Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Számítógép architektúrák 1. A digitális technika alapjai 2. A mikroelektronika alapjai 3. CPU – mikroprocesszorok 4. Számítógépek rendszertechnikája.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Számítógép architektúrák 1. A digitális technika alapjai 2. A mikroelektronika alapjai 3. CPU – mikroprocesszorok 4. Számítógépek rendszertechnikája."— Előadás másolata:

1 Számítógép architektúrák 1. A digitális technika alapjai 2. A mikroelektronika alapjai 3. CPU – mikroprocesszorok 4. Számítógépek rendszertechnikája

2 0. Fogalmak  Hardver (hardware): számítógép elektronikus áramkörei, mechanikus berendezései, kábelek, csatlakozók, perifériák (önmagában nem működőképes)

3 0. Fogalmak  Szoftver (software): számítógépet működőképessé tevő programok és azok dokumentációi  Firmware:  célprogram; mikrokóddal írt, készülék- specifikus (hardverbe ágyazott) szoftver  gyakran flash ROM

4 1. A digitális technika alapjai 1.1. A műszaki rendszer modellje 1.2. Logikai áramkörök (logikai hálózatok) 1.3. Kombinációs logikai hálózatok 1.4. Szekvenciális (sorrendi) logikai hálózatok

5 1.1. A műszaki rendszer modellje

6   Távozó információk   Belső információk   Algoritmusok   Műveletek   Realizációs eszközök   Érkező információk A műszaki rendszer modellje A műszaki gyakorlatban előforduló beren- dezéseket, eszközöket a következő rendkívül általános modell kapcsán tanulmányozzuk:

7 A műszaki rendszer modellje Információk Az információkat fizikailag a rendszerben áramló jelek hordozzák  Analógnak nevezzük azokat a jeleket, melyek valamely fizikai mennyiség folytonos függvény szerinti megváltozása révén jellemzik az információt.  Analóg jel: mind időben, mind amplitúdóban folyamatos jel

8 A műszaki rendszer modellje  Digitálisnak nevezzük azokat a jeleket, melyek számjegyes kifejezésmódban jellemzik az információt.  A-D átalakítás:  mintavételezés (Shannon-Nyquist kritérium),  kvantálás (pl. 8 bit)

9 A műszaki rendszer modellje  Algoritmusok A műszaki rendszer valamilyen feladat megoldása érdekében tevékenykedik. A feladatmegoldás céljából meghatározott sorrendben végrehajtott műveletek együttesét tekinthetjük esetünkben algoritmusnak.

10 A műszaki rendszer modellje  Műveletek A digitális rendszerekben a feladatok megoldása során logikai műveleteket végzünk (ld. később).  Realizációs eszközök Az információt fizikai jelekre képezik le, és a művelteket ezen fizikai jelek feldolgozásával végzik az algoritmus előírásai szerint.

11 Digitális áramkör fogalma Az áramkör bármely pontján mérhető jeleknek csak két állapotát különböztetjük meg, melyekhez két logikai állapotot rendelhetünk.

12 1.2. Logikai áramkörök (logikai hálózatok)

13 Logikai áramkör (hálózat)  A digitális áramkörök modellezésére logikai hálózatokat használunk.  A logikai hálózatok tervezéséhez, leírásához a logikai algebrát (Boole algebrát, George Boole XIX. sz-i matematikus) használjuk

14 Logikai algebra elemei  logikai állandók: 0, 1 (hamis, igaz)  logikai változók: A, B, X, Y stb.  logikai műveletek: és (∙), vagy (+), negáció (A) stb.  logikai kifejezések: pl: ABC + ABC + ABC  logikai függvények: pl: F = ABC + ABC + ABC

15 Logikai kapuk  A logikai áramkörök építőkockái.  A logikai alapműveleteket valósítják meg.  Ezek egyszerű kombinációjával további áramköröket tudunk felépíteni pl. az aritmetikai műveletek megvalósítására.

16 ÉS (AND) kapu X1X1 F = X 1 ·X 2 ·…·X n F XnXn X1X1X1X1 X2X2X2X2F

17 VAGY (OR) kapu X1X1 F = X 1 +X 2 +…+X n F XnXn X1X1X1X1 X2X2X2X2F

18 NEM kapu (inverter, fordító) X F = X F

19 NEM ÉS (NAND) kapu X1X1 F = X 1 ·X 2 ·…·X n F XnXn X1X1X1X1 X2X2X2X2F A legolcsóbb logikai kapu

20 CMOS 4011 quad NAND IC

21 NEM VAGY (NOR) kapu X1X1 F = X 1 +X 2 +…+X n F XnXn X1X1X1X1 X2X2X2X2F

22 Logikai áramkörök  kombinációs áramkörök  szekvenciális (vagy sorrendi) áramkörök

23 1.3. Kombinációs logikai hálózatok

24 Kombinációs logikai hálózatok  A kimeneti jelek értékei csak a bemeneti jelek pillanatnyi értékétől függenek. X1X1 XnXn F1F1 FmFm KH A kimenetek egy-egy függvénykapcsolattal írhatók le. Pl.: F 1 (X 1, X 2, …, X n )

25 Egy logikai hálózat tervezésének lépései  Igazságtábla felállítása (n jel esetén 2 n sorral rendelkező táblázat)  Logikai függvény felírása  (Logikai függvény minimalizálása)  (Hazárdmentesítés)  Megvalósítás logikai kapukkal

26 Kombinációs logikai hálózatok Csak NAND, illetve csak NOR kapukkal bármely logikai áramkör realizálható. De Morgan azonosság:  A + B = A B  A + B = A · B  AB + CD = AB  AB + CD = AB · CD

27 Félösszeadó  Feladata két bit összeadása A B S C FÖ S: összeg C: maradék, átvitel, carry

28 Félösszeadó Igazságtáblája ABSC Logikai függvények C = AB S = AB + AB

29 Félösszeadó Realizálás kapukkal A B S C

30 Teljesösszeadó  Feladata két bit és az előző helyi értékből származó maradék összeadása A C in S C out TÖ B

31 AB C in S C ou t Logikai függvények S = ABC in + ABC in + ABC in + ABC in C out = ABC in + ABC in + ABC in + ABC in (Minimalizálva: C out = AB + BC in + AC in )

32 Két 4 bites szám összeadása A B C in A 1 B 1 Q1Q1 C out S A B C in A 2 B 2 Q2Q2 C out S A B C in A 3 B 3 Q3Q3 C out S A B A 0 B 0 Q0Q0 C out S Carry flag TÖ FÖ

33 Kivonás Visszavezetése összeadásra kettes komplemens kódolással Pl: 5 – 3 = 5 + (-3)  komplemens képzés 3:0011; -3:1101  összeadás: = 2 Általánosan:a+(1111–b+1) =a+(10000–b)=a–b+10000

34 Multiplexer  Feladata több bemenő jel közül egy kiválasztása  2 n adatbemenet, egy adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatbemenetet  Felhasználható még: párhuzamos – soros adatkonverter S 1 S 0 Q Multiplexer B C D A

35 Multiplexer S 1 S 0 Q Multiplexer S 1 S 0 Q B C D A B C D A =0 =1=1 =1=

36 Demultiplexer  Feladata egy jel kapcsolása választható kimenetre  Egy adatbemenet, 2 n adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatkimenetet

37 Demultiplexer S 1 S 0 A Demultiplexer S 1 S 0 A Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q0Q0 =1=1 =

38 Példa: több jel továbbítása egy vezetéken

39 Címdekóder  Feladata cím dekódolása  n bites számot használ bemenetként, és ki tudunk választani vele (be tudjuk állítani 1-re) pontosan egyet a 2 n kimenet közül

40 A0A0 3 bites címdekóder A 2 A 1 A 0 Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q0Q0 A1A1 A2A2 Q5Q5 Q6Q6 Q7Q7 Q4Q4 Q5Q5 Q6Q6 Q7Q7 Q4Q4 =1 =0 = –to-8 decoder

41 Címdekóder A2A2A2A2 A1A1A1A1 A0A0A0A0 Q7Q7Q7Q7 Q6Q6Q6Q6 Q5Q5Q5Q5 Q4Q4Q4Q4 Q3Q3Q3Q3 Q2Q2Q2Q2 Q1Q1Q1Q1 Q0Q0Q0Q

42 1.3. Szekvenciális (sorrendi) logikai hálózatok

43 Szekvenciális logikai áramkör A kimenet függ:  a bemeneti jelkombinációtól és  a hálózatra megelőzően ható jelkombinációktól, azaz a hálózat állapotától. y Y f Z (X, y) f Y (X, y) XZ

44 Szekvenciális logikai áramkör Csoportosításuk:  aszinkron sorrendi hálózatok  szinkron sorrendi hálózatok (órajel)

45 Flip-flop  Elemi sorrendi hálózatok  Két stabil állapotú (0, 1) billenő elemek. Állapotuk megegyezik a kimenettel.  Alkalmazásuk: regiszterek, memóriák (SRAM), számlálók.

46 S - R flip-flop  Set - Reset y Y f(S, R, y) S Y = Z R SR Q old Q X0 10X1 11X-

47 S - R flip-flop 01 Set: Reset: , ,

48 S – R flip – flop Realizálása R S Z y

49 Szinkron flip-flop

50 Számláló

51 2. A mikroelektronika alapjai 2.1. Félvezetők 2.2. Dióda 2.3. Tranzisztorok, logikai kapuk megvalósítása 2.4. Integrált áramkörök 2.5. Memóriák

52 2.1. Félvezetők

53 Vezetési tulajdonságok Tiltott sáv Vezetési sáv Vegyértéksáv Tiltott sáv Vezetési sáv Vegyértéksáv Fémek SzigetelőkFélvezetők A vezetési sáv tele elektronokkal A vezetési sáv üres Kevés elektron a vezetési sávban

54 Félvezetők  Tiszta félvezetők: kevés elektron a veze- tési sávban (termikus elektronok)  vegyértéksávban elektronhiány, lyukak  lyukak elmozdulhatnak, és így hozzájá- rulnak a vezetéshez  az elektronok és lyukak vezetési sajátos- ságai különbözőek

55 Félvezetők nagyon alacsony hőmérsékleten a hőmérséklet emelésével modellezése

56 Félvezetők  Elemi félvezetők: (C), Si, Ge, (Sn, Pb) a IV. főcsoport elemei; tömeges felhasználás digitális ill., analóg célokra tömeges felhasználás digitális ill., analóg célokra  Vegyület félvezetők: pl. GaAs; LED, lézerdióda, mikrohullámú dióda (sütőben) LED, lézerdióda, mikrohullámú dióda (sütőben)

57 Group IV elemental semiconductors Diamond (C) Silicon (Si) Germanium (Ge) Group IV compound semiconductors Silicon carbide (SiC) Silicon germanide (SiGe) III-V semiconductors Aluminium antimonide (AlSb) Aluminium arsenide (AlAs) Aluminium nitride (AlN) Aluminium phosphide (AlP) Boron nitride (BN) Boron arsenide (BAs) Gallium antimonide (GaSb) Gallium arsenide (GaAs) Gallium nitride (GaN) Gallium phosphide (GaP) Indium antimonide (InSb) Indium arsenide (InAs) Indium nitride (InN) Indium phosphide (InP) III-V ternary semiconductor alloys Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Indium gallium arsenide (InGaAs) Aluminium indium arsenide (AlInAs) Aluminium indium antimonide (AlInSb) Gallium arsenide nitride (GaAsN) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium phosphide (AlGaP) Indium gallium nitride (InGaN) Indium arsenide antimonide (InAsSb) Indium gallium antimonide (InGaSb) III-V quaternary semiconductor alloys Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium arsenide phosphide (AlGaAsP) Indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) Aluminium indium arsenide phosphide (AlInAsP) Aluminium gallium arsenide nitride (AlGaAsN) Indium gallium arsenide nitride (InGaAsN) Indium aluminium arsenide nitride (InAlAsN) III-V quinary semiconductor alloys Gallium indium nitride arsenide antimonide II-VI semiconductors Cadmium selenide (CdSe) Cadmium sulfide (CdS) Cadmium telluride (CdTe) Zinc oxide (ZnO) Zinc selenide (ZnSe) Zinc sulfide (ZnS) Zinc telluride (ZnTe) II-VI ternary alloy semiconductors Cadmium zinc telluride (CdZnTe, CZT) Mercury cadmium telluride (HgCdTe) Mercury zinc telluride (HgZnTe) Mercury zinc selenide (HgZnSe) I-VII semiconductors Cuprous chloride (CuCl) IV-VI semiconductors Lead selenide (PbSe) Lead sulfide (PbS) Lead telluride (PbTe) Tin sulfide (SnS) Tin telluride (SnTe) IV-VI ternary semiconductors lead tin telluride (PbSnTe) Thallium tin telluride (Tl2SnTe5) Thallium germanium telluride (Tl2GeTe5) V-VI semiconductors Bismuth telluride (Bi2Te3) II-V semiconductors Cadmium phosphide (Cd3P2) Cadmium arsenide (Cd3As2) Cadmium antimonide (Cd3Sb2) Zinc phosphide (Zn3P2) Zinc arsenide (Zn3As2) Zinc antimonide (Zn3Sb2) Layered semiconductors Lead(II) iodide (PbI2) Molybdenum disulfide (MoS2) Gallium Selenide (GaSe) Tin sulfide (SnS) Bismuth Sulfide (Bi2S3) Others Copper indium gallium selenide (CIGS) Platinum silicide (PtSi) Bismuth(III) iodide (BiI3) Mercury(II) iodide (HgI2) Thallium(I) bromide (TlBr) Miscellaneous oxides Titanium dioxide: anatase (TiO2) Copper(I) oxide (Cu2O) Copper(II) oxide (CuO) Uranium dioxide (UO2) Uranium trioxide (UO3) Organic semiconductors Magnetic semiconductors List of semiconductor materials

58 Félvezetők  A félvezetők vezetési sajátosságai más elemekkel történő szándékos szennye- zéssel (adalékolással) megváltoztathatók.  a, V. főcsoportbeli elemmel adalékolunk szilíciumot  b, III. főcsoportbeli elemmel adalékolunk szilíciumot

59 n típusú félvezető Pl. foszforral (P, V. főcsoport) adalékolunk szilíci- umot. Eggyel több elektron, mely a vezetési sávba kerül. Elektronok vezetik az áramot.

60 p típusú félvezető Pl. bórral (B, III. főcsoport) adalékolunk szilíci- umot. Eggyel kevesebb elektron, mely lyukként a vegyértéksávba kerül. Lyukak vezetik az áramot.

61 2.2. Dióda + n p I Felhasználás: tápegységekben egyen- irányító, védelem, LED, lézerdióda, stb.

62 2.3. Tranzisztorok, logikai kapuk megvalósítása

63 Bipoláris tranzisztor I EC C E n p n IBIB B E: emitter B: bázis C: kollektor B C E Jele: I B vezérli az I EC -t Felhasználás: erősítés, kapcsolás

64 Logikai műveletek megvalósítása kapcsolókkal ÉS VAGY

65 Bipoláris tranzisztor - inverter U táp (pl 5V) U be U ki U be U ki 0 V 5 V AQ01 10 (A) (Q) 5 V 0 V

66 Bipoláris tranzisztor – NOR kapu ABQ A U táp (pl 5V) B Q

67 Bipoláris tranzisztor – logikai kapuk  NAND kapu: tranzisztorok sorba kapcsolása (ld. MOS tranzisztorok)  A kapuk tényleges megvalósítása (az optimális működés érdekében) ettől bonyolultabb, pl. az ún. TTL áramkör családban négy bipoláris tranzisztor és egy dióda alkot egy invertert.

68 MOS tranzisztor M: metal (alumínium, vezető) O: oxid (SiO 2 – kvarc, szigetelő) S: semiconductor (félvezető, n vagy p) D G S O M S G D S Jele: S: source (forrás) G: gate (kapu) D: drain (nyelő) A gate feszültség vezérli a drain-source áramot.

69 MOS inverter U be U táp U ki Működése: ld. inverter bipoláris tranzisztorral:

70 MOS NOR kapu A U táp B Q Működése: ld. NOR kapu bipoláris tranzisztorokkal

71 MOS NAND kapu A U táp Q B ABQ

72 CMOS tranzisztor  Komplementer MOS: egy p és egy n MOS összekapcsolva.  A két tranzisztor ellentétes fázisban működik: amikor az egyik kinyit, akkor a másik bezár.  Előny: nagyon kis fogyasztás (csak átkapcso- láskor folyik rajta keresztül áram).

73 CMOS inverter PMOS NMOS U be U táp U ki U be U táp U ki CMOS inverter MOS inverter U be = 0 U be = 1

74 2.4. Integrált áramkörök  Egy félvezető lapkán (Si chipen) alakítják ki az áramköri elemeket (tranzisztorokat, ellenállá- sokat, vezetékeket, stb.)  A mai IC-k túlnyomó része CMOS technológiával készül.  Napjainkban az áramköri elemek vonal- vastagsága, az ún. csíkszélesség 1-2 tized mikrométer. (VLSI, ULSI – Ultra Large Scale Integration > 10 6 elem/chip, GLSI – Giga Scale Integration > 10 9 elem/chip, )

75 Szilícium egykristály

76 2.5. Memóriák

77 Memória hierarchia Reg. Gyorsítótár Központi memória Szalag Opt. lemez Mágneslemez elérési idő kapacitás kapacitás/ár

78 Memóriák csoportosítása I. Az információ elérése alapján  cím szerinti hozzáférés  tartalom szerinti hozzáférés (cache) II. A hozzáférés belső szervezése alapján  szekvenciális memóriák  tetszőleges sorrendben címezhető memóriák  csak olvasható memóriák (ROM, PROM, EPROM, EEPROM)  írható olvasható memóriák (RAM)  statikus (SRAM)  dinamikus (DRAM)

79 Szekvenciális memóriák  Soros puffer (Sor): FIFO (First In First Out) szervezésű  Veremtár: LIFO (Last In First Out) szervezésű (lokális változók, visszatérési címek)

80 Tetszőleges sorrendben címezhető memóriák felépítése A R/W D in D out memória cella egy bit tárolása sor dekóder író – olvasó erősítő oszlop dekóder

81 ROM Read Only Memory; a gyártó programozza 1 a kiválasztott sorban a tranzisztor be van kötve, lehúzza a feszültséget 0-ra a kiválasztott sor U táp 1 0

82 PROM Programmable Read Only Memory; a felhasználó egyszer „programozhatja”, azaz megfelelő készü- lékkel a kívánt helyeken kiégetheti a cellákban lévő tranzisztorok bekötő vezetékeit. NiCr biztosíték (fuse)

83 EPROM  Erasable Programmable Read Only Memory  UV fénnyel törölhető, majd külön készülékkel újra írható a tartalma.  A cellákban speciális MOS tranzisztorok találhatók, melyeknek a nyitási küszöbfeszültségét lehet beállítani.  Régebben a PC-kben az ún. ROM BIOS ilyen memóriában helyezkedett el.

84 EEPROM  Electrically Erasable Programmable Read Only Memory  Elektromosan törölhető, majd külön készülékkel újra írható a tartalma.  A cellákban speciális MOS tranzisztorok találhatók, melyeknek a nyitási küszöb- feszültségét lehet beállítani.

85 Flash memória  „Villanó memória”  Olyan EEPROM, amelyet a számítógép is képes törölni, majd újraírni (azaz nem kell hozzá külön készülék)  Pen Drive-okban, digitális fényképezőgé- pekben

86 SRAM  Static Random Acces Memory  A tápfeszültség biztosításával korlátlan ideig megőrzi az információt.  A memóriacellában egy flip-flop található.  Kisebb integráltságú (nagyobb méretű egy cella, mint a dinamikus RAM esetén).  A PC-kben a Setup információkat tárolhatják ilyen memóriában, egy elem szükséges a kikapcsolás utáni (igen csekély) tápfeszültség biztosításához. (ún. CMOS)  Nagyon gyorsak: cache.

87 DRAM  Dynamic Random Acces Memory  Az információt egy nagyon pici (és ezért silány minőségű) kondenzátor tárolja.  Szivárgás miatt ez rövid időn belül elveszítené a töltését, ezért időközönként (néhány ms) frissíteni kell a tartalmát.  Nagy integráltságú, a PC-k memóriája ilyen.

88 DRAM egy bit tárolása kiválasztás adat kapuzás

89 DRAM Néhány dinamikus RAM fajta:  SDRAM: Szinkron dinamikus RAM. Kiküszöbölték a szinkronizálás hiányából adódó várakozási ciklusokat. Gond, hogy a memóriák órajelének a frekvenciája lassabban növekszik, mint a processzoré.  DDR SDRAM (Double Data Rate): Az órajel mindkét csúcsán történik egy-egy adatátvitel, ezáltal természetesen gyorsabb elérésű.

90 Paritásbites memóriaellenőrzés memória paritás tartalom bitek paritás hiba

91 Paritásellenőrző áramkör x y x y x XOR y d 0 d 1... „tárolt paritás” bit „számolt paritás” d6d7d6d7


Letölteni ppt "Számítógép architektúrák 1. A digitális technika alapjai 2. A mikroelektronika alapjai 3. CPU – mikroprocesszorok 4. Számítógépek rendszertechnikája."

Hasonló előadás


Google Hirdetések