Grundbausteine aller Prozessoren, auch des ATTiny-13-Microcontrollers, sind Transistoren. Transistoren kann man sich in der Digitaltechnik als spannungsgesteuerte Schalter vorstellen.
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[npn-Tranistor mit LED]
Liegt am Eingang B (Basis) eine positive Spannung an, so schaltet der Transistor durch, und es fließt ein Strom von C (Collector) zu E (Emitter).
Transistoren bestehen aus Halbleiterelementen, das sind Elemente, am häufigsten wird Silizium verwendet, die gezielt mit sogeannten Störatomen "verunreinigt" (dotiert) sind.
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[Links: n-Dotierung mit Phosphor, rechts: p-Dotierung mit Aluminium. Von Markus A. Hennig; SVG-Umsetzung: Cepheiden - Datei:Silizium-p-Dotiert.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10515060]
Im n-dotierten Material wird ein Elektronenüberschuss erzeugt, im p-dotierten Material ein Elektronenmanko. Durch Kombination von drei Halbleiterschichten, etwa n-p-n, kann durch günstige Schichtdicken (im Vergleich sehr dünne p-Schicht) der für Transistoren typische Schaltungs- und Verstärkungseffekt erzeugt werden.
Wenn in der Abbildung [npn-Transitor mit LED] am Eingang E eine positive Spannung anliegt, dann schaltet der Transistor durch, die LED leuchtet, und Ausgang A wird negativ (der Transistor wirkt wie ein geschlossener Schalter, und A liegt an Masse (GND).
Ein solche Baugruppe heißt in der Halbleitertechnik ein Inverter, weil er praktisch das positive Eingangssignal in ein negatives Ausganssignal und umgekehrt wandelt.
Werden zwei (oder mehrere Transistoren verwendet, dann können Eingänge miteinander logisch verknüpft werden:
[Links: zwei Tranistoren bilden ein NOR-Gatter, rechts: zwei Tranistoren als NAND-Gatter]
Diese Baugruppen nennt man logische Gatter. Ein NOR-Gatter schaltet den Ausgang auf 0, wenn entweder E1 oder E2 1 sind. Ein NAND-Gatter schaltet den Eingang auf 0, wenn E1 und E2 1 sind. Das N vor OR und AND steht für die Invertierung des Ausgangs. Beide Gattertype gehören zu den Grundelementen der digitalen Schaltungstechnik. Alle weiteren lassen sich aus diesen ableiten. Um die grafische Darstellung zu vereinfachen haben sich folgende Symbole eingebürgert:
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Verbindet man nun die Gattertypen zu einem sogenannten D-Flip-Flop, dann hat man damit im Prinzip eine Speicherzelle, die ihren Zustand auch nach Änderung der Dateneingänge beibehält, wenn kein Clock-Signal anliegt:
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[D-Flip-Flop]
Auch dafür gibt es ein eigenes Symbol zur Vereinfachung:
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[D-Flip-Flop-Symbol]
Schaltet man nun acht dieser D-Flips-Flops mit einer gemeinsamen Clock-Leitung zusammen, erhält man ein 8-Bit-Register (RAM oder Arbeitsregister):
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[8-Bit-Register]
In einem Prozessor gibt es zwei verschiedene Bündel von Leitungen: den Daten-Bus und den Adress-Bus. Während der Daten-Bus direkt an den Registereingängen (D0 - D7) anliegt, filtert eine eigene Logik aus dem Adressbus die richtige Clock-Leitung heraus, damit das richtige Register adressiert wird.
Die "mathematischen" Fähigkeiten eines Prozessors werden ebenfalls mit Logikgattern realisiert. Dieses Rechenwerk wird ALU (Arithmetisch-logische Einheit) genannt. Ein spezielles Register, das Statusregister registriert dabei, ob bei der letzten Operation z. B. ein Überlauf (Carry) stattgefunden hat, das Ergebnis 0 oder negativ war u. a. m.. Ein Programm kann dann davon ausgehend eine gezielte Aktion starten.
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