Тема 1.11 Електроніка та мікропроцесорна техніка

Електронні підсилювачі.

Електронні підсилювачі. Електронний підсилювач — пристрій, за допомогою якого підсилюється напруга, струм або потужність за рахунок енергії зовнішнього джерела струму (змінного або постійного).

Підсилювачі поділяються:

· за діапазоном і абсолютним значенням підсилюваних частот сигналу — на підсилювачі постійного струму, змінного струму, високої частоти, низької частоти, широкосмугові; залежно від підсилювальних елементів — на транзисторні, діодні, магнітні тощо;

· за характером підсилюваних сигналів — на підсилювачі гармонічних та імпульсних сигналів;

· за призначенням — на підсилювачі, які використовуються у вимірювальній техніці, у системах автоматики тощо, та операційні підсилювачі, які використовуються в аналогових обчислювальних машинах;

· за кількістю каскадів підсилення — на однокаскадні і багатокаскадні.

До складу підсилювача входять активний підсилювальний елемент, пасивні елементи і джерело живлення. Основне призначення підсилювального елемента — це перетворення електричної енергії джерела живлення в енергію підсилюючих сигналів. За рахунок енергії джерела живлення потужність вихідного сигналу в багато разів більша, ніж потужність підсилюваного сигналу.

Резистивний каскад на біполярному транзисторі. Проста схема резистивного підсилювального каскаду із загальним емітером і живленням від одного джерела приведена на рис. 1.113. Вхідний сигнал поступає на базу і змінює її потенціал щодо заземленого емітера. Це приводить до зміни струму бази, а отже, до зміни струму колектора і напруги на опорі навантаження Розділовий конденсатор C_p1служить для запобігання протіканню постійної складової струму бази через джерело вхідного сигналу.

Рис. 1.113 - Проста схема резистивного підсилювального каскаду із загальним емітером.

За допомогою конденсатора С_Р2на вихід каскаду подається змінна складова напруги U_ке, що змінюється за законом вхідного сигналу, але що значно перевищує його по величині. Важливу роль грає резистор R_bв колі бази, що забезпечує вибір початкової робочої точки на характеристиках транзистора і визначальний режим роботи каскаду по постійному струму.

Напруга вхідного сигналу U_ВХсинфазно змінює величину струму бази. Ці зміни базового струму викликають в колекторному колі пропорційні зміни струму колектора і напруги на колекторі, причому амплітуда колекторної напруги виявляється значно більше амплітуди напруги на базі.

Електронні генератори.

Електронний генератор - це пристрій, що перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незгасаючих електричних коливань необхідної форми, частоти і потужності.

Електронні генератори підрозділяються на генератори синусоїдальних (гармонійних) коливань і генератори коливань несинусоїдальної форми, які прийнято називати релаксаційними (імпульсними) генераторами.

Будучи першоджерелом електричних коливань, генератори з самозбудженням широко використовуються в радіопередавальних і радіоприймальних пристроях, у вимірювальній апаратурі, в ЕОМ, в пристроях телеметрії і т.д. Нижче приводиться ділення генераторів по діапазону частот, що генеруються.

Тип генераторів Діапазон частот

Низькочастотні від 0,01 Гц до 100 кГц

Високочастотні від 100 кГц до 100 МГц

Надвисокочастотні від 100 МГц і вище.

Найбільш поширені схеми генераторів містять підсилювальний елемент і коливальну систему, зв'язані між собою ланцюгом позитивного зворотного зв'язку. Але в принципі будь-який підсилювач може бути перетворений на автогенератор, якщо його охопити позитивним зворотним зв'язком і забезпечити виконання умови β·К>1. Для побудови генератора зазвичай використовують два типи підсилювальних схем - резонансні підсилювачі і підсилювачі на резисторах. Генератори, виконані на основі схеми резонансного підсилювача, часто називають генераторами типа LC, а генератори, побудовані на основі схеми підсилювача на резисторах, - генераторами типа RC. Перші використовуються головним чином на високих частотах, другі на низьких.

Як підсилювальні елементи схем автогенераторів найширше застосовуються транзистори.

Прикладом імпульсного генератора є мультивібратор. Мультивібратор представляє собою релаксаційний генератор коливань майже прямокутної форми. Він є двокаскадного підсилювачем на резисторах з позитивним зворотним зв'язком, в якому вихід кожного каскаду з'єднаний зі входом іншого. Сама назва "мультивібратор" походить від двох слів: "мульти" - багато і "вібратор" - джерело коливань, оскільки коливання мультивібратора містять велику кількість гармонік.

Мультивібратор був описаний Вільямом Екклзом і Франком Джорданом в 1919 році. Мультивібратор може працювати в автоколивальному режимі, режимі синхронізації і режимі очікування. У автоколивальному режимі мультивібратор працює як генератор з самозбудженням, в режимі синхронізації на мультивібратор діє ззовні синхронізуючий напруга, частота якого визначає частоту імпульсів, ну а в режимі очікування мультивібратор працює як генератор із зовнішнім збудженням.

В електронній техніці використовуються самі різні варіанти схем мультивібратора, які різняться між собою за типом використовуваних елементів (лампові, транзисторні, тиристорні, мікроелектронні і так далі), режиму роботи (автоколивальних, режиму очікування, синхронізації), видами зв'язку між підсилювальними елементами, способах регулювання тривалості і частоти генерованих імпульсів і так далі.

Мультивібратор в автоколивальному режимі. На рис 1.114 показана найпоширеніша схема мультивібратора на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками, на малюнку 2 - графіки, що пояснюють принцип його роботи.

Рис. 1.114 – Схема мультивібратора

Мультивібратор складається з двох підсилювальних каскадів на резисторах. Вихід кожного каскаду з'єднаний зі входом другого каскаду через конденсатори С1 і С2.

Елементи схеми підібрані так, щоб забезпечити ідентичність кожного з підсилювальних каскадів, зібраних на однотипних транзисторах VT1 і VТ2. При R1 = R4, R2 = R3, CI = С2 і однакових параметрах транзисторів мультивібратор називають симетричним.

Здавалося б, при повній симетрії схеми після її включення струми транзисторів і напруги на конденсаторах і на електродах транзисторів повинні бути однаковими, а стан схеми – стійким. . Проте цього ніколи не відбувається, оскільки ідеальної симетрії схеми добитися практично неможливо. Будь-яка, навіть сама незначна асиметрія миттєво приведе до того, що один з транзисторів закриється, а інший буде відкритий і доведений до режиму насичення. Як це відбувається? Допустимо, що по тих чи інших причинах (нестабільність джерела живлення, флуктуації руху зарядів в елементах схеми із-за деякої розбіжності в параметрах цих елементів) струм колектора транзистора VТ2 опинився дещо більше колекторного струму транзистора VТ1. Це приведе до збільшення падіння напруги на резисторі R4 і до зниження негативного потенціалу на колекторі транзистора VТ2. Через конденсатор С2 зміна потенціалу колектора транзистора VТ2 передається на базу транзистора VТ1. Це приведе до зменшення струму колектора транзистора VТ1 і до збільшення негативного потенціалу на колекторі цього транзистора. Через конденсатор С1 зміна потенціалу колектора транзистора VТ1 передається на базу транзистора VТ2, що викликає додаткове збільшення струму колектора цього транзистора. Далі процес повторюється і зрештою транзистор VТ2 повністю відкриється і увійде до режиму насичення, а транзистор VТ1 закриється. Цей процес протікає лавиноподібно і тому дуже швидко, практично миттєво.

Звернемо увагу на те, що в режимі замикання транзистора VТ1 конденсатор С1 заряджає по ланцюгу: +Е_к. ділянка емітер - база відкритого транзистора VТ2, CI, R1 -E_к. В той же час конденсатор С2 (у режимі насичення транзистора VТ2) розряджається через відкритий транзистор VТ2 і резистор R3.

Перемикання схеми з одного стану в інше залежить від швидкості заряду і розряду конденсаторів. Так, у міру заряду конденсатора С1 позитивний потенціал точки А (права обкладинка конденсатора С1) все більш наростає, а у міру розряду конденсатора С2 позитивний потенціал точки В (ліва обкладинка конденсатора С2) все більш знижується. У зв'язку з цим потенціал бази транзистора VТ2 поступово підвищується, а потенціал бази транзистора VТ1 - знижується. Враховуючи, що в схемі, що розглядається, використовуються транзистори типу р-п-р, можна укласти, що в певний момент часу транзистор VТ1 відімкнеться, почнеться лавиноподібний процес наростання струму цього транзистора, а транзистор VТ2, навпаки, закриється. Потім процес перемикання схеми повторюється. Таким чином, транзистори в мультивібраторі по черзі знаходяться або в режимі відсічення струму або в режимі насичення і з кожного колектора можна зняти прямокутні імпульси з амплітудою, майже рівній величині напруги джерела живлення. Cхема генеруватиме імпульси, тобто знаходитися в режимі самозбудження, до тих пір, поки включено джерело живлення.

Крім генераторів імпульсів прямокутної форми, в електронних схемах знаходять широке розповсюдження генератори пилкоподібноїнапруги.

Пилкоподібним називається напруга, яка наростає або падає лінійно протягом деякого проміжку часу і формою нагадує зуби пили. Пилкоподібну напругу отримують при зарядці конденсатора. Проста схема релаксаційного генератора пилкоподібної напруги на неоновій лампі приведена на рис. 1.115, а.

Конденсатор заряджає через обмежувальний опір R_обм. Лампа в цей час замкнута. Як тільки напруга на конденсаторі і, отже, на аноді лампи досягне U_зап, в лампі виникає розряд і її внутрішній опір різко падає. Конденсатор починає розряджатися через лампу. Розряд конденсатора триває до тих пір, поки напруга на нім не стане рівною напрузі згасання U_зг. У цей момент лампа «гасне», її внутрішній опір зростає, конденсатор знов заряджає і т.д.

На рис. 1.115, б заряд конденсатора відповідає ділянці 0-1,а розряд - ділянці 1-2.

Рис. 1.115 - Схема генератора пилкоподібної напруги на неоновій лампі (а) і тимчасова діаграма його роботи (б).

У складніших схемах генераторів пилкоподібної напруги роль ключа, що дозволяє здійснити періодичний заряд і розряд конденсатора, виконують транзистори.

Мікроелектроніка – новий напрям електроніки, що охоплює наукові та технологічні проблеми дослідження конструювання, виробництва і застосування радіоелектронних пристроїв у мікромініатюрному інтегральному виконанні.

Мікроелектроніка - напрям електроніки, що займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об'єму, маси, вартості, підвищення надійності і економічності на основі комплексу конструктивних технологічних і схемних методів.

Сучасна мікроелектроніка розвивається переважно по двох базових конструктивно-технологічних напрямах: створення напівпровідникових інтегральних мікросхем і гібридних інтегральних мікросхем. Відповідно до використовуваної термінології інтегральною мікросхемою (ІМС) називають мікроелектронний пристрій, все або частина елементів якого нероздільно зв'язані і електрично сполучені між собою так, що пристрій розглядається як єдине ціле.

Гібридна ІМС - це мікросхема, частину елементів якої має самостійне конструктивне оформлення. Напівпровідниковими ІМС називають мікросхему, елементи якої виконані в об'ємі і (або) на поверхні напівпровідникового матеріалу.

На відміну від дискретних напівпровідникових приладів, кожний з яких має цілком певне призначення, сталу систему параметрів і методів їх вимірювань, мікросхеми є пристрої, що призначені для виконання найрізноманітніших функцій і характеризуються великим числом електричних параметрів, що істотно відрізняються один від одного, навіть для мікросхем одного і, того ж класу.

Слід мати на увазі, що багатьом сучасним ІМС властива функціональна незавершеність. Тому для того, щоб мікросхема могла повністю виконувати свої функції, до її виводів нерідко підключають зовнішні навісні елементи: резонансні контури, дроселі, розділові або розв'язуючі конденсатори, причому кожен тип мікросхеми має свою індивідуальну схему включення.

По своєму функціональному призначенню мікросхеми діляться на два класи: інтегральні логічні схеми, які одержали найбільше розповсюдження в цифровій обчислювальній техніці і, що оперують з імпульсними електричними сигналами, які залежно від рівня їх амплітуди можуть приймати два дискретні значення «0» і «1», і аналогові інтегральні схеми, в яких відбувається безперервне перетворення сигналів, що поступають, по тих або інших параметрах - амплітуді, частоті, формі, тривалості і т.д.

Інтегральні мікросхеми класифікуються за ступенем інтеграції, технологією виготовлення, видом електричних сигналів, характером функції, яку вони виконують. Сумарне число елементів N, що входять до інтегральної схеми, називається рівнем інтеграції. Десятковий логарифм від рівня інтеграції, округлений до більшого ближчого цілого числа називається ступенем інтеграції інтегральної схеми. Залежно від значення К інтегральні схеми поділяють на п'ять ступенів інтеграції:

перший при К = 1 (N <10),

другий при К = 2 (N = 11 — 100),

третій при К = З (N = 101-1000).

четвертий при К = 4 (N = 1001-10000),

п'ятий при К = 5 (N = 10001-100000).

Інтегральні схеми з четвертим ступенем інтеграції називаються великими інтегральними схемами (ВІС), а інтегральні схеми з п'ятим ступенем інтеграції — понадвеликими інтегральними схемами (ПВІС).

За технологією виготовлення інтегральні схеми поділяються на напівпровідникові, плівкові та гібридні.

У напівпровідникових інтегральних мікросхемах усі елементи і міжелементні з'єднання виконані в об'ємі і на поверхні напівпровідника.

Плівкові інтегральні мікросхеми складаються з елементів, виготовлених у вигляді плівок, нанесених на поверхню діелектрика.

У гібридних інтегральних мікросхемах пасивні елементи (резистори, конденсатори, дроселі) виконані нанесенням різних плівок на поверхню діелектричної підкладки із скла, кераміки, ситалу або сапфірів, а активні елементи (транзистори, діоди) являють собою безкорпусні напівпровідникові прилади.

За видом електричних сигналів інтегральні мікросхеми поділяються на аналогові й цифрові.

Аналогові інтегральні мікросхеми призначені для обробки й перетворення аналогових електричних сигналів. Прикладами аналогових сигналів можуть бути сигнали різниці потенціалів на виході термодатчика, мовні сигнали на виході мікрофона.

Цифрові інтегральні мікросхеми використовують для обробки й перетворення цифрових (дискретних) сигналів. Цифрові сигнали отримують шляхом дискретизації аналогових сигналів. На відміну від аналогових сигналів, які передаються неперервним електричним сигналом (наприклад, із виходу термодатчика про зміну температури), цифровий сигнал передається послідовністю чисел, що дорівнюють температурі, заміряній через визначені проміжки часу. Цифровий сигнал — це послідовність дворівневих елементарних сигналів 0 i l, які називаються логічними сигналами.

За характером виконуючої функції інтегральні схеми поділяються на підсилювачі, тригери, генератори, перетворювачі частоти, елементи запам'ятовуючих пристроїв, вторинні джерела живлення (випрямлячі, стабілізатори тощо), фільтри, логічні елементи тощо.

Основним питанням мікроелектроніки є технологія виготовлення мікроелектронних пристроїв. Оскільки основною технологічною задачею мікроелектроніки є виготовлення транзистора, почнемо саме з нього.

Планарна технологія виготовлення транзисторів.Основним сучасним методом виготовлення транзисторів є планарна технологія. Транзистори, виготовлені за цією технологією, називаються планарними. Така назва походить від англійського слова plane – площина, оскільки транзисторні структури створюються на площинній поверхні напівпровідникового кристалу.

У спрощеному вигляді послідовність операцій планарної технології для виготовлення біполярного npn- транзистора показана на рис. 1.116. Вихідним матеріалом є пластинка з донорно-легованого кремнію товщиною в частки міліметру. Поверхня пластинки окислюється, на ній вирощується тонкий захисний шар оксиду кремнію Sі0₂ (рис. 1.116, а). У захисному шарі протравлюється отвір ("вікно"), крізь яке шляхом дифузії з газової або парової фази у приповерхневий шар кремнію вводиться акцепторний домішок, внаслідок чого під "вікном" утворюється дірково-провідна область (рис. 1.116, б). Далі цей процес повторюється і в приповерхневий шар кремнію вводиться донорний домішок, котрий створює нову сильнолеговану область (рис. 1.116, в). В результаті в напівпровіднику утворюється характерна для біполярного транзистора тришарова npn- структура, де n-провідна пластина служить колектором, верхня n+-область – емітером, а проміжний p-шар – базою.

Рис. 1.116 - Послідовність операцій планарної технології виготовлення біполярного транзистора: а - окислення поверхні напівпровідникової пластинки;

б - протравлювання вікон та введення р-домішки; в - введення n-домішки;

г - створення контактних площинок.

Повторним окисленням поверхня пластинки кремнію знову вкривається шаром оксиду Sі0₂, в якому навпроти колектора, бази та емітера протравлюються невеликі отвори. В ці отвори напиляється метал (звичайно алюміній), який створює контактні площинки, що є відповідно виводами колектора, бази та емітера транзистора (рис. 2.30, г).

Найбільш тонким і відповідальним процесом планарної технології є створення "вікон".

Для цього застосовується метод фотолітографії. Суть його така. Поверхня оксиду кремнію вкривається фоторезистом – речовиною, яка здатна полімеризуватися під дією ультрафіолетового світла. Далі на фоторезист накладається фотошаблон – прозора платівка з нанесеним на неї зображенням, темні місця якого відповідають розташуванню майбутніх вікон. Крізь фотошаблон фоторезист опромінюється ультрафіолетовим світлом від кварцової лампи. У засвічених місцях фоторезист полімеризується, а там, куди ультрафіолет не потрапив, він потім легко змивається розчинником.

Наступна опeрація – пластинку травлять в концентрованій плавиковій кислоті, яка роз’їдає оксидну плівку лише в тих місцях, де вона не захищена шаром полімеризованого резисту. І нарешті, фоторезист, що залишився, видаляють спеціальним розчинником. Тепер можна приступити до наступних технологічних операцій.

Операції по створенню вікон звичайно доводиться повторювати по кілька разів. Головна складність полягає у тому, що нові вікна повинні бути саме в тих місцях, які відповідають раніше створеній структурі p – та n- областей. Враховуючи, що планарний транзиcтор має розміри в частки міліметра (а іноді і значно менші), точність суміщення фотошаблонів повинна бути дуже високою – порядку кількох мікрометрів.

Звичайно, виготовляти у такій спосіб транзистори по одному було б надто трудомістким та дорогим процесом. Тому на напівпровідниковій пластинці площею в кілька квадратних сантиметрів вирощують водночас кілька сотень (а іноді й тисяч) транзисторів. Для цього потрібні лише фотошаблони, на яких зображення відповідної структури повторюється багаторазово. Така технологія зветься гpуповою, оскільки водночас створюється ціла група ідентичних транзисторів.

Після завершення всіх зображених на рис. 1.116 етапів, пластинку розрізають на окремі транзистори, до контактних площинок К, Б, Е приварюють виводи, виготовлений транзистор вміщують в герметичний корпус і одержують готовий виріб.

Основні переваги групової планарної технології такі:

– одночасне вирощування на одній платівці напівпровідника цілої групи транзисторів, що значно здешевлює їх виготовлення і створює можливість одержання однорідної партії готових приладів;

– майже повністю виключена ручна праця, що також здешевлює процес

виготовлення транзисторів і відповідав генеральній лінії технічного

прогресу.

Разом з тим, слід мати на увазі, що планарна технологія ставить високі вимоги до кваліфікації персоналу і вимагає складного та дорогого обладнання, отже її освоєння посильне лише для підприємств з вельми високою технологічною культурою виробництва.

Подальший шлях створення радіоелектронних пристроїв вбачається в тому, щоб з окремих транзисторів, виготовлених описаним вище способом, зібрати ті чи інші радіоелектронні схеми. Однак, в цьому процесі очевидна логічна непогодженість – нащо розрізати. напівпровідникову пластинку з вирощеними на ній транзисторами на окремі частинки, щоб згодом вручну сполучити їх між собою?

Чи не краще зробити ці з'єднання ще в процесі виготовлення і створювати таким шляхом не окремі транзистори, а готові схеми? Тим більше, що технологічно здійснити це досить легко, оскільки з'єднувальні металеві провідники можна напилювати на поверхню захисної плівки оксиду водночас із створенням контактних площинок. Резистори можна виготовляти за тією ж планарною технологією у вигляді канавок, заповнених відповідним чином легованим напівпровідником. Їх опір буде визначатися довжиною та площею перерізу канавки і ступенем легування. До того ж, будь який транзистор з фіксованою вхідною напругою може бути використаний як резистор, опір котрого визначається цією напругою. Діодами можуть служити транзистори з закороченими електродами. Коли ж до діода прикласти запірну напругу, його можна використати і як невелику ємність (подібно до варикапа). Отже, планарна технологія дає можливість виготовляти майже всі елементи, необхідні для радіоелектронних схем.

Ця досить проста і самоочевидна ідея – сполучати транзистори між собою ще на стадії їх виготовлення – призвела до створення якісно нових виробів – інтегральних мікросхем.

За визначенням інтегральна мікросхема (ІМС) є цілісним завершеним радіоелектронним пристроєм з високою щільністю електрично сполучених і невіддільних один від одного елементів, призначеним для виконання певної функції.

Коментуючи це визначення, вкажемо, що саме слово "інтегральна" (тобто цілісна) підкреслює той факт, що ІМС не є схемою, зібраною з окремих деталей. Окремі елементи, що входять до складу її принципової схеми – транзистори, діоди, резистори, ємності, з'єднувальні провідники – всі вони, як про це йшлося вище, створюються водночас у єдиному технологічному процесі. Відповідно, ці елементи не можуть бути вилучені з інтегральної мікросхеми шляхом її розбирання на окремі деталі. Так, скажімо, фізично неможливо ніяким способом видобути з ІМС транзистор або резистор, які входять до її складу. Що ж до слова "мікросхема", то воно вказує на малі розміри та компактність пристрою.

Перші ІМС з'явились у 60-х роках. Вони мали зовсім невисокий ступінь інтеграції – до їх складу входило лише кілька (не більше десяти) транзисторів та резисторів. Прикладом такої простої ІМС може бути двокаскадний підсилювач низької частоти типу К122УНІА, принципова схема якого зображена на рис. 1.117, а, а на рис. 1.117, б дана схема його включення.

Подальше ускладнення інтегральних мікросхем йшло швидкими темпами. Із удосконаленням технології кількість елементів в ІМС почала стрімко зростати.

Рис. 1.117- Принципова схема двокаскадного підсилювача низької частоти типу К122УНІА

Прийнята на даний час класифікація ІМС за ступенем складності показана в табл. 1.2.

Інтегральні мікросхеми з малим ступенем інтеграції позначаються абревіатурою МІС (малі інтегральні схеми) чи просто ІС; з середнім ступенем інтерграції (середні ІМС) - СІМС або СМС, і нарешті, з великим ступенем інтеграції - ВІС (великі ІМС). Мікросхеми, до складу яких входить більше 10⁴ елементів, називають надвеликими ІМС (НВІС).

Таблиця 1.2 - Класифікація ІМС за ступенем складності

Розмір елементів, що входять до складу подібних ІМС менші від 1 мкм і досягли вже 0.2 - 0.3 мкм. Цим, мабуть, вони наблизилися до тієї межі, яка ставиться фізичними процесами у виготовленні і функціонуванні ІМС, а саме:

· при виготовленні ІМС шляхом фотолітографії дифракційні явища не дозволяють одержувати зображення меншого від довжини застосованого світла. Щоправда, цю межу можна віддалити переходячи від ультрафіолетових променів до рентгенівських;

· товщина збідненого шару у p-n переходах, які лежать в основі роботи як біполярних, так і МОН-транзисторів, стає сумірною з розміром самого транзистора, або навіть більшою від нього. Транзистор перестає бути планарною (площинною) системою і за таких умов його нормальне функціонування порушується.

· при слабкому легуванні деяких областей транзистора (бази у біполярних транзисторах, каналу у МОН-транзисторах) відстань між окремими атомами домішку стає там сумірною з товщиною збідненого шару та розмірами транзистора. Матеріал у цих областях вже не можна вважати електрофізично однорідним. Починають давати взнаки флюктуації концентрації домішку, що призводить до непередбаченості у параметрах та функціонуванні транзисторів.

Отже, розміри елементів НВІС порядку 0.1 - 0.2 мкм, які можуть бути досягнуті у найближчі роки, стануть межею на шляху подальшої мікромініатюризації ІМС і для подальшого прогресу у цій галузі доведеться відшукувати якісь принципово нові шляхи відмінні від традиційних.

Основи мікропроцесорної техніки

Мікропроцесор (МП) - програмно-керований пристрій, що здійснює процес обробки цифрової інформації та керування ним, реалізований у вигляді однієї або декількох інтегральних мікросхем, що мають функціональну завершеність. До складу мікропроцесора входять:

· арифметично-логічний пристрій (АЛП), що виконує арифметичні, логічні та інші операції;

· блок регістрів, що реалізує внутрішню пам'ять МП;

· пристрій керування (ПК), що виробляє керуючі та синхронізуючі сигнали відповідно до алгоритму функціонування МП (відповідно до коду команди, що надійшла),

· інтерфейс для зв'язку із зовнішніми пристроями. Наявність універсального набору команд (операцій) МП забезпечує їх широке застосування без зміни структури в різних технологічних процесах.

Якщо перекласти слово процесор (від англійського processor) українською мовою, то це слово найправильніше як «обробник», оскільки саме мікропроцесор - це той вузол, блок, який проводить всю обробку інформації усередині мікропроцесорної системи. Решта вузлів виконує всього лише допоміжні функції: зберігання інформації (у тому числі і інформації, що управляє, тобто програми), зв'язки із зовнішніми пристроями, зв'язки з користувачем і т.д. Процесор замінює практично всю «жорстку логіку», яка знадобилася б у разі традиційної цифрової системи. Він виконує арифметичні функції (складання, множення і т.д.). логічні функції (зрушення, порівняння і т.д.), тимчасове зберігання кодів (у внутрішніх регістрах), пересилку кодів між вузлами мікропроцесорної системи і багато що інше. Кількість таких елементарних операцій, що виконуються процесором, може досягати декількох сотень. Процесор можна порівняти з мозком системи.

Але при цьому треба враховувати, що всі свої операції процесор виконує послідовно, тобто одну за іншою, по черзі. Звичайно, існують процесори з паралельним виконанням деяких операцій, зустрічаються також мікропроцесорні системи, в яких декілька процесорів працюють над одним завданням паралельно, але це рідкісні виключення. З одного боку, послідовне виконання операцій - безперечна перевага, оскільки дозволяє за допомогою всього одного процесора виконувати будь-які, найскладніші алгоритми обробки інформації. Але, з іншого боку, послідовне виконання операцій призводить до того, що час виконання алгоритму залежить від його складності. Прості алгоритми виконуються швидше складних. Тобто мікропроцесорна система здатна зробити все, але працює вона не дуже швидко, адже всі інформаційні потоки доводиться пропускати через один-єдиний вузол - мікропроцесор (рис. 1.118). У традиційній цифровій системі можна легко організувати паралельну обробку всіх потоків інформації, правда, ціною ускладнення схеми.

Отже, мікропроцесор здатний виконувати безліч операцій. Але звідки він дізнається, яку операцію йому треба виконувати в даний момент? Саме це визначається інформацією, що управляє, програмою. Програма є набором команд (інструкції), тобто цифрових кодів, розшифрувавши які, процесор дізнається, що йому треба робити. Програма від початку і до кінця складається людиною, програмістом, а процесор виступає в ролі слухняного виконавця цієї програми, ніякої ініціативи він не проявляє (якщо, звичайно, справний).

Рис. 1.118 - Інформаційні потоки в мікропроцесорній системі.

Тому порівняння процесора з мозком не дуже коректно. Він всього лише виконавець того алгоритму, який наперед склала для нього людина. Будь-яке відхилення від цього алгоритму може бути викликане тільки несправністю процесора або яких-небудь інших вузлів мікропроцесорної системи.

Всі команди, що виконуються процесором, утворюють систему команд процесора. Структура і об'єм системи команд процесора визначають його швидкодію, гнучкість, зручність використання. Всього команд у процесора може бути від декількох десятків до декількох сотень. Система команд може бути розрахована на вузький круг вирішуваних задач (у спеціалізованих процесорів) або на максимально широкий круг завдань (універсальних процесорів). Коди команд можуть мати різну кількість розрядів (займати від одного до декілька байт). Кожна команда має свій час виконання, тому час виконання всієї програми залежить не тільки від кількості команд в програмі, але і від того, які саме команди використовуються.

Для виконання команд в структуру процесора входять внутрішні регістри, арифметично-логічний пристрій (АЛУ, ALU - Arithmetic Logic Unit), мультиплексори – перемикаючі пристрої, буфери (комірки спеціальної пам’яті), регістри і інші вузли. Регістр – це багато розрядна комірка пам’яті. Робота всіх вузлів синхронізується загальним зовнішнім тактовим сигналом процесора. Тобто процесор є досить складний цифровий пристрій.

Мікропроцесор можна представити у вигляді деякого цифрового пристрою, що складається з двох частин: операційної і управляючої (рис. 1.119).

Рис. 1.119 – Склад мікропроцесора

Початкові дані і програма рішення конкретної задачі, підготовлені людиною, вводяться в пам’ять через пристрій вводу. Процедура автоматичного рішення задачі (обробки даних) включає ряд робочих циклів, які повторюються до тих пір, поки не буде виконана вся сукупність команд програми. Кожна команда, як правило, складається з коду операції і адреси, тобто повідомляє яку потрібно виконати операцію, і указує місце в пам'яті, де розташовані дані, що підлягають обробці. За час робочого циклу виконується:

· вибірка з пам’яті чергової команди і введення її в процесор,

· визначення виду операції і чисел, які братимуть участь в даній операції,

· вибірка цих чисел з пам’яті і передача в регістри ОП,

· виконання операції в ОП, відповідно її коду в команді,

· переміщення в пам’ять результату виконаної операції.

Отже, процес функціонування операційного пристрою (ОП) складається з послідовності елементарних дій в його вузлах. Ці дії проводяться під впливом сигналів пристрою управління (УП). Такі елементарні акти перетворення інформації виконуються протягом одного такту сигналів синхронізації і називаються мікроопераціями. Протягом одного такту сигналів синхронізації можуть виконуватися декілька мікрооперацій. Сукупності одночасно виконуваних мікрооперацій протягом одного такту ставиться у відповідність поняття мікрокоманди, а весь набір різних мікрокоманд називають мікропрограмою. Оскільки пристрій, що управляє, визначає мікропрограму (послідовність виконання мікрооперацій), воно отримало назву мікропрограмного автомату.

Для побудови мікропрограмного автомату використовуються принципи схемної і програмованої логіки. У першому випадку кожній операції відповідає свій набір логічних схем, що виробляють певні сигнали, що управляють, для виконання мікрооперацій в певні моменти часу. При такому способі побудови пристрою управління мікрооперації реалізуються за рахунок одного разу сполучених між собою логічних схем, тому такі мікропроцесори називаються МП з жорсткою логікою управління. Це означає, що для МП фіксуються набір команд по числу операцій і структура зв'язків між вузлами, що забезпечують задану послідовність виконання кожної операції (рис. 1.120).

Рис. 1.120 – Структура МП з жорсткою логікою управління

У пристрої управління (УП) передбачаються ряд вузлів для виконання різних операцій на одному і тому ж устаткуванні операційного пристрою (ОП). Кожній виконуваній в МП операції відповідає своя команда.

Команда поступає з пам’яті, і за допомогою дешифратора команд в УП її код перетвориться в сигнали, які включають вузли управління процесом виконання операції. Реалізація принципу схемної логіки в МП означає практичну неможливість змін в системі команд після виготовлення МП. Вона приводить до вузької спеціалізації ВІС, що знижує серійність випуску і здорожує їх виробництво. Разом з тим МП з жорсткою логікою управління забезпечує найвищу швидкодію при заданій технології виготовлення.

При реалізації принципу програмованої логіки (рис.1.121) кодові комбінації сигналів, що управляють, представляються у вигляді кодів мікрокоманд, які можна зберігати в пам'яті, що управляє (УП).

Рис. 1.121 - Структура МП з мікропрограмним управлінням

При виконанні деякої операції з УП вибирається мікрокоманда і видається у вигляді сукупності сигналів, що управляють, в ОП. В УП для кожної операції зберігається своя мікропрограма.

Отже з оперативної пам'яті послідовно вибирається команда програми, і з її допомогою визначається відповідна нею мікропрограма в УП.

Для цього передбачений блок мікропрограмного управління (БМУ), який використовується для визначення адреси першої і подальших мікрокоманд мікропрограми, яка реалізує задану командою операцію.

Мікрокоманди знайденої мікропрограми послідовно прочитуються і подаються на ОП. В результаті реалізується операція, визначувана даною командою. Такий спосіб реалізації операцій отримав назву мікропрограм