Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Національний університет харчових технологій

О.Й. РІШАН

МІКРОПРОЦЕСОРНА ТЕХНІКА

КУРС ЛЕКЦІЙ

для студентів напрямів:

6.050701 «Електротехніка та електротехнології»

6.050202 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології»

всіх форм навчання

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри

автоматизації та

компютерно –

інтегрованих технологій

Протокол №11

від 26. 01. 2011 р.

Київ нухт 2011

Рішан О.Й. Мікропроцесорна техніка: Курс лекцій для студентів напрямів: 6050701 «Електротехніка та електротехнології» та 6.050202 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» всіх форм навчання. – К.: НУХТ, 2011. –93 с.

Рецензент:Гончаренко Б.М., д-р техн. наук, проф.

РІШАН О.Й., канд. техн. наук

 О.Й. Рішан, 2011

 НУХТ, 2011

1. Загальні відомості про мікропроцесор та мікропроцесорну систему

1.1. Мікропроцесор. Загальні положення та визначення.

Мікропроцесор (МП) – це програмно-керуючий пристрій, який призначений для обробки цифрової інформації та керування процесом цієї обробки і реалізований на одній великій інтегральній мікросхемі (ВІС).

ВІС – це мікросхема , що виготовлена на основі технологій з великим ступенем інтеграції. В такій мікросхемі на одній кремнієвій платівці (пластинці) методами запилення, фотолітографії, дифузії і іншими наноситься геометричний рисунок зазадалегідь розробленої схеми мікропроцесора, яка складається з великої кількості транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів та з’єднувальних проводів. Перевага такої технології, що в малому по площині і об’єму кристалі наносять пошарово до 100 тисяч і більше транзисторів та інших радіодеталей, з’єднаних між собою за розробленою схемою.

При виготовленні ВІС використовується планарна технологія (від латинського «planum» – площина) – це технологія виготовлення складних електронних схем на поверхні маленького кристалу кремнію (використовується пластинка із кремнію товщиною 0,25 – 0,4 мм , яка має провідність р-типу).

Спочатку таку пластинку відрізають від циліндричного кристалу і одну її поверхню (верхню) полірують, а потім хімічно травлять до дзеркальної поверхні і окислюють шляхом нагрівання в кварцовій трубці, через яку пропускають кисень чи водяну пару. Отриману плівку двоокису кремнію товщиною 0,3 – 1,3 мкм використовують в якості ізолятора (діелектрика) між окремими складовими мікросхеми.

Далі переходять до утворення на поверхні пластинки окремих складових елементів схеми, для чого в необхідних місцях витравлюють захисний шар і вводять у кремній, що відкрився, домішки, які змінюють тип його провідності. Остання операція називається локальним легіруванням і виконується шляхом дифузії або іонного введення домішок.

Останній процес здійснюється за допомогою методу фотолітографії в такому порядку:

■ Двоокис кремнію покривають фоторезистом – тонким шаром світлочутливого лаку.

■ На фоторезист накладають негатив з рисунком схеми (фотошаблон) і виконують засвічування від спеціального джерела, наприклад, ультрафіолетовим світлом. Світло полімеризує ділянки фоторезисту, яка не закрита ділянками шаблону.

■ Далі фоторезист проявляють і обробляють слабким розчином кислоти, який розчинює фоторезист в місцях, де він не полімеризований (звільняються ділянки, в яких відкривається чистий кремній). Потім ділянки полімеризованого шару фоторезисту виводять, залишаючи тільки діелектрик – двоокис кремнію.

■ Над нагрітою до температури 1200 пластинкою продувається

збагачений домішками азот. Атоми кремнію при такій температурі стають рухомими і домішки із газу легко проникають в кристалічну решітку кремнію (проходить явище дифузії). В місцях закритих двоокисом кремнію дифузії практично немає, так як двоокис не пропускає домішки.

■ На поверхні пластини вирощують новий захисний шар двоокису кремнію і вона знову придатна для виготовлення нових вікон, нових елементів і т.д..

Необхідно відмітити, що сучасні ВІС виготовлюють по сучасній планарній технології в епітаксіальному ( переводиться як: «тому, що лежить зверху») шарі кремнію з чітко визначеною фізико-хімічною структурою. Цей шар товщиною 8 - 10 мкм виконують на кремнієвій або іншій (сапфіровій) підложці. Таке ускладнення технології на порядок зменшує брак при виготовленні мікросхем. Покращання методів вирощування кристалів кремнію і епітаксіального вирощування плівок кремнію та точності виготовлення фотошаблонів, дає можливість виготовлювати надвеликі мікросхеми (НВІС) з кількістю радіодеталей в ній до 1 мільйона і більше.

Розробка та виготовлення ВІС – справа трудомістка і дорога. Якщо ВІС призначена для використовування в одиночних екземплярах, то її ціна буде непомірна. Тому й розроблені уніфіковані ВІС, які мають властивість перепрограмування – мікропроцесори.

Основна особливість мікропроцесора - підпорядкованість його апаратного складу програмі. Тобто, функції, які реалізує МП, визначаються не стільки його структурою, скільки послідовністю керуючих слів (команд), які надходять з пам”яті програми на вхід МП. Зміна цієї послідовності міняє і виконувану МП функцію.

Властивість перепрограмування МП повністю змінила підхід до створення електронних пристроїв, тому що дала можливість на базі уніфікованих апаратних засобів створювати пристрої різних функціональних призначень тільки за рахунок зміни алгоритму обробки даних. Зміна алгоритму обробки даних відбувається шляхом перепрограмування.

Поява мікропроцесора привела до істотних змін у всіх напрямках науково-технічного прогресу. В наш час не можна собі уявити якийсь технічний засіб, без використання мікропроцесорної техніки, починаючи з найпростіших побутових приладів.