第2章微电子和计算机技术.ppt

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1、第2章微电子和计算机技术 2023/7/15 1 第二章微电子与计算机技术第 2 章微电子和计算机技术基础 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。2023/7/152第二章微电子与计算机技术本章概要 l 电子管、晶体管及集成电路的最基本的原理、变迁和发展l 计算机工作基本原理、电子计算机的组成l

2、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l 计算机的软件系统的有关概念l 论述计算机的分类及发展趋势2023/7/153第二章微电子与计算机技术2.1 微电子技术 l微电子技术的开始l从电子管到晶体管到集成电路l集成电路的设计和制作l集成电路用于电路设计l应用和展望2023/7/154第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路l电子管l晶体管l厚膜电路l集成电路2023/7/155第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路 1电子管l 电子管又称“真空管”（VacuumTube）l 电子管拥有三个最基本的极 阴极(Cathode,K)

3、：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l 电子管的放大作用l 直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料 钨丝 钍钨合金 氧化硷土2023/7/156第二章微电子与计算机技术2023/7/157第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路2晶体管l半导体是制造晶体管的基本材料l本征半导体、自由电子和空穴l共价电子与N型半导体、P型半导体l p-n结l二极管和三极管极其工作原理2023/7/158第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路3集成电路l“集成电路”(IntegratedCir

4、cuit，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l 集成度发展神速1962：几个、1965：近100个（IC）1967：1001000个（中规模IC）1967-1973：100010000个（LSIC）1978：达10万100万个单元（VLSIC）目前集成度已突破千万单元2023/7/159第二章微电子与计算机技术2023/7/1510第二章微电子与计算机技术微电子工业的几个热点l 半导体工艺已经达到0.18微米及更小l Hardware Description Language(HDL)l Very High speed

5、integrated circuit Description Language(VHDL)l 印刷电路板的自动设计 ORCADl 数字信号处理机 DSP2023/7/1511第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作 1传统的设计和制造方法l 设计和绘制电子线路图l 集成电路的线路图转绘成芯片布局图l 分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图l 数字化成“掩膜（Mask）”图纸l 在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结l 芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装2023/7/1512第二章微电子与计算机技术2023/7/1513第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的

6、设计和制作 2使用硬件设计语言l 硬件描述语言HardwareDiscriptionLanguage，HDLl 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l 源程序便于保存、便于修改和阅读方便l 能全自动生产、避免大量的差错l 代表：美国国防部的VHDL（VHSICHDL）VerilogHDL 日本电子工业振兴协会的UDL/I2023/7/1514第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作 2使用硬件设计语言l TOPDOWN设计方法(三层描述)：1.行为描述2.寄存器传输方式描述3.逻辑综合描述l HDL语言设计硬件的主要优点1.系统硬件描述能力强2.

7、设计技术齐全、方法灵活、支持广泛3.HDL语言可以与工艺无关编程4.HDL语言标准、规范、易于共享和复用2023/7/1515第二章微电子与计算机技术http:/网站2023/7/1516第二章微电子与计算机技术http:/网站2023/7/1517第二章微电子与计算机技术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。2023/7/1518第二章微电子与计算机技术2.1.3 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

8、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：l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l数字信号处理器 DigitalSignalProcessor,DSP 用于多种信号处理2023/7/1519第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计 1可编程逻辑控制器l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。l分类 复杂可编程逻辑器

9、件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）场可编程门阵列（含有RAM）FPGA（FieldProgrammableGateArray）l 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)2023/7/1520第二章微电子与计算机技术A ROM as AND/OR Logic Device2023/7/1521第二章微电子与计算机技术PLD Summary2023/7/1522第二章微电子与计算机技术PLA Example2023/7/1523第二章微电子与计算机技术PAL Example2023/7/1524

10、第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计 2数字信号处理器l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。l DSP的发展过程l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l 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2023/7/1525第二章微电子与计算机技术2023/7/1526第二章微电子与计算机技术2.1.4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l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

11、度发展l传统工业的行业改造和技术更新l使商业领域的传统账册产生了根本的变化l与其他技术的结合和渗透发展成新的技术l现代化的军事与国防也离不开微电子技术l深刻地、广泛地影响着人们的生活2023/7/1527第二章微电子与计算机技术2.1.4应用和展望 2微电子技术展望l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l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 Intel80386 1.20微米工艺 33MHzIntel80486 0.80微米工艺 100MHzIntelPentium 0.60微米工艺 200MHzIntelPII 0.35

12、微米工艺 500MHzIntelPIII 0.25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 2023/7/1528第二章微电子与计算机技术2.2 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。l 计算机系统的基本组成：硬件和软件l 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l 软件组成：程序、文件以及有关的文档资料2023/7/1529第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理 1基本组成l组成：存储器、运算器、控制器、输入设

13、备与输出设备等五大部分l运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中央处理器（CPU）l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l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2023/7/1530第二章微电子与计算机技术2023/7/1531第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理 2二进制编码计算机内部采用二进制编码l原因：二值器件（如开/关）物理上容易实现“是”和“否”二种状态的判断最为简单和稳定l常用数制l进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制规则 逢二进

14、一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一基数r=2 r=8 r=10 r=16数符0,l 0,1,7 0,1,9 0,1,9,A,B,C,D,E,F权2i8i10i16i形式表示B O D H2023/7/1532第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理 3程序和数据的存储l程序存储和程序控制l存储器基本存储单元l地址、地址总线和寻址能力l计算机存储器极其作用 高速缓存 主存(内存）辅存(外存)2023/7/1533第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理 4指令系统l指令用来指挥硬件动作的命令l指令组成 操作码：指示要进行什么操作 操作数：指定操作对象，0-3个l寻址方式

15、立即数 直接地址 间接地址 变址l指令集2023/7/1534第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理 5指令执行l由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕l程序计数器（PC）l指令执行步骤：取指令 指令译码 执行指令存 操作结果l指令周期l CPUD的时钟频率指令译码取指令执行指令存操作结果一般情况下，每完成一条指令，指令计数器加一图2-2-4 指令的执行2023/7/1535第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理 并行计算是为提高计算机的运行速度而始终不变的基本思想之一。l并行计算的基本途径：流水线并行方式：时间上实现并行处理 多处理机并行方式：空间上实现并行处理2023/7/1536第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理 1流水线l流水线特征过程被分成时间相等或成倍比的若干工序，分别固定在顺序排列工位进行l流水线目的提高效率l计算机流水线执行四个步骤的四个执行部件同时执行不同指令的相应处理，理想情况下，速度可提高四倍（参见图2-2-7）2023/7/1537第二章微电子与计算机技术2023/7/1538第二章微电子与计算机技术