitelezhetetlen feladat. A processzor azonban nagyságrendekkel gyorsabb egy általános adattároló eszköznél (például merevlemez), vagyis a gyors működés érdekében ki kell alakítani valamiféle hierarchiát, hogy az adatok betöltésével a lehető legkevesebb idő menjen kárba. Itt jön képbe az elérési idő fogalma, mely az az időtartam, ami alatt a megcímzett adat betöltődik. Mértékegysége: nanosecundum (ns), millisecundum (ms). Ez a paraméter jellemzi a rendszerek által használt memóriahierarchia különböző szintjeit: BB 6
Regiszterek: nagyon gyors elérési idővel rendelkező memória. Azok az adatok tárolódnak benne, amelyek éppen feldolgozás alatt állnak a processzorban. Gyorsítótár: főleg statikus RAM-ból épül fel. Egyfajta átmeneti tárolóként funkcionál, mivel az operatív tár elérési ideje még mindig aránytalanul magas a regiszterekhez képest. Az operatív tár adatainak azon kis szeletét tárolják, amelyen éppen dolgozik a processzor. Az elgondolás alapja a lokalitási elv, amely kimondja: ha az operatív tárnak egy pontját megcímzik, akkor nagy valószínűséggel a következő címzés is a közelben lesz. Általában több szintre osztják fel a tárakat, így csökkentve az adott lapka előállítási költségét. A gyorsítótár elve, hogy a leggyakrabban használt adatok legyenek nagyon rövid időn belül elérhetőek. Cache az elemi tároló áramkörökből felépülő memória francia elnevezése. A mai számítógép processzorok (a 486-os óta) mindegyike tartalmaz belső cache-t. Operatív tár: itt tárolódnak a futtatott programok által használt adatok. Háttértár és archív tár: Kifejezetten nagy kapacitású memóriák az adatok tárolására tervezve. A programok futtatása szempontjából a sebesség itt másodlagos szempont Memóriaidőzítések A memóriák legfőbb ismert paramétere az órajel, de ennél összetettebb a sebességre vonatkozó kérdés. A lapkákhoz ugyanis még időzítési paraméterek is tartoznak. A könnyebb érthetőség érdekében a memóriát a legegyszerűbb táblázatként, vagy inkább tárolómátrixként elképzelni, a bejegyzések eléréséhez pedig szükség van arra, hogy a memóriacímből oszlopcímet (CAS, vagyis Column Address Strobe), illetve sorcímet (RAS, vagyis Row Address Strobe) állítson elő a rendszer. A gyártók négy fő értéket adnak meg: sorrendben a CL-t, a trcd-t, a trp-t és a tras-t. Ezek pontos definícióját alább lehet olvasni: CAS Latency (CL): meghatározza, hogy a memóriában egy oszlop kijelölése és az adatok kimeneti regiszterbe történő megérkezése között hány órajelnek kell eltelnie. RAS-to-CAS Delay (trcd): meghatározza, hogy hány órajel szükséges a sor meghatározása és az oszlopot megcímző jel elküldéséhez. RAS Precharge Time (trp): meghatározza, hogy hány órajel szükséges az áramkörök feltöltéséhez a sor megcímzése előtt. Row Active Time (tras): meghatározza, hogy hány órajelnek kell eltelnie két különböző sor megcímzése között. A fenti paraméterekből önmagában nem érdemes kiindulni, mivel a memória késleltetését az órajel is befolyásolja. Ennek megfelelően a memória sebessége az órajel és az időzítések együttes értelmezésétől függ. Általánosan elmondható, hogy minél magasabb az órajel, és minél kisebbek az időzítési értékek, annál gyorsabb a memória. Fontos megjegyezni, hogy az integrált grafikus vezérlő processzorba költöztetésével a PC-k érzékenyebbek lettek a memória órajelére, így az alacsonyabb időzítési paraméterek ugyan hoznak a konyhára, de magasabb órajellel több sebességet lehet nyerni, mint alacsonyabb időzítési paraméterekkel. Memóriák elérési ideje A memóriagyártó legújabb termékei rendszerint valamilyen magas órajelű és magas késleltetésű DDR memória, vegyünk példának egy DDR3-2000-es kétcsatornás csomagot (memóriapárt) CL9-es késleltetéssel. CL9-es? Az már jó nem lehet Az órajelet és a késleltetést együttesen kell vizsgálni ahhoz, hogy kiderüljön, mennyire gyors az adott memóriapár, hiszen a két adatból együttesen kiszámolható a memória elérési ideje. A magas órajelű, magas késleltetésű memóriák elérési ideje gyakran ugyanolyan BB 7
mértékű, mint egy alacsonyabb órajelű, ugyanakkor alacsonyabb késleltetésű memóriáé; csak éppenséggel magasabb memória-sávszélességet érhetünk el velük, és jobban bírják a strapát, ha a tuningról van szó. A következő összesítésben az elterjedt DDR3-as memóriák órajeléből és késleltetési értékéből levezetett elérési idő (mondhatnánk ciklusidőt is) van feltűntetve: DDR3-1066 CL6: 11,22 ns ciklusidő DDR3-1066 CL7: 13,1 ns ciklusidő DDR3-1333 CL5: 7,5 ns ciklusidő DDR3-1333 CL6: 9,0 ns ciklusidő DDR3-1333 CL7: 10,5 ns ciklusidő DDR3-1600 CL6: 7,5 ns ciklusidő DDR3-1600 CL7: 8,75 ns ciklusidő DDR3-1600 CL8: 10,0 ns ciklusidő DDR3-1866 CL6: 6,42 ns ciklusidő DDR3-1866 CL7: 7,49 ns ciklusidő DDR3-1866 CL8: 8,56 ns ciklusidő DDR3-2000 CL7: 7,00 ns ciklusidő DDR3-2000 CL8: 8,00 ns ciklusidő DDR3-2000 CL9: 9,00 ns ciklusidő CPU és alaplap Alaplap: egy olyan nagyméretű áramköri lap, mely hordozójául szolgál a legfontosabb részegységeknek. Itt helyezkedik el a központi processzor egység, a memória és különböző kiegészítő kártyák, valamint vezetékeknek nyújt csatlakozási lehetőséget. Az újabb alaplapokon a hangkártyát már csak integráltan találunk, melyek több mint elegendőek az otthoni felhasználóknak, viszont ha professzionálisabb felhasználók vagyunk, akkor szükségünk lehet egy ilyen kártya külön beszerzésére. Központi processzor egység (CPU): azok a színes, néha háromdimenziós csodák, melyeket használat közben a számítógépünkön láthatunk, valójában bonyolult számításoknak az eredménye. Ezeknek a számításoknak egy része valódi aritmetikai művelet, melyeket a gép kettes számrendszerben végez el, másik része pedig logikai művelet, melyekhez egyaránt kell az adatokat ideiglenesen tárolni, feldolgozni és továbbítani. Ez a CPU feladata. Ez az egység irányítja a számítógép működését. Tápegység és hűtőventillátor A számítógép működése során természetes jelenség, hogy a processzorok és a tápegység melegedni kezd. Egy bizonyos hőmérséklet fölött azonban az alkatrészek meghibásodhatnak, károsodhatnak. Ezen nemkívánatos jelenségek kiküszöbölésére találhatók a számítógépben hűtőventilátorok. Általában a processzoron és a videokártya processzorán és a tápegységben találhatók, de esetleg a merevlemez ilyen módon történő hűtése is szükségessé válhat. BB 8
Tápegység: a számítógép működtetéséhez villamos áram is szükséges, így meg kell teremtenünk az elektromos hálózattal való összeköttetését. Azonban a gép egyes elemei különböző feszültséget, illetve csatlakozási lehetőséget igényelnek, ezért szükséges egy olyan egység, mely ezeket az igényeket biztosítja. Videokártyák A videokártya feladata, hogy a monitoron megjelenítendő képet előállítsa. A képernyőn megjelenő kép minősége (színmélysége, felbontása) nem csak a monitortól, de a videokártyától is jelentős mértékben függ. Bizonyos kártyákhoz lehetséges több monitort is csatlakoztatni. Alapfogalmak az adattárolásban Adat: Az adat az információáramlás egysége, tények, fogalmak, jelenségek mértékegység nélküli, jelentésüktől elvonatkoztatott formája. Adatátviteli sebesség: Az információáramlás sebességét nevezzük adatátviteli sebességnek. Leggyakrabban használt mértékegysége a bps (bit per secundum), amellyel az egy másodperc alatt továbbított bitek számát mérjük. Az átvitelt jelllemezhetjük a felhasznált jel értékében 1 másodperc alatt bekövetkezett változások számával is, amit jelzési sebességnek, vagy közismert néven baudnak nevezünk. Bit: A betáplált adatok a lehető legkisebb egységekre lebontva kerülnek tárolásra a számítógépben. A legkisebb adategység a bit (Binary Digit). A számítógépes adattárolás legkisebb önállóan is értelmezhető egysége a bájt (Byte). Napjaink növekvő tárolókapacitásainak köszönhetően már kényelmetlen lenne Byte-ban mérni, ezért alkalmazzuk az SI mértékegységekhez hasonló kifejezéseket: Kbyte (kilo-), Mbyte (mega-), Gbyte (giga-), Tbyte (tera-) A váltószám a különböző mértékegységek között 1024, tehát 1 Mbyte=1024 Kbyte, 1 Kbyte=1024 byte. Minden adattár címezhető memóriaelemekből (rekeszekből / cellákból) tevődik össze. A személyi számítógépek (PC) elterjedésével a szó szervezésű számítógépek helyét a byte szervezésű számítógépek vették át. A memóriahely jelölésére szolgáló sorszámot nevezzük címnek (address). Adattárolók A régebben leginkább két eszközcsatolási szabvány az IDE (Integrated Drive Electronics; vagy PATA Paralel Advanced Technology Attachment), illetve az SCSI (Small Computer System Interface). Az SCSI szabvány használata esetén külön eszközvezérlő egység szükséges. Ezzel a szabvánnyal a géphez 7-32 eszköz kapcsolható. A manapság legelterjedtebb eszközcsatolási szabvány a SATA (Serial Advanced Technology Attachment). BB 9
Órajelek előállítása a PC-ben Mikor a számítógépek processzorai 50 MHz-es tartományban dolgoztak, egyszerűen csak be kellett tenni egy kvarcot, és már ment is minden. Aztán az órajelek emelkedésével az a probléma lépett fel, hogy 100 MHz felett már nem is nagyon van kvarc. Ráadásul a különböző processzorok más-más frekvencián működhetnek, tehát valahogy állíthatónak is kell lenni a frekvenciáknak. Erre már csak rájött a tuningolás, az 1MHz-es lépésekben való állítás igénye. A kvarckristály A kihasított és méretre csiszolt kvarc lapka két oldalát fémezéssel vezetővé teszik, amihez a kivezetéseket csatlakoztatják. Hajlítás hatására a két átellenes oldalán feszültség keletkezik. Ellenkező irányú hajlításkor a feszültség is megfordul. De ez fordítva is igaz: feszültséget rákötve meghajlik. Ha sikerül valami módon "megpendíteni" -mint egy hangvillát- saját frekvenciáján rezeg. A "pendítést" az előbbiek miatt praktikus a rákötött feszültséggel létrehozni. Az így "megpendített" kvarc kristály szigorúan csak a saját rezonancia-frekvenciáján rezeg és a frekvenciának megfelelő váltakozó feszültség is megjelenik a sarkain. Ezért alkalmas nagypontosságú rezgőkörök, oszcillátorok készítésére. Ellentétben a tekercsekkel, kondenzátorokkal sokkal pontosabb, kevésbé hőmérsékletfüggő és időtállóbb. Valamint a jósági tényezője (Q) is nagyságrendekkel nagyobb. A jósági tényezőt azt befolyásolja, hogy a rezgés folyamán minden periódusban energia-veszteség keletkezik két alkalommal: LC tag esetén a rezgés árama kétszer átfolyik a tekercs ellenállásán, kétszer átforgatja a domén-kristályokat a vasmagban, kétszer átforgatja a dielektrikum molekuláit a kondenzátorban. Ezek a súrlódások hőt termelnek, csökkentik a rezgés energiáját, a rezgés lecseng, abbamarad. BB 10
Egy kvarckristály veszteségei nagyságrendekkel kisebbek. Ha ábrázoljuk, kb így viszonyul a kvarc (kék) és egy LC-tag (piros) Q-ja: Természetesen sokféle kvarckristály létezik. Aszerint, hogy az eredeti kristályból milyen irányban hasítják ki és milyen méretben készítik el, befolyásolni lehet rezonálásának módját, ezzel a tulajdonságait. Például a rezonancia-frekvenciáját, a hőfokfüggését, elektromos tulajdonságait. A frekvencia-szintézer A kvarc mellett a másik lehetőség az órajelek előállítására a feszültség vezérelt oszcillátor, ami néhány logikai kapuból, ellenállásból és kondenzátorból elkészíthető. BB 11
Ennek angol neve Voltage Controlled Oscillator, röviden VCO. A VCO úgy működik, hogy a bemenetre adott egyre nagyobb feszültség hatására a C kondenzátor egyre rövidebb idő alatt töltődik fel, így egyre nagyobb a kimeneti frekvencia. Ezzel ugyan GHz-es frekvenciatartományú rezgéseket is előállíthatunk, de az nem stabil. Érzékeny a feszültség-ingadozásokra, az alkatrészek pontosságának szórására, hőmérsékletre, az alkatrészek öregedésére, stb. A fáziszárt hurok, vagyis PLL A megoldást a fáziskomparátor jelenti. Ez is mindössze néhány kapuból áll. A következő a működése: ha a kvarc jele jön be előbb, akkor a hiba idejére a K1 bekapcsolásával növeli a C1 kondenzátort feszültségét, ezzel növeli a VCO bemenő feszültségét, vagyis a frekvenciát. Ha a VCO jele jön be előbb, a K2 kapcsol be, csökkenti C1 feszültségét, ezzel a VCO frekvenciáját. Ha nincs hiba, egyik kapcsoló sem kapcsol, a C1 feszültsége változatlan marad. Ez az alábbi ábrán látható: BB 12
Ezzel a megoldással kvarc-pontosságúvá tettük a VCO-t (és a két rezgés is szinkronban van, fázishelyesek), csak 1 baj van vele: pont ugyanazt a frekvenciát állítja elő, mint a kvarc. Ahhoz, hogy nagyobb frekvenciát állítsunk elő, be kell csapnunk a komparátort egy osztóval. (Egyből egy programozható osztót rajzoltam be.) Így a VCO kimenő frekvenciája annyiszorosa lesz a kvarc frekvenciájának, amennyi az osztó értéke. 1MHz-es kvarcnál, és 8 bites osztónál 1 és 255MHz-es tartományban, 1MHz-es lépésekben állítható lett a frekvencia. (Tulajdonképpen, már elő is állítottuk az FSB-t.) Most már csak a Bios megfelelő regisztereibe be kell írni a szorzási arányokat. Egy alaplap kb. így néz ki (HT nélkül): BB 13
Ezt a megoldást használják a rádiókban és tévékben is (digitálisan hangolt tunerek), mikor csatornát keresünk/kiválasztunk. Egy jól használható ilyen áramkör lehet pl.: a 74HC4046A nevű IC, itt látható a blokkvázlata: BB 14
BB 15