¿Que es una CPU? 2 - Transistores

En la anterior entrega explique muy brevemente que es la lógica matemática, existen muchos dispositivos lógicos que iremos viendo en capítulos mas avanzados. Hoy veremos lo que es un transistor y su funcionamiento.

Anteriormente al transistor la electrónica se realizaba con válvulas de vació, su funcionamiento es muy similar pero su tamaño mucho menor así como su consumo. El transistor ha revolucionado el mundo, no solo porque gracias a el se crean ordenadores y dispositivos lógicos que hacen operaciones matemáticas  también su capacidad para amplificar señales lo hace realmente útil en sonido, emisoras de radio y casi cualquier dispositivo de la electrónica analógica. Este pequeño aparato esta presente en casi cualquier dispositivo electrónico.

Existen dos tipos fundamentales de transistor los BJT mas utilizados en sistemas analógicos por su gran poder de amplificar y los FET o transistores de efecto de campo, estos segundos se subdividen en JFET y MOSSFET, estos últimos son los empleados en electrónica digital, es decir, en nuestros ordenadores. Da gracias al millón de transistores que tiene tu ordenador para poder leer esto.

Existen dos tipos de BJT los NPN y PNP, ambos son similares pero antisimetricos, es decir se deben polarizar a la inversa. Para conocer mas sobre los transistores y su funcionamiento consultar un libro de electrónica o la Wikipedia.

El transistor tiene tres zonas de funcionamiento, si le ponemos una intensidad muy pequeña a la entrada, se comporta como un circuito abierto se denomina corte, es decir no deja circular la corriente, si usamos una intensidad muy alta se comporta como un cortocircuito en la zona de saturación, si tenemos una intensidad intermedia cuanta mas intensidad mas corriente pasa la zona activa.

Si trabajamos en la zona activa nuestro transistor amplifica la señal. En la imagen se observa que hay un capacitor, sin entrar mucho en detalles, esto se utiliza para separar la señal de alterna (los datos en si) de la de continua (la alimentación).

Pero para conocer el funcionamiento de una CPU, no nos interesa tanto la zona activa como las otras dos. Usando intensidades bajas tenemos una salida que sera la tensión de alimentación, si por el contrario ponemos una intensidad alta, la salida sera cero.

 En el anterior capitulo se hizo una analogía entre la electricidad y la lógica con interruptores es decir necesitábamos alguien que presionara una serie de interruptores para ver la respuesta. Con los transistores esta tarea es automática, enlazando unos con otros conseguimos distintos dispositivos lógicos que veremos en el próximo capitulo.

¿Que es una CPU? 1 - Lógica matemática.

Una de las razones por las que estudie ingeniería electrónica fue el motivo de saber como desde algo san simple como es al electricidad llegamos a algo tan complejo como un procesador y ya de ahí ordenadores e incluso videojuegos.

Yo creo que hoy en día todo el mundo sabe como funciona la electricidad, de una batería o desde un enchufe de casa, cerrando el circuito, es decir uniendo el positivo y el negativo de ambos, circula una corriente eléctrica, y nos sirve para encender una luz, dar calor, mover un motor, alimentar un aparato electrónico... Así que a partir de la electricidad, ¿Como se llega a un CPU?.

Para diseñar un CPU lo primero que tenemos que saber es la lógica matemática o álgebras de Boole. Básicamente en lógica tenemos tres operaciones básicas. El AND, OR y el NOT, y con estas operaciones podemos diseñar la teoría de como llegar a construir nuestro ordenador. Actualmente nuestros ordenadores están construidos con semiconductores (más adelante ya se explicara) pero cualquier dispositivo con el que podamos crear las operaciones lógicas nos diseñaría una CPU, como relés, circuitos neumáticos, válvulas de vacío...

Comenzamos viendo las operaciones básicas de la lógica y explicadas con electricidad e interruptores. La primera operación es el AND. Imaginemos que tenemos dos entradas y serán los interruptores S1 y S2, colocados en serie, y la salida seria R la bombilla que hemos instalado:

Los estados de S1, S2 y R solo son ON y OFF, R solo es ON, en el caso en el que S1 Y S2 sean ON. Habréis comprobado que he situado la "Y" en mayúsculas, precisamente por esa "Y" la llamamos AND que es la conjunción "y" en ingles. Ahora mostraremos la tabla de verdad para la función lógica AND, una tabla de verdad muestra las diferentes entradas y los resultados correspondientes:

La siguiente operación logica es OR, en este caso los interruptores S1 y S2, están colocados en paralelo. Para que R tenga un resultado ON, basta que S1 O S2 esten en forma ON. Se llama OR por que es la conjunción "o" quien nos crea dicha operación. 

La tabla de verdad de la función OR será:

Hay que decir que tanto la función OR como AND, han sido representadas con dos entradas pero podemos colocar mas interruptores y con ello mas variables. AND siempre dará OFF, si una de las entradas es OFF y OR siempre sera ON si una de las entradas es ON. Por lo que estas funciones son simétricas.

Por ultimo nos queda la instrucción mas simple, consiste en cambiar en una variable el ON por OFF, y el OFF por ON. Esta instrucción se llama NOT, en un circuito eléctrico se presentaría con un interruptor normalmente cerrado, es decir un interruptor que funciona al revés, si no esta pulsado pasa la corriente y si esta pulsado no pasa.

Y su tabla de verdad, la mas sencillita:

Ahora podemos combinar OR, AND y NOT,  y dar cualquier combinación. De hecho existen mas ecuaciones y operaciones logicas como NAND, NOR, XORT.... pero todas ellas son combinaciones de las formas básicas.

En nuestros modelos con interruptores debemos dar manualmente a los interruptores pero imaginemos que uno de esos interruptores es un un OFF o ON, que depende de ecuaciones lógicas anteriores. Y eso lo veremos en la siguiente parte con los transistores, la tecnología que nos ha dado la electrónica de hoy en día.