Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

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

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "0. Fogalmak Hardver (hardware): számítógép elektronikus áramkörei, mechanikus berendezései, kábelek, csatlakozók, perifériák (önmagában nem működőképes)"— Előadás másolata:

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

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

3 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. 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 Analóg jel: mind időben, mind amplitúdóban folyamatos jel Digitálisnak nevezzük azokat a jeleket, melyek számjegyes kifejezésmódban jellemzik az információt. Digitálisnak nevezzük azokat a jeleket, melyek számjegyes kifejezésmódban jellemzik az információt.

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

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

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

7 ÉS (AND) kapu X1X1 F = X 1 ·X 2 ·…·X n F XnXn ABQ

8 VAGY (OR) kapu X1X1 F = X 1 +X 2 +…+X n F XnXn ABQ

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

10 NEM ÉS (NAND) kapu X1X1 F = X 1 ·X 2 ·…·X n F XnXn ABQ A legolcsóbb logikai kapu

11 CMOS 4011 quad NAND IC

12 NEM VAGY (NOR) kapu X1X1 F = X 1 +X 2 +…+X n F XnXn ABQ

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

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

15 Félösszeadó Realizálás kapukkal A B S C

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

17 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 )

18 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

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

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

21 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

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

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

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

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

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

27 2.1. Félvezetők

28 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

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

30 Félvezetők nagyon alacsony hőmérsékleten a hőmérséklet emelésével modellezése

31 Félvezetők Elemi félvezetők: (C), Si, Ge, (Sn, Pb) a IV. főcsoport elemei; 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; Vegyület félvezetők: pl. GaAs; LED, lézerdióda, mikrohullámú dióda (sütőben) LED, lézerdióda, mikrohullámú dióda (sütőben)

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

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

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

35 2.2. Dióda + n p I Felhasználás: tápegységekben egyen- irányító, védelem, LED, lézerdióda, stb.

36 2.3. Tranzisztorok, logikai kapuk megvalósítása

37 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

38 Logikai műveletek megvalósítása kapcsolókkal ÉS VAGY

39 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

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

41 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.

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

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

44 MOS NAND kapu A U táp Q B ABQ

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

46 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

47 2.4. Integrált áramkörök Egy félvezető lapkán (Si chipen) alakítják ki az áramköri elemeket (tranzisztorokat, ellenállá- sokat, vezetékeket, stb.) Egy félvezető lapkán (Si chipen) alakítják ki az áramköri elemeket (tranzisztorokat, ellenállá- sokat, vezetékeket, stb.) A mai IC-k túlnyomó része CMOS technológiával készül. 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, ) 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, )

48 Szilícium egykristály

49 2.5. Memóriák

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

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

52 3. CPU – mikroprocesszorok 3.1. Történeti áttekintés 3.2. A mikroprocesszor általános felépítése 3.3. Utasításkészlet 3.4. Mikroprocesszorok csoportosítása 3.5. Gyorsítási lehetőségek 3.6. Cache memória 3.7. Megszakítás (Interrupt) 3.8. Közvetlen memóriahozzáférés (DMA) 3.9. Segédprocesszorok

53 A Neumann elvű számítógép felépítése CPUmemória CPU memória háttértárolók I/O eszközök (perifériák) CPU: általános vezérlő, műveletvégző, adat- mozgató egység; a futó program utasításainak végrehajtása; Memória: a futó program kódja, adatai Háttértárolók: hajlékony mágneslemez (floppy), merevlemez (winchester), optikai tárolók, szalagos tárolók, félvezetős tárolók (flash memória chip). Perifériák: monitor, billentyűzet, egér, nyomtató, kommunikációs vonalak, stb.

54 CPU (Central Processing Unit – központi feldolgozó egység): A memóriából olvassa a végrehajtás alatt lévő program bináris utasításai, adatait. Az utasításokra előre meghatározott módon reagál. A memóriából olvassa a végrehajtás alatt lévő program bináris utasításai, adatait. Az utasításokra előre meghatározott módon reagál. Fontos jellemzője a CPU-nak az utasításkészlete. Fontos jellemzője a CPU-nak az utasításkészlete. Mikroprocesszor: Egy chipen kialakított áramkör, mely a számítógép CPU-jának a funkcióját látja el. Mikroprocesszor: Egy chipen kialakított áramkör, mely a számítógép CPU-jának a funkcióját látja el.

55 3.1. Történeti áttekintés 1959: az első Si alapú integrált áramkör megjelenése. 1959: az első Si alapú integrált áramkör megjelenése. 1970: 1000 tranzisztort tartalmazó kalkulátor chip. 1970: 1000 tranzisztort tartalmazó kalkulátor chip. Intel: első mikroprocesszor Intel: első mikroprocesszor

56 Az első mikroprocesszor - Intel 4004 Első általános célú processzor 45 utasítás 2,250 db P-MOS tranzisztor Mérete: 3x4 mm kHz Fogy. ára: 200 USD 10  m-es technológia

57

58 NévMegjele-Adatbusz Max. Tranziszto-Megjegyzés nés ideje (bit) címezhető rok száma memória ,5 KB KB KB 5000első PC 1975-ben KB MB 29 ezerIBM PC 1981-ben /81 MB MB 120 ezerIBM PC/AT védett mód GB 275 ezervirtuális 8086 mód GB 1,2 millió8 KB belső cache Pentium GB több száz milliócsővezeték

59 FAIRCHILD Year of introductionTransistors , , , , , ™ processor , ™ DX processor 19891,180,000 Pentium® processor 19933,100,000 Pentium II processor 19977,500,000 Pentium III processor ,000,000 Pentium 4 processor ,000,000

60 3.2. A mikroprocesszor általános felépítése

61 belső adatbusz ALU Flag-ek utasítás dekódoló és vezérlő egység vezérlő jelek regiszterek címsín pufferadatsín puffer cím jelekadat jelek CPU részei

62 ALU: Aritmetikai és logikai műveletek végzése (ld. összeadó áramkör) ALU: Aritmetikai és logikai műveletek végzése (ld. összeadó áramkör) összeadás, kivonás; összeadás, kivonás; fixpontos szorzás, osztás (léptetések); fixpontos szorzás, osztás (léptetések); lebegőpontos aritmetikai műveletek (korábban koprocesszor); lebegőpontos aritmetikai műveletek (korábban koprocesszor); egyszerű logikai műveletek. egyszerű logikai műveletek.

63 CPU részei Vezérlő egység: Felismeri, elemzi (dekó- dolja) a gépi nyelvű program utasításait, az utasítások alapján működteti a CPU többi egységét, illetve képezi a szükséges címeket. Vezérlő egység: Felismeri, elemzi (dekó- dolja) a gépi nyelvű program utasításait, az utasítások alapján működteti a CPU többi egységét, illetve képezi a szükséges címeket. Vezérlő típusok (ld fejezet): huzalozott vezérlők – hardveres utasítás dekódolás huzalozott vezérlők – hardveres utasítás dekódolás mikroprogramozott vezérlők – mikrokódos utasítás dekódolás mikroprogramozott vezérlők – mikrokódos utasítás dekódolás

64 CPU részei Regiszterek: chipen belüli, közvetlen elérésű tároló elemek. Két fő funkciójuk: műveletvégzéskor az operandusok tárolása műveletvégzéskor az operandusok tárolása címek előállítása. címek előállítása.

65 8086 processzor regiszterei Szegmensregiszterek (címzés) Szegmensregiszterek (címzés) CS – kódszegmens regiszter (Code Segment) CS – kódszegmens regiszter (Code Segment) SS – veremszegmens regiszter (Stack S.) SS – veremszegmens regiszter (Stack S.) DS – adatszegmens regiszter (Data Segment) DS – adatszegmens regiszter (Data Segment) ES – extra adatszegmens regiszter ES – extra adatszegmens regiszter

66 8086 processzor regiszterei Vezérlő regiszterek (címzés) Vezérlő regiszterek (címzés) IP – utasítás mutató (Instruction Pointer v. PC-Program Counter ) IP – utasítás mutató (Instruction Pointer v. PC-Program Counter ) SP – verem mutató (Stack Pointer) SP – verem mutató (Stack Pointer) BP – bázis mutató (Base Pointer) BP – bázis mutató (Base Pointer) SI – forrás index (Source Index) SI – forrás index (Source Index) DI – cél index (Destination Index) DI – cél index (Destination Index)

67 8086 processzor regiszterei Általános célú regiszterek – adatregiszterek (műveletvégzéskor az operandusok tárolása) Általános célú regiszterek – adatregiszterek (műveletvégzéskor az operandusok tárolása) AX (akkumulátor) (AH, AL) AX (akkumulátor) (AH, AL) BX (bázis regiszter) (BH, BL) BX (bázis regiszter) (BH, BL) CX (számláló regiszter) (CH, CL) CX (számláló regiszter) (CH, CL) DX (adatregiszter) (DH, DL) DX (adatregiszter) (DH, DL)

68 8086 címzése kódszegmens: a program utasításai kódszegmens: a program utasításai adatszegmens: a program változói adatszegmens: a program változói veremszegmens: az alprogramok adatai veremszegmens: az alprogramok adatai Egy szegmens kezdőcímét tartalmazza a megfelelő szegmensregiszter, az azon belüli relatív (eltolás – ofszet) címet pedig egy, vagy több vezérlő regiszter.

69 Szegmensek pl. SI DS IP CS kód szegmens adat szegmens verem szegmens memória SP SS

70 Flag-ek Jelzőbitek, melyek vagy a legutóbb elvégzett aritmetikai művelet eredményétől függően vesznek fel értéket, vagy a legutóbb elvégzett aritmetikai művelet eredményétől függően vesznek fel értéket, vagy a processzor állapotára utalnak. vagy a processzor állapotára utalnak. Az előbbiek közül néhány: előjel flag (sign) előjel flag (sign) zéró flag (zero) zéró flag (zero) paritás flag (parity) – az egyesek darabszáma páros paritás flag (parity) – az egyesek darabszáma páros átvitel flag (carry) – a művelet során a legmagasabb helyi értéken képződött-e maradék (vö. 1.3 fejezet 3. példa) átvitel flag (carry) – a művelet során a legmagasabb helyi értéken képződött-e maradék (vö. 1.3 fejezet 3. példa)

71 Flag-ek A processzor állapotára utalnak pl.: trap flag – a program utasításonkénti végrehajtása trap flag – a program utasításonkénti végrehajtása megszakítás flag (interrupt) – a hardver egységek felől érkező megszakítások eljutnak-e a processzorhoz megszakítás flag (interrupt) – a hardver egységek felől érkező megszakítások eljutnak-e a processzorhoz túlcsordulás (overflow) túlcsordulás (overflow) A feltételes ugró utasítások a flag-eket használják a feltételre.

72 Címzés A CPU címjelei kétfélék lehetnek: Memóriacímek: a program utasításainak beolvasására, adatainak írására, olvasásá- ra. Memóriacímek: a program utasításainak beolvasására, adatainak írására, olvasásá- ra. I/O címek: a perifériákkal (I/O – Input/Output) való kommunikációra. I/O címek: a perifériákkal (I/O – Input/Output) való kommunikációra.

73 3.3. Utasításkészlet

74 3.4. Mikroprocesszorok csoportosítása CISC: Complex Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer RISC: Reduced Instruction Set Computer RISC: Reduced Instruction Set Computer

75 CISC processzor Történelmileg a CISC architektúrájú gépek dominálnak. Az elnevezés onnan ered, hogy az újabb CPU-k esetén egyre bonyolultabb feladatokat elvégző gépi utasításokat vezettek be. Jellemzői: Sok (akár néhány száz), bonyolult utasítás. Sok (akár néhány száz), bonyolult utasítás. Utasítások dekódolása mikrokód (ld. lentebb) segítségével. Utasítások dekódolása mikrokód (ld. lentebb) segítségével. Bonyolult címzési módok. Bonyolult címzési módok. Változó hosszúságú utasítások. Változó hosszúságú utasítások. Az utasítások változó számú és általában több óraciklust igényelnek. Az utasítások változó számú és általában több óraciklust igényelnek. Assembly nyelvű programozása, compilerek írása egyszerűbb. Assembly nyelvű programozása, compilerek írása egyszerűbb. Viszonylag kevés regiszter. Viszonylag kevés regiszter.

76 RISC processzor A teljesítmény növelhető csökkentett utasítás- készletű processzorokkal. Statisztikai felmérésekkel igazolható, hogy CISC architektúra esetén is túlnyomórészt dominálnak az egyszerűbb utasítások, a komplex utasításokat csak ritkán használják. Ha lemondunk az összetettebb utasításokról, kicsit nehezebb lesz ugyan az alacsony szintű programozás, de cserében számos előnyt nyerünk, megnő a processzorunk teljesítménye.

77 RISC processzor Kevés, csak a legalapvetőbb utasítások. Kevés, csak a legalapvetőbb utasítások. Utasítások dekódolása közvetlenül hardveresen, fix logikával. Utasítások dekódolása közvetlenül hardveresen, fix logikával. Egyszerűbb címzési módok. Egyszerűbb címzési módok. Azonos hosszúságú utasítások. Azonos hosszúságú utasítások. Az utasítások egyforma ciklusidőt igényelnek. Az utasítások egyforma ciklusidőt igényelnek. Sok regiszter Sok regiszter Mindezek a teljesítményt növelik. Hátránya, hogy kicsit bonyolultabb a programozása, valamint drága. Mindezek a teljesítményt növelik. Hátránya, hogy kicsit bonyolultabb a programozása, valamint drága.

78 Mikrokód vs. hardveres dekódolás Mikrokódos utasítás dekódolás : a CPU a gépi nyelvű utasítást egy mikrokódnak nevezett rövid, beépített program segítségével hajt végre (interpretálja). A mikrokód egy a CPU-n belül található ROM-ban van. Mikrokódos utasítás dekódolás : a CPU a gépi nyelvű utasítást egy mikrokódnak nevezett rövid, beépített program segítségével hajt végre (interpretálja). A mikrokód egy a CPU-n belül található ROM-ban van. Hardveres utasítás dekódolás: az utasításokat egy fix, bonyolult logikai áramkör alakítja át vezérlő jelekké. Hardveres utasítás dekódolás: az utasításokat egy fix, bonyolult logikai áramkör alakítja át vezérlő jelekké. A mikrokódos utasítás dekódolás lassabb, a hardveres dekódolás éppen a nagy, bonyolult áramkör miatt drágább. A mikrokódos utasítás dekódolás lassabb, a hardveres dekódolás éppen a nagy, bonyolult áramkör miatt drágább.

79 3.5. Gyorsítási lehetőségek

80 Teljesítmény értékelési módok A CPU szinkron áramkör – órajel, óraciklus A CPU szinkron áramkör – órajel, óraciklus MIPS – Million Instruction per Second Az egyes utasítások óraciklus száma nem egyforma. Átlag megadása. MIPS – Million Instruction per Second Az egyes utasítások óraciklus száma nem egyforma. Átlag megadása. Adott feladatokhoz szabványos mérőprog- ramok (benchmark) használata. Adott feladatokhoz szabványos mérőprog- ramok (benchmark) használata.

81 Gyorsítási módszerek Órajel frekvencia növelése Órajel frekvencia növelése Hatékonyabb kód, fordítás – utasítások számának csökkentése Hatékonyabb kód, fordítás – utasítások számának csökkentése Az utasításokra eső óraciklusok számának csökkentése – valamilyen párhuzamosítási technika Az utasításokra eső óraciklusok számának csökkentése – valamilyen párhuzamosítási technika

82 Párhuzamosítás a CPU-n belül: pipe line feldolgozás (csővezeték) A gépi utasítás végrehajtása több fázisból áll, például egy elképzelt CPU egy utasítást három fázisban hajt végre: utasítás felhozatal (fetch: F) – az utasítás beolvasása a memóriából utasítás felhozatal (fetch: F) – az utasítás beolvasása a memóriából dekódolás (decode: D) dekódolás (decode: D) az ALU végrehajtja az instrukciót (execute: E) az ALU végrehajtja az instrukciót (execute: E)

83 Csővezeték Az egyes fázisok egymással egy időben, párhuzamosan hajthatók végre, pl. az első utasítás E fázisa alatt a második utasítás D fázisa és a harmadik utasítás F fázisa. 1. utasítás F D E 2. utasítás F D E 3. utasítás F D E

84 Csővezeték CPU óraciklusok utasítás F D E 2. utasítás F D E 3. utasítás F D E 4. utasítás F D E 1. utasítás F D E 2. utasítás F D E 3. utasítás F D E 4. utasítás F D E nincs pipe-line pipe-line

85 Csővezeték A csúcsgépeknek 10, vagy több szakaszos csővezetékük van. A csúcsgépeknek 10, vagy több szakaszos csővezetékük van. Probléma: a programok nem szekvenciális kódsorozatok (elágazások, ciklusok). Probléma: a programok nem szekvenciális kódsorozatok (elágazások, ciklusok). Intenzív kutatások az elágazások jövendölésére. Pl: Egy ún. elágazási előzmények táblában a CPU feljegyzi az elágazásokat, így többszöri előfordulás- kor kikereshetők. Intenzív kutatások az elágazások jövendölésére. Pl: Egy ún. elágazási előzmények táblában a CPU feljegyzi az elágazásokat, így többszöri előfordulás- kor kikereshetők.

86 Szuperskalár architektúra Egy csővezeték helyett jobb a kettő. Egyszerre két utasítás beolvasása, két ALU. 486: egy csővezeték, 486: egy csővezeték, Pentium: két ötfázisú csővezeték. Pentium: két ötfázisú csővezeték.

87 Hyper-Threading technológia Az operációs rendszer egyetlen fizikai processzort két logikai processzorként lát. Az operációs rendszer egyetlen fizikai processzort két logikai processzorként lát. Párhuzamosság kiterjesztése az utasítások szintjéről a programszálak szintjére. Párhuzamosság kiterjesztése az utasítások szintjéről a programszálak szintjére. Több magos processzorok

88 Multiprocesszoros rendszerek Több processzor, melyek közös memóriát használnak. (Mint mikor több ember egy teremben ugyanazt a táblát használja.) Több processzor, melyek közös memóriát használnak. (Mint mikor több ember egy teremben ugyanazt a táblát használja.) Multiszámítógépek Nagyszámú összekapcsolt számítógép, mind saját memóriával. (~10000 gép) Nagyszámú összekapcsolt számítógép, mind saját memóriával. (~10000 gép)

89 3.6. Cache memória Probléma: a központi memória általában sokkal lassabb, mint a processzor. Probléma: a központi memória általában sokkal lassabb, mint a processzor. Cache memória: a CPU és a nagy méretű dinamikus RAM memória között elhelyezkedő kisebb méretű, gyorsabb elérésű (drágább) memória. Cache memória: a CPU és a nagy méretű dinamikus RAM memória között elhelyezkedő kisebb méretű, gyorsabb elérésű (drágább) memória.

90 Cache memória Az utoljára használt memória területeket a cache-be másolja a rendszer, így ezek elérése lényegesen gyorsabb. Az utoljára használt memória területeket a cache-be másolja a rendszer, így ezek elérése lényegesen gyorsabb. Tartalom szerinti elérésű. Tartalom szerinti elérésű. Általában statikus RAM. Általában statikus RAM. A mikroprocesszoron belül, illetve azon kívül is elhelyezkedhet. A mikroprocesszoron belül, illetve azon kívül is elhelyezkedhet. Szétválasztott gyorsítótár: utasítás, adat. Szétválasztott gyorsítótár: utasítás, adat. Két, három szintű gyorsítótárak. Két, három szintű gyorsítótárak.

91 3.7. Megszakítás (Interrupt) Erőltetett vezérlésátadás, ugrás egy megszakítás kezelő rutinra. Erőltetett vezérlésátadás, ugrás egy megszakítás kezelő rutinra. Kiválthatja egy a mikroprocesszorban előforduló esemény (pl. nullával való osztás), Kiválthatja egy a mikroprocesszorban előforduló esemény (pl. nullával való osztás), érkezhet megszakítás a hardver egységek felöl (pl. a lemezes tárolóról az adatok beolvasása a memóriába megtörtént), érkezhet megszakítás a hardver egységek felöl (pl. a lemezes tárolóról az adatok beolvasása a memóriába megtörtént), egy program is tartalmazhat megszakítási utasítást (pl. egy operációs rendszeri szolgáltatás, rendszer- hívás, igénybevételére). egy program is tartalmazhat megszakítási utasítást (pl. egy operációs rendszeri szolgáltatás, rendszer- hívás, igénybevételére).

92 Megszakítás Tehát a megszakítások három fajtája: Tehát a megszakítások három fajtája: processzor megszakítás processzor megszakítás hardver megszakítás (IRQ: Interrupt ReQuest) hardver megszakítás (IRQ: Interrupt ReQuest) szoftver megszakítás szoftver megszakítás

93 3.8. Közvetlen memóriahozzáférés (DMA – Direct Memory Access) (DMA – Direct Memory Access) A memória és egy periféria (pl. merev- lemez) közötti közvetlen adatátvitel. A DMA vezérlő irányítja az adatforgalmat, így a CPU közben egy másik program kódját futtathatja. A memória és egy periféria (pl. merev- lemez) közötti közvetlen adatátvitel. A DMA vezérlő irányítja az adatforgalmat, így a CPU közben egy másik program kódját futtathatja.

94 4. Számítógépek rendszertechnikája

95 4.1. Részegységek CPUmemória CPU memória háttértárolók I/O eszközök (perifériák) CPU: általános vezérlő, műveletvégző, adat- mozgató egység; a futó program utasításainak végrehajtása; Háttértárolók: hajlékony mágneslemez (floppy), merevlemez (winchester), optikai tárolók, szalagos tárolók, félvezetős tárolók (flash memória chip). Memória: a futó program kódja, adatai Perifériák: monitor, billentyűzet, egér, nyomtató, kommunikációs vonalak, stb.

96 4.2. A mikroszámítógépek szokásos felépítése Általános megoldás, hogy a részegységek egy rendszersínen (rendszerbuszon) keresztül kapcsolódnak egymáshoz Általános megoldás, hogy a részegységek egy rendszersínen (rendszerbuszon) keresztül kapcsolódnak egymáshoz Tipikusan a rendszerbusz, mikroprocesszor, memória, valamint az eszközvezérlők nagy része az alaplapon helyezkedik el. Tipikusan a rendszerbusz, mikroprocesszor, memória, valamint az eszközvezérlők nagy része az alaplapon helyezkedik el. Bővítőkártyák is tartalmazhatnak eszközvezérlő- ket (régebben ez volt az általános). Bővítőkártyák is tartalmazhatnak eszközvezérlő- ket (régebben ez volt az általános). Az eszközvezérlő képes lehet DMA-t végezni. Ha kész, megszakítást vált ki. Az eszközvezérlő képes lehet DMA-t végezni. Ha kész, megszakítást vált ki.

97 A mikroszámítógépek felépítése cím adat vezérlő mikro- processzor memória lemez vezérlő I/O vezérlő monitor vezérlő billentyűzet vezérlő billentyűzet monitor printer HDFD

98 4.3. Mágneslemezek A merevlemez egy, vagy több mágnesez- hető bevonattal ellátott alumíniumkorong- ból áll. A merevlemez egy, vagy több mágnesez- hető bevonattal ellátott alumíniumkorong- ból áll. Eredetileg 50 cm átmérőjű volt. Eredetileg 50 cm átmérőjű volt. A fej egy indukciós tekercs, mely a mágne- ses polaritását a lemez kis területeinek megváltoztatja, illetve érzékeli. A fej egy indukciós tekercs, mely a mágne- ses polaritását a lemez kis területeinek megváltoztatja, illetve érzékeli.

99 Mágneslemezek Sáv: egy teljes körülfordulás alatt felírt bitsoro- zat. Szektorokra osztás (512 bájt). Sáv: egy teljes körülfordulás alatt felírt bitsoro- zat. Szektorokra osztás (512 bájt). Sáv formátum: Sáv formátum: fejléc, adatbitek, ECC, szektorrés, fejléc, adat- bitek, ECC, szektorrés, … fejléc, adatbitek, ECC, szektorrés, fejléc, adat- bitek, ECC, szektorrés, … ECC (Error Correcting Code) – hibajavító kód ECC (Error Correcting Code) – hibajavító kód A formázott kapacitás kb. 15%-kal kisebb, mint a formázatlan. A formázott kapacitás kb. 15%-kal kisebb, mint a formázatlan.

100 Mágneslemezek Winchester: légmentesen lezárva. IBM: erede- tileg 30MB lezárt, 30MB cserélhető tárolóhely (30 – 30 winchester puska) Winchester: légmentesen lezárva. IBM: erede- tileg 30MB lezárt, 30MB cserélhető tárolóhely (30 – 30 winchester puska) Cilinder: adott sugarú sávok összessége. Cilinder: adott sugarú sávok összessége. Vezérlők: Vezérlők: IDE (Integrated Drive Electronics): meghajtóba integrált vezérlő IDE (Integrated Drive Electronics): meghajtóba integrált vezérlő SCSI (Small Computer System Interface): nagyobb átviteli sebesség. Tulajdonképpen egy sín, amelyre egy SCSI vezérlő és max. 7 egység csatlakozhat. SCSI (Small Computer System Interface): nagyobb átviteli sebesség. Tulajdonképpen egy sín, amelyre egy SCSI vezérlő és max. 7 egység csatlakozhat.

101 Billentyűzet Egy billentyű leütésekor megszakítás generálódik, és a billentyűzet megszakítás kezelő (az operációs rendszer része) elindul. Egy billentyű leütésekor megszakítás generálódik, és a billentyűzet megszakítás kezelő (az operációs rendszer része) elindul. A megszakítás kezelő kiolvassa a billentyűzet vezérlő regisztereiből a leütött billentyű kódját. A megszakítás kezelő kiolvassa a billentyűzet vezérlő regisztereiből a leütött billentyű kódját. Amikor a billentyűt felengedtük, egy második megszakítás keletkezik. Amikor a billentyűt felengedtük, egy második megszakítás keletkezik. Pl.: shift le, k le, k fel, shift fel → K. Pl.: shift le, k le, k fel, shift fel → K.

102 Monitorok Katódsugárcsöves (Cathode Ray Tube, CRT) Katódsugárcsöves (Cathode Ray Tube, CRT) LCD (Liquid Crystal Display) LCD (Liquid Crystal Display) Elektromos mező felhasználásával a molekulák elrendeződése, így optikai tulajdonságaik megváltoztathatók. Sok változata létezik, a technológia gyorsan változik. Pl: TFT (Thin Film Transistor) a folyadékkristályos kijelző minden egyes képpontját egy-egy tranzisztor vezérli.

103 Monitorok - megjelenítés Karaktertérképes terminálok Karaktertérképes terminálok A CPU a videó memóriába ír: 2 bájtot: karakter, attribútum. A videókártya feladata, hogy folyamatosan olvassa a videó memóriát és a monitor meghajtásához szükséges jeleket generálja. Bittérképes (grafikus) terminálok Bittérképes (grafikus) terminálok Pixelek. Nagy videó memória. Szín előállítása: additív (összeadó) színkeverés (R, G, B) Szín előállítása: additív (összeadó) színkeverés (R, G, B)


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

Hasonló előadás


Google Hirdetések