Конструкция микропроцессоров

Микропроцессор является основным устройством персонального компьютера, определяющим его вычислительные возможности. Микропроцессоры, выпускаемые промышленностью, объединяют в группы, называемые «рядами» или «семействами». Принадлежность микропроцессора к тому или иному ряду определяется по нескольким параметрам, основным из которых является программная совместимость микропроцессоров одного ряда друг с другом. Говорят, что микропроцессоры программно совместимы, если программа, написанная для одного микропроцессора, полностью выполняется на другом.

Микропроцессоры постоянно развиваются и совершенствуются, усложняется их внутренняя структура, в составе микропроцессоров появляются дополнительные устройства, в свою очередь и система команд микропроцессоров дополняется новыми командами для полноценного использования всех возросших возможностей микросхем. В этом случае, конечно, невозможно требовать от устаревших микропроцессоров выполнения всех команд современных моделей, но вот современные модели, как правило, выполняют все команды прежних моделей плюс свои собственные. Это утверждение правомерно и для способов представления данных (операндов). Такое свойство называют совместимостью «снизу вверх».

· корпус – основной конструктивный элемент микросхемы, определяющий ее внешние параметры (габариты, расположение выводов и т.д.);

· кристалл кремния высокой степени очистки от примесей, составляющий основу любой современной микросхемы (кремниевая подложка);

· полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др. элементы), которые входят в состав устройств микропроцессора и создаются путем нанесения на кремниевую подложку примесей, изменяющих ее свойства;

· металлические проводники, соединяющие устройства микропроцессора друг с другом и с внешними выводами микросхемы;

· защитный слой, изолирующий кристалл микросхемы от внешней среды.

Корпус, в который «упаковывается» микропроцессор выбирается исходя из многих параметров. Основными параметрами, влияющими на выбор типа корпуса, являются:

· степень интеграции микросхемы, т.е. количество транзисторов, созданных на кристалле кремния в процессе производства микросхемы;

· количество выводов микросхемы, иначе называемых «ножками»;

· потребляемая мощность, т.е. количество энергии которую микросхема потребляет при функционировании и отдает во внешнюю среду в виде тепла;

· вариант исполнения – миниатюрное (для мобильных компьютеров) или полногабаритное (обычное).

Для микропроцессоров фирмы Intel различают следующие типы корпусов:

· DIP – Dual In-line Package, корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов по длинным сторонам корпуса;

· PGA – Pin Grid Array, керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

· PQFP – Plastic Quad Flat Pack, пластиковый корпус с выводами по сторонам квадрата;

· SPGA – Staggered PGA, корпус с шахматным расположением выводов;

· SQFP – Small Quad Flat Pack, миниатюрный корпус с выводами по сторонам квадрата;

· PPGA – Plastic Pin Grid Array, термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA;

· TCP – Таре Carrier Package, миниатюрный корпус с расположенными по периметру ленточными выводами;

· S.E.C.C. – Single Edge Connector Cartridge, картридж процессора Pentium II – печатная плата с краевым разъемом, на которой смонтированы кристаллы процессора, кэш-памяти, охлаждающий радиатор и вентилятор;

· S.E.P.P. – Single Edge Processor Package, картридж процессора Celeron без термопластины и крышки;

· FC-PGA – Flip Chip PGA, (перевернутый кристалл) кристалл микросхемы вмонтирован в корпус перевернутым на 180° [6].

Технология изготовления микропроцессора состоит из следующих основных этапов:

1) подготавливается пластинка кремния требуемой толщины из специально выращенного кристалла, которая не содержит посторонних примесей;

2) на кремниевую пластину с помощью специальных матриц в заранее рассчитанные места наносятся мельчайшие частицы вкраплений, создающие вместе с кремнием полупроводниковые элементы на поверхности пластины;

3) с помощью других матриц на полученные элементы наносятся тончайшие полоски металла, соединяющие отдельные элементы в устройства микропроцессора и создающие контактные площадки для соединения кристалла с выводами микросхемы. По окончании этого процесса на одной пластинке кремния формируется несколько кристаллов будущих микропроцессоров;

4) пластинка кремния разрезается на отдельные кристаллы;

5) кристалл встраивается в корпус микросхемы;

6) контактные площадки кристалла соединяются с внешними выводами корпуса микропроцессора;

7) кристалл микропроцессора закрывается герметичной защитной оболочкой для предохранения от окисления, механического повреждения и т.д.;

8) готовая микросхема проходит тестирование и, при успешном завершении этой процедуры, отправляется на продажу.

По конструктивному исполнению различают однокристальные и секционированные микропроцессоры. В однокристальных микропроцессорах все необходимые устройства реализованы в виде одной микросхемы. Секционированные микропроцессоры представляют собой некоторое подобие детского конструктора. Процессор с требуемыми параметрами (например, разрядность), в этом случае, собирается на монтажной плате из нескольких микросхем (секций), которые соединяются внешними проводниками. Микропроцессоры Intel относятся к классу однокристальных микропроцессоров.

Память компьютера.

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внутренняя память компьютера является временным рабочим пространством; в отличие от нее внешняя память, такая как файл на дискете, предназначена для долговременного хранения информации. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания.

Каждая ячейка памяти имеет адрес, который используется для ее нахождения. Адреса - это числа, начиная с нуля для первой ячейки, увеличивающиеся по направлению к последней ячейке памяти. Поскольку адреса - это те же числа, компьютер может использовать арифметические операции для вычисления адресов памяти.

Архитектура каждого компьютера накладывает собственные ограничения на величину адресов. Наибольший возможный адрес определяет объем адресного пространства компьютера или то, какой объем памяти он может использовать. Обычно компьютер использует память меньшего объема, чем допускается его возможностями адресации. Если архитектура компьютера предусматривает наибольшее адресное пространство, это накладывает суровые ограничения на возможности такого компьютера

DOS признает четыре различных типа памяти: обычная, верхняя, расширенная и дополнительная память. Первые три типа различаются только своим расположением на карте памяти ПЭВМ. Четвертый тип памяти - это дополнительная память, которая называется также LIM-EMS-памятью или просто EMS-памятью и лежит вне адресного пространства микропроцессора.

Карта памяти

Обычная память

Обычная память - это область объемом 640К, в которую загружаются DOS и прикладные программы. Она простирается от начала памяти до отметки 640К. Если на ПК установлено ОЗУ объемом менее 640К, обычная память располагается только до его верхней границы. Например, в компьютерах с памятью объемом 512К она простирается только от 0 до 512К. Узнать, какой объем обычной памяти имеет ваша система, можно, введя МЕМ в командной строке DOS. Этот объем будет изменяться в зависимости от того, как выглядят файлы AUTOEXEC.BAT и CONFIG.SYS. Важнейший шаг, который можно сделать, чтобы предоставить программам больше пространство, заключается во включении в AUTOEXEC.BAT и CONFIG.SYS команд, увеличивающих наибольший размер выполняемой программы, о котором сообщает МЕМ. Можно больше узнать об использовании обычной памяти с помощью ключа /P команды МЕМ. Блок окружения - область памяти, в которой хранятся строки, созданные командами SET, PATH и PROMPT. DOS обеспечивает блок окружения, содержащий копию этих строк для каждой загружаемой и выполняемой программы. Можно извлечь еще больше информации из этого листинга обычной памяти.

Расширенная память

Расширенная память - это память, которая лежит выше отметки 1М. Расширенная память в некоторой степени не так полезна, как обычная, потому что DOS просто не может ее использовать так же, как она использует обычную память. Расширенную память могут использовать драйверы, поставляемые с DOS 5 (RAMDrive и SMARTDrive) . Для работы с расширенной памятью эти программы либо переключаются на время в защитный режим, копируют данные в расширенную память или из нее и медленно переключаются обратно в обычный режим, либо полагаются на особенности микропроцессора, позволяющие им достигнуть расширенной памяти, оставаясь в обычном режиме. Некоторые прикладные программы также будут использовать расширенную память, и при ее преобразовании в дополнительную можно заставить программы, которые используют дополнительную память, а не расширенную память, все же косвенно ее использовать. В версии 5 большая часть самой DOS может быть загружена в расширенную память, освобождая дополнительный объем обычной память для прикладных программ.

DOS 5 поступает пользователю вместе со специальным драйвером устройства, называемым HIMEM.SYS, который призван управлять расширенной памятью. HIMEM.SIS управляет потоками данных для всей памяти объемом 640К, включая область верхней памяти.