Fragen zu Takt und Verbindungen

[Lukas K. (lukas_k)]

Hallo liebe Community,

vor einiger Zeit habe ich hier schon mal einen Thread zu diesem Thema 
aufgemacht:
Beitrag "Grundlagen IT-Technik und Schaltkreise"
Es ging mir hier um das Verständnis der Schaltnetzen in CPUs.
In der Zwischenzeit habe ich ein sehr verständliches Buch gelesen, das 
eine vereinfachte CPU vorstellt.
http://www.amazon.de/But-How-Know-Principles-Computers/dp/0615303765/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1384008200&sr=8-1&keywords=but+how+do+it+know

Mindestens diese Frage bezüglich des Buchs bleibt dann hier aber noch 
offen:
Der Takt wird hier (wohl stark vereinfacht) als eine Verbindung eines 
NOT-Gatters mit sich selber dargestellt. Die Verzögerung, bis der Strom 
vom Output zum Input kommt, erzeugt den Takt. Wie wird denn in der 
Praxis dann eine Anpassung des Takts/Übertaktung erreicht? Bleibt der 
Taktbaustein dazu unverändert und der Takt wird anderweitig angepasst 
(es gibt ja die Möglichkeit der Übertaktung per Multiplikator) oder gibt 
es spezielle Elemente im Taktbausteine, z.B. Widerstände, die den Takt 
regulieren?

Eine zweite Frage, die ich schon seit längerem habe, aber nicht nur im 
Buch aufkam, betrifft die Verbindungen zwischen Transistoren. Die werden 
eigentlich überall einfach dargestellt. Eigentlich weiß ja jeder, dass 
sich Strom nur in Schaltkreisen bewegt. Sind die Transistoren jetzt in 
Wirklichkeit untereinander jeweils doppelt verbunden, sodass sie 
zusammen immer parallel geschaltet werden, oder erreicht man die 
Kreisbewegung des Stroms mit Halbleitern irgendwie anders?

Gruß
Datalukas

[HildeK (Gast)]

Lukas K. schrieb:
> Der Takt wird hier (wohl stark vereinfacht) als eine Verbindung eines
> NOT-Gatters mit sich selber dargestellt. Die Verzögerung, bis der Strom
> vom Output zum Input kommt, erzeugt den Takt.

Ja. Aber kein seriöser Mensch würde sowas machen. Wie es dort wirklich 
gemacht ist, verrät der Link auf das Buch erst, wenn man es kauft ...

Takterzeugungssystem können sehr komplex sein. Wenn sie einfach sind, 
dann nimmt man so einen Inverter (eher den invertierenden 
Schmitt-Trigger) und beschaltet den mit einem RC-Glied, um die Frequenz 
zu wählen. Fast immer wird aber ein Quarz oder ein fertiger 
Quarzoszillator verwendet.
Für komplexere Systeme (µC, PC etc.) gibt es dann intern im Prozessor 
oder in speziellen Taktbausteinen Frequenzvervielfacher mit PLL sowie 
Frequenzteiler. Je nach Einstellung der Faktoren und Quotienzen kann man 
damit verschiedene Taktfrequenzen erzeugen.

Mit deiner zweiten Frage kann ich gar nichts anfangen ...
Mach doch mal eine Skizze, um zu verdeutlichen, was du da meinst.

[Hululu (Gast)]

>Der Takt wird hier (wohl stark vereinfacht) als eine Verbindung eines
>NOT-Gatters mit sich selber dargestellt.

Ganz recht. Das ist eine einfache Möglichkeit einen Takt zu erzeugen. 
Die Betonung liegt hier auf einfach. Ein Nachteil ist, das der Takt 
damit recht stark temperaturabhängig ist. Diese Schaltung wird in 
handelsüblichen CPUs nicht verwendet. Sie wird in dem Buch nur verwendet 
um überhaupt eine konkrete Taktquelle zu bezeichnen die mehr als eine 
Black Box ist.
Dennoch kann man sie mal zum Test für irgendetwas verwenden.

>Die Verzögerung, bis der Strom vom Output zum Input kommt, erzeugt den >Takt.

Nein. Es handelt sich um Spannungssteuerung. Aber wesentlich ist dieser 
Gesichtspunkt nicht wirklich in diesem Zusammenhang.

>Wie wird denn in der Praxis dann eine Anpassung des Takts/Übertaktung >erreicht?

Anpassung des Taktes an was oder wen?
Aber ich beantworte die Frage mal als wenn sie so gestellt worden ist: 
Wie kann der Takt verändert werden?

Solch eine Taktschaltung wird, wie oben geschrieben in der Regel nicht 
verwendet. Falls aber doch, dann gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. 
Man kann die Anzahl der Inverter verändern, was die Frequenz verändert. 
Was meinst Du, was geschieht, wenn man zwei zusätzliche Inverter 
hinzufügt?
In Bezug auf reale Schaltungen aber ist die Frage nicht relevant.

In realen Schaltungen ist eine feste Taktfrequenz bisher die häufigste 
Variante. Eine Veränderung zu Design-Zeit kann z.B. durch die Wahl eines 
bestimmten Quarzes erfolgen.
Variable Frequenzen, falls sie denn doch einmal als notwendig erachtet 
werden (z.B. STM32) können durch steuerbare Taktteiler erreicht werden.
Unüblich bei CPUs (soweit ich weiss) aber technisch möglich wären auch 
sogenannte "Spannungsgesteuerte Oszillatoren" (im englischen VCO 
"Voltage controlled oscillator").

Je nach Schaltungstechnik wäre auch die Veränderung der Frequenz über 
Widerstände möglich (Wien-Brücken-Oszillator). Allerdings sind solche 
Schaltungen in CPUs eher unüblich weil sie eher instabil, mindestens in 
Bezug auf die Amplitude sind. Dagegen gibt es zwar auch Gegenmaßnahmen, 
aber üblich sind eher Quarzoszillatoren mit steuerbaren Taktteilern.

Das Thema Oszillatoren ist schon für sich ein Kapitel. Du solltest Dir 
wenigstens einen groben Überblick per Wikipedia oder einem 
Grundlagenbuch der Elektronik verschaffen.

Bei CPUs ist das Hauptkriterium eher Stabilität als Veränderbarkeit.


Was Deine zweite Frage, nach den "Stromkreisen" betrifft, so ist in der 
Tat immer ein Stromkreis notwendig. Zwar werden nicht grundsätzlich alle 
Transistoren parallel geschaltet, aber im wesentlichen stimmt Deine 
Annahme.
Es ist nur so, dass das Zeichnen "aller" Verbindungen gerade den 
Schaltplan von digitalen Schaltungen schnell unübersichtlich macht. Da 
jedem bewusst ist, das ein Transistor eine Verbindung zum Minuspol und 
eine weitere zum Pluspol benötigt, werden diese Verbindungen oft als 
solche zu einem entsprechenden einpoligen Symbol in der Nähe des 
Transistors gezeichnet. Üblich sind etwa Kreise für den Pluspol und ein 
waagerechter, starker Strich für den Minuspol. Es wird vorausgesetzt das 
sämtliche Symbole für Plus mit einem gemeinsamen Potential in der 
Realität verbunden sind. Ebensolches gilt für alle anderen einpoligen 
Symbole. Siehe Wikipedia mit Suchwort "Schaltsymbole".

[Lukas K. (lukas_k)]

Danke für die Antworten. Mit Quarzoszillatoren sollte ich mich dann mal 
beschäftigen...

Was die zweite Frage angeht, @Hululu kann ich dir z.B. dieses Bild 
zeigen:
http://math.uni-heidelberg.de/logic/bb/Informatik2/Script/Skizzen-1/Schaltkreis.gif

Es ging mir nur darum, ob die Verbindungen zwischen den Gattern nur 
zwecks Übersichtlichkeit einfach dargestellt werden (muss ja ein 
Stromkreis sein) oder ob das einen anderen Grund hat.

[HildeK (Gast)]

Lukas K. schrieb:
> Es ging mir nur darum, ob die Verbindungen zwischen den Gattern nur
> zwecks Übersichtlichkeit einfach dargestellt werden (muss ja ein
> Stromkreis sein) oder ob das einen anderen Grund hat.

Es ist insofern vereinfacht dargestellt, dass man die Masse- und 
Versorgungsanschlüsse weggelassen hat. Das ist für das logische 
Verständnis nicht notwendig, ebenso wenig sind es die Signalpegel. Es 
geht nur um 'HIGH' oder 'LOW', 'WAHR' oder 'FALSCH', '0' oder '1' - wie 
auch immer man es nennen will. Ob die Pegel 5V, 3.3V oder 1.0V sind, 
interessiert zunächst nicht, genauso wenig wie die Ströme, die da 
fließen.
Es handelt sich hier auch nicht um einzelne Transistoren, wie in deiner 
ursprünglichen Frage, sondern um Gatter. Bei Transistoren ist (fast) 
immer alles gezeichnet.

[Hululu (Gast)]

>Es ging mir nur darum, ob die Verbindungen zwischen den Gattern nur
>zwecks Übersichtlichkeit einfach dargestellt werden (muss ja ein
>Stromkreis sein) oder ob das einen anderen Grund hat.

Aha. Es geht nicht um Transistoren sondern eine Gatterschaltung.

Nun, es handelt sich hier um eine weitere Vereinfachung. Das ist 
richtig. In diesem Plan ist die Stromversorgung völlig weggelassen 
worden.

Aber in Deiner Frage schwingt eine Unterstellung mit, die man 
richtigstellen sollte. Ich meine nämlich herauszulesen, dass Du meinst, 
eine korrekte, vollständige Zeichnung würde so, wie in meiner 
angehängten Skizze aussehen, in der jeweils zwei Verbindungen zwischen 
den Gattern gezeichnet sind, damit "der Stromkreis geschlossen ist". Ich 
habe zusätzlich rote Linien eingezeichnet um die "scheinbar" notwendige 
zweite Verbindung zu kennzeichnen. Weiter habe ich blaue Lininen mit 
Pfeilen eingezeichnet um den Stromfluss zu kennzeichnen. Die blauen 
Linen sind von den schwarzen und roten abgesetzt; sie sollen aber den 
Stromfluss in eben diesen schwarzen und roten Linien symbolisieren. Ich 
habe auch nur einen Ausschnitt von Deinem Bild genommen.

Das beruht, falls es denn Deine Ansicht ist, auf einer Fehlannahme.
Der Strom fliesst nämlich entlang ganz anderer Bahnen die in dem Bild 
wegen der Vereinfachung nicht eingezeichnet sind. Die Zeichnung soll 
nur, wie HildeK schon schrieb, die "prinzipielle" logische Struktur 
zeigen; das ist kein Schaltplan.

Würde man aus dem Bild einen Schaltplan machen, so sähe er (fast) wie in 
meinem zweiten Anhang aus. Dort sind die Stromversorgungsanschlüsse der 
Gatter sowie die Stromquellen und Senken der "Stimuli" a und b 
eingezeichnet zusammen mit Schaltern.

In dem dritten Bild habe ich zusätzlich den Stromfluss eingezeichnet 
(Genau habe ich hier die sog. "technische Stromrichtung" eingezeichnet. 
Schaue bitte mal im Netz nach dem Unterschied zwischen "technischer" und 
"physikalischer" Stromrichtung.

Wie Du siehst ist der Strom-"Kreis" über die Stromversorgungsanschlüsse 
geschlossen. Das ist die zweite und dritte Verbindung zwischen den 
Gattern.

Aber, wie schon gesagt, der von Dir gezeigte Plan ist nur dazu da die 
logische Struktur zu zeigen. Deswegen sind die Details wegen des 
Stromflusses hier garnicht eingezeichnet.

Schlussendlich ist also eine zweite Verbindung zwischen den Gattern, 
alos zur ersten paralellen Verbindung garnicht notwendig. Der Stromkreis 
wird über die Stromversorgungsanschlüsse "geschlossen".

[Wolfgang (Gast)]

Lukas K. schrieb:
> Es ging mir nur darum, ob die Verbindungen zwischen den Gattern nur
> zwecks Übersichtlichkeit einfach dargestellt werden (muss ja ein
> Stromkreis sein) oder ob das einen anderen Grund hat.

Gatter sind keine Schaltelemente, die man mit Knoten- und Maschenregel 
berechnen kann. Die Symbole stellen logische Funktionen und keine 
Stromkreise dar. So ziehmlich alle Digitalschaltkreise, wenn man mal von 
wired-or o.ä. absieht, brauchen immer eine Versorgungsspannung.

[Lukas K. (lukas_k)]

Ja, mir war natürlich schon bewusst, dass jedes Element nochmal extra 
mit Strom versorgt wird. Es ging jetzt nur darum, wie der Stromfluss in 
den Verbindungen erzeugt wird, aber das wurde ja auch beantwortet.
Und nochmal extra Vielen Dank an Hululu, dass du extra noch Skizzen 
gezeichnet hast.