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    2019-7-16 16:45
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    【零基础】一文读懂CPU(从二极管到超大规模集成电路)
    一、前言   我们都知道芯片,也知道芯片技术在21世纪是最重要的技术之一,但很少有人能知道芯片技术的一些细节,如芯片是如何构造的、为什么它可以运行程序、芯片又是如何被设计制造出来的等等。本文就尝试从最底层的二级管开始,逐一讲讲二极管、mos管、逻辑门电路、集成电路、大规模集成电路是如何逐步构造成我们所熟知的“芯片”。 二、从二极管到逻辑门电路    二极管   二极管是大家熟知的基本器件之一,可以说二极管的发明和大规模使用是现代工业腾飞最重要的基础之一。二极管的特性就是电流单向导通,如下图所示,一般情况下电流只能从A到B而不能从B到A,且这种单向导通还有个特点就是施加的电压必须大于某个数值,如硅二极管为0.5V才能导通,且导通后继续增加电压会导致电流大幅增加(相当于电阻下降)。   在逻辑上可以这样理解:施加在二极管上的电压小于0.5V时它是不通电的(表现为极高的电阻),当电压等于0.5V时二极管突然就导通了(表现为极低的电阻)。所以我们总结一下二极管的特性:   1、只能单向导通   2、施加电压低于0.5V时完全不导通   3、施加电压等于0.5V时突然完全导通   事实上,科学家们正是利用上述的简单特性构建了庞大复杂的电子世界。    三极管   在二极管的基础上,科学家们进一步研究出了三极管。三极管的特点就是增加了一极,不由施加在两端的电压大小决定是否导通,加入了第三极,使用三极间压差来决定是否导通。如下图所示,工作时b、c、e极都施加了一定的电压,这里不探究具体电压差是如何导致c、e间导通的,简单来说就是通过各极间压差实现c、e间先是逐渐导通(表现为压差增大电流增大),而后变为完全导通(表现为压差增大而电流不变)。且这种特性也是挑方向的,只能是c到e的导通而不能是e到c的导通(即施加反向电压再高也不会反向导通)。   逻辑上我们可以做如下总结:   1、只能c到e导通(反向施加电压无法反向导通)   2、压差低于某值A时完全不导通(无电流)   3、压差高于某值A时逐渐导通(电流随压差增大)   4、压差高于另一值B时完全导通(电流不随压差变化)    逻辑门电路   了解了基本器件后,我们再来说说数学。在数学上我们有三个基本逻辑:与、或、非。   与(&):0&0=0、1&0=0、0&1=0、1&1=1   或(|):0|0=0、1|0=1、0|1=1、1|1=1   非(!):!0=1、!1=0   科学家们使用二极管、三极管、电阻、电容在电路上实现了上述的三个基本逻辑,具体表现为:   1)与门:A、B两端同时输入5V则L端输出5V,否则L端输出0V      2)或门:A、B任意一端输入5V则L端输出为5V,A、B端同时为0V时L端输出为0V      3)非们:A端输入5V则L端输出0V,A端输入0V则L端输出5V      这里我们就不探究逻辑门的具体原理了,大家只要知道二极管、三极管的物理特性使得这种逻辑电路运行的非常稳定,以非门为例,当A端输入小于5V时L端输出稳定为5V,当A端等于5V时L端会立即输出为0V(这里忽略了很多电路细节和器件特性)。为便于使用,科学家们使用符号将这三个逻辑门进行了抽象:   为便于使用,我们将其进一步抽象,如下图所示:   从数学上来说,所有复杂的逻辑式最终都可以分解为最基本的三个逻辑组合,我们先温习一下高中的代数课:   那在电路上,是不是就可以使用与、或、非这三个基本的逻辑门电路来分解? 三、从逻辑运算到电路运算   以加法为例   下图是二进制加法的真值表,S是A+B,C是进位。   科学家们使用逻辑式来总结了这个真值表,从真值表到逻辑式的转化是高中代数的基本内容。   我们发现,S和C的输出可以由A与B的逻辑运算得到(一个异或门、一个与门)。那么,如果我们使用逻辑电路来实现逻辑运算,是不是就可以用电路来实现加法?   第一步,我们先用逻辑符号来绘制上述的公式:   第二步,将逻辑符号转为电路(没找到半加器电路,这个是全加器):      第三步,焊接物理电路       逻辑叠加   通过加法的例子我们实现了从逻辑到电路的转变,根据这个原理我们可以简单的实现:   1)减法器      2)乘法器      3)除法器      4)8位加法器      实际上我们发现所有的运算都是逻辑的叠加,逻辑最终可以转化为电路,所以我们可以得出结论:所有的运算最终都可以使用电路实现。 四、从电子电路到集成电路    庞大的电子计算机   看了前面的内容,我们知道了所有逻辑运算都可以使用电路实现,那么加法器、减法器、乘法器、除法器都是可以实现的,事实上一开始的“计算机”就是用于做这些加减乘除运算。使用逻辑门的好处显而易见,所有逻辑叠加问题都可以用电路的“叠加”来解决,无论是10位的加法、100位的减法、还是1000位的乘法,理论上来说只要二极管、三极管、电容电阻足够我们都可以实现。但是随着计算需求越来越大,计算器的体积变得越来越大,“耗电”成了一个大问题。下图是第一台通用计算机ENIAC,它可以每秒5000次加法或400次乘法运算,但是它使用了17,468根真空管(电子管)7,200根晶体二极管,1,500 个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器,1500个继电器,6000多个开关。抛开成本因素,光耗电量就是一个天文数字。    MOS管与集成电路   体积庞大、造价高昂、耗电量成为制约计算机的核心问题所在,如果有办法缩小元器件的体积,体积、造价、耗电的问题都迎刃而解了。在这个需求的基础上集成电路诞生了,它不是使用电路将各种元器件连接起来,而是将各种元器件、线路直接“做”到了硅片上。   下图是一个典型的PNP三极管示意图,本质上P与N的材质是一样的(硅),只是掺杂了不同的杂质改变了其电特性(二极管、三极管就是这么制造的)。所以有没有办法在一片硅上面按需求“做”出P结、N结,而后用“线路”将各P结和N结连接成电路,只要前期规划做好,数量庞大的三极管、二极管、线路就可以集成到一个硅片上了。   mos管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,名字复杂其实本质就是由金属、氧化物、半导体组成的元器件。前面说到要将三极管、二极管、线路集成到硅片上,其中MOS管中的“半导体”就是P结或N结,用来组成三极管或二极管。“金属”就是连接各结的线路,“氧化物”就是各结间用以绝缘的隔离层。简单点说,集成电路就是在硅片上制造了很多的半导体(PN结)、金属(线路)、氧化物(绝缘层),这些半导体、金属、氧化物组成的器件我们称之为MOS管,无数MOS管按逻辑电路进行组合就是所谓的集成电路了。    集成电路工艺   现在我们找到了办法将器件缩小,下一步就是如何实现PN结、金属线路、氧化物。下图是一个典型的PNP晶体管剖面示意图   在工艺上要做成这样需要很多步骤,大概有:   1)切割:将工厂生产的硅锭切割成片   2)影印:在硅片上涂一层光阻物质(想象成防护膜),然后按设计要求溶解部分光阻物质(让部分区域露出来)。工艺上是在紫外灯上面加一层有很多孔的遮罩,被紫外灯照射的光阻物质就溶解了,没有照射的地方还有保护。如下图所示,通过影印将部分光阻清除,露出部分硅片。   3)刻蚀:露出该露的、遮住该遮的部分后,就使用刻蚀技术将没被遮住的区域“蚀”出一个沟,如下图所示。   4)掺杂:有了沟之后就使用原子轰击这个“沟”使其掺入杂质形成P型衬底   5)沉积:接着在P型衬底上沉积一层N型硅   就这样反复影印、刻蚀、掺杂、沉积就得到了我们需要的MOS管。 五、从集成电路到CPU   我们将一块晶圆上制作了大量MOS管的叫集成电路,MOS管特别多的叫大规模集成电路,MOS管超级超级多的叫超大规模集成电路,其实就是工艺进步了。一块芯片上集成的电子器件越多、电路越复杂能实现的功能也就越多,所以我们不能只满足于做加减乘除这样简单的运算。但当时的科学家并没有“未来”的视野,他们当时急需的问题不是发明CPU,而是解决数据如何存储的问题。如果数据可以存储在电路里,那就可以实现很多复杂的操作,比如简单的编程。    D触发器   为了将数据“锁”在电路里,科学家们使用逻辑门组成了D触发器。其中CP是时钟控制信号(这里将其当做一个控制信号即可),当CP值为1时D输入一个信号则Q输出同样的信号,当CP值不为1时D输入任何信号则Q输出不变,如此就实现了将D信号“锁”在了Q。    寄存器   数个D触发器的组合就实现了一个寄存器,如下图所示就是一个4位寄存器,可以存储一个4位的数据,如“0101”:   根据寄存器的工作内容又细分了:指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、通用寄存器等等。    运算器   将数个寄存器与前面所说的加、减、乘、除计算电路结合起来就是运算器了,运算器的作用就是对寄存器(一个或多个)中的内容进行算数计算,而后将结果存入寄存器。    控制器   上图可以看到,运算器内有数个寄存器,那何时执行计算任务、计算那几个寄存器的数据、最终存储到哪里呢,这些都由控制器来完成。控制器由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、堆栈指针、数据指针组成,它从指令寄存器中获取指令而后根据指令从外部存储中获取数据、控制运算器执行运算、获取下一步指令等等。这一且都是通过“时钟控制信号”和复杂的逻辑运算实现的。   对于时钟控制信号,可以理解为一个节拍器,时钟源向CPU发送有节奏的高低电平信号,让控制器内部逻辑电路被激活,该逻辑电路又根据指令寄存器的内容生成各种控制信号指挥运算器读取数据、执行运算、读取下一步指令、存储计算结果等等。下图就是一个完整的控制器与运算器的示意。    存储器   存储器又叫高速缓冲存储器,它的作用就是存储即将交付CPU处理的数据并保存CPU处理的结果。实际上各种控制信号、数据都是放置于存储器中,控制器从这里获取下一步的数据和指令。    CPU   存储器、控制器、运算器的结合就是一个基本的CPU了,等等?似乎CPU没有什么特殊的功能啊,那它是如何执行这么多复杂工作的呢?实际上CPU的原理就是这么简单。当我们写好代码后,编译器就将这些代码翻译成CPU可以识别的数据格式,而后按顺序放入存储器中即可,控制器会根据预设的程序按节奏从存储器中获取指令和数据,控制运算器处理这些数据,最终实现代码功能。 六、CPU运作示例   为便于理解其工作原理,我们做一个简单的示例。比如我们写了一段代码:     A=1;     B=2;     C=A+B;     输出C到屏幕   编译器编译时可能会做如下翻译:     1)将0001放入寄存器A、将0010放入寄存器B     2)执行寄存器A+寄存器B,结果放入寄存器C     3)读取屏幕显示器的存储地址,放入寄存器E     4)根据寄存器E的数据(屏幕显示器地址),将寄存器C的数据(运算结果)写入该存储地址   至此CPU就实现了一个简单的计算和屏幕显示。当然具体操作过程可能会比这个复杂无数倍。但是CPU的核心功能就是简单的算数运算,以及各种数据的读写。而编译器的工作就是将复杂的代码翻译成简单的算数运算和数据存储、数据移动。 七、总结   CPU/集成电路/芯片当然不是这篇短文能讲述清楚的,篇幅所限我们主要精力放在了逻辑电路部分,如果想要了解更多关于CPU的知识我建议大家可以看《CPU自制入门》和《自己动手写CPU》这两本书,书上前几章对CPU的介绍还是非常有意思的。    关注公众号“零基础爱学习”回复“CPU”即可获取书本电子版+原书光盘全部代码。
  • 热度 2
    2018-10-11 13:25
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    虽然二极管是一个简单器件,但它却有许多值得考虑的特性。这些特性通常取决于应用,其中一些应用包括:整流器、信号线或、晶体管关闭、续流(电感器和电机)等,当然还有专用功能如 LED 和基准电压。 二极管正如其三角形符号所表示的,只能在一个方向上传输电流,在相反方向则会阻止电流及电压。该理论是基于半导体结和掺杂区域的取向。其中最基本的是PN结二极管。 图1:基本二极管符号、组成、封装图和图形。(图片来源:《电子和电气工程师指南》) 二极管偏置,将通过一个较低的正向压降“自动”传输电流——PN结二极管的典型压降值为0.7V,肖特基二极管的典型值为0.3V。工作是在第一象限,其中电压和电流均为正,而第四象限是阻断电压及所产生的漏电流。大多数功耗都是根据这两个工作点计算的。然而,二极管的快速开关也会引起功耗,其表现形式为在开关期间出现的电压和电流。 图2:开通波形。(图片来源:Vishay) 图3:关断波形。(来源:Vishay) 反向恢复也会引起功耗,这与SiC等新型半导体材料的技术发展有关。有许多不同类型的半导体材料用于二极管,包括GaN和GaAs。它们针对不同的需求而有相应的优势,比如更快的恢复时间、更高的阻断电压,以及更大的电流容量等。 图4:反向恢复时间比较。(图片来源:Research Gate) 因为这些半导体是基于能隙原理工作,所以二极管产生的热量会改变其特性。功耗会产生热量,因此功耗Ptotal = Pconduction + Pblocking + Pturnoff + Pturnon。幸运的是,在关断时间内,关断损耗是均衡的。否则,由于产生的电压和电流量,功耗可能变得非常明显。 关于二极管的最后一个想法是,它们不是万能的。二极管具有能量脉冲额定值,在周期性应用中会单次甚至重复吸收能量。了解这些限制以及对器件性能的影响可以避免许多令人头疼的问题。为保险起见,最好是将二极管并联或串联使用,以便略微分散应力。与同类器件不同,其分配一般很好。 (原文刊登于ASPENCORE旗下网站Planet Analog,参考链接: Diode Characteristics 。) 《电子技术设计》2018年9月刊版权所有,禁止转载。
  • 热度 3
    2015-6-16 14:33
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     自互联网普及以来,对于电子行业的知识及前沿资讯的了解,都是来到贵网:国际电子商情! 屈指一算,应快10年了,一直是阅读加欣赏!特别崇拜那些技术前辈精彩的博客,让我大开眼界! 更佩 服国际电子商情的专业记者高手们,像:孙昌旭老师的博客,我几乎每博必看!她对电子芯片行业及 通讯行业的趋势分析的入木三分,就是是我瞭望电子业最前端的一扇窗! 最近大家都在谈电子元器件行业的电商之路。结合自己的实际经营情况来看,二、三极管是电子元器 件行业的被动器件,从10年前一个DVD汽车音响工厂一个月用二三极管的货款达近百万元RMB,到如 今汽车导航仪、锂电池保护板、安防行业、LED驱动行业等等来看,二、三极管是电子成品的必须品 只是因集成电路功能不断的提升与简化,有减少应用数量的趋势,但在整流、放大、开关、稳压等电 路位置,还是必不可少的! 所以,朋友们,友商们,不用担心,我们要继续一如继往的精进,学习德国人200年、几代人只为打 造一个零件的”工匠“精神!学习日本人的”无限公司“1500年的用家族及生命来担保的极端责任、极端 质量意识!这样下去,我们再奋斗个50年,相信未来,我们的二极管、三极管等分立被动元器件,也 会进入ODM顶尖牛人设计师的”法眼",而不是如当前的境况:欧美外资的ODM原始创新方案工程师设计 选型时一想到要用二极管、三极管时,首先想到的是NXP、DIODES、VISHAY、ON等等,这样到了, 中国大陆或其他的一些OEM厂商代工之时,也只好全球满世界去寻找这些国际大牌的指定货源,导致了价格高、 交期长、从国外现货网站采购的物料而被扣押退回之事愈演愈烈了!     总之,互联网+ 只是工具,+后面的才是基业!要想借助“互联网”的大风,把我们吹上树?----基业还 是要把我们先变成“国际化”“值钱的猪”!-------方向,精工制造再干50年,订单自动找上门!---因为就 您干的产品,符合外太空!符合人来的未来必须品!-------前提是,技术的精进,而不是“把三极管的B C、E铜引脚换成“铁引脚”的“精进!把内部链接B、C、E的金丝换成“铜丝”!友商们,那不是真正的工 业精神!工匠精神!------
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    2012-1-30 09:44
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    2510-AT型自动调谐温度控制源表温度控制环路采用自动调谐方法,而自动调谐算法分别对系统Tau、激光二极管模块、测试夹具分别有一定要求。   系统 Tau 确定初始值 系统 Tau 是系统( 2510 +温度控制+ 夹具+ 器件)能够多么迅速地到达指定温度的度量指标。为了允许自动调谐算法对可能的最宽器件范围进行调谐,必须为系统Tau确定初始值。对于激光二极管模块来说,系统Tau的范围是3~30秒,对于更大型夹具来说,其范围是300秒以上。   激光二极管模块确定 PID 系数 设计 自动调谐算法的目的是 为配备热电制冷器的 激光二极管模块 (LDM) (用于通信目的)确定良好的 PID 系数 。这些激光二极管模块具有很短的Tau,因此,自动调谐可以在5~15分钟内完成任务。   测试夹具设置调试 除了激光二极管模块, 自动调谐算法 还包括允许调谐测试夹具的设置,这些设置拥有更长的 系统 Tau 值 。在调谐测试夹具时,系统Tau必须设置在与实际系统Tau类似的范围。如果实际系统Tau是未知的,就将其设置在“中间值”;如果自动调谐不成功,就使用较长的Tau设置,重新进行自动调谐 。   了解更多信息 如您想了解更多2510-AT型自动温度控制(TEC)源表信息,请点击链接http://www.keithley.com.cn/products/dcac/specialtysystems/tempcontr/?mn=2510-AT ,或登录微博http://weibo.com/keithley 与专家互动。 2510-AT型自动温度控制(TEC)源表 http://www.keithley.com.cn/products/localizedproducts/opto/2510at PID系数http://keithley.com.cn/data?asset=14625 自动调谐算法http://www.keithley.com.cn/products/accessories/adaptercable/?mn=2510-AT 吉时利知识库 http://www.keithley.com.cn/knowledgecenter
  • 热度 1
    2011-8-30 10:52
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    吉时利专家邀请您首先了解“ 高亮度 LED 测试 ( HBLED) ” 高亮发光二极管(High brightness light emitting diodes,HBLED)综合具备了高输出、高效率和长寿命等优势。制造商们正在开发可以实现光通量更高、寿命更长、色彩更丰富而且单位功率发光度更高的器件。要确保其性能和可靠性,就必须在生产的每个阶段实施精确的、成本经济的测试。   图1示出了典型的二极管的电I-V特性曲线。虽然一个完整的测试程序可以包括数百个点,但对一个有限的样本的探查一般就足以提供优值。许多HBLED测试需要以一个已知的电流信号源驱动器件并相应测量其电压,或者反过来。同时具备了可同步动作的信号源和测量功能可以加速系统的设置并提升吞吐率。测试可以在管芯层次(圆片和封装)或者模块/子组件水平上进行。在模块/子组件水平上,HBLED可以采取串联和/或并联方式;于是一般需要使用更高的电流,有时达50A或者更高,具体则取决于实际应用。有些管芯级的测试所用的电流在5~10A的范围内,具体取决于管芯的尺寸。   图 1. 典型的 HBLED DC I - V 曲线 和测试点(未按比例绘出) 登录吉时利官方微博(http://weibo.com/keithley)与专家进行互动,还可以免费领取吉时利《克服高亮度LED特性分析与测试挑战》CD哦(http://www.keithley.com.cn/promo/wb/288/index_html)    
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