Как сделать микросхему

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 04.10.2024

Сделать мощный усилитель на одной микросхеме LM3886, навесным монтажом, вполне реально за 15-30 минут. При использовании хорошего блока питания такой усилитель запросто выдаст до 100 Вт мощности на один канал чистого и качественного звука.

Как сделать полицейскую мигалку на реле

Очень простую светодиодную полицейскую мигалку можно сделать самому примерно за 15 минут. В ней нет ни микросхем, ни транзисторов. Эту схему сможет собрать даже тот кто очень отдаленно знаком с электроникой. В роли задающего генератора будет

Как сделать мощную мигалку на одном MOSFET

Эта схема мигалки обладает рядом очень значительных плюсов. Во-первых - это простота, во-вторых мощность: коммутируемый ток может быть до 50 А, что явно не мало. В третьих: схема включается в разрыв цепи ламы и не требует дополнительного питания. И

Преобразователь который заставит светится светодиод от одной батарейки

Каждый электроник знает, что светодиод не станет светиться от напряжения ниже 2 В. С помощью этой простой схемы можно заставить светодиод светится от одной батарейки на одной батарейки напряжением 1,5 вольт.

Светодиодная акустическая мигалка

В интернете есть множество различных схем светодиодных мигалок – простых, сложных, с микросхемами и без. Но обычным мигающим светодиодом сейчас уже никого не удивишь, поэтому появляется необходимость собрать что-то более продвинутое. Например,

Мощный линейный стабилизатор напряжения

Для питания различных электронных устройств и схем, сделанных своими руками нужен такой источник питания, напряжение на выходе которого можно регулировать в широких пределах. С его помощью можно наблюдать, как ведёт себя схема при том или ином

Детектор скрытой проводки

Довольно часто у жителей многоквартирных домов возникает необходимость закрепить на стене квартиры картину, вешалку, полку или ещё какой-нибудь предмет интерьера. Для этого необходимо отметить точку на стене и пробурить небольшое отверстие

Самое надежное реле для поворотников

Как известно, все современные автомобили оборудованы указателями поворотов, которые представляют собой мигающую на левой или правой части кузова лампочку или светодиод. Иногда штатное электромеханическое реле выходит из строя, а достать мощное

Подключение трехфазного двигателя по схеме звезды и треугольника

Токопроводящие обмотки электродвигателя выведены в распределительную коробку. Выводы обмоток образуют два параллельных ряда, каждый имеет маркировку из буквы С и цифры от 1 до 6. Это сделано для того, чтобы отметить начало и конец всех трех обмоток.

Автоматический регулятор оборотов кулера

Вентиляторы охлаждения сейчас стоят во многих бытовых приборах, будь то компьютеры, музыкальные центры, домашние кинотеатры. Они хорошо, справляются со своей задачей, охлаждают нагревающиеся элементы, однако издают при этом истошный, и весьма

Инфракрасный барьер

Как известно, помимо видимого светового спектра существует также инфракрасное излучение, которое не воспринимается глазом человека. Его часто используют в пультах дистанционного управления для передачи различных команд. Интересный факт – чтобы

Светодиодная цветомузыка

Порой так хочется создать у себя дома яркое световое шоу, позвать друзей, включить громче музыку и окунуться в атмосферу дискотеки. С музыкой и друзьями проблем обычно не возникает, а вот организовать цветомузыку бывает достаточно проблематично.

Двухполосный темброблок

Во многих современных аудиосистемах, будь то музыкальный центр, домашний кинотеатр или даже портативная колонка для телефона имеется эквалайзер, или, иначе говоря, темброблок. С его помощью можно регулировать АЧХ сигнала, т.е. менять количество

Схема простого металлоискателя

Привет, друзья, сегодня поговорим о самодельном металлоискателе. Сначала я нашел схему в интернете на базе микросхемы-таймера NE555P, но она показалась мне слишком сложной для тех, кто не понимает в обозначениях на радиосхемах, да и выводить ее на

Простой усилитель на TDA2822

Привет, друзья. Сегодня я расскажу, как сделать маленький усилитель мощности на микросхеме tda2822m. Вот схема, которую я нашел в datasheet микросхемы. Мы будем делать стерео усилитель, то есть будут два динамика – правый и левый каналы.

Беспроводной светодиод

Я покажу вам способ как заставить светодиод светиться без подключения к нему проводов. Для это нужно будет собрать несложное устройство на одном транзисторе. И вы сможете разыграть друзей, продемонстрировав им свои магические возможности.

Приставка-регулятор к блоку питания

Это хороший и бюджетный способ сделать регулируемый блок питания без особых затрат и усилий. К примеру, у меня есть в наличии хороший блок питания на 12 В и 2 А. Я соберу к нему приставку, с помощью которой можно будет регулировать напряжение в

Простейший инверт без транзисторов

Вам нужно всего два компонента, чтобы собрать простейший инвертор, преобразующий постоянный ток 12 В в 220 В переменного тока. Абсолютно никаких дорогих или дефицитных элементов или деталей. Все можно собрать за 5 минут! Даже паять не надо! Скрутил

Простой ШИМ регулятор на NE555

С аналоговым интегральным таймером SE555/NE555 (КР1006), выпускаемым компанией Signetics Corporation с далекого 1971 года прекрасно знакомо большинство советских и зарубежных радиолюбителей. Трудно перечислить, для каких только целей не

Зарядка для телефона от батареи 9 В

Этот мастер-класс покажет вам, как можно получить 5 В для USB из батареи 9 В, и с помощью этого зарядить мобильный телефон. На фотографии собранная схема в работе, но это не конечный вариант, так как я сделаю для него ещё и корпус в конце.

Освещение для клавиатуры

Хочу с вами поделиться своим примером, как я сделал простую подсветку клавиатуры для своего любимого компьютера. Эта подсветка не светит в глаза и имеет электронную регулировку яркости свечения. Она может быть подключена как к блоку питания самого

Автоматическое зарядное устройство 12 В

Это очень простая схема приставки к вашему уже имеющемуся зарядному устройству. Которая будет контролировать напряжение заряда аккумуляторной батареи и при достижении выставленного уровня - отключать его от зарядника, тем самым предотвращая

Простейшее противоугонное устройство

Звуковой пъезоизлучатель своими руками

Схема, представленная в этой статье, очень проста в повторении и не должна вызвать ни каких затруднения в сборке. Она может применяться в различных устройствах для звукового оповещения. Например, сигнализации, звукового дублирования сигнала

Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?

Как делают микросхемы

тобы понять, в чем заключается основное различие между этими двумя технологиями, необходимо сделать краткий экскурс в саму технологию производства современных процессоров или интегральных микросхем.

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная. Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Как устроен КМОП-транзистор

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов. Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Создание таких подложек начинается с выращивания цилиндрического по форме монокристалла кремния. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/40 дюйма, а диаметр 200 мм (8 дюймов) или 300 мм (12 дюймов). Это и есть кремниевые подложки, служащие для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что для идеальных кристаллических структур физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогично, в зависимости от ориентации кристаллической решетки, кристалл кремния будет по-разному реагировать на какие-либо внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (например, травление, напыление и т.д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Как уже отмечалось, диаметр заготовки монокристалла кремния составляет либо 200, либо 300 мм. Причем диаметр 300 мм это относительно новая технология, о которой мы расскажем ниже. Понятно, что на пластине такого диаметра может разместиться далеко не одна микросхема, даже если речь идет о процессоре Intel Pentium 4. Действительно, на одной подобной пластине-подложке формируется несколько десятков микросхем (процессоров), но для простоты мы рассмотрим лишь процессы, происходящие на небольшом участке одного будущего микропроцессора.

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры.

Для этого в кремний нужно внедрить так называемые донорную и акцепторную примеси. Однако возникает вопрос как осуществить внедрение примесей по точно заданному рисунку-шаблону? Для того чтобы это стало возможным, те области, куда не требуется внедрять примеси, защищают специальной пленкой из диоксида кремния, оставляя оголенными только те участки, которые подвергаются дальнейшей обработке (рис. 2). Процесс формирования такой защитной пленки нужного рисунка состоит из нескольких этапов.

На первом этапе вся пластина кремния целиком покрывается тонкой пленкой диоксида кремния (SiO2), который является очень хорошим изолятором и выполняет функцию защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины помещают в камеру, где при высокой температуре (от 900 до 1100 °С) и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и к образованию поверхностной пленки диоксида кремния. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо строго поддерживать постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления. Если же пленкой из диоксида кремния должна быть покрыта не вся пластина, то предварительно на кремниевую подложку наносится маска Si3N4, предотвращающая нежелательное окисление.

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией и включает следующие основные операции: формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка), формирование защитного рельефа (экспонирование, проявление, сушка) и передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

Перед нанесением слоя фоторезиста (рис. 3) на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для нанесения равномерного слоя фоторезиста используется метод центрифугирования. Подложка помещается на вращающийся диск (центрифуга), и под воздействием центробежных сил фоторезист распределяется по поверхности подложки практически равномерным слоем. (Говоря о практически равномерном слое, учитывают то обстоятельство, что под действием центробежных сил толщина образующейся пленки увеличивается от центра к краям, однако такой способ нанесения фоторезиста позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%.)

Шаг 4. Литография

После нанесения и сушки слоя фоторезиста наступает этап формирования необходимого защитного рельефа. Рельеф образуется в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения, попадающего на определенные участки слоя фоторезиста, последний изменяет свойства растворимости, например освещенные участки перестают растворяться в растворителе, которые удаляют участки слоя, не подвергшиеся освещению, или наоборот освещенные участки растворяются. По способу образования рельефа фоторезисты делят на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения образуют защитные участки рельефа. Позитивные фоторезисты, напротив, под воздействием ультрафиолетового излучения приобретают свойства текучести и вымываются растворителем. Соответственно защитный слой образуется в тех участках, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска. Чаще всего для этой цели применяются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы (всего таких слоев может насчитываться несколько сотен). Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. К тому же с учетом того, что по одному фотошаблону будет сделано очень много фотопластин, он должен быть прочным и устойчивым к повреждениям. Отсюда понятно, что фотошаблон весьма дорогая вещь: в зависимости от сложности микросхемы он может стоить десятки тысяч долларов.

Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон (рис. 4), засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, то новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски (рис. 5, 6, 7). Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Шаг 5. Травление

После засвечивания слоя фоторезиста наступает этап травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния (рис. 8).

Часто процесс травления ассоциируется с кислотными ваннами. Такой способ травления в кислоте хорошо знаком радиолюбителям, которые самостоятельно делали печатные платы. Для этого на фольгированный текстолит лаком, выполняющим функцию защитного слоя, наносят рисунок дорожек будущей платы, а затем опускают пластину в ванну с азотной кислотой. Ненужные участки фольги стравливаются, обнажая чистый текстолит. Этот способ имеет ряд недостатков, главный из которых невозможность точно контролировать процесс удаления слоя, так как слишком много факторов влияют на процесс травления: концентрация кислоты, температура, конвекция и т.д. Кроме того, кислота взаимодействует с материалом по всем направлениям и постепенно проникает под край маски из фоторезиста, то есть разрушает сбоку прикрытые фоторезистом слои. Поэтому при производстве процессоров используется сухой метод травления, называемый также плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит строго в вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма), который вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии (рис. 9) равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния. Для получения полупроводника n-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника p-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Итак, по окончании этапа ионной имплантации необходимый слой полупроводниковой структуры создан. Однако в микропроцессорах таких слоев может насчитываться несколько. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносятся слой поликристаллического кремния и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фотослое. Затем опять следуют этапы растворения фотослоя, травления и ионной имплантации.

Шаг 7. Напыление и осаждение

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются пластины в процессе нанесения слоев, кремниевые подложки изначально делаются достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные процессоры, ее толщину уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на тыльную сторону подложки наносят слой специального материала, улучшающего крепление кристалла к корпусу будущего процессора.

Шаг 8. Заключительный этап

По окончании цикла формирования все процессоры тщательно тестируются. Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы (рис. 10).

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

После запечатывания в корпус каждый микропроцессор повторно тестируется. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Перспективные технологии

Технологический процесс производства микросхем (в частности, процессоров) рассмотрен нами весьма упрощенно. Но даже такое поверхностное изложение позволяет понять технологические трудности, с которыми приходится сталкиваться при уменьшении размеров транзисторов.

Однако, прежде чем рассматривать новые перспективные технологии, ответим на поставленный в самом начале статьи вопрос: что же такое проектная норма технологического процесса и чем, собственно, отличается проектная норма 130 нм от нормы 180 нм? 130 нм или 180 нм это характерное минимальное расстояние между двумя соседними элементами в одном слое микросхемы, то есть своеобразный шаг сетки, к которой осуществляется привязка элементов микросхемы. При этом совершенно очевидно, что, чем меньше этот характерный размер, тем больше транзисторов можно разместить на одной и той же площади микросхемы.

В настоящее время в производстве процессоров Intel используется 0,13-микронный технологический процесс. По этой технологии изготавливают процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood, процессор Intel Pentium III с ядром Tualatin и процессор Intel Celeron. В случае применения такого технологического процесса полезная ширина канала транзистора составляет 60 нм, а толщина оксидного слоя затвора не превышает 1,5 нм. Всего же в процессоре Intel Pentium 4 размещается 55 млн. транзисторов.

Ну и последнее нововведение, которое было воплощено при переходе на 0,13-микронный технологический процесс это использование кремниевых пластин (wafer) диаметром 300 мм. Напомним, что до этого большинство процессоров и микросхем изготовлялись на основе 200-миллиметровых пластин.

Увеличение диаметра пластин позволяет снизить себестоимость каждого процессора и увеличить выход продукции надлежащего качества. Действительно, площадь пластины диаметром 300 мм в 2,25 раза больше площади пластины диаметром 200 мм, соответственно и количество процессоров, получаемых из одной пластины диаметром 300 мм, в два с лишним раза больше.

В 2003 году ожидается внедрение нового технологического процесса с еще меньшей проектной нормой, а именно 90-нанометрового. Новый технологический процесс, по которому корпорация Intel будет производить большую часть своей продукции, в том числе процессоры, наборы микросхем и коммуникационное оборудование, был разработан на опытном заводе D1C корпорации Intel по обработке 300-миллиметровых пластин в г.Хиллсборо (шт.Орегон).

23 октября 2002 года корпорация Intel объявила об открытии нового производства стоимостью 2 млрд. долл. в Рио-Ранчо (шт.Нью-Мексико). На новом заводе, получившем название F11X, будет применяться современная технология, по которой будут производиться процессоры на 300-мм подложках с использованием технологического процесса с проектной нормой 0,13 микрон. В 2003 году завод будет переведен на технологический процесс с проектной нормой 90 нм.

Кроме того, корпорация Intel уже заявила о возобновлении строительства еще одного производственного объекта на Fab 24 в Лейкслипе (Ирландия), который предназначен для изготовления полупроводниковых компонентов на 300-миллиметровых кремниевых подложках с 90-нанометровой проектной нормой. Новое предприятие общей площадью более 1 млн. кв. футов с особо чистыми помещениями площадью 160 тыс. кв. футов предполагается ввести в строй в первой половине 2004 года, и на нем будет работать более тысячи сотрудников. Стоимость объекта составляет около 2 млрд. долл.

В 90-нанометровом процессе применяется целый ряд передовых технологий. Это и самые маленькие в мире серийно изготавливаемые КМОП-транзисторы с длиной затвора 50 нм (рис. 11), что обеспечивает рост производительности при одновременном снижении энергопотребления, и самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо производившихся транзисторов всего 1,2 нм (рис. 12), или менее 5 атомарных слоев, и первая в отрасли реализация высокоэффективной технологии напряженного кремния.

В результате всех нововведений на 10-20% улучшаются рабочие характеристики транзисторов, при увеличении затрат на производство всего на 2%.

Кроме того, в 90-нанометровом технологическом процессе используется семь слоев в микросхеме (рис. 14), что на один слой больше, чем в 130-нанометровом технологическом процессе, а также медные соединения.

Все эти особенности в сочетании с 300-миллиметровыми кремниевыми подложками обеспечивают корпорации Intel выигрыш в производительности, объемах производства и себестоимости. В выигрыше оказываются и потребители, поскольку новый технологический процесс Intel позволяет продолжить развитие отрасли в соответствии с законом Мура, вновь и вновь повышая производительность процессоров.

Как построить свою микросхему?
Самую простую, вот я не знаю совершено ничего, и даже не знаю что почитать.
Например led это светодиоид, и я хочу заставить его светиться от розетки.
Как,чего,зачем,куда я не знаю, подскажите?
Очень интресно подскажите что почитать

Как отпаять микросхему?
Я в электрониколюбительстве так, чайник ближе к самовару, поэтому тупых вопросов у меня - хоть.

Как подключить микросхему TDA7719
выход то понятно а как вход подключить к обычным "тюльпанам"? .

Как правильно подключить микросхему.
Доброго времени суток! имеется микросхема MLX90316 - цифровой, 14-ти битный датчик угла поворота.

Как добавить микросхему в Keil uVision 4?
Скачал Keil uVision for C51 v9.00 с рутрекера, после чего ее установил. Далее, при попытке создать.

никак.
блок питания
это первое что вам понадобится для построения схем. (заметьте - не МИКРОсхем, а просто схем.)
возможно еще будет нужно +5 вольт и двух полярное ( +12 0 -12) (это для схем сложнее.)

ответ на все вопросы

В том-то и дело. что я еще учусь в 9 классе, я не знаю что за r2 c2 c22 и т.д. и т.п.,
мне как минимум надо закончить первый курс университета, чтобы хоть что-то знать, а следуя из того, что я учусь в 9 классе, я не знаю ни-че-го

Как построить свою микросхему?
Самую простую, вот я не знаю совершено ничего, и даже не знаю что почитать.
Например led это светодиоид, и я хочу заставить его светиться от розетки.
Как,чего,зачем,куда я не знаю, подскажите? Очень интресно подскажите что почитать

Ну микруху ты сам разве что сконструируешь, но не изготовишь, для этого специальное стационарное оборудование нужно, своими руками можно только из деталей что нибудь спаять. Ну печатную плату ещё сам можешь нарисовать на фольгированном пластике, протравить и залудить, просверлить мелким свёрлышком и использовать в качестве основы всего девайса. Но интегральную схему ты руками не сделаешь. И если ты не работаешь конструктором микрух, то вряд ли твой проект пустят в производство. Ну а без знаний будет твой проект ещё и кривой.

Введение

Все статьи цикла:

Микропроцессор своими руками. Часть 1.1.
Микропроцессор своими руками. Часть 1.2.
Микропроцессор своими руками. Часть 2.1.
Микропроцессор своими руками. Часть 2.2. Битовый процессор
Микропроцессор своими руками. Часть 3.1. Ассемблер и софт-симулятор
Микропроцессор своими руками. Часть 3.2. Ассемблер и софт-симулятор
Микропроцессор своими руками. Часть 4.1. Как отладить встроенный в FPGA микроконтроллер?
Микропроцессор своими руками. Часть 4.2. Как отладить встроенный в FPGA микроконтроллер?
Микропроцессор своими руками. Часть 4.3. Как отладить встроенный в FPGA микроконтроллер?
Микропроцессор своими руками. Часть 5.1. По поводу начала проекта встроенного в FPGA микроконтроллера
Микропроцессор своими руками. Часть 5.2. По поводу начала проекта встроенного в FPGA микроконтроллера
Микропроцессор своими руками. Часть 5.3. По поводу начала проекта встроенного в FPGA микроконтроллера
Микропроцессор своими руками. Часть 5.4. По поводу начала проекта встроенного в FPGA микроконтроллера

Введение для студентов

Вернемся в сегодняшний день. Многие из сегодняшних студентов просто не представляют, насколько стремительно меняется техника. Но в темпе изменения техники должны меняться и приоритеты для инженерного труда, и методики обучения. Так, как учились вчера, уже нельзя учиться сегодня. Сегодня молодой инженер, не умеющий пользоваться ORCAD’ом, PICAD’ом, симуляторами электрических цепей типа Electronics Workbench, не способный описать схему на VHDL и написать сотню строчек кода на С++, достоинтолько сожаления. Если вчера было модно программировать видеоигры, базы данных и бухгалтерские программы, то сегодня рынок уже поменялся.

Введения для профессионалов

Рост популярности того или иного направления можно оценить по количеству сайтов в Интернете, на которых отражаются интересы разработчиков.

Фирма Triscend предлагает 40-MHz 8051-ядро на кристалле, с FPGA, доступной пользователю. Аналогичный продукт есть и у фирмы Atmel Corp. — FPSLIC. Более подробное описание по предлагаемым продуктам приведено в Л3, 4.

Часть проекта фирмы Altera ™ по встроенным решениям, процессор Excalibur, а также его вариант реализации — программное ядро встроенного процессора Nios ™. Nios — это встраиваемый процессор общего назначения, с перестраиваемой конфигурацией, который легко вписывается в устройство Altera APEX ™, оставляя большинство логики, доступной для размещения там периферийных устройств и пользовательских функций.

Встраиваемое ядро процессора Nios — конвейерный RISC-процессор, в котором команды выполняются за один цикл частоты синхронизации. Более подробно об этом процессоре можно прочитать в Л5 — 13.

Что же касается российских разработчиков и разработчиков стран СНГ, то здесь несколько иная ситуация. Фирмы-производители микросхем имеют программу по поддержке партнеров-разработчиков ядер (мегафункций). Это и реклама, и сервис, и многое другое. Но для российских разработчиков попасть в партнеры пока еще практически невозможно, и это резко ограничивает их возможности.

Следующее преимущество — специализированные команды пользователя. Это значит, что проектируя микроконтроллер, пользователь может произвести предварительное программирование и определить в потоке команд, выполняемых процессором, группы наиболее часто повторяющихся команд. Если теперь группу таких команд объединить в одну специализированную команду, то быстродействие процессора для данного класса задач увеличится, а программировать его станет легче. Специализированные команды пользователя (см. например, описание команд процессора NIOS), могут быть однотактные или мгоготактные. Они могут выполняться в ALU микропроцессора или в дополнительном вычислительном блоке, подключаемом к ALU, например FFT, FIR и т. д.

И последнее, что необходимо отметить — микроконтроллер получает ту периферию и в таком количестве, как нужно пользователю.

Периферия же может быть самой экзотической: от простого UART’a и до контроллеров Ethernet MAC 10/100 или сопроцессоров DSP.

Среди библиотечных элементов, описывающих периферию для микропроцессора, доступны следующие:

универсальный Асинхронный Приемопередатчик (UART),
таймер,
параллельный ввод — вывод (PIO),
интерфейс SRAM,
SDRAM-контроллер,
интерфейс FLASH памяти,
последовательный периферийный интерфейс (SPI),
контроллер I2C,
модулятор ширины импульса (PWM),
IDE-контроллер диска,
контроллер Локальной сети 10/100 Ethernet (MAC),
контроллер USB.

Конечно, этот список далеко не полный, но он дает представление о том, какой уровень разработок библиотечных элементов достигнут. Подключив требуемые библиотечные элементы, можно сформировать необходимый для конкретного применения микроконтроллер.

У нас же есть конечный автомат, зачем нам что-то еще?

Чтобы сравнить микроконтроллер с конечным автоматом, необходимо сравнить трудоемкость следующих работ:

Команды, выполняемые микропроцессором, определены по времени выполнения и не зависят от программы, выполняемой на данном процессоре. Поэтому микропроцессор обычно выполняется с требуемым быстродействием, и это быстродействие не зависит от конкретного применения, от изменений илидоработок программы при отладке.

Здесь конец лирике и начало проекта

Материал, приведенный в данной статье, написан на основе реальной разработки, описанной в Л14. Упрощенная модель микропроцессора, описанная в данной статье, служит только примером для разработки или изучения. Но тем не менее, она может быть легко доработана для практического использования.

Методика разработки позволяет оценить трудоемкость, определить ресурс, необходимый для реализации микроконтроллера в FPGA. Весь процесс разработки будет состоять из следующих этапов:

Разработка задания на проектирование.
Разработка блок-схемы микропроцессора.
Разработка полей кодов операций.
Разработка кодов команд.
Описание на AHDL блоков, входящих в микропроцессор.
Описание микропроцессора на AHDL.
Написание микропрограммы.
Симуляция микропроцессора с микропрограммой.
Выводы.

Что мы хотим получить?

RISC-процессор, потому что не хочется делать разборку многословных команд. Пусть все наши команды выполняются за один такт синхрочастоты.
Применим для процессора Гарвардскую структуру. Будем считать, что загрузка памяти команд нам не нужна и все команды будут храниться в памяти команд, что и происходит при инициализации микросхемы. Назовем память команд — Program Space (PS). Ограничим область адресов PS 16 битами. Далее возможна страничная адресация памяти, но для большинства случаев и этого уже будет достаточно. Для конкретной реализации микропроцессора введем параметр, описывающий разрядность шины адресов PS.
Расположим память данных в отдельной области памяти. Назовем ее Data Space (DS). Ограничим область адресов DS также 16-ю битами. Для конкретной реализации микропроцессора введем параметр, описывающий разрядность шины адресов DS.
Представим область ввода-вывода в виде набора регистров, дадим им номера 0..15.
Для реализации режима реального времени потребуется вход запроса прерывания — IRQ.
Чтобы отрабатывать прерывания и вызовы подпрограмм, нам будет необходим стек.
Необходимо задать разрядность шины данных. Выберем для определенности разрядность, равную 16 битам.
Будем считать, что системный сигнал СБРОС, действующий внутри кристалла, будет применяться и для нашего микропроцессора.

Построение ядра микропроцессора

Для упрощения положим, что:

аккумулятор/регистр общего назначения будет один,
область DS будет состоять из одного регистра,
область ввода-вывода тоже будет состоять из одного регистра,
применим самую простую структуру выборки данных из памяти, то есть асинхронную выборку и без конвейера команд,
будем считать, что вход запроса прерывания выставляется синхронно с тактовой частотой и длительность входа запроса — 1 такт синхрочастоты.

Данные упрощения сделаны только для сокращения текстов описаний, так как в рамках журнальной статьи приводить обширные описания довольно затруднительно. Тем не менее, счетчик адресов DS полностью аналогичен счетчику адресов PS. Увеличение количества регистров связано только с увеличением описания в области дешифратора управляющих сигналов, которые вырабатываются при операциях записи в эти регистры и с мультиплексором выходных шин от регистров на внутреннюю шину микропроцессора.

На основании задания и сделанных упрощений на микропроцессор получим архитектуру, показанную на рис. 1.

Микропроцессор состоит из набора следующих блоков:

Узел контроля для выработки управляющих воздействий на все блоки микропроцессора — ALU,

Счетчика адресов памяти программ — PS_CNT,

Блока памяти программ — PS,

Блока памяти данных — DS,

Регистров — Rg0 и Rg1.

На входы микропроцессора подадим сигнал синхрочастоты — CLK и сигнал запроса прерывания — IRQ.

Системный сигнал СБРОС подается на микропроцессор, так же как и на все остальные блоки системы (здесь он не показан).

Выходами микропроцессора будут сигналы с выходов регистров Rg0 и Rg1.

Счетчик команд, при загрузке микросхемы или при инициализации системы по сигналу СБРОС, устанавливается в состояние 0 и далее производит счет адресов памяти программ.

Адреса поступают на вход блока PS. Данные, хранящиеся в памяти программ, выбираются в соответствии с поступившим адресом.

Далее данные с выхода PS поступают в ALU.

Для ALU — это будут коды команд микропроцессора. Блоки DS, Stack, Rg0 и Rg1 обмениваютя сигналами с блоком ALU по одной внутренней шине данных.

Сигнал со входа IRQ поступает на ALU и дешифрируется в ALU как код команды, причем сигнал IRQ имеет приоритет в выполнении над кодом команды, поступившим в ALU от PS.

Выберем команды, отвечающие нашим задачам

Опишем группы команд, которые должен исполнять микропроцессор.

LDI Reg,

Загрузка в регистр.приемник константы – (данных из памяти команд по текущему адресу )

MOV Reg, Reg	Запись содержимого одного регистра в другой
MOV Reg, [Mem]	Запись содержимого регистра в память
MOV [Mem], Reg	Запись из памяти в регистр

JMP Addr	Переход по абсолютному адресу
CALL Addr	Вызов подпрограммы (с записью адреса возврата в стек)
RET	Возврат из подпрограммы (по содержимому стека)

Для изучения принципов работы микропроцессора, такого набора команд будет достаточно. На практике набор команд можно дополнять и расширять до необходимого для выполнения конкретного набора задач пользователя. Арифметические операции убраны из списка команд, так как выполнение математических операций в FPGA достаточно описано, и в рамках данной статьи они не рассматриваются.

Определим поля команд

Чтобы определить поля команд необходимо определить наибольшее требуемое поле для выполнения заданных команд. Очевидно, что для данного набора команд самое большое поле требуется для команды MOV Reg, [Mem] и MOV [Mem], Reg. Поле [Mem] — имеет разрядность 16 бит, поле Reg — 4 бита (для 16 регистров). Поэтому выберем разрядность памяти PS — 24 бита. Тогда команда непосредственной записи из памяти в регистр будет выглядеть так:

Команда MOV Reg, Reg пересылки из регистра в регистр будет выглядеть так:

Команда LDI Reg — непосредственная загрузка в регистр-приемник данных из памяти команд по текущему адресу:

23….Коп – 4 бита…20

19…..Reg – 4 бита …16

15 …Const – 16 бит.. 0

Команда JMP Addr — команда безусловного перехода по абсолютному адресу будет выглядеть так:

Команда CALL Addr — команда безусловного вызова подпрограммы по абсолютному адресу будет выглядеть так:

Команда RET команда безусловного возврата из подпрограммы или из прерывания будет выглядеть так:

Итак, нам нужно получить восемь команд для микропроцессора, и, как мы видим, поле кода операции разрядностью в 4 бита позволяет иметь 16 команд. Необходимо отметить, что для более мощных процессоров выбор полей кодов операций — очень серьезная задача, которая и определяет, насколько эффективным будет процессор для конкретного набора команд.

Определим коды операций команд

После того как поля команд определены, и мы знаем разрядность поля кодов операций, можно определить коды операций команд.

Примеры кодов команд

Команда NOP будет иметь код 000000, а JPM 1234 — команда безусловного перехода по адресу 1234 — будет иметь код команды — 101234, MOV 9, 5 — команда пересылки данных из регистра 5 в регистр 9 будет иметь вид 890005 и т. д.

Определим требования к стеку

Для данной задачи применим стек глубиной 8 вложений и разрядностью равной разрядности шине адресов PS. Реализуем стек в отдельной от PS и DS области — на массиве регистров.

Определим требования к прерываниям

Применим следующее решение: при поступлении запроса прерывания будем выполнять переход по фиксированному адресу с занесением адреса возврата в стек.

Определим требования к программному обеспечению

Одним из основных требований к разработке встроенного ПО для микроконтроллеров является требование о необходимости инструментального ПО, то есть нам будет, как минимум, необходим редактор и ассемблер. Для более сложных проектов могут потребоваться симуляторы работы программы, языки высокого уровня, операционные системы и т. д.

Для удобства написания программ можно также создать собственный ассемблер, что сейчас не является трудной задачей даже для среднего программиста. Такой ассемблер ставит в соответствие удобную для восприятия мнемонику с реальными командами микропроцессора.

Однако, и довольно часто, разработчики применяют систему команд тех микропроцессоров к которым они привыкли и к которым уже существуют инструментальные средства разработки ПО. Здесь на первом месте микропроцессоры с системой команд MCS-51, а на втором месте PICmicro. Для этих микропроцессоров имеются как средства разработки, так и огромные библиотеки разработанных программ.

Поскольку проект, описываемый здесь, посвящен только описанию микропроцессора, то дальнейшее описание требований к инструментальному ПО мы опускаем. Будем считать, что у нас есть ассемблер, который преобразует мнемонические коды команд в машинные коды и формирует файл инициализации памяти команд, совместимый с ПО MaxPlus.

Заключение по этапу разработки задания

Мы произвели разработку задания на микропроцессор, выполняющий основные функции, такие, как пересылки данных, ветвление программы, обработка прерываний.

Как делают интегральные микросхемы

Появление интегральных микросхем произвело настоящую технологическую революцию в электронике и IT-индустрии. Казалось бы, всего несколько десятилетий назад для простейших электронных вычислений применялись огромные ламповые компьютеры, занимавшие по несколько комнат и даже целые здания.

Эти компьютеры содержали в себе многие тысячи электронных ламп, которые требовали для своей работы колоссальных электрических мощностей и особых систем охлаждения. Сегодня им на смену пришли компьютеры на интегральных микросхемах.

По сути интегральная микросхема представляет собой сборку из многих полупроводниковых компонентов микроскопической величины, размещенных на подложке и упакованных в миниатюрный корпус.

Один современный чип размером с человеческий ноготь может содержать внутри несколько миллионов диодов, транзисторов, резисторов, соединительных проводников и других компонентов, которые в былые времена потребовали бы для своего размещения пространство довольно крупного ангара.

За примерами далеко ходить не нужно, процессор i7, например, содержит на площади менее 3 квадратных сантиметров более трех миллиардов транзисторов! И это не предел.

Далее теперь рассмотрим основу процесса создания микросхем. Микросхема формируется по планарной (поверхностной) технологии путем литографии. Это значит, что она как бы выращивается из полупроводника на кремниевой подложке.

Первым делом подготавливается тонкая кремниевая пластина, которую получают из монокристалла кремния путем отрезания от цилиндрической заготовки при помощи диска с алмазным напылением. Пластину полируют в особых условиях, чтобы избежать попадания на нее загрязнений и любой пыли.

После этого пластину оксидируют — воздействуют на нее кислородом при температуре порядка 1000°C с целью получить на ее поверхности слой прочной диэлектрической пленки диоксида кремния толщиной в необходимое количество микрон. Толщина получаемого таким образом слоя оксида зависит от времени воздействия кислородом, а также от температуры подложки во время оксидирования.

Далее на слой диоксида кремния наносят фоторезист — светочувствительной состав, который после облучения растворяется в определенном химическом веществе. На фоторезист кладут трафарет — фотошаблон с прозрачными и непрозрачными участками. Затем пластину с нанесенным на нее фоторезистом экспонируют — засвечивают источником ультрафиолетового излучения.

В результате экспонирования та часть фоторезиста, которая находилась под прозрачными участками фотошаблона, изменяет свои химические свойства, и теперь может быть легко удалена вместе с находящимся под ним диоксидом кремния специальными химикатами, при помощи плазмы или другим способом — это называется травлением. По окончании травления незащищенные фоторезистом (засвеченные) места пластины оказываются очищены от засвеченного фоторезиста и затем - от диоксида кремния.

После травления и очищения от незасвеченного фоторезиста тех мест подложки, на которых остался диоксид кремния, приступают к эпитаксии — наносят на кремниевую пластину слои нужного вещества толщиной в один атом. Таких слоев может быть нанесено столько, сколько необходимо. Далее пластину нагревают и осуществляют диффузию ионов определенных веществ, чтобы получить p и n-области. В качестве акцептора используют бор, а в качестве доноров — мышьяк и фосфор.

В завершении процесса производят металлизацию алюминием, никелем или золотом, чтобы получить тонкие проводящие пленки, которые будут выступать в роли соединительных проводников для выращенных на подложке на предыдущих этапах транзисторов, диодов, резисторов и т. д. Таким же образом выводят контактные площадки для монтажа микросхемы на печатную плату.

Читайте также: