CPU - Schwingquarz - Wechselfeld

Ich glaube das ist eher etwas für Nachrichtenelektroniker.

"Der Quarzkristall wird beidseitig mit Elektroden versehen, an die ein von einem Oszillator erzeugtes Wechselfeld angelegt wird. Durch Rückkopplung wird die Frequenz des Wechselfeldes mit der mechanischen Eigenfrequenz des Quarzkristalls in Übereinstimmung gebracht."

und dann

"Wechselfelder sind in Stärke und Polung wechselnde elektrische oder magnetische Felder, die durch Wechselspannung bzw. -strom hervorgerufen werden."

Eingefügt aus http://de.wikipedia.org/wiki/Wechselfeld
Eingefügt aus http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz


Wie ich das lese muss für den Prozessor erst Wechselspannung (?), oder eher pulsierende Gleichspannung, erzeugt werden und dann auch noch ein Wechselfeld, also wechselndes elektrisches oder magnetisches Feld.

Meine Frage ist, wie kommt denn das Feld an die Elektroden des Quarzkristalls? Ein Feld ist doch nicht Leiter gebunden oder bin ich ganz auf dem Holzweg?
Und dann geht’s als Tacktfrequenz in den Prozessor weiter, wahrscheinlich über weitere Schaltungen, mit der Vcore-Spannung und Frequenz des durch den Schwingquarz stabilisierten Wechselfeldes, oder?

also ich hab vermutlich keine ahnung davon

hab nur physik lk in bayern gehabt und mit 12 pkt abgeschnitten xD

hab jetzt auch noch nich wiki gelesen
aber ich glaub der punkt is dass: 1. das wechselfeld entweder magnetisch oder elektrisch sein kann

2 ist ein feld in gewisser weise leitergebunden
elektrisches feld zb an den kondensator, bzw auch bei einem kabel entsteht dann rein theoretisch ein elektrisches feld (ganz kleiner kondensator) und ein magnetisches sowieso

und magnetisches feld wird entweder durch elektromagneten (leiterspulen) oder elementarmagneten


hoffe konnte dir ein ganz minibisschen helfen

Du hast zwei schwingende Komponenten, das Wechselfeld und den Schwingquarz, durch die Verbindung wirkt die mechanische Eigenfrequenz des Schwingquarzes auf das Wechselfeld und passt die Frequenz daran an.

Die Versorgungsspannung der CPU hat nichts mit dessen Taktfrequenz/Frequenzgeneratoren zu tun.

Soweit ich das verstehe und soweit du Informationen bringts ( ) ...
Das sieht für mich folgendermaßen aus.

Dein besagtes Wechselfeld kann man entweder durch einen Funktions/Frequenzgenerator oder händisch mit einem Schwingkreis hergestellt werden.
Je nach Anwendung gleicht man dann Schwingkreis mit dem Quarz ab, oder wie auch immer.

Der Vorteil vom Quarz ist eben idR die extrem feste Frequenz mit der man eben bspw. Schwingkreise abstimmen kann - oder eben bestimmte Apparaturen genau ein- bzw. fest(ein)stellen kann.

edit:
Könnte natürlich auch ne komplett andere Anwendung sein, sprich wie einer der Vorposter meinte von wegen Ab/Umstimmung des Wechselfeldes mit Hilfe des Quarz.

bu1137 schrieb:

Die Versorgungsspannung der CPU hat nichts mit dessen Taktfrequenz/Frequenzgeneratoren zu tun.

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Ok, aber eines stimmt doch: Der Prozessor arbeitet mit der Spannung des Wechselfeldes und dessen Frequenz, sonst müsste ja der Quarz die Frequenz nicht stabilisieren.

Die anderen Antworten gehe ich noch durch, ist nicht so einfach.

Hier sind so Schwingquarze: http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz.
"Der Quarzkristall wird beidseitig mit Elektroden versehen, an die ein von einem Oszillator erzeugtes Wechselfeld angelegt wird."

Dann befindet sich also auf dem Board auch ein Oszillator.

Bin schon länger am Suchen, finde aber keine Gesamtbeschreibung.

quityper schrieb:

Meine Frage ist, wie kommt denn das Feld an die Elektroden des Quarzkristalls? Ein Feld ist doch nicht Leiter gebunden oder bin ich ganz auf dem Holzweg?

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Das Feld muß nicht an die Elektroden rankommen sondern an den Elektroden des Quarzkristalls liegt direkt die Wechselspannung vom Oszilator an. Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung die eine Wechselpannung mit einer bestimmten Frequenz erzeugt. Diese Frequenz wird durch die Werte der verwendeten Widerstände - Kondensatoren bzw. Spulen bestimmt.

Diese Wechselspannung regt den Schwingquarz zu Eigenschwingungen an und damit stabilisiert der Quarz die Schaltung, so das damit wesentlich genauere Taktfrequenzen erzeugt werden können als dies allein mit eine RC oder LC Schwingkreis möglich ist.

Und dann geht’s als Tacktfrequenz in den Prozessor weiter, wahrscheinlich über weitere Schaltungen, mit der Vcore-Spannung und Frequenz des durch den Schwingquarz stabilisierten Wechselfeldes, oder?

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Die Vcore-Spannung hat damit überhaupt nichts zu tun dies ist eine Gleichspannung mit der der Prozessorkern versorgt wird.

Hier kannst du noch etwas über Quarzoszillatoren nachlesen.http://de.wikipedia.org/wiki/Quarzoszillator

Ach jetzt, die Vcore schaltet z.B. die Transistoren und die anderen genannten Schaltungen erzeugen eine stabile Frequenz für die Datenübertragung.

Nein die Vcore versorgt die Transistoren mit einer Gleichspannung. Das Taktsignal schaltet die Transistoren damit die Befehle Schritt für Schritt abgearbeitet werden und die Daten synchron an die weiterverarbeitenden Schaltungen übertragen werden.

und der Quarzoszillator ist ein Bauteil (Quarz + Oszillator).
Ok, jetzt wird es etwas klarer und ich kann jetzt das Gesamtbild weiter verfeinern auch das mit den Transistoren (Vcore und Taktfrequenz=Synchronisation verschiedener Bauteile).

Eines vielleicht noch. Die Taktfrequenz (z.B. 3GHz) suggeriert doch irgendwie auch ein Spannung, wie hoch ist denn die oder ist Spannung hier nicht angebracht.

Danke allen.

Beim Quarzoszillator gibt es verschiedene Varianten, entweder als gemeinsames Bauteil oder der Oszillator ist im Prozessor integriert, meist bei Mikrocontrollern. Bei PC's ist ein seperater Taktgeberchip verbaut.

Ein Taktsignal hat eine Spannung die zwischen 2 Pegeln wechselt (High und Low, oder Digital 1 und 0). Die Spannungswerte müssen in einen Bereich liegen das der Prozessor sie eindeutig unterscheiden kann. Hängt davon ab mit welcher Versorgungsspannung der Prozessor läuft. In der Regel ist der High Wert gleich der Versorgungsspannung.

Die Taktfrequenz (z.B. 3GHz) suggeriert doch irgendwie auch ein Spannung

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Ähm nein, die Frequenz hat die einheit Hz buw 1/sekunde, da ist nichts mit Spannung.

Megatron, Quarzoszillator, PLL, Steuerwerk, 5 Phasen Zyklus sind jetzt ein bisschen klarer aber das Schalten (Vcore und Taktpegel) der Transistoren bekomme ich irgendwie nicht unter. Liegt der Taktpegel (High, Low) an mindestens einem Gate an, sozusagen als Impuls für das Schaltwerk und die Vcore Spannung dann zwischen Source und Drain?
Ein Transistor schaltet ja einen nächsten Transistor usw.. Erst dadurch entsteht ja eine Logikschaltung (Gatter, Schaltwerk).

schau dir einfach mal ein Blockschaltbild eines Mikrocontrollers an.
(z.b. ATMEGA16_16)

der Grobe Aufbau ist gleich wie bei einem Kompletten PC.

dann wird dir vermutlich einiges Klarer.

Das Blockschaltbild bringt mich leider nicht weiter. Versorgungsspannung Vcc ist ein kleiner roter Pfeil. Bilder sind aus http://www.physik.uni-regensburg.de/studium/edverg/elfort/Diplomarbeit_BLiehr.pdf

Intel selber schreibt:
"...Ein Mikroprozessor besteht aus Millionen von Transistoren, winzigen elektronischen Schaltern. Ähnlich einem Lichtschalter haben auch Transistoren zwei „Zustände“: Ein und Aus. Das ist für die Computerentwicklung entscheidend. Je nach Schaltzustand gibt ein Transistor die Information „0“ (Aus, kein Strom) oder „1“ (Ein, Strom) weiter und verarbeitet damit die Nullen und Einsen in der digitalen Welt.

Mit verschiedenen Sequenzen und Mustern von 0 und 1, die von vielen Transistoren erzeugt werden, lassen sich Buchstaben, Zahlen, Farben oder Grafiken in der so genannten binären Schreibweise darstellen...

...Die Funktionsweise eines Transitors (Ein/Aus) sei hier am Beispiel des Feldeffekttransistors (FET = Field-Effect Transistor) beschrieben. Ein FET besteht aus den Anschlüssen Source (engl. Quelle, Zufluss), Gate (Tor, Gatter) und Drain (Abfluss). Der Strom fließt beim Transistor zwischen Source und Drain oder umgekehrt. Das Gate schaltet durch eine Veränderung der Spannung den Transistor ein und aus.

Beim n-type Transistor sind Source und Drain negativ geladen und auf positiv geladenem p-Silizium aufgebracht. Wird das Gate positiv geladen, werden die Elektronen im p-Silizium in den Bereich unter das Gate angezogen und formen einen Strom führenden Kanal zwischen Source und Drain. Legt man nun eine positive Spannung am Drain an, bewegen sich die negativ geladenen Elektronen von der Source zum Drain, der Transistor befindet sich im Zustand „Ein“. Wird die Spannung am Gate abgeschaltet, bricht die Verbindung zwischen Drain und Source ab, der Transistor ist “Aus“..."

Aus http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/emea/deu/424190.htm

Aber leider kann ich nirgends eine genaue Abhandlung finden, wo erklärt wird wo genau
- Taktpegel
- Vcore
anliegen.

Ich begnüge mich halt damit, dass
- Vcore Funktionsgruppen versorgen
- Taktsignal/-pegel Transistoren schalten
"Ein Taktsignal hat eine Spannung die zwischen 2 Pegeln wechselt (High und Low, oder Digital 1 und 0). Die Spannungswerte müssen in einen Bereich liegen das der Prozessor sie eindeutig unterscheiden kann. Hängt davon ab mit welcher Versorgungsspannung der Prozessor läuft. In der Regel ist der High Wert gleich der Versorgungsspannung."

Was mich auch stutzig macht. In dem Experiment hier
http://www.techtower.de/subcontent/lab_experiment_feld.php?zu=2&von=2#ziel
ist die Gatespannung/Signalpegel min. ca. 1,6V, damit der FET offen ist.
Meine Vcore beim Core i7 920 liegt bei 1.1V und ich könnte noch weiter runter,
QPI/Vtt bei 1,175V, da gehts nicht mehr viel weiter runter,
CPU PLL ist 1,8V, bleibt aber unverändert. Ich nehme sogar an, dass der CPU PLL Signalpegel die entscheidende FET Schaltspannung ist. Was ist dann die Spannung zwischen Source und Drain?

Mir fehlen irgendwie die Zusammenhänge und dann auch noch in der digitalen und analogen Welt.

der Externe Quarz stellt doch nur die Grundfrequenz zur Verfügung.
Intern Syncronisiert sich eben alles auf diese Frequenz.

bei Intel hatte man ja lange zeit einen HT Takt von 200Mhz
der Prozessor Multiplizert das ganze Intern um den Faktor 15 und so kommt der Prozessor auf eine Taktfrequenz von 3Ghz.

Bei Jedem Takt macht nun das Rechenwerk eine Operation.
Der Takt sagt also nur: "Tu Was"

an den einzelnen Transistoren liegt das Taktsignal nicht an.

ist die Gatespannung/Signalpegel min. ca. 1,6V, damit der FET offen ist.
Meine Vcore beim Core i7 920 liegt bei 1.1V und ich könnte noch weiter runter,

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verschiedene Bauteile ergibt verschiedene Schaltspannungen.



wofür brauchst du die Informationen eigentlich?
nur für dich selbst oder für ein Referat?
wenn es für ein Referat sein soll, für was für eine klasse?

Und jetzt ist es der Basistakt (Baseclock, BCLK), der Multipliziert (PLL-Schaltung) wird und statt FSB haben wir jetzt QPI und wo die PLL-Schaltung genau ist, ist jetzt erst mal nicht so wichtig.

Das ist auch klar, dass das Taktsignal/-pegel nicht an jedem einzelnen Transistor anliegt, denn erst Gatter und daraus Flip-Flops, Zähler, Register machen Sinn.
Übrigens regelt das Steuerwerk alle anderen Bereiche und richtet sich nach dem Von-Neumann-Zyklus.
Der Takt ist ein kontinuierliches binäres Rechtecksignal, wird von einem Quarzoszillator erzeugt und "befeuert" das Steuerwerk immer wieder von neuem und das Steuerwerk sagt über den Steuerbus "tue etwas". Das mit dem Taktsignal/-pegel und wo es überall anliegt hat sich mittlerweile erledigt. Soweit so gut.

Was hat jetzt aber Vcore in diesem Zusammenhang für eine Bedeutung. Vcore ist eine "Gleichspannung". Ist leider immer noch nicht klar.
Klar könnte ich sagen, "damit etwas funktioniert brauchts Strom. ".

Nebenbei:

Das Steuerwerk regelt alle anderen Bereiche wie
• Lesen der Daten aus dem RAM
• Speichen der Daten im RAM
• Bereitstellung, Decodierung und Ausführung von Befehlen
• Verarbeitung der Eingabe von peripheren Geräten
• Verarbeitung der Ausgabe zur Peripherie
• Interrupt-Steuerung
• Überwachung des gesamten Systems

Von-Neumann-Zyklus
• Anfordern eines Befehls (FETCH),
• Dekodieren des Befehls (DECODE),
• Laden der Operanden, auf die der Befehl angewandt werden soll (FETCH OPERANDS),
• Ausführung des Befehls (EXECUTE)
• und letztendlich die Aktualisierung des Befehlszählers (UPDATE INSTRUCTION POINTER)
und das immer wieder, Befehl anfordern usw..., einen Befehl wird es immer geben, solange der PC läuft.

Ich habe wieder etwas Zeit für mein kleines Problem.

Habe da etwas gefunden:

"...ich weiss nicht genau, wo da die Grenzen sind,
aber die Betriebsspannung kann man keinesfalls annähernd linear
mit der Taktrate runter setzen. Die unterste Grenze wird durch die
Technologie der Transistoren gesetzt (hauptsächlich Gatespannung).
http://de.wikipedia.org/wiki/Feldeffekttransistor
http://de.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Schwellenspannung
Wenn 1,35V normal sind, dann kann es sein, dass der PC noch mit 1,30V
evtl. auch noch mit 1,25V oder ähnlich läuft.

Der Einspareffekt kommt da auch gar nicht so sehr aus der Reduzierung
der Spannung, sondern viel mehr aus der Reduzierung des Betriebsstromes.

Der Strom setzt sich zusammen aus einem eher kleineren Teil des
Ruhestromes (Leckströme) und einem größeren Teil der Umschaltverluste
(infolge der notwendigen Umladung von parasitären Kapazitäten bei
jedem Pegelwechsel).
http://de.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Schaltbetrieb
Letztere sind eher annäherd linear zum Arbeitstakt (bei sonst gleicher
Rechenarbeit)..."

Aus http://de.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Schwellenspannung und
Aktive Spannungen und Versorgungsspannungen:
"...Die Schwellenspannung Uth (engl.: threshold voltage) stellt ein zentrales Element bei der Modellbetrachtung von MOSFETs dar und hängt stark von der Prozesstechnik ab. Dabei entscheiden die Dotierungen von Source, Drain und des Kanalgebietes über die Größe der Schwellenspannung..."

Also ich lese das so und kann es mir eigentlich auch nicht anders vorstellen:
- Der Takt betrifft primär das Steuerwerk und synchronisiert so den Von-Neumann-Zyklus und das Steuerwerk regelt mit dem Takt über den Steuerbus alle weiteren CPU-Bereiche. Der Taktpegel High ist wahrscheinlich so groß wie die Vcore.
- Die Vcore liegt an allen Transistor-Verbunden an und je nach Schaltung fließen Ströme oder eben nicht. Die Vcore-Spannung wird über eine Mehrzahl von Phasen und Kondensatoren der Prozessorauslastung angepasst.

"...Millions of MOSFETs act together, according to the instructions from a program, to control the flow of electricity through the logic gates to produce the required result..."
http://www.pctechguide.com/principles-of-cpu-architecture-logic-gates-mosfets-and-voltage

Neben Von-Neumann gibt es natürlich noch die Betriebssichere Harvard-Architektur und auch ungetaktete, asynchrone Prozessoren (Taktloser ARM-Prozessor ARM996HS http://www.tecchannel.de/test_technik/news/446217/hot_chips_taktloser_arm_prozessor/).

Bild unten: http://www.wls.neumuenster.de/fachbereiche/lbsmdt/LBS_MDT/downloads/CPU/aufbau_cpu.htm

quityper schrieb:

. Die Vcore-Spannung wird über eine Mehrzahl von Phasen und Kondensatoren der Prozessorauslastung angepasst.

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nö, die Spannung wird nur bei Aktiven Stromsparmechanismen heruntergesetzt.

Phasen gibt es mehrere, da die CPU gerne mal 100-150 Ampere Benötigt.
in der geforderten genauigkeit schaft das ein einzelner IC nicht.
daher schaltet man einfach mehrere 10-20 Ampere ICs zusammen.
gibt da z.b. von LT nen paar gute.

Ich meine nicht die Stromsparmechanismen wie EIST, C1E, C3/C6 und C7 und was es da gibt, sondern den plötzlichen Strombedarf, den ein CPU haben kann, der durch mehrere Phasen und Kondensatoren und Spulen abgefangen werden kann und somit das Netzteil nicht so belastet.