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第二章微电子与计算机技术概要引言微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。计算机的面貌也日新月异，它的用途越来越广，功能越来越全，效率也越来越高。计算机已

广泛应用于人类社会的各个领域。大规模应用计算机的浪潮，席卷了工业、科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。为此应该了解、学习这两个科学技术领域的一些基本概念和基本知识。本章概要电子管、晶体管及集成电路的最基本的原理

、变迁和发展计算机工作基本原理、电子计算机的组成流水线和平行处理的基本概念，存储管理，以及总线、外设和接口等计算机的软件系统的有关概念论述计算机的分类及发展趋势2.1微电子技术微电子技术的开始从电

子管到晶体管到集成电路集成电路的设计和制作集成电路用于电路设计应用和展望2.1.1从电子管到晶体管到集成电路电子管晶体管厚膜电路集成电路2.1.1从电子管到晶体管到集成电路1．电子管电子管又称“真空管”（Vacuum

Tube）电子管拥有三个最基本的极–阴极(Cathode,K)：释放出电子流–屏极(Plate，P)：吸引和收集阴极发射的电子–栅极(Gird,G)：控制电子流的流量电子管的放大作用直热式三极管灯丝（Filament）的制作

材料–钨丝–钍钨合金–氧化硷土2.1.1从电子管到晶体管到集成电路2．晶体管半导体是制造晶体管的基本材料本征半导体、自由电子和空穴共价电子与N型半导体、P型半导体p-n结二极管和三极管极其工作原理2.1.1从电子管到晶体管到集成电路3．集成电路“集成电路”(Integrated

Circuit，IC)把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上集成度发展神速1962：几个、1965：近100个（IC）1967：100~1000个（中规模IC）1967-1973：1000—10000个（LSIC）197

8：达10万~100万个单元（VLSIC）目前集成度已突破千万单元微电子工业的几个热点半导体工艺已经达到0.18微米及更小HardwareDescriptionLanguage(HDL)VeryH

ighspeedintegratedcircuitDescriptionLanguage(VHDL)印刷电路板的自动设计——ORCAD数字信号处理机——DSP2.1.2集成电路的设计和制作1．传统的设计和制造方法设计和绘制电子线路图集成电路的线路图转绘成

芯片布局图分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图数字化成“掩膜（Mask）”图纸在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装2.1.2集成电路的设计和制

作2．使用硬件设计语言硬件描述语言HardwareDiscriptionLanguage，HDL可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，更有效的表示电路的特性源程序便于保存、便于修改和阅读方便能全自动生产、避免大量的差错代表：–

美国国防部的VHDL（VHSICHDL）–VerilogHDL–日本电子工业振兴协会的UDL/I2.1.2集成电路的设计和制作2．使用硬件设计语言TOPDOWN设计方法(三层描述)：1.行为描述2.寄存器传输方式描述3.逻辑综合描述HDL语言

设计硬件的主要优点1.系统硬件描述能力强2.设计技术齐全、方法灵活、支持广泛3.HDL语言可以与工艺无关编程4.HDL语言标准、规范、易于共享和复用http://www.vhdl.com网站http://www.vhdl.c

om网站向微米工艺的极限挑战目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。2.1.3集成电路用于电路设计为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮助制造专用的集成电路外，一般还可以利用

集成电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设计。主要有：可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件–ProgrammableLogicController，PLC或ProgrammableLogicDevice，PLD–用于设计用户专用集成电路芯片数字信号处理器–DigitalSignal

Processor,DSP–用于多种信号处理2.1.3集成电路用于电路设计1．可编程逻辑控制器功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC/PLD芯片中(烧结芯片)，成为用户专用芯片。

分类–复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）–场可编程门阵列（含有RAM）FPGA（FieldProgrammableGateArray）与标准的逻辑器件相比其主

要优点:–规模大、体积小–加密性能好–可实现在线编程–有利于电子设计自动化(EDA)AROMasAND/ORLogicDevicePLDSummaryPLAExamplePALExample2.1.3集成电路用于电路设计2．数字信号处理器功能：DSP是一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号

被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视频和音频数字化信息。DSP的发展过程应用领域：通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等与标准的逻辑器件相比其主要优点:接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、重复性好、集成方便2.1.4应用和展望1．微电子技术的应用微电子

技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术和计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展传统工业的行业改造和技术更新使商业领域的传统账册产生了根本的变化与其他技术的结合和渗透发展成新的技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术深刻地、广泛地影响着人们的生活2.1.4应用和展望2．微电

子技术展望电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快摩尔定律：集成度每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降人的头发100微米Intel803861.20微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺100MHzIntelPentium0.60

微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺500MHzIntelPIII0.25微米工艺800MHz最近已经达到0.13微米2GMHz目前集成电路制造商进军≤0.1微米工艺2.2计算机基本结构和原理了解计

算机基本工作原理、基本结构及其发展的趋势，将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。计算机系统的基本组成：硬件和软件硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等软件组成：程序、文件以及有关的文档资料

2.2.1计算机基本工作原理1．基本组成组成：存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中央处理器（CPU）早期的以控制器、运算器为机器的中心–快速中央处理在等待慢速的外围

设备–控制器的负担过重现计算机改成以主存储器为中心–系统的输入／输出与CPU的运算并行–多种输入和输出并行2.2.1计算机基本工作原理2．二进制编码计算机内部采用二进制编码原因：二值器件（如开/关）物理上容易

实现“是”和“否”二种状态的判断最为简单和稳定常用数制进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16数符0,l0,1,…,70,1,…,90,1,…,9,

A,B,C,D,E,F权2i8i10i16i形式表示BODH2.2.1计算机基本工作原理3．程序和数据的存储程序存储和程序控制存储器基本存储单元地址、地址总线和寻址能力计算机存储器极其作用–高速缓存–主存(内存）–辅存(外存)2.2.1计算机基本工作原理4．指令

系统指令用来指挥硬件动作的命令指令组成–操作码：指示要进行什么操作–操作数：指定操作对象，0-3个寻址方式–立即数–直接地址–间接地址–变址指令集2.2.1计算机基本工作原理5．指令执行由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（

指令）执行完毕程序计数器（PC）指令执行步骤：–取指令–指令译码–执行指令存–操作结果指令周期CPUD的时钟频率指令译码取指令执行指令存操作结果一般情况下，每完成一条指令，指令计数器加一图2-2-4指令的执行2.2.2流水线和平行处理

并行计算是为提高计算机的运行速度而始终不变的基本思想之一。并行计算的基本途径：–流水线并行方式：时间上实现并行处理–多处理机并行方式：空间上实现并行处理2.2.2流水线和平行处理1．流水线流水线特征过程被分成时间相等或成倍比的若干工序，分别固定在顺序排列工位进行

流水线目的提高效率计算机流水线执行四个步骤的四个执行部件同时执行不同指令的相应处理，理想情况下，速度可提高四倍（参见图2-2-7）2.2.2流水线和平行处理2．流水线中的技术问题计算机流水线比工业生产流水线复杂

计算机流水线的问题与处理–指令多样：多流水线–每条指令的步骤数不同：按最多步骤、延迟技术–各个步骤花费时间不同：化时长的分解成小步骤–指令间的数据相关性：避免发生、相关性预测–指令会发生跳转：取消、重取指令2.2.2流水线和平行处理3．并行处理并行处理的概念和实例并行处理的关键–问题分

解–各个部分能相互交换信息达到“协同”工作–较高的性能价格比并行处理实施方案–多处理机系统–多计算机系统–阵列计算机系统–脉动阵列计算机系统等实例–曙光公司生产的天演系列和天潮系列计算机系统132465485049··

··13224·······2550100个数50个数13211·······1225个数1325·······613个数247个数1244个数42个数完成484749492.2.3存储器及其管理1．存储器器件的变革2．现代存储技术3．存贮器的层次结构4．多级高速缓存

5．虚拟存储技术1．存储器器件的变革(1)存储器器件的基本要求–能表示两个状态（电路、磁性体、光器件）–能保持状态的稳定（磁性体最佳）–在控制条件下可以实现状态转换存储器器件变革–电子器件40年代，速度快，容量小，不能停电–磁

芯存储器50年代–半导体存储器60年代、速度快、体积小、耗电省1．存储器器件的变革(2)目前常用内存半导体存储器类型–DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小–SRAM：集成度低、成本高、功耗较大

不同模式的DRAM–快速页模式（FPM，FastPageMode）–扩充数据输出（EDO，ExtendedDataOut）–错误校验与纠正（ECC，ErrorCheckingandCorrecting）–BEDO（BurstEDO）–同步动态RAM（SDRAM，SynchronousDyna

micRAM）–RDRAM（RambusDRAM）和DDRRAM（DoubleDateRateRAM）2．现代存储技术移动存储设备闪存卡：–CompactFlash(CF)卡–SmartMedia(SM)卡–

MultiMediaCard(MMC)–索尼公司的MemoryStick(MS)–ScanDisk(SD)–等2．现代存储技术移动存储设备磁光技术移动存储产品：–磁阻技术的ORB–结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的MO–体积小巧的Clic

k!–IBM的Microdrive–使用了DVD技术的Dataplay2．现代存储技术移动存储设备闪盘：–深圳朗科公司开发的优盘(OnlyDisk)–华旗资讯的爱国者迷你王(MiniKing)等3．存贮器的层

次结构计算机系统对存储器的要求：容量、速度计算机内存储器的层次结构形式：–Cache–Memory–diskCPU高速缓存主存软盘硬盘光盘磁带等辅存图2-2-24存储器的层次结构4．多级高速缓存目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾多级高速缓存–第一级Cache：

在CPU的芯片内外部连线用内部连线替代提高对Cache的存取速度，容量小–第二级Cache：在片外，安装在主板上，容量为256K字节或512K字节Cache的“命中率”的问题各级缓存和内存间内容保持一致的问题–同步更新内存内容–滞后更新内容的方法5．虚拟存储技术目的：扩大内

存容量方法：–暂时不用的内存数据存入外存—虚拟内存–需要时从外存调入内存运行得失：增加内存容量、降低运行速度2.2.4总线、外设和接口1．总线和多重总线2．外部设备3．主机板上的ISA到PCI总线4．硬盘接口类型

及选择5．从RS232C到USB1．总线和多重总线总线频繁的数据信息交换的公共通道类型：数据总线、地址总线、控制总线总线的管理：申请、等待、判定、交用独立双重总线（DualIndependentBus）–PentiumII芯片中实现–前端总线：微处理器和主存间的信息交换–后

端总线：微处理器和高速缓存间信息交换2．外部设备(1)外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机输入设备：键盘和鼠标输出设备：显示器和打印机其他设备：绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、数码照相机、声卡、音响等等2．外部设备(2)接连接存储设备(DirectAcces

sStorage，DAS)硬盘：目标高速、大容量，已达单碟40GB100GB–常用接口标准：EIDE（EnhancedIntegratedDriveElectric）接口SCSI（SmallComputerSystemInte

rface）接口光盘：–CD-ROM、CD-R（WORM）、CD-RW（E-R/W）–DVD–常用接口标准：IDE2．外部设备(3)移动存储设备软盘：–3.5英寸/1.44MB–5.5英寸/1.2MBZIP

盘/100MBSuperDisk(LSl20)2．外部设备(4)显示器、显示卡、键盘和鼠标显示器参数：尺寸、分辨率、材料类型显示卡–总线类型：ISA、EISA、VISA和PCI显卡–二维、三维加速显示卡–显示内存的型号（DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM）和容量键盘：101/1

02键、Windows、无线键盘鼠标：机械的、光电的、无线遥控2．外部设备(5)打印机和扫描仪打印机：–点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机–性能指标：打印分辨率dps、打印速度ppm扫描仪–性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数、扫描

幅面、扫描速度手持式扫描仪2．外部设备(6)其他设备声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音–技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号处理器（DSP）、波表（WaveTable）合成、Internet连接的功能

调制解调器：电话线上网–技术指标：速率、差错控制标准、数据压缩标准、传真（FAX）功能、兼容性网卡3．主机板上的ISA到PCI总线PC(PC/XT)总线：8位扩展总线PC/AT总线：16位扩展总线ISA总线：16位扩展总线MCA总线：IBM、32

位、强化仲裁EISA总线：VL-Bus总线:和微处理器直连、同速、显示↑PCI总线:不直连（PC桥）VL-Bus2.0总线：64位、更高传输速率、ISA兼容PCMCIA总线：小、薄、轻环境下的总线系统4．硬盘接口类型及选择最早的是ST-506和ESDIIDE(Intellig

entDeviceElectronics,智能设备电子接口)–控制部分设置到硬件驱动器中–最多支持两个硬盘，每个硬盘的容量最大为528MB–它的传输速率达到15MB/sEIDE（EnhancedIntelligentDeviceElectronics）–支持四台存储设备，存

储容量突破528MB限制–传输速率可达到12MB/s一18MB/s，传送带宽32位SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口–是一种系统级接口，可以连接各种不同的设备–一个SCSI接口可支持多台设备5．从RS232C到USBR

S232C：通用的串行端口USB：通用串行总线（UniversalSerialBus）由Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范–使所有的低速设备都可以连接到统一接口上–支持功能传递，可以相互连接成串–USB接口本身

就提供动力来源–具有即插即用功能–以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设–最大数据传输速率为12Mbps–USB2.0的数据传输速率可达到480MbpsIEEE1394：–另一个用于高速传输数据的串行接口标准–数据传输速率可达到400Mbps。2.2.5计算机系统结构的分类按器

件分：电子管；晶体管；集成电路；大规模、超大规模集成电路计算机等按大小分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机按用途分：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。按数据类型分：定点机、浮点机、向量机、堆栈机按处

理机个数和种类分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线处理机。按指令的复杂程度分：复杂指令集计算机和简单指令集计算机2.2.5计算机系统结构的分类按并行度分类：比较流行和合理的分类指令流和数据流

单指令流单数据流计算机（SISD）单指令流多数据流计算机（SIMD）多指令流单数据流计算机（MISD）多指令流多数据流计算机（MIMD）2.2.5计算机系统结构的分类按指令的复杂程度把计算机划分复杂指令集计算机C

ISC（ComplexInstructionSetComputing）简单指令集计算机RISC（ReducedInstructionsetComputing）2.3计算机系统及应用计算机系统组成：计算机硬件和计算机软件

计算机软件分两大类：系统软件和应用软件系统软件：–为运行计算机而必须的最基本的软件–功能：管理各种资源，人机交互，高级语言的解释、编译、基本的系统维护调试等应用软件–为完成某种具体的应用性任务而编制的软件2.3计算

机系统及应用裸机操作系统编译、汇编、支撑应用程序图2-3-1计算机系统的层次结构2.3.1操作系统不同类型的计算机操作系统也往往不同–Apple的NewiMac计算机：MacOSX–IBMRS/600044PModel170：AIXVersion4.360年代初出现的监

控程序是操作系统的前身1964年IBM公司推出IBMOS/360AT&T公司从60年代末到70年代初研制了UNIX操作系统，是操作系统发展史上的重大事件。单用户、单任务→向单用户、多任务→多用户、多任务在计算机内部操作系统的管理下，各个工作都被设置成一个个相对独

立的程序，也称为“进程”（Process）2.3.1操作系统1．操作系统的基本功能一、管理、调度计算机系统的资源–处理器管理–存储器管理–输入输出设备管理–信息管理二、提供友好的界面和良好的服务–操作系统是用户与计算机的接口–提供软件开发的各个

阶段所需的工具软件–提供庞大的可调用的程序库–提供重用技术以方便用户调用这些软件模块2.3.1操作系统2．多道程序设计技术的基本特性在计算机的主存中存放多道用户和任务为目标的进程，他们同时处于运行状态并共享系统的

资源。原由：CPU同常用的输入输出设备（如打印机、磁盘等）之间速度的差距太大目的：提高CPU的利用率，充分发挥并行性途径：直接控制输入输出工作转交给“通道”–并行性：并行运行、协调关系、避免干扰–共享性：允许共享所有系统资源2.3.1操作系统3．操作系统

的类型按硬件大小：大型机操作系统、小型机操作系统和微型机操作系统按用户数：单用户操作系统和多用户操作系统按任务：单任务操作系统和多任务操作系统按使用和技术相结合的角度：–批处理操作系统–分时操作系统–实时操作系统–网络操作系统2.3.2计算机语言和工具类软件和操作系统一起用于

开发应用软件的–计算机语言的编译或解释程序–连接程序、查错程序等和操作系统一起参与管理计算机系统的软件计算机系统的管理软件，也称为“支撑软件–系统管理工具–网络管理工具–各种驱动程序和软件开发工具等2.3.2计算机语言和工

具类软件1．计算机语言计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言高级语言解释方式：编译和解释程序设计的方法–“面向过程”（Process-Oriented）：流程–“面向结构”（Structure-Oriented）：模块/实体FORTRAM、Pascal、COBOL、C–“面向对象”（

Object-Oriented）：对象、实体/事件VisualBasic、Java、C++选用高级语言2.3.2计算机语言和工具类软件2．工具软件实用工具是系统软件的一个组成部分，用来帮助用户更好地控制、管理和使用计算机的各

种资源。开发工具：用于开发程序系统工具软件：帮助管理系统网络工具软件帮助管理网络网络工具软件帮助管理网络驱动程序帮助连接外部设备2.3.3应用软件应用软件量大而面广。1999年我国软件市场中，应用软件占56.7%，开

发工具软件占19.2%应用软件进行大致的分类–信息管理类–字、表处理软件–教育软件–游戏软件–翻译软件–杀毒软件–多媒体类–图形图像处理类–其他2.3.4嵌入式系统嵌入式系统（EmbeddedSystem

）是一种小型的计算机系统，它被嵌入在某种具体的电子设备之中。嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分：–硬件：包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等–软件：包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序，往往会把这两种软件组合在一起嵌入式系统已经被广泛应用

嵌入式设备中2.3.4嵌入式系统1．嵌入式计算机系统的特点（1）面向特定应用（2）量体裁衣、高效率设计（3）软件被固化（4）开发工具和环境（5）较长的生命周期2.3.4嵌入式系统2．嵌入式操作系统概述QNXW

indowsCEVxWorkspSOSPalmOSOS-9DeltaSystemHopen2.3.4嵌入式系统2．嵌入式系统的发展趋势（1）嵌入式处理器向64位过渡（2）嵌入式Linux操作系统（3）联网成为必然趋势（4）实现微小尺寸、微功耗和低成本（5）提供精巧的多媒体人机界面2.4计算机发展趋

势结构的改革–流水线、平行处理智能仿真–神经网络、模糊逻辑、多值逻辑新材料、新技术–生物计算机、光计算机、量子计算机DNAComputer网址之一http://users.aol.com/ib

randt/dna_computer.htmlOpticalComputer网址之一http://ece-www.colorado.edu/~harry/spoc/spoc.htmlChemistryComputerhttp://waugh.c

chem.berkeley.edu/~kubinec/slideshow1/slideshow/QuantumComputerhttp://bencat.dhs.org/keylab量子计算机.PPT