Тема 1. Введение. Цели и задачи дисциплины. Краткая история  развития  микроэлектроники  и микропроцессорной техники.

Дисциплина  «Микропроцессорная  техника»  является  фундаментом  инженерно-технической  деятельности  выпускников  в  области  информационных  технологий  и  ставит целью  изучение  способов  построения  и  принципов  работы  логических  элементов  и цифровых  интегральных  схем,  схем  функциональных  узлов  комбинационного  и последовательностного типов, полупроводниковых запоминающих устройств статического и динамического  типов,  постоянных  запоминающих  устройств,  принципов  построения  и работы  аналого-цифровых  и  цифро-аналоговых  преобразователей,  принципов  построения микропроцессоров и микроконтроллеров, микропроцессорных систем.

Задачи дисциплины следующие:

– освоить логические и арифметические основы цифровой техники;

–  изучить  теоретические  основы  построения  цифровых  схем  и  принципы  действия основных узлов цифровых устройств;

–  приобрести  представление  о  принципах  построения  и  функционирования микропроцессоров и микроконтроллеров, микропроцессорных систем;

– развить способности анализировать работу цифровых и микропроцессорных устройств;

– сформировать представление о состоянии и перспективах развития элементной базы микропроцессорной техники, тенденциях, которые могут быть использованы при создании новых электронных средств;.

Микропроцессорная техника базируется на достижениях микроэлектроники, для которой характерно органическое единство физических, конструкторско-технических и схемо-технических аспектов.

Микроэлектроника охватывает вопросы исследования, разработки и принципов применения интегральных микросхем.

Электроника является динамично развивающейся областью науки и техники. Весь арсенал средств, которым располагает современная электроника, был создан всего за несколько десятилетий. Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII– XIX в.

Выделяют несколько этапов развития электроники.

1 этап – до 1904 г. (в 1873 г. А. Лодыгин изобрел лампу накаливания с угольным стержнем; в 1883 г. Т. Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии; в 1874 г. Ф. Браун открыл выпрямительный эффект в контакте металла с полупроводником; в 1895 г. А. Попов использовал этот эффект для детектирования радиосигналов и т.д.).

2 этап – до 1948 г.– период развития вакуумных и газоразрядных электроприборов (в 1904 г. Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод; в 1907 г. Ли–де–Форест изобрел триод; в 1920 году Бонч–Бруевич разработал генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт; в 1924 г. Хеллом разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод) и в 1930 г. лампа с тремя сетками (пентод); в 1929 г. В. Зворыкиным был изобретен кинескоп; с 30–х годов ведется разработка приборов СВЧ–диапазона и т.д.).

В настоящее время электровакуумные приборы занимают значительную нишу в ряду существующих классов приборов электроники и работают в области высоких уровней мощностей (106 –1011 Вт) и частот (108 –1012 Гц).

3 этап – с 1948 г. – период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.

4 этап – с 1960 г. – период развития микроэлектроники (Роберт Нойс предложил идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию, изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы).

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1) 1960 – 1969 гг. – ИС малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 × 0,5 мм (МИС).

2) 1969 – 1975 гг. – ИС средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).

3) 1975 – 1980 гг. – ИС с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).

4) 1980 – 1985 гг. – ИС со сверхбольшой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).

5) С 1985 г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

5 этап – с 80–х годов развивается функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т.д.), базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.

6 этап – в последние годы развивается новое направление – наноэлектроника. Нанотехнологии позволяют манипулировать атомами (размещать в каком–либо порядке или в определенном месте), что дает возможность конструировать новые приборы с качественно новыми свойствами.

Электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования.

К изделиям электроники относят дискретные элементы и компоненты, а также интегральные схемы (ИС).

Обычно их делят на два больших класса: активные и пассивные.

Пассивные дискретные элементы предназначены для перераспределения электрической энергии: резисторы, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, интегральные схемы (ИС) в виде наборов пассивных элементов.

К активным относят такие компоненты, которые способны преобразовывать электрические сигналы и усиливать их мощность. Это диоды, транзисторы, тиристоры, ИС и т.д.

По виду рабочей среды выделяют следующие крупные группы приборов:

- полупроводниковые,

- вакуумные,

- газоразрядные,

- хемотронные (рабочая среда – жидкость).

Вид	Рабочая среда	Носители	Примеры приборов
Электровакуумные	Вакуум	Электроны	Электронные лампы, электронно-лучевые трубки, вакуумные люминесцентные индикаторы
Газоразрядные	Газ при низком давлении	Ионы и электроны	Ионный стабилитрон, тиратрон.
Полупроводниковые	Кристал-лический полупро-водник	Электроны и дырки	Полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры.
Хемотронные	Раствор электро-лита	Ионы и электроны	Специальные приборы, применение ограничено очень низкими частотами

По виду энергии, действующей на входе и выходе, приборы делятся на электропреобразовательные (на входе и выходе - электрические сигналы), электросветовые (на входе - электрический сигнал, на выходе - оптический), фотоэлектрические (на входе - оптический сигнал, на выходе – электрический), термоэлектрические (на входе - тепловой сигнал, на выходе – электрический), акустоэлектрические (акустические сигналы преобразуются в электрические и наоборот), магнитоэлектрические, механоэлектрические и оптоэлектронные (электрический сигнал в оптический, затем опять в электрический).

По диапазону рабочих частот электронные приборы делятся на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности – на маломощные, средней мощности и мощные.

К электродам электронных приборов подключают источники как постоянных, так и переменных напряжений, поэтому различают статический, квазистатический и динамический режим работы приборов.

Режим работы прибора при постоянных напряжениях, все параметры которого не изменяются во времени, называют статическим.

Режим, при котором хотя бы на одном из электродов напряжение изменяется во времени, называют динамическим. Если параметры режима изменяются во времени медленно (в каждый момент времени несущественно отличаются от статических), то такой режим называют квазистатическим.

Основными свойствами и параметрами электронных приборов являются:

– вид преобразования сигнала, выполняемого прибором;

– номинальные и предельные значения параметров (по току, напряжению и т.п.);

– частотные свойства (частотный диапазон);

– интервал рабочих температур;

– уровень собственных шумов;

– потребляемая от источников питания мощность;

– стабильность параметров;

– малые габариты и вес;

− надежность, долговечность и др.

Основы цифровой электроники

Базовые определения:

– Сигнал — любая физическая величина (температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем.

– Электрический сигнал — электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем.

– Аналоговый сигнал — может принимать любые значения в определенных пределах. Устройства, работающие с аналоговыми сигналами, — аналоговые устройства. Аналоговый сигнал изменяется аналогично физической величине, т. е. непрерывно.

– Цифровой сигнал — может принимать только два значения. Причём разрешены некоторые отклонения от этих значений  Устройства, работающие с цифровыми сигналами, — цифровые устройства.

Электронное устройство можно изобразить следующим образом:

Причины искажений сигналов:

– Несовершенство характеристик элементов аппаратуры;

– Шумы (слабые хаотические сигналы, вырабатываемые любым электронным компонентом);

– Наводки, помехи (сигналы, вызываемые внешними электромагнитными полями — радиопередача, трансформаторы, взаимовлияние цепей и т.д.);

– Старение элементов — изменение характеристик со временем;

– Внешние физические воздействия: температура, влажность, давление, вибрация и т.д.

– Паразитные эффекты (утечки, ёмкости, индуктивности, сопротивления).

Искажения сигналов шумами и наводками

Преимущества цифровых сигналов:

– Более сложная и многоступенчатая обработка, чем в случае аналоговых сигналов;

– Длительное хранение без потерь с возможностью многократного копирования без искажений;

– Качественная передача на большие расстояния без искажений;

– Цифровые устройства проще отлаживать, они меньше подвержены старению;

– Поведение цифровых устройств всегда можно точно рассчитать и предсказать;

– Цифровые устройства проще проектировать, отлаживать, тестировать.

Недостатки цифровых сигналов:

– Принципиально меньшее предельное быстродействие цифровых устройств по сравнению с аналоговыми;

– Информационная ёмкость цифрового сигнала гораздо меньше, чем аналогового, поэтому для замены одного аналогового сигнала требуется несколько цифровых сигналов (от 4 до16) — код;

– Для связи с реальным миром требуются преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (на входе, АЦП) и цифровых сигналов в аналоговые (на выходе, ЦАП);

– При простом алгоритме обработки цифровые устройства гораздо сложнее аналоговых.

Включение цифрового устройства:

Элементы цифрового сигнала:

Типы логики

Положительная логика — логической единице соответствует высокий уровень напряжения, логическому нулю — низкий уровень напряжения;

Отрицательная логика — логической единице соответствует низкий уровень напряжения, логическому нулю — высокий уровень напряжения.

Типы логики относятся к шинам (кодам). Одиночные сигналы (импульсы) называются положительными (единичными) или отрицательными (нулевыми).

Задания для СРС

1. Этапы развития микроэлектроники и цифровой схемотехники.

2. Основные компоненты электроники.

3. Основные типы сигналов применяемых в технике.

4. Преимущества и недостатки цифровых сигналов.

5. Основные параметры цифровых сигналов.

6. Понятие логических сигналов в электронике и использование их для передачи информации.