Тема №7 (Конспект лекций)

Глава 7. Большие интегральные схемы.

7.1. Общие положения.

Ранее говорилось, что большими интегральными схемами называют полупроводниковые ИС, содержащие более 10³ элементов на кристалл.

Развитие современных технологических процессов изго­товления ИС позволяет значительно уменьшать минималь­ные технологические размеры с одновременным увеличе­нием размеров кристалла, т.е. создавать ИС с большой степенью интеграции, называемые большими интегральными (БИС).

БИС являются сложными схемами, реализующими узлы и целые электронные устройства. Различают монолитные и гибридные БИС. Среди монолитных БИС наибольшее распространение получили полупроводниковые БИС на основе МДП-структур, что обусловлено малыми размерами их активных элементов, а также более простой технологией изготовления по сравнению с монолитными БИС на основе биполярных структур.

По функциональному назначению различают БИС, предназначенные для использования в микропроцессорных комплектах в качестве запоминающих устройств, аналого-цифровых и цифровых преобразователей, усилителей и др. БИС явля­ются основной элементной базой микро-ЭВМ, а также ши­роко используются для создания ЭВМ других типов, что обеспечивает повышение их надежности, уменьшение га­баритных размеров и массы, а также существенное сниже­ние потребляемой ими мощности.

То есть по функциональному назначению БИС также могут быть цифровыми, или логическими, и аналоговыми, или линейными. К первым относятся декадные счетчики, накапливающие сумматоры, полные арифметические бло­ки, упоминаемые ранее запоминающие устройства и др.

Специальные БИС для ЭВМ, выполняющие не логичес­кие функции, т.е. аналоговые, имеют очень большую но­менклатуру. К этим БИС можно отнести усилители записи и считывания различных запоминающих устройств (ЗУ), преобразователи уровней, времязадающие схемы, схемы стабилизаторов напряжений, дифференциальные операционные усилители, компарато­ры, усилители индикации и др.

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой эк­вивалент используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования цифровых уровней в аналоговые — цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

АЦП — это электронное устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код. Процесс аналого-цифрового преобразования в общем случае включает про­цедуры квантования (дискретизация непрерывной вели­чины по времени, уровню или обоим параметрам одновре­менно) и кодирования.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — это элект­ронное устройство, осуществляющее автоматическое пре­образование числовых кодов в эквивалентные им значения какой-либо физической величины. Выходные физические величины чаще всего представляют собой временные интервалы электрического напряжения или тока.

Развитие техники АЦП и ЦАП осуществлялось поэтап­но — от простых наборов ИС, на базе которых конструиро­вали преобразователи, до создания БИС АЦП и БИС ЦАП по различным технологиям.

Отечественной промышленностью серийно выпускались БИС ЦАП типов: К572ПА, К572ПА1, КР572ПА2, К594ПА1, К1108ПА1, К1118ПА1, и БИС АЦП типов: К572ПВ1, К572ПВ2, К1113ПВ1, К1107ПВ1, К1107В2, К1107ПВЗ, К1108ПВ1. Указанные БИС изготовлялись по технологии МОП или биполярной с использованием транзисторно-тран­зисторной логики.

7.2. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты.

Увеличение уровня интеграции ИС и улучшение их тех­нико-экономических характеристик позволили использовать вычислительные устройства во многих областях: от уст­ройств промышленного оборудования и контрольно-испы­тательной аппаратуры до ЭВМ. Процесс применения ИС для построения различной вычислительной техники зна­чительно ускорился с применением микропроцессоров.

Название «микропроцессор» связано с исполнением про­цессора на одном или нескольких кристаллах полупровод­никовой ИС. Микропроцессоры служат главными функци­ональными частями микро-ЭВМ, которые реализуются на БИС. Подготовительным этапом развития микропроцессо­ров стали микрокалькуляторы. Именно на них были отра­ботаны технологические, схемо-технологические и архитек­турные решения, которые широко использовались в даль­нейшем при создании первых микропроцессоров.

Микропроцессор — самостоятельное или входящее в со­став ЭВМ (электронно-вычислительной машины) устрой­ство, осуществляющее обработку информации и управля­ющее этим процессом, выполненное в виде одной или не­скольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора

входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок уп­равления и синхронизации, запоминающее устройство (ЗУ), регистры и другие блоки.

АЛУ осуществляет обработку поступающей от ЗУ инфор­мации по командам программы, хранящейся постоянно в ЗУ, порядок выполнения которых определяется блоком управления и синхронизации. Исходные данные, промежу­точные и окончательные результаты вычислений содержатся в ЗУ или в специальных регистрах. Часть регистров ис­пользуется для организации выполнения программ.

Как БИС микропроцессоры характеризуются степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивос­тью, нагрузочной способностью активных выводов, т. е. воз­можностью подключения к данному микропроцессору и дру­гих ИС, технологией изготовления, типом корпуса, устой­чивостью к различным внешним воздействиям.

Как вычислительное устройство микропроцессоры харак­теризуются производительностью, разрядностью обрабатыва­емых данных и выполняемых команд, возможностью увели­чения разрядности, числом команд, количеством внутренних регистров, объемом адресуемой памяти, наличием и видом программного обеспечения, способом управления и др.

Микропроцессоры, используемые в средствах вычислительной техники различного назначения, называются универсальными, а предназначенные для построения какого-либо одно­го типа вычислительного устройства, называются специализированными. К последним относятся микропроцессоры, используемые в микрокалькуляторах.

По структуре микропроцессоры подразделяются на секционированные (как правило, с микропрограммным управлением) и однокристальные (с фиксированной разрядностью и постоян­ным набором команд). Секционированные микропроцессоры обладают способностью к расширению своих функциональных возможностей за счет подключения дополнительных ИС.

Однокристальный микропроцессор с фиксированной раз­рядностью и с постоянным набором команд конструктивно исполняются в виде одной БИС. Такой микропроцессор вы­полняет функции процессора ЭВМ, все операции которого определяются хранящимися в его памяти командами. Осо­бенность однокристального микропроцессора — наличие внутренней шины, по которой происходит обмен информа­цией между устройствами микропроцессора.

Рис. 7.1. Состав микропроцессорного комплекта интегральных схем

По функциональным возможностям микропроцессор со­ответствует процессору ЭВМ, выполненному на 20-40 ИС малой и средней степени интеграции, но обладает большим быстродействием, существенно меньшими размерами, мас­сой, потребляемой мощностью.

Применение различных схемо-технологических методов при изготовлении микропроцессоров позволяет, например, получать на основе
р-МОП-схем до 80 тыс. операций/с, n-МОП-схем — 500...600 тыс. оп/с, КМОП-схем 400 тыс. оп./с, ЭСТЛ-схем — 3 млн. оп/с.

Совокупность конструктивно и электрически совмести­мых ИС, предназначенных для построения микропроцессо­ров, микро-ЭВМ и других вычислительных устройств с оп­ределенным составом и требуемыми технологическими ха­рактеристиками, есть микропроцессорный комплект интег­ральных схем.

Основа микропроцессорного комплекта интегральных схем — базовый комплект, который может состоять либо из одной БИС — однокристального микропроцессора с фик­сированной разрядностью и постоянным набором команд, либо из набора ИС — многокристального секционирован­ного микропроцессора МП (рис.7.1).

Для расширения функциональных возможностей МП базовый комплект дополняется ИС других типов, напри­мер запоминающими устройствами, интерфейсными ИС, контроллерами внешних устройств. Эти ИС могут быть од­ной серии с ИС базового комплекта или разных.