حافظه فقط خواندني (ROM (Read-Only Memory یکی از اجزای اصلی تشكيل دهنده کامپیوتر است
فقط کامپیوتر از وجود ROM بهرهمند نیست. بلكه در بسیاری از دستگاههای دیجیتالی اطراف ما از ROM استفاده میشود.ROM دارای پنج نوع اصلی است:
• ROM
• PROM
• EPROM
• EEPROM
• Flash Memory
هر کدام از این حافظهها تواناییهای متفاوتی دارند ولی خاصیت مشترک تمام آنها این است که اطلاعات آنها با خاموش و روشن شدن کامپیوتر از بین نمیرود. اطلاعات این حافظهها در حالت عادی غیر قابل تغییر است و برای تغییر آن نیاز به عملیات خاصی است.
ROM:
اگر از کارکرد RAM اطلاع داشته باشید ،میدانید که RAM برای ذخیره اطلاعات از جدولی که هر سطر و ستون آن شماره خاصی دارد و آدرس هر بیت شماره و سطر ستون است، استفاده میکند. و RAM در هر بیت یک خازن دارد که خالی بودن آن صفر و پر بودنش یک طلقی میشود و از ترانزیستور برای پر و خالی کردن خازن استفاده میکند. ولی ROM به جای خازن و ترانزیستور از «دیود» استفاده میکند. به این ترتیب که اگر آن بیت دارای یک باشد سطر و ستون با دیود به هم متصل میشوند و اگر صفر باشد اصلاً به هم وصل نمیشوند.
همان طور که گفته شد اطلاعات ROM هنگامی که در کارخانه ساخته میشود بر روی آن قرار میگیرد. دیود جریان را در یک جهت هدایت میکند و دارای یک محدودیت برای عبور جریان است. در پردازشگر و حافظهها این ولتاژ 0.6 ولت است. به این ترتیب هر جریانی که بالا تر از این حد باشد به سطر و ستون مربوط میرود و یک بیتِ «یک» محسوب میشود. اگر بیت «صفر» باشد، اصلاً در آن بیت دیودی وجود نخواهد داشت و جریان از آن نقطه عبور نمیکند. همین عدم عبور جریان باعث میشود که آن بیت به صورت «صفر» خوانده شود.
همانطور که گفته شد اطلاعات ROM در هنگام ساختن آن در داخل خود حافظه قرار داده میشود و قابل تغییر نیست. اگر یک بیت از اطلاعات به صورت غلط ثبت شود باید حافظه را عوض کرد. به همین دلیل ساختن ROM کاری پر خطا است و نیاز به تست دقیق هر کدام از آنها دارد. ولی ارزانی آن دلیل استفاده گسترده از ROM است. ROM همچنین برق بسیار کمی مصرف میکند. مثال خوبی از یک ROM ساده، عروسکهای موزیکال است. موزیک چند ثانیهای این عروسکها در داخل یک ROM به کوچکی ناخن انگشت شماست و دارای اطلاعات ملودیهایی است که باید از بلندگو پخش شود.
PROM:
ساختن ROM در تعداد کم وقتگیر و گران است. به همین دلیل ROMهایی به نام PROM (Programmable Read-Only Memory) ساخته میشود که قابل اطلاعات دهی توسط خود کاربر است. این کار با استفاده از وسیله ای به نام Programmer انجام میشود. توجه داشته باشید که بعد از مقدار دهی به بیتهای PROM دیگر نمیتوان آن را تغییر داد.
ساختار PROM مانند ROM است. با این تفاوت که در هر بیت ( سطر-ستون) یک فیوز وجود دارد. وقتی که PROM خالی است تمام بیتها « یک» است. هنگام نوشتن اطلاعات Programmer با فرستادن ولتاژ معینی فیوزهای مربوط به بیت «صفر» را میسوزاند و باقی فیوزها را سالم نگه میدارد. PROM به شدت به الکتریسیته ساکن حساس است و قرار گرفتن آن در محیطی که دارای بار الکتریکی ساکن است باعث سوختن فیوزها میشود.
EPROM:
اینکه فقط میتوان یک اطلاعات را روی ROM و PROM ذخیره کرد کمی کار را مشکل میسازد.(EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory این مشکل را حل کرده است. این نوع ROM را میتوان بارها پر و خالی کرد. این کار نیازمند وسیله مخصوصی است که فرکانس معینی از نور فرا بنفش را از خود گسیل میکند.
همانند همه ROM ها ، EPROM هم از همان روش سطر و ستون استفاده میکند. مانند یک ماتریس.در EPROM هر خانه حافظه دارای دو ترانزیستور است که توسط یک لایه اکسید از هم جدا شدهاند. یکی از این ترانزیستورها Floating Gate (درگاه شناور) نام دارد و دیگری Control Gate (درگاه کنترل) نام دارد. Floating gate توسط Control gate به هر سطر مرتبط است. وقتی این ارتباط وجود دارد مقدار «یک» است. برای صفر کردن مقدار به روشی به نام Tunneling نیاز داریم. این روش برای جابجا کردن الکترونهای درون Floating Gate کاربرد دارد. جریانی به بزرگی 10 یا 13 ولت از ستون رد میشود و به این درگاه میرود. وسیلهای به نام Cell Sensor جریان عبوری از Floating Gate را اندازه گیری میکند. اگر این مقدار بیشتر از 50 درصد جریان ورودی به سطر باشد آن بیت «یک» محسوب میشود. اگر این مقدار کمتر از 50 درصد باشد مقدار بیت صفر میگردد. برای خالی کردن اطلاعات EPROM نیاز به انرژی بالایی داریم که الکترونهای بین دو ترانزیستور را به حرکت در بیارد و آنها را تخلیه کند. معمولاً این کار توسط نور فرابنفش با فرکانس 253.7 هرتز انجام میشود.
چون این فرکانس فرابنفش توانایی نفوذ به داخل پلاستیک و شیشه را ندارد این نوع حافظه دارای صفحهای از جنس کوارتز است. وقتی EPROM را پاک میکنیم تمام اطلاعات آن پاک میشود. اگر صفحه کوارتز آن بیش از حد در معرض نور فرابنفش قرار گیرد، صفحه اکسید توانایی ذخیره الکترون را از دست میدهد.
EEPROM و Flash Memory:
تمام دردسرهایی که برای تغییر اطلاعات در EPROM انجام داده میشود با استفاده از این نوع ROM از بین رفته است. چون برای پاک کردن اطلاعات نیاز به جدا کردن حافظه و قرار دادن آن زیر دستگاههای مخصوص نداریم و میتوان بیتهایی را که برای پاک کردن نیاز داریم را مشخص کنیم و دیگر نیازی به پاک کردن تمام بیتها نداریم.
برای پاک کردن هر بیت دیگر نیازی به نور فرابنفش نیست و با ایجاد یک میدان الکتریکی میتوان الکترونها را از ترانزیستورها جدا کرد.
همچنین میتوان پاک کردن را بیت به بیت انجام داد. این کار با سرعت کمی انجام میشود.
به همین دلیل نوعی از این حافظه که Flash Memory نام دارد ساخته شد. این نوع حافظه اطلاعات را در ابعاد 512بیت پاک میکند.
فرض کنید که شما مدیر یک شرکت یا بخشی از یک اداره هستید و باید برای هر یک از کارمندان خود یک کامپیوتر و نرمافزارهایی را خریداری کنید. خرید نرمافزارها مستلزم خرید لیسانس نرمافزارها نیز هست. این امر میتواند به یک کابوس برای مدیران شرکتها تبدیل شود. مدیرین دسترسی به نرمافزارها و مدیریت هزینههای نرمافزاری و سختافزاری یکی از سختترین کارهای مدیران در سازمانهای بزرگ است.
البته به زودی پایانی برای این کابوس وجود خواهد داشت. شما به جای نصب چندین نرمافزار بر روی چندین کامپیوتر، تنها یک نرمافزار را یک بار اجرا و بارگذاری میکنید و تمامی افراد از طریق یک سرویس آنلاین به آن دسترسی پیدا میکنند. به این پروسه "پردازش ابری" یا در اصطلاح انگلیسی Cloud Computing میگویند.
در پردازش ابری تنها وظیفهای که بر عهده کامپیوترهای شخصی است، ارتباط برقرار کردن با ابر است که به سادگی اتصال به یک سرور اینترنت است و از آنجا به بعد تمام کارها توسط ابر کامپیوتری پردازش میشوند.
اگر از سرویسهای ایمیل تحت وب استفاده می کنید، هر روز به درون یک ابر کامپیوتری قدم میگذارید! با استفاده از این سرویسها، اطلاعات و پردازشهای ایمیل بر روی کامپیوتر شما اجرا نمیشود و توسط یک ابر کامپیوتری کنترل و مدیریت میشود.
معماری پردازش ابری
وقتی از پردازش به صورت یک ابر حرف میزنیم بهتر است که یک ابر کامپیوتری را در دو قسمت فرض کنیم: بخش انتهایی و ابتدایی. این دو قسمت توسط یک شبکه به هم متصل میشوند. این شبکه معمولاً اینترنت است.
بخش ابتدایی همان قسمتی است که کاربران مشاهده می کنند و اطلاعات و شکل ظاهری نرمافزارهاست. بخش انتهایی همان "ابر" کامپیوتری است که پردازشها را در بر میگیرد. نرم افزاری که برای ارتباط با بخش انتهایی مورد استفاده قرار میگیرد نیز جزو بخش ابتدایی است.
بخش انتهایی یا همان ابر، از چندین کامپیوتر و سرور و واحدهای ذخیره تشکیل شدهاست. از نظر نرمافزاری، ابر دارای هر گونه نرمافزاری می تواند باشد. و در این میان نیز کامپیوتری وظیفه مدیریت ابر و نظارت بر ترافیک و تبادلات اطلاعات را دارد.
در داخل خود کامپیوترها نرم افزارهای چند منظورهای (رابط / Middleware) نیز وظیفه تنظیم پردازشها و ارسال اطلاعات به ابر را دارند.
با بیشتر شدن تعداد کاربران یک ابر، اطلاعات نیز به همین ترتیب بیشتر میشود. برای ذخیره اطلاعات زیاد در ابعاد کارهای یک شرکت، نیاز به واحدهای ذخیره بسیار پیشرفته و پرحجمی است. در بعضی از ابرها از تمام اطلاعات داخل شبکه یک کپی گرفته میشود و آن را به عنوان Backup نگه داری میکنند تا در صورت ایجاد اخلال در ابر، بتوان از آن استفاده کرد.
شاید فکر کنید که چرا یک شرکت یا یک شبکه از کامپیوترها باید اطلاعات و پردازشها و تراکنشهای خود را به شبکه دیگری بسپارد؟ در زیر به این سوال پاسخ میدهیم.
• با استفاده از پردازش ابری، کاربران میتوانند از هر کجا و در هر زمان از اطلاعات استفاده کنند و به ابر وارد شوند.
• پردازش ابری هزینههای سنگینی که شرکتها برای سختافزار متحمل میشوند را کاهش میدهد. دیگر نیازی به خریدن هارد دیسکهای پرظرفیت و پردازشگرهای پیشرفته ندارید.از طرفی نیاز به فضاهای ذخیره Physical نیست و با قرار دادن اطلاعاتتان بر روی ابزار ذخیره دیگر تنها هزینه اجاره و دسترسی به اطلاعات خود را میپردازید.
• هزینه خرید نرمافزارها نیز تا حد زیادی کم میشود. زیرا دیگر نیازی به خرید یک نرم فزار برای هر کاربر نیست. تنها یک نرمافزار که برای پردازش ابری طراحی شدهاست برای تمام یک مجموعه کافی است.
تنها نگرانی پردازش ابری، امنیت اطلاعات و نفوذپذیری این سیستم است. در صنعت IT اولین عاملی که موفقیت یک سیستم را تظمین میکند امنیت اطلاعات است.
پردازش ابری در ابتدای راه خود است و شرکتهای زیادی در این زمینه در حال سرمایه گذاری هستند. در صورت رفع مشکلات امنیتی این روش، پردازش ابری توجهات زیادی را به خود جلب خواهد کرد.
چطور صفحه نمایش LCD کار می کند ؟
هر روز نمایشگرهای کریستال مایع یا LCD:Liquid Crystal Display را در اطراف خود میبینید. از تلفن همراهتان گرفته تا ساعت دیجیتالی یا نمایشگرهای تلویزیون و کامپیوتر.
نام کریستال مایع کمی نا آشنا و غیر معمول به نظر میرسد چون تصوری که از کریستال داریم مادهای سخت و کاملاً جامد است. بیایید در این مورد بیشتر بدانیم و سپس به سراغ معرفي صفحه نمایش LCD برویم.
همه ما میدانیم که سه حالت ماده وجود دارد. جامد، مایع و گاز. مولکولهای جامد در قید نیروی بین مولکولی هستند و به همین دلیل با نظم مشخصی جسمي معمولاً سخت را تشكيل ميدهند. در مقابل مولکولهای مایع از نیروی جاذبه مولکولی کمتری برخوردار هستند ولی باز هم این نیرو به اندازهای است که آنها را با هم متحد قرار دهد و مانند گاز آزادانه در محيط، به صورت بينظم حرکت نکنند.
در این میان بعضی مواد حالتی بین مایع و جامد به خود میگیرند. به این معنی که هم مانند جامد در قید نیروی بین مولکولی هستند و هم مانند مایع به حالت سیال حرکت میکنند. کریستال مایع بیشتر به حالت مایع تمایل دارد تا جامد.
با این حال مقدار گرمایی که برای مایع کردن کریستال جامد نیاز است تقریباً زیاد است. به همین دلیل است که صفحه نمایشهای LCD در دماهای مختلف رفتار غیر عادی از خود نشان میدهند.
با توجه به نوع کریستال، انواع مختلفی از کریستال مایع وجود دارد. نوعی از کریستال مایع که از آن در ساخت LCD استفاده میشود نسبت به عبور جریان رفتارهای مختلفی از خود نشان میدهد. یکی از این رفتار عبور و گسیل نور از خود است.
کریستالهای مایع را به دو دسته تقسیم میکنند. نوعی از آن گرما گرا هستند و به تغییرات گرمایی واکنش نشان میدهند. نوع دیگر به تغییرات شیمیایی واکنش نشان میدهند.
نوع اول را نیز از نظر ساختار مولکولی به دو نوع تقسیم میکنند. نوعی که در شکل گیری در محیط به حالت تصادفی شکل میگیرد و نوع دیگری که خود حالت مشخص و آرایش مخصوصی دارد.
شکل گیری نوع دوم بستگی به اثر یک عامل خارجی دارد. این عامل میتواند یک جریان الکتریکی باشد و یا یک قالب فیزیکی که کریستال تحت آن شکل گیرد. كريستال مايع معمولاً حالتي گره مانند به خود ميگيرند ولي با عبور جريان رشتههاي آنها از يكديگر باز ميشوند و به صورت منظم شكل ميگيرند.
در ساخت LCD چهار موضوع کلی وجود دارد:
• اینکه نور میتواند قطبی شود
• کریستال مایع میتواند نور را تغییر و از خود عبور دهد
• ساختار کریستال مایع با عبور جریان تغییر میکند
• و اینکه موادی شفاف وجود دارند که جریان را از خود عبور میدهند
برای ساخت LCD ابتدا نیاز به دو شیشه قطبی شده (Polarized) نیاز داریم. روی طرفی از شیشه که قطبی نشده است مادهای پلاستیکی کشیده میشود. این ماده باعث میشود تا شبکههایی بر روی سطح شیشه ایجاد شود.
سپس بر روی این لایه پلاستیکی، لایهای از کریستال مایع نیز کشیده میشود. شبکههای تشکیل شده از پلاستیک به کریستال مایع شکل و فرم میدهند. سپس صفحههای شیشه قطبی شده که با روکشهای پلاستیکی و کریستالی آماده شدهاند را در ردیفهای عمودی و افقی در مقابل یکدیگر قرار میدهند.
با عبور نور از هر كدام از لايهها، سرعت و زاویه لرزش آن تغییر میکند. در انتها اگر زاویه و جهت گیری نور با شبکه تشکیل شده از پلاستیک بر بروی صفحه انتهایی مطابق باشد، نور از آن عبور میکند.
همانطور كه گفتيم با القاي جريان به كريستال مايع شكل گره مانند آن باز ميشود. در اين حالت نور را در زاويه و جهت گيري متفاوت با خطوط شبكه مانند لايه بيروني قرار ميدهد و نور را از خود عبور نميدهد و آن قسمت از كريستال تاريكتر به نظر ميرسد.
کریستال مایع به هیچ عنوان از خود نور گسیل نمیکند. به همین دلیل برای تشکیل تصویر به غیر از القای جریان، نیاز به منبع خارجی نور نیز داریم.
برای درک بهتر این مطلب به یک ساعت دیجیتالی نگاه کنید. قسمتی از صفحه که اعداد در آن نمایش داده نمیشوند روشن است. این نوع صفحههای LCD معمولاً دارای منبع نور خارجی نیستند و تنها نور محیط را بازتاب میدهند. سپس با القای جریان در کریستال مایع از انعکاس نور در قسمتی که میخواهیم آن را نمایش دهیم جلوگیری میکنیم و به جای ایجاد تصویر با روشن کردن، با خاموش کردن مناطقی از صفحهای روشن تصاویر را نمایش میدهیم.
این نوع LCDها برای صفحه نمایشهایی مناسب هستند که تصاویری مشخص را همواره نشان میدهند. صفحههای 7 قسمتی یا 7Segment مثال مناسبی برای این نوع است.
در LCDهای رنگی از نوعی نور فلورسنت استفاده میشود و صفحهای گسترده از این نوع لامپ نور را به طور مساوی میتاباند تا از متناسب بودن تصویر اطمینان حاصل شود.
LCDهای ماتریسی نیز نوع دیگری از نمایشگرهای LCD هستند. برای ساخت اینگونه LCDها از دو لایه شیشهای به استفاده میشود.
به یکی از این شیشهها ردیف و به دیگری یک سطرها متصل میشوند. هر سطر به یک مدار مجتمع متصل میشود و هر کدام از نوعی ماده شفاف رسانا ساخته شده است. به این ترتیب با فرستادن جریان به هر پیکسل، کریستال مایع از هم باز میشود و نور را عبور نمیدهد. این نوع LCD مشکلات بزرگی از جمله زمان طولانی برای پاسخ دارد.
صفحه نمایشهایی که تصاویر رنگی را نشان میدهند دارای سه زیر- پیکسل سبز و آبی و قرمز هستند. برای ساخت هر پیکسل یک مدار مجتمع و یک خازن نیاز است. برای یک لپتاپ ساده که LCD آن 768×1024 پیکسل دارد 2359296 خازن و IC استفاده شده است. مشکلی که در این میان رخ میدهد این است که اگر تنها یکی از ترانزیستورها و یا خازنها به صورت دقیق کار نکنند قسمتی از صفحه از کار میافتد.
با فراگیر شدن استفاده از LCD و بزرگتر ساختن و بیشتر کردن پیکسلها، شانس داشتن ترانزیستورها و خازنهای معیوب بیشتر میشود و سازندگان هم اکنون به دنبال رفع اینگونه مشکلات و رسیدن به پیکسلهای بیشتر و بالا بردن دقت و کیفیت نمایشگرها LCD هستند.
شاید 10 یا 15 سال پیش بود که همه یک پخش کننده نوارهای VHS را در منزل داشتند. ولی الآن بعد از کمتر از یک دهه DVD تمام فنآوریهای قبل از خود حتی cd را هم پشت سر گذاشته و دیگر جایی برای آنها نیست.
قابلیتهای بسیار زیاد و ارزان بودن آن نسبت به حجم بالایش DVD را به یک فنآوریهای معمول و روزمره تبدیل کرده. در اینجا سعی میکنیم به اساس کار این فنآوری اشارههایی بکنیم.
یک DVD ساده حدود هفت برابر یک CD ظرفیت دارد. این ظرفیت بالا جا را برای فرمتهای با کیفیت تصویر و صدا مانند MPEG-2 باز میکند.
بهتر است بدانیم که DVD قابلیتهای زیر را دارد:
• میتواند 133 دقیقه تصویر متحرک با دقت بالا در حالت LetterBox یا Pan-and-Scan را با 720 پیکسل افقی ضبط کند. (در MEPG-2 فشرده سازی 40/1 است)
• 8 لایه مختلف صدا را از 5 کانال پخش میکند.
• 32 زیر نویس مختلف را همراه تصویر پخش کند.
• میتواند 8 ساعت موسیقی را با کیفیت CD ضبط کند.
• DVD میتواند دارای فهرست باشد.
زخامت DVD همانند CD است و از موادی مشابه ساخته میشوند و همانند CD اطلاعات و بیتها توسط شیارها و پستی بلندیها بر روی آن ذخیره میشود.
ابتدا پلاستیک به دورن قالبی تزریق میشود. سپس لایه بازتاب دهندهای با سطح آن اضافه میشود و پشت این لایه با ورقه نازکی از آلومینیوم محافظت میشود و لایه نیمه بازتاب دهندهای نیز به خارج آن اضافه میشود.
با تغییر محل لایهها و اضافه کردن لایهها انواع مختلف DVD به شکل زیر در میآید.
بر روی DVD شیارها به صورت مارپیچ و از درون به بیرون کشیده شدهاند. هر شیار با شیار کناری 740 نانومتر فاصله دارد. هر شیار 320 نانومتر ضخامت دارد و هر پستی بلندی 400نانومتر طول و 120 نانومتر زخامت دارد.
همین میکروسکوپی بودن ابعاد در DVD ظرفیتهای بالایی را ایجاد میکند. اگر میتوانستیم شیارهای یک DVD را باز کنیم و و در خطی مستقیم قرار دهیم شیارهای یک دیسک دوطرفه دولایه به 48 کیلومتر میرسد.
DVD به دلیل دارا بودن تراکم بیشتر شیارها و فاصله کمترشان با هم و همچنین چند لایه بودن اطلاعاتش میتواند چندین برابر یک CD اطلاعات ذخیره کند.
برای قرار دادن تصاویر متحرک بر روی DVD نیاز به سیستم فشرده سازی داریم. گروه متخصصان تصاویر متحرک یا MPEG فرمت و فنآوری فشرده سازی برای این دیسکها بوجود آوردهاند که MPEG-2 نام دارد و مناسب و سازگار با DVD است.
فیلمهای سینمایی معمولاً با 24 فریم بر ثانیه ضبط میشوند. به این معنی که هر ثانیه 24 تصویر ضبط میشود و در سینماها نیز به همین ترتیب پخش میشود. در آمریکا و ژاپن سیستم پخش تصاویر NTSC است و تصاویر با 30 فریم بر ثانیه پخش میشوند و در سکانسهای 60تایی. کشورهای دیگر از سیستم PAL استفاده میکنند که تصاویر را با 50 سکانس بر ثانیه نشان میدهد ولی در کیفیت بالاتری.
به دلیل همین تفاوتها MPEG-2 برای هر کدام از این سیستمها باید برنامه ریزی شود. همچنین هر فریم از تصویر نیز باید با این سیستمها منطبق باشد. به غیر از سیستم NTSC و PAL سه طریقه دیگری برای ضبط اطلاعات تصاویر وجود دارد:
• ضبط درون فریمی (IntraFrame): با این روش اطلاعات هر فریم از جمله صدا و تصویر آن فریم به صورت جداگانه ضبط میشود. این سیستم ضبط فضای بیشتری را اشغال میکند.
• ضبط پیش بینی شده (Predicted) : این سیستم اطلاعاتی از چند فریم اولیه را به صورت IntraFrame ضبط میکند و باقی فریمها را بر اساس پیش بینی پخش میکند.
• دو سویه(bidirectional) با استفاده از این روش اطلاعات هر فریم از روی فریمهای قبلی و بعدی آن محاسبه میشود.
DVD قابلیت ضبط صدا را هم دارد. فایلهای صوتی بر روی DVD را میتوان با 192 هرتز SamplingRate و دقت 24 بیت ضبط کرد.
بازخوان DVD نیز مانند CD از سه قسمت ساخته میشود و هر قسمت یک کار را انجام میدهد. یک موتور دیسک را میچرخاند. یک لیزر بر روی هر شیار حرکت میکند و یک حس گر نور بازتابها را میخواند و آنها را به سیگنالهای دیجیتالی تبدیل میکند.
نيمه رساناها را در درون دستگاههاي گوناگوني يافت ميكنيد. اساس ساخت پردازشگرها و ريز پردازندهها و تمام دستگاههايي كه به نحوي اطلاعات و عملیاتی را پردازش میکنند، نیمه رساناست. از کامپیوتر شخصی شما گرفته تا پخش کننده mp3 و دستگاههای عکسبرداری پزشکی MRI. [پیش از MRI]
نیمه رسانا در سادهترین شکل خود یک «دیود» (Diode) یا یکسو کننده است و برای درک ساختار نیمه رساناها بهتر است از مطالعه روی دیود شروع کنیم. در ادامه به چگونگی ساخت دیود میپردازیم.
سیلیکون یکی از عناصر سازنده زمین و بعد از اکسیژن بیشترین فراوانی را در پوسته زمین دارد به طوری که 25.7٪ از جرم پوسته زمین از سیلیکون تشکیل شده است.
سیلیکون عنصر چهاردهم جدول تناوبی عناصر است و با نماد Si شناخته میشود. سیلیکون در حالت آزاد به صورت جامد سخت و شفافی یافت میشود.
کربن، ژرمانیم و سیلیکون (ژرمانیم نیز مانند سیلیکون یک نیمه رسانا است) همگی خواص مشابهی در لایه ظرفیت الکترونی خود دارند که آنها را از باقی عناصر متمایز میسازد. دارا بودن 4 الکترون در اربیتال آخر آنها و نیمه پر بودن لایه ظرفیت خواصی مانند تشکیل کریستال و خاصیتها ترکیبی منحصر بفردی را برای این عناصر بوجود آورده است.
شبکه یونی در کربن به شکل کریستال شفاف است ولی در سیلیکون به شکل جامد نقرهای رنگ است.
فلزات به دلیل دارا بودن الکترونهای آزاد در لایه ظرفیت خود معمولاً رساناهای خوبی برای جریان برق هستند. با اینکه بلور سیلیکون شبیه فلز است ولی خواص فلزی ندارد.
الکترونها لایه خارجی در سیلیکون در قید جاذبه بین یکدیگر هستند و در ضمن گاف انرژی در بین لایههای پر و خالی برای انتقال الکترون کافی نیست.
تمامی این شرایط را میتوان تغییر داد و میتوان سیلیکون را تبدیل به ماده دیگری کرد که خواص رسانایی الکتریکی را داشته باشد. این کار طی پروسهای به نام ناخالص سازی انجام میشود.
در این روش به شبکه یونی سیلیکون ناخالصیهایی اضافه میشود.
ناخالصیهایی که به ساختار شبکه سیلیکون اضافه میشود را میتوان با دو دسته تقسیم کرد:
• نوع N: با اضافه کردن ناخالصیهایی از قبیل فسفر و یا آرسنیک در مقادیر بسیار کم. آرسنیک و فسفر هر دو پنج الکترون در لایه ظرفیت خود دارند به همین دلیل الکترون پنجم لایههای ظرفیت آنها میتواند به عنوان الکترون آزاد عمل کند و کار انتقال جریان را انجام دهد. این نوع سیلیکون رسانای خوبی است. الکترون بار منفی و یا Negative دارد به همین دلیل به این نوع N میگویند.
• نوع P: در اینجا عناصر بور و گالیم به سیلیکون اضافه میشوند. این دو عنصر سه الکترون در لایه ظرفیت خود دارند. وقتی به شبکه یونی سیلیکون وارد میشند حفرههایی را ایجاد میکنند که باعث میشود که الکترون سیلیکون پیوند خود را از دست بدهد. وقتی یکی از الکترونها از شبکه یونی خارج شود، خاصیت مثبت الکتریکی در ماده ایجاد میشود. به این ترتیب حفره و یا بهتر بگوییم فضای خالی الکترون میتواند میزبان خوبی برای الکترون از اتم کناری باشد و به این ترتیب جریان میتواند به راحتی در آن شارش کند. از این رو این نوع را P مینامند که این نوع دارای بار مثبت یا Positive است.
مقدار کمی ناخالصی میتواند سیلیکون عایق را به رسانای تقریباً خوبی تبدیل کند. از این رو به آن نیمه رسانا میگویند.
نوع N و P به تنهایی کار زیادی انجام نمیدهند ولی هنگامی که به هم متصل میشوند رفتار الکتریسیتهای جالبی از خود نشان میدهند. با قرار دادن این دو به هم دیود ایجاد میشود.
دیود جریان را تنها در یک جهت از خود عبور میدهد. به همین دلیل آن را یکسو کننده نیز مینامند. قسمت مثبت یعنی P یا حفره به طرف منفی باتری متصل و N یا الکترون به طرف مثبت آن. هیچ جریانی از محل اتصال عبور نمیکند زیرا الکترونها در N و P در خلاف یکدیگر حرکت میکنند.
اگر باتری را در جهت دیگر متصل کنید الکترونهای قسمت N توسط قطب منفی دفع و حفرههای P توسط قطب مثبت دفع میشوند. در محل اتصال حفرهها و الکترونها به هم میرسند و محل حفرهها با الکترونها پر میشود و جریان در محل اتصال شارش میکند.
از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن میسازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده میشود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت میباشد.
اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید میسوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور میدهد. به این ولتاژ آستانه شکست گفته میشود.
در ادامه به کاربردهای دیودها و ترانزیستورها میپردازیم. تا اینجا دریافتیم که دیود وسیلهای است که جریان را در جهتی حرکت میدهد در حالی که در جهت دیگر آن را متوقف میکند.
کاربردهای زیادی از همین خاصیت میشود. برای مثال وسایلی که نیروی محرکه الکتریکی آنها از باتری تأمین میشود دارای دیود هستند و اگر باتری را در جهت اشتباه بزنید دیود جلوی عبور جریان را میگیرد و به دستگاه آسیبی نمیرسد. 
ترانزیستور مجموعهای از دیودهای متصل به هم است. این اتصالها که معمولاً به صورت NPN و یا PNP انجام میشنوند به صورت یک سوئیچ عمل میکند. شاید فکر کنید که با این کار دیگر هیچ مقداری جریان از ترانزیستور گذر نمیکند. دقیقاً همینطور است.ولی اگر جریان به محل میانی ترانزیستور داده شود میتواند جریان بسیار کمی را به جریان زیادی در یک جهت تبدیل کند.
همین واقعیت است که خاصیت سوئیچ بودن را به ترانزیستور میدهد و میتواند با جریانی کم روشن و خاموش شود.
با استفاده از همین حقایق امروزه میلیونها ترانزیستور پردازشگرها را تشکیل میدهند که در حقیقت میلیونها سوئیچ متصل به هم هستند.
همانطور که میدانید اساس دیجیتال واحدهای باینری یا صفر-و-یک است. به این ترتیب این سوئیچها میتوانند میلیونها محاسبه و عملیات منطقی را انجام دهند که میتواند به پردازشهای بزرگی ختم شود.
چطور MotherBoard کار میکند؟
اگر به داخل كامپيوترتان نگاهي بيندازيد، يك صفحه بزرگ را ميبينيد كه تمام قطعات ديگر به آن متصل است
MotherBoard يا بورد مادر، قطعهاي از كامپيوتر است كه تمام اجزاي ديگر به آن متصل ميشوند و از اين طريق با پردازشگر ارتباط برقرار ميكنند و برق مورد نياز خود را از آن ميگيرند.
MotherBoard ها از بيست سال پيش تا به حال تغييرات زيادي كردهاند. ابتداييترين نوع آنها تنها داراي يك پردازشگر و چند ورودي ساده بود. فلاپي ديسك نيز از اين طريق به MotherBoard متصل ميشد.
امروزه MotherBoard ها داراي قابليتهاي پيش ساخته زيادي هستند. در اينجا به چگونگي كار MotherBoard ميپردازيم.
اساساً MotherBoard محل نسب پردازشگر است و با داشتن وروديها به باقي سخت افزارها اين اجازه را ميدهد كه به پردازشگر متصل شوند.
نظم و محل قرار دادن اين وروديها و درگاهها FormFactor نام دارد. اين نظم تمام MotherBoard ها را در قالب يك استاندارد نگاه ميدارد. FormFactor شامل بخشهاي مختلف است. اين كه چه نوع پردازشگر (CPU) براي كدام نوع MotherBoard است، جزء اصلي اين استاندارد است. Chipset (مجموعه تراشه) يكي از قسمتهاي مهم MotherBoard است و از دو «پل» به نامهای NorthBridge و SouthBridge تشکیل میشود. این دو قسمت پردازشگر را به قسمتهای دیگر کامپیوتر متصل میکند و جزء این استاندارد است.
دیگر اجزای این استاندارد تنظیم کننده ورودی و خروجی (BIOS:Basic Input/Output System) است که سختافزار کامپیوتر را چک ميکند و هربار که کامپیوتر روشن میشود یک تست قطعات به نام POST را اجرا میکند. باطری سخت افزاری کامپیوتر نیز تحت این استاندارد معین میشود.
ورودیها و درگاههای MotherBoard عبارتند از:
• (Peripheral Component Interconnect (PCI:
کارتهایی مثل کارت گرافیک و صدا و یا کارت شبکه را در بر میگیرد.
• (Accelerated Graphics Port (AGP:
نوع AGP کارت گرافیکها را متصل میکند.
• (Integrated Drive Electronics (IDE:
مخصوص هارد دیسکها و سخت افزار ذخیره مثل دیسک درایوها است.
• USB و FireWire:
یا بر روی خود MotherBoard وجود دارد و یا باید یک کارت مجزا برای بهرهمندی از آن به کامپیوتر اضافه کرد.
• MemorySlot:
درگاه حافظههای کامپیوتر است.
MotherBoardهای جدید دارای تکنولوژیهایی مثل RAID هستند. RAID یا Redundant Array of Independent Drives به کامپیوتر این قابلیت را میدهد که تمام درایوها را به عنوان یک درایو و دیسک ذخیره بشناسد.
سری سوزنهای پردازشگر به PGA معروف است. در گذشته تمام MotherBoardها و پردازشگرها دارای استاندارد یکسانی بودند. به این معنی که هر پردازشگری به هر MotherBoard متصل میشد. ولی امروزه دو سازنده اصلی پردازشگرهای کامپیوتر، Intel و AMD هر کدام استاندارد مخصوص خود را ایجاد کردهاند.
معروفترین این استانداردها عبارتند از:
• Socket478: پردازشگرهای اینتل و سلرون قدیمی
• Socket754: برای پردازشگرهای AMD Sempron و Athlon AMD
• Socket939: برای پردازشگرهای جدیدتر AMD Athlon
• SockerAM2: سری جدید AMD Athlon را پشتیبانی میکند
پردازشگرهای جدید اینتل دارای PGA نسیتند. به این معنی که سوزنها روی خود MotherBoard وجود دارند. این استاندارد به(LGA(Land Grid Array معروف است. در قدم بعدی پردازشگر با سخت افزار دیگر ارتباط برقرار میکند. در ادامه به چگونگی کار Chipset (مجموعه تراشه) با پردازشگر میپردازیم.
همان طور که پیش تر گفتیم دو نوع مجموعه تراشه عبارتند از SouthBridge و NorthBridge. تمام قطعات باید از طریق این دو قطعه با پردازشگر ارتباط برقرار کنند.
NorthBridge از طریق مسیر جلویی (Front Side Bus) به پردازشگر متصل میشود و دارای یک کنترل کننده حافظه(Memory Controller) است که به پردازشگر قابلیت دسترسی سریع به حافظه را میدهد. NorthBridge با AGP و همچنین حافظه ارتباط برقرار میکند.
SouthBridge سرعت کمتری دارد و اطلاعات در مرحله آخر به آن میرسند. USB، PCI و IDE از طریق آن به پردازشگر دسترسی پیدا میکنند.
همانند ورودی پردازشگر، مجموعه تراشه نیز باید مناسب پردازشگر باشد. مجموعه تراشه از اجزای غیر قابل تعویض MotherBoard است.
گذرگاهها(BUS) وسایل ارتباط بین بخشهای مختلف MotherBoard هستند. هرچه سرعت انتقال اطلاعات از این گذرگاهها بیشتر باشد، در نتیجه سرعت کار تمام سخت افزارها بیشتر خواهد بود. سرعت گذرگاه با مگاهرتز سنجیده میشود.
سرعت گذرگاه معمولاً سرعت گذرگاه جلوی کامپیوتر را مشخص میکند. این گذرگاه پردازشگر را به NorthBridge متصل میکند. سرعت FSB از 66مگاهرتز تا 800مگاهرتز تغییر میکند. FSB در سرعت کامپیوتر تأثیر زیادی دارد.
گذرگاههای دیگر MotherBoard عبارتند از:
• گذرگاه عقب BackSide Bus پردازشگر را به CacheL2 متصل میکند.
• گذرگاه حافظه (MemoryBus) ؛ SouthBridge را به حافظه متصل میکند.
• گذرگاه IDE ،SouthBridge را به هارد دیسک متصل میکند.
• گذرگاه PCI و AGP نیز از انواع دیگر گذرگاهها هستند که کارت گرافیک و ورودی PCI را به SouthBridge و حافظه متصل میکنند.
چطور کارت گرافیک کار میکند؟
تصاویری که روی صفحه نمایش کامپیوترتان میبینید از میلیونها نقطه(Pixel) تشکیل شده است.
اینکه چه تصویری توسط این نقاط تشکیل میشود توسط کارت گرافیکی کامپیوتر مشخص میشود. برای اینکار نیاز به ترجمه و تبدیل اعداد «صفر و یک» به تصاویر قابل نمایش برای مانیتور است.
اساس کار کارت گرافیکی بسیار پیچیده است ولی طرح کلی عملیاتی که توسط این قسمت از کامپیوتر انجام میشود قابل فهم است.
پردازشگر و برنامهای که تصاویر را از نظر نرم افزاری تشکیل میدهد؛ اطلاعات را به کارت گرافیک میفرستند. برای تشکیل تصاویر سه بعدی کارت گرافیک، همانند یک عروسک ساز عمل میکند. ابتدا طرحی کلی از تصویر ایجاد میکند و سپس شروع به پر کردن فضای تصویر میکند. این کار شامل حجم دهی، نور پردازی و سایه دادن به تصاویر میباشد. برای تشکیل تصاویر پویا یک بازی کامپیوتری ابتدایی، کارت گرافیک این عملیات را 60بار در ثانیه تکرار میکند.
ابزار کار کارت گرافیک عبارتند از:
• اتصال به Motherboard برای تأمین برق و دریافت اطلاعات
• پردازشگر مخصوص برای اینکه هر پیکسل به چه صورتی و در کجا ظاهر شود
• یک حافظه برای ذخیره اطلاعات تصاویر به صورت موقتی
• یک نمایشگر که تصاویر روی آن تشکیل شود
مانند ساختار کلی کامپیوتر، کارت گرافیک نیز از یک پردازشگر و یک RAM تشکیل میشود. به علاوه یک BIOS که نوعی حافظه است که اطلاعات و تنظیمات کار کارت را در خود نگاه میدارد.
پردازشگر کارت گرافیک با پردازشگر کامپیوتر کمی تفاوت دارد. این پردازشگر که به واحد پردازش گرافیکی یا GPU:GraphicProcessUnit معروف است، عملیات هندسی و پردازشهای ریاضیاتی پیچیدهای را انجام میدهد. به همین دلیل معمولاً دمای سطح این نوع پردازشگرها بالاست و همواره در زیر فنهای خنک کننده قرار میگیرد.
کارت گرافیک دارای برنامه ریزی مخصوصی است که چگونگی پردازش اطلاعات جزو آن است. برای بهبود بخشیدن به تصاویر، GPU از دو روش معمول زیر استفاده میکند:
• Full Scene Anti-Aliasing:
که لبههای (Edge) تصاویر سه بعدی را از بین میبرد و تصاویر را نرم تر جلوه میدهد.
• Anisotropic Filtering:
تصاویر سه بعدی را پویا تر میسازد.
RAM کارتهای گرافیکی وظیفه ذخیره اطلاعات هر تصویر پردازش شده را بر عهده دارد. بخش دیگری از این RAM به این صورت کار میکند که منتظر اطلاعات پردازش شده میشود و زمانی که نوبت به نمایش آنها میشود تصاویر را به خروجی میفرستد. به این کار Buffering میگویند. این نوع RAM بسیار سریع کار میکند و با دو درگاه به کارت متصل میشود.
کارت گرافیک از طریق Motherboard با CPU ارتباط دارد و برق خود را نیز از Motherboard میگیرد. کارت گرافیکهایی که قابلیتهای پردازش بالاتری دارند مستقیماً به منبع تأمین برق متصل میشود. این تصال به یکی از سه صورت PCI، PCIe و AGP انجام میشود.
خروجی اکثر کارت گرافیکها DVI و VGA است. DVI معمولاً برای اتصال به مانیتورهای LCD مورد استفاده قرار میگیرد؛ در حالی که از VGA برای اتصال کارت به مانیتورهای لامپ تصویر دار استفاده میشود. بعضی از کارت گرافیکهای مجهزتر دارای ورودی و خروجیهای S-video وViVo و FireWire و USB هستند.
برای انتخاب یک کارت گرافیک خوب به سادگی میتوان سریعترین و پرحافظهترین کارت را خریداری کرد. ولی بسته به کاری که به کامپیوتر انجام میدهید شاید یک کارت گرافیک ساده برای شما مناسب باشد و یا نیاز به کارت گرافیک بسیار قوی با Tuner داشته باشید.
معیار سنجش قدرت یک کارت گرافیک تعداد تصاویری است که در یک ثانیه توسط آن پردازش میشود. همانطور که میدانید تصاویر پویا از تصاویر ساکن تشکیل میشود. چشم انسان تنها 25تصویر ثابت در ثانیه را میبیند و آن را به صورت پویا میبیند. ولی بعضی از برنامههای گرافیکی یا بازیها دارای صحنههایی با 60تصویر ثابت در ثانیه هستند. این معیار به نام FPS(Frame Per Second) معروف است. هر Frame نیز از دو قسمت تشکیل میشود. یکی توانایی پردازش مقاطع هندسی که قابلیت پردازش هر صفحه از هر شکل هندسی را معین میکند و دیگری توانایی تشکیل پیکسلها در یک ثانیه.
