Физические основы построения ЭВМАвторы программы: доцент Морозов В. Б. , доцент Соломатин В.С.,профессор Шувалов В.В.Лектор 2010/11 уч. года: к. физ-мат. наук. доц: Касымова Ш.Т.Аннотация В курсе рассмотрены основы теории электропроводимости металлов и полупроводников, элементы физики полупроводников и на этой основе подробно рассмотрены принципы работы всех основных узлов современных ЭВМ.Содержание курсаВведение. Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводниковых (ПП) материалов в создании элементной базы современных ЭВМ. Преимущества СБИС перед дискретными компонентами. Технологическая база СБИС. Закон Мура. Степень интеграции элементов. Проблема воспроизводимости параметров элементов СБИС. Минимальный топологический размер. Основные направления развития цифровых СБИС: кремниевые МОП структуры, кремниевые биполярные структуры, арсенид-галлиевые металл-полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники.^ Основы теории электропроводимости металлов и полупроводников. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Разрешенные и запрещенные уровни энергии. Энергетические зоны и уровень Ферми. Принципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Модель электронного газа. Оценка числа уровней в единице объема проводника и полупроводника. Собственная и примесная проводимость полупроводников.^ Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках — диффузия и дрейф. Уравнение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристики. Барьерная и диффузионная емкости. ПП диоды. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шоттки. Быстродействие ПП диодов.^ Биполярные и полевые транзисторы. Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Схемы включения. Ключевой режим работы и быстродействие биполярных транзисторов. Полевые транзисторы. МОП (МДП) структуры с изолированными каналами и их быстродействие. Многоэмитерные транзисторы.^ Элементная база современных ЭВМ, системный блок. Аналоговая и цифровая обработка информации. Физическое представление информации в ЭВМ. Двоичный код. Реализация элементарных логических функций. Ключевой режим работы коммутирующего элемента. «Высокое» и «низкое» состояния логических схем. Позитивная и негативная логики. Основные характеристики логических элементов. Потребляемая мощность, время задержки распространения, энергия переключения, напряжение питания, коэффициент разветвления по выходу. Понятие о помехоустойчивости логического элемента. Семейства логических схем и их совместимость. Перспективные направления развития логической схемотехники.^ Системный блок ЭВМ. Обобщенная структура системного блока: микропроцессор (МП), память, шина. Архитектура и внутренняя магистраль МП. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжение питания, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая частота, количество и разрядность регистров. Цикл МП и его фазы. Взаимодействие МП и ОЗУ. Способы обмена информацией между МП и внешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Обмен данными на магистрали МП. Мультиплексирование шин. Режимы работы ЭВМ: основной, прерывания, прямой доступ к памяти, ожидание. Мультипроцессорные конфигурации. Специализированные МП. Состояние и перспективы развития МП техники.^ Полупроводниковые запоминающие устройства. Триггер как элемент памяти. Ячейка памяти и ее адрес. Статическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Структурная схема СОЗУ. Общая организация памяти. Характеристики памяти: стоимость, емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Энергозависимая и энергонезависимая память. Классификация ПП запоминающих устройств. Динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ). Структура запоминающего элемента. Принцип действия и основные параметры. Характеристики и принципы работы СБИС памяти динамического типа. Организация ДОЗУ. Методы регенерации ДОЗУ. Контроль работоспособности ДОЗУ. Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития СОЗУ и ДОЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Масочные ПЗУ (МПЗУ). ПЗУ, программируемые пользователем (ППЗУ). Стираемые перепрограммируемые ПЗУ (СППЗУ). Элементы на основе структур с плавающим затвором. Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы совершенствования ПЗУ. Flash-память.^ Интерфейсы ввода-вывода. Функции интерфейса ввода-вывода. Информационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство ти личного интерфейса. Функциональная и управляющая части интерфейса. Внутренние регистры интерфейса ввода-вывода. Ошибки интерфейса. Контроль паритета. Ошибки переполнения. Интерфейс последовательной связи. Дуплексная и полудуплексная связи. Асинхронная и синхронная связь. Стандарты связи. Интерфейс RS232. Скорость передачи информации и электрические параметры. Модем. Амплитудная и частотная модуляция. Передача данных через телефонные линии связи. МП ввода-вывода. Контроллер прямого доступа к памяти: общая организация и структура.^ Внешняя память в ЭВМ. Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнети-ки, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагнетиков. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Типы магнитных носителей и магнитных головок. Предельная плотность записи и скорость доступа к записанной информации. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. Оптическая память. Предельная плотность записи информации в оптике. CD и DVD диски. Трехмерная оптическая память: фоторефрактивные и фото-хромные материалы.^ Отображение информации в ЭВМ. Принципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ: термоэлектронная эмиссия, люминесценция. Формирование изображения в ЭЛТ, строчная и кадровая развертки. Структура и параметры видеосигнала. Отображение информации о цвете. Плоские мониторы —жидкокристаллические (LCD) дисплеи, плазменные (газоразрядные PDP) мониторы, дисплеи с излучающим полем (FED).^ Связь ЭВМ с внешней средой. Ввод и вывод цифровой и аналоговой информации. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Погрешности ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Погрешности АЦП. Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Ввод оптического изображения в ЭВМ, приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-камера (CCD). Принципы отображения информации на твердом носителе — принтеры и плоттеры. Алфавитно-цифровые и графические принтеры. Матричные, струйные, лазерные и светодиодные принтеры. Цветная печать.^ Линии связи между ЭВМ. Методы кодирования информации: амплитудная, фазовая и частотная модуляция. Виды распределенных линий для разных диапазонов частот. Двухпроводная линия и радиоканал. Телеграфное уравнение. Скорость распространения сигналов в линии. Волновое сопротивление. Согласование линии с нагрузкой. Коаксиальный кабель и витая пара. Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Распространение света по оптическим волокнам. Оптические моды, дисперсия мод, критическая длина волны. Градиентные волокна, волокна со ступенчатым профилем показателя преломления. Оптические передатчики и приемники: свето- и фотодиоды, полупроводниковые лазеры. Предельная скорость передачи информации. Оптические солитоны.^ Перспективы ЭВМ. Квантовые компьютеры. Реализация устойчивых одно и многоэлектронных состояний в различных системах. Когерентность состояний. Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты. Вычисления в классической и квантовой физике. Биты и кубиты. Квантовые алгоритмы. Области применения. Как построить квантовый компьютер: ионные ловушки, ЯМР, поверхностные наноструктуры. Разрушение когерентности как источник ошибок при квантовых вычислениях и их коррекция. Перспективы реализации квантовых компьютеров.Литература 1.Каким будет компьютер 2010 года? (www.stolica.ru/techinfo/pc/pc2010/ index.htm). 2.Капцов Л.Н. Физика элементов ЭВМ. Уч. пособие. Изд. Моск. ун-та. 1983. 3.Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники. Уч. пособие. М.: Радио и связь. 1991. 4.Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М: Радио и связь. 1990. 5.Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. М.: Радио и связь. 1989. 6.Тутов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат. 1990. 7.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь. 1987. 8.Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир. 1982. 9.Полупроводниковые светоизлучающие структуры (ofap.ulstu.ru/res/ puevm/PAGE12. HTM). 10.Ю-Чжен Лю, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. М.: Радио и связь. 1987. 11.Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. М.: Радио и связь. 1990. 12.Многообразие типов видеопамяти (www.ixbt.com/video/newvideomem.html). 13.Внешняя память (www.junior.ru/wwwexam/Pamiat2.htm). Точка Кюри (www.ixbt.com/storage/curiepoint.html). Хранение информации на жестких дисках (www.ixbt.com/storage/boot-manl.shtml). 16.Типы магнитных дисков, организация записи и считывания информации, интерфейсы, (http://www.spline.ru/referen.htm). 17.Магнитные носители: бесконечное хранение информации (www.ixbt.com/ storage/ storage-tech.shtml). 18.Технологии защиты от ударов и тряски в новейших жестких дисках (www.ixbt.com/ storage/hdd-shockprotect.html). 19.Технологии Zip: «за» и «против» (www.rusdoc.ru/material/liardware/zip.shtml). 20.Flash против всего мира (www.ixbt.com/storage/flash-alt.shtml). 21.Два направления создания памяти будущего (www.ixbt.com/mainboard/ halo-molec-mem.shtml). 22.OAW — технология будущего? (www.ixbt.com/storage/oaw_tech.html). 23.Оптические и магнитооптические диски (ofap.ulstu.ru/res/puevm/ PAGE3.HTM). DVD: диски, проигрыватели, рекордеры 24.DVD:диски, проигриватели, рекордеры (www.ixbt.com/storage/dvdinfo.html). «Трехмерный» диск (www.ixbt.com/storage/fmd-tech.html). Отображение информации в мониторах (http://hawks.ha.md.us/hardware/ monitors.html). Мониторы (www.ixbt.com/video/monitor_guide.html). Дисплеи (www.e-book.ru/technology/lcd.html). Жидкокристаллические дисплеи. История, принципы работы, преимущества и недостатки (www.compuferra.ru/online/video/4934/). Перспективные технологии дисплеев (www.compuferra.ru/online/video/4974/). И все-таки он светится! (LEP дисплей, www.ixbt.com/video/lep.html). Технология LDT (www.ixbt.com/multimedia/Idt.shtml). Hendow S.T. New-bandwidth networks bring new monitoring requirments. Laser Focus World. 8, 171 (1998). Современные способы компьютерной печати (www.ixbt.com/peripheral/ laser-prn.html). Майоров В.П. и др. Рассуждения о телевизионных камерах (www.videoscan.ra/ rus/ magazin /n_2/_l.htm). Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир (www.actor.ru/ -vpccd/ ccd/overview.htm). FAQ по цифровому представлению звуковых сигналов (www.ixbt.com/ multimedia/ digaudiofaq.html). Оптическая обработка информации (ofap.ulstu.ru/res/puevm/PAGE14.HTM). Волоконно-оптические линии связи (ofap.ulstu.ru/res/puevm/ PAGE11.HTM). Характеристики оптических кабелей (http://www.sonet.ru/catalogue/ index.html). Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы (http:// www.it.ru/books/ books.html). Vedral V, Plenio M.B. Basics of quantum computation. Progr. Quant. Electron. ' ~22, 1-40 (1998). «Компьютерра» on line (www.computerra.ru/). «PC Magazine» on line (www.zdnet.com/pcmag). «PC Week» on line (http://www.pcweek.ru/Default.asp). Журнал «Подводная лодка» on line (www.submarine.ru/). Статьи, новости, справочный материал и т.д. (http://www.ixbt.com/ или http://ixbt.stack. net). Издательство «Открытые системы»: статьи, новости, обзоры и т.д. (www.osp.ru). Обзоры, статьи, новости, результаты тестов и т.д. (http://www.zdnet.ru). «Энциклопедия персонального компьютера», «Кирилл и Мефодий» (www.km.ru/base/ Pc/index.asp). Техническая энциклопедия (www.techweb.com/encyclopedia). Якубайтис Э.А. Многоязычный словарь по информатике и бизнесу (www.icsti.su/ibd/ main.htm). Англо-русский словарь основных терминов и сокращений по телекоммуникациям (www.asdc.kz/helpdesk/sebt/sebt 1 .html).