Báo cáo kiến trúc máy tính đề tài tìm hiểu linh kiện bán dẫn chủ động transistor – thực hành assembly

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN BÁO CÁO KIẾN TRÚC MÁY TÍNH ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU LINH KIỆN BÁN DẪN CHỦ ĐỘNG TRANSISTOR – THỰC HÀNH ASSEMBLY Sinh viên thực hiện: LÊ ĐỨC ANH TUẤN NGUYỄN KHẮC VŨ Lớp : 20IT7 Giảng viên : TS NGUYỄN HÀ HUY CƯỜNG Đà Nẵng, tháng năm 2021 MỞ ĐẦU Quay trở lại dấu mốc lịch sử công nghệ tưởng chừng đơn giản lại khởi thủy bước tiến vĩ đại công nghệ thông tin sau Đó ngày 16/12/1947, bóng bán dẫn giới đời phịng thí nghiệm Bell Trước Transistor đời, việc thể trạng thái on, off hay hệ thống số nhị phân thực nhờ ống chân khơng Cơng nghệ khơng có hiệu cao địi hỏi nhiều ống bóng đèn, nhiệt lượng để thực phép tính tốn đơn giản Chính đời transistor đáp ứng địi hỏi thiết cơng nghệ Nó thiết kế dựa ngắt mạch (switch) Khi chuyển mạch trạng thái on hay off mạch khác tự chuyển trạng thái chạy dừng Ngày transitor tự chuyển trạng thái on hay off 300 tỉ lần giây! Cùng với xuất Transitor - mô tq linh kiênq đảo trạng thái khuyếch đại, dùng thay cho đèn điênq tử crng kềnh, tốn điê qn không tin câyq kéo theo đời chip điện tử Đây loại mạch điê nq tử siêu nhỏ sản xuất sở môtqmảnh silic nhỏ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo học phần Kiến trúc máy tính trước tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giảng viên khoa Khoa học Máy tính Trường Công Nghệ Thông Tin Truyền thông Việt - Hàn Đặc biệt, nhóm em xin gửi đến thầy Nguyễn Hà Huy Cường, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ việc nâng cao kiến thức chuyên môn, phát huy cho chúng em tính tự học, tự tìm hiểu, từ hình thành cho chúng em phương pháp nghiên cứu, tìm tịi, tiếp cận với khoa học cơng nghệ Đrng thời trau dri cho chúng em kỹ học tập động sáng tạo Vì kiến thức cịn hạn chế, trình tìm hiểu đề tài chúng em khơng thể tránh sai sót Chúng em mong nhận nhận xét, đánh giá, đóng góp ý kiến từ thầy để rút kinh nghiệm từ báo cáo học phần chuẩn bị tốt cho báo cáo học phần sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRANSISTOR 1.1 Transistor gì? 1.2 Cấu tạo transistor 1.3 Một số loại transistor phổ biến 1.3.1 Transistor lưỡng cực (BJT) 1.3.2 Transistor hiệu ứng trường (FET, MOSFET) .8 1.3.3 Transistor mối đơn cực (UJT) .9 1.4 Transistor chế tạo nào? 1.5 Phương thức hoạt động 10 CHƯƠNG II: CHỨC NĂNG VÀ SO SÁNH 11 2.1 Chức 11 2.1.1 Transistor làm công tắc .11 2.1.2 Transistor dùng để khuếch đại 12 2.2 So sánh Transistor với bóng đèn điện tử chân khơng .13 2.2.1 Ưu điểm transistor 13 2.2.2 Nhược điểm transistor 14 CHƯƠNG III: BÀI TẬP VỀ ASSEMBLY 15 3.1 Tổng quan ngôn ngữ Assembly 15 3.2 Hiệu hai số ( Nguyễn Khắc Vũ) 16 3.3 Hiển thị dạng Hex số thập phân (Lê Đức Anh Tuấn) 20 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Transistor phân lưỡng cực Hình 2: Transistor hiệu ứng trường Hình 3: Transistor mối đơn cực Hình 4: Transistor dùng làm cơng tắc điện tử 12 Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu 13 Hình 6: Kết tính hiệu hai số (Assembly) 20 Hình 7: Kết đổi số (Assembly) 23 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRANSISTOR 1.1 Transistor gì? Transistor loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường sử dụng phần tử khuếch đại khóa điện tử Transistor nằm khối đơn vị tạo thành cấu trúc mạch máy tính điện tử tất thiết bị điện tử đại Vì đáp ứng nhanh xác nên transistor sử dụng nhiều ứng dụng tương tự số, khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu tạo dao động Transistor kết hợp thành mạch tích hợp (IC), kết hợp với tỉ transistor diện tích nhỏ Cũng giống điốt transistor tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép bán dẫn điện âm nằm hai bán dẫn điện dương ta PNP Transistor Khi ghép bán dẫn điện dương nằm hai bán dẫn điện âm ta NPN Transistor 1.2 Cấu tạo transistor Thơng thường transistor bao grm lớp ghép lại với tạo thành mối tiếp giáp P – N Nếu ta ghép theo thứ tự PNP ta có transistor thuận tương tự NPN ta có transistor nghịch Có thể hình dung transistor tương tự Diode đấu ngược chiều với Cấ trúc gọi Bipolar Junction Transitor (BJT) dịng điện chạy cấu trúc bao grm hai loại điện tích âm dương Ba lớp bán dẫn nối thành cực, lớp ta gọi cực gốc có ký hiệu B (Base) Lớp B mỏng có nrng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát E ( Emitter), cực thu hay cực góp C (Collector) Vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn ( loại N hay P) có kích thước nrng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho 1.3.Một số loại transistor phổ biến 1.3.1 Transistor lưỡng cực (BJT) (a) (b) Hình 1: Transistor phân lưỡng cực 1.3.2 Transistor hiệu ứng trường (FET, MOSFET) (a) (b) Hình 2: Transistor hiệu ứng trường 1.3.3 Transistor mối đơn cực (UJT) (a) (b) Hình 3: Transistor mối đơn cực 1.4 Transistor chế tạo nào? Các Transistor làm từ silicon Silicon chất bán dẫn, có nghĩa khơng thực chất dẫn điện chất cách điện Silicon xử lí tạp chất khiến hoạt động theo cách khác Nếu nguyên tố hóa học asen, phốt pho, antimon silic thu số electron “tự do” bổ sung mang dịng điện dịng điện để electron chảy khỏi cách tự nhiên Do electron có điện tích âm, silicon xử lý theo cách gọi loại N (loại âm) Nếu pha tạp silicon với tạp chất khác boron, gali nhôm Silicon xử lý theo cách có electron “tự do” hơn, electron vật liệu gần có xu hướng chảy vào Chúng ta gọi loại silicon loại P (loại dương) Cả hai loại có điện tích trung hịa điện 10 1.5 Phương thức hoạt động  Transistor hoạt động nhờ đặt điện chiều vào vùng biên (junction) Điện gọi điện kích hoạt (bias voltage)  Mỗi vùng transistor hoạt động diod Vì transistor có hai vùng kích hoạt với điện thuận nghịch Có tất bốn cách thức (mode) hoạt động cho hai PNP hay NPN Transistor  Vùng (The Cut-Off) and (Saturation) modes dùng công tắc ( switch) biểu trạng thái 1, điện số Cách thức hoạt động (Operating EBJ CBJ Mode) Phân cực Cut - Off Phân cực thuận nghịch Active Phân cực thuận Saturation Phân cực nghịch thuận Reverse-Active Nghịch (Reverse) Thuận (Forward) Thuận (Forward) Nghịch (Reverse) Nghịch (Reverse) Nghịch (Reverse) Thuận (Forward) Thuận (Forward)  Phân cực thuận nghịch (The Active mode) dùng cho việc khuếch đại điện thuận  Phân cực nghịch thuận (Reverse-Active) dùng cho việc khuếch đại điện nghịch  Vùng (The Cut-Off) and (Saturation) modes dùng công tắc ( switch) biểu trạng thái 1, điện số Tóm tắt: Qua chương I nhóm nắm tổng quan transistor, loại transistor thị trường đặc biệt cách mà chúng tạo từ silicon Ngồi ra, cịn hiểu cách mà chúng hoạt động 11 CHƯƠNG II: CHỨC NĂNG VÀ SO SÁNH 2.1 Chức Sự hữu ích thiết yếu Transistor xuất phát từ khả sử dụng tín hiệu nhỏ đặt cực để điều khiển tín hiệu lớn cực cịn lại Tính chất gọi Gain Nó tạo tín hiệu đầu mạnh hơn, điện áp dòng điện, tỷ lệ với tín hiệu đầu vào Có nghĩa là, hoạt động khuếch đại Ngồi ra, transistor sử dụng để bật tắt dòng điện mạch khóa điện tử Có hai loại transistor, có khác biệt nhỏ cách chúng sử dụng mạch Transistor lưỡng cực (kí hiệu BJT) có chân Base (cực nền), Collector (cực thu) Emitter (cực phát) Một dòng điện nhỏ đặt vào cực Base (với transistor NPN dòng điện qua cực B cực E ) điều khiển chuyển đổi dòng điện lớn cực Emiter cực Collector Đối với transistor hiệu ứng trường (FET), chân kết nối có tên Gate (cực cửa hay cực cổng), Source (cực nguồn) Drain (cực máng hay cực cống) Nếu điện áp đặt vào chân Gate điểu khiển dịng điện Source Drain 2.1.1 Transistor làm công tắc Các transistor thường sử dụng mạch số khóa điện tử trạng thái "bật" "tắt", cho ứng dụng lượng cao chế độ chuyển mạch ngurn điện cho ứng dụng lượng thấp cổng logic số Các thông số quan trọng cho ứng dụng bao grm chuyển mạch tại, điện áp xử lý, tốc độ chuyển đổi, đặc trưng thời gian sườn lên sườn xuống 12 Hình 4: Transistor dùng làm công tắc điện tử 2.1.2 Transistor dùng để khuếch đại Bộ khuếch đại chung cực phát hay chung emiiter thiết kế hình Khi có thay đổi tín hiệu điện áp V in, làm thay đổi cường độ dòng điện qua cực B Với đặc tính khuếch đại dịng điện transistor, cần dao động nhỏ Vin transistor khuếch đại thay đổi xuất tín hiệu cực C hay Vout Mỗi transistor có nhiều cách mắc khác nhau, tùy thuộc vào chức dùng để khuếch đại dòng, khuếch đại điện áp hay hai Từ đài Radio, điện thoại di động đến TV, hầu hết sản phẩm có khuếch đại âm thanh, hình ảnh, truyền dẫn vơ tuyến, xử lý tín hiệu Bộ khuếch đại âm tín hiệu rời rạc cung cấp vài trăm miliwatts, công suất âm gia tăng lên với chất lượng cấu trúc transistor tốt Ngày nay, transistor bán dẫn có cơng suất lên đến vài trăm watt giá rẻ trước 13 Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu 2.2 So sánh Transistor với bóng đèn điện tử chân khơng 2.2.1 Ưu điểm transistor  Khơng có phận làm nóng cathode, giảm điện tiêu thụ, loại bỏ độ trễ chờ đèn khởi động, không chứa chất độc cathode  Hoạt động mức điện áp thấp sử dụng với pin tiểu  Transistor sử dụng thu nhỏ cỡ nano mét tích hợp IC hay vi mạch  Linh kiện bán dẫn thiết kế linh động, nhỏ gọn  Hiệu suất cao, thường sử dụng ứng dụng lượng  Độ tin cậy tuổi thọ cao, transistor có tuổi thọ 50 năm Khơng đèn chân không hiệu suất giảm dần theo thời gian  Kích thước trọng lượng nhỏ giúp giảm kích cỡ sản phẩm  Ít bị sốc, vỡ rơi va đập 14 2.2.2 Nhược điểm transistor  Đèn chân không khuếch đại tạo nhiễu sóng hài, tạo âm “sạch” nghe nhạc nên nhiều người chơi âm ưa chuộng  Transistor bị “già” hoạt động theo thời gian  Transistor nhạy cảm với tia xạ tia vũ trụ (phải dùng kèm chip xạ đặc biệt cho thiết bị tàu vũ trụ)  Do transistor làm từ chất bán dẫn nên dễ “chết” sốc điện, shock nhiệt  Khi hoạt động công suất lớn tần số cáo đèn chân khơng tốt transistor bán dẫn Tóm tắt: Qua chương II nhóm biết chức transistor ưu nhược điểm transistor so với bóng chân khơng Chính chức ưu điểm vượt mà transistor đem lại đặt móng cho bước tiến vĩ đại công nghê thông tin 15 CHƯƠNG III: BÀI TẬP VỀ ASSEMBLY 3.1 Tổng quan ngôn ngữ Assembly Ngơn ngữ assembly (cịn gọi hợp ngữ) ngôn ngữ bậc thấp dùng việc viết chương trình máy tính Ngơn ngữ assembly sử dụng từ có tính gợi nhớ, từ viết tắt để giúp ta dễ ghi nhớ thị phức tạp làm cho việc lập trình assembly dễ dàng Mục đích việc dùng từ gợi nhớ nhằm thay việc lập trình trực tiếp ngôn ngữ máy sử dụng máy tính thường gặp nhiều lỗi tốn thời gian Một chương trình viết ngơn ngữ assembly dịch thành mã máy chương trình tiện ích gọi assembler (Một chương trình assembler khác với trình biên dịch chỗ chuyển đổi lệnh chương trình assembly thành lệnh Các chương trình viết ngơn ngữ assembly liên quan chặt chẽ đến kiến trúc máy tính Điều khác với ngơn ngữ lập trình bậc cao, phụ thuộc vào phần cứng Trước ngôn ngữ assembly sử dụng nhiều ngày phạm vi sử dụng hẹp, chủ yếu việc thao tác trực tiếp với phần cứng hoặc làm công việc không thường xun Ngơn ngữ thường dùng cho trình điều khiển (tiếng Anh: driver), hệ nhúng bậc thấp (tiếng Anh: low-level embedded systems) hệ thời gian thực Những ứng dụng có ưu điểm tốc độ xử lí lệnh assembly nhanh Mặc dù việc lập trình hợp ngữ lại giúp thấy rõ mối quan hệ thành phần chức bên máy tính hệ điều hành Ngồi ra, giúp hiểu rõ kiến trúc máy tính, tổ chức hoạt động bên máy tính hệ điều hành 16 3.2 Hiệu hai số ( Nguyễn Khắc Vũ)  SOURCE CODE model small stack 100h data b1 db 10,13, 'Moi nhap so thu 1:$' b2 db 10,13, 'Moi nhap so thu 2:$' b3 db 10,13, 'Ket qua hieu la:$' b4 db 10,13, 'Ket qua hieu la:-$' code main proc mov ax,@data mov ds,ax tb1: mov ah,9 lea dx,b1 int 21h mov ah,1 int 21h cmp al, "0" jl tb1 17 cmp al,"9" ja tb1 sub al,30h mov bl,al tb2: mov ah,9 lea dx,b2 int 21h mov ah,1 int 21h cmp al, "0" jl tb2 cmp al,"9" ja tb2 sub al,30h sub bl,al cmp bl,255 jl htam kq: mov ah,9 18 lea dx,b3 int 21h add bl,30h mov ah,2 mov dl,bl int 21h jmp thoat htam: neg bl add bl,30h mov ah,9 lea dx,b4 int 21h mov ah,2 mov dl,bl int 21h thoat: mov ah,4ch int 21h main endp end main 19 20  KẾT QUẢ Hình 6: Kết tính hiệu hai số 3.3 Hiển thị dạng Hex số thập phân (Lê Đức Anh Tuấn)  SOURCE CODE DIS MACRO STR MOV AH,09H LEA DX,STR INT 21H ENDM DATA SEGMENT MSG2 DB "BINARY NUMBER IS : $" STR1 DB 20 DUP('$') STR2 DB 20 DUP('$') NO DW 10 21 LINE DB 10,13,'$' DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME DS:DATA,CS:CODE START: MOV AX,DATA MOV DS,AX LEA SI,STR1 MOV AX,NO MOV BH,00 MOV BL,2 L1:DIV BL ADD AH,'0' MOV BYTE PTR[SI],AH MOV AH,00 INC SI INC BH CMP AL,00 JNE L1 MOV CL,BH LEA SI,STR1 LEA DI,STR2 MOV CH,00 ADD SI,CX 22 DEC SI L2:MOV AH,BYTE PTR[SI] MOV BYTE PTR[DI],AH DEC SI INC DI LOOP L2 DIS LINE DIS MSG2 DIS STR2 MOV AH,4CH INT 21H CODE ENDS END START  KẾT QUẢ 23 Hình 7: Kết đổi số Tóm tắt: Qua chương III nhóm nắm rõ ngơn ngữ Assembly đrng thời thực hành code đơn giản ngơn ngữ lập trình để hiểu rõ cách hoạt động lệnh ngôn ngữ lập trình 24