Вычислительные машины

Содержание

 

 

Введение

   Вычислительные машины (ВМ) представляют собой комплекс технических средств, имеющих общее управление, предназначенный для автоматической обработки информации по заданной программе. Цифровые ЭВМ оперируют с информацией, представленной в дискретной форме в виде общепринятой для записи и чтения символике набором цифр, букв и знаков какого-то заранее установленного алфавита, имеющего конечное число символов.

   В конце 60-х годов начался серийный выпуск сравнительно небольших и дешевых мини-ЭВМ. Их предназначали для предприятий и организаций, где установка высокопроизводительных ЭВМ была экономически невыгодной. В их задачу первоначально входила автоматизация профессиональной работы в различных организациях, работа на предприятиях в качестве проблемно ориентированных ЭВМ. В 1977-78 году был начат выпуск семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Их часто называли управляющими вычислительными комплексами, так как они чаще всего использовались в системах управления различного рода. Однако, СМ третьей очереди, разработанные в последние годы относятся уже к ЭВМ четвертого поколения и имеют большую производительность, поэтому круг их применения резко расширился, и их активно используют в качестве автоматизированных рабочих мест, объединяют в вычислительные системы, и поручают им расчет экономических и статистических задач. С появлением больших интегральных схем связано развитие другого класса машин – микро-ЭВМ, и, как достижение этого направления - появление мощных профессиональных ПЭВМ, которые используются на рабочих местах для автоматизации труда, несложных расчетов и различного рода проектирования.

Проектирование микро-ЭВМ включает в себя разработку устройства управления и операционного устройства. Устройство управления содержит два блока (центральное и местное устройства управления).

   Устройства управления являются микропрограммными устройствами. Центральное устройство управления предназначено для выборки команд, их декодирования и подготовки операндов, а также поддержания работы местного устройства управления. Местное устройство управления управляет работой АЛУ, формирует сигналы управления передачей данных между отдельными элементами проектируемой микро-ЭВМ. Последовательность формирования управляющих сигналов определяется микропрограммами, хранящимися в ПЗУ микрокоманд обоих устройств.

   Операционная часть микро-ЭВМ включает в себя регистры общего назначения (для хранения операндов) и АЛУ. Функционирование микро-ЭВМ осуществляется программой, которая хранится в оперативной памяти.

   Для написания программ используют языки низкого и высокого уровней. Языки низкого уровня — машинно-зависимые языки, так как при программировании любого класса задач на этих языках непосредственно учитываются особенности построения и функционирования ЭВМ, на которой будет решаться данная задача. В отличие от машинного языка языки низкого уровня называют машинно-ориентированными языками. Преимуществом использования этих языков является то, что по сравнению с программами на машинном языке программы на машинно-ориентированном языке получаются более короткие. Примером широко используемого машинно-ориентированного языка является язык Ассемблер.

   Языки высокого уровня — машинно-независимые языки, так как при программировании задач на этих языках отпадает необходимость знать, на какой ЭВМ будет решаться данная задача. Средства этих языков ориентированы на дальнейшее сокращение трудоемкости программирования. К языкам высокого уровня относят процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки.

 

 

Постановка задачи

1. Спроектировать микроЭВМ с подробной разработкой АЛУ;
2. изучить заданный набор БИС;
3. построить структурную функцию схему микроЭВМ на этом наборе БИС;
4. разработать схему электрической принципиальной заданного блока микроЭВМ.

 

 

1. Изучение заданного набора БИС

   Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.)(рис.1.)

 

Рис. 1. Большая интегральная схема.

1.1. Технология изготовления:

1.1.1.Полупроводниковые интегральные микросхемы.(Рис.2)

   Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

   Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

 

Рис.2. Полупроводниковая интегральная микросхема.

   Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

1.1.2.Пленочные интегральные микросхемы.(Рис.3)

   Второй разновидностью микросхем являются пленочные микросхемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Бо­лее совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхемы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

   Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными площадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой электропроводностью (алюминий, медь, золото).

   Электрическое сопротивление такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины ре-зистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно получить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопротивления (50 — 500)-10-6 град-1. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см2. Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Рис.3. Пленочная интегральная микросхема

 

1.1.3.Гибридные интегральные микросхемы.(Рис.4)

   Гибридные микросхемы изготавливают на диэлектрической подложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контактные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напылением. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и межсоединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функционального узла.

   На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные полоски Ri, R2, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропроводность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоединения и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет наносят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвертый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конденсатора 02. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

Рис.4. Гибридная интегральная схема.

 

1.2. Вид обрабатываемого сигнала:

   Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

   Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании 5,2 В: логическая единица — это 0,8…1,03 В, а логический ноль — это 1,6…1,75 В.

   Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

   Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на запыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.

 

 

Рис.5. Современная интегральная микросхема

 

2. Построение структурной схемы микроЭВМ на этом наборе БИС

Рис.6. Микропроцессорная Большая интегральная схема

   Микропроцессорная БИС, представленная на рис.6, включает в себя следующие функциональные блоки:

- блок регистров;

- арифметическо-логический  блок;

- устройство управления (УУ);

- буферные схемы шины  данных (БФД) и шины адреса (БФА).

   Секция регистров включает шесть 16-разрядных регистров: W,Z,B,C,D,E,H,L; РС (программный счетчик) и SP (указатель стека). Шесть 8-разрядных регистров общего назначения составлены в пары регистров:B,C; D,E; H,L. Они могут быть использованы в программах как отдельные 8-разрядные регистры или как три 16-разрядных регистра (B,D,H).

   Программный счетчик РС содержит текущий адрес памяти, к которому обращается программа. Содержание РС автоматически изменяется в течении каждого цикла команды.

   Указатель стека SР содержит адрес памяти, начиная с которого ее можно применять для хранения и восстановления содержимого программно- доступных регистров МП БИС. Указатель стека SP служит для работы со стековой памятью и определяет адрес последней занятой ячейки стека.

  Буферные регистры 0W,Z не являются программно доступными регистрами и используются для выполнения команд внутри МП БИС.

Рис.7. Структурная схема микропроцессора.

   Арифметическо-логический блок выполняет арифметические и логические операции под воздействием устройства управления МП БИС. Он включает в себя 8-разрядное АЛУ, схему десятичной коррекции ДК, построенной на базе ПЗУ, 5-ти разрядный регистр признаков, аккумулятор А, буфер аккумуляторя БФА и буферный регистр БФРг. Арифметическо-логический блок позволяет осуществить арифметические операции сложения, вычитания, а также основные логические операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ) и сдвиг. При проведении операции одно число всегда берется из буфера аккумулятора, а другое - из буферного регистра. По результату выполнения арифметико-логических операций АЛБ устанавливает в регистре признаков пять знаков.

   Признак переноса (Carry - C) устанавливается в единицу, если при выполнении команд появляется единица переноса из старшего разряда.

   Дополнительный признак переноса (Auxiliary carry - АС) устанавливается в единицу, если при выполнении команд возникает единица переноса из третьего разряда числа. Состояние разряда может быть проанализировано лишь командой десятичной коррекции числа.

   Признак знака (Sign - S) в машинном слове можно представить числом от -128 до 127. В этом случае седьмой (старший) разряд числа - его знак. Единица в седьмом разряде при такой записи будет указывать на отрицательное число, а ноль- на положительное.

   В разряд нулевого признака (Zero -Z) записывается единица, если при выполнении команды результат равен нулю.

   В разряд признака четности (Parity - P) записывается единица, если при выполнении команды количество единиц в разрядах результата будет четным.