Архитектура ЭВМ Лектор: к.т.н., доцент, Попов Алексей Юрьевич ЛИТЕРАТУРА 1. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, – 800 с.: ил. 2. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, – 668 с.: ил. 3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатомиздат, Цель дисциплины: получить знания и навыки, необходимые для проектирования и эффективного использования современных аппаратных вычислительных средств. Задачами дисциплины является изучение: принципов организации ЭВМ; методики проектирования ЭВМ и устройств, их составляющих.

2007Архитектура ЭВМ2 экзамен зачет Вид отчетности Программирование микроконтроллеров AVR (6 лабораторных работ) 1. Исследование работы электронного ТТЛ - ключа Исследование работы RS - триггеров 1. Исследование работы динамических триггеров 2. Исследование работы асинхронных счетчиков. 3. Исследование работы дешифраторов. 4. Исследование регистров сдвига. 5. Исследование работы синхронных счетчиков. 6. Исследование работы мультиплексоров. Лабораторные работы Принципы построения и архитектура ЭВМ Процессорные устройства Организация ввода вывода Вычислительные системы 7 Вводная часть Арифметические основы ЭВМ Логические основы ЦВТ Основы электроники Элементная база ЭВМ Основы микроэлектроники Элементы и узлы ЭВМ Организация памяти ЭВМ 6 Теоретические занятия Семестр План проведения теоретических и практических занятий:

2007Архитектура ЭВМ3 I. Введение История развития вычислительной техники. Механические вычислительные устройства. Абак Машина Паскаля Машина Лейбница Машина Бэбиджа Современные механические машины

2007Архитектура ЭВМ4 Электромеханические счетные машины Машина Z3 Машина Z4 Машины Конрада Цузе (Z1, Z2, Z3, Z4) - Z1 – полностью механическая машина (1936); - Z2 – использование реле в арифметическом устройстве (1939); - Z3 и Z4 – электромеханические машины с механической памятью (1941 и 1945).

2007Архитектура ЭВМ5 Электронные вычислительные машины Индикаторы, Пульт управления, Перфокарты Ассемблер Ручная коммутация, Машинные коды Калькуляторы (ABC, ENIAC), Большие ЭВМ (MARK I, EDVAC, UNIVAC, БЭСМ, МЭСМ, IAS) Линии задержки на электронные лучевых трубках, Ферритовые сердечники (~ ) Электро- магнитные реле; электронные лампы I (с конца 30-х до середины 50-х) Средства связи с пользователем Программное обеспечение Языки программирования Представители классов ЭВМ Тип основного запоминающего устройства Элементная база Поколение ЭВМ ЭВМ MARK I ЭВМ ENIAC Первое поколение ЭВМ (с конца 30-х до середины 50-х)

2007Архитектура ЭВМ6 Второе поколение ЭВМ (с середины 50-х до середины 60-х) Индикаторы, Пульт управления, Перфокарты, Перфоленты Компиляторы, автоматизированные системы управления, диспетчеры Фортран, Алгол, Кобол Малые и средние ЭВМ (МЭСМ, M20, серия ЭВМ Урал, Минск, Днепр), Большие ЭВМ(TRADIAC, IBM 7030, IBM 7090, TX-O, БЭСМ-2,3,4) Ферритовые сердечники (до 2 19 ) ТранзисторыII (с середины 50- х до середины 60-х) Средства связи с пользователем Программное обеспечение Языки программирования Представители классов ЭВМ Тип основного запоминающего устройства Элементная база Поколение ЭВМ ЭВМ БЭСМ-4

2007Архитектура ЭВМ7 Третье поколение ЭВМ (с середины 60-х до середины 70-х) Алфавитно- цифровые дисплеи ОС (UNIX, IBM DOS), СУБД, САПР, Пакеты прикладных программ Фортран, Алгол, B, C Мини и микро-ЭВМ (Мир-1, М220), Средние и большие универсальные ЭВМ (ILLIAC IV, CDC6600, CDC7600, IBM 360, EC ЭВМ, СМ ЭВМ, БЭСМ-6) Полупроводни- ковые ЗУ на больших интегральных схемах (до 2 25 ) Интегральные схемы малой и средней степени интеграции III (с середины 60-х до середины 70-х) Средства связи с пользователем Программное обеспечение Языки программирования Представители классов ЭВМ Тип основного запоминающего устройства Элементная база Поколение ЭВМ ЭВМ БЭСМ-6IBM 360

2007Архитектура ЭВМ8 Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х до середины 80-х) Графические дисплеи, клавиатура, мышь Графические ОС,Среды визуальной разработки, САПР, Системы программирования, Игры Пролог, Фортран, C, Паскаль Персональные компьютеры (Intellec8, IBM PC/XT/AT, Sinclair Spectrum), Средние и Большие ЭВМ (Cray, Эльбрус- 1,2,3) Полупроводниковые ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до 2 28 ) Интегральные схемы большой и сверхбольшой степени интеграции IV (с середины 70-х до середины 80-х) Средства связи с пользователем Программное обеспечение Языки программирования Представители классов ЭВМ Тип основного запоминающего устройства Элементная база Поколение ЭВМ Intellec8 (Intel 8080) Sinclair Spectrum

2007Архитектура ЭВМ9 Пятое поколение ЭВМ (с середины 80-х) Графические дисплеи, клавиатура, мышь, звук Мультимедиа, WWW Языки с ООП, Языки параллельного программирования (MPI), Специализи рованные языки (SQL, SmallTalk, Java, Perl, PHP, и т.д.) ЭВМ на универсальных конвейерных и суперскалярных МП (Семейства: P6, NetBurst, PowerPC970, Sun UltraSPARC, MIPS, Itanium, E2k), Средние большие ЭВМ с массовым параллелизмом (серия IBM Mainframes, Cray, HP, DEC) Полупроводниковые ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до ~2^32) Интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции V (с середины 80-х) Средства связи с пользователем Программное обеспечение Языки программирования Представители классов ЭВМ Тип основного запоминающего устройства Элементная база Поколение ЭВМ

2007Архитектура ЭВМ10 Классификация ЭВМ Классификация ЭВМ по режимам работы: Однопрограммные Мультипрограммные Мультипрограммные в составе систем ЭВМ в системах реального времени Классификация ЭВМ по структуре: Однопроцессорные Многопроцессорные Классификация ЭВМ по количеству потоков команд и данных: ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД, SISD); ЭВМ с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД, SIMD); ЭВМ с многими потоками команд и одним потоком данных (МКОД, MISD); ЭВМ с многими потоками команд и многими потоками данных (МКМД, MIMD). Классификация ЭВМ по назначению: 1. Общего назначения –Супер ЭВМ –Минисупер ЭВМ –Мэйнфреймы –Серверы –Рабочие станции –Персональные компьютеры –Ноутбуки –Портативные компьютеры 2.Специализированные

2007Архитектура ЭВМ11 ОКОД, SISD ОКМД, SIMD МКОД, MISDМКМД, MIMD

2007Архитектура ЭВМ12 Общий коэффициент эффективности Основные характеристики ЭВМ.

2007Архитектура ЭВМ13 Производительность ЭВМ Единицы измерения производительности: МФлопс = 10 6 операций с плавающей запятой в секунду. Интенсивность отказов интегральных схем 1 ФИТ - 1 отказ / 10 9 приборов часов MTFF – среднее время наработки на отказ. Требования к надежности ~ 0.1 ФИТ. Единицы измерения интенсивности отказов:

2007Архитектура ЭВМ14 II. Арифметические основы ЭВМ Системой счисления называется совокупность правил для представления чисел с помощью символов (цифр). Позиционная система счисления: (…a 3 a 2 a 1 a 0. a -1 a -2 a -3 …)= … + a 3 b 3 +a 2 b 2 +a 1 b 1 +a 0 +a -1 b -1 +a -2 b -2 +a -3 b -3 Системы счисления, используемые в ЭВМ: - Двоичная (0,1) - Десятичная (0,…,9) - Восьмеричная (0,…,7) - Шестнадцатиричная (0,…,9,A,B,C,D,E,F) - Двоично-десятичная (0000,…,1001) - Шестидесятиричная (0,...,59) - Троичная (-1,0,1) Преобразование из двоичной системы счисления в десятичную: = 1*2 3 +0*2 2 +1* * *2 -2 = ( ) 10 = Преобразование из двоичной системы счисления в восьмеричную: = = Преобразование из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную: = = BD 16

2007Архитектура ЭВМ15 Преобразование из десятичной системы счисления в двоичную: 17,95 10 = 10001,11110… 2 Целая часть Дробная часть Двоичная арифметика Пример сложения и умножения

2007Архитектура ЭВМ16 Прямой,обратный и дополнительный коды Прямой код A-B=A+(-B) G – n-разрядное число; A – вес старшего разряда A = 2 n-1 для целых и A=1 для дробей G, при G>=0 A+|G|, при G<=0 G пр = Положительные числа Отрицательные числа = = = = = = Обратный код G – n-разрядное число; B – наибольшее число без знака B = 2 n -1 для целых и B=2-2 -(n-1) для дробей G, при G>=0 B-|G|, при G<=0 G обр = Положительные числа Отрицательные числа = = = = = =

2007Архитектура ЭВМ17 Дополнительный код G – n-разрядное число; С – наибольшее число без знака + 1 С = 2 n для целых и С=2 для дробей G, при G>=0 С-|G|, при G<0 G доп = Положительные числа Отрицательные числа = = = = = = Переполнение при сложении чисел в дополнительном коде определяется, если перенос в знаковый разряд не вызывает перенос из знакового разряда, и перенос из знакового разряда не вызван переносом в знаковый

2007Архитектура ЭВМ18 Числа в ЭВМ: Числа с фиксированной запятой (позиция разделителя дробной и целой части заранее определена) Числа с плавающей запятой (позиция разделителя определяется с помощью порядка числа) Числа с плавающей запятой: X = S P *q q – мантисса числа X; P – порядок числа S – основание характеристики (для двоичной системы S=2); S P - характеристика Пример: 0, * = 0,375 * = = * = * = 0.75* Сравнение числе с Ф.З и с П.З.: У Ч.П.З. Большой диапазон представления Арифметика над Ч.П.З. более сложная Для представления порядка используется смещенный код, в котором знаковый разряд инвертирован. Это позволяет легко сравнивать порядки чисел

2007Архитектура ЭВМ19 III. Логические основы цифровой вычислительной техники Любую ЭВМ можно рассматривать как сложное устройство, на вход которого подается входная информация в определенной последовательности. При этом на выходе должна формироваться ожидаемая выходная информация ЭВМ состоит из взаимодействующих устройств, задачей которых является преобразование входной информации в выходную. Такие устройства бывают двух типов: Комбинационные схемы Цифровые автоматы Комбинационные схемы y=f(x) Цифровые автоматы Цифровые автоматы представляют собой комбинационные схемы и устройства хранения (память). Работа цифровых автоматов происходит в соответствии с частотой поступления входного слова. Для того, чтобы сигналы поступали одновременно, срабатывание ЦА происходит по синхросигналу

2007Архитектура ЭВМ20 Для задания ЦА необходимо определить: Входной алфавит: множество значений x(t). Выходной алфавит: множество значений y(t). Алфавит состояний: Q. Начальное состояния Q 0. Функция переходов A(Q,x). Функция выходов B(Q, x). Цифровые автоматы Автомат Мили Q(t+1) = A(Q(t),x(t)). Y(t+1) = B(Q(t),x(t)). Автомат Мура Q(t+1) = A(Q(t),x(t)). Y(t+1) = B(Q(t)).

2007Архитектура ЭВМ21 Проектирование комбинационных схем Любую функцию можно образовать посредством базисных операций: Отрицания, дизъюнкции и конъюнкции. Проектирование комбинационных схем заключается в определении выходного слова в виде функции алгебры логики от входного слова Дизъюнктивной (конъюнктивной) нормальной формой называется равносильная ей формула, представляющая собой дизъюнкцию (конъюнкцию) элементарных конъюнкций (дизъюнкций). ДНФ и КНФ не являются самым простым способом задания ФАЛ. Для минимизации нормальных форм применяют карты Карно

2007Архитектура ЭВМ22 Логические функции

2007Архитектура ЭВМ23 IV. Основы электроники Чистый полупроводник Si (четырехвалентные) Примесный полупроводник Внедрение трехвалентной примеси (бор, алюминий, индий) p-тип Внедрение пятивалентной примеси (фосфор, мышьяк, сурьма) n-тип

2007Архитектура ЭВМ24 Контакт двух полупроводников На границе полупроводников различного типа проводимости происходит диффузия электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырок в обратном направлении. Концентрация свободных носителей в приграничной области сокращается вследствие рекомбинации. Возникает обедненный слой (переход), имеющий большое удельное сопротивление. Условное обозначение диода I пр I обр

2007Архитектура ЭВМ25 Прямое и обратное включение p-n перехода Обратное включение Прямое включение Схема двухполупериодного выпрямительного моста Вольт-амперная характеристика диода

2007Архитектура ЭВМ26 Емкость перехода С перехода = С бар + С диф Контакт металл-полупроводник Если работа выхода электрона у металла больше, чем у полупроводника (n-типа), то в граничной области полупроводника возникает выпрямляющий переход Диод Шотки

2007Архитектура ЭВМ27 Биполярный транзистор Электроны через открытый эмиттерный переход попадают в базу. Рекомбинация электронов в базе (1-5 % электронов) определяет ток базы. Под действием поля запертого перехода электроны переносятся в коллектор. Режимы работы биполярного транизистора: - Активный режим (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт). - Отсечка (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход закрыт). - Насыщение (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход открыт). - Инверсное включение (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход открыт). I б <<I э, I к =αI э +I к 0, I к 0 – обратный ток коллектора I к =I э -I б = αI э, α=0,95…0,98 – коэффициент передачи тока эмиттера

2007Архитектура ЭВМ28 Три схемы включения транзистора Схема с общей базой (ОБ) Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iэ, Uвх= Uэб Uкб=Eк- Uвых= Eк- IкRн Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Схема с общей базой малоприменима из-за K Iб

2007Архитектура ЭВМ29 Схема с общим эмиттером (ОЭ) Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iб, Uвх= Uэб Коэффициент передачи тока: β=10…100 Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Все коэффициенты больше, чем у схемы с общей базой

2007Архитектура ЭВМ30 Схема с общим коллектором (ОК) Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iэ, Uвх=Uвых+Uэб Iвх= Iб Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Схема с ОК используется для усиления по мощности

2007Архитектура ЭВМ31 Полевой транзистор При меньшении U зи (U зи >0) обедненный слой увеличивается. Это приводит к уменьшению тока I си Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом Полевой транзистор с изолированным затвором Канал может быть заранее изготовлен благодаря внедрению примеси (транзистор со встроенным каналом) или может образовываться при некотором U зи

2007Архитектура ЭВМ32 Условные обозначения различных типов полевых транзисторов

2007Архитектура ЭВМ33 V. Элементная база ЭВМ Представление информации физическими сигналами Потенциальный способ В качестве аналогов значений 0 и 1 используются два различных свойства сигнала: - значение напряжения или тока при потенциальном способе; - наличие или отсутствие импульса при импульсном. - фаза сигнала при фазовом способе; Сигнал переходит из одного состояния в другое с некоторым запаздыванием - задержкой. Импульсный способ

2007Архитектура ЭВМ34 Система логических элементов – функционально полный набор логических элементов, объединяемых общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами и использующих одинаковый способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей Системы логических элементов - Входная характеристика: зависимость входного тока I вх от входного напряжения U вх. - Передаточная характеристика: зависимость выходного напряжения U вых от входного U вх. - Выходная характеристика: зависимость выходного тока I вых от выходного напряжения U вых Статические характеристики цифровых интегральных схем

2007Архитектура ЭВМ35 - Напряжение логической единицы: U 1 - Напряжение логического нуля: U 0 - Пороговое напряжение: U пор - Входной ток логической единицы: I вх 1 - Входной ток логического нуля: I вх 0 - Выходной ток логической единицы: I вых 1 Статические параметры цифровых интегральных схем - Выходной ток логического нуля: I вых 0 - Логический перепад: dU л =U 1 -U 0 - Входное сопротивление: R вх - Выходное сопротивление: R вых - Мощность потребления в состоянии логического нуля: P п 0 - Мощность потребления логической единицы: P п 1 - Средняя мощность потребления: P п ср - Напряжение источника питания: U ип - Диапазон рабочей температуры: t min …t max - Коэффициент объединения по входу: K об - Коэффициент разветвления по выходу: K раз

2007Архитектура ЭВМ36 - Время перехода из «1» в «0» (t 1,0 ) и из «0» в «1» (t 0,1 ) - Время задержки включения t зд 1,0, t зд 0,1 - Время задержки распространения при включении/выключении t зд.р. 1,0, t зд.р. 0,1 - Длительность сигнала t и. - Рабочая частота переключения f п - Динамическая помехоустойчивость - Динамическая мощность Динамические параметры цифровых интегральных схем Динамические характеристики цифровых интегральных схем -Динамическая нагрузочная характеристика t зд.р. 1,0 =f(К раз ), t зд.р. 0,1 =f(К раз ) - Зависимость мощности потребления от частоты входного сигнала P п =f(f п ). - Амплитудно- временная характеристика U п =f(t п ), I п =f(t п )

2007Архитектура ЭВМ37 Базовые логические элементы Варианты подключения нагрузки к транзисторному ключу Транзисторный ключ на биполярном транзисторе Открытое состояние: U вх =U 1, транзистор в режиме насыщения, коллекторный переход открыт, U кэ ~0.3 В. Закрытое состояние: U вх =U 0, транзистор в режиме отсечки, ток через коллектор мал (I ко ), R кэ ~

2007Архитектура ЭВМ38 Анализ RC-цепей Постоянная времени =R*C Для схемы инвертора на биполярном транзисторе: Разряд Cп при открытом ключевом транзисторе ( р =С п R от =t 1,0 ). Заряд Сп через сопротивление Rк ( з =С п R к =t 0,1 ), t 1,0 < t 0,1 Логический элемент И-НЕ серии ДТЛ

2007Архитектура ЭВМ39 Логический элемент И-НЕ серии ТТЛ

2007Архитектура ЭВМ40 Базовый логический элемент серии КМДП При 0U вх <U порn T2 закрыт, а T1 открыт. Uвых=U1. При U порn <U вх =U 1 T2 открыт, а T1 закрыт. U вых =U 0. Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ

2007Архитектура ЭВМ41 Базовый логический элемент серии ЭСЛ Эмиттерно-связанная логика использует переключатели тока в активном режиме, а не в режиме насыщения. В связи с этим не требуется время на рассасывание основных носителей заряда, что ускоряет переключение

2007Архитектура ЭВМ42 Сравнение серий логических элементов КМОП ЭСЛ p-МОП n-МОП ТТЛШ ТТЛ Плотность размещения Помехо- устойчивость Разветвле- ние по выходу Рассеивае- мая мощность Быстро- действие Тип элемента 1 – хорошо, 6 - плохо

2007Архитектура ЭВМ43 VI. Основы микроэлектроники Процесс создания микросхем 1. Подготовка полупроводниковых пластин кремния: - Резка - Шлифовка - Полировка - Химическое травление 2. Формирование на пластинах структуры микросхем: - Формирование областей с требуемым типом проводимости и удельным сопротивлением - Создание проводников соединений - Создание резисторов и конденсаторов 3. Сборка и контроль - Первичный групповой контроль - Разрезание на микросхемы - Установка в корпуса, монтаж выводов и герметизация - Индивидуальный контроль микросхем

2007Архитектура ЭВМ44 Основные технологические процессы для создания полупроводниковых микросхем Термическая диффузия примесей: внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости Ионное легирование: внедрение примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей

2007Архитектура ЭВМ45 Эпитаксия: процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, продолжающую структуру пластины Термическое окисление: процесс, позволяющий получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния. Травление: процесс удаления поверхностного слоя не механическим, а химическим путем

2007Архитектура ЭВМ46 Нанесение тонких пленок: процесс создания проводников соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Металлизация: нанесение на кремниевую пластину сплошной металлической пленки Фотолитография: процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для легирования, травления, окисления, напыления и других операций.

2007Архитектура ЭВМ47 Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры

2007Архитектура ЭВМ48 Последовательность формирования КМДП структуры

2007Архитектура ЭВМ49 Изготовление печатных плат Основные операции для изготовления печатных плат: 1. Раскрой и шлифовка. 2. Получение защитного рельефа. 3. Травление меди с пробельных мест. 4. Получение отверстий. 5. Нанесение защитной маски. 6. Лужение. 7. Маркировка. 8. Контроль. Однослойные (односторонние) печатные платы Двухсторонние печатные платы Многослойные печатные платы