Электронные устройства автоматики и вычислительной техники кратко
Обновлено: 05.07.2024
Гибридные (ГИМС), полупроводниковые(ПИМС), большие (БИС) интегральные схемы. Диффузионная и планарно-диффузионная технологии изготовления микросхем. Функциональное назначение микросхем. Маркировка.
Литература: Л.5 стр. 309 – 319
Методические указания
- уменьшение габаритов и массы (миниатюризация)
- повышение надежности за счет сокращения соединительных линий, совершенствование контактных узлов и взаимного резервирования элементов
- уменьшение потребляемой мощности
- усложнение задач и соответствующих им схемных решений при одновременном удешевлении элементов.
Существенные изменения в полупроводниковой технике связаны, во-первых, с переходом к интегральным микросхемам [ИС], и, во-вторых, с переходом к большим интегральным схемам [БИС].
Интегральная микросхема (ИС) – это законченная электронная цепь в корпусе, не большем, чем стандартный маломощный транзистор. Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. ИС производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводниковых устройств.
Наиболее очевидным преимуществом ИС является ее малый размер. Она состоит из кристалла полупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым размерам ИС находят широкое применение в военных и космических программах. Использование ИС превратило калькулятор из настольного в ручной инструмент, а компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, превратились в портативные модели.
Вследствие малых размеров ИС потребляют меньшую мощность и работают с более высокой скоростью, чем стандартные транзисторные цепи, так как благодаря прямой связи внутренний компонент уменьшается время перемещения электронов.
ИС более надежны, чем непосредственно связанные транзисторные цепи, поскольку в них все внутренние компоненты соединены непрерывно. Все эти компоненты сформированы одновременно, что уменьшает вероятность ошибки. После того как ИС сформирована, она проходит предварительное тестирование перед окончательной сборкой.
ИС уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного оборудования.
ИС имеют также некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях токов и напряжений. Большие токи создают избыточное тепло, повреждающее устройство. Высокие напряжения пробивают изоляцию между различными внутренними компонентами. Большинство ИС являются маломощными устройствами, питающимися напряжением от 5 до 15 В и потребляющими ток, измеряющийся миллиамперами. Это приводит к потреблению мощности, меньшей, чем 1 Вт.
ИС содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Диоды и транзисторы – самые легкие для изготовления компоненты и самые миниатюрные. Резисторы более трудны в изготовлении, к тому же чем больше сопротивление резистора, тем больше он по размерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.
ИС классифицируются согласно способу их изготовления. Наиболее широко используются следующие способы изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный.
После изготовления ИС тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разрезается на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну ИС, содержащую все компоненты и соединения между ними. Каждый чип, который проходит тест контроля качества, монтируется в корпус. Несмотря на то, что одновременно изготовляется большое количество ИС, далеко не все из них оказываются пригодными для использования. Эффективность производства характеризуют таким параметром, как выход. Выход – максимальное число пригодных ИС по сравнению с полным числом изготовленных.
Тонкопленочные ИС формируются на поверхности изолирующей подложки из стекла или керамики, обычно размером около 5 см 2 . Компоненты (резисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наносимых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов. Диоды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесение тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 мм. Величина резистора определяется длиной, шириной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металла с низким сопротивлением, такого как золото, платина или алюминий.
Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на подложку. После этого на металл наносится слой окисла, образуя диэлектрическую прокладку конденсатора. Она формируется обычно такими изолирующими материалами, как окись тантала, окись кремния или окись алюминия. Верхняя часть конденсатора создается из золота, тантала или платины, нанесенных на диэлектрик. Полученное значение емкости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.
Чипы диодов и транзисторов формируются с помощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединяются с тонкопленочной цепью, с помощью очень тонких проводников.
Материалы, используемые для компонентов и проводников, наносятся на подложку методом испарения в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предварительно нагретой подложки, помещенной в вакуум, и конденсируются на ней, образуя тонкую пленку.
Процесс напыления происходит в газонаполненной камере при высоком напряжении. Высокое напряжение ионизирует газ, и материал, который должен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, которые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаждения пленки нужной формы и в нужном месте используется маска. Другой метод состоит в покрытии всей подложки полностью и вырезании или вытравливании ненужных участков.
При толстопленочном методе резисторы, конденсаторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой размещается экран из тонкой проволоки, и металлизированные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила после того нагреваются до температуры свыше 600 0 С для затвердевания чернил.
Толстопленочные конденсаторы имеют небольшие значения емкости, используются дискретные конденсаторы. Толстопленочные компоненты имеют толщину 0,025 мм. Толстопленочные компоненты похожи на соответствующие дискретные компоненты.
Гибридные ИС формируются с использование монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, используя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные компоненты используются потому, что они могут работать при относительно высокой мощности.
ИС упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухрядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать различным размерам ИС: микросхемам малой и средней степени интеграции, микросхемам большой степени интеграции (БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС). Корпуса изготавливаются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и пригодны для большинства применений при рабочей температуре от 0 0 С до 70 0 С. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Кроме того, они работают в более широком диапазоне температур (от –55 0 С до +125 0 С). Микросхемы в керамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некоторых отраслях промышленности.
Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса типа DIP, и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от –55 0 С до +125 0 С.
После того как интегральная микросхема заключена в корпус, ее тестируют, чтобы проверить, удовлетворяет ли она всем требуемым параметрам. Тестирование проводят в широком диапазоне температур.
Вопросы для самоконтроля
1. что такое интегральная микросхема?
2. какие компоненты могут быть включены в интегральные
3. какие методы используются для изготовления интегральных
4. какие материалы используются для корпусов интегральных
*Тема 9.2. Элементы цифровых электронных цепей
Двоичная система счисления. Логические элементы И ИЛИ НЕ, их таблицы истинности. Элементная база. Принцип работы.
Литература: Л.5 стр. 366 – 380
Методические указания
В современной вычислительной технике наряду с десятичной широко
применяются другие системы счисления, обеспечивающие наиболее экономную запись чисел и формализацию арифметических операций. Среди них особое место занимает Двоичная система счисления – это система с наименьшим возможным основание( для записи требуется всего два символа). Двоичная система счисления используется в цифровых цепях благодаря тому, что двоичные цифры легко представить в виде двух напряжений – высокого и низкого. Все цифровое оборудование, от простого до сложного, сконструировано с использованием небольшого количества основных схем. Эти схемы называются логическими элементами. В данной теме необходимо рассмотреть логические элементы И, ИЛИ, НЕ и их таблицы истинности. Триггеры принадлежат к категории цифровых цепей, называемых мультивибраторами. Мультивибраторы могут хранить двоичные числа, импусы счёта, синхронизировать арифметические операции и выполнять другие полезные функции в цифровых системах. Триггер – это бистабильный мультивибратор, на выходе которого может быть либо высокое, либо низкое напряжение, то есть либо 1, либо 0. Обучающимся необходимо рассмотреть типы триггеров, работу этих цепей.
Вопросы для самоконтроля
1. перечислите несколько логических элементов цифровых цепей и укажите, какие функции они выполняют
2. что такое таблица истинности?
3. что такое триггер?
4. какие типы триггеров вы знаете?
5. что такое триггер с синхронизирующим входом?
Примечание: Разделы, темы, дидактические единицы, отмеченные символом*, отводятся на самостоятельное изучение студентами.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Занятие №1
Тема 1.1. Назначение ЭВТ. Классификация вычислительных систем
Основные сведения об электронно-вычислительной технике:
классификация, характеристики, принцип действия.
Аналоговая и цифровая ВТ. Гибридные ВМ.
Принципы организации цифровых вычислительных устройств (ЦВУ)
Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 34 - 45
Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 4 - 9
Вычислительная техника ( ВТ ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.
Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.
Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).
Типы вычислительных машин (ВМ).
Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др.
Возможна следующая классификация ЭВМ:
– ЭВМ по принципу действия;
– ЭВМ по этапам создания;
– ЭВМ по назначению;
– ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.
Классификация ЭВМ по принципу действия . Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). АВМ машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2 –5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.
Классификация ЭВМ по этапам создания. По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронно-вакуумных лампах;
2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе);
4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах-микропроцессорах (десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле);
5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
6-е и последующие поколения: оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Каждое следующие поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
Классификац ия ЭВМ по назначению . По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:
– универсальные (общего назначения),
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям . По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на:
Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.
Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов.
Компьютеры, интегрированные в бытовую технику, например в стиральные машины, СВЧ-плиты и видеомагнитофоны, тоже относятся к специализированным. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль состояния бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы систем объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения).
Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.
Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами.
Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Тема 1.2. Характеристики и принцип действия ЭВМ.
Обобщенная структурная схема ЦВМ.
Характеристики и принцип действия ЭВМ.
Основные параметры ЭВМ.
Архитектура ЭВМ.
Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 52 - 66
Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 9 - 13
1. Принципы построения ЭВМ
Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 1946 году :
1. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков :
УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (память), состоящее из перенумерованных ячеек. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел.
УВВ – устройство ввода-вывода. Получают информацию извне, выводят её получателю.
2. Информация, с которой работает ЭВМ Информация кодируется в двоичной форме и делится на два типа:
набор команд по обработке (программы);
данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы .
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Архитектура ЭВМ
Архитектура вычислительной машины (англ. сomputer architecture) – концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Существует два вида архитектуры вычислительных машин:
с непосредственными связями (1-е и 2-е поколение ВМ)
на основе шины .
Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ. В ней между взаимодействующими устройствами имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена.
Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :
АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;
применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;
вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников.
Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии: шину данных, шину адреса, шину управления .
По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины .
Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.
МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.
Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты .
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер , которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.
Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.
Одноконтактный, двухконтакотный тргиггер. Регистры, сетчики, сумматоры.
Примеры электронных устройств ЭВМ.
Методическое указание:
Логические интегральные микросхемы (ИМС) служат для операций с дискретными сигналами ,принимающими два значения , например ,высокий и низкий (нулевой) потенциалы. Одному из уровней сигнала приписывается символ 1 , другому – 0.
Каждая серия логических элементов содержит несколько типов логических схем , реализующих различные логические функции (И,ИЛИ,НЕ)
Упрощенная структурная схема ЭВМ содержит следующие устройства: арифметическое устройство , запоминающие устройства , устройства управления , пульт управления, устройства ввода и вывода ,которые относятся к внешним устройствам , как и внешние запоминающее устройство .
Арифметическое устройство (АУ) преназначено для выполнения основных арифметических и логических операций. В состав арифметических устройств входят сумматоры ,регистры ,логические элементы.
Сумматор- основной узел арифметического устройства , он состоит из тригеров с логическими элементами . В арифметических устройствах применяют накапливающие сумматоры , в которых слагаемые поступают на входы последовательно и комбинационные , в которых слагаемые поступают одновременно.
Подсчет импульсов в двоичном коде осуществляется счетчиками. Они строятся на основе тригеров. Счетчики могут работать в режиме суммирования и в режиме вычитания . В первом случае единица переноса на выходе какого-либо разряда возникает при переходе этого разряда из единичного состояния в нулевое , а во втором –единица переноса возникает при переходе разряда из нулевого состояния в единичное .
Регистры- устройства, предназначенные для записи, хранения и выдачи в соответствующие цепи ЭВМ двоичного кода числа. Регистры собирают из триггеров, число которых соответствует числу разрядов в машинном слове (цифровом коде). Запоминающее устройство (ЗУ) или память предназначена для приема, хранения и выдачи исходных данных: команд,
чисел ,промежуточных и конечных результатов вычислений.
Устройство управления (УУ) предназначено для управления, выполнения алгоритма вычислений.
Устройство ввода-вывода (УВВ) является внешним, или переферийным устройством ЭВМ. Оно предназначено для преобразования информации на машинный язык в устройстве ввода и обратного преобразования в устройстве вывода. Число внешних устройств современных ЭВМ сильно расширилось . Созданы специальные унифицированные устройства управления вводом-выводом – каналы ввода –вывода (КВВ). КВВ соединяются с ОЗУ по средством унифицированной системы связей ,называемой интерфейсом ОЗУ.
Тема 6.14. Микропроцессоры и микро эвм
Студент должен иметь представление:
о микропроцессах и микро-ЭВМ ( место в структуре вычислительной техники для комплексной автоматизации управления производством; архитектура и функции; примеры применения микропроцессорных систем)
Микропроцессоры и микро ЭВМ, их место в структуре вычислительной техники для комплексной автоматизации управления производством, в информационно-измерительных системах в технологическом оборудовании.
Архитектура и функции микропроцессоров; типовая структура микропроцессора и ее состовляющие; вспомогательные элементы микропроцессоров; устройство управления, стековая память.
Полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ): классификация ЗУ; основные качественные показатели.
Интерфейс в микропроцессорах и микро-ЭВМ; обмен информацией между ЗУ и устройствами ввода и вывода; устройство ввода и вывода интерфейса.
Периферийное оборудование микро-ЭВМ, устройство ввода-вывода, системы отображения информации; специализированные периферийные устройства.
Серийно выпускаемые микропроцессорные комплекты (МКП), микро-эвм, программное обеспечение, стандартизация в области МКП; примеры применения микропроцессорных систем.
Методические указания:
Микропроцессоры – это обрабатывающее и управляющее устройство , выполненное с использованием технологий больших интегральных схем (БИС) и обладающие способностью выполнять под программным управлением обработку информации , включая ввод и вывод информации , принятие решений , арифметические и логические операции.
В состав микропроцессора входят арифметико-логическое устройство , схема управления и синхронизации ,регистр – аккумулятор, сверхоперативное запоминающее устройство , программный счетчик , адресный стек , регистр команд и дешифратор кода операции , схема управления памятью и вводом-выводом.
Микро-ЭВМ – это вычислительная и управляющая система , выполненная на основе микропроцессора , в состав которой входят программная памят , память данных ( оперативное запоминающее устройство ) ,устройство ввода-вывода ,генератор тактовых сигналов ,а также другие устройства ,выполненные с использованием БИС или элементов с меньшей степенью интеграции.
МП и микро-ЭВМ имеют два основных направления применения : первое- традиционное для средств ВТ и второе – нетрадиционное , в котором до появления МП использование средств ВТ не предполагалось , в системах управления технологическими процессами , в измерительных приборах и др.
Микро-ЭВМ имеют ряд преимуществ по сравнению с мини-ЭВМ : достаточно мощная система команд с развитой системой адресации , многоуровневая система прерываний и малое время реакции на запросы , наличие каналов прямого доступа памяти , периферийный интерфейс в виде одной или нескольких БИС ввода-вывода .Микро-ЭВМ имеют на порядок лучшее показатели , чем мини-ЭВМ , по отношению стоимости к числу команд или к числу регистров общего назначения.
Микро-ЭВМ уступают мини-ЭВМ по следующим показателям: меньшая разрядность и в два-три раза меньшее быстродей -ствие.
Применение микро-ЭВМ в системах управления, в измерительных приборах и др. определятся следующими основными преимуществами по сравнению с устройствами с жесткой структурой : значительно большая гибкость , простота конструкций , меньшая стоимость , более высокая надежность. Данные преимущества систем на основе МП обусловили их применение вместо систем в жесткой структурой как основное направление применения .
электронные устройства автоматики
Последние достижения в области физики и технологии полупроводников, математики, химии, радиотехники позволили перейти к новому этапу миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры - созданию и совершенствованию интегральных схем.
Интегральная микросхема (ИС)-микроэлектронное изделие, выполняющее функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке-и эксплуатации - рассматривается как единое целое.
Различают следующие ИС: пленочные, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в виде пленок; бескорпусные гибридные, содержащие кроме пленочных элементов навесные компоненты (транзисторы, диоды, конденсаторы); полупроводниковые, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме или на поверхности полупроводника.
Низкоомные пленочные резисторы гибридных микросхем (сопротивлением от 0,01 Ом до 10 кОм) получают из чистого хрома, тантала или нихрома, нанося эти материалы в виде тонких пленок на электрическую подложку. Для получения высокоомных пленочных резисторов используют оксидные пленки, например из оксида олова. Так как эти пленки обычно относятся к материалам с электропроводностью л-типа (из-за присутствия кислородных вакансий), то добавка сурьмы снижает, а добавка индия повышает удельное сопротивление.
Полупроводниковые ИС изготовляют по планарной технологии, широко применяемой в производстве дискретных транзисторов. Основой планарной технологии является последовательное создание методом диффузии слоев р- и л-типа в объеме кремниевой подложки.
Так как все элементы полупроводниковой ИС создаются в объеме полупроводникового монокристалла, то возникает проблема электрической изоляции компонентов друг от друга. Для решения этой проблемы используются два метода изоляции: 1) обратно-смещенным р-л-переходом; 2) диэлектриком. Наиболее распространенной является изоляция обратносмещенным р-л-переходом, так как в этом случае существенно снижается стоимость ИС.
Транзисторы полупроводниковых ИС с изоляцией диэлектриком по параметрам близки к дискретным транзисторам, однако у интегральных транзисторов выводы всех электродов выполняются с одной стороны кристалла.
Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС с изоляцией р-л-переходом представляют собой четырехслойную структуру с тремя р-л-переходами, один из которых - изолирующий. Наличие этого перехода приводит к появлению паразитных элементов й ухудшает параметры интегральных транзисторов по сравнению с дискретными.
Полевые транзисторы с управляющим р-и-переходом выполняются совместно с биполярными на одном кристалле в едином технологическом цикле, составляя таким образом один тип ИС. Биполярные и МДП-транзисторы, как правило, совместно не изготовляются, т. е. разрабатываются два типа ИС: на биполярных и полевых МДП-транзисторах.
В качестве диодов в полупроводниковых ИС обычно используют транзисторы в диодном включении. В зависимости от схемы включения транзистора изменяются параметры диода.
Резисторы полупроводниковых ИС получают, используя объем полупроводника, заключенный между двумя выводами. Сопротивление такого резистора определяется удельным сопротивлением полупроводника и геометрическими размерами.
Для полупроводниковых ИС объемные резисторы более технологичны, чем пленочные, так как создаются одновременно с остальными элементами микросхемы. Однако они характеризуются большим разбросом параметров, сильной температурной зависимостью сопротивления и существенными паразитными эффектами. Размеры полупроводниковых резисторов, даже при сопротивлении порядка нескольких килоом, значительно превышают размеры транзисторов. Так как сопрогивлепие объемных резисторов не превышает нескольких десятков килоом, то при создании ИС с повышенной степенью интеграции стремятся уменьшить количество резисторов в схеме или совсем исключить их.
Роль конденсаторов полупроводниковой интегральной микросхемы выполняет емкость обратносмещенного р-и-перехода, максимальное значение которой составляет примерно 100-200 пФ. Большие значения емкостей трудно реализовать в ограниченном объеме кристалла, поэтому интегральные микросхемы разрабатывают с минимальным количеством конденсаторов. Индуктивные катушки и трансформаторы в микроэлектронных устройствах применяются только как навесные элементы гибридных микросхем, так как формирование индуктивной катушки в объеме ИС практически невозможно. Полупроводниковые ИС представляют собой законченные функциональные устройства, элементы которых выполняются в едином технологическом цикле. Поэтому параметры полупроводниковых интегральных микросхем имеют меньший разброс и темпера-
турную зависимость, чем параметры аналогичных функциональных устройств, выполненных на дискретных элементах. Однако полупроводниковые ИС требуют сложного оборудования и крупных начальных капиталовложенний. Кроме того, недостатком полупроводниковых ИС является наличие паразитных связей между элементами и подложкой. Несмотря на это технология изготовления полупроводниковых ИС позволяет получать их надежнее и дешевле гибридных микросхем с навесными элементами. По количеству составных элементов интегральные микросхемы делят на схемы с малой степенью интеграции (до 100 элементов); средней (до 1000) и большой (свыше 1000).
При проектировании ИС с большой степенью интеграции (БИС) необходимо решить две проблемы. Первая - возможность уменьшения геометрических размеров элементов схемы. Эти размеры определяются заданными электрическими параметрами и разрешающей способностью технологического оборудования. При этом следует учесть, что для изготовления БИС требуется более трудоемкий технологический процесс, чем для изготовления ИС с малой степенью интеграции. Вторая проблема - обеспечение отвода теплоты. Увеличение плотности упаковки элементов в интегральной микросхеме обусловливают увеличение удельной мощности рассеяния. Работа элементов в условиях повышенной температуры приводит к уменьшению надежности элементов и микросхемы в целом. Поэтому БИС, как правило, имеют специальные конструкции корпусов.
В настоящее время уровень интеграции БИС достигает нескольких тысяч элементов на одном кристалле. Создание и серийный выпуск таких БИС позволили перейти к созданию микропроцессоров.
Микропроцессор - это функционально законченное и полностью автономное цифровое устройство, реализованное на одной или нескольких БИС и обеспечивающее обработку информации и управление по заданной программе. Микропроцессоры рассчитаны на совместную работу с устройствами памяти и ввода - вывода информации. Эти устройства поставляются в комплекте в виде семейства совместимых приборов, способных работать при тех же напряжениях питания, при которых работает микропроцессор.
Основным недостатком микропроцессоров является сравнительно низкое быстродействие устройств на микропроцессорах, что обусловлено принципиально последовательным характером выполнения программы. Повышение быстродействия микропроцессоров тесно связано с совершенствованием технологии изготовления БИС.
Читайте также: