Тема 1 Цели и задачи курса. Введение

1. Цели и задачи курса

Цель курса "Микропроцессоры и микрокомпьютеры " – ознакомление с современным состоянием проблемы разработки микропроцессоров и построения на их основе персональных компьютеров структуры IBM; рассмотрение правил организации программ, работающих под управлением операционных систем Win32; изучение структуры и системы команд процессоров Pentium шестого поколения; разработка программ на машинно-ориентированном языке Assembler под управлением операционных систем Win32.

Задачи курса:

1. ознакомление с историей компьютерной техники вообще и микропроцессоров в частности;

2. рассмотрение технологии создания микропроцессоров и структурной схемы их построения;

3. ознакомление со структурой и внутренними командами микропроцессора Pentium шестого поколения (начиная с Pentium Pro);

4. рассмотрение базовой системы ввода/вывода процессоров шестого поколения;

5. изучение машинно-ориентированного языка Assembler для Win32;

6. создание полнофункциональных Win32-приложений на языке C, использующих вызовы функций, написанных на Assembler.

2. Введение в микропроцессоры и микрокомпьютеры

2.1. Основные сведения о микропроцессорах

Микропроцессор – это интегральная схема, смонтированная на небольшой кремниевой пластине. Современный процессор содержит миллионы транзисторов, связанных между собой сверхтонкими алюминиевыми соединительными каналами, обеспечивающими их взаимодействие при записи и обработке данных, позволяя микропроцессору выполнять множество полезных функций. Конкретные задачи микропроцессора определяются программным обеспечением.

На сегодняшний день микропроцессоры – самые сложные в производстве устройства. Для создания современных микропроцессоров требуются сотни производственных этапов, к чистоте каждого из которых предъявляются исключительно жесткие требования.

Микропроцессоры создаются на основе кремниевых подложек, которые предварительно вырезаются из слитка чистого кремния. Кремний является полупроводником – в разных условиях он может вести себя и как проводник электрического тока, и как изолятор.

Сначала на подложке под воздействием высокой температуры и кислорода формируется первый слой диоксида кремния. Этот процесс очень похож на возникновение ржавчины на железе, погруженном в воду. Разница заключается в том, что слой диоксида кремния формируется на подложке гораздо быстрее и не виден невооруженным глазом.

Затем подложка покрывается фотослоем. Фотослой под воздействием ультрафиолетового света становится растворимым. Ультрафиолетовое излучение отличается от видимого света меньшей длиной волны. Такое излучение обычно применяется для засвечивания определенного рисунка на верхнем слое кристалла – нанесение схемы на кристалл во многом подобно фотографическому процессу.

В процессе фотолитографии ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь маску (которая выполняет функцию шаблона), формирует на подложке рисунок схемы. Засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми. Для засветки каждого из слоев микропроцессора применяется своя маска.

Засвеченные участки фотослоя полностью удаляются с помощью растворителя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Диоксид кремния, не защищенный незасвеченной частью фотослоя, вытравливается химическими препаратами. После этого удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Чтобы отделить готовый слой от нового, на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносится слой поликристаллического кремния и еще один фотослой. Далее процесс повторяется для второго и следующих слоев.

С помощью процесса ионной имплантации, области кремниевой подложки, обработанные ультрафиолетом, бомбардируются ионами различных примесей. Ионы проникают в подложку, обеспечивая необходимую электрическую проводимость этих областей.

Наложение новых слоев с последующим вытравливанием схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются "окна".

Эти "окна" заполняются атомами металла. После процесса нанесения фотослоя, засветки и вытравливания на кристалле остаются металлические полоски – проводящие области.

Для нанесения проводящих слоев (шин) внутри процессора используются алюминий и медь. Для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото.

Таким образом, в современных процессорах устанавливаются связи между примерно 20 слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Точное количество слоев может меняться в зависимости от типа процессора.

Производственный цикл состоит из более чем 250 стадий. В результате, на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

После окончания цикла формирования процессоров все они тщательно тестируются. Затем из пластины–подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы.

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

В настоящее время лидерами рынка микропроцессоров являются несколько всемирно известных компаний, таких как Intel, AMD (Advanced Micro Devices), HP (Hewlett-Packard Company), Samsung, Sony и др.