Министерство Образования Российской Федерации
Воронежский Государственный Технический Университет
Естественно-технический колледж
/>
Реферат на тему:
«Микропроцессоры и микроЭВМ»
Выполнил:
студентгр. РАС-012
КазачковСергей Сергеевич
Проверил:
преподаватель
ЗаикаВалентина Степановна
г. Воронеж 2003г.
Содержание:
Введение
Развитие микропроцессоров
Достоинства микропроцессоров
Структурная схема, принцип работы микропроцессора
Архитектуры, типы, характеристики и параметры микропроц.
Микропроцессор AMDDuron 1100 (Morgan)
Современные технологии полупроводникового производства
Список литературы, источники
3
5
8
9
15
19
20
27
/>
Введение.
Характерной чертой научно-технического прогресса,определяющей мощный дальнейший подъем общественного производства, являетсяширокое внедрение электроники во все отрасли народного хозяйства.
Современная электронная цифровая вычислительнаятехника широко применяется в народном хозяйстве. В настоящее время созданочетыре поколения ЭВМ с улучшающимися технико-экономическими показателями,что способствует дальнейшему расширению сферы
применения ЭВМ и их эффективности.
Четвертое поколение ЭВМ на основе интегральных схем с большой степенью интеграции элементов (БИС) появилась в начале 70-х годови существенно изменило параметры ЭВМ всех классов. Вместе с тем возниксовершенно новый класс ВТ на основе БИС — микропроцессорные вычислительныемашины — микроЭВМ.
В конце 70-х годов в результате интеграции всехэлектронных устройств ЭВМ в одном кристалле были созданы однокристальныемикроЭВМ, вычислительная мощность которых не уступает вычислительной мощностисредних ЭВМ начала 70-х годов.
Микропроцессоры и микроЭВМ стали новым массовымклассом ЭВМ вследствие малой материалоемкости и стоимости, низкогоэнергопотребления и высокой надежности. Отечественной промышленностью ежегоднопроизводится несколько десятков тысяч микроЭВМ), сотни тысяч микропроцессоров имикрокалькуляторов на их основе. Разрабатываются операционные системы общегоприменения и стандартное программное обеспечение микроЭВМ.
Массовость этогонового класса и его высокие технико-экономические параметры оказываютреволюционизирующее влияние на целое поколение приборов, оборудования,агрегатов со встроенными микропроцессорными средствами.
Микропроцессоры и микроЭВМприменяют в различных областях народного хозяйства (в управлениитехнологическими процессорами, информационных и измерительных комплексах,энергетике, медицине и др.). На базе выпускаемых микропроцессоров и микроЭВМсозданы высокопроизводительные устройства числового программного управления.Крупносерийное производство ряда моделей мини-ЭВМ позволяет начать работы посозданию нескольких типов проблемно-ориентированных комплексов дляавтоматизации научных исследований и технологических процессов. Особое значениемикроЭВМ приобретают в связи с реализацией школьной реформы. МикроЭВМ положеныв основу организуемых в каждой школе учебных классов по дисциплине «Основыинформатики и вычислительной техники».
Построение ЭВМ на основемикропроцессорных БИС позволяет уменьшить стоимость микроЭВМ, сравнимых по своим параметрам с ранее созданными ЭВМ, в 103 - 104 раз,габаритным размерам — в (2-3)x104 раз, по мощностипотребления — в 105 раз. Этоозначает, что без увеличения общих затрат микроэлектронная технологияпозволяет обществу произвести в сотни и тысячи раз больше ЭВМ, чем ранее.
Микропроцессор– функционально законченное устройство обработки информации, управляемоехранимой в памяти программой. Появление микропроцессоров (МП) стало возможнымблагодаря развитию интегральной электроники. Это позволило перейти от схеммалой и средней степени интеграции к большим и сверхбольшим интегральныммикросхемам (БИС и СБИС).
По логическим функциям и структуре МП напоминает упрощенный вариант процессора обычныхЭВМ. Конструктивно он представляет собой одну или несколько БИС или СБИС.
По конструктивному признаку МП можно разделить наоднокристальные МП с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определеннойсистемой команд; многокристальные (секционные) МП с наращиваемой разрядностьюслова и микропрограммным управлением (они состоят из двух БИС и более).
В последнее время появились однокристальные МП смикропрограммным управлением.
Архитектура многокристального МП с микропрограммнымуправлением позволяет достичь гибкости в его применении и сравнительно простымисредствами организовать параллельное выполнение отдельных машинных операций,что повышает производительность ЭВМ на таких МП.
Несмотря на то, что возможности многокристальных МПсущественно выше, чем у однокристальных, многие прикладные задачи успешнорешаются на основе однокристального микропроцессора.
Развитиемикропроцессоров.
ЭВМполучили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были оченьбольшие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях икрупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результатеразработки новых устройств, называемых микропроцессорами.
Микропроцессор(МП) — это программно-управляемое электронное цифровое устройство,предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этойобработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокойстепенью интеграции электронных элементов.
В1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему,аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ — первыймикропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.
15ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот денькомпания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004.
Этобыл настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см былпроизводительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее имог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМобрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысячраз дешевле.
Кристаллпредставлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМгарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии спроектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов.МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс.Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO),блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл — РФ),4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команди схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все этифункциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команддостигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редкопревышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можнобыло использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и впоследующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложенияподпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамическийкорпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему егокоманд входило всего 46 инструкций.
Вместес тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а всистеме команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ,ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощьюспециальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT)и обработки прерываний.
Циклкоманды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Быламультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядныйпередавался по 4-разряда.
1апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядногоприбора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии спроектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал начастоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающегогенератора).
Вотличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, ав качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.
Посравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистраиспользовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничениетехнологии — блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 былреализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительностьмашинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленнымиустройствами был введен сигнал готовности READY.
Системакоманд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт.Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возрасла в 2,3 раза.В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/выводатребовалось около 20 схем средней степени интеграции.
Возможностир-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП былипочти исчерпаны, поэтому «направление главного удара» перенесли наn-канальную МОП технологию.
1апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц.Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, накристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора быладоведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объемпамяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.
Засчет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее числомикросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурациисократилось до 6 (рис. 1).
/>
Рис. 1. Микропроцессор Intel 8080.
ВРФ были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний,а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНовбыл реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФи введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.
Новоев архитектуре МП — использование многоуровневой системы прерываний по вектору.Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерыванийдо 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторовпрерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции).В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее вуниверсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).
ПДПоткрыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, какнакопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратилимикроЭВМ в полноценную вычислительную систему.
Традициейкомпании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, асемейства БИС, рассчитанных на совместное использование.
/> Достоинства микропроцессоров.
Микропроцессор, иначе, центральный процессор — Central ProcessingUnit (CPU) — функционально законченное программно-управляемое устройствообработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) илисверхбольших (СБИС) интегральных схем.
ДляМП на БИС или СБИС характерны:простота производства (по единой технологии); низкая стоимость (при массовомпроизводстве); малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров или кубик со стороной несколько миллиметров); высокая надежность; малое потребление энергии.
Микропроцессорвыполняет следующие функции:чтение и дешифрацию команд из основной пам яти; чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств; прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ; обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ; выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Принцип работы микропроцессора.
/>
В состав МП(рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление иблок внутренних регистров.
Арифметическо-логическоеустройство состоит из двоичногосумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров длявременного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командамнесколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку,логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.
Устройствоуправления управляет работой АЛУ ивнутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций,содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блокамиМП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется длясчитывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку.По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.
Блок внутреннихрегистров БВР, расширяющийвозможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временногохранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработкиинформации.
На рисунке (2)приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь блоквнутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальныерегистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистрданных, счетчик команд, стека, признаков.
Регистры общегоназначения (РОН), число которых можетизменятся от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция –хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступныпрограммисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающееустройство.
Регистр –аккумулятор («накопитель»),предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результатадействий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядностиинформационного слова.
Буферный регистрадреса служит для приема и храненияадресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяетсяразрядностью регистра.
Буферный регистрданных используется для временногохранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных.Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.
Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещеныбайты выполняемой команды.
Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрескоторой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается изрегистра хранимая там информация.
Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – наборрегистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам илисостояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может бытьвыполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но инаходиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае дляобращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.
Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которуюназывают вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находитсявершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателестека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается,наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такойпроцедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимоголюбой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.
Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. Взависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггерустанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие содержимоерегистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата,перевыполнения и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора,важна для выбора дальнейшего пути вычислений.
Рассмотрим более подробно основные частимикропроцессора (рис. 2).
/>Внутренняя шина данных соединяетсобой основные части МП.
Шиной называют группу линий передачи информации,объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схемеиспользуется три вида шин: данных, адресов и управления.
Разрядностьвнутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней одновременно(параллельно) битов числа соответствует разрядности слов, которыми оперируетМП. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть однойи той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий,по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты.Следует иметь в виду, что по шине данных передаются на только обрабатываемыеАЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокаяразрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число.Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикаммикропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядовуказаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).
Шина данных МПработает в режиме двунаправленной передачи, т. е. по ней можно передавать словав обоих направлениях, но не одновременно. В этом случае требуется применениеспециальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП ивнешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple –многократный, множественный), иногда называемый многоточечным, — режимодновременного использования канала передачи большим числом абонентов сразделением во времени средств управления обменом.
Мультиплексор – устройство, которое выбирает данные от одного, двух(или более) входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход.Схема мультиплексора состоит из двухвходовых логических элементов И – ИЛИ,управляемых распределителем импульсов. Промышленностью выпускаютсямультиплексоры, которые могут входить в состав, а также в виде отдельных БИС(например, восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный;трехвходовый четырехразрядный и др.).
Демультиплексор – устройство, выполняющее противоположнуюмультиплексору функцию, — подает данные, подводимые к его входу, на один (илиболее) выходной информационный канал.
Мультиплексоры идемультиплексоры позволяют компоновать из микропроцессорных элементов микроЭВМдля любой длины машинного слова. Предположим, что задача обработки данныхзаключается в сложении двух операндов, каждый из которых представляет собойвосьмиразрядное двоичное число – байт.
Восьмиразрядноеарифметически – логическое устройствовыполняет все арифметические и логические операции. На первый вход АЛУпоступает байт из восьмиразрядного аккумулятора, а на второй вход – извосьмиразрядного промежуточного регистра. Результат сложения указанныхдвух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор.Такая организация удовлетворяет одноадресной организации микропроцессора. Длянее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегданаходится в аккумуляторе, адрес которого задан неявно. Поэтому при выполненииоперации сложения двух операндов требуется указывать только один адрес –второго операнда, содержащегося, например в одном из восьми регистровобщего назначения (РОН). К АЛУ подключены регистр признаков,предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схемадесятичной коррекции (на рис. 2 не показана), позволяющая проводитьобработку данных в двоично-десятичном коде.
В составмикропроцессора входят также указатель стек, счетчик команд, буферный регистрадреса, ОЗУ. Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены длякратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистрынедоступны программисту), остальные шесть РОН – регистры B, C, D, E, H и L –cлужат ячейками внутренней памяти, называемой сверхоперативным запоминающимустройством (СОЗУ). В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ,результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждомрегистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарноерасположение регистров B и C, D и E, H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовыхслов, называемую обработкой “удвоенной точности”. Обмен данными с РОН(считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор,причем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров посигналу УУ.
В левой части рис. 2расположены регистр команд, дешифратор кода операции и УУ (хотя дешифраторотносится к УУ, он нарисован отдельно для большей наглядности). Стековыйрегистр адреса на рисунке отсутствует, так как стек представляет собойопределенную зону ОЗУ.
Обмен информациеймежду регистрами и другими блоками микропроцессора производится черезвнутреннюю шину данных, причем передачи команд и данных разделены во времени.Связь с внешней шиной данных осуществляется через буферный регистр данных.
Микропроцессор – этопрограммно-управляемое устройство. Процедура выполняемой им обработки данныхопределяется программой, т. е. совокупностью команд. Команда делится на двечасти: код операции и адрес. В коде операции заключена информация о том, какаяоперация должна быть выполнена над данными, подлежащими обработке. Адресуказывает место, где расположены эти данные (в регистрах общего назначениямикропроцессора, т. е. во внутренней или внешней памяти). Слово данных,подвергаемое обработке, представляет один байт. Команда может состоять изодного, двух или трех байтов, последовательно расположенных в памяти.
Первый байт командысодержит код операции. Считанный в начале интервала выполнения команды,называемого циклом команды, ее первый байт поступает по внутренней шине данныхв регистр команд, где хранится в течение всего цикла. Дешифратор кода операциидешифрует содержимое регистра команд – определяет характер операции и адресаоперандов. Эта информация подается в УУ, которое вырабатывает управляющиесигналы, направляемые в блоки микропроцессора, участвующие в выполнении даннойкоманды.
В том случае, когдакод операции непосредственно указывает адрес данных – объекта обработки,операция начинается сразу после считывания первого байта команды. Если же вкоманде содержится более одного байта, то остальные байты, несущие информациюоб адресе ячейки памяти, где хранятся данные, передаются либо в буферныйрегистр адреса, либо в один из РОН только после завершения всей процедурысчитывания команды или, иначе говоря, после получения полной информации оместонахождении операндов и о том, какая операция должна выполнятся, начинаетсяоперация.
Рассмотрим примервыполнения операции сложения двух операндов. Первый операнд хранится ваккумуляторе, второй в одном из РОН (его адрес указан в команде), откуда онпередается в промежуточный регистр. Согласно коду операции АЛУ суммируетпоступающие на его вход байты и выдает результат, который фиксируется ваккумуляторе. Этот результат можно использовать при дальнейших этапахобработки.
Наряду смногокристальными и однокристальными МП используются секционированные илиразрядно-модульные МП. Основной их отличительной особенностью является то, чтокаждый модуль предназначен для обработки нескольких разрядов машинного слова, аслово в целом обрабатывается группой модулей или секций, соединенных междусобой.
Архитектурамикропроцессора (Architecture) –принцип его внутренней организации, общая структура, конкретная логическаяструктура отдельных устройств.
Понятиеархитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации,возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительныхустройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяютпонятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектурамикропроцессора — это аппаратная организация и логическая структурамикропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства,запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектурамикропроцессора — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимыадресации и принципы работы микропроцессора.
Вобщем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины втерминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
1. В соответствии с архитектурными особенностями,определяющими свойства системы команд, различают:
· Микропроцессоры с CISC архитектурой.
CISC (Complex Instruction Set Computer) — Компьютер со сложной системой команд. Историческиони первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпорацийIntel (Integrated Electronics) и AMD (Advanced Micro Devices) относятся к категории CISC.
· Микропроцессоры с RISC архитектурой.
RISC (Reduced Instruction Set Computer) — Компьютер с сокращенной системой команд. Упрощенасистема команд и сокращена до такой степени, что каждая инструкция выполняетсяза единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора, иувеличилось его быстродействие.
Пример микропроцессора с RISC-аpхитектуpой — Power PC. Микропроцессор PowerPC начал разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM, Motorola,Apple.
· Микропроцессоры с MISCархитектурой.
MISC (Minimum Instruction Set Computer) — Компьютер с минимальной системой команд.Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, таким образом, программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.
2. Разрядность– максимальноеколичество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться илипередаваться одновременно.
Современныемикропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit), но совсем скоро произойдет переход на болеесовершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (IntelArchitecture 64 bit). Фактически переход уже начался, этомусвидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году новогомикропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессорпримечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.
/>
Разрядность микропроцессораобозначается m/n/k/ и включает:
m — разрядностьвнутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классупроцессоров;
n — разрядность шиныданных, определяет скорость передачи информации;
k — разрядность шиныадреса, определяет размер адресного пространства. (Например, микропроцессорi8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20)
3. Объемадресуемой памяти – максимальныйобъем памяти, который может обслужить микропроцессор.
32-х разрядныймикропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти, а 64-хразрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.
4. Набордополнительных инструкций (InstructionSet) — применяютсяв современных CISC-микропроцессорахи способны значительно ускорить их работу. Естественно только при условииподдержки данных наборов со стороны приложения. Все традиционные современныепроцессоры поддерживают набор инструкций MMX, который был самым первым(разработан корпорацией Intel еще в 1997 году). MMX расшифровывается какMultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Он представил дополнительныевозможности, ориентированные на обработку цифрового изображения и звука. Воснове технологии лежит концепция (микроархитектура) SIMD (Single InstructionMany Data – «одна команда, много данных»), когда при помощи однойинструкции одновременно обрабатывается несколько элементов данных. SSE, SSE2,3DNow! — дальнейшее развитие этой идеи. Микропроцессоры Intel Pentium 3поддерживают SSE, а Pentium 4 и AMD Athlon 64еще и SSE2 (это относится и к соответствующим микропроцессорам Intel Celeron). Процессоры AMD Athlon и Duronподдерживают наборы инструкций 3DNow!Professional и MMX, в Athlon XP быладобавлена поддержка SSE (на уровне микрокода ядра).
Технологический процесспроизводства (ProcessTechnology) – техпроцесс определяетразмеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме. Измеряется вмикрометрах (0,35 μm; 0,25 μm;…). Чем меньше число, темменьше сам кристалл, следовательно, меньше потребляемая мощность итепловыделение. А ведь тепловыделение сильно препятствует увеличению частоты,на которой работает микропроцессор. Где-то в 1997 году произошел переход с0,25 μm на 0,18 μm технологиюпроизводства. А уже в 2001 году произошел переход на 0,13 μmтехнологию, что позволило намного увеличить частоту. Вот-вот произойдет переходна 0,09 μm.
Производительностьмикропроцессора определяется параметрами:
1. Тактоваячастота (Частота ядра) (Internalclock) – это количествоэлектрических импульсов в секунду. Каждый импульс несет в себе некую информацию- это могут быть команды процессору или данные памяти. Тактовая частота задаетсякварцевым генератором — одним из блоков, расположенных на материнской плате.Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностьюи лежит в мега или гигагерцовом диапазоне. Один герц — один импульс, одинмегагерц — один миллион импульсов, один гигагерц — тысяча мегагерц.Микропроцессор, работающий на тактовой частоте 800 МГц, выполняет 800 миллионоврабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой командыпроцессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но длявыполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактоваячастота ядра, тем выше скорость обработки данных. Современные микропроцессорыработают на частотах от 300 МГц до 4,7 ГГц.
2. Частота системной шины (SystemclockилиFrontSideBus) – системная шина служит для связи микропроцессора с остальнымиустройствами. Микропроцессор имеет две частоты: тактовая частота ядра и частотасистемной шины. Чем выше частота системной шины, тем выше скорость передачиданных между микропроцессором и остальными устройствами. Частота системной шинысовременных микропроцессоров от 66 МГц до 266МГц.
3.Объем Кэш-памяти (Cache) – Кэш-память быстрая память малойемкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения кпамяти. Кеш – промежуточное звено между микропроцессором и опретивной памятью. Различаютнесколько уровней кэша: кэш первого уровня (L1) — кэш команд (инструкций)которые предстоит исполнить, кэш первого уровня размещается на одном кристаллес процессором. Кэш второго уровня (L2) — кэш данных — используется дляускорения операций с данными (в первую очередь чтения). На общуюпроизводительность влияет размер кэша L2. Чем больше L2, тем дороже процессор,т.к. память для кэша еще очень дорога. Поэтому эффективнее увеличивать частотукэша, а для этого он должен находиться как можно ближе к ядру процессора.Кэш-память может работать на частоте 1/4, 1/3, 1/2, 1/1 от частоты ядра.Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8 Кб до 5Мб.
Предельно эксплуатационныепараметры микропроцессоров:
1.Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения микропроцессоров зависит оттехнологического процесса и от частоты ядра. Чем меньше кристалл и нижечастота, тем меньше напряжение питания. Напряжение питания современныхмикропроцессоров от 0,5 В до 3,5 В, чаще всего от 1,2 В до 1,75 В.
2. Ток ядра – у современныхмикропроцессоров ток, протекающий через ядро от 1 А до 90 А.
3. Потребляемая мощность –зависит от величины питающего напряжения и от частоты ядра. Чем меньшенапряжение питания и частота, тем меньше потребляемая мощность. Мощностьсовременных микропроцессоров от 1Вт до 120 Вт. Чаще всего в пределах 40-70 Вт.
4.Максимальная температура нагрева кристалла – максимальная температура кристалла, при которойвозможна стабильная работа микропроцессора. У современных микропроцессоров онаколеблется в пределах от 60˚С до 95˚С.
Физические параметрымикропроцессорв (Форм-фактор):
1. Тип, размерыкорпуса
2. Размерыкристалла
3. Количествовыводов
4. Формарасположения выводов
Микропроцессор AMDDuron1100(Morgan)
/>
/> Вид сверху. Вид снизу.
/>
Технологияпроизводства: 0,18 μm
Количествовыводов: 462
Площадьядра: 106 мм2
Количествотранзисторов: 25,2 млн
/>
Современные технологии полупроводникового производства.
Впоследние годы к стадии возможности использования в коммерческом производствеподошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работытранзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода наболее тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже началиприменяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях,относящихся к компьютерам, все чаще. Эта статья – попытка сделать краткий обзорподобных технологий, попытавшись заглянуть в самое ближайшее возможное будущеечипов, находящихся в наших компьютерах.
Перваяинтегральная схема, где соединения между транзисторами сделаны прямо наподложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология ихпроизводства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой схемыДжека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из десятковмиллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить осотнях миллионов.
Здесьпойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медныепроводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертахзатронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нетнеобходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все этитехнологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем стого, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинствесегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см.Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности,покрытия ее пленкой окислов — SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитойповерхности пластины при литографии.
/>
Дальшена пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз — светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций — удаление вопределенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхностипластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.
Напервом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкойсветочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сутиработает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используетсяпрецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкойхрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображениеодного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранеесформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравниваетпластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маскуи систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображениекристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующийкристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маскатоже формируется фотохимическим способом, только засвечиваниесветочувствительного слоя при формировании маски происходит по программеэлектронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.
/>
Врезультате засвечивания химический состав тех участков светочувствительногослоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что даетвозможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов,вроде плазмы или рентгеновских лучей.
/>
Послечего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется)подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уженовыми химикатами, снимается светочувствительный слой:
/>
Потомнакладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна, еще, иеще… Именно этот этап производства чипа является критическим в плане ошибок:любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередноймаски, и чип уже может отправиться на свалку. После того, как сформированаструктура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния внеобходимых участках путем добавления различных примесей. Это требуется длятого, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами — p-типа и n-типа, то есть, как раз то, что требуется для создания транзистора.Для формирования p-областей используются бор, галлий, алюминий, для созданияn-областей — сурьма, мышьяк, фосфор.
Поверхностьпластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попалилишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературнойобработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованиемионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. Послечего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процессдиффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых впроцессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаютсяучастки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наноситсявсе та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.
/>
Все.Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегоднядля этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычнорасположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате иполучается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения назатворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.
/>
Теперь,слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можноболее уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внестиопределенные коррективы в эту картину.
Медныесоединения
/>
IBM, техпроцесс CMOS 7S, первая медная технология, начавшая применяться при коммерческом производстве чипов
Перваяиз них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство — это заменана последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чемалюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полномсоответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентныхсоединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии всторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещенияна чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным.Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х.Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между нимибудут съедать весь прирост скорости?
Проблемойпри переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт скремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найтипринцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкойи медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.
Поданным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия,позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счетснижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения,позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И,наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счетменьшего сопротивления проводников.
IBMначала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого годасвоим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC иUMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит намедь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.
SiGe
Соединения- соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться снагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применениячипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицитна дешевые скоростные чипы. Кремний — дешево, но медленно, арсенид галлия — быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала дляподложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии — кремния сгерманием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться сконца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe(когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производствечипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.
Результатомприменения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той,что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижаетсяи их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используютсяпри производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образомотпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования.По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с ихтехнологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работынад увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe вкомпьютер ждать не стоит — при тех скоростях, что потребуется PC чипам вближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями,как медные соединения или SOI.
Кремнийнаизоляторе(silicon-on-insulator, SOI)
Ещеодна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить скорость чипов,не требуя от производителей отказаться от всех их сегодняшних наработок. Как итехнология медных соединений, SOI позволяет создателям чипов убить двух зайцеводним выстрелом — поднять скорость, до 25 процентов, одновременно снизивэнергопотребление. Что из себя представляет эта технология? Вспомним началообработки кремниевой пластины — она покрывается тонкой пленкой окисла кремния.А в SOI к этому бутерброду добавляется еще один элемент — сверху опятьнаносится тонкий слой кремния:
/>
Воти получается — кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшитьемкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнетпитание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеконе идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатываниятранзистора напрямую влияет емкость области между между измененными участкамикремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает изаканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки иразрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тембыстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Длятого и придумана SOI — при наличии между измененными участками и основноймассой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло,и т.д.), этот вопрос снимается, и транзистор начинает работать заметно быстрее.
/>
Основнаясложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается вразных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке — кристалл, пленка окислов — нет, и закрепить на ее поверхности, или же неповерхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьматрудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма многовремени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипыSRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том,что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно,IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медныесоединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее,пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать этутехнологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.
Перовскиты
Поискизамены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая,что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время — припостоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшатьтолщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный егоэлектрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотряна все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM,предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorolaвыступить со своим вариантом — перовскиты.
Этоткласс минералов в природе встречается довольно редко — Танзания, Бразилия иКанада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаютсяочень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанатстронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. Аэто позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению сиспользованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяетзначительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотностьтранзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.
Покачто эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однакоMotorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов наповерхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОПтранзистор, созданный на базе этой технологии.
Список литературы, источники:
· «Аппаратные средства PC»К. Айден, Х. Фибельман, М. Крамер «BHV – Санкт-Петербург»Санкт-Петербург, 1997г.
· «Основы промышленной электроники»В.Г. Герасимов (третье издание) «Высшая школа» Москва, 1986г.
· «Технология и конструкциямикросхем, микропроцессоров и микросборок» Л.А. Коледов «Радио и связь» Москва,1989г.
· «Инженер-конструктор технологмикроэлектронной и микропроцессорной техники» Б.Ф. Высоцкий «Радио и связь»Москва, 1988г.
· Журнал «CHIP» №08/2002«Издательский дом «Бурда» www.burda.ru
· Журнал «CHIP» №09/2002«Издательский дом «Бурда» www.burda.ru
· Журнал «CHIP» №12/2002«Издательский дом «Бурда» www.burda.ru
· Журнал «CHIP» №01/2003«Издательский дом «Бурда» www.burda.ru
· Журнал «Hardware», №39, 1997 год
· ©2001-2003 www.Overclockers.ru/ — «Российский оверклокерский портал. Справочник по разгону. Пользовательскаяи лабораторная статистика разгона процессоров. Обзоры материнских плат,видеокарт, кулеров. Новости из мира оверклокинга. Экстремальный разгон. Файлы,конференция, голосования».
· http://amdcpu.nm.ru/
· http://compiron.euro.ru/ — «Миркомпьютерного железа»
· http:// AMDNOW.ru/
· http://www.osmag.ru/ — Журнал«Открытые Системы», #09-10/1999
· http://www.kv.minsk.by/ — (c)1994-2003, «Компьютерные Вести»
· www.ixbt.com/
— Copyright © by iXBT.com,1997—2003. Produced by iXBT.com
· http://www.programz.by.ru– «Полезные программы иинформация»
/>
kazaker@mail.ru