Реферат: Авторы программы: доцент Морозов В. Б., доцент Соломатин В. С., профессор Шувалов В. В

Физические основы построения ЭВМ


Авторы программы: доцент Морозов В. Б. , доцент Соломатин В.С.,

профессор Шувалов В.В.

Лектор 2010/11 уч. года: к. физ-мат. наук. доц: Касымова Ш.Т.

Аннотация

В курсе рассмотрены основы теории электропроводимости металлов и полупроводников, элементы физики полупроводников и на этой основе под­робно рассмотрены принципы работы всех основных узлов современных ЭВМ.

Содержание курса

Введение. Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводнико­вых (ПП) материалов в создании элементной базы современных ЭВМ. Пре­имущества СБИС перед дискретными компонентами. Технологическая база СБИС. Закон Мура. Степень интеграции элементов. Проблема воспроизводимости параметров элементов СБИС. Минимальный топологический раз­мер. Основные направления развития цифровых СБИС: кремниевые МОП структуры, кремниевые биполярные структуры, арсенид-галлиевые металл-полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники.

^ Основы теории электропроводимости металлов и полупроводников. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Разрешенные и запрещенные уровни энергии. Энергетические зоны и уровень Ферми. Прин­ципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изо­ляторы (диэлектрики). Модель электронного газа. Оценка числа уровней в единице объема проводника и полупроводника. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

^ Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках — диффузия и дрейф. Урав­нение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристи­ки. Барьерная и диффузионная емкости. ПП диоды. Контакт металл-полу­проводник. Диоды Шоттки. Быстродействие ПП диодов.

^ Биполярные и полевые транзисторы. Взаимодействие двух близкорасполо­женных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Схемы включения. Ключевой режим работы и быстродействие биполярных транзи­сторов. Полевые транзисторы. МОП (МДП) структуры с изолированными каналами и их быстродействие. Многоэмитерные транзисторы.

^ Элементная база современных ЭВМ, системный блок. Аналоговая и циф­ровая обработка информации. Физическое представление информации в ЭВМ. Двоичный код. Реализация элементарных логических функций. Клю­чевой режим работы коммутирующего элемента. «Высокое» и «низкое» со­стояния логических схем. Позитивная и негативная логики. Основные харак­теристики логических элементов. Потребляемая мощность, время задержки распространения, энергия переключения, напряжение питания, коэффици­ент разветвления по выходу. Понятие о помехоустойчивости логического эле­мента. Семейства логических схем и их совместимость. Перспективные на­правления развития логической схемотехники.

^ Системный блок ЭВМ. Обобщенная структура системного блока: микро­процессор (МП), память, шина. Архитектура и внутренняя магистраль МП. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжение пита­ния, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая часто­та, количество и разрядность регистров. Цикл МП и его фазы. Взаимодей­ствие МП и ОЗУ. Способы обмена информацией между МП и внешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Обмен данны­ми на магистрали МП. Мультиплексирование шин. Режимы работы ЭВМ: основной, прерывания, прямой доступ к памяти, ожидание. Мультипроцес­сорные конфигурации. Специализированные МП. Состояние и перспекти­вы развития МП техники.

^ Полупроводниковые запоминающие устройства. Триггер как элемент памя­ти. Ячейка памяти и ее адрес. Статическое оперативное запоминающее уст­ройство (СОЗУ). Структурная схема СОЗУ. Общая организация памяти. Ха­рактеристики памяти: стоимость, емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Энергозависимая и энергонезависимая память. Классификация ПП запоминающих устройств. Динамическое опера­тивное запоминающее устройство (ДОЗУ). Структура запоминающего эле­мента. Принцип действия и основные параметры. Характеристики и прин­ципы работы СБИС памяти динамического типа. Организация ДОЗУ. Мето­ды регенерации ДОЗУ. Контроль работоспособности ДОЗУ. Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы разви­тия СОЗУ и ДОЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Масочные ПЗУ (МПЗУ). ПЗУ, программируемые пользователем (ППЗУ). Стираемые перепрограммируемые ПЗУ (СППЗУ). Элементы на основе структур с пла­вающим затвором. Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспек­тивы совершенствования ПЗУ. Flash-память.

^ Интерфейсы ввода-вывода. Функции интерфейса ввода-вывода. Инфор­мационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство ти личного интерфейса. Функциональная и управляющая части интерфейса. Внутренние регистры интерфейса ввода-вывода. Ошибки интерфейса. Кон­троль паритета. Ошибки переполнения. Интерфейс последовательной связи. Дуплексная и полудуплексная связи. Асинхронная и синхронная связь. Стан­дарты связи. Интерфейс RS232. Скорость передачи информации и электри­ческие параметры. Модем. Амплитудная и частотная модуляция. Передача данных через телефонные линии связи. МП ввода-вывода. Контроллер пря­мого доступа к памяти: общая организация и структура.

^ Внешняя память в ЭВМ. Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнети-ки, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагне­тиков. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считы­вания информации на магнитных носителях. Типы магнитных носителей и магнитных головок. Предельная плотность записи и скорость доступа к за­писанной информации. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. Оптическая память. Предельная плотность записи информации в оптике. CD и DVD диски. Трехмерная оптическая память: фоторефрактивные и фото-хромные материалы.

^ Отображение информации в ЭВМ. Принципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ: термоэлектронная эмиссия, люминесценция. Формирование изображения в ЭЛТ, строчная и кадровая развертки. Структура и параметры видеосигнала. Отображение ин­формации о цвете. Плоские мониторы —жидкокристаллические (LCD) дис­плеи, плазменные (газоразрядные PDP) мониторы, дисплеи с излучающим полем (FED).

^ Связь ЭВМ с внешней средой. Ввод и вывод цифровой и аналоговой ин­формации. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Погрешности ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Погрешности АЦП. Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Ввод опти­ческого изображения в ЭВМ, приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-камера (CCD). Принципы отображения информации на твердом носителе — принтеры и плоттеры. Алфавитно-цифровые и графические принтеры. Мат­ричные, струйные, лазерные и светодиодные принтеры. Цветная печать.

^ Линии связи между ЭВМ. Методы кодирования информации: амплитуд­ная, фазовая и частотная модуляция. Виды распределенных линий для раз­ных диапазонов частот. Двухпроводная линия и радиоканал. Телеграфное уравнение. Скорость распространения сигналов в линии. Волновое сопротив­ление. Согласование линии с нагрузкой. Коаксиальный кабель и витая пара. Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Распространение света по оптическим волокнам. Оптические моды, дисперсия мод, критическая длина волны. Градиентные волокна, волокна со ступенчатым профилем по­казателя преломления. Оптические передатчики и приемники: свето- и фо­тодиоды, полупроводниковые лазеры. Предельная скорость передачи инфор­мации. Оптические солитоны.

^ Перспективы ЭВМ. Квантовые компьютеры. Реализация устойчивых одно и многоэлектронных состояний в различных системах. Когерентность состо­яний. Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты. Вычисления в классической и квантовой физике. Биты и кубиты. Квантовые алгоритмы. Области применения. Как построить квантовый компьютер: ионные ловуш­ки, ЯМР, поверхностные наноструктуры. Разрушение когерентности как ис­точник ошибок при квантовых вычислениях и их коррекция. Перспективы реализации квантовых компьютеров.

Литература

1.Каким будет компьютер 2010 года? (www.stolica.ru/techinfo/pc/pc2010/ index.htm).

2.Капцов Л.Н. Физика элементов ЭВМ. Уч. пособие. Изд. Моск. ун-та. 1983.

3.Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники. Уч. пособие. М.: Радио и связь. 1991.

4.Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М: Радио и связь. 1990.

5.Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. М.: Радио и связь. 1989.

6.Тутов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат. 1990.

7.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь. 1987.

8.Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир. 1982.

9.Полупроводниковые светоизлучающие структуры (ofap.ulstu.ru/res/ puevm/PAGE12. HTM).

10.Ю-Чжен Лю, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. М.: Ра­дио и связь. 1987.

11.Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. М.: Радио и связь. 1990.

12.Многообразие типов видеопамяти (www.ixbt.com/video/newvideomem.html).

13.Внешняя память (www.junior.ru/wwwexam/Pamiat2.htm).

Точка Кюри (www.ixbt.com/storage/curiepoint.html).

Хранение информации на жестких дисках (www.ixbt.com/storage/boot-manl.shtml).

16.Типы магнитных дисков, организация записи и считывания информации, интерфейсы, (http://www.spline.ru/referen.htm).

17.Магнитные носители: бесконечное хранение информации (www.ixbt.com/ storage/ storage-tech.shtml).

18.Технологии защиты от ударов и тряски в новейших жестких дисках (www.ixbt.com/ storage/hdd-shockprotect.html).

19.Технологии Zip: «за» и «против» (www.rusdoc.ru/material/liardware/zip.shtml).

20.Flash против всего мира (www.ixbt.com/storage/flash-alt.shtml).

21.Два направления создания памяти будущего (www.ixbt.com/mainboard/ halo-molec-mem.shtml).

22.OAW — технология будущего? (www.ixbt.com/storage/oaw_tech.html).

23.Оптические и магнитооптические диски (ofap.ulstu.ru/res/puevm/ PAGE3.HTM). DVD: диски, проигрыватели, рекордеры

24.DVD:диски, проигриватели, рекордеры (www.ixbt.com/storage/dvdinfo.html).

«Трехмерный» диск (www.ixbt.com/storage/fmd-tech.html).

Отображение информации в мониторах (http://hawks.ha.md.us/hardware/ monitors.html).

Мониторы (www.ixbt.com/video/monitor_guide.html).

Дисплеи (www.e-book.ru/technology/lcd.html).

Жидкокристаллические дисплеи. История, принципы работы, преиму­щества и недостатки (www.compuferra.ru/online/video/4934/).

Перспективные технологии дисплеев (www.compuferra.ru/online/video/4974/).

И все-таки он светится! (LEP дисплей, www.ixbt.com/video/lep.html).

Технология LDT (www.ixbt.com/multimedia/Idt.shtml).

Hendow S.T. New-bandwidth networks bring new monitoring requirments. Laser Focus World. 8, 171 (1998).

Современные способы компьютерной печати (www.ixbt.com/peripheral/ laser-prn.html).

Майоров В.П. и др. Рассуждения о телевизионных камерах (www.videoscan.ra/ rus/ magazin /n_2/_l.htm).

Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир (www.actor.ru/ -vpccd/ ccd/overview.htm).

FAQ по цифровому представлению звуковых сигналов (www.ixbt.com/ multimedia/ digaudiofaq.html).

Оптическая обработка информации (ofap.ulstu.ru/res/puevm/PAGE14.HTM).

Волоконно-оптические линии связи (ofap.ulstu.ru/res/puevm/ PAGE11.HTM).

Характеристики оптических кабелей (http://www.sonet.ru/catalogue/ index.html).

Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы (http:// www.it.ru/books/ books.html).




Vedral V, Plenio M.B. Basics of quantum computation. Progr. Quant. Electron. ' ~22, 1-40 (1998).

«Компьютерра» on line (www.computerra.ru/).

«PC Magazine» on line (www.zdnet.com/pcmag).

«PC Week» on line (http://www.pcweek.ru/Default.asp).

Журнал «Подводная лодка» on line (www.submarine.ru/).




Статьи, новости, справочный материал и т.д. (http://www.ixbt.com/ или http://ixbt.stack. net).

Издательство «Открытые системы»: статьи, новости, обзоры и т.д. (www.osp.ru).

Обзоры, статьи, новости, результаты тестов и т.д. (http://www.zdnet.ru).

«Энциклопедия персонального компьютера», «Кирилл и Мефодий» (www.km.ru/base/ Pc/index.asp).

Техническая энциклопедия (www.techweb.com/encyclopedia).

Якубайтис Э.А. Многоязычный словарь по информатике и бизнесу (www.icsti.su/ibd/ main.htm).

Англо-русский словарь основных терминов и сокращений по телекомму­никациям (www.asdc.kz/helpdesk/sebt/sebt 1 .html).