Файл: Автоматизация_Staroverov.doc

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.

По принципу работы запоминающих элементов ЗУ подразделяются на магнитные, полупроводниковые и т. д.

В магнитных ЗУ в качестве элементов для хранения двоичной информации в оперативных ЗУ широко используются кольцевые

_{Рис 150 Схема} расположения обмоток на ферритовом сердечнике

(тороидальные) магнитные сердеч­ники из ферритового материала с прямоугольной петлей гистере­зиса. На их основе строятся мат­ричные ЗУ, названные так пото- 'му, что расположение элементов памяти в матричных ЗУ обра­зует двумерную прямоугольную таблицу (матрицу) входных и вы­ходных проводов (шин).

Ферритовый сердечник (рис. 150) намагничивается, когда по обоим /

проводам обмотки 1 к 2 про­ходит определенной силы ток.

Чтобы получить данные, помещенные ранее в Запоминающее устройство, необходимо создать соответствующую поляризацию в ферритовом сердечнике, пропуская импульс тока по проводам обмотки. При изменении полярности в обмотке считывания 3 индуцируется импульс тока. Сигнал, проходящий по считываю­щей обмотке, может быть обнаружен, если кольцо содержало единицу, а не нуль. Однако при считывании информации из кольца единица превращается в нуль. Для исключения такого превращения ЭВМ выполняют специальную операцию, т. е. они восстанавливают единицы в тех сердечниках, где они были рань­ше. Эта операция выполняется путем, новой записи— подачей импульса по проводу 4. Импульс, пропущенный через этот про­вод, может стирать информацию, записанную на кольце.

Рассмотрим работу матрицы ЗУ (рис. 151), содержащей че­тыре горизонтальных ряда сердечников, каждый из которых пред­назначен для записи и хранения шестиразрядных чисел. Считываю­щий провод (на схеме он показан более жирной линией) пронизы­вает последовательно все сердечники, поэтому считывание ин­формации будет представлять собой последовательный опрос всех сердечников поочередно.