第二章微電子和計算機技術(shù)

第二章微電子和計算機技術(shù)1本章重點：知道微電子技術(shù)及其發(fā)展理解計算機基本工作原理掌握微型計算機硬件與軟件知識了解計算機的分類和發(fā)展22.1微電子技術(shù)

晶體管的發(fā)明，并被廣泛應(yīng)用到電子技術(shù)領(lǐng)域替代電子管，開創(chuàng)了微電子技術(shù)。微電子技術(shù)經(jīng)歷了晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展過程。1947年發(fā)明晶體管32.1.1電子管-晶體管-集成電路1電子管“陰極”：加電后會發(fā)射電子；“屏極”：吸收電子；“柵極”：位于陰極和屏極之間，控制電子流變化，使屏極起到電流放大作用。電子管特點：工作狀態(tài)穩(wěn)定，壽命長，但體積大、耗電多，玻璃管易碎。

在玻璃管內(nèi)放置電極，管內(nèi)抽成真空，有利于電子運動。其內(nèi)有三個電極：1904年發(fā)明電子管42晶體管

晶體管主要有晶體二極管和晶體三極管兩種。由半導(dǎo)體材料組成，在半導(dǎo)體材料中摻入少量其他元素，引起晶格中原子排列發(fā)生變化，若釋放多余電子，稱“n型半導(dǎo)體”，若缺少電子構(gòu)成空穴，稱“p型半導(dǎo)體”。自由電子和空穴都能導(dǎo)電，自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷。5晶體二極管由一個p型半導(dǎo)體和一個n型半導(dǎo)體緊密合成，形成p-n結(jié)，具有內(nèi)部電場，沒有電壓時處于電平衡狀態(tài)；外加電場后，使電流隨外加電壓而變化。

6晶體三極管由兩個p-n結(jié)組成，形成三個電極：集電極相當于電子管的屏極；基極相當于電子管的柵極；發(fā)射極相當于電子管的陰極，通過控制基極端的電流，實現(xiàn)集電極端電流的放大。

73集成電路（IC）將若干晶體管、電阻、電容等器件集中制造在一小塊半導(dǎo)體芯片上，用金屬線連接引腳，再燒結(jié)封裝。早期的集成電路內(nèi)含幾百到幾千個晶體管。

1958年發(fā)明集成電路8超大規(guī)模集成電路（VLSI）1975年摩爾提出關(guān)于集成電路集成度發(fā)展的“摩爾定律”，即：集成度每18個月翻一番，而價格保持不變甚至下降。

從Intel386芯片開始，每塊芯片包含了幾十萬個晶體管，現(xiàn)在的“P4”芯片已集成了4200萬個晶體管，制作工藝已達到0.09微米級的光刻精度，這只是300個原子的寬度。目前正在挑戰(zhàn)0.05微米級的光刻精度。92.1.2集成電路的設(shè)計與制作設(shè)計與制造過程-繪制線路圖-數(shù)字化，變成矩形圖案（“掩膜”圖紙）-鍍膜-光刻-燒結(jié)-酸洗1傳統(tǒng)的制造過程：2硬件描述語言(HDL)102.1.4微電子技術(shù)的發(fā)展前景

作為微電子技術(shù)的核心—集成電路，其集成度也越來越高，目前的集成度已達到4200萬個晶體管以上，達到0.09微米以下的光刻精度；不久，集成上億個晶體管，光刻技術(shù)達到幾個原子的寬度的芯片也將面世。微電子技術(shù)的應(yīng)用已滲透到現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域，成為衡量一個國家綜合國力的主要標志，人類的一切社會活動都離不開微電子技術(shù)。11計算機系統(tǒng)由兩部分組成：硬件和軟件軟件：程序、文件、資料硬件：中央處理單元、輸入輸出設(shè)備、存儲器2.2計算機的基本結(jié)構(gòu)和原理121“馮·諾依曼”計算機硬件的基本組成：

運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備

采用二進制編碼進行數(shù)據(jù)和程序的儲存(1)運算器：完成各類運算功能。(2)控制器：計算機的一切操作、所有部件之間的聯(lián)系都受控制器的控制。2.2.1計算機的工作原理微型機中，把運算器和控制器制做在同一個芯片里，稱“中央處理器”，又叫“CPU”。

13(3)存儲器分主存和輔存輔存也叫外存，軟盤、硬盤和光盤是常用的外存。外存上的信息必須先將調(diào)人內(nèi)存后CPU方可使用，信息處理完畢，必須將內(nèi)存信息存放到外存，因為關(guān)機后，內(nèi)存中的信息會丟失。主存又稱內(nèi)存，基本存儲單元是字節(jié)(8位)。每個存儲單元有一個序號，稱為“地址”。存儲單元里的內(nèi)容是由0和1組成的二進制數(shù)，被定義成程序或數(shù)據(jù)。計算機輸人/輸出的數(shù)據(jù)都先經(jīng)過內(nèi)存，計算結(jié)果也先存放在內(nèi)存中。速度較快、失電后內(nèi)容消失、隨機存儲14(4)輸入設(shè)備常見輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標、掃描儀和攝像頭等。數(shù)碼相機、攝像機和調(diào)制解調(diào)器等具有輸人輸出的雙重功能。(5)輸出設(shè)備常見輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀和音響等。15附：計算機結(jié)構(gòu)說明系統(tǒng)總線（BUS），包括控制總線（controlbus）地址總線（addressbus）數(shù)據(jù)總線（databus）CPU通過總線控制邏輯驅(qū)動總線上的各項設(shè)備，傳送數(shù)據(jù)。內(nèi)存儲器在CPU的控制下，經(jīng)總線控制器跟CPU或跟I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。內(nèi)存也可經(jīng)DMA（直接內(nèi)存存?。┛偩€而不必通過CPU，直接與高速的I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

CPU中的運算器和控制器通過內(nèi)部總線傳送信息。16復(fù)習一微電子技術(shù)電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路計算機基本原理結(jié)構(gòu)存儲器集成電路的制作172數(shù)制及其編碼

數(shù)制轉(zhuǎn)換：四位二進制數(shù)組成一位十六進制數(shù)。三位二進制數(shù)組成一位八進制數(shù)。二進制、八進制、十六進制數(shù)之間直接轉(zhuǎn)換。D10ir=100,1,…9逢十進一十進制HOB數(shù)制表示16i8i2i權(quán)r=16r=8r=2基數(shù)0,1,…9,A,B…F0,1,…70,1基本符號逢十六進一逢八進一逢二進一規(guī)則十六進制八進制二進制進位制十進制不能直接轉(zhuǎn)成二進制數(shù)，須通過一定的換算。任一數(shù)制都有三個要素：數(shù)符（數(shù)碼）、基數(shù)和權(quán)值。18ASCII字符編碼

ASCⅡ（Americanstandardcodeforinformationinterchange）字符為美國標準信息交換碼，1967年被定為國際標準。共有128個，其中94個字符，34個控制字符。每個ASCⅡ字符用一個字節(jié)的低7位編碼(0～7FH)，高位為０，稱為ASCⅡ代碼。19附：漢字及其編碼避免與ASCII碼沖突，第7位置1，用兩個字節(jié)表示一個漢字。14位可表示2的14次方(16384)個漢字。漢字的國標碼我國最早最常用的漢字編碼是在ASCⅡ碼的基礎(chǔ)上，擴大編碼的數(shù)量而形成的國標碼(BG2312-80)。包括6763個常用漢字和682個其他字符，漢字又分成二級，第一級為常用漢字3755個，以漢語拼音為序；第二級為較常用漢字3008個，以偏旁部首為序。203計算機指令(指令系統(tǒng))例1：JMPM1操作碼(跳轉(zhuǎn))操作數(shù)例2：ADDR1R2操作碼(加法)操作數(shù)1操作數(shù)2注：1每種CPU的指令系統(tǒng)(集)是固定的(幾十種到幾百種指令)。2每條指令的操作數(shù)可以是0，1，2，3個。3操作數(shù)是操作對象(數(shù)或地址)。計算機指令由“操作碼”與“操作數(shù)”組成，操作碼表示要執(zhí)行的動作，操作數(shù)指示操作對象。214指令的執(zhí)行每執(zhí)行一條指令，一般經(jīng)歷四個驟步(一個指令周期)：

1取指2譯碼3執(zhí)行4存放結(jié)果注：1指令根據(jù)程序計數(shù)器取。2通常，每執(zhí)行一條指令，程序計數(shù)器自動加1。22復(fù)習二計算機的基本處理單位和字內(nèi)存地址數(shù)制ASCII碼及漢字指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行232.2.2流水線和并行處理技術(shù)1流水線技術(shù)計算機執(zhí)行一條指令涉及取指、譯碼、執(zhí)行和存結(jié)果等幾個階段，在某階段只有一個部件工作，其余空閑。流水線技術(shù)，使每個部件都在執(zhí)行各自的任務(wù)，以至每個指令周期都有指令結(jié)果輸出，計算機的運行速度可得到極大的提高。24流水線的技術(shù)問題1指令的多樣性2步驟不一樣3每個步驟執(zhí)行的時間不同4本次操作與上條指令結(jié)果有關(guān)5跳轉(zhuǎn)指令問題解決方法：1設(shè)置多條流水線(指令分類)2按最多步驟設(shè)置（延時）3時間最長的步驟分成小步驟問題：4等待或兩指令不要靠得太近5重新取指令252并行處理技術(shù)并行處理系統(tǒng)有兩種：

①多處理器系統(tǒng)：處理器和存儲器并不一一對應(yīng)，每個存儲模塊供各處理器共享，信息的交換通過整個處理器系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行。②多計算機系統(tǒng)：每一對處理器和存儲器自成體系組成一個計算機，存儲模塊為各自的處理器所占用，信息交換通過計算機之間的網(wǎng)絡(luò)進行。并行處理是將要解決的問題分解成能同時處理的小題目，讓各部分協(xié)同工作。262.2.3存儲器及其管理1內(nèi)存歷史:可作為存儲器的條件：可表示兩種狀態(tài)、狀態(tài)穩(wěn)定、狀態(tài)可迅速轉(zhuǎn)換電子管存儲器(20世紀40年代)磁芯存儲器(20世紀50年代)半導(dǎo)體存儲器(20世紀60年代)即RAM和ROMDRAM：動態(tài)存儲器，適合內(nèi)存SRAM(靜態(tài)存儲器):速度快、價格高，適合緩沖器內(nèi)存包括：EDO(擴充數(shù)據(jù)輸出,速度64M)SDRAM(同步DRAM,速度100M)

RDRAM(RAMBUS,速度2000M)DDRRAM(速度2000M)272存儲技術(shù)（1）直接連接存儲技術(shù)：

硬盤>40G、光盤VCD\DVD（2）移動存儲技術(shù)：-閃存卡:數(shù)碼相機、MP3-磁光技術(shù)移動存儲技術(shù):專業(yè)領(lǐng)域-閃盤(優(yōu)盤):替代軟盤-移動硬盤:攜帶方便的硬盤（3）網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)：-網(wǎng)絡(luò)附加儲存(直接接到網(wǎng)上)-存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(通過光纖傳輸)283存儲器的層次結(jié)構(gòu)CACHE是一種高速度、高成本的RAM，是CPU與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳遞的機構(gòu)。并不占用內(nèi)存地址空間。高速緩沖技術(shù)用于解決高速的CPU

與相對低速的RAM

之間的速度不匹配的矛盾。在計算機中，存儲器的Cache-Memory-Disk層次結(jié)構(gòu)，稱為三級層次結(jié)構(gòu)。其中：Memory為主存，Disk為輔存，Cache高速緩沖存儲器。294Cache工作原理CACHE分類一級緩沖(L1)：與CPU電路直接設(shè)計在一起，有16～128Ｋ。二級緩沖(L2)：不與CPU封裝在一起，有256K～1M。5虛擬存儲技術(shù)將內(nèi)存與外存合理調(diào)度，它們之間不斷交換數(shù)據(jù)。302.2.4總線、外設(shè)與接口

例如，Pentium芯片，它的地址總線是32位，數(shù)據(jù)總線是64位，還有很多控制線。對于單總線結(jié)構(gòu)，它的總線是復(fù)用的，在某個時刻是地址線，另一時刻是數(shù)據(jù)線，通過控制電路進行切換。1總線（BUS）總線是計算機內(nèi)的信息通道，是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。計算機內(nèi)的總線通常分為三類：地址總線(AB) 數(shù)據(jù)總線(DB) 控制總線(CB)312主板上的總線

計算機還有連接其他外設(shè)的各類接口標準：IDE（EIDE）接口連接硬盤與光驅(qū)；ISA、PCI接口連接聲卡、網(wǎng)卡等；AGP接口連接顯示卡；串行口（COM）連接鼠標器、Modem

；并行口（LPT）連接打印機；PCMCIA為連接筆記本電腦的總線接口；通用串行總線USB可接數(shù)碼相機、打印機、掃描儀、鼠標、光驅(qū)等，并支持“熱插拔”。322.2.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類1按發(fā)展階段分類第一代電子管計算機第二代晶體管計算機第三代集成電路計算機第四代大規(guī)模、超大規(guī)模計算機332按用途規(guī)模分類科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理實時控制（采用實時操作系統(tǒng)，及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生）工作站服務(wù)器家用計算機343按大小規(guī)模分類4按數(shù)據(jù)類型分類：定點機浮點機向量機巨型機大型機中型機小型機微型機355按處理機個數(shù)和種類分類單處理機多處理機并行處理機分布處理機關(guān)聯(lián)處理機超標量處理機超流水線處理機366按指令的復(fù)雜程度分類簡單指令集計算機（RISC）：IBM、Motorola和Apple公司的PowerPC601。

復(fù)雜指令集計算機（CISC）：IntelX88系列、如80486、Pentium系列。377按并行度分類單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）：早期的AppleⅡ計算機、IBMPC機。單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）：HitachiS3600、IntelPentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ。多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）：如脈動陣列計算機。多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）：NECSX－5、SGI/CrayT3E。38復(fù)習三流水線技術(shù)并行處理技術(shù)存儲器的層次結(jié)構(gòu)緩沖器(Cache)原理總線與接口計算機分類392.3計算機軟件系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)由兩大部分組成——計算機硬件和計算機軟件。只有硬件的計算機稱為裸機，無法工作，必須配備軟件才能使計算機運行起來。計算機軟件是各種程序和相應(yīng)文檔資料的總稱。計算機軟件分兩大類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。40一系統(tǒng)軟件為運行計算機而必需配備的最基本的軟件稱為系統(tǒng)軟件，它實現(xiàn)對計算機各種資源的控制、管理和調(diào)度，基本的人機交互，高級語言的解釋、編譯以及基本的系統(tǒng)維護調(diào)試等工作。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)語言：解釋、編譯程序，調(diào)試、查錯程序工具軟件411操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件中最基本的部分，功能有：(1)資源管理處理器管理：對處理器運行狀態(tài)進行管理調(diào)度。存儲器管理：管理進程、調(diào)度主存空間和虛擬存儲器的使用，保護多道程序運行。I/O設(shè)備管理：管理、調(diào)度I/O設(shè)備。信息管理：文件管理，信息保密，用戶權(quán)限等。(2)人機接口界面管理命令方式：DOS、Unix、Netware系統(tǒng)等。圖形界面方式：Windows、WindowsNT系統(tǒng)等。42操作系統(tǒng)的類型：按使用人數(shù)分類：單用戶和多用戶按執(zhí)行任務(wù)數(shù)分類：單任務(wù)和多任務(wù)按使用和技術(shù)相結(jié)合分類：批處理操作系統(tǒng)：DOS

分時操作系統(tǒng)：UNIX、DEC公司的VMS

實時操作系統(tǒng)：RTOS

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：UNIX、WindowsNT、NetWare、Windows95、Windows2000：多任務(wù)、單用戶432計算機語言低級語言：與硬件最靠近，計算機直接可運行的機器語言；或匯編語言，是接近計算機指令的語言，采用“助記符”描述指令的運作，匯編語言控制硬件的能力強，但難以理解和交流，編程難度大，編制的源程序須編譯生成計算機指令代碼方可運行。高級語言：比較符合人們描述社會活動的語言，源程序也須編譯或解釋后才能運行。例：機器語言(二進制語言)：01001010匯編語言：ADDR1R2例：BASIC語言：a=16+35*abs(b)

printa44計算機語言分類面向過程——FORTRAN（科學(xué)計算）、COBOL（商業(yè)）、C、Pascal（系統(tǒng)開發(fā)）SQL（數(shù)據(jù)庫開發(fā)）等。面向?qū)ο蟆猇isualBasic（專業(yè)項目編程）、Java（網(wǎng)頁設(shè)計）、C++（系統(tǒng)開發(fā)）等。機器語言：二進制指令代碼。低級語言：匯編語言。高級語言：可劃分為面向過程、面向?qū)ο蟆?53工具軟件開發(fā)工具：開發(fā)程序，如編譯工具、數(shù)據(jù)庫工具、系統(tǒng)仿真等。系統(tǒng)工具：系統(tǒng)管理、開發(fā)，如中文平臺、系統(tǒng)補丁、內(nèi)存管理、磁盤工具、系統(tǒng)測試、加密/解密、壓縮/解壓縮等。網(wǎng)絡(luò)工具：網(wǎng)絡(luò)管理，如瀏覽器、電子郵件收發(fā)、FTP工具、下載工具、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)通訊等。驅(qū)動程序：用于連接和優(yōu)化設(shè)備，如BIOS升級、主板驅(qū)動、顯卡驅(qū)動、Modem驅(qū)動、聲卡驅(qū)動等。工具軟件使用戶能有效地控制、管理和安全使用計算機的各項資源，主要有：46二應(yīng)用軟件信息管理軟件文字、表格處理軟件教育軟件翻譯軟件殺毒軟件多媒體軟件圖形圖像軟件游戲軟件其他軟件為了完成某種具體的應(yīng)用性任務(wù)而編制的軟件稱為應(yīng)用軟件。大體可分成如下幾類：472.4計算機的發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使人們感到傳統(tǒng)的“馮·諾依曼機”已很難勝任，導(dǎo)致人們致力于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和多值邏輯等新型邏輯關(guān)系的計算機開發(fā)。481光計算機光器件帶寬非常大，傳輸和處理的信息量大。信息傳輸失真小，信息運算速度遠快于電子器件。光傳輸和轉(zhuǎn)換時能耗低。光器件的部分產(chǎn)品已進入實用階段，如光纖、光盤等。光學(xué)數(shù)字處理，光存儲芯片已研制成功。492化學(xué)和生物計算機3量子計算機量子位有疊加效應(yīng)，量子位可以是0、1或者0與1的混合。n個量子位可同時存儲2n個數(shù)據(jù)。量子信息的傳輸可以不需要時間。量子信息處理所需的能量可接近于零。已研制出量子效應(yīng)芯片。

利用微觀碳分子取代硅半導(dǎo)體。利用DNA或蛋白質(zhì)分子構(gòu)成生物芯片。50復(fù)習四系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件計算機的發(fā)展復(fù)習四51電子管52晶體二極管特性53三極管原理集電極基極發(fā)射極54集成電路55大規(guī)模集成電路56微電子技術(shù)的應(yīng)用宇宙航空57微米工藝人的頭發(fā)直徑100微米芯片標準速度Intel803861.20微米工藝33MHzIntel804860.80微米工藝100MHzIntelPentium0.60微米工藝200MHzIntelPⅡ0.35微米工藝500MHzIntelPⅢ0.25微米工藝800MHzIntelP40.09微米2GHz-3.4GHz研制目標0.05微米工藝58附：信息的基本單位：10101110第7位第0位最左是第7位（最高位），最右是第0位（最低位）

將8個0或1組成的二進制數(shù)作為信息處理的基本單位稱字節(jié)（byte），每一位（bit）的內(nèi)容非0即1，如圖所示。計算機的處理單位是字節(jié)59附：字(Word)和雙字(DWord)0011000011001111第15位第0位一個字含有16個位，最左是第15位（最高位），最右是第0位（最低位）為提高處理速度，把2個字節(jié)組合成一個字(word)，形成16位的數(shù)據(jù)寬度，即16位機；若4字節(jié)(雙字)組合，形成32位的數(shù)據(jù)寬度，就是32位機。一個字節(jié)(8位)16位(word)的組成60附：計算機的內(nèi)存地址空間內(nèi)存內(nèi)容0100110011000100001011001000111011100100……地址1地址2地址3地址4地址5地址n地址總線61附：內(nèi)存地址空間的說明內(nèi)存地址的編址

一根地址線有0和1兩種狀態(tài)，兩根地址線共有四種狀態(tài)，n根地址線可尋址達2n個存儲單元，組成一維的線性地址空間，地址碼從0～2n-1。在計算機內(nèi)，編號一般都從0開始，如第0字節(jié)，第0磁道等，第0位，0地址等。三線狀態(tài)000001010011100101110111表示地址0123456762附：CPU的尋址能力CPU型號地址線編址范圍尋址空間8086/808820位0-FFFFFH1M8028624位0-FFFFFFH16M386、486、奔騰32位0-FFFFFFFFH4096M（4G）內(nèi)存地址由專用電子線路組成，不同CPU的地址范圍不同。注：計算機內(nèi)存的實際容量取決于實際安裝的儲存器數(shù)量。當內(nèi)存不夠的情況下，往往用外存儲器（硬盤）作為模擬內(nèi)存（虛擬內(nèi)存）。數(shù)量單位表示：1K(字節(jié))=1024字節(jié)1M(字節(jié))=1024K字節(jié)1G(字節(jié))=1024M字節(jié)63計算機的基本結(jié)構(gòu)64RAM和ROMRAM——隨機存儲器，占內(nèi)存的大多數(shù)，可隨機存儲系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)，其內(nèi)容在斷電或計算機復(fù)位重新啟動時便丟失。

ROM——只讀存儲器，內(nèi)存中只有少量，主要存儲計算機的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）程序，用戶只能讀不能改寫其內(nèi)容，掉電后其中信息不會丟失。65ASCII碼表H\H0123456700000101001110010111011100000NULDC0SP0@P`

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oDEL66流水線技術(shù)示意圖67并行處理68磁芯存貯器69半導(dǎo)體存儲器70內(nèi)存條71RAMBUS72CACHE芯片73硬盤和光盤74閃盤75閃存卡76移動硬盤77存儲器的層次結(jié)構(gòu)78數(shù)制轉(zhuǎn)換10101110八進制(三位)：256十六進制(四位)：AE十進制：128+32+8+4+2=1740011000011001111十進制：8192+4096+128+64+8+4+2+1=12495八進制：30317十六進制：30CF1283284279常見的若干數(shù)制2進制8進制10進制16進制2進制8進制10進制16進制000000010111311B000111111001412C001022211011513D001133311101614E010044411111715F0101555100002016100110666100012117110111777100102218121000108810011231913100111991010024201410101210A1010125211580總線81主板總線82EIDE接口(硬盤接口)83串行接口、USB接口、并行接