Файл: Автоматизация_Staroverov1.doc

Дешифрование кода операции. В коде операции указывается, что должен сделать процессор. В результате дешифрования процессор определяет наименование операции, выполняемой на дан­ном шаге.

Выборка операндов. Операндами называют величины, участ­вующие в операции (слагаемые и т. д.). При команде «сложить» процессор выбирает из памяти операнды — слагаемые. Для этого он выделяет в команде адрес первого операнда и посылает его в память. Точно так же читается второй операнд — второе сла­гаемое.

Выполнение операции. В соответствии с кодом операции про­цессор выполняет заданную операцию (сложение, вычитание и т. д.) и определяет результат.

Запись результата. Определенный процессором результат за­писывается в память, для чего процессор выделяет в команде адрес для результата и посылает его в память по этому адресу. Затем процессор приступает к выполнению следующей команды.

Циклы выполнения все новых и новых команд повторяются до тех пор, пока процессор не дойдет до выполнения команды «Стоп». Эта команда показывает, что программа вычислений закончена.

Для автоматического выполнения вычисления необходимо соединить в одно целое, процессор и память. Но чтобы ввести в память машины исходные данные и программу вычислений, необходимо специальное устройство — устройство ввода. Для вывода результатов вычислений из памяти машины требуется еще одно устройство — устройство вывода. Таким образом, про­стейшая вычислительная машина должна содержать следующие части: память, процессор, устройство ввода и устройство вывода.

Рассмотренный принцип автоматизации вычислений лежит в основе построения современной ЭВМ. Однако на основе одного принципа — программного управления — можно построить ЭВМ, различающиеся составом операций, количеством информации, скоростью выполнения операции и т. д. Чтобы показать возмож­ности различных ЭВМ, пользуются характеристиками (или пара­метрами) ЭВМ, к числу которых относятся операционные возмож ности, емкость памяти и быстродействие.

Операционные возможности ЭВМ определяются перечнем команд, которые ЭВМ способна выполнять. Число таких опера­ций невелико — несколько десятков элементарных операций (сло­жение, вычитание, умножение, деление), с помощью которых удается решать сложные задачи.

Емкость памяти — это предельное количество информации, которое можно разместить в памяти. Емкость памяти указывается в байтах, а чаще — в тысячах байтов. Это дает представление

о предельном числе символов, с которыми может работать ма­шина.

Быстродействие — это число операций, выполняемых про­цессором за одну секунду. В зависимости от применения вы­пускаются ЭВМ с быстродействием от десятков тысяч до миллионов операций в секунду.

8. ПРОИЗВОДСТВО ЭВМ

Производство ЭВМ — это в первую очередь сборочное производство, где из готовых элементов создается новый объект.

В настоящее время при производстве ЭВМ используется интегральная технология.

Изготовление интегральных схем начинается с получения монокристаллического кремния, из которого затем нарезают пла­стины толщиной менее миллиметра и диаметром 25 ... 80 мм. Для получения идеальной ровной и чистой поверхности пластины тщательно шлифуют и полируют. Обработанная пластина является основой для получения на ней интегральных схем.

Отдельная интегральная схема имеет сравнительно небольшие размеры (4x4 мм²), и на одной пластине одновременно форми­руются многие десятки одинаковых интегральных схем. Каждая схема создается путем формирования в полупроводнике Р — Ы- переходов. Интегральная схема формируется из нескольких слоев. В нижнем поверхностном слое пластины кремния соз­даются Р —, УУ-переходы — активные элементы интегральной схемы. Последующие слои состоят из изолирующих и проводя­щих пленок определенной конфигурации, обеспечивающей необ­ходимые соединения между элементами схемы.

Основой производства интегральных схем является процесс фотолитографии. Поверхность полупроводниковой пластины по­крывается диэлектрической или металлической пленкой, которой важно придать требуемую конфигурацию, т. е. удалить опреде­ленные участки. Наиболее простой способ удаления пленки — травление, т. е. химическое растворение. Процесс удаления пленки осуществляется в определенной последовательности. Сна­чала изготовляется фотошаблон, на котором в виде прозрачных и непрозрачных полей представлен рисунок одного слоя. Этот рисунок, созданный вначале в большом масштабе, уменьшают до миллиметровых размеров и размножают в количестве, соответ­ствующем числу схем, изготовляемых на одной пластине. Фото­шаблон накладывается на пленку, в которой нужно создать тре­буемый рисунок, предварительно покрытую слоем специального чувствительного лака — фоторезиста. Затем фоторезист осве­щается через фотошаблон ультрафиолетовыми лучами, под дей­ствием которых область фоторезиста, находящаяся под прозрач­ными участками фотошаблона, полимеризуется и превращается в стойкую пленку, защищая диэлектрик или металл от действия травителя. В местах, где на фотошаблоне были непрозрачные участки, фоторезист легко удаляется, и пленка металла или ди­электрика становится открытой для воздействия травителя. После травления на пленке образуется рисунок, соответствующий ри­сунку фотошаблона.

Слой интегральных схем формируется поочередно с помощью фотолитографического процесса.

Когда на полупроводниковой пластине созданы все необхо­димые электронные элементы и на поверхности пластины изго­товлены соединения, ее разрезают на куски, каждый из которых имеет миллиметровые размеры и содержит сотни и тысячи эле­ментов. Чтобы защитить изготовленную схему от внешних воздей­ствий, ее заключают в корпус, а выводы схемы, расположенные на расстоянии 0,05 ... 0,3 мм один от другого, соединяют тончай­шими золотыми проволочками е выводами в корпусе, и корпус герметизируется.

Однако лишь десятки процентов схем, прошедших через эти сложнейшие технологические операции, оказываются работо­способными. Основная доля схем — брак, возникающий из-за нестабильности параметров технологических процессов и всякого рода микродефектов в пластине кремния, фоторезиста, фото­шаблона и т. д.

Сверхчистые материалы, сверхточное оборудование, уникаль­ные процессы — это основные характерные черты производства интегральных схем, в котором сейчас создаются полупроводни­ковые кристаллы — БИС. В одном таком кристалле умещается целая ЭВМ — процессор, память и каналы ввода-вывода ин­формации.

4. СТРУКТУРА ЭВМ

В состав ЭВМ, как правило, входят следующие основ­ные узлы (рис. 148): арифметическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций; запо­минающее устройство, записывающее, хранящее и выдающее информацию; устройство ввода-вывода информации; устройство управления, предназначенное для координации процесса вычисле­ния и обмена информацией между различными узлами машины. Арифметическое устройство функционально связано с запоминаю­щим устройством, из которого оно получает исходные данные и в которое направляет результаты вычислений, а также с устрой­ством управления, координирующим все действия.

Запоминающее устройство непосредственно связано с устрой­ством ввода-вывода информации и с устройством управления. Устройство ввода-вывода. информации через устройство управле­ния связано с устройством связи с объектом. Устройство управ­ления связано со всеми основными устройствами ЭВМ.

Если ЭВМ предназначена для управления различными объек­тами, то она обязательно снабжена устройством связи с объектом управления, предназначенным для сбора, преобразования и ввода в ЭВМ информации о состоянии контролируемых параметров уп­равляемого объекта, а также для преобразования и подачи управ­ляющих команд на исполнительные механизмы.

В состав ЭВМ кроме рассмотренных устройств входят различ­ные внешние устройства, которые служат для подготовки данных

Арифметическое

устроистбо

ш

АУ

устройство

Регистр 1

Устройство

Иода

Сумматор

I

Управляющие команды на исполнитель­ные механизмы

Устройство

управления

I

Устройство связи с объектом

ТГГ Щ

ОАект управления

Информация от первичных преобразова­телей

и. Регистр г

{Управляющие I сигналы \

Рис. 149. Структурная схема ариф­метического устройства

и ввода их в ЭВМ, а также для оформления результатов вычис­лений и их хранения.

Арифметическое устройство (АУ) — устройство, в котором происходит переработка информации.

АУ можно классифицировать: по типу системы счисления (двоичные, троичные и десятичные); по форме представления чи­сел (с фиксированной и плавающей запятой); по принципу дейст­вия сумматора (комбинационные и накапливающие); по способу ввода и характеру выполнения операций над разрядами чисел (параллельного, последовательного и смешанного действия).

АУ (рис. 149) состоит из регистров, сумматора и других логи­ческих схем, выполняющих различные преобразования.

АУ может содержать два и более регистров (два регистра отводятся для хранения исходных чисел, а один —для форми­рования результата вычисления). Регистром называется узел ЭВМ, предназначенный для приема, хранения и передачи числа в другие узлы. Регистры могут быть одноразрядными И много­разрядными.

По своему значению регистры делятся на накопительные, ре­гистры сдвига и преобразующие. Накопительные ре­гистры используют для ввода, хранения и вывода чисел (ин­формации). Врегистрах сдвига может быть организо­ван сдвиг числа влево или вправо на один или несколько разрядов. Преобразующие регистры выполняют помимо операций ввода, хранения, сдвига и вывода, некоторые логические операции.

Основным узлом АУ является сумматор, реализующий сум­мирование чисел, представленных сигналами на его входах. В за­висимости от способа, положенного в основу построения сумма­тора, последние могут быть комбинационными и накапливающими.

В комбинационных сумматорах все входные сигналы подаются одновременно и на выходе сразу образуется их сумма. Запоминающая способность у таких сумматоров от­сутствует. По этой причине сумматор обязательно работает с ре­гистром для записи результата суммирования. В накапли­вающих сумматорах числа поступают по очереди и результат суммирования запоминается.

Суммирование многоразрядных чисел производится с исполь­зованием одноразрядных сумматоров. В зависимости от характера ввода-вывода чисел и организации переносов многоразрядные сумматоры делятся на последовательные и параллельные. В по­следовательном сумматоре сложение чисел осуществляется по­разрядно, начиная с младшего разряда; в параллельном сумма­торе — одновременно по всем разрядам, что существенно ускоряет операции сложения.

В АУ операция умножения реализуется последовательным вы­полнением микроопераций сложения и сдвига, а операция деле­ния — последовательным выполнением микроопераций вычита­ния и сдвига. '

Запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения исходных данных программы вычислений и промежуточных ре­зультатов.

ЗУ можно классифицировать по назначению, адресации кодов, принципам работы запоминающих элементов и т. д.

По назначению ЗУ делят на внутренние и внешние. Каждый из этих видов хранит определенный вид информации. Во внутренних ЗУ, как правило, хранятся программы работы машины, исходные данные и различные подпрограммы. Внутрен­ние ЗУ составляют с процессором ЭВМ единое целое и находятся под его управлением. Во внешних ЗУ хранятся библиотеки спе­циальных и стандартных программ, справочные данные, трансля­торы, служебные и другие программы операционной системы. Их устройство подробно рассмотрено в гл. 20.

По адресации ЗУ могут быть с произвольным, последо­вательным и циклическим доступом. В ЗУ с произвольным доступом информация записывается или считывается непосредственно по любому адресу. В ЗУ с последовательным доступом для записи или считывания информации необходимо «пройти» мимо ячеек с другими адресами. В ЗУ с циклическим доступом обращение возможно только в последовательные определенные моменты времени. ЗУ с произвольным доступом являются наиболее быст­родействующими, так как в них время обращения к ячейке не зависит от ее адреса, а определяется быстродействием коммута­ционных схем управления.