第二章微电子和计算机技术基础

1第二章微电子和计算机技术2引言微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。计算机的面貌也日新月异，它的用途越来越广，功能越来越全，效率也越来越高。计算机已广泛应用于人类社会的各个领域。大规模应用计算机的浪潮，席卷了工业、科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。为此应该了解、学习这两个科学技术领域的一些基本概念和基本知识。3本章概要电子管、晶体管及集成电路的最基本的原理、变迁和发展计算机工作基本原理、电子计算机的组成流水线和平行处理的基本概念，存储管理，以及总线、外设和接口等计算机的软件系统的有关概念论述计算机的分类及发展趋势42.1微电子技术微电子技术的开始从电子管到晶体管到集成电路集成电路的设计和制作集成电路用于电路设计应用和展望52.1.1从电子管到晶体管到集成电路电子管晶体管厚膜电路集成电路62.1.1从电子管到晶体管到集成电路1．电子管电子管又称“真空管”（VacuumTube）电子管拥有三个最基本的极阴极(Cathode,K)：释放出电子流屏极(Plate，P)：吸引和收集阴极发射的电子栅极(Gird,G)：控制电子流的流量电子管的放大作用直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料钨丝钍钨合金氧化硷土82.1.1从电子管到晶体管到集成电路2．晶体管半导体是制造晶体管的基本材料本征半导体、自由电子和空穴共价电子与N型半导体、P型半导体p-n结二极管和三极管极其工作原理92.1.1从电子管到晶体管到集成电路3．集成电路“集成电路”(IntegratedCircuit，IC)把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上集成度发展神速1962：几个、1965：近100个（IC）1967：100~1000个（中规模IC）1967-1973：1000—10000个（LSIC）1978：达10万~100万个单元（VLSIC）目前集成度已突破千万单元1011微电子工业的几个热点半导体工艺已经达到0.18微米及更小HardwareDescriptionLanguage(HDL)硬件描述语言HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现注意：所有的HDL描述都可以用于仿真，但不是所有的HDL描述都能用硬件实现HDL和传统的原理图输入方法的关系就好比是高级语言和汇编语言的关系VeryHighspeedintegratedcircuitDescriptionLanguage(VHDL)是一种用于电路设计的高级语言。超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计12微电子工业的几个热点印刷电路板的自动设计——ORCADOrcad是个电子设计自动化软件,可以对你设计的电路进行直流扫描分析、交流扫描分析、温度分析等等，它是世界上使用广泛的EDA软件,在欧美地区有相当数量的电路工程师在使用它数字信号处理机——DSP数字信号处理（DSP）是指利用专用或通用的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理。它具有处理速度快，灵活，精确，抗干扰能力强，体积小等优点。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。132.1.2集成电路的设计和制作1．传统的设计和制造方法设计和绘制电子线路图集成电路的线路图转绘成芯片布局图分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图数字化成“掩膜（Mask）”图纸在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装142.1.2集成电路的设计和制作2．使用硬件设计语言硬件描述语言HardwareDiscriptionLanguage，HDL可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，更有效的表示电路的特性源程序便于保存、便于修改和阅读方便能全自动生产、避免大量的差错代表：美国国防部的VHDL（VHSICHDL）VerilogHDL日本电子工业振兴协会的UDL/I152.1.2集成电路的设计和制作2．使用硬件设计语言TOPDOWN设计方法(三层描述)：行为描述寄存器传输方式描述逻辑综合描述HDL语言设计硬件的主要优点系统硬件描述能力强设计技术齐全、方法灵活、支持广泛HDL语言可以与工艺无关编程HDL语言标准、规范、易于共享和复用16://www.vhdl.com网站18向微米工艺的极限挑战目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。192.1.3集成电路用于电路设计为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮助制造专用的集成电路外，一般还可以利用集成电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设计。主要有：可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件ProgrammableLogicController，PLC或ProgrammableLogicDevice，PLD用于设计用户专用集成电路芯片数字信号处理器DigitalSignalProcessor,DSP用于多种信号处理202.1.3集成电路用于电路设计1．可编程逻辑控制器功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC/PLD芯片中(烧结芯片)，成为用户专用芯片。分类复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）场可编程门阵列（含有RAM）FPGA（FieldProgrammableGateArray）与标准的逻辑器件相比其主要优点:规模大、体积小–加密性能好可实现在线编程–有利于电子设计自动化(EDA)AROMasAND/ORLogicDevicePLDSummaryPLAExamplePALExample252.1.3集成电路用于电路设计2．数字信号处理器功能：DSP是一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视频和音频数字化信息。DSP的发展过程DSP发展历程大致分为三个阶段:70年代理论先行,80年代产品普及,90年代突飞猛进。90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域应用领域：通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等与标准的逻辑器件相比其主要优点:接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、重复性好、集成方便26272.1.4应用和展望1．微电子技术的应用微电子技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术和计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展传统工业的行业改造和技术更新使商业领域的传统账册产生了根本的变化与其他技术的结合和渗透发展成新的技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术深刻地、广泛地影响着人们的生活282.1.4应用和展望2．微电子技术展望电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快摩尔定律：集成度每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降人的头发100微米Intel803861.20微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺100MHzIntelPentium0.60微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺500MHzIntelPIII0.25微米工艺800MHz最近已经达到0.13微米2GMHz目前集成电路制造商进军≤0.1微米工艺292.2计算机基本结构和原理了解计算机基本工作原理、基本结构及其发展的趋势，将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。计算机系统的基本组成：硬件和软件硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等软件组成：程序、文件以及有关的文档资料30从外观角度，计算机硬件又由以下部分组成：至主机音箱鼠标键盘显示器2.2.1计算机基本工作原理312.2.1计算机基本工作原理1．基本组成组成：存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中央处理器（CPU）早期的以控制器、运算器为机器的中心快速中央处理在等待慢速的外围设备控制器的负担过重现计算机改成以主存储器为中心系统的输入／输出与CPU的运算并行多种输入和输出并行32332.2.1计算机基本工作原理2．二进制编码计算机内部是一个二进制数字世界机器数用二进制数码表示。为什么？有如下特点：二进制只有二个数，即0，1，易物理实现。它可用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示，可靠性高。如：开关的通——1，断——0四则运算简单343)节省存储设备：十进制表示0~9需要10个设备，而用二进制只需4个设备就可表示0~154)便于逻辑代数应用由于逻辑代数的结果只有两种状态：真、假，完全可用二进制的0和1替代。使逻辑表达式的分析和设计更为简单计算机的数字系统数制：指按进位的原则进行计数，称进位计数制进位计数制有三个要素:数位——数码在一个数的位置基数——某计数制中,数码的个数位权——某计数制中,数位中数码所代表数值的大小等于这数码乘上一个固定的值,该值称为位权.位权表示法数制的特点：数字的总个数等于基数，R进制所需要的数码有R个。如十进制使用10个数字（0~9）；最大的数字比基数小1，如十进制中最大的数字为9；每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个数字所在的位置决定计算机内部使用二进制数一个二进制数可按位权展开成一个多项式，例如：(11.101)2＝21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-336数制按进位的原则进行计数逢N进1采用位权表示法数制与编码定义：37常用进位计数制表示方法进位制的性质数制数码进位方法基数二0，1逢2进12八0～7逢8进18十0～9逢10进110十六0～9,逢16进116A～F对于R进制，所用的数码就是0~（R-1），为R个数38数制间的转换数制与编码十进制数非十进制数非十进制数十进制数二、八、十六进制之间的转换39数制间的转换十进制数转换成非十进制数分整数和小数两部分进行转换1)十进制整数转换为非十进制整数规则采用除基取余法，即“除基取余，先余为低（位），后余为高（位）”。85578660余数1655716330余数(55)10=(101111)2(55)10=(67)8(55)10=(37)164087538918110结果为：113余数法：除基数取余数、由下而上排列。示例：十进制整数非十进制整数412751237121802912402202110又例：75DB结果为：100101142十进制小数转换为非十进制小数采用乘基取整法，即“乘基取整，先整为高（位），后整为低（位）”。例：(0.625)10=()2例：(0.32)10=()20.625整数×2.1.2510.25×20.500.5×21.010.1010.32整数×2.0.640×21.2810.28×20.560×21.121……0.0101……43例：将十进制数86.25转换成二进制数整数部分：余数小数部分：整数2860最低位0.252431×222110.500最高位2100×2251