ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Широкая автоматизация процессов в сферах производства, научных исследований, проектирования, эксплуатации оборудования с использовани­ем средств вычислительной техники является основным направлением ин­тенсификации физического и интеллектуального труда человека.

Решение этой задачи требует от учащихся и студентов общих знаний по основам микропроцессорной техники.

В настоящем учебном пособии рассмотрены этапы развития ЭВМ и микропроцессоров, история развития интегральных микросхем, физические основы работы ЭВМ, основы программирования на языке Ассемблер. Рас­смотрены технические средства обработки информации и способы ее переда­чи, получение и запоминание информации. Большое внимание уделено одно­кристальному микропроцессору К 580 − широко распространенному средст­ву автоматизации.

Рассмотрен однокристальный микроконтроллер К 1816, предназначен­ный для решения задач управления и регулирования в объектах, приборах и технологических процессах. Значительное внимание уделено интерфейсам микропроцессорных систем с объектами управления, рассмотрены цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, локальные сети.

Приведены основные приемы построения микропроцессорной системы диагностики глав­ных электроприводов карьерных экскаваторов-драглайнов.

В приложении приведена методическая разработка по решению задач в двоично-десятичной системе счисления.

Большое внимание уделено цифровым системам связи, локальным вы­числительным сетям.

Учебное пособие предназначено для учащихся электротехнических и не электротехнических специальностей училищ, лицеев, колледжей.

ВВЕДЕНИЕ[1]

Во все времена человек стремился расширить свои возможности, создавая разнообразные орудия труда познавания мира, средства существования. Так, например, недостаточность зрения компенсируют микроскопы, телескоп, радиолокатор. Ограниченные возможности передавать информацию друг другу расширяются телефоном, радио, телевидением. Вычислительные машины “дополняют” возможности человеческого мозга, расширяют его возможности по обработке информации, позволяют увеличить скорость принятия решения в ходе выполнения какой-либо работы

В конце 40-х годов XX века работы в области ядерной физики, баллистике управляемых снарядов, аэродинамики и т.д. потребовали такой вычислительной работы, которую уже было невозможно выполнить с помощью арифмометров, основного вычислительного инструмента тех лет. Наука и техника были поставлены перед диалеммой: или всем сесть за арифмометры, или найти новый инструмент вычислений. Аналогичные проблемы уже не раз ставили перед учеными и инженерами – повышение скорости обработки необходимо увеличить в ЭВМ нового поколения.

Проблема была решена созданием универсальной вычислительной машины. Термин “универсальный” использован не случайно. Специализированные машины (например, для обработки банковских счетов, инвентаризации складских запчастей и т.д.) существовали и раньше, но не было машины, команды для которой, записанные в память можно было бы быстро заменить новыми.

 

Краткая характеристика различных поколений ЭВМ[1, 9]

 

Под термином ЭВМ понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Появление каждого нового поколения определялось тем, что появлялись новые электронные элементы, технологии, изготовление которых принципиально отличалось от предыдущего поколения.

Изобретателем первой вычислительной машины, предложившим в 1823 г. структуру автовычислителя, считается английский математик Чарльз Бэббидж. Структуру вычислителя составляли те же основные устройства, что и структура современных компьютеров. Кажется удивительным, что, несмотря на существенное отличие техники середины XIX века, неизменными оказались идеи, заложенные в основу работы, самого совершенного электронного устройства − ЭВМ. Это обстоятельство можно объяснить тем, что компьютер создается без ориентации на решение Конкретной задачи.

Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию аналитической машины (так Чарльз Бэббидж ее и назвал) − она оказалась слишком сложной для техники того времени.

Однако, он разрабатывал все новые идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Чарльза Бэббиджа на основе техники XX в. – электромеханических реле − смог построить на одном из предприятии IBM такую машину под названием «Марк-1».

Появление Электронно-вакуумной лампы позволило претворить в реальную идею создание вычислительной машины, которая появилась в США и получила название ЭНИАК (ENIAC − англ.) − Electronic Numerical Integrator and Calculator, в переводе − «Электронный численный интегратор и калькулятор».

Основоположником был математик Фон Нейман, он опубликовал свой доклад «Принстонская машина». В своем докладе Джон Фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

 

 

 

1. арифметическое - логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

2. устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

3. запоминающее устройство или память для хранения программ и данных;

4. внешние устройства для ввода / вывода информации.

 

Рис. 1. Принципы Фон Неймана

 

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для другихустройств компьютера. На рис. 1 указаны связи между устройствами компьютера: одинарные линии показывают управляющие связи, двойные − информационные.

Основным элементом ЭВМ является микропроцессор. Первые микропроцессоры обслуживали технологические процессы и были выделены как отдельные ЭВМ, предназначенные для выполнения отдельных операции. Современные мощные микропроцессоры выполняют большое количество разнообразных операций на технологических потоках и подключаются к главному (центральному) процессору. Но в основу ЭВМ взяты принципы Фон Неймана, хотя они претерпели некоторые изменения. Подробное описание микропроцессорной техники будет указано в другой главе.

 

Первое поколение ЭВМ[1]

 

Первое поколение (1946 г. − середина 50-х годов) − электронной базойявлялись электронно-вакуумные лампы, которые были сняты с производства, но применяются в телевидении, радиолокации и т.д. в качестве выходных каскадов, служащих для усиления выходных сигналов. В качестве пассивных элементов используются резисторы и конденсаторы. Вставляли электронно-вакуумные лампы на шасси − металлические подставки с отверстиями, которые вставляли в корпус ЭВМ. Элементы соединяли проводами, навесным монтажом. В ЭВМ ЭНИАК было 20 тыс. электронных ламп, из которых ежемесячно заменяли 2 тыс. ламп. Первая отечественная ЭВМ − МЭС (малая электронная счетная машина) создана в 1951 г. под руководством академика С.А. Лебедева.

return false">ссылка скрыта

 

Характеристика ЭВМ первого поколения[1]

 

1. Габариты: ЭВМ выполнены в виде громадных шкафов и занимают специальный машинный зал.

2. Быстродействие ЭВМ: 10-20 тыс. операций в секунду.

3. Эксплуатация их очень сложна вследствие низкой надежности из-за частого выхода ламп из строя. Постоянно существовала опасность перегрева ЭВМ.

4. Программирование: трудоемкий процесс, диктующий необходимость знания всех команд ЭВМ и ее структуры, причем требовалась непосредственная работа математика-программиста за пультом.

5. Структура ЭВМ построена по жесткому принципу − каждой команде соответствует логическая схема, выполненная на электронных лампах.

 

Пример: В 1955 г. специалистами демонстрировался станок, на котором обработка деталей производилась без вмешательства человека. Необходимые команды подавались на перфолентах, подготовленных ЭВМ. Стоимость такого станка с ЧПУ (числовым программным управлением) во много раз превышала стоимость применяемых в то времени обычных станков. Это было обусловлено в первую очередь высокой стоимостью лампового ЭВМ. Тем не менее, именно с того момента началось развитие производственной техники на базе ЭВМ. Проблемы, возникающие в ходе реализации различных проектов (преимущественно проблемы рентабельности), продолжали затруднять ее повсеместное внедрение. Лишь тогда, когда развитие микроэлектроники дало возможность разработки новых технологических решений, снизилась стоимость ЭВМ, повысилась их надежность, стало реальным всеобъемлющее использование электронно-вычислительной техники для управления производственными процессами.

 

Второе поколение (середина 50-х − середина 60-х годов)[1]

В качестве элементов базы используют активные элементы – полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды), а также пассивные элементы − резисторы и конденсаторы более совершенной конструкции.

Схема соединения полупроводниковых и пассивных элементов выполнялась в виде печатной платы.

Печатная плата − это пластина из изоляционного материала, например гетинакса, на которую специальная технология фотомонтажа позволяла наносить токопроводящий материал. На печатной плате имелись специальные гнезда для закрепления элементной базы.

 

Характеристики ЭВМ второго поколения[1]

 

1. Габариты: ЭВМ выполнены в виде однотипных стоек чуть выше
человеческого роста. Требуется машинный зал.

2. Быстродействие: сотни тысяч − 1 млн. операций в секунду.

3. Эксплуатация упростилась, увеличилась надежность, нет перегрева ЭВМ.
При выходе из строя нескольких элементов заменяют плату.

4. Программирование существенно изменилось, так как появились более
совершенные алгоритмические языки. Не требовалось присутствие
программиста в зале, так как там работали специально обученные операторы.

5. Произошли изменения в структуре ЭВМ. Вместо жесткого принципа
управления появился микропрограммный способ управления. Организуется
совмещение во времени работы разных устройств.

 

Пример: одновременно с процессором работает устройство ввода / вывода с магнитной ленты.

 

Третье поколение ЭВМ (середина 60-х − середина 70-х годов)[1, 9]

 

В качестве элементной базы используются интегральные схемы. Интегральная схема выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе второго поколения, но при этом существенно уменьшились размеры, увеличилась надежность и быстродействие. Первая ЭВМ на интегральных схемах принадлежит американской фирме IBM (IBM — 360, 1965 г.). Несколько раньше, в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы INTEL) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Такие электронные схемы стали называться чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма INTEL начала продавать интегральные схемы памяти.

 

Характеристика ЭВМ третьего поколения[1]

 

1. Габариты: необходим машинный зал. Внешнее оформление малых ЭВМ −
это в основном две стойки приблизительно 1,5 человеческого роста,
дисплей. Устанавливается в любом месте, не требуется специального
помещения.

2. Быстродействие: сотни тысяч – миллионы операций в секунду.

3. Изменился характер эксплуатации. Более оперативно производится ремонт
неисправных элементов, однако из-за большой сложности системной
организации требуется при поиске неисправности привлекать высококвалифицированных специалистов.

4. Технология программирования и решения задач на ЭВМ похожа на
аналогичный процесс применительно к ЭВМ предыдущего поколения.
Дисплеи позволили более оперативно взаимодействовать с ЭВМ.

5. Увеличились объемы памяти. В качестве внешней памяти применяют
магнитные диски. Появились графопостроители.

Четвертое поколение (середина 70-х годов)[1, 3, 6]

 

Используют большие интегральные схемы (БИС) со степенью интеграции схемы десятки-сотни тысяч элементов на одном кристалле. В виде БИС удалось сделать процессор ЭВМ, который получил название микропроцессора. Он целиком размещался на одном кристалле кремния. ЭВМ стала размещаться на рабочем месте пользователя. Быстродействие – от десятков до сотен миллионов операций в секунду. Носители информации стали использовать дискеты, затем лазерные диски.

Первый микропроцессор (МП) был разработан американской фирмой «INTEL», имел название INTEL 4004. Он выполнялся в виде БИС на кристалле 9 мм² (3,2 × 2,8), содержал 2250 транзисторов, состоял из 4-х разрядов. Вслед за ним в 1972 г. появился 8-ми разрядный МП INTEL 8008. Его параметры: площадь кристалла 13,7 мм² (3,18 × 4,31), корпус имел 18 контактов, внутренняя структура АЛУ (арифметическое логическое устройство), семь 8-ми разрядных регистров данных, стековая память, 45 команд. Наибольшее распространение получил 8-ми разрядный МП INTEL 8080 (1974 г.) Его параметры: площадь кристалла 18 мм², корпус имел 40 контактов, быстродействие увеличилось по сравнению с МП INTEL 8008 в 10 раз. В 1975 г. уже выпускалось 40 типов различных МП. Затем стали появляться 16-ти разрядные МП, например: INTEL 8086. Он имел площадь 33 мм², степень интеграции − 29 тыс. транзисторов.

В большинстве суперЭВМ использовались МП фирмы (Моторола) «Motorola» - М 6800, площадь кристалла 44 мм², степень интеграции − 68 тыс. транзисторов. С появлением мощных МП, четкая когда-то классификация компьютеров разрушается. При внедрении нового чрезвычайно мощного МП фирмы (Зилог) «Zilog» − 8000 трудно вообще говорить о классификации. Параметры: разрядность 32, быстродействие 1,5 млн. оп./сек, имеются средства управления виртуальной памятью, позволяет адресовать 15 млрд. байт данных. Наряду с БИС микропроцессоров развивалась и БИС электронной памяти.

 

Пример: В конце 70-х годов инженерами ТЕКСТИМА была подготовлена программа для микроЭВМ, использующаяся для изготовления образцов выпускаемой предприятием продукции. Кроме того, был сконструирован вязальный автомат, управляемый с помощью перфокарт микроЭВМ. Образцы продукции (например, пуловеров) разрабатываются модельером на цветном дисплее. Использование микроЭВМ помогает дизайнеру быстро производить различные операции по моделированию отдельных частей образца. Экономичность подобного опыта оказалась весьма велика. Если для изготовления проекта образца без помощи ЭВМ требуется около 1400 минут, то использование ЭВМ сокращает этот процесс до 10-40 минут. Непосредственно после проекта ЭВМ выдает готовые перфокарты, служащие программой для электронной системы управления. Тем самым изготовление пуловеров по одному образцу становится более рентабельным, так как для того, чтобы окупить производство, требуется изготовить на 100 единиц продукции меньше, чем при использовании традиционной технологии.

 

Пятое поколение - эпоха новых технологий[1, 6]

 

Ведутся разработки по созданию новой элементной базы неэлектрического происхождения; вполне возможно, что это будут оптические элементы, где электрические токи заменены световыми лучами лазера, вероятнее всего, это биологические элементы − биочипы, что, несомненно, повлечет за собой изменение структуры ЭВМ по сравнению с существующей. Взаимодействие человека с компьютером посредством разговорного языка ЭВМ станет «интеллектуальной», то есть будет наделена возможностями, свойственными человеку.

Это органы «обоняния», «осязания» и т.д., которые будут взаимодействовать с компьютером посредством датчиков.

С появлением микропроцессора все изменилось. Был нанесен удар по классической структуре ЭВМ третьего поколения. Зачем иметь один дорогой и сложный процессор, когда имеется дешевый (при массовом производстве) микропроцессор? Появилась возможность ставить в ЭВМ несколько микропроцессоров, работающих одновременно. Встречаются микропроцессоры в разных областях деятельности людей. В быту − в видеомагнитофонах, фотоаппаратах, стиральных машинах, микроволновых печах и т.д. На производстве − встраивают в различные станки, машины, технологические процессы, управляющие устройства (контроллеры). Микропроцессор - это сердце компьютера.

Микропроцессоры используются для управления движением самолетов на авиалиниях и поездов, на железных дорогах, работы атомных станций, телефонных сетей, автопилотов и других авиационных сетей управления, грузоподъемных механизмов и поточных линий на промышленных предприятиях. С их помощью осуществляется распределение электроэнергии, управление полетами космических кораблей и работой металлорежущих станков и роботов, а также регулирование внутреннего микроклимата в зданиях и управление многими другими процессами. В автомобилях микропроцессоры выполняют функции: автоматическую подачу топлива в зависимости от числа оборотов двигателя, искру зажигания в двигатель, автоматическое переключение скоростей, включение габаритного света в зависимости от времени суток, охранную сигнализацию.

Микропроцессорные системы используют для обучения пилотов, водителей, операторов-программистов. Трудно представить, какие микропроцессоры будут выпускаться через 10-15 лет. Какие будут разработаны новые технологии, какое будет быстродействие ЭВМ, разрядность, оперативная и постоянная память?

Японские инженеры-биологи уже близки к раскрытию функционирования клетки человеческого мозга. Правда, судя по сообщения прессы, успехи у них невелики. Но самая совершенная ЭВМ − это человеческий мозг. Ежегодно умирает 500 млн. нейронов, но человек проживет 60-70 лет в полном здравии.

Клетка погибает, но информация «переписывается» в другую здоровую клетку. А быстродействие – скорость обработки информации. Газета «Комсомольская правда» от 25 декабря 1998 года сообщает, что человеком-машиной стал английский профессор Кевин Уорвик, которому в плечо вживили двухсантиметровый силиконовый микропроцессор. Капсула позволяет поддерживать постоянную связь с компьютерным центром университета и передавать информацию о местонахождении профессора и состоянии его здоровья.

 

Пример: Крылатая ракета представляет собой техническую систему с высокой концентрацией средств микроэлектроники. Ракета данного типа совершает полет на небольшой (до 20 м) высоте над землей, что затрудняет ее обнаружение с помощью радарных устройств. Во время полета микроэлектронное устройство ракеты регистрирует картину земной поверхности. Снятые камерой кадры переводятся в цифровую форму, после чего бортовая ЭВМ производит сравнение полученных кадров с информацией, содержащейся в запоминающем устройстве. Таким образом, ракета останется на запрограммированном курсе, что дает гарантию высокой точности попадания. Подобное использование микроэлектроники служит чисто военным целям.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИМС[6]

 

Интегральная схема (ИС) − это электронная схема, реализующая определенную функцию, технически выполненная на кристалле кремния площадью несколько квадратных миллиметров. Применяют ИС в различных приборах, устройствах. ИС являются основной элементной базой современного компьютера.

Первая ИС появилась в 1962 г., была выполнена на полупроводниковой пластине (кристалле кремния) площадью 1 мм и содержала лишь десятки активных (транзисторов, диодов) и пассивных (резисторов, конденсаторов) элементов.

Важной характеристикой ИС является степень интеграции − количество активных или пассивных элементов на одном кристалле. В зависимости от степени интеграции ИС различают:

· БИС − большая интегральная схема, степень интеграции до 10000
элементов;

· СБИС − сверхбольшая интегральная схема, степень интеграции свыше
10000 элементов.

Линейный размер транзисторов в ИС составляет 2-5 Мкм. Длина самой большой соединительной цепи между элементами не превышает несколько миллиметров. Предел уменьшения ширины соединительных линий и зазоров между ними 0,2 Мкм.

Площадь кремния 25-30 мм² и более. Может возникнуть вопрос, зачем нужны столь микроскопические размеры кристаллов и соответствующих элементов, линий? Дело в том, что с увеличением площади кристалла резко возрастает вероятность поражения его дефектами. Если посмотреть на ИС под микроскопом, то предстанет удивительное зрелище − искуснейший узор из непересекающихся линий.

 

Технология производства[2]

 

Процесс производства ИС очень сложен, микроскопичен, требуются специальные автоматизированные линии, станки-автоматы. Основная идея создания ИС заключается в том, что в теле миниатюрного кристалла кремния создаются зоны (пленки) с различной концентрацией проводящих материалов. Это достигается путем напыления металла в вакууме на кристалл. Различные комбинации этих зон образуют активные или пассивные элементы, а также соединения между ними. В совокупности эта схема определенного назначения. Зоны имеют выход на поверхность кристалла и соединяются между собой пленочными металлизированными дорожками.

Рассмотрим автоматизированный процесс изготовления БИС (рис. 2), где человек только формулирует задание и наблюдает за процессом изготовления схемы.

"

Задание на фотошаблоны

Компьютер делает разводку линий соединения

СБИС

		Фотошаблоны накладывают на кристалл и вводят примеси
		На готовом кристалле кремния более 250 интегральных схем
	Кристалл режут на отдельные интегральные схемы

 

 

Рис. 2. Процесс изготовления ИМС

 

Все условные обозначения схем кодируются на языке понятном ЭВМ и вводятся в память. ЭВМ, просматривая огромное количество вариантов, разрабатывает структуру всей схемы, то есть определяет взаимное расположение элементов на поверхности кремния, и делает так называемую разводку всех линий, соединяющих элементы. Причем никакие 2 линии не пересекаются. Стандартной разводкой считается использование 3 уровней, количество уровней можно довести до 12. Очевидно, что человеку выполнить такой объем работ не под силу, ведь надо сделать несколько тысяч непересекающихся линий.

Для каждого типа элементов автоматически изготавливаются фотошаблоны, по которым делают матрицы (маски) с несколькими тысячами мельчайших отверстий. Затем берется пластина кремния, которая представляет собой круг диаметром 120 мм. На таком кристалле можно одновременно изготовить 250 интегральных схем.

На пластину наносится светочувствительный слой, который засвечивается через матрицу. Полученный негатив проявляют, и, удалив засвеченные участки, в образовавшиеся канавки, вводят примеси. После отжига процедуру повторяют, но уже с другими фотошаблонами для других элементов. Заканчивается это тем, что наносится защитный слой, кристалл режется на отдельные БИС, которые устанавливаются в корпус и герметизируются.

При производстве ИС предъявляют высокие требования к чистоте помещения. До конца 50-х годов производство ИС по чистоте помещения ничем не отличались от обычного производства, где в 1 л воздуха содержалось 10⁴ – 10⁶ пылинок размером от 3 Мкм и более. При содержании 3×10³ пылинок в 1 л воздуха наблюдалось 50% брака при производстве ИС средней сложности. Современные БИС создаются в помещениях с запыленностью менее 1 частица на 1 м³ воздуха.

Над каждой БИС целый коллектив трудится несколько месяцев. Кроме того, чтобы изготовить маску, требуется очень точное оборудование, абсолютная чистота помещения. Например, если на кристалл попадает одна пылинка, то кристалл считается непригодным. Затраты на изготовление оснастки и проектирование БИС обходится очень дорого, а само производство БИС дешево. Следовательно, выпускать БИС большими партиями экономически оправдано. И все же препятствия на пути дальнейшего развития микросхемотехники существует. Если это не технология, то что же?

 

Стоимостные барьеры[2]

 

Одно из препятствий, мешающих развитию микропроцессорной техники и технологии, связано с высокой стоимостью строительства предприятия (завода) для полупроводникового производства, которая превышает 1 млрд. $. Сегодня существует около тысячи таких заводов, строительство порядка сотни тысяч заводов в период до 2012 г. обойдется еще дороже. К тому же эти затраты не идут ни в какое сравнение с расходами, которые потребуются для доведения новых микросхем до рынка. Например, разработка и внедрение первого микропроцессора Pentium обошлось компании Intel в сумму более 5 млрд. $. Разработка микросхем 2012 г. независимо от того, будут ли они выполнены на основе RISK- или CISK- архитектуры, может обойтись в сумму около 10 млрд. $.

Расходы на изготовление микросхем фактически признал в качестве ограничивающего фактора Гордан Мур из компании Intel. Миру это хорошо известно, так как он первым указал в 1965 г. на стратегию уменьшения транзисторов в целях экономически эффективного изготовления более миниатюрных и быстродействующих микросхем повышенной функциональности (эту тенденцию затем стали называть «Законом Мура»). В соответствии с ней каждый год в продажу поступают все более быстродействующие и миниатюрные компьютеры.

А через 15 лет микропроцессоры будут работать на гигагерцевых частотах и число транзисторов на кристалле составит миллионы. Протяженность многослойных соединений межсоединений, выполненных на кристалле с молекулярной точностью, составит более километра.

На первом плане окажется проблема достижения максимального быстродействия межкомпонентных соединений, с которой поставщики ПК пытаются справиться и сегодня, поскольку скорости внутри ИС в грубом приближении впятеро выше, чем при обмене сигналами между ИС и платой.

 

Архитекторы кремниевых пластин[2]

 

В попытках ускорить обработку информации путем минимальных задержек распространения сигналов, разработчики стали размещать металлические токопроводящие дорожки возрастающими слоями. Хотя такая слоистая структура будет быстро прогрессировать, и число слоев увеличится до 8 и более, возможности таких металлических структур, связанные с прохождением сигналов, достигнут, в конце концов, предела и потребуются новые методы

Токопроводящие дорожки будут медные, а не алюминиевые, так как медь обладает лучшей электропроводностью. А вместо изолирующей пленки из двуокиси кремния для разделения токопроводящих дорожек на пластину будут осаждаться либо наноситься − с использованием центрифуги − фторированные окислы.

Это чудесное сочетание материалов понизит резистивно-емкостную постоянную времени проводников. Благодаря сведению к минимуму сопротивления металла и уменьшению диэлектрической проницаемости изолирующей пленки, разработчики добьются ускорения прохождения сигналов. Именно в этом отношении решающую роль приобретет выбор технологии.

 

Важнейшие технологические достижения[2]

 

Стоимостные и технологические вопросы в полупроводниковой промышленности тесно взаимосвязаны. Сегодня существует несколько технологических процессов изготовления микросхем, определяющая доля суммарных затрат на изготовление приборов приходится на изготовление пластин. В число таких процессов в настоящее время входят литография, ионная имплантация, диффузия и окисление, осаждение, травление, очистка, планиризация и измерение.

Литография играет здесь ведущую роль. Это метод воспроизведения изображения, при котором точно копируется каждый схемный элемент, причем требуемый инструментарий также относится к числу наиболее дорогостоящих видов технологического оборудования. В ходе этого процесса установки фотолитографии с последовательным шаговым экспонированием, оснащенные прекрасной оптикой, фокусирующей луч с длиной волны 365 нм (в скором времени 248 нм, затем 193 нм) на пластину, покрытую светочувствительной пленкой фоторезиста (к изготовлению установок с последовательным шаговым экспонированием, кварца и других материалов предъявляются все более жесткие требования, обусловленные переходом на более короткие длины волн). Далее следует травление или ионная имплантация. В результате селективного травления экспонирования пленок образуются канавки, заполняемые в дальнейшем металлом. Совершенно другой процесс представляет собой ионная имплантация, которая дает инженерам возможность с высокой точностью измерять электрические свойства кристалла путем внедрения в поверхность кремния заряженных атомов (ионов), ускоренных электрическим полем.

Диффузия и окисление осуществляется в реакторах, выполненных в виде 3,7 м вертикальной трубы, в которых помешаются сотни пластин. Данная технология нуждается в переходе к печам быстрой загрузки, но существующий метод доведен практически до совершенства и экономически эффективен.

Осаждение пленок тоже производится в реакторах, но одновременно обрабатываются только одна пластина, что значительно замедляет производственный процесс. Если бы не громадные достижения в области ВТ и программного обеспечения, работа заводской службы материально технического обеспечения была бы просто кошмаром, по иронии судьбы она держится на той самой технике, созданию которой способствует.

Реакторы для травления обрабатывают по одной пластине и производят селективное травление пленок алюминия, вольфрама, кремния, поликремния, двуокиси кремния и фоторезиста а также бесчисленных остатков (загрязнений). Каждая пластина сотни раз подвергается очистке, поразительно, что ежедневный расход воды на типичном заводе составляет примерно 61 тыс. м³, что соответствует 15 футбольным полям, покрытым слоем воды толщиной 30 см. Это обычно создает серьезные проблемы для служб материально-технического обеспечения, а страны, лишенные доступа к дешевым водным ресурсам, могут столкнуться с экономическими трудностями. В этом процессе расходуется очень много электроэнергии.

Планиризация (получение плоских пленок) может осуществляться способом влажной химической и механической полировки на установке, представляющей собой модифицированный станок для предварительной полировки кремния. Этот метод лишь в последнее время начинает получать широкое распространение в полупроводниковой промышленности, что обусловлено проблемами однородности пленок, надежности оборудования наличием конкурирующих технологий.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ[16]

Работа ЭВМ основана на двоичной системе счисления: +5В (1) (высокий уровень), 0В (низкий уровень). Состояние электрических приборов (реле, электровакуумные лампы, транзисторы) за +5В принято считать − 1 (единица), 0В − 0. Таким образом, выбрана двоичная система счисления: 1 и 0, то есть всего два знака. Для примера, в десятичной система счисления принято десять знаков: от 0 до 9.

Рассмотрим работу электромагнитного реле, на котором была построена ЭВМ «Марк-1» (рис. 3).

		Рис. 5. Транзистор

 

 

 

Электромагнитное реле состоит из обмотки, сердечника и контактных групп. При подаче напряжения ± 5В на обмотку реле, сердечник втягивается внутрь обмотки, контакты 2-3 размыкаются, но замыкаются контакты 1-2. При снятии напряжения с обмотки, контакты 1-2 размыкаются, соответственно замыкаются контакты 2-3. Включенное состояние − 1, отключено − 0.

Электровакуумная лампа (рис. 4), называемая триодом, состоит из трех элементов: анода, катода и управляющей сетки. При подаче положительного напряжения +5В на управляющую сетку, электромагнитное поле внутри лампы между катодом и анодом увеличивается, лампа работает, состояние − 1. При подаче низкого напряжения 0В, лампа запирается, состояние − 0.

Работа транзистора (рис. 5) аналогична работе электровакуумной лампы, только вместо управляющей сетки используется база.

 

МОП-технология[3]

МОП – металл-оксид-полупроводник. Такие транзисторы состоят из четырех элементов: исток, сток, затвор и подложка (рис. 6), выпускаются р-канальные и n-канальные.

 

Рис. 6. МОП-транзисторы

 

Работа МОП − транзисторов очень интересна При подаче положительного напряжения +5В на затворы, один транзистор открывается − (1), другой закрывается – (0). При смене напряжения 0В, наоборот, один транзистор (открытый) закрывается, другой (запертый) открывается. Соответственно – (0) и (1).

Рассмотрим работу вентиля «НЕ», выполненного по КМОП − технологии (рис. 7а).

 

Рис. 7. Вентиль «НЕ» (КМОП)

 

 

Таблица 1

 

Вход	Нижний транзистор	Верхний транзистор	Выход
Затвор	Подложка	Состояние	Затвор	Подложка	Состояние
+5В	+5В	0В	Закрыто	+5В	+5В	Разомкнут	0В
0В	0В	0В	Разомкнуто	0В	+5В	Замкнут	5В

 

При подаче положительного напряжения (рис. 7б) на затворы транзисторов, транзистор Т1 размыкается, а транзистор Т2 замыкается (табл. 1). При подаче 0В на затворы, транзистор Т1 замыкается, а транзистор Т2 размыкается (рис. 7в).

 

Типовые логические элементы[3]

 

При строительстве дома используют различного рода типовые строительные материалы: кирпичи, блоки, рамы, двери и т.д. Аналогично поступают и при разработке компьютера.

Как и любое электронное устройство, компьютер собирают из электронных схем. Каждая схема состоит из определенного набора типовых электронных элементов. Электронным элементом называют соединение различных деталей − резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов − в виде электрической схемы, которая выполняет простейшую функцию. Современная реализация схем на электронных элементах осуществляется в виде интегральных схем.

Если электронный элемент устанавливает определенную взаимосвязь входных и выходных сигналов, то его называют логическим элементом. Логический элемент может иметь как один, так и несколько входов и выходов. Наличие сигнала на входах или выходах обозначается 1, отсутствие сигнала − 0. Любую схему можно построить на основе типовых логических элементов: инвертора, логического элемента И, логического элемента ИЛИ, триггера.

Инвертор служит для получения выходного сигнала, противоположного входному. Он реализует функцию отрицания, называемую «НЕ». Операция отрицания записывается в виде горизонтальной черты над той переменной, которая преобразуется в инверторе.

Например, В = Ā, где А − входной сигнал, В – выходной сигнал. На рис. 8а приведены условные обозначения инвертора (слева) и логика его работы (справа). Инвертор всегда имеет один вход и один выход.

Логический элемент «И» предназначен для реализации функции, − выходной сигнал равен 1, когда все входные сигналы равны 1. Входов может быть несколько, выход - один. Если хотя бы на одном входе не будет сигнала, то есть 0, то на выходе сигнал тоже отсутствует. Условное обозначение двухходовой схемы «И» и логика ее работы представлены на рис. 8б. Для обозначения операции «И» используется точка или знак ^. Например, С = А+В или С = А^В.

 

а) «Инвертор»

Вход А	Выход В

В = Ā

А

 

б) «И»

 

Входы	Выход С
А	В

С

 

Входы	Выход С
А	В

в) «ИЛИ»

 

г) «Триггер»

Входы	Выходы
S	R	Q
		Хранение
		Комбинация недопустимая

T

R

S

 

Рис. 8. Логические элементы

 

 

Логический элемент «ИЛИ» предназначен для реализации функции, − выходной сигнал равен 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1. Входов может быть несколько, выход – один. Для условного обозначения 2-кодовой схемы «ИЛИ» и логики операции «ИЛИ» используется знак + или v. Например, С = А+В или С = AvB (рис. 8в).

Триггер служит в качестве запоминающего элемента. Его действия подобны действию выключателя на два положения: «включено» или «выключено». Триггер так же, как и выключатель, всегда находится в одном из устойчивых состояний, называемых «установка» и «сброс».

Необходимо специальное усилие – электронный импульс, чтобы перевести его из одного состояния в другое. Триггер (рис. 8г) имеет два импульсных входа – S, R и два потенциальных (статических) выхода – Q, .

Импульсом (рис. 9а) называется кратковременный электрический сигнал, потенциалом (рис. 96) – постоянный уровень электрического сигнала в течение продолжительного времени.

 

а) б)

 

Рис. 9. Одиночные импульсы

 

Триггер обеспечивает запоминание последнего поданного на его вход импульса. Правила работы триггера следующие:

− импульс, приходящий на вход «установка» S (SET – установка) вызывает высокий уровень напряжения на его выходе Q, что соответствует 1;

− импульс, приходящий на вход «сброс» R (reset – сброс) устанавливает низкий уровень напряжения на выходе Q, что соответствует 0.

На основе рассмотренных типовых логических элементов строится любой функциональный узел. Функциональным узлом называется совокупность логических элементов, выполняющих простейшие функции хранения и преобразования информации над машинными словами. Все функциональные узлы связаны между собой, выходы одного узла являются входами одного или нескольких других узлов. Совокупность функциональных узлов, объединенных определенным образом, образует функциональный блок. Типовыми узлами, которые используются в качестве базовых при разработке более крупных узлов, являются регистры, счетчики, дешифраторы.

 

 

 

Рис. 10

 

Регистр – совокупность триггеров, предназначенных для хранения данного в двоичном коде. Для каждого разряда двоичного кода требуется один триггер. Например, для хранения двоичного числа 10110101 необходим регистр, состоящий из восьми триггеров. На рис. 11 изображен 4-разрядный регистр, в котором хранится код 1001.

 

 

 

Рис. 11. Четырехразрядный регистр

 

Запись в триггере регистра была произведена в тот момент, когда появилась комбинация на входах триггеров Т1-Т4: для Т1 – S, для Т2 – R, для ТЗ – R, для Т4 – S. Изменить это состояние регистра можно, только подав на вход другую комбинацию входных сигналов. При той же комбинации состояние регистра будет неизменным.

Счетчик (рис. 10) используется для подсчета числа импульсов, приходящих на его вход. Счетчик представляет собой триггерный регистр, который увеличивает хранящееся в нем число на 1 по мере прихода импульса на вход. Реализуется счетчик на триггерах и схемах «И». Для установки счетчика в исходное нулевое состояние используется вход «очистка».

 

 

 

 

 

Рис. 12. Дешифратор на три входа

 

Дешифратор осуществляет преобразование кода входных сигналов в выходной сигнал на одной из выходных шин. Каждой комбинации входных сигналов соответствует одна единственная – выходная функция. Например, рассмотрим дешифратор на три входа: А, В, С (рис. 12). На каждом входе может появиться либо высокий (1), либо низкий (0) уровень напряжения. Количество различных сочетаний единиц и нулей равно 8. Выходной сигнал возникает только на том входе, номер которого соответствует его двоичному эквиваленту на входе. На остальных выходах будут нули. В таблице 2 приведена логика работы 3-входового дешифратора. Дешифратор реализуется на логических элементах «НЕ» и «И». Используется дешифратор в основном для подключения в работу электрических цепей, блоков, схем. Например, в блоке управления операциями устройства управления дешифратор в зависимости от кода операции вырабатывает управляющий сигнал для подключения необходимого устройства.

Таблица 2

Трёхходовой дешифратор

 

Входы	Выходы
А	В	С

 

ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ АССЕМБЛЕР[4]

 

Представление чисел в МП[4]

 

В зависимости от спецификации применения МП числа в них могут быть представлены в разнообразных форматах.

Представление всего лишь двух цифр (0 и 1) задает двоичную систему исчисления. Вся информация, обрабатываемая МП и содержащаяся в ячейках памяти или регистрах, может быть представлена в виде двоичных чисел, состоящих из 0 и 1, причем 0 соответствует высокий уровень электрического сигнала (5В), а 1 – низкий уровень (0В). Пример записи числа в двоичной форме

 

 

Каждый разряд в двоичной форме записи называется битом. В
качестве примера приведено 16-битовое число (см. выше). В МП вся обрабатываемая информация хранится в виде последовательности машинных слов определенного формата.

Машинное слово длиной 4 бита называют тетрадой, 8 бит – байтом, 16 бит – словом, 32 бита – двойным словом. Чем длиннее машинное слово, тем быстрее можно обработать информацию с заданной точностью. Для управления технологическими процессами чаще всего применяют МП с машинным словом длиной 8 или 16 бит. Поэтому логические и арифметические операции над числами, форматом большим, чем машинное слово, приходится производить за несколько приемов (машинных команд), что существенно снижает быстродействие МП системы.

Числа в МП системе могут быть представлены в виде целого числа без знака, целого числа со знаком, числа с фиксированной точкой и числа с плавающей точкой. При этом длина записи числа в двоичной форме определяется лишь требуемым диапазоном чисел и кроме того, одна и та же запись в двоичной форме представляет собой совершенно разные числа в зависимости от формы представления числа.

Рассмотрим представление чисел 16-битовым словом.

 

Целое число без знака

 

Диапазон представления целых чисел лежит в пределах от 0 (0000000000000000) до 65535 (1111111111111111). Такой двоичный код называют прямым.

 

Целое число со знаком

 

Наиболее часто такое число представляют в дополнительном двоичном коде, в котором под знак используют двоичный разряд (0 «+», а 1 «−»). Положительные числа лежат в диапазоне от 0 (0000000000000000)
до +32767 (01111111111111111), а отрицательные числа находятся в
диапазоне от -1 (1111111111111111) до 32768 (1000000000000000). Для изменения знака числа, передав дополнительный код, исходный код ин­вертируется, затем к результату прибавляется единица.

 

Число с фиксированной точкой

 

Старший бит используется для записи знака числа по аналогии с вы­шеизложенным. Точка, отделяющая целую часть от дробной ее части, зани­мает фиксированное положение, обычно перед старшим разрядом числа. В этом случае для всех представляемых в такой форме чисел абсолютное зна­чение меньше единицы. Так как предусматривается хранение лишь дробной части числа, то не только исходные данные, но и результаты всех произве­денных над ними операций должны быть числами, абсолютное значение ко­торых меньше единицы. Выполнение этого условия обеспечивается выбором определенных масштабных коэффициентов, на которые умножаются исход­ные данные задачи. Неправильный выбор этих коэффициентов может вы­звать так называемое переполнение разрядной сетки – возникновение ошиб­ки, если в результате выполнения операций в числе образуется целая часть, для хранения которой не предусмотрено место, и она теряется. Необходи­мость в масштабировании данных составляет один из недостатков представ­ления чисел в форме с фиксированной точкой. Другой недостаток этой фор­мы – низкая точность представления чисел, абсолютное значение которых мало (нули в старших разрядах приводят к уменьшению числа разрядов, за­нимаемых значащей частью числа, и к снижению точности представления чисел).

 

Число с плавающей точкой

 

Форма с плавающей точкой предусматривает числа в показательной форме. В слове отводится место под мантиссу числа, под знак числа, под по­рядок числа и под знак порядка. Таким образом, порядок и мантисса будут представлены целыми числами со знаком. Допустим, что под порядок числа отведено 4 двоичных разряда. Два разряда займут знак порядка и знак числа. Тогда под мантиссу в 16-битовом слове отводится 10 двоичных разрядов (4 + 2 + 10 = 16). Соответствующим выбором порядка можно добиться, чтобы старший разряд мантиссы не был равен нулю. При этом образуется так назы­ваемая нормальная форма. Определим диапазон чисел, который может быть представлен словом в нормальной форме. Положительное число будет иметь минимальное значение, если все разряды мантиссы, кроме старшего, будут равны 0, а порядок будет иметь отрицательный знак и максимальное абсо­лютное значение

 

знак порядка	порядок	знак числа	мантисса

 

или 1/65536. Максимальное число образуется при максимальных значениях порядка и мантиссы

 

 

или 65536 - 1/1024. Очевидно, что диапазон представления чисел практиче­ски определяется количеством выделенных двоичных разрядов под мантиссу и эта точность в рассмотренном формате составляет 1/1024. Обычно для вы­полнения технических расчетов для представления чисел в форме с плаваю­щей точкой выделяют двоичное слово (32 бита), в котором под порядок со знаком выделяют 10 разрядов, а остальные разряды отводят под мантиссу со знаком. Однако при этом быстродействие вычислений многократно снижает­ся по сравнению с обработкой чисел в 16-битном формате, что очень важно при работе МП системы в реальном масштабе времени, например, при управлении электроприводом. Поэтому часто в МП системах управления для повышения быстродействия вместо вычисления функций используют много­численные предварительные ее значения, которые заносятся в память МП системы в виде таблиц, хотя эти значения и занимают в памяти достаточно много места.