Микропроцессор и память компьютера

Микропроцессор и память компьютера Память в микропроцессорной системе Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие  устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические  внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных  интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав  других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных ­ это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры  различных устройств. Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со  структурой МДП (металл­диэлектрик­полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно  называют МОП (металл­оксид­полупроводник) структурами). Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного  запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ),  обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть  статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым. Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и  хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность,  стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д.  зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при  производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении. На развитие микропроцессорной техники решающее значение оказывает технология  производства интегральных схем. Полупроводниковые интегральные микросхемы подразделяются на биполярные ИМС и  МОП схемы, причем первые ­ более быстродействующие, а вторые имеют большую  степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и меньшую стоимость. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к  разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. быть инвертором,  триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у  биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно­транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами  Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно­связанная логика); у МДП: n­МОП и КМОП. Базовым материалом для изготовления ИМС является кремний. Несмотря на то, что он  не обладает высокой подвижностью носителей заряда (mn=1500 см2/Вс), а значит,  приборы на его основе теоретически будут уступать по быстродействию приборам на  основе арсенида галлия GaAs, однако система Si­SiO2 существенно более технологична.  С другой стороны, приборы на кремниевой основе кремний­оксид кремния) обладают  совершенной границей раздела Si­SiO2, химической стойкостью, электрической  прочностью и другими уникальными свойствами. Технологический цикл производства ИМС включает:  ­ эпитаксиальное наращивание слоя на подготовленную подложку;  ­ наращивание слоя SiO2 на эпитаксиальный слой;  ­ нанесение фоторезиста, маскирование и вытравливание окон в слое;  ­ легирование примесью путем диффузии или имплантацией;  ­ аналогично повторение операций для подготовки других легиро­ванных областей;  ­ повторение операций для создания окон под контактные площадки;  ­ металлизацию всей поверхности алюминием или поликремнием;  ­ повторение операций для создания межсоединений;  ­ удаление излишков алюминия или поликремния;  ­ контроль функционирования;  ­ помещение в корпус;  ­ выходной контроль. Наиболее критичным для увеличения степени интеграции является процесс литографии,  т.е. процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой  пластины. С помощью этого рисунка формируют такие элементы схемы, как электроды  затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п. На первой стадии изготовления ИМС после завершения испытаний схемы или моделирования с  помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. С помощью  электронно­лучевого устройства или засветки другим способом топологический рисунок схемы последовательно, уровень за уровнем можно переносить непосредственно на  поверхность кремниевой пластины, но чаще на фоточувствительные стеклянные  пластины, называемые фотошаблонами. Между переносом топологического рисунка с  двух шаблонов могут быть проведены операции ионной имплантации, загонки, окисления и металлизации. После экспонирования пластины помещают в раствор, который  проявляет изображение в фоточувствительном материале ­ фоторезисте. Увеличивая частоту колебаний световой волны, можно уменьшить ширину линии  рисунка, т. е. сократить размеры интегральных схем. Но возможности этой технологии  ограничены, поскольку рентгеновские лучи трудно сфокусировать. Один из вариантов ­ использовать сам свет в качестве шаблона (так называемое позиционирование атомов  фокусированным лазерным лучом). Этим способом, осветив двумя взаимно  перпендикулярными лазерными пучками, можно изготовить решетку на кремниевой  пластине из хромированных точек размером 80 нм. Сканируя лазером поверхность для  создания произвольного рисунка интегральных наносхем, теоретически можно создавать  схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние. Второе ограничение при литографии накладывает органическая природа фоторезиста. Путь ее решения ­  применение неорганических материалов, например, оксидов ванадия. Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах  памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой  степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и  систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к  увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к  развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП  транзистора:  ­ включению паразитного биполярного транзистора (исток­подложка­сток);  ­ неравномерному заряжению диэлектрика у стока;  ­ деградации приповерхностной области полупроводника;  ­ пробою диэлектрика. Поэтому необходимо уменьшение напряжения питания СБИС до 3.6, 3.3, 3 В и т.п., при  этом известно, что блок питания компьютера обеспечивает обычно напряжения +5В,  +12В, ­12В. Однако инжекция и заряжение диэлектрика не всегда процесс отрицательный или  паразитный. Уменьшение напряжения записи информационного заряда в  репрограммируемых ЗУ ниже 12 В позволяет их программировать внутри  микропроцессорной системы, а не специальным устройством (программатором). Тогда  для разработчика открываются большие возможности для программирования не только  адреса микросхем контроллера или адаптера в пространстве устройств ввода/вывода или номера прерывания, но и творить необходимое устройство самому (если иметь такую  ИМС). Однако отметим, что кроме "хозяина" это может сделать и компьютерный вирус,  который будет, естественно, разрушать, а не созидать что­либо.  Основные характеристики полупроводниковой памяти Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые  необходимо учитывать при проектировании систем: 1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла  обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и  т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация  кристалла памяти MxN, где M ­ число слов, N ­ разрядность слова. Например, кристалл  емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При  одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей  информационной емкостью. 2. Временные характеристики памяти. Время доступа ­ временной интервал, определяемый от момента, когда центральный  процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине  управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи  адресуемой ячейки с шиной данных. Время восстановления ­ это время, необходимое для приведения памяти в исходное  состояние после того, как ЦП снял с ША ­ адрес, с ШУ ­ сигнал "чтение" или "запись" и  с ШД ­ данные. 3. Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его  стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой  информации. 4. Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов  работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда  операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.  Кристаллы динамической МОП­памяти в резервном режиме потребляют примерно в  десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии,  не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти. 5. Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от  числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая  плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП­памяти. 6. Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для  активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с  отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж  корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические  воздействия, допустимая влажность и другие. МИКРОПРОЦЕССОРЫ. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА И ЕГО ОСНОВНЫЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный  для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и  логических операций над информацией. Микропроцессор выполняет следующие основные функции: чтение и дешифрацию команд из основной памяти; чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств; прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств; обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних  устройств; выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера. В состав микропроцессора входят следующие устройства. 1. Арифметико­логическое устройство предназначено для выполнения всех  арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. 2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера.  Выполняет следующие основные функции: формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные  сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения  различных операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти  адреса в соответствующие блоки компьютера; получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов. 3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и  выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты  работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для  обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда  обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для  эффективной работы быстродействующего микропроцессора. 4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими  устройствами компьютера. Включает в себя: внутренний интерфейс микропроцессора; буферные запоминающие регистры; схемы управления портами ввода­вывода и системной шиной. (Порт ввода­вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое  устройство.) К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами  могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами,  расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним  относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти,  сопроцессор ввода­вывода, контроллер прерываний и др. Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над  двоичными числами с плавающей запятой, над двоично­кодированными десятичными  числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор  имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций  в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают  математический сопроцессор в свою структуру. Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого  управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает  эффективное быстродействие компьютера. Сопроцессор ввода­вывода за счет параллельной работы с микропроцессором  значительно ускоряет выполнение процедур ввода­вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода­вывода,  в том числе реализует режим прямого доступа к памяти. Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях  оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер  прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от  внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал  прерывания в микропроцессор. Все микропроцессоры можно разделить на группы: микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд; микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд; микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом; микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма  высоким быстродействием и др. Важнейшими характеристиками микропроцессора являются: тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы  процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На  выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов.  Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет  микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц; разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над  которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше  разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу  времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера; Принцип работы микропроцессора. Память микропроцессора Продолжение статьи «Принцип работы микропроцессора» Память микропроцессора Адресные шины и шины данных, а также линии записи и считывания подводятся к ОЗУ  или к ПЗУ, на практике же подсоединяются к обоим этим устройствам. В качестве  примера выберем процессор с восьмибитовой адресной шиной и восьмибитовой шиной  данных. Это значит, что процессор может обратиться к (28) 256 байтам памяти и  прочесть за раз 8 бит памяти. Допустим, что в нашем простом микропроцессоре есть 128  байт ПЗУ с адресами, начинающимися с 0, и 128 байт ОЗУ с адресами, начинающимися с  128.  ПЗУ – постоянное запоминающее устройство. Чип ПЗУ программируется неменяющимся набором предварительно заданных байтов. По адресной шине чипу ПЗУ сообщается,  какой байт нужно прочесть и отправить на шину данных. Когда на линии считывания  меняется состояние, чип ПЗУ подает выбранный байт на шину данных.  ОЗУ – оперативное запоминающее устройство. ОЗУ содержит байты информации, а  микропроцессор может считывать или записывать их в зависимости от того, на какой  линии появится команда: на линии считывания или линии записи. У современных ОЗУ  имеется одна проблема: при выключении электропитания вся хранящаяся в них  информация безвозвратно теряется. Вот почему компьютеру нужно ПЗУ.  Практически во всех компьютерах имеется некоторый объем ПЗУ (возможно создать простой компьютер, не содержащий ОЗУ, в таких случаях многие микроконтроллеры  небольшую часть предназначенных для ОЗУ байтов хранят в самом чипе процессора,  однако практически невозможно сделать компьютер без ПЗУ). ПЗУ, находящееся в  персональном компьютере, называют БИОС (базовая система ввода / вывода, BIOS, Basic Input/Output System). Микропроцессор при запуске начинает выполнять инструкции,  которые нашел в БИОС. По инструкциям из БИОС выполняются такие операции, как  тестирование аппаратных средств компьютера, затем осуществляется обращение к  жесткому диску и выбирается загрузочный сектор (подробности смотрите в статье о том, как действует жесткий диск). Загрузочный сектор представляет собой небольшую  программу, которую БИОС после считывания с жесткого диска сохраняет в оперативной памяти. Затем микропроцессор начинает выполнение инструкций загрузочного сектора,  сохраненного в оперативной памяти. Программа загрузочного сектора дает команду  микропроцессору считать другую информацию с жесткого диска в ОЗУ.  Микропроцессор выполняет требуемое действие, затем выполняет команды,  содержащиеся в считанных данных, и далее действует аналогичным образом.  Аналогичным образом микропроцессор загружает всю операционную систему и  выполняет все необходимые ее команды.  Введение в экономическую информатику 1.2. Технические средства обработки информации 1.2.4. Структурная схема и устройства ПК Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его  конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов  расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему  обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии  передачи данных, адресов и управления.  Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память,  состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или  перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ  предназначается для записи и постоянного хранения данных. Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши,  принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е.  представляют собой специализированный процессор. Структурная схема компьютера Микропроцессор Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и  обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются  микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм. Компоненты микропроцессора: АЛУ выполняет логические и арифметические операции Устройство управления управляет всеми устройствами ПК Регистры используются для хранения данных и адресов Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену  данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной  адреса и управления. Основные характеристики процессора: Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров – это 32 – разрядные  процессоры, но выпускаются и 64 ­ разрядные процессоры. Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность. Наличие встроенного математического сопроцессора Наличие и размер Кэш­ памяти. Оперативная память Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) ­ область памяти,  предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с  компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем. Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои  регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память  получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не  приходится ждать при чтении или записи данных в память. Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому  перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По  принципу действия различают динамическую память и статическую. Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые  накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.  Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость и время обращения к  памяти. ОЗУ типа DDR  SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи  данных) считается наиболее перспективной для ПК. Кэш­память Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе  микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится.  Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш­памятью или сверхоперативной  памятью. При наличии Кэш­памяти данные из ОЗУ сначала переписываются  в нее, а затем в  регистры процессора. При повторном обращении к памяти сначала производится поиск  нужных данных в Кэш­памяти и необходимые данные из Кэш­памяти переносятся в  регистры, поэтому повышается быстродействие.  Контроллеры Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки.  Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.  В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.)  пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также  выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.). Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод­вывод)  между оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые  осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними  устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами.  Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е.  представляют собой специализированный процессор. Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера)  находятся на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы  (слоты) на материнской плате Системная магистраль Системная магистраль (шина) ­ это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих  объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие. Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими  слотами как PCI. Слоты PCI – E  Express для подключения новых устройств к более  скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт­дисков) используются  интерфейсы IDE и  SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи  устройств компьютера. Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.)  осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты  устанавливаются на задней стенке системного блока.  Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения  дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам  расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств,  относятся: Видеоадаптеры (видеокарты) Звуковые платы Внутренние модемы  Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети) SCSI ­ адаптеры Внешняя память. Классификация накопителей Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов.  Накопители ­ это устройства для записи и считывания информации с различных  носителей информации. Различают накопители со сменным и встроенным носителем. По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных  лентах и дисковые накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс накопителей составляют дисковые накопители. По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются  на магнитные, оптические и магнитооптические. К дисковым накопителям относятся: накопители на флоппи­дисках; накопители на несменных жестких дисках (винчестеры); накопители на сменных жестких дисках; накопители на магнитооптических дисках; накопители на оптических дисках (CD­R CD­RW CD­ROM) с однократной записью и  накопители на оптических DVD – дисках (DVD­R  DVD­RW   DVD­ROM и др.) Дополнительные устройства Периферийные устройства ­ это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК  и расширяют его функциональные возможности  По назначению дополнительные устройства разделяются на: устройства ввода (трэкболлы, джойстики, световые перья, сканеры, цифровые камеры,  диджитайзеры)  устройства вывода (плоттеры или графопостроители)  устройства хранения (стримеры, zip ­ накопители, магнитооптические накопители,  накопители HiFD и др.) устройства обмена (модемы)