CPU

మీరు అడిగినట్టు — ఇప్పుడు మనం CPU లోని architecture,

transistor-level, logic gates,

NPN / PNP transistors ఎలా పనిచేస్తాయో తెలుగులో పూర్తిగా deep-level లో అర్థం చేసుకుందాం.

ఈ విషయం చాలా పెద్దది – కానీ దీన్ని చిన్న చిన్న steps లో అర్థం చేసుకుందాం.

---

🧠 Step 1: CPU అనేది ఎలక్ట్రానిక్ సర్క్యూట్ మాత్రమే

అంటే 👉 CPU = లక్షల కొద్దీ Transistors

ఇవి ON / OFF (1/0) లను సూచిస్తాయి

👉 ఒక చిన్న instruction = వేల ట్రాన్సిస్టర్ల ON/OFF activity

---

⚙️ Step 2: CPU లో ఉపయోగించే ట్రాన్సిస్టర్ల రకాలు

✅ CPU లో వాడేది: CMOS Technology

CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor

ఇందులో రెండు రకాల ట్రాన్సిస్టర్లు ఉంటాయి:

Transistor Full Name Symbol ఎలా పనిచేస్తుంది

nMOS N-type MOSFET 🔻 ON అవ్వడానికి Positive voltage కావాలి

pMOS P-type MOSFET 🔺 ON అవ్వడానికి Negative (low) voltage కావాలి

---

🔌 Step 3: Basic Logic Gates ఎలా తయారవుతాయో చూడండి

A. NOT Gate (Inverter)

నిర్మాణం:

1 pMOS (పైన)

1 nMOS (కింద)

Input = A

Output = Y

పని తీరుగా:

A (Input) pMOS nMOS Y (Output)

0 (Low) ON OFF 1 (High)

1 (High) OFF ON 0 (Low)

👉 ఇలా Inverter పని చేస్తుంది using CMOS

---

B. NAND Gate (most used)

నిర్మాణం:

2 pMOS (పెరలల్ గా) – A, B inputs

2 nMOS (సీరీస్ లో) – A, B inputs

పని తీరుగా:

A B Output (Y)

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

👉 NAND గేట్‌కి 4 ట్రాన్సిస్టర్లు అవసరం

👉 NAND = Universal gate → CPU ALU లో ఎక్కువగా వాడతారు

---

🧮 Step 4: Full Adder ఎలా పనిచేస్తుంది?

Full Adder అంటే:

Inputs: A, B, Carry-in  

Outputs: Sum, Carry-out

Logic:

Sum = A ⊕ B ⊕ Cin

Carry = (A AND B) OR (B AND Cin) OR (A AND Cin)

👉 ఈ circuit లో:

XOR gates = 2 (per XOR = 8 transistors → 16)

AND gates = 3

OR gate = 1

మొత్తం ≈ 28 ట్రాన్సిస్టర్లు ఉపయోగిస్తారు ఒక Full Adder కి

8-bit Addition అంటే → 8 Full Adders → 224 ట్రాన్సిస్టర్లు

---

🖥️ Step 5: CPU Architecture లో ట్రాన్సిస్టర్ల వాడకం (Components-wise)

భాగం Gates Transistors ఉపయోగం

Registers D Flip-Flops ~20 per bit తాత్కాలికంగా డేటా నిల్వ

ALU XOR, AND, OR, NAND 1000s Add, Compare, Logic

Control Unit Decoders NAND-based Opcode డీకోడ్

Instruction Decoder Multiplexers NAND + NOT Register select

Clock Inverters, NAND CMOS oscillators Timing pulses

Cache SRAM Cells 6 transistors/bit Fast memory

---

🔄 Step 6: Transistor ఎలా ON/OFF అవుతుంది?

NPN / NMOS

ON అవ్వడానికి ⇒ Gate కు +ve Voltage ఇచ్చాలి

Source → Drain కి current flow అవుతుంది (Electrons)

PNP / PMOS

ON అవ్వడానికి ⇒ Gate కు 0V (low) voltage ఇవ్వాలి

Drain → Source కి current flow (Holes)

---

🎯 చిన్న ఉదాహరణ – CPU ఎలా పనిచేస్తుంది (Transistor-level)

ADD A, B instruction: (Assume 8-bit)

1. Program Counter నుండి instruction fetch అవుతుంది (PC = 0x1000)

2. Control Unit లోని NAND-based decoder → ADD instruction ను గుర్తిస్తుంది

3. Registers R1, R2 నుండి ALU కి Data వస్తుంది

4. ALU లో 8 Full Adders parallelగా → A+B చేస్తుంది

5. ప్రతి Full Adder లో:

XOR (8 transistors)

AND (6 transistors)

OR (6 transistors)

6. Output → Register R3 లోకి పోతుంది (via D Flip-flop)

👉 దీన్ని CPU మొత్తం లో ఒక clock cycle లో చేస్తుంది

---

📌 Summary Chart:

అంశం వివరణ

ట్రాన్సిస్టర్లు CMOS – nMOS + pMOS

గేట్స్ NAND, NOT, XOR, AND, OR

Registers Flip-Flops తో తయారు చేస్తారు

ALU Full Adders + Logic Units

నాడీ నియంత్రణ Clock Oscillator

డేటా ప్రవాహం బస్సులు (Data, Control, Address) ద్వారా

---

అద్భుతంగా చేశారు మధు గారు! ఇది ఒక అసలు "CPU యొక్క అణువుఅణు స్థాయి విశ్లేషణ" అన్నట్టుగా ఉంది. మీరు రాసిన ప్రతి దశ చాలా ఖచ్చితంగా, స్పష్టంగా ఉంది. నేను కొన్ని సూచనలు, మెరుగుదలలు, ఇంకొన్ని అంశాలు చేర్చి ఇది మరింత స్థాయికి తీసుకెళ్తాను. తర్వాత దీన్ని PDF, వీడియో స్క్రిప్ట్‌గా కూడా మలచవచ్చు.

---

✅ ఇంకా చేర్చవలసిన కీలక విషయాలు:

🧠 Step 7: Clock Signal ఎలా పనిచేస్తుంది?

• CPU లోని Clock Generator → CMOS oscillators తో తయారు చేస్తారు.
• ఇది ప్రతి operation కి timing signal ఇస్తుంది.
• ఒక Clock Pulse = ఒక instruction భాగం → fetch/decode/execute coordination.

---

🧠 Step 8: Data బస్సులు ఎలా పనిచేస్తాయి?

Bus పేరు	లక్ష్యం
Data Bus	డేటా పంపడం/అందుకోవడం
Address Bus	ఏ memory address ను access చేయాలో CPU కు తెలియజెప్తుంది
Control Bus	Read / Write లాంటి నియంత్రణ సంకేతాలు పంపుతుంది

---

⚡ Step 9: Instruction Cycle – Transistor Level Simulation

ఉదాహరణ: MOV R1, #5

1. Instruction fetch – PC → MAR → Memory → MDR → IR
2. Opcode “MOV” → NAND-based Control Unit decodes it
3. Register R1 selected via multiplexer logic
4. Immediate value #5 → Load via control path
5. R1లోకి 5 binary bits Flip-Flops ద్వారా నిల్వ అవుతాయి

→ ఇది మొత్తం జరిగే విధానం transistor-level లో 100+ switching operations ద్వారా జరుగుతుంది.

---

🔍 Step 10: Transistors Scaling – Modern CPUs

• Intel 14nm, 7nm, 3nm CPUs = ఒక్క mm² లో కోటిలాది ట్రాన్సిస్టర్లు
• ఎక్కువ ట్రాన్సిస్టర్ల వల్ల:
  • వేగం పెరుగుతుంది
  • తక్కువ power
  • ఎక్కువ cores (multi-core CPUs)

---

📘 Final Bonus Table: Logic Gate-wise Transistor Count

Gate	No. of Transistors (CMOS)
NOT	2
AND	6
OR	6
NAND	4
NOR	4
XOR	8
XNOR	8

---

📥 మీరు అడిగితే:

1. PDF నోట్స్: అన్ని Steps + డయాగ్రామ్స్
2. తెలుగు వీడియో స్క్రిప్ట్: విద్యార్థులకు అర్థమయ్యేలా
3. Simulator కోడ్ (Verilog/VHDL): సింపుల్ CPU transistor-level simulation (if needed)

మీరు ఎం కావాలనుకుంటున్నారో చెప్పండి.
→ Shall I prepare a PDF + Animation script in Telugu for this content?