第二章微电子与计算机技术

第二章

微电子和计算机技术

2023/1/111第二章微电子与计算机技术引言

微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。计算机的面貌也日新月异，它的用途越来越广，功能越来越全，效率也越来越高。计算机已广泛应用于人类社会的各个领域。大规模应用计算机的浪潮，席卷了工业、科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。为此应该了解、学习这两个科学技术领域的一些基本概念和基本知识。2023/1/112第二章微电子与计算机技术本章概要

电子管、晶体管及集成电路的最基本的原理、变迁和发展计算机工作基本原理、电子计算机的组成流水线和平行处理的基本概念，存储管理，以及总线、外设和接口等计算机的软件系统的有关概念论述计算机的分类及发展趋势2023/1/113第二章微电子与计算机技术2.1微电子技术

微电子技术的开始从电子管到晶体管到集成电路集成电路的设计和制作集成电路用于电路设计应用和展望2023/1/114第二章微电子与计算机技术2.1.1从电子管到晶体管到集成电路电子管晶体管厚膜电路集成电路2023/1/115第二章微电子与计算机技术2.1.1从电子管到晶体管到集成电路

1．电子管电子管又称“真空管”（VacuumTube）电子管拥有三个最基本的极阴极(Cathode,K)：释放出电子流屏极(Plate，P)

：吸引和收集阴极发射的电子栅极(Gird,G)：控制电子流的流量电子管的放大作用直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料钨丝钍钨合金氧化硷土2023/1/116第二章微电子与计算机技术2023/1/117第二章微电子与计算机技术2.1.1从电子管到晶体管到集成电路

2．晶体管半导体是制造晶体管的基本材料本征半导体、自由电子和空穴共价电子与N型半导体、P型半导体p-n结二极管和三极管极其工作原理2023/1/118第二章微电子与计算机技术2.1.1从电子管到晶体管到集成电路

3．集成电路“集成电路”(IntegratedCircuit，IC)

把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上集成度发展神速

1962：几个、1965：近100个（IC）

1967：100~1000个（中规模IC）

1967-1973：1000—10000个（LSIC）

1978：达10万~100万个单元（VLSIC）

目前集成度已突破千万单元2023/1/119第二章微电子与计算机技术2023/1/1110第二章微电子与计算机技术微电子工业的几个热点半导体工艺已经达到0.18微米及更小HardwareDescriptionLanguage(HDL)VeryHighspeedintegratedcircuitDescriptionLanguage(VHDL)印刷电路板的自动设计——ORCAD数字信号处理机——DSP2023/1/1111第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作

1．传统的设计和制造方法设计和绘制电子线路图集成电路的线路图转绘成芯片布局图分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图数字化成“掩膜（Mask）”图纸在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装2023/1/1112第二章微电子与计算机技术2023/1/1113第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作

2．使用硬件设计语言硬件描述语言

HardwareDiscriptionLanguage，HDL可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，更有效的表示电路的特性源程序便于保存、便于修改和阅读方便能全自动生产、避免大量的差错代表：美国国防部的VHDL（VHSICHDL）

VerilogHDL日本电子工业振兴协会的UDL/I2023/1/1114第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作

2．使用硬件设计语言TOPDOWN设计方法(三层描述)：行为描述寄存器传输方式描述逻辑综合描述HDL语言设计硬件的主要优点系统硬件描述能力强设计技术齐全、方法灵活、支持广泛HDL语言可以与工艺无关编程HDL语言标准、规范、易于共享和复用2023/1/1115第二章微电子与计算机技术网站2023/1/1116第二章微电子与计算机技术网站2023/1/1117第二章微电子与计算机技术向微米工艺的极限挑战目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。2023/1/1118第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计

为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮助制造专用的集成电路外，一般还可以利用集成电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设计。主要有：可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件ProgrammableLogicController，PLC或

ProgrammableLogicDevice，PLD用于设计用户专用集成电路芯片数字信号处理器DigitalSignalProcessor,DSP用于多种信号处理2023/1/1119第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计

1．可编程逻辑控制器功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC/PLD芯片中(烧结芯片)，成为用户专用芯片。分类复杂可编程逻辑器件

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）场可编程门阵列（含有RAM）

FPGA（FieldProgrammableGateArray）

与标准的逻辑器件相比其主要优点:规模大、体积小–加密性能好可实现在线编程–有利于电子设计自动化(EDA)2023/1/1120第二章微电子与计算机技术AROMasAND/ORLogicDevice2023/1/1121第二章微电子与计算机技术PLDSummary2023/1/1122第二章微电子与计算机技术PLAExample2023/1/1123第二章微电子与计算机技术PALExample2023/1/1124第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计

2．数字信号处理器功能：DSP是一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视频和音频数字化信息。DSP的发展过程应用领域：

通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等与标准的逻辑器件相比其主要优点:

接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、重复性好、集成方便2023/1/1125第二章微电子与计算机技术2023/1/1126第二章微电子与计算机技术2.1.4应用和展望

1．微电子技术的应用微电子技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术和计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展传统工业的行业改造和技术更新使商业领域的传统账册产生了根本的变化与其他技术的结合和渗透发展成新的技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术深刻地、广泛地影响着人们的生活2023/1/1127第二章微电子与计算机技术2.1.4应用和展望

2．微电子技术展望电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快摩尔定律：集成度每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降人的头发100微米

Intel803861.20微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺100MHzIntelPentium0.60微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺500MHzIntelPIII0.25微米工艺800MHz最近已经达到0.13微米2GMHz目前集成电路制造商进军≤0.1微米工艺

2023/1/1128第二章微电子与计算机技术2.2计算机基本结构和原理

了解计算机基本工作原理、基本结构及其发展的趋势，将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。计算机系统的基本组成：硬件和软件硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等软件组成：程序、文件以及有关的文档资料2023/1/1129第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理

1．基本组成组成：存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中央处理器（CPU）早期的以控制器、运算器为机器的中心快速中央处理在等待慢速的外围设备控制器的负担过重现计算机改成以主存储器为中心系统的输入／输出与CPU的运算并行多种输入和输出并行2023/1/1130第二章微电子与计算机技术2023/1/1131第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理

2．二进制编码计算机内部采用二进制编码原因：二值器件（如开/关）物理上容易实现

“是”和“否”二种状态的判断最为简单和稳定

常用数制进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16数符0,l0,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F权2i8i10i16i形式表示BODH2023/1/1132第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理

3．程序和数据的存储程序存储和程序控制存储器基本存储单元地址、地址总线和寻址能力计算机存储器极其作用高速缓存主存(内存）辅存(外存)2023/1/1133第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理

4．指令系统指令用来指挥硬件动作的命令指令组成操作码：指示要进行什么操作操作数：指定操作对象，0-3个寻址方式立即数直接地址间接地址变址指令集2023/1/1134第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理

5．指令执行由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕程序计数器（PC）指令执行步骤：取指令指令译码执行指令存操作结果指令周期CPUD的时钟频率指令译码取指令执行指令存操作结果一般情况下，每完成一条指令，指令计数器加一图2-2-4指令的执行2023/1/1135第二章微电子与计算机技术2.2.2流水线和平行处理

并行计算是为提高计算机的运行速度而始终不变的基本思想之一。并行计算的基本途径：流水线并行方式：时间上实现并行处理多处理机并行方式：空间上实现并行处理2023/1/1136第二章微电子与计算机技术

2.2.2流水线和平行处理

1．流水线流水线特征

过程被分成时间相等或成倍比的若干工序，分别固定在顺序排列工位进行流水线目的

提高效率计算机流水线

执行四个步骤的四个执行部件同时执行不同指令的相应处理，理想情况下，速度可提高四倍（参见图2-2-7）2023/1/1137第二章微电子与计算机技术2023/1/1138第二章微电子与计算机技术

2.2.2流水线和平行处理

2．流水线中的技术问题计算机流水线比工业生产流水线复杂计算机流水线的问题与处理指令多样：多流水线每条指令的步骤数不同：按最多步骤、延迟技术各个步骤花费时间不同：化时长的分解成小步骤指令间的数据相关性：避免发生、相关性预测指令会发生跳转：取消、重取指令 2023/1/1139第二章微电子与计算机技术

2.2.2流水线和平行处理

3．并行处理并行处理的概念和实例并行处理的关键问题分解各个部分能相互交换信息达到“协同”工作较高的性能价格比并行处理 实施方案多处理机系统 –多计算机系统阵列计算机系统 –脉动阵列计算机系统等实例曙光公司生产的天演系列和天潮系列计算机系统2023/1/1140第二章微电子与计算机技术484749492023/1/1141第二章微电子与计算机技术2023/1/1142第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理

1．存储器器件的变革2．现代存储技术3．存贮器的层次结构4．多级高速缓存5．虚拟存储技术2023/1/1143第二章微电子与计算机技术

1．存储器器件的变革(1)存储器器件的基本要求能表示两个状态（电路、磁性体、光器件）能保持状态的稳定（磁性体最佳）在控制条件下可以实现状态转换存储器器件变革电子器件40年代，速度快，容量小，不能停电磁芯存储器50年代半导体存储器60年代、速度快、体积小、耗电省2023/1/1144第二章微电子与计算机技术2023/1/1145第二章微电子与计算机技术1．存储器器件的变革(2)目前常用内存半导体存储器类型DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小SRAM：集成度低、成本高、功耗较大不同模式的DRAM快速页模式（FPM，FastPageMode）扩充数据输出（EDO，ExtendedDataOut）错误校验与纠正（ECC，ErrorCheckingandCorrecting）BEDO（BurstEDO）同步动态RAM（SDRAM，SynchronousDynamicRAM）RDRAM（RambusDRAM）和DDRRAM（DoubleDateRateRAM）2023/1/1146第二章微电子与计算机技术2023/1/1147第二章微电子与计算机技术2．现代存储技术移动存储设备闪存卡：CompactFlash(CF)卡SmartMedia(SM)卡MultiMediaCard(MMC)索尼公司的MemoryStick(MS)ScanDisk(SD)等

2023/1/1148第二章微电子与计算机技术2．现代存储技术移动存储设备磁光技术移动存储产品：磁阻技术的ORB结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的MO体积小巧的Click!IBM的Microdrive使用了DVD技术的Dataplay2023/1/1149第二章微电子与计算机技术2．现代存储技术移动存储设备

闪盘：深圳朗科公司开发的优盘(OnlyDisk)华旗资讯的爱国者迷你王(MiniKing)等

2023/1/1150第二章微电子与计算机技术3．存贮器的层次结构计算机系统对存储器的要求：容量、速度计算机内存储器的层次结构形式：CacheMemorydisk

2023/1/1151第二章微电子与计算机技术4．多级高速缓存

目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾多级高速缓存第一级Cache：在CPU的芯片内外部连线用内部连线替代提高对Cache的存取速度，容量小第二级Cache：在片外，安装在主板上，容量为256K字节或512K字节Cache的“命中率”的问题各级缓存和内存间内容保持一致的问题同步更新内存内容滞后更新内容的方法2023/1/1152第二章微电子与计算机技术5．虚拟存储技术

目的：扩大内存容量方法：暂时不用的内存数据存入外存

—虚拟内存需要时从外存调入内存运行得失：增加内存容量、降低运行速度2023/1/1153第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口

1．总线和多重总线2．外部设备3．主机板上的ISA到PCI总线4．硬盘接口类型及选择5．从RS232C到USB2023/1/1154第二章微电子与计算机技术1．总线和多重总线

总线频繁的数据信息交换的公共通道类型：数据总线、地址总线、控制总线总线的管理：申请、等待、判定、交用独立双重总线（DualIndependentBus）PentiumII芯片中实现前端总线：微处理器和主存间的信息交换后端总线：微处理器和高速缓存间信息交换2023/1/1155第二章微电子与计算机技术2．外部设备(1)外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机输入设备：键盘和鼠标输出设备：显示器和打印机其他设备：

绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、

数码照相机、声卡、音响等等2023/1/1156第二章微电子与计算机技术2．外部设备(2)接连接存储设备(DirectAccessStorage，DAS)

硬盘：目标高速、大容量，已达单碟40GB100GB常用接口标准：

EIDE（EnhancedIntegratedDriveElectric）接口

SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口光盘：CD-ROM、CD-R（WORM）、CD-RW（E-R/W）DVD常用接口标准：IDE2023/1/1157第二章微电子与计算机技术2．外部设备(3)移动存储设备软盘：3.5英寸/1.44MB5.5英寸/1.2MBZIP盘/100MBSuperDisk(LSl20)2023/1/1158第二章微电子与计算机技术2．外部设备(4)显示器、显示卡、键盘和鼠标显示器参数：尺寸、分辨率、材料类型显示卡总线类型：ISA、EISA、VISA和PCI显卡二维、三维加速显示卡显示内存的型号（DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM）和容量键盘：101/102键、Windows、无线键盘鼠标：机械的、光电的、无线遥控2023/1/1159第二章微电子与计算机技术2．外部设备(5)打印机和扫描仪打印机：点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机性能指标：打印分辨率dps、打印速度ppm扫描仪性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数、

扫描幅面、扫描速度手持式扫描仪2023/1/1160第二章微电子与计算机技术2．外部设备(6)其他设备声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号处理器（DSP）、波表（WaveTable）合成、Internet连接的功能调制解调器：电话线上网技术指标：速率、差错控制标准、数据压缩标准、传真（FAX）功能、兼容性网卡2023/1/1161第二章微电子与计算机技术3．主机板上的ISA到PCI总线PC(PC/XT)总线：8位扩展总线PC/AT总线：16位扩展总线ISA总线：16位扩展总线MCA总线：IBM、32位、强化仲裁EISA总线：VL-Bus总线:和微处理器直连、同速、显示↑PCI总线:不直连（PC桥）VL-Bus2.0总线：64位、更高传输速率、ISA兼容PCMCIA总线：小、薄、轻环境下的总线系统2023/1/1162第二章微电子与计算机技术4．硬盘接口类型及选择最早的是ST-506和ESDI

IDE(IntelligentDeviceElectronics,智能设备电子接口)控制部分设置到硬件驱动器中最多支持两个硬盘，每个硬盘的容量最大为528MB它的传输速率达到15MB/sEIDE（EnhancedIntelligentDeviceElectronics）支持四台存储设备，存储容量突破528MB限制传输速率可达到12MB/s一18MB/s，传送带宽32位

SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口是一种系统级接口，可以连接各种不同的设备一个SCSI接口可支持多台设备2023/1/1163第二章微电子与计算机技术5．从RS232C到USB

RS232C：通用的串行端口USB：通用串行总线（UniversalSerialBus）由Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范使所有的低速设备都可以连接到统一接口上支持功能传递，可以相互连接成串USB接口本身就提供动力来源具有即插即用功能以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设最大数据传输速率为12MbpsUSB2.0的数据传输速率可达到480MbpsIEEE1394：另一个用于高速传输数据的串行接口标准数据传输速率可达到400Mbps。2023/1/1164第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类

按器件分：电子管；晶体管；集成电路；大规模、超大规模集成电路计算机等按大小分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机按用途分：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。按数据类型分：定点机、浮点机、向量机、堆栈机按处理机个数和种类分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线处理机。按指令的复杂程度分：复杂指令集计算机和简单指令集计算机2023/1/1165第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类

按并行度分类：比较流行和合理的分类指令流和数据流单指令流单数据流计算机（SISD）单指令流多数据流计算机（SIMD）多指令流单数据流计算机（MISD）多指令流多数据流计算机（MIMD）2023/1/1166第二章微电子与计算机技术2023/1/1167第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类

按指令的复杂程度把计算机划分复杂指令集计算机CISC（ComplexInstructionSetComputing）简单指令集计算机RISC（ReducedInstructionsetComputing）2023/1/1168第二章微电子与计算机技术2.3计算机系统及应用计算机系统组成：计算机硬件和计算机软件计算机软件分两大类：系统软件和应用软件系统软件：为运行计算机而必须的最基本的软件功能：管理各种资源，人机交互，高级语言的解释、编译、基本的系统维护调试等应用软件为完成某种具体的应用性任务而编制的软件2023/1/1169第二章微电子与计算机技术2.3计算机系统及应用裸机操作系统编译、汇编、支撑应用程序图2-3-1计算机系统的层次结构2023/1/1170第二章微电子与计算机技术2.3.1操作系统不同类型的计算机操作系统也往往不同Apple的NewiMac计算机：MacOSXIBMRS/600044PModel170：AIXVersion4.360年代初出现的监控程序是操作系统的前身1964年IBM公司推出IBMOS/360

AT&T公司从60年代末到70年代初研制了UNIX操作系统，是操作系统发展史上的重大事件。单用户、单任务→向单用户、多任务→多用户、多任务在计算机内部操作系统的管理下，各个工作都被设置成一个个相对独立的程序，也称为“进程”（Process）2023/1/1171第二章微电子与计算机技术2.3.1操作系统

1．操作系统的基本功能

一、管理、调度计算机系统的资源处理器管理–存储器管理输入输出设备管理–信息管理二、提供友好的界面和良好的服务操作系统是用户与计算机的接口提供软件开发的各个阶段所需的工具软件提供庞大的可调用的程序库提供重用技术以方便用户调用这些软件模块2023/1/1172第二章微电子与计算机技术2.3.1操作系统

2．多道程序设计技术的基本特性

在计算机的主存中存放多道用户和任务为目标的进程，他们同时处于运行状态并共享系统的资源。原由：CPU同常用的输入输出设备（如打印机、磁盘等）之间速度的差距太大

目的：提高CPU的利用率，充分发挥并行性途径：直接控制输入输出工作转交给“通道”并行性：并行运行、协调关系、避免干扰共享性：允许共享所有系统资源2023/1/1173第二章微电子与计算机技术2.3.1操作系统

3．操作系统的类型按硬件大小：大型机操作系统、小型机操作系统和微型机操作系统按用户数：单用户操作系统和多用户操作系统按任务：单任务操作系统和多任务操作系统按使用和技术相结合的角度：批处理操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统2023/1/1174第二章微电子与计算机技术2.3.2计算机语言和工具类软件和操作系统一起用于开发应用软件的计算机语言的编译或解释程序连接程序、查错程序等和操作系统一起参与管理计算机系统的软件

计算机系统的管理软件，也称为“支撑软件系统管理工具网络管理工具各种驱动程序和软件开发工具等2023/1/1175第二章微电子与计算机技术2.3.2计算机语言和工具类软件

1．计算机语言

计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言高级语言解释方式：编译和解释程序设计的方法“面向过程”（Process-Oriented）：流程“面向结构”（Structure-Oriented）：模块/实体

FORTRAM、Pascal、COBOL、C“面向对象”（Object-Oriented）：对象、实体/事件

VisualBasic、Java、C++选用高级语言2023/1/1176第二章微电子与计算机技术2.3.2计算机语言和工具类软件

2．工具软件

实用工具是系统软件的一个组成部分，用来帮助用户更好地控制、管理和使用计算机的各种资源。开发工具：用于开发程序系统工具软件：帮助管理系统网络工具软