Технологии изготовления микросхем микропроцессоров

Компьютерные технологии развиваются стремительными темпами, и микропроцессор стал основой всех современных микротехнологий. В основе работы любого современного устройства лежит высоко интегрированная интегральная микросхема (ИМС, ИС), объединившая в своем корпусе множество различных полупроводниковых элементов, таких как транзисторы. Основным материалом для производства микроэлементов стали полупроводники, чаще всего кремний. Он применяется в микросхемах в силу того, что его электрическая проводимость больше, чем у изоляторов, но меньше чем у металлов (проводников). Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей p- или n-типа.

Микропроцессор (CPU) - это ИМС, сформированная на маленьком кристалле кремния. Он содержит миллионы транзисторов, соединённых между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. Объединённые в цепи транзисторы и др. элементы, образуют функциональные группы различного назначения (питания, коммутации, логические). Впервые процессор на одиночном кристалле кремния был сконструирован фирмой Intel в 1969 году, который мог работать с 2 чипами для временного хранения информации и считывания стартовой программы, и состоял из 2250 транзисторов. Этот процессор изначально предназначался для программируемых калькуляторов, но т.к. он превзошел все ожидания, то его нарекли 4004, новым устройством в линейках Intel.

 

Задание №2

Решение примеров в машинных кодах

Цель работы: Знакомство с прямым, обратным и дополнительным кодами чисел. Научиться решать элементарные примеры в различных машинных кодах

 

Машинные коды

Общие сведения

 

Понятие кода

Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при код 0 означает знак + (плюс), код 1 означает знак – (минус). Для алгебраического представления чисел, то есть для представления чисел с учетом их знака, в вычислительных машинах используются специальные коды:

· прямой код числа;

· обратный код числа;

· дополнительный код числа.

При этом два последних кода позволяют заменить неудобную для компьютера операцию вычитания на операцию сложения с отрицательным числом.

Дополнительный код обеспечивает более быстрое выполнение операций, поэтому чаще всего применяется именно он.

Прямой код двоичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (нуль или единица) перед его старшим разрядом.

Пример 1.1.
А₁₀ = +10; А₂ = + 1010; [А₂]п = 0: 1010;
B₁₀ = -15; B₂ = -1111; [B₂]п = 1: 1111.

 

Обратный код двоичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а значащие разряды числа заменяются на инверсные, т.е. нули - единицами, а единицы - нулями.

Пример 1.2.
А₁₀ = +5; А₂ = +101; [А₂]п = [А₂]ок = 0: 101;
B₁₀ = -13; B₂ = -1101; [B₂]ок = 1: 0010.

Дополнительный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда.

Пример 1.3.
А₁₀ = +19; А₂ = +10011; [А₂]п = [А₂]ок = 0: 10011;
B₁₀ = -13; B₂ = -1101; [B₂]дк = [B₂]ок + 2⁰ = 1: 0010+1=1:0011.

 

Модифицированные обратные и дополнительные коды двоичных чисел отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоением значений знаковых разрядов. Знак "+" в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а знак "-" - двумя единичными разрядами.

Пример 1.4.
А₁₀ = 9; А₂ = +1001; [А₂]п = [А₂]ок = [А₂]дк =0: 1001;
[А₂]мок = [А₂]мдк = 00: 1001;
B₁₀ = -9; B₂ = -1001; [B₂]ок = 1: 0110; [B₂]дк = 1:0111;
[B₂]мок = 11: 0110; [B₂]мдк = 11: 0111.

 

Выполнение арифметических операций над числами представленными кодами

 

Прямой код

Если при сложении оба слагаемых имеют одинаковый знак, то операция сложения выполняется обычным путем. Если при сложении слагаемые имеют разные знаки, то сначала надо выявить большее по абсолютной величине число, произвести из него вычитание меньшнго по абсолютной величине числа и разности присвоить знак большего числа.

Выполнение операций умножения и деления в прямом коде выполняется обычным образом, но знак результата определяется по совпадению или несовпадению знаков участвующих в операции чисел.

Обратный код

Обратные коды следует складывать как обычные двоичные числа, поступая со знаковыми разрядами, как с обычными разрядами, а если возникает единица переноса из знакового разряда, ее следует прибавить к младшему разряду суммы кода. Это увеличивает время выполнения операций, поэтому чаще используются дополнительные коды.

Дополнительный код

При выполнении арифметических операций в компьютере обычно применяются не простые, а модифицированные коды. Модифициоованные коды получаются путем ввода двух знаков разрядов: положительными числам 00, отрицательным числам 11. Эти коды используются для определения переполнения разрядной сетки.

Сложение производится по обычным правилам сложения двоичных чисел: единица переноса, возникающая из старшего знакового разряда, просто отбрасывается.

Пример. (Запятая условно отделяет знаковый разряд от самого числа).

Х=-1101 У=1001

Х+У=11,0011+00,1001=11,1100

 

Х=1101 У=1001

Х+У=00,1101+00,1001=01,0110 (переполнение после сдвига вправо получим 00,10110 или +10110)

 

Х=1101 У=-1001

Х+У=00,1101+11,0111=100,0100 (или 00,0100)

 

Х=-1101 У=-1001

Х+У=11,0011+11,0111=110,1010 (переполнение после сдвига вправо получим 11,01010или -10110)

Умножение в дополнительных кодах осуществляется по обычным правилам умножения двоичных чисел. Единственной особенностью является то, что если сомножитель является отрицательным (знаковые разряды равны 11), то перед началом умножения следует ему приписать столько единиц, сколько зачащих разрядов присуствует у другого сомножителя справа от запятой. Результат выполнения всегда получаем в дополнительном коде.

 

Контрольные вопросы

1. Какие специальные коды используются в ЭВМ?

2. Правила перевода в прямой код, в обратный код, в дополнительный код

3. Каким образом выполняются арифметические действия в прямом коде?

4. Каким образом выполняются арифметические действия в обратном коде?

5. Каким образом выполняются арифметические действия в дополнительном коде?

6. Какие коды используются в компьютере при выполнение арифметических операций?

Контрольные задания

 

Задания № 1 по вариантам

(варианты выбираются по порядковому номеру в журнале)

 

Вариант 1

1. Поколения ЭВМ

2. Организация ввода-вывода данных

Вариант 2

1. Основные области применения ЭВМ различных классов

2. Организация прерываний в ЭВМ (характеристики систем прерывания, примеры систем прерываний)

Вариант 3

1. Структура базового микропроцессора

2. Интерфейсы внешние.

Вариант 4

1. Виды запоминающих устройств (ЗУ), их параметры

2. Обозначения микросхем на принципиальных и функциональных схемах.

Вариант 5

1. Статические БИС ЗУ с произвольным доступом, их структура, режимы работы.

2. Микросхемы МП (цоколевка).

Вариант 6

1. Шины ПК.

2. Мультипроцессоры и мультикомпьютеры, основные отличия.

Вариант 7

1. Системы счисления информации в ПК.

2. Последовательный и параллельный интерфейсы ввода-вывода

Вариант 8

1. Принцип записи информации на магнитные диски.

2. Конвейеризация обработки данных.

Вариант 9

1. Классическая архитектура ПК. Структурная схема ПК.

2. Топологии локальных сетей.

 

Вариант 10

1. Технологии повышения производительности процессоров

2. Организация оперативной памяти

Вариант 11

1. Представление числовой информации в ЭВМ

2. Сборка модулей памяти и их типы.

Вариант 12

1. Кэш-память прямого отображения

2. Классификация принтеров.

Вариант 13

1. Чем отличается интерпретаторы от компиляторов?

2. Классификация внутренней памяти ПК

Вариант 14

1. Классификация прерываний. Ловушки.

2. Виртуальная память ПК

Вариант 15

1. Принцип действия микропроцессора ПК (структурная схема элементарного микропроцессора)

2. Организация оперативной памяти ПК

Вариант 16

1. Режимы работы микропроцессора ПК.

2. Классификация программного обеспечения ПК.

Вариант 17

1. Типы ПЗУ (постоянных запоминающих устройств)

2. Тонкопленочная технология производства микросхем ПК

Вариант 18

1. Классификация АЛУ МП (арифметическо-логического устройства)

2. Классификация оперативной памяти ПК (ОЗУ)

Вариант 19

1. Ассоциативное запоминающее устройство ПК (АЗУ)

2. Контроллеры внешних устройств и их функции.

Вариант 20

1. Что такое ВIOS и ее назначение.

2. Основные классы регистров ПК

 

Вариант 21

1. Классификация процессоров по числу реализованных команд

2. Что такое стек и его назначение

Вариант 22

1. Что такое арбитраж шины?

2. Языки программирования низкого уровня (на примере Ассемблера)

Вариант 23

1. Конвейеризация команд. Сравнительный анализ классического выполнения команды и методом конвейера.

2. Работа процессов в защищенном режиме

Вариант 24

1. Типы форматов данных в ЭВМ..

2. Основные типы внешних интерфейсов ПК.

Вариант 25

1. Чипсет микропроцессора (конструкция и назначение компонентов0.

2. Кластеная архитектура вычислительных систем.

Вариант 26

1. Что такое CISC – процессоры и MISC – процессоры?

2. Флэш - накопители.

Вариант 27

1. Регистровая память микропроцессора (принципы построения и классификация).

2. Что такое RISC – процессоры?

Вариант 28

1. В чем заключается принцип адресности? Типы адресации.

2. Основные типы внутренних интерфейсов ПК.

Вариант 29

1. Опишите основной цикл процесса обработки команд.

2. Что такое Динамическое исполнение?

Вариант 30

1. Принципы записи/чтения магнитной памяти ПК.

2. Матричные и векторные процессоры (устройство, назначение и основные отличия)

Вариант 31

1. Технология Hyper –Threading (HT)

2. Основные принципы организации оптической памяти ПК.

Вариант 32

1. Классификация архитектур вычислительных систем (многомашинные и многопроцессорные).

2. Основные принципы построения многоядерных процессоров ПК.

 

Задания №2 по вариантам

Таблица 2
	В21	В22	В23	В24	В25	В26	В27	В28
А	7-5-2	6-3-9	4-2-3	2-5-9	11-9-2	10-9-8	6-11-2	5-3-7
В	12-15	11-7	6-10	7-13	4-7	11-15	3-9	12-4
	В29	В30	В31	В32
А	14-5-8	2-10-6	11-7-9	2-6-8
В	3-13	6-9	14-15	1-10

Таблица 1
	В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7	В8	В9	В10
А	8-4-6	-7+3-2	9-8-5	6-9+1	7-7+3	8-9+2	-8+5-7	6-5-7	5-4-9	-5+6
В	5-2	6-7	2-6	8-9	1-6	9-7	6-5	8-5	7-8	8-10
	В11	В12	В13	В14	В15	В16	В17	В18	В19	В20
А	7+3-9	9+3+2	4-8+5	7-3+6	-9+7-5	6+4+2	3-1+5	4+3-8	7-4+9	5-3-2
В	-3+11	-4+9	-5+3	-8-12	2-13	-3-7	-7-9	-6+5	-9+10	-6+4

 

Выполнить примеры А и В для заданного варианта из таблиц № 1-№ 2:

1. Переведите числа в двоичную систему счисления

2. Представьте данные числа в прямом, обратном и дополнительных кодах.

3. Найдите результат вычислений в модифицированных дополнительных кодах.

4. Результат представьте в двоичной и десятичной системах счисления.

5. Сверьте результат

 

 

 

 

Литература

 

1. Э.Таненбаум, Архитектура компьютера, «Питер», С-Пб., 2002

2. К.А. Нешумова, Электронные вычислительные машины и системы, «Высшая школа», М., 1989г.

3. Барри Уилкинсон, Основы проектирования цифровых схем, издат. Дом «Вильямс», М., 2004г

4. Н.В. Максимов, Архитектура ЭВМ и ВС, «ФОРУМ-ИНФРА-М», М., 2005 г.

5. Л.З. Шауцукова, Информатика, «Просвещение» М., 2003г.