Содержание
1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………..…………………………………….2
2. n-МОП СБИС ТЕХНОЛОГИЯ…………………………………………… .4
2.1Основытехнологии производства n-МОПСБИС……………………4
2.2Этапы технологического процесса….……………………………….5
3. СБИС ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ (ПЛ.)……………………… .74. МИКРОПРОЦЕССОРЫ……………………………………………………12
5. МАТРИЧНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ ………...……………………. .17
5.1 Матричные микропроцессоры………………………..……………...175.2 Транзисторныематрицы………………………………..…………….17
5.3 Матричные процессоры…………………………………..…………..20
5.4 Автоматизация проектирования
цифровых СБИС на базе матриц Вайнбергера итранзисторных
матриц………………………………………………………………….…..21
6. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС ………….26
6.1 Основные типы БМК………………………..…………………….….28
6.2 Реализация логических элементов на БМК…..………………….….30
6.3 Системы автоматизированного проектированияматричных бис, постановка задачи проектирования……………………………………...31
6.4 Основные этапы проектирования…………………..………………..337. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… ...35
8. СПИСОК ИСПЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………37 1. ВВЕДЕНИЕ
С момента появления первыхполупроводниковых микросхем (начало 60-х годов) микроэлектроника прошла путь отпростейших логических элементов до сложных цифровых устройств, изготавливаемыхна одном полупроводниковом монокристалле площадью около 1 см2. Дляобозначения микросхем со степенью интеграции выше 104 элементов накристалле в конце 70-х годов появился термин «сверхбольшие интегральныесхемы» (СБИС). Уже через несколько лет развитие этих микросхем сталогенеральным направлением в микроэлектронике.
В начале своего развитияэлектронная промышленность представляла собой отрасль техники, целикомоснованную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функциипутем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительнаячасть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основнымиэтапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверкисоединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств,которые могли быть реализованы на практике, ограничивались количествомиспользуемые компонентов, их физическими размерами и надежностью.
Исторически сложилось так,что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как малыеразмеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей скомпоновать наповерхности кристалла значительное количество элементов, включая межсоединения, постепенно привело к возможности создания СБИС. Т.о. сталовозможным не только «повышение экономичности» электронных схем, но иулучшение их характеристик с одновременным повышением надежности. Развитиетехники и технологии СБИС обусловило весьма существенные вменения в спецификеэлектронной промышленности, заключающееся в совершенствовании процессаизготовления ИС и методов их проектирования. Типичным фактором первой группыявляется совершенствование микро технологии. Уменьшение размеровполупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшенияхарактеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности размеров,так и улучшения их экономических (материальных и энергетических) показателей,связанных с уменьшением площади кристалла.
Исторически первымполупроводниковым материалом, использованным на ранних стадиях разработки полупроводниковыхприборов, был германий. Совершенствование германиевой технологии сделаловозможным создание ряда приборов, включая германиевые точечные и сплавныетранзисторы. Однако вскоре германий был заменен кремнием, обладающим такимважным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого,прочного и влагонепроницаемого диэлектрического слоя аморфной двуокиси кремния(SiO2).
В 60-х годах наибольшеераспространение получили ИС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975г. на рынке превалируют цифровые ИС на основе МОП-структур. Преимущества ИС наоснове МОП-структур:
Миниатюризация.
Низкое потребление мощности.
Высокий процент выхода.
Высокое быстродействие.
Высокий уровень технологичности.
В технологии СБИС степеньинтеграции превышает 215 элементов на кристалл. Уровеньминиатюризации, который был использован при производстве процессора IntelPentium в 1993 году, составлял 0,8 мкм, сейчас используются транзисторы сдлиной канала 0,18 мкм, а в перспективе — разработка устройств с длиной каналав 0,13 мкм, что в плотную приближается к пределу физических ограничений наработу такого рода транзисторов.
Технология создания иполучения сверхбольших интегральных схем с минимальными размерами в глубокойсубмикронной области (0,25- 0,5 мкм к 2000 году) и наноэлектроника(полупроводниковые приборы с размерами рабочих областей до 100 нм к 2010 году)включают следующие основных направления:
технологию сверхбольших кремниевых схем сминимальными размерами в глубокой субмикронной области;
технологию сверхскоростных гетеропереходных приборови интегральных схем на основе арсенида галлия, германия на кремнии и другихсоединений;
технологию получения наноразмерных приборов, включаянанолитографию.
При реализации этихнаправлений предусматривается создание сверхчистых монокристаллическихполупроводниковых материалов и технологических реагентов, включая газы ижидкости; обеспечение сверх чистых производственных условий (по классу 0,1 ивыше) в зонах обработки и транспорта пластин; разработка технологическихопераций и создание комплекса оборудования на новых физических принципах, в томчисле кластерного типа, с автоматизированным контролем процессов,обеспечивающим заданную прецизионность обработки и низкий уровень загрязнения,а также высокую производительность процессов и воспроизводимость результатов,качество и надежность электронных элементов.
Технологиясверхбольших интегральных схем обеспечивает разработку и промышленное освоениевыпуска широкой номенклатуры интегральных схем, составляющих элементную базувысокопроизводительных ЭВМ, специализированной и бытовой радиоэлектроннойаппаратуры, средств связи и телекоммуникаций, в том числе космическогобазирования. При данной технологии возможные минимальные рабочие размерысоставляют 0,1-0,5 мкм и менее (до 70 нм к 2010 году), достигаются высокаяпроизводительность за счет использования пластин большого диаметра (200 и болеемм) и полной автоматизации процессов, значительный процент выхода годныхэлектронных приборов и высокая окупаемость вкладываемых в производство средств.
Кремниеваятехнология является основой создания элементной базы радиоэлектроники,вычислительной техники и средств автоматизации и связи широкого применения.Технология гетеропереходных интегральных схем благодаря высокому быстродействиюэтих приборов ориентирована на специализированные сверхскоростные применения,включая космическую технику, элементную базу суперкомпьютеров, технику связи ителекоммуникаций, а также специальную аппаратуру оборонного назначения.
Нанотехнологиястанет промышленной приблизительно начиная с 2010 года, что откроет перспективусоздания принципиально нового поколения приборов и интегральных схем на новыхфизических эффектах и приведет в дальнейшем к коренным преобразованиям вомногих областях деятельности, в первую очередь — в науке, образовании,управлении производством, в том числе при создании микро роботов, персональныхсредств связи, глобальных телекоммуникаций, вычислительных устройств нанейросетевых принципах.
2.n-МОП СБИС ТЕХНОЛОГИЯ2.1 Основы технологии производства n-МОП СБИС
Транзистор на основе структуры металл — диэлектрик — полупроводник (МОП) является одним из наиболее широко используемых элементов СБИС.Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960 году.Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве подзатворного диэлектрикаформировались на подложке n- типа проводимости. Затем из-за большей подвижностиэлектронов, чем у дырок при формировании сверхбольших быстродействующих интегральныхсхем стали использовать n- канальные транзисторы, формируемые на p- подложке.
Рассмотрим основные технологические этапы производстваn-МОП СБИС на примере создания логического вентиля И-НЕ с двумя входами.
Принципиальная схема вентиля(инвертора) приведена на рисунке.
Схемасостоит из последовательно соединенных двух транзисторов, работающих в режиме обогащения(нормально закрытых) и одного транзистора, работающего в режиме обеднения (нормальнооткрытый). Все транзисторы располагаются между шиной источника питания Vddи заземляющей шиной Vss. Затворы первых двух транзисторовслужат входами схемы, а затвор третьего транзистора, соединенный с истоком второго,является выходом инвертора.
Нормальнооткрытый транзистор служит источником тока для двух остальных. Выходное напряжениеимеет низкое значение (логический нуль) только в том случае, когда оба первых транзистораоткрыты, т.е. на их затворы подан высокий потенциал — логическая единица.
Подложка. В качестве подложкивыбирают кремний p- типа проводимости легированный бором КДБ (100) с концентрациейпримеси 1015 — 1016см-3. Выбор такой концентрацииобусловлен несколькими причинами. С одной стороны уменьшение содержания примесиприводит к снижению чувствительности порогового напряжения к напряжению смещенияна подложке и уменьшению емкости p-n переходов, приводя к увеличению быстродействиятранзистора. С другой стороны возрастает концентрация неосновных носителей, вызывающихрост тока утечки через обратно смещенный p-n переход, что может привести к соприкосновениюобластей пространственного заряда стока и истока транзистора (прокол). Одним извариантов решения этого противоречия является выращивание слаболегированных эпитаксиальныхкремниевых слоев на сильнолегированной подложке, имеющей малую концентрацию неосновныхносителей.
Ориентация кремниевой подложки(100) имеет преимущество по сравнению с (111), заключающееся с более высокой подвижностиэлектронов, обусловленной низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик.
2.2 Этапы технологическогопроцесса.
1 этап.
Ионная имплантация бора для создания изоляции между транзисторамис помощью p-n переходов.
На поверхность кремниевой подложки наносятся промежуточныйслой термической двуокиси кремния и слой нитрида кремния, играющий роль маскипри последующем локальном окислении кремния. Далее с помощью процесса литографиина поверхности вытравливаются окна, в которые осуществляется ионная имплантациябора. Иногда имплантацию осуществляют через слой окисла для уменьшения концентрациипримеси в подложке и глубины ее проникновения.
2этап.
На этом этапе проводятся следующиетехнологические операции:
— локальное окисление кремния (ЛОКОС процесс);
— формирование подзатворного окисла (после удаления промежуточных
слоев двуокисии нитрида кремния);
— имплантация бора для регулировкипорогового напряжения нормально
закрытых транзисторов; -
— формирование окна под скрытый контакт.
3 этап.
На данном этапе проводится ионная имплантация мышьякадля формирования канала нормально открытого транзистора. Использование мышьяка вместофосфора обусловлено меньшей его глубиной в полупроводниковую подложку.
4 этап.
Проводится нанесение поликристаллического кремния с егопоследующим легированием мышьяком. Поликремний выполняет роль будущих затворов,предотвращает p- каналы от дальнейшей перекомпенсации акцепторной примеси мышьякоми служит материалом для последующего соединения стока и затвора нормально открытоготранзистора. На этом этапе достигается самосовмещение стоков, истоков и затворов.
5 этап.
Заключительный этап формирования схемы.На нем осуществляются:
— литография под металлизацию к стокам и истокам транзисторов
— нанесение фосфор силикатного стекла (ФСС). ФСС предотвращает диффузию ионов натрия, сглаживает рельеф поверхности,производит дополнительную активацию примеси.
— формируется пассивирующий диэлектрический слой (окисел или плазмохимический нитридкремния)
3. СБИС программируемойлогики (ПЛ.)
Отечественным производителямэлектронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в областимассового производства товаров широкого потребления. Однако в областиразработки и создания сложной наукоемкой продукции в России сохранилисьусловия, кадры, научный потенциал. Большое число предприятий и учрежденийспособно разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным«сырьем» для таких разработок в области цифровой электроники служатлегко доступные на отечественном рынке электронные компоненты: микропроцессоры,контроллеры, СБИС памяти и др. — все, что позволяет решать задачи специальнойобработки сигналов и вычислений программным путем (со свойственными программнойреализации достоинствами и недостатками). Микропроцессорная техника давно ипрочно укоренилась в отечественных разработках. Однако в последние годыпоявилась новая элементная база — СБИС программируемой логики (programmable logicdevice — PLD), которая, удачно дополняя и заменяя микропроцессорные средства, вближайшие годы станет «настольным материалом» для разработчиков. СБИСПЛ оказываются вне конкуренции в областях, где требуется созданиевысокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных нааппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливаниепроцесса обработки и увеличивает производительность в десятки раз по сравнениюс программным решением, а использование СБИС ПЛ, в отличие отспециализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любыхпрограммных решений. В последние годы динамика развития и производства СБИС ПЛ.уступает только микросхемам памяти и превышает 50% в год.
СБИС ПЛ представляют собойполузаказную СБИС и включают реализованные на кристалле универсальные настраиваемыепользователем функциональные преобразователи и программируемые связи междуэтими преобразователями. По сравнению с базовыми матричными кристаллами (БМК)использование СБИС ПЛ обеспечивает существенно более короткий цикл разработки,экономический выигрыш при мелкосерийном (до нескольких тысяч изделий)производстве и возможность внесения изменений в проект на любом этаперазработки. Заказную СБИС или БМК разработают для Вашего уникального проекта занесколько месяцев. Но только на СБИС ПЛ Вы запрограммируете его сами закратчайшее время и с минимальными затратами. Разработчик специализированногоцифрового устройства, используя средства САПР СБИС ПЛ, в привычной ему форме(схемы, текстовое описание) задает требуемое устройство и получает программирующийСБИС ПЛ файл, который используется при программировании на программаторе илинепосредственно на плате. Программирование заключается в задании нужных свойствфункциональным преобразователям и установлении необходимых связей между ними.Программируемые элементы — электронные ключи. Такой циклпроектирования/изготовления занимает незначительное время, изменения могутвноситься на любой стадии разработки за считанные минуты, а внедрение новыхсредств проектирования на начальном этапе практически не требует материальныхзатрат.
Производители, архитектура ивозможности существующих в настоящее время типов СБИС ПЛ разнообразны.Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующимклассификационным признакам:
степень интеграции (логическая емкость);
архитектура функционального преобразователя;
организация внутренней структуры СБИС и структурыматрицы соединений функциональных преобразователей;
тип используемого программируемого элемента;
наличие внутренней оперативной памяти.
Степень интеграции(логическая емкость) — наиболее важная характеристика СБИС ПЛ, по которойосуществляется выбор. Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежахэлектронной технологии (текущая рабочая проектная норма составляет 0,25 мкм), ичисло транзисторов в СБИС ПЛ большой емкости составляет десятки миллионов. Новвиду избыточности структур, включающих большое число коммутирующихтранзисторов, логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентиляхтипа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той жесложности, что и на соответствующих СБИС.
Основные производителиСБИС ПЛ — фирмы Altera (34% мирового объема продаж), Xilinx (33%), Actel (9%).Максимальная логическая емкость достигнута в настоящее время в СБИС ПЛ,выпускаемых фирмой Altera (семейства FLEX10K), и составляет 250000 логическихвентилей, а к концу 1998 г. достигнет 1 миллиона (количественные данныеприведены по состоянию на 01.06.98 г.).
Функциональныепреобразователи СБИС ПЛ включают в себя настраиваемые средства реализациилогических функций и триггер (т.е. являются простым конечным автоматом).Наиболее часто логические функции реализуются в виде суммы логическихпроизведений (sum of product) либо на шестнадцатибитных ПЗУ (таблицыперекодировки). СБИС ПЛ с функциональными преобразователями на базе суммтермов, позволяют проще реализовывать сложные логические функции, а на базетаблиц перекодировки создавать насыщенные триггерами устройства.
Организация внутреннейструктуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей — основной отличительный признак различных СБИС ПЛ. На рис.3 показано разделениенаиболее популярных СБИС ПЛ по этим признакам.
Большинство фирм выпускает сложныеСБИС ПЛ, располагая функциональные преобразователи в горизонтальных рядах ивертикальных столбцах в виде квадратной матрицы на площади кристалла, тогда каксвязи между преобразователями выполняются в виде проводников, разделенных наотдельные участки (сегменты) электронными ключами. Такая одноуровневаяструктура получила название FPGA (Field Programmable Gate Array). Иерархическая(многоуровневая) организация СБИС ПЛ позволяет улучшить их техническиехарактеристики. При многоуровневой организации функциональные преобразователигруппируются в блоки (например, в СБИС семейств FLEX10K фирмы Altera влогический блок входит 8 функциональных преобразователей), имеющие своюсобственную локальную шину межсоединений. Блоки обмениваются сигналами друг сдругом через шины межсоединений верхнего уровня. Структура такого типа показанана рис.4. Проводники межсоединений изготавливаются непрерывными (т.е. безразделения на сегменты электронными ключами), что обеспечивает малые задержкираспространения сигналов и позволяет существенно сократить количествоэлектронных ключей. Кроме того, непрерывные линии межсоединений обеспечиваютвозможность взаимной замены логических блоков без изменения временной моделиустройства, что существенно ускоряет процедуру размещения проекта на кристаллеи упрощает временное моделирование.
Тип используемогопрограммируемого элемента — электронного ключа, определяет возможности СБИС ПЛ.по программированию, перепрограммированию и хранению конфигурации приотключении питания. Наиболее перспективны программируемые элементы, выполненныепо EEPROM и FLASH технологии (полевые транзисторы с плавающим затвором),обеспечивающие энергонезависимое хранение конфигурации и многократноеперепрограммирование (в том числе и распаянной микросхемы непосредственно наплате), и элементы, выполненные по SRAM технологии, т.е. представляющие собойэлектронный ключ и триггер оперативной памяти, в который при включении питаниядолжна быть записана конфигурирующая информация. SRAM — технология обеспечиваетменьшее энергопотребление и позволяет реконфигурировать СБИС ПЛ за десяткимиллисекунд, обеспечивая исходную загрузку конфигурирующей памяти и, принеобходимости, реконфигурирование для адаптации структурыреализуемого устройства. Особое место занимает ряд семейств СБИС ПЛ,выпускаемых фирмой Actel и имеющих программируемые элементы — antifuse,представляющие собой pn — переходы, пробиваемые при программировании. Эти СБИСПЛ имеют высокую стойкость к хранению конфигурации при спецвоздействиях, но неполучили широкого распространения в силу их высокой стоимости и однократностипрограммирования.
Наличие внутреннейоперативной памяти дает пользователю СБИС ПЛ. дополнительные возможности приразработке цифровых систем. СБИС ПЛ. с внутренней памятью выпускаются фирмамиAltera (семейства FLEX10K), Atmel (семейство AT40K), Xilinx (семейства XC4000).Организация внутренней памяти в СБИС ПЛ различных производителей различна. Всемействе FLEX10K фирмы Altera — это крупные выделенные модули памяти объемом 2Кбит, в СБИС других производителей — распределенные по кристаллу небольшиеблоки. Например, в СБИС фирмы Xilinx — теневые ОЗУ таблиц перекодировки объемом32 бита, в СБИС ПЛ фирмы Atmel — расположенные в узлах матрицы межсоединенийблоки памяти объемом 32х4 бита.
Возможности СБИС ПЛчрезвычайно широки и удовлетворяют различным требованиям разработчиков цифровыхустройств. На рис.8 показаны семейства СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Altera — лидером в производстве СБИС ПЛ. Семейства FLEX (SRAM технология конфигурирующихэлементов) выпускаются в корпусах с числом выводов до 600, требуют загрузкиконфигурации каждый раз при включении питания или при необходимости внесенияизменений в функционирование СБИС, но обладают существенно большей логическойемкостью по сравнению с энергонезависимыми семействами MAX и меньшимэнергопотреблением на функциональный преобразователь. Семейства MAX могутобеспечить задержку сигнала до 5 нс., в то время как у семейств FLEX этазадержка не менее 8 нс. Наиболее перспективными семействами СБИС ПЛ фирмыAltera являются FLEX10K, FLEX6000, МАХ7000S,A. 4. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
По числу большихинтегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессорыоднокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Процессоры даже самыхпростых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количествоэлектронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структурупроцессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имеликоличество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этоммикропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них кединой внутренней информационной магистрали подключаются все функциональныеосновные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний,интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснованияклассификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратныеблоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной,управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частейпроцессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями ксистеме прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностямиподключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков иисполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколькодесятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).
Однокристальныемикропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора ввиде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличениястепени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальныхмикропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальныхмикропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Дляполучения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение егологической структуры на функционально законченные части и реализовать их в видеБИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессораозначает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работатьавтономно.
На рис. 1.а показанофункциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристальногомикропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИСуправляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Рис. 1.Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализациипроцессора в виде комплекта секционных БИС.
Операционный процессорслужит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки,декодирования и вычисления адресов операндов и также генерируетпоследовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействиеБИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скоростьих исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненныхкоманд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП вследующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП наожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсныйпроцессор позволяет подключить память и периферийные средства кмикропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройствввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступак памяти.
Выбираемые из памяти командыраспознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтомуможет быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерныйпоточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнениепоследовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работызначительно повышает производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессорыполучаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логическойструктуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями(рис. 1, б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельномвключении секций БИС в них добавляются средства «стыковки».
Для созданиявысокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь многоаппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнутьнеобходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессорагоризонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделенияструктуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные частисоздаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуюткомплект секционных БИС МП.
Таким образом,микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки несколькихразрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. СекционностьБИС МП определяет возможность «наращивания» разрядностиобрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при«параллельном» включении большего числа БИС.
Однокристальные итрехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронныхтехнологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальныесекционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов.Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярныхБИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядностиобрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов,позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществитьконвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.
По назначению различаютуниверсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальныемикропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразныхзадач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемнойспецифики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация наускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличитьэффективную производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можновыделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложныхпоследовательностей логических операций, математические МП, предназначенные дляповышения производительности при выполнении арифметических операций за счет,например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различныхобластях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективнорешать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюцияпозволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чемшироко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся ксравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, ификсированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность вреальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формыпутем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, можетпозволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.
Разработанныеоднокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов втех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системыобрабатывать эти данные.
По виду обрабатываемыхвходных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Самимикропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенныеаналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговыесигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываютсяи после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. Сархитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговыефункциональные преобразователи сигналов и называются аналоговымимикропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например,производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование идекодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложныесхемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности,конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессоразначительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и ихвоспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счетпрограммной «настройки» цифровой части микропроцессора на различныеалгоритмы обработки сигналов.
Обычно в составеоднокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового ицифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядностьобрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяетсяувеличению скорости выполнения арифметических операций.
Отличительная чертааналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовыхданных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростьюпри необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальноммасштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме черезцифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельниковачастота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частотусигнала.
Сравнениецифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения имисписков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится поколичеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтроввторого порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяетсяего способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрееосуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра ваналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровыхсигналов можно задавать в микропроцессоре.
Одним из направленийдальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение ихуниверсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработкибольшого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитыхвычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализацииаппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.
По характеру временнойорганизации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.
Синхронные микропроцессоры — микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаютсяустройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит отвида выполняемых команд и величин операндов).
Асинхронные микропроцессорыпозволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналуфактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективногоиспользования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронноработающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономноефункционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией,устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнениюследующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимаетна себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетомвыполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией иданными.
По организации структурымикропроцессорных систем различают микроЭВ