МИЭМ НИУ ВШЭ Информатика и вычислительная техника

МИЭМ НИУ ВШЭ Информатика и вычислительная техника ЭВМ и периферийные устройства (практические занятия) Мартиросян С. Т. , доцент, к. т. н.

Семинар 1. Цифровой и микроархитектурный уровень. Немного истории Вот основные вехи хроники первых лет микропроцессорной революции: • 1948 год. – Вильям Шокли (Schockley, William; 1910– 1989), Джон Бардин (Bardeen, John; 1908– 1991) и Вальтер Браттейн (Brattain, Walter; 1902– 1987) из Bell Laboratiries изобрели транзистор (Нобелевская премия по физике 1956 г. ). • 1955– 1960 годы. – Возникновение полупроводниковой промышленности. Первый шаг был сделан самим изобретателем транзистора Вильямом Шокли. В 1955 г. он вернулся в свой родной городок Пало Альто (Palo Alto) недалеко от Сан Франциско и основал там фирму Shockley Labs Inc. , пригласив к себе в помощники восемь молодых талантливых сотрудников из восточных штатов – Роберта Нойса (Noyce, Robert; 1927– 1990), Гордона Мура (Moore, Gordon; р. 1929), Шелдона Робертса (Roberts, Sheldon) и др. Однако через два года, в 1957 г. «восьмерка предателей» , не поладив с Шокли, ушла от него и организовала фирму Fairchild Semiconductor. Впоследствии члены восьмерки продолжали разбегаться, основывая собственные полупроводниковые компании вдоль 50 -мильного участка шоссе номер 101, проходящего по долине от Сан Хосе до Сан Франциско. За несколько лет здесь образовалась уникальная концентрация высокотехнологичных производств и исследовательских центров, получившая название «Кремниевой (Силиконовой) долины» . • 1958 год. – Джек Килби (Kilby, Jack; р. 1923) из Texas Instruments создал первую экспериментальную интегральную микросхему, содержащую 5 германиевых транзисторов (Нобелевская премия по физике за 2000 год). В следующем году Роберт Нойс усовершенствовал ее, разработав тонкопленочную технологию на основе кремния. Вместе с Гордоном Муром они ушли из Fairchild Semiconductor и основали в Силиконовой долине фирму Intel (от INtegrated ELectronics).

1948 год. – Вильям Шокли (Schockley, William; 1910– 1989), Джон Бардин (Bardeen, John; 1908– 1991) и Вальтер Браттейн (Brattain, Walter; 1902– 1987) из Bell Laboratiries изобрели транзистор (Нобелевская премия по физике 1956 г. ).

1958 год. – Джек Килби (Kilby, Jack; р. 1923) из Texas Instruments создал первую экспериментальную интегральную микросхему, содержащую 5 германиевых транзисторов (Нобелевская премия по физике за 2000 год).

Микропроцессорная революция Рисунок из патента Транзистор Резистор Алюминиевый проводник Увеличенная фотография первой планарной Контактная площадка микросхемы В 1959 году Роберт Нойс (Noyce, Robert; 1908 -1990) из Fairchild Semiconductor разработал тонкопленочную (планарную) технологию интегральных схем на основе кремния с алюминиевыми проводниками

Микропроцессорная революция В 1968 г. Роберт Нойс (справа) и Гордон Мур ушли из Fairchild Semiconductor и организовали компанию Intel для производства интегральных микросхем В музее компании Intel (Санта Клара, Силиконовая долина)

Введение в технологию микроэлектроники Современная интегральная схема содержит миллионы структурных элементов, размещенных на нескольких сверхтонких слоях различных материалов (металла, изолирующего окисла, полупроводника). Фотография с электронного микроскопа. Ширина проводящих алюминиевых полосок 0, 1 -0, 2 микрона

Производство интегральных схем основано на фотолитографическом процессе. На каждый слой микросхемы составляется отдельный чертеж,

на основе которого готовятся фотошаблоны для формирования элементов данного слоя

Процесс массового изготовления интегральных схем начинается с изготовления кремниевых подложек. Слиток сверхчистого кремния распиливается на пластины, на каждой из которых будет выращиваться несколько сот микросхем. Пластины покрываются слоем фоточувствительной эмульсии.

С помощью фотоуменьшителя делаются микроскопические отпечатки фотошаблонов на покрытую эмульсией подложку. Затвердевшая в светлых местах эмульсия остается на поверхности пластины после ее промывки, она создает маску для соответствующей стадии диффузионного процесса.

Основной технологический процесс происходит в диффузионной камере, куда помещаются подложки, и куда по очереди в соответствии с технологией подаются горячие газы и пары металлов. Воздействуя на незащищенные фотоэмульсией участки пластины, они напыляют или вытравливают рисунок отдельных слоев, постепенно наращивая структуру микросхемы. Технологический процесс содержит несколько десятков стадий и может продолжаться более месяца.

Каждый из маленьких квадратиков – готовая интегральная схема. Осталось распилить пластину на отдельные чипы и вставить их в корпуса с контактами.

Семинар 2. Введение в технологию полупроводников. Металлы, диэлектрики, полупроводники Металл обладает правильной кристаллической решеткой, в которой положительно заряженные ионы погружены в «газ» из свободных электронов. Нет жестких связей. • . . . • . • Концентрация свободных электронов слабо зависит от температуры. Проводимость металла падает с ростом температуры. При приложении к металлу даже небольшой разности потенциалов образуется направленное движение электронов – электрический ток, в котором участвует огромное число электронов (1 ампер = 6, 3 х 1018 е). Управлять таким потоком свободных носителей невозможно. Диэлектрик – при низких температурах собственный (беспримесный) кремний - Si идеальный диэлектрик, нет свободных электронов, все валентные связи (4) заняты. • Si Что бы разорвать электронные связи и создать в кристалле свободные электроны необходимо затратить энергию. Величина этой энергии называется шириной запрещенной зоны - g и зависит от структуры кристаллической решетки и свойств атомов кристалла. Если эта энергия велика g > 3 э. В, то нагревая даже до очень высокой температуры мы не получим сколько нибудь заметного количества электронов (алмаз – идеальный диэлектрик). Нет тока, нет управления потоком.

Металлы, диэлектрики, полупроводники (продолжение) Полупроводник – материал, проводимость которого много выше чем у диэлектриков, но много ниже чем у металлов. Для типичных полупроводников Eg • составляет Ge = 0, 72 э. В; • Si = 1, 1 э. В; • Ga. As = 1, 4 э. В. Это означает, что мы можем, конечно, создать свободные носители заряда в таком материале, но надо будет приложить большие значения энергии для того, что бы разорвать валентные связи чистого (собственного) полупроводника. Полупроводники характеризуются тем, что их проводимость, в отличие от металлов возрастает с ростом температуры, все свойства сильно зависят от наличия примесей. Примесные полупроводники характеризуются тем, что даже ничтожная доля примесей увеличивает (или уменьшает) в миллионы (даже в миллиарды) раз концентрацию электронов в исходном материале. Мы получили материал проводимостью, которого можем управлять с помощью легирования различными примесями и различными концентрациями примесей.

Донорный полупроводник Донорная примесь – введем в кристалл кремния атом мышьяка As , мышьяк пятивалентен, четыре валентные связи кремния он займет, но остается еще один электрон, который будет удерживаться атомом мышьяка, но гораздо слабее. Мышьяк – донорная примесь, создающая значительные концентрации электронов при заданной температуре, полупроводник легированный донорной примесью называется электронным или полупроводником n – типа.

Акцепторный полупроводник Акцепторная примесь – это примесь создающая дефицит электронов в атомах кристаллической решетки, а, значит, образуется много незанятых, вакантных электронных связей. Бор трехвалентен , одна связь не занята, т. е. акцепторная примесь создает вакантные места для электронной связи, т. н. «дырки» . Соседнему электрону на орбите кремния много проще (мала энергия связи или ширина запрещенной зоны) перейти на соседнюю свободную орбиту под влиянием, например, разности потенциалов. Другому электрону занять его место и т. д. другими словами, образуется как бы поток положительных зарядов в направлении противоположном дрейфу электронов. На самом деле дырка – это квазичастица, это удобная замена рассмотрения движения целого ансамбля электронов движением одной положительной частицы. Полупроводник в этом случае называется полупроводником p – типа. B вакантная связь (дырка) Si

Электронные полупроводниковые вентили Теперь рассмотрим реализацию вентилей на простейших электронных элементах – МОП транзисторах с индуцированным каналом. Металл +U (Al, Cu) Исток Затвор Сток +U Si. O 2 R изолятор С вход N канал N Si З выход И Топология Схемное изображение Эквивалентная схема

Принцип действия полевого транзистора Принцип работы полевого транзистора очень прост (в первом приближении). В исходном положении n-области истока и стока разъединены (изолированы) друг от друга p-n-переходами (зоны, обедненные основными носителями заряда и образующие высокий потенциальный барьер на пути движения электронов) областей истока – подложки и стока. Ток не течет, даже, несмотря на приложенное положительное напряжение питания стока. Если на затвор подать «плюс» , то непосредственно под затвором образуется канал обогащенный дополнительными электронами. Если подать «минус» , приповерхностные электроны будут вытеснены вглубь подложки и проводимость канала падает. Таким образом, мы можем «включать» или «выключать» наш вентиль (см. эквивалентную схему). Основное преимущество полевых транзисторов с индуцированным каналом – их ничтожно малые токи утечки в закрытом состоянии. Это обстоятельство и предопределило широкое распространение в микропроцессорах

Немного о технологии Что такое топологические нормы и как они влияют на размеры и быстродействие вентиля? Когда говорят, что схема реализована по технологии, например 1 мкм, то имеются в виду именно топологические нормы, или, более конкретно, размер области затвора МОП транзистора. При этом общая площадь кристалла, занимаемая под транзистор, будет равна, где то 9 мкм 2. Если мы сумеем в четыре раза уменьшить размер затвора - 0, 25 мкм, то увеличим плотность интеграции в 16 раз (на той же площади получим в 16 раз больше транзисторов). Но это не все, затвор и подзатворная область определяют дистанцию, которую должны пройти (пролететь) электроны при подаче управляющего импульса. Промежуток времени между импульсами – Т тактовая или период тактовой частоты. Это значит, что мы сможем увеличить тактовую частоту или быстродействие транзистора в 4 раза, по сравнению с одномикронной технологией. В результате интегральный показатель качества микроэлектронного изделия, определяемый функциональной сложностью устройства умноженной на Ft возрастет почти на два порядка. И еще одно важное дополнение – быстродействие МОП-транзистора определяется временем пролета электронов по каналу исток – сток. Дрейфовая скорость движения электронов в полупроводнике зависит от напряженности электрического поля ( увеличение напряженности поля ограничено явлением насыщения). Большое значение имеет средняя длина свободного пробега электронов. Именно столкновения с атомами решетки ограничивают дрейфовую скорость электронов. Именно это и приводит к фантастическим эффектам при переходе на нанотехнологии (длина канала соизмерима с размерами кристаллической решетки, нет столкновений, велика скорость переключения).

Семинар 3. Схема создания логических элементов Схема показывает, что мы можем, задав табличное значение функции описать: элемент, вентиль, узел, блок и, наконец, устройство (все уровни иерархии). Табличное задание функции или таблица «истинности» , позволяет перейти к алгебраическому выражению, а, затем, и минимизировать его по разным критериям. Очень важно, что таблица истинности позволяет нам применить правила булевой алгебры.

Рассмотрим функцию двух переменных: Что такое F 0 – тождественность, самая простая, чтобы ни было на входе, на выходе ноль. Зачем нужна эта функция? Вычислительная техника имеет свойство «отказывать» . Что бы моделировать «отказы» и их изучать мы должны иметь функции их описывающие. Дальше просто по таблице. F 1 = x 1 *x 2 - функция умножения, F 2 = x 2 * x 1, F 3 = x 2 – это говорит, что в классе функций двух переменных, существует подкласс одной переменной. И так далее, начиная с F 8 = F 7 мы начинаем инвертировать все предыдущие функции.

Требования к устройству Необходима реализация всех возможных функций Технические ограничения Используется базисный набор Используемые базисы «И-НЕ» «ИЛИ-НЕ»

3. 2. 5 Базовые функции Из всей совокупности элементарных функций в технологическом процессе производства необходимо реализовать только базисные, а остальные выразить с помощью этой совокупности базисных функций. Возьмем в качестве базиса набор «И-НЕ» , «ИЛИ-НЕ» , «НЕ» . +U Y=X 1+X 2 Y=X 1 X 2 X X 1 X 2

3. 2. 6 Базовые функции

Семинар 4. Микроархитектурный уровень – комбинационные устройства Микроархитектурный уровень реализуется совокупностью логических схем, которые образуются простейшими комбинациями вентилей: • строятся на основе логических элементов (НЕ, И, ИЛИ, а также буферов); • состояние выходов однозначно определяется состояниями входов в данный момент (нет внутренней памяти) — статические устройства; • служат для преобразования кодов, пересылки сигналов, выполнения арифметических операций над кодами и т. д. ; • примеры: дешифраторы, мультиплексоры, преобразователи кодов, компараторы кодов, сумматоры, умножители и т. д.

4. 1 Синтез простейших узлов вычислительного устройства Последовательность действий синтеза вычислительных устройств: 1. Словесное описание функции 2. Таблица истинности 3. Алгебраическое выражение 2 4. Логическая схема Задание 1. Необходимо реализовать ассемблерную операцию XOR или побитное сравнение двух операндов (исключающее ИЛИ). 3 1 4. Мы получили не только сумматор по модулю 2, но и, например, управляемый инвертор (1 -ый вход данные, 2 -ой сигнал управления)

4. 1 Синтез простейших узлов вычислительного устройства Задание 2. Необходимо реализовать мультиплексор. 0 MS 1 2 . . 1 2

Многоразрядный сумматор x 24 x 14 x 23 x 13 x 22 x 12 x 21 x 11 e+ e- + ∑ 4 ∑ 3 ∑ 2 ∑ 1 Команда ADD

Синтез простейших узлов вычислительного устройства Задание 3. Необходимо реализовать 4 –х разрядный сумматор. 1 2 3 переноса 4

Функциональная схема полного одноразрядного сумматора x 1 x 2 е- X 1*x 2 & X 1*x 2 + x 1*x 2 1 & 1 X 1*x 2 & X 1*x 2 + x 1*x 2 1 & 1 x 1*x 2 если е=0 & e+ 1 & 1 x 1+x 2 если е=1

Семинар 5. Комбинационные устройства § Строятся на основе логических элементов (НЕ, И, ИЛИ, а также буферов); § Состояние выходов однозначно определяется состояниями входов в данный момент (нет внутренней памяти) — статические устройства; § Служат для преобразования кодов, пересылки сигналов, выполнения арифметических операций над кодами и т. д. ; § Примеры: дешифраторы, мультиплексоры, преобразователи кодов, компараторы кодов, сумматоры, умножители и т. д.

Дешифраторы Дешифратор - это логическая схема, преобразующая двоичный код в унарный, когда только на одном из всех выходов появляется активный сигнал. Номер этого активного выхода в десятичном коде совпадает с двоичным кодом, подаваемым на входные линии дешифратора. Рассмотрим схему дешифратора на три входа. Как при синтезе логической схемы по арифметическому выражению, составляем таблицу истинности. Поскольку в нашем примере у схемы должно быть три входа, количество комбинаций на этих входах будет равно 8, поэтому выходов у схемы будет также 8. Обозначим входные сигналы переменной с индексом, соответствующим весу двоичного разряда - 1, 2, 4. Выходные сигналы обозначим как с индексом, соответствующим поданному на входы двоичному коду, при котором этот выход активен. Для синтезируемой схемы примем положительную логику, когда активным является уровень логической 1.

В соответствии с принципом синтеза логических схем по заданной формуле, после составления таблицы истинности нужно для каждого выхода написать логическое выражение. В данном случае задача упрощается, так как для каждого выхода логическая 1 имеет место быть только в одной строке таблицы. Таблица 4. 1. Таблица истинности дешифратора на три входа с активным единичным уровнем входных и выходных сигналов Входные сигналы Выходные сигналы 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0

Здесь показана функциональная схема данного дешифратора, соответствующая логическим выражениям

Шифраторы Входы Выходы 0 1 2 3 2 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1

Мультиплексоры Мультиплексор (селектор) - это логическая схема, производящая выбор одного из нескольких информационных входов в соответствии с выбранным адресом и коммутацию выбранного информационного входа с единственным информационным выходом. Входы Выход 2 1 0 Вход 0 1 Вход 1 0 Вход 2 1 Вход 3

Принцип действия мультиплексора рассмотрим на примере ИМС, производящей выбор "1 из 4". Здесь, А 1 и А 0 - входные линии адреса, D 3, D 2, D 1 и D 0 - входные информационные линии. При наличии активного разрешающего сигнала (в нашем примере вход Е прямой, поэтому логика положительная и активный разрешающий сигнал равен 1) на адресные линии подается двоичный код адреса. При этом на выход Y будет копироваться информация с выбранного в соответствии с этим адресом информационного входа. Таблица 6. 1. Таблица истинности мультиплексора "1 из 4" Разрешающий Входной код Информация на сигнал адреса выходе Режим работы E А 1 А 0 Y 0 0 0 Коммутации информационных линий нет 0 1 0 0 1 1 0 D 0 Передача с D 0 на Y 1 0 1 D 1 Передача с D 1 на Y 1 0 D 2 Передача с D 2 на Y 1 1 D 3 Передача с D 3 на Y

Функциональная схема мультиплексора, обеспечивающего выбор "один из четырех"

Компараторы кодов Входы Выход А, В S A=B A≠B X 0 A=B 1 1 A=B 0 0

Сумматоры Вход переноса С Выходной код S 0 А+В (P=1 при переносе) 1 А+В+1 (P=1 при переносе)

Кварцевые генераторы импульсов

Устройства с внутренней памятью § Строятся на основе логических элементов (НЕ, И, ИЛИ, буферы); § Состояния выходных сигналов определяются не только текущими входными сигналами, но и предшествующей историей (память); § Сохраняют информацию во внутренней памяти до тех пор, пока есть питание, при выключении питания информация пропадает; § При включении питания информация во внутренней памяти не определена (может быть любой); § Примеры устройств: триггеры, регистры, счётчики, оперативная память (ОЗУ).

Асинхронный R-S триггер Триггеры S – set (установить) R – reset (сбросить) Функция R-S триггера R S R Q(t+1) 1 Q 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 Q 1 1 * S

Синхронный R-S триггер R & 1 Q Сигнал «С» C определяет, в какой момент времени можно & S 1 Q изменить состояние S триггера D-триггер

Построение регистров из триггеров § Параллельный регистр — для хранения кодов. § Регистр сдвига — для преобразования параллельного кода в последовательный и обратно.

Построение счётчика из триггеров

Функции счётчиков § Счёт входных импульсов; § Деление частоты входного сигнала; § Формирование сигналов заданной длительности; § Формирование последовательностей сигналов; § Измерение временных интервалов; § Часы (таймер); § Синтез (формирование) частоты; § Измерение частоты входного сигнала; § Последовательный перебор кодов (например, адресов памяти); § Последовательный перебор каналов (входных и выходных) — с дешифратором или мультиплексором.

Типы памяти § Постоянная память (ПЗУ, ROM) — энергонезависимая, хранит записанную информацию постоянно; § Программируемая постоянная память (ППЗУ, PROM) — информация перезаписывается ограниченное число раз, энергонезависимая. § Оперативная память (ОЗУ, RAM) — информация перезаписывается неограниченное число раз, хранится при включённом питании: § Статическая оперативная память — не требует регенерации для хранения; § Динамическая оперативная память — необходима регенерация для хранения.

Основные понятия памяти § Ячейка памяти — элемент, хранящий информацию (например, триггер, регистр); § Адрес памяти — код номера ячейки памяти; § Разрядность памяти — разрядность каждой ячейки; § Организация памяти — объём и разрядность памяти: 1 К х 16, 16 М х 8, 1 Г х 1. § Запись памяти — обновление содержимого ячейки памяти, определяемой адресом; § Чтение памяти — вывод содержимого ячейки памяти, определяемой адресом. § Регенерация — необходимое регулярное освежение информации в динамической памяти.

Обозначения памяти