Интеграл микросхемы. История отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ)

Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.
По количеству элементов все интегральные схемы условно делят на следующие категории:
■ простые (ПИС) - с количеством элементов в кристалле до 10,
■ малые (МИС) - до 100,
■ средние (СИС) - до 1000,
■ большие (БИС) - до 10000,
■ сверхбольшие (СБИС) - 1000000,
■ ультрабольшие (УБИС) - до 1000000000,
■ гигабольшие (ГБИС) - более 1000000000 элементов в кристалле.
Интегральные микросхемы (ИМ), содержащие более 100 элементов, называют микросхемами повышенного уровня интеграции.
Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС. Интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних - наименее надежных - соединений. Это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности.
Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок, сокращение длины соединений, а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле.
Опыт разработки БИС выявил также и ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, нужно, решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники:
■ проблема теплоотвода,
■ проблема межсоединений,
■ проблема контроля параметров,
■ физические ограничения на размеры элементов.
В 1964 г. впервые на базе БИС, фирма IBM выпустила шесть моделей семейства IBM 360.
Примерами БИС также могут служить схемы памяти на 4 бит и более, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры. ИС предназначены для решения самых разнообразных задач, поэтому изготовляется сочетанием методов, находящихся в арсенале полупроводниковой, тонко- и толстопленочной технологий.
ИМ принято классифицировать по способам изготовления и по получаемым при этом структурам на
Полупроводниковая ИМ представляет собой ИС, в которой все элементы и соединения между ними выполнены в едином объеме и на единой поверхности полупроводниковой пластины.
В гибридных микросхемах пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы) наносятся на поверхность диэлектрической пластинки, активные (транзисторы) выполняются в виде отдельных дискретных миниатюрных компонентов и присоединяются к микросхеме.

Литература
1. Степаненко И. П., Основы микроэлектроники, М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003, с. 453-460.
2. Батушев А. В., Микросхемы и их применение, М.: Радио и связь, 1984, с. 13-17.
3. Чернозубов Ю. С., Как рождаются микросхемы, М.: Просвещение, 1989, с. 14-19.

Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции - подложке - и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объединения (интеграции) отдельных деталей - компонентов - в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функциями отдельных компонентов.

Компоненты, которые входят в состав ИС и тем самым не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС или интегральными элементами. Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с транзисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктивно обособленных единиц и соединяются в схему путем пайки.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элементной базы, например с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в основе смены элементной базы, являются: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность.

Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций, для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллионами. Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирования при соединении компонентов вручную - задача невыполнимая. Единственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий.

Для изготовления интегральных схем используется групповой метод производства и планарная технология.

Групповой метод производства заключается в том, что, во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интегральных схем; во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин. После завершения цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы, каждый из которых представляет собой ИС.

Планарная технология - это такая организация технологического процесса, когда все элементы и их составляющие создаются в интегральной схеме путем их формирования через плоскость.

Одна или несколько технологических операций при изготовлении ИС заключается в соединении отдельных элементов в схему и присоединении их к специальным контактным площадкам. Поэтому необходимо, чтобы выводы всех элементов и контактные площадки находились в одной плоскости. Такую возможность обеспечивает планарная технология.

Финальная операция - корпусирование - это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к ножкам ИС (рис. 2.20).

Стоимость D одной ИС (одного кристалла) упрощенно можно вычислить следующим образом:

где А - затраты на научно-исследовательские и опытно-кон­струк­торские работы по созданию ИС; В - затраты на технологическое оборудование, помещение и др.; С - текущие расходы на материалы, электроэнергию, заработную плату, в пересчете на одну пластину; Z - количество пластин, изготовляемых до амортизации основных производственных фондов; X - количество кристаллов на пластине; Y - отношение годных ИС к количеству, запущенному в производство в начале его.

Кроме очевидных комментариев относительно затрат, нужно отметить следующее. Увеличение Y достигается созданием все более современной технологии, пожалуй, наиболее сложной и чистой среди многих новейших производств. Роста числа кристаллов X на пластине можно достичь двумя путями: увеличением размера пластины и уменьшением размеров отдельных элементов. Эти оба направления используются разработчиками.

В заключение заметим, что все константы, входящие в формулу, не являются ни постоянными, ни зависимыми друг от друга, поэтому анализ на минимум стоимости на самом деле является сложным и многофакторным.

Классификация ИС. Классификация ИС может производиться по различным признакам, ограничимся здесь лишь одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковая ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис. 2.21). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Пленочная ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (рис. 2.22). В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщи­на пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10-20 мкм и выше). Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные эле­менты типа транзисторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Поэтому функции, выполняемые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы преодолеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) - это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчеркивая этим их обособленность от основного технологического цикла получения пленочной части схемы.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.

Совмещенная ИС - это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений - металлической разводкой.

Полупроводни ковые ИС . В настоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-окисел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Технология полупроводниковых ИС основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости р-n -переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-n -переходы - в диодных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO 2 , покрывающая поверхность кремниевой пластины. В этой пленке специальными методами гравируется необходимая совокупность отверстий различной формы или, как говорят, необходимый рисунок (рис. 2.22 ). Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Теперь кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n -транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по возможности, одновременно с этим транзистором, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под базовый транзистор.

Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным способом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодействовали через кристалл.

Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как взаимодействие между смежными МОП-транзисторами не имеет места. В этом - одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивности и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо физическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей, что в большинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится использовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20х20 мм 2 . Чем больше площадь кристалла, тем более сложную, более многоэлементную ИС можно на нем разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интеграции составляет 10 б элементов на кристалле. Повышение степени интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполняемых ИС) - одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент k = lgN. В зависимости от его значения инте­ральные схемы называются по-разному:

k ≤ 2 (N ≤ 100) - интегральная схема (ИС);

2 ≤ k ≤ 3 (N ≤ 1000) - интегральная схема средней степени интеграции (СИС);

3 ≤ k ≤ 5 (N ≤ 10 5) - большая интегральная схема (БИС);
k > 5 (N>10 5) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС).

Ниже приведены английские обозначения и их расшифровки:

IС - Integrated Circuit;

MSI - Medium Scale Integration;

LSI - Large Scale Integration;

VLSI - Very Large Scale Integration.

Кроме степени интеграции, используют еще такой показатель, как плотность упаковки - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель, который характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время составляет до 500-1000 элементов/мм 2 .

Гибридные ИС. Пленочные, а значит, и гибридные ИС в зависимости от технологии изготовления делятся на толсто- и тонкопленочные.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливаются весьма просто. На диэлектрическую пластинку-подложку наносят пасты разного состава. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные - получение резисторов; диэлектрические - изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок. Поэтому при изготовлении каждого слоя пасту наносят через свою маску - трафарет - с окнами в тех местах, куда должна попасть паста данного слоя. После этого приклеивают навесные компоненты и соединяют их выводы с контактными площадками.

Тонкопленочные ГИС (обозначим их ТкГИС) изготавливаются по более сложной технологии, чем ТсГИС. Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаждаются на подложку из газовой фазы. Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и тем самым электрофизические свойства следующей пленки. Таким образом, поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом, как в случае ТсГИС, либо маской, подобно окисной маске в полупроводниковых ИС (см. рис. 1.4).

Навесные элементы в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой пленочной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.

Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС. Тем не менее, существует термин большая ГИС (или БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС.

Чтобы работала любая мало-мальски сложная электроника, обычно необходимо много деталей. Когда их много, то они могут «объединяться», скажем, в интегральные схемы. Что они собой являют? Как классифицируются? Каким образом изготавливаются, и какие сигналы передают?

Чем являются логические интегральные схемы (ИС)

По сути, это микроэлектронное устройство, которое базируется на кристалле произвольной сложности, что изготовлено на полупроводниковой плёнке или пластине. Оно помещается в неразборный корпус (хотя может обойтись и без него, но только когда он является частью микросборки). Первая интегральная схема была запатентована в 1968 году. Это стало своеобразным прорывом в промышленности, хотя предоставленное устройство и не очень сильно соответствовало современным представлениям по своим параметрам. Интегральные схемы в массе своей изготавливаются для поверхностного монтажа. Часто под ИС понимают один только кристалл или плёнку. Наибольшее распространение получила интегральная схема на пластине кремния. Так вышло, что его применение в промышленности имеет ряд преимуществ, например, эффективность передачи сигналов.

Уровни проектирования

Данные устройства являются сложными, что прекрасно отображается. Сейчас они создаются при помощи специальных САПР, которые автоматизируют и значительно ускоряют производственные процессы. Итак, при проектировании прорабатывается:

1. Логический уровень (инверторы, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и им подобные).
2. Системо- и схемотехнический (прорабатываются триггеры, шифраторы, АЛУ, компараторы и прочее);.
3. Электрический (конденсаторы, транзисторы, резисторы и им подобные устройства).
4. Топологический уровень - фотошаблоны для производства.
5. Физический - как реализовывается один транзистор (или небольшая группа) на кристалле.
6. Программный - создаются инструкции для микроконтроллеров, микропроцессоров и ПЛИС. Разрабатывается модель поведения с помощью вертикальной схемы.

Классификация

Говоря о том, как различают интегральные схемы, нельзя избрать только один параметр вида сложности техники, о которой ведётся речь. Поэтому в рамках статьи было отобрано целых три.

Степень интеграции

1. Малая интегральная схема. Содержит меньше ста элементов.
2. Средняя интегральная схема. Количество элементов колеблется в диапазоне сотня/тысяча.
3. Большая интегральная схема. Содержит от тысячи до 10 000 элементов.
4. В них есть свыше десяти тысяч элементов.

Как правило, для бытовых устройств часто используется большая интегральная схема. Ранее использовались и другие категории:

1. Ультрабольшая интегральная схема. В неё зачисляли те образцы, которые могли похвастаться количеством элементов в диапазоне от 1 млн. до 1 млрд.
2. Гигабольшая интегральная схема. Сюда относили образцы, количество элементов которых превышало 1 млрд. элементов.

Но в данный момент времени они не применяются. А все образцы, которые раньше относили к УБИС и ГБИС, сейчас проходят как СБИС. В целом, это позволило значительным образом сэкономить на количестве групп, поскольку две последних типа обычно используются специфически в больших научно-исследовательских центрах, где работают компьютерные системы, мощность которых измеряется в десятках и сотнях терабайт.

Технология изготовления

Ввиду различных возможностей производства интегральные схемы также классифицируются по тому, как они изготавливаются и из чего:

1. Полупроводниковые. В них все элементы и соединения выполняются на одном и том же полупроводниковом кристалле. Полупроводниковые интегральные схемы используют такие материалы, как кремний, германий, арсенид галлия и оксид гафния.

2. Пленочные. Все элементы и соединения сделаны как плёнки:

Толстоплёночные.

Тонкоплёночные.

3. Гибридная. Имеет бескорпусные диоды, транзисторы или иные электронные активные компоненты. Пассивные (как то резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы) размещены на общей керамической подложке. Все они помещаются в один герметизированный корпус.

4. Смешанная. Здесь есть не только полупроводниковый кристалл, но и тонкоплёночные (или толстоплёночные) пассивные элементы, которые размещаются на его поверхности.

Вид обрабатываемого сигнала

И третий, самый последний вид, основывается на том, какие сигналы обрабатывает интегральная схема. Они бывают:

1. Аналоговые. Здесь входные и выходные сигналы меняются согласно закону Они могут принимать значение в диапазоне от отрицательного до положительного напряжения питания.
2. Цифровые. Здесь любой входной или выходной сигнал может иметь два значения: логической единицы или нуля. Каждому из них соответствует свой заранее определённый уровень напряжения. Так, микросхемы типа ТТЛ диапазон 0-0,4В оценивают в ноль, а 2,4-5В в единицу. Могут быть и другие разделения, всё зависит от конкретного образца.
3. Аналогово-цифровые. Совмещают в себе преимущества и особенности предыдущих образцов. К примеру, в них могут быть усилители сигналов и аналого-цифровые преобразователи.

Правовые особенности

Что говорится про интегральные схемы в законодательстве? У нас в стране предоставлена правовая охрана топологий интегральных микросхем. Под ней подразумевают зафиксированное на определённом материальном носителе геометрически-пространственного расположения определённой совокупности конкретных элементов и связей меж ними (согласно статье 1448 Гражданского кодекса Российской Федерации). Автор топологии имеет такие интеллектуальные права на своё изобретение:

1. Авторские.
2. Исключительное право.

Кроме этого автору топологии могут принадлежать и другие преференции, в том числе - возможность получения вознаграждения за её использование. действует на протяжении десяти лет. За это время изобретатель, или человек, которому этот статус был уступлен, может зарегистрировать топологию в соответствующей службе интеллектуальной собственности и патентов.

Заключение

Вот и всё! Если у вас возникло желание собрать свою схему - можно только пожелать успеха. Но одновременно хочется обратить ваше внимание на одну особенность. Если есть желание собрать микросхему, то необходимо основательно подготовиться к этому процессу. Дело в том, что для её создания требуется исключительная чистота на уровне хирургической операционной, к тому же, из-за мелкости деталей поработать паяльником в обычном режиме не получится - все действия осуществляются машинами. Поэтому в домашних условиях можно создавать только схемы. При желании можно приобрести промышленные разработки, которые будут предлагаться на рынке, но идею с их изготовлением дома без значительных финансов лучше оставить.

Развитие микроэлектроники привело в начале 70-х годов к появлению узкоспециализированных БИС, содержащих сотни и тысячи логических элементов и выполняющих одну или ограниченное число функций. Разнообразие типов цифровой аппаратуры требовало расширения номенклатуры БИС, что сопряжено с неприемлемыми с точки зрения экономики затратами. Выходом из этого положения явилась разработка и крупносерийное производство ограниченной номенклатуры БИС, выполняющих разнообразные функции, зависящие от внешних управляющих сигналов. Совокупности таких БИС образуют микропроцессорные комплекты и позволяют строить разнообразную цифровую аппаратуру любой сложности. Важнейшим суперкомпонентом комплекта БИС является микропроцессор (МП): универсальная стандартная БИС, функции которой определяются заданной программой.

Качественной особенностью МП является возможность их функциональной перестройки с помощью изменения внешней программы. По сути, МП представляют собой центральные процессорные элементы ЭВМ, выполненные в виде одной или нескольких БИС.

Главное отличие МП от других типов интегральных схем- способность к программированию последовательности выполняемых функций, т. е. возможность работы по заданной программе.

Таблица 4.1

Внедрение микропроцессоров позволяет изменять принцип проектирования цифровой аппаратуры. Раньше для реализации нового алгоритма требовалась новая разработка аппаратуры. Теперь при использовании МП для реализации нового алгоритма не требуется новой аппаратуры, достаточно изменить соответствующим образом программу его работы. Указанная особенность и объясняет огромный интерес, проявляемый у нас в стране и за рубежом к микропроцессорным устройствам.

Короткий интервал времени (1971-1975 гг.) характеризуется появлением МП самых разнообразных модификаций. В настоящее время число типов МП в мире превышает 1000.

Параметры основных типов отечественных микропроцессорных комплектов (МПК) приведены в табл. 4.1.

4.2. Структуры микропроцессоров

Упрощенная структурная схема МП приведена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1

Рисунок 4.2

Микропроцессор содержит арифметически-логическое устройство АЛУ, запоминающие устройства ЗУ для оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ) хранения информации, устройство управления, осуществляющее прием, расшифровку команд и задающее последовательность их выполнения, а также устройства ввода-вывода (УВВ) информации, с помощью которого вводятся исходные и выводятся полученные в результате работы МП данные.

Микропроцессоры обрабатывают 2-, 4-, 8-, 16-, 32-разрядные числа, выполняют 30...500 команд сложения, вычитания, сдвига, логических операций. Четырех- и восьмиразрядные МП представляют собой БИС с размерами кристалла 5 х 5 х 0,2 мм.

Обобщенная структурная схема МП приведена на рис. 4.2. Арифметическо-логическое устройство АЛУ совершает различные арифметические и логические операции над числами и адресами, представленными в двоичном коде. Состав операций, выполняемых АЛУ, определен списком инструкций (набором команд). В набор команд входят, как правило, арифметические и логические сложения и умножения, сдвиги, сравнения и т. п. Арифметические операции выполняются в соответствии с правилами двоичной арифметики. Логические операции выполняются по правилам булевой алгебры.

В состав АЛУ входят сумматор, сдвигатели, регистры и другие элементы.

Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других блоков МП. В УУ поступают команды из блока памяти. Здесь они преобразуются в двоичные сигналы управления для выполнения данной команды. Работа УУ синхронизируется таймером, распределяющим процесс выполнения команды во времени. Команда представляет собой двоичное слово из 8, 16, 24 разрядов и более (до 64), часть которых представляет код операции, а остальные распределены между адресами данных (операндов) в памяти. Команда с 16-разрядной адресной частью позволяет обращаться к 2 16 -1=65635 ячейкам памяти. Этого количества, как правило, вполне достаточно для задач, решаемых МП. Такое обращение к памяти называется прямой адресацией.

Однако чаще применяется косвенная адресация, которая необходима, когда разрядность адресной части меньше, чем требуется. В этом случае, адресация проводится в два этапа. На первом этапе по адресу, содержащемуся в команде, выбирается ячейка, содержащая адрес другой ячейки, из которой на втором этапе выбирается операнд. Команда при косвенном методе адресации должна содержать один разряд признака операнда, состояние которого определяет, что выбирается на данном этапе: адрес операнда или сам операнд? Конечно, косвенный способ адресации медленнее прямого. Он позволяет за счет наращивания объема памяти адресов обращаться к числу операндов в 2 n раза (где n-разрядность адресной части команды) большему, чем при прямом способе.

Управляющее устройство любую операцию согласно коду, заданному командным словом, распределяет на последовательность фаз (фазы адресации и фазы выполнения), называемую циклом. Из-за ограниченной разрядности МП действия над операндами большой разрядности могут выполняться за два и более циклов. Очевидно, что это в 2 и более раз снижает быстродействие МП. Отсюда следует интересный и практически важный вывод: быстродействие МП находится в обратной зависимости от точности, однозначно определяемой разрядностью операндов.

Микропроцессор содержит блок регистров (Р). Рабочие регистры МП физически представляют собой одинаковые ячейки памяти, служащие для сверхоперативного хранения текущей информации (СОЗУ). По выполненным функциям Р содержит группы, связанные с определенными элементами структуры МП.

Два регистра операндов (О) в течение выполнения операции в АЛУ хранят два двоичных числа. По окончании операции в первом регистре число заменяется результатом, т. е. как бы накапливается (отсюда и название регистра «аккумулятор»). Содержимое второго регистра операндов заменяется в следующей операции другим операндом, в то время как содержимое аккумулятора может быть сохранено по ряду специальных команд.

Регистр команд (К) хранит в течение выполнения операции несколько разрядов командного слова, представляющих собой код этой операции. Адресная часть командного слова содержится в регистре адреса А.

После реализации какой-либо операции разрядность результата может оказаться больше разрядности каждого из операндов, что регистрируется состоянием специального флагового регистра, иногда называемого триггером переполнения. В процессе отладки составленной программы программист должен следить за состоянием флагового регистра и в случае необходимости устранять возникшее переполнение.

Очень важными в системе команд МП являются команды переходов к выполнению заданного участка программы по определенным признакам и условиям, так называемые команды условных переходов. Наличие таких команд определяет уровень «интеллектуальности» МП, так как характеризует его способность принимать альтернативные решения и выбирать различные пути в зависимости от возникающих в ходе решения условий. Для определения таких условий служит специальный регистр состояний (С), фиксирующий состояние МП в каждый момент выполнения программы и посылающий в УУ сигнал перехода к команде, адрес которой содержится в специальном регистре, называемом счетчиком команд (СК). Команды в памяти записываются в определенной программной последовательности по адресам, образующим натуральный ряд, т. е. адрес следующей команды отличается от адреса предыдущей на единицу. Поэтому при реализации непрерывной последовательности команд адрес следующей команды получается путем прибавления к содержимому СК единицы, т. е. образуется в результате счета. Назначение СК-нахождение необходимых адресов команд, причем при наличии в программе команд перехода очередная команда может не иметь следующего адреса. В таком случае в СК записывается адресная часть команды перехода.

Регистры общего назначения (РОН) используются для хранения промежуточных результатов, адресов и команд, возникающих в ходе выполнения программы, и могут связываться по общим шинам с другими рабочими регистрами, а также со счетчиками команд и блоком ввода-вывода информации. В МП обычно содержите» 10...16 РОН разрядностью 2...8 бит каждый. Количество РОН косвенно характеризует вычислительные возможности МП.

Особый интерес представляет наличие у многих моделей МП группы регистров, имеющих магазинную или стековую организацию - так называемые стеки. Стек позволяет без обмена с памятью организовать правильную последовательность выполнения различных последовательностей арифметических действий. Операнд или другая информация может посылаться в стек без указания адреса, поскольку каждое помещаемое в него слово занимает сначала первый регистр, затем «проталкивается» последующими словами каждый раз на регистр глубже. Вывод информации происходит в обратном порядке, начиная с первого регистра, в котором хранится слово, посланное в стек последним. При этом последние регистры очищаются.

Блоки АЛУ, УУ, Р образуют центральный процессор (ЦП), входящий в состав, любой ЭВМ: выделенный на рис. 4.2 штриховой линией. В состав МП может, входить таймер (Т), использующий навесной времязадающий конденсатор или кварцевый резонатор. Таймер - сердце МП, поскольку его работа определяет динамику всех информационных, адресных и управляющих сигналов и синхронизирует работу УУ, а через него и других элементов структуры. Частота синхронизации, называемая тактовой, выбирается максимальной и ограничивается только задержками прохождения сигналов, определяемыми в основном технологией изготовления БИС. Скорость выполнения микропроцессором программы прямо, пропорциональна тактовой частоте.

В составе МП может быть устройство ввода-вывода (УВВ) для обмена информацией между МП и другими устройствами.

Сигналы трех видов - информационные, адресные и управляющие - могут передаваться по одной, двум или трем шинам. Шина представляет собой группу линий связи, число которых определяет разрядность одновременно передаваемой по ней двоичной информации.

Число линий информационной шины (ИШ) определяет объем информации, получаемой или передаваемой МП за одно обращение к памяти, к устройству ввода или вывода. Большинство МП имеет 8-шиниую информационную магистраль. Это позволяет за один раз принять восемь двоичных единиц информации (1 байт). Один байт информация может содержать один из 256 возможных символов алфавита источника информации или один из 256 возможных кодов операций. Такое количество допустимых символов и типов операций для большинства применений является достаточным.

Существуют МП, содержащие 16 и 32 шины в информационной магистрали.

Число линий в шине управления (VIII) зависит от порядка взаимодействия между МП, ЗУ, внешними УВВ информации. Обычно шины управления содержат 8... 16 линий.

4.3. МикроЭВМ

Важным итогом развития программируемых БИС явилась разработка микроЭВМ. Если микроЭВМ создается на одной интегральной микросхеме, то она называется однокристальной. Упрощенная структурная схема микроЭВМ приведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3

Как видно, она содержит центральный процессор ЦП (имеющий устройство аналогично рассмотренному выше МП), ПЗУ, ОЗУ и устройства ввода и вывода информации. Устройство ввода содержит селектор адреса и так называемые порты ввода для считывания информации с гибкого диска, АЦП, телетайпа, перфоленты. Устройство вывода также содержит селектор адреса и порты вывода информации (дисплею, печатающему устройству, устройству выхода на перфоленту, ЦАП).

Данные, поступающие обустройства ввода, передаются на адресную магистраль обычно в виде 8-разрядных параллельных или последовательных кодовых сигналов через порт ввода. Селектор адреса определяет порт ввода, который передает данные на информационную магистраль в некоторый момент времени. Основная память состоит из ПЗУ и ОЗУ. Постоянное ЗУ используется как память программы, которую разработчик микроЭВМ заранее запрограммировал в соответствии с требованием пользователя. Для различных программ используют различные части ПЗУ.

Памятью данных в микроЭВМ является ОЗУ. Информация, хранящаяся в ОЗУ, стирается, когда отключается напряжение питания. Данные, поступающие в ОЗУ, обрабатываются в ЦП в соответствии с программой, хранящейся в ПЗУ. Результаты операций в ЦП хранятся в специальном накопителе информации, называемом аккумулятором или ОЗУ. Они могут быть выведены по команде через один из портов вывода на устройства вывода, подсоединенные к этому порту. Требуемый порт вывода выбирается с помощью схемы селекции адреса.

4.4. Запоминающие устройства

Важнейшими блоками цифровой аппаратуры являются запоминающие устройства (блоки памяти), которые подразделяются на внешние и внутренние. Внешние ЗУ до сих пор реализуются на магнитных лентах и магнитных дисках. Они обеспечивают неопределенно длительное сохранение информации при отсутствии! питания, а также практически любую необходимую емкость памяти. Внутренние ЗУ являются неотъемлемой частью цифровой аппаратуры. Раньше они выполнялись на основе ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса. Теперь в связи с разработкой ИС имеются широкие возможности создания полупроводниковыхЗУ.

К устройствам памяти относятся следующие виды запоминающих устройств:

Оперативные запоминающие устройства, выполняющие запись и хранение произвольной двоичной информации. В цифровых системах ОЗУ хранят массивы обрабатываемых данных и программы, определяющие процесс текущей обработки информации. В зависимости от назначения и структуры ОЗУ имеют емкость 10 2 …10 7 бит.

Постоянные запоминающие устройства, служащие для хранения информации, содержание которой не изменяется в ходе работы системы, например используемые в процессе работы стандартные подпрограммы и микропрограммы, табличные значения различных функций, константы и др. Запись информации в ПЗУ производится заводом-изготовителем БИС.

Программируемые постоянные запоминающие устройства являются разновидностьюПЗУ, отличающиеся возможностью однократной записи информации по заданию заказчика.

Репрограммируемые ПЗУ, отличающиеся от обычных возможностью многократной электрической сменой информации, осуществляемой заказчиком. Объем РПЗУ обычно составляет 10 2 …10 5 бит.

К устройствам постоянной памяти (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ) предъявляется требование сохранности информации при отключении питания.

Основными параметрамиЗУ являются: информационная емкость в битах; минимальный период обращения; минимально допустимый интервал между началом одного цикла и началом второго; максимальная частота обращения - величина, обратная минимальному периоду обращения; удельная мощность - общая мощность, потребляемая в режиме хранения, отнесенная к 1 биту; удельная стоимость одного бита информации - общая стоимость кристалла, поделенная на информационную емкость.

4.5. Оперативные запоминающиеся устройства

Типовая структура БИС ОЗУ приведена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4

Рисунок 4.5

Основным узлом является матрица ячеек памяти (МЯП), состоящая из n строк с т запоминающими ячейками (образующими разрядное слово) в каждой строке. Информационная емкость БИС памяти определяется по формуле N = nm бит.

Входы и выходы ячеек памяти подключаются к адресным АШ и разрядным РШ шинам. При записи и считывании осуществляется обращение (выборка) к одной или одновременно к нескольким ячейкам памяти. В первом случае используются двухкоординатные матрицы (рис. 4.5, а), во втором случае матрицы с пословной выборкой (рис. 4.5,6).

Дешифратор адресных сигналов (ДАС) при подаче соответствующих адресных сигналов осуществляет выбор требуемых ячеек памяти. С помощью РШ осуществляется связь МЯП с буферными усилителями записи (БУЗ) и считывания (БМС) информации. Схема управления записью (СУЗ) определяет режим работы БИС (запись, считывание, хранение информации). Схема выбора кристалла (СВК) разрешает выполнение операций записи-считывания данной микросхемы. Сигнал выборки кристалла обеспечивает выбор требуемой БИС памяти в ЗУ, состоящем из нескольких БИС.

Подача управляющего сигнала на вход СУЗ при наличии сигнала выборки кристалла на входе СВК осуществляет операцию записи. Сигнал на информационном входе БУЗ (1 или 0) определяет записываемую в ячейку памяти информацию. Выходной информационный сигнал снимается с БУС и имеет уровни, согласующиеся с серийными ЦИС.

Большие интегральные схемы ОЗУ стремятся на основе простейших элементов ТТЛ, ТТЛШ, МДП, КМДП, И 2 Л, ЭСЛ, модифицированных с учетом специфики конкретных изделий. В динамических ячейках памяти чаще всего используются накопительные емкости, а в качестве ключевых элементов - МДП транзисторы.

Выбор элементной базы определяется требованиями к информационной емкости и быстродействию БИС памяти. Наибольшей емкости достигают при использовании логических элементов, занимающих малую площадь на кристалле: и 2 л, МДП, динамических ЗЯ. Высоким быстродействием обладают БИС с логическими элементами, имеющими малые перепады логических уровней (ЭСЛ, И 2 Л), а также логические элементы ТТЛШ.

Частотные области применения БИС, использующих различные базовые технические решения, иллюстрирует рис. 4.6.

Рисунок 4.6

Благодаря развитию технологии и схемотехники быстродействие элементов непрерывно возрастает, поэтому границы раздела указанных областей с течением времени сдвигаются в область больших рабочих частот.

4.6. Постоянные запоминающие устройства

Схема ПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Отличия состоят лишь в следующем:

ПЗУ используются для считывания информации;

в ПЗУ осуществляется выборка нескольких разрядов одного адреса одновременно (4, 8, 16 разрядов);

информация, записанная в ПЗУ, не может меняться, и в режиме выборки происходит только ее считывание.

Большие интегральные схемы ПЗУ подразделяются на программируемые изготовителем (с помощью специальных фотошаблонов) и программируемые заказчиком (электрически).

Рисунок 4.7

В ПЗУ используется матричная структура: строки образуются адресными шинами ДШ, а столбцы - разрядами РШ. Каждая АШ хранит определенный код: заданную совокупность логических 1 и 0. В МЯП, изображенной на рис. 4.7, а, однократная запись кода осуществляется с помощью диодов, которые присоединены между АЩ и теми РШ, на которых при считывании должна быть логическая 1. Обычно заказчику поставляют ПЗУ с матрицей, во всех узлах которой имеются диоды.

Суть однократного электрического программирования ППЗУ заключается в том, что пользователь (с помощью специального устройства-программатора) пережигает выводы - перемычки тех диодов, которые находятся в местах расположения логических 0. Пережигание выводов осуществляется путем пропускания через соответствующий диод тока, превышающего допустимое значение.

Диодные ПЗУ отличаются простотой, но имеют существенный недостаток, потребляют значительную мощность. Чтобы облегчить работу дешифратора, вместо диодов используют биполярные (рис. 4.7,6) и (рис. 4.7, в) транзисторы.

При использовании биполярных транзисторов АШ обеспечивает протекание базового тока, который в β б.т. +1 раз меньше эмиттерного, питающего РШ. Следовательно, существенно уменьшается необходимая мощность дешифратора.

Еще больший выигрыш обеспечивает применение МДП транзисторов, так как цепь затвора практически не потребляет мощности. Здесь используется не пережигание выводов, а отсутствие металлизации затвора у транзисторов, обеспечивающих считывание логических 0 в разрядной шине.

4.7. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства

Репрограммируемые ПЗУ являются наиболее универсальными устройствами памяти. Структурная схема РПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Важной отличительной особенностью РПЗУ является использование в МЯП транзистора специальной конструкции со структурой «металл-нитрид-окисел-полупроводник» (МНОП). Принцип действия такой ячейки памяти основан на обратимом изменении порогового напряжения МНОП транзистора. Например, если сделать U ЗИпор >U АШ, то транзистор не будет отпираться адресными импульсами (т. е. не участвует в работе). В то же время другие МНОП транзисторы, у которых U ЗИпор

Структура МНОП транзистора с индуцированным каналом р -типа показана на рис. 4.8, а.