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) 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 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

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. 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

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

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

15 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.

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

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

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

19 NEM ÉS (NAND) kapu X1X1 F = X 1 ·X 2 ·…·X n F XnXn ABQ 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 ABQ

22 Logikai áramkörök kombinációs áramkörök kombinációs áramkörök szekvenciális (vagy sorrendi) 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. 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) Igazságtábla felállítása (n jel esetén 2 n sorral rendelkező táblázat) Logikai függvény felírása Logikai függvény felírása (Logikai függvény minimalizálása) (Logikai függvény minimalizálása) (Hazárdmentesítés) (Hazárdmentesítés) Megvalósítás logikai kapukkal 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 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 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 komplemens képzés 3:0011; -3:1101 összeadás: = 2 összeadás: = 2Általánosan:a+(1111–b+1) =a+(10000–b)=a–b+10000

34 Multiplexer Feladata több bemenő jel közül egy kiválasztása Feladata több bemenő jel közül egy kiválasztása 2 n adatbemenet, egy adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatbemenetet 2 n adatbemenet, egy adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatbemenetet Felhasználható még: párhuzamos – soros adatkonverter 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 Feladata egy jel kapcsolása választható kimenetre Egy adatbemenet, 2 n adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatkimenetet 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 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

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 bemeneti jelkombinációtól és a hálózatra megelőzően ható jelkombinációktól, azaz a hálózat állapotától. 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 aszinkron sorrendi hálózatok szinkron sorrendi hálózatok (órajel) szinkron sorrendi hálózatok (órajel)

45 Flip-flop Elemi sorrendi hálózatok Elemi sorrendi 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. Más néven bistabil multivibrátor Más néven bistabil multivibrátor

46 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-

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

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

49 Aszinkron, 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) 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

55 Félvezetők nagyon alacsony hőmérsékleten a hőmérséklet emelésével modellezése

56 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)

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 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

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) 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. 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. 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).

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.) 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, )

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 cím szerinti hozzáférés tartalom szerinti hozzáférés (cache) tartalom szerinti hozzáférés (cache) II. A hozzáférés belső szervezése alapján szekvenciális memóriák szekvenciális memóriák 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)

79 Szekvenciális memóriák Soros puffer (Sor): FIFO (First In First Out) szervezésű Soros puffer (Sor): FIFO (First In First Out) szervezésű Veremtár: LIFO (Last In First Out) szervezésű (lokális változók, visszatérési címek) 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 Erasable Programmable Read Only Memory UV fénnyel törölhető, majd külön készülékkel újra írható a tartalma. UV fénnyel törölhető, majd külön készülékkel újra írható a tartalma. A cellákban speciális MOS tranzisztorok találhatók, melyeknek a nyitási küszöbfeszültségét lehet beállítani. A cellákban speciális MOS tranzisztorok találhatók, melyeknek a nyitási küszöbfeszültségét lehet beállítani. Régebben a PC-kben az ún. ROM BIOS ilyen memóriában helyezkedett el. Régebben a PC-kben az ún. ROM BIOS ilyen memóriában helyezkedett el.

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

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

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

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

92 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

93 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.

94 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.

95 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

96 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

97

98 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

99 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

100 3.2. A mikroprocesszor általános felépítése

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

102 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.

103 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

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

105 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

106 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)

107 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)

108 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.

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

110 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)

111 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.

112 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.

113 3.3. Utasításkészlet

114 Utasításkészlet A mikroprocesszorok egyik legfontosabb jellemzője, hogy milyen utasításokat ismernek, milyen a gépi nyelvük. A mikroprocesszorok egyik legfontosabb jellemzője, hogy milyen utasításokat ismernek, milyen a gépi nyelvük. A gépi kódú utasítások az ember számára nehezen megjegyezhető bináris jelsorozatok. A gépi kódú utasítások az ember számára nehezen megjegyezhető bináris jelsorozatok. Az assembly nyelv, mely még mindig alacsony szintű, a gépi utasításokat egy-egy szócskával (mnemonikkal) helyettesíti. Az assembly nyelv, mely még mindig alacsony szintű, a gépi utasításokat egy-egy szócskával (mnemonikkal) helyettesíti.

115 Assembly utasítások (8086) MOV: adatmozgatás, pl. MOV AX, 12 (az AX regiszterbe 12 kerül) MOV: adatmozgatás, pl. MOV AX, 12 (az AX regiszterbe 12 kerül) ADD: összeadás, pl. ADD AX, BX (az AX regiszterhez hozzáadja a BX értékét, az eredmény az AX-be kerül) ADD: összeadás, pl. ADD AX, BX (az AX regiszterhez hozzáadja a BX értékét, az eredmény az AX-be kerül) SUB: kivonás, pl. SUB DX, 8 (a DX regiszterből kivon 8-at, az eredmény a DX-be kerül) SUB: kivonás, pl. SUB DX, 8 (a DX regiszterből kivon 8-at, az eredmény a DX-be kerül)

116 Assembly utasítások (8086) MUL: szorzás, pl MUL BL (automatikusan az AL regisztert, mely az AX regiszter alsó felét (8 bit) jelöli szorozza meg a BL-el, mely a BX regiszter alsó felét (8 bit) jelöli, az eredmény az AX-be kerül) MUL: szorzás, pl MUL BL (automatikusan az AL regisztert, mely az AX regiszter alsó felét (8 bit) jelöli szorozza meg a BL-el, mely a BX regiszter alsó felét (8 bit) jelöli, az eredmény az AX-be kerül) DIV: osztás, pl DIV BL (automatikusan az AX regisztert osztja el a BL- el, az eredmény az AL-be kerül) DIV: osztás, pl DIV BL (automatikusan az AX regisztert osztja el a BL- el, az eredmény az AL-be kerül)

117 Assembly utasítások (8086) JMP címke: a címkével megjelölt utasítás- ra ugrik (vezérlés átadás) JMP címke: a címkével megjelölt utasítás- ra ugrik (vezérlés átadás) JZ címke: akkor ugrik, ha a Zero flag aktív (számos ilyen feltételes ugró utasítás van) JZ címke: akkor ugrik, ha a Zero flag aktív (számos ilyen feltételes ugró utasítás van) CMP: összehasonlítás (compare) CMP: összehasonlítás (compare) PUSH, POP: verem írás, olvasás PUSH, POP: verem írás, olvasás

118 Assembly példa Egy programrészlet és annak assembly kódja: if i = 10 then k := 1 else k := 2 CMP i, 10 JNZ Else MOV k, 1 JMP Next Else: MOV k, 2 Next: köv. utasítás

119 Utasítás ciklus (példa) Fetch („elérés”): Fetch („elérés”): Utasítás kód beolvasása Utasítás kód beolvasása Utasítás kód értelmezése (dekódolás) Utasítás kód értelmezése (dekódolás) Operandusok beolvasása Operandusok beolvasása Execute („végrehajtás”) : Execute („végrehajtás”) : Műveletvégzés (ALU) Műveletvégzés (ALU) Eredmény tárolása Eredmény tárolása Következő utasítás címének kiszámítása Következő utasítás címének kiszámítása

120 3.4. Mikroprocesszorok csoportosítása CISC: Complex Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer RISC: Reduced Instruction Set Computer RISC: Reduced Instruction Set Computer

121 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.

122 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.

123 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.

124 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.

125 3.5. Gyorsítási lehetőségek

126 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.

127 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

128 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)

129 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

130 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

131 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.

132 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.

133 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.

134 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)

135 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.

136 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.

137 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).

138 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

139 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.

140 3.9. Segédprocesszorok Régebben a lebegőpontos műveleteket külön segédprocesszor végezte, ma már ezt a főprocesszor (CPU) bekebelezte. Régebben a lebegőpontos műveleteket külön segédprocesszor végezte, ma már ezt a főprocesszor (CPU) bekebelezte. A grafikával kapcsolatos utasításokat, számításokat egy grafikus processzor segítheti (GPU – Graphics Processor Unit). A grafikával kapcsolatos utasításokat, számításokat egy grafikus processzor segítheti (GPU – Graphics Processor Unit). A nagyobb számítógépekre jellemző, hogy célfeladatokat célprocesszorokra bíznak. A nagyobb számítógépekre jellemző, hogy célfeladatokat célprocesszorokra bíznak.

141 4. Számítógépek rendszertechnikája

142 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.

143 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.

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

145 Busz A buszok jellemzésére: A buszok jellemzésére: az adat- és címvonalak számát, az adat- és címvonalak számát, az adatátvitel jellemzőit, időzítési adatait, az adatátvitel jellemzőit, időzítési adatait, a vezérlőjelek típusait, funkcióit kell megadni. a vezérlőjelek típusait, funkcióit kell megadni. A cím lehet memóriacím, vagy egy IO esz- köz címe (portcím). A cím lehet memóriacím, vagy egy IO esz- köz címe (portcím).

146 Busz A vezérlőjelek lehetnek: A vezérlőjelek lehetnek: Adatátvitelt vezérlő jelek, pl.: Adatátvitelt vezérlő jelek, pl.: memória /periféria M/IO- cím a sínen memória /periféria M/IO- cím a sínen írás / olvasás R/W- adat a sínen írás / olvasás R/W- adat a sínen szó / byte átvitel WD/B- átvitel vége szó / byte átvitel WD/B- átvitel vége Megszakítást vezérlő jelek Megszakítást vezérlő jelek Sínvezérlő jelek (kérés, foglalás, visszaigazolás) Sínvezérlő jelek (kérés, foglalás, visszaigazolás) Egyéb... (órajel, ütemezés, táp,...) Egyéb... (órajel, ütemezés, táp,...)

147 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.

148 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.

149 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.

150 4.4. Optikai lemezek CD DA (Compact Disc Digital Audio): 1982 Philips, Sony, Red Book (szabvány) CD DA (Compact Disc Digital Audio): 1982 Philips, Sony, Red Book (szabvány) Átm.: 120mm, vastagság: 1,2mm, középen 15 mm-es lyuk Átm.: 120mm, vastagság: 1,2mm, középen 15 mm-es lyuk Üregek (pit), szintek (land) Üregek (pit), szintek (land) Üreg/szint, szint/üreg átmenet: 1, ennek hiánya: 0 Üreg/szint, szint/üreg átmenet: 1, ennek hiánya: 0 Érzékelés: visszavert fény, interferencia Érzékelés: visszavert fény, interferencia Szektorok (fejléc, adatok, ECC) Szektorok (fejléc, adatok, ECC)

151 Optikai lemezek CD-ROM (Yellow Book, 1984) CD-ROM (Yellow Book, 1984) CD-R (Recordable, Orange Book, 1990): festékréteg átlátszóságának lézerrel történő változtatása; írás, ill. olvasás esetén különböző energiájú a lézer. CD-R (Recordable, Orange Book, 1990): festékréteg átlátszóságának lézerrel történő változtatása; írás, ill. olvasás esetén különböző energiájú a lézer. Track (sáv): egyszerre felírt, egymás utáni szektorok, több sáv összefogható egy szekcióba (session). Track (sáv): egyszerre felírt, egymás utáni szektorok, több sáv összefogható egy szekcióba (session). CD-RW (ReWrite, Orange Book, 1990): fém ötvözet, melynek két állapota van: kristályos és amorf (kis visszaverő képesség), különböző visszaverő tulajdonsá- gokkal. Három eltérő energiájú lézer, nagy: kristályos → amorf, közepes: amorf → kristályos, kicsi: leolvasás. CD-RW (ReWrite, Orange Book, 1990): fém ötvözet, melynek két állapota van: kristályos és amorf (kis visszaverő képesség), különböző visszaverő tulajdonsá- gokkal. Három eltérő energiájú lézer, nagy: kristályos → amorf, közepes: amorf → kristályos, kicsi: leolvasás. (Green Book: Photo CD; White Book: VideoCD) (Green Book: Photo CD; White Book: VideoCD)

152 Optikai lemezek- DVD DVD eredetileg Digital Video Disk, ma hivatalosan Digital Versatile Disk DVD eredetileg Digital Video Disk, ma hivatalosan Digital Versatile Disk kisebb üregek (0,4 mm 0,8 mm helyett) kisebb üregek (0,4 mm 0,8 mm helyett) szorosabb spirál szorosabb spirál vörös lézer (infravörös helyett) vörös lézer (infravörös helyett) Eredmény: hétszeres kapacitás (4,7GB) Eredmény: hétszeres kapacitás (4,7GB)

153 Optikai lemezek - DVD Négy formátum: Négy formátum: egyoldalas, egyrétegű: 4,7GB egyoldalas, egyrétegű: 4,7GB egyoldalas, kétrétegű: 8,5GB egyoldalas, kétrétegű: 8,5GB kétoldalas, egyrétegű: 9,4GB kétoldalas, egyrétegű: 9,4GB kétoldalas, kétrétegű: 17GB kétoldalas, kétrétegű: 17GB Két réteg: alul visszaverő, azon félig vissza- verő. Lézer fókuszálás. Az alsó kapacitása kisebb. Két réteg: alul visszaverő, azon félig vissza- verő. Lézer fókuszálás. Az alsó kapacitása kisebb.

154 4.5. Terminál Billentyűzet + monitor. A nagygépes világban ez a két rész gyakran egybe van építve, és soros vagy telefon vonalon kapcsolódik a géphez. Billentyűzet + monitor. A nagygépes világban ez a két rész gyakran egybe van építve, és soros vagy telefon vonalon kapcsolódik a géphez.

155 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.

156 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.

157 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)

158 4.6. Egerek Mechanikus: két gumikerék Mechanikus: két gumikerék Optikai: egér mozgatása sűrű négyzetrá- csos lapon, LED, fénydetektor, számolja az átlépett vonalak számát. Optikai: egér mozgatása sűrű négyzetrá- csos lapon, LED, fénydetektor, számolja az átlépett vonalak számát. Optomechanikus: tengely, tárcsák résekkel, fényimpulzusok számlálása. Optomechanikus: tengely, tárcsák résekkel, fényimpulzusok számlálása.

159 Egerek Általában az egér három bájtot küld a számítógépnek, ha megtesz egy bizonyos távolságot (egy mickeyt). Általában az egér három bájtot küld a számítógépnek, ha megtesz egy bizonyos távolságot (egy mickeyt). 1. bájt: x irányú elmozdulás az utolsó tized másodpercben, 1. bájt: x irányú elmozdulás az utolsó tized másodpercben, 2. bájt: y irányú elmozdulás az utolsó tized másodpercben, 2. bájt: y irányú elmozdulás az utolsó tized másodpercben, 3. bájt: a gombok aktuális állapota. 3. bájt: a gombok aktuális állapota.

160 4.7. Nyomtatók - Mátrix 7-24 elektromágnesesen aktivizálható tűt tartalmazó nyomtatófej halad el minden nyomtatandó sorban elektromágnesesen aktivizálható tűt tartalmazó nyomtatófej halad el minden nyomtatandó sorban. Felhasználása: Felhasználása: - nagy (>30 cm) előnyomott formanyomtatvá- nyok - nagy (>30 cm) előnyomott formanyomtatvá- nyok - kis papírdarabokra való nyomtatás (pl. ATM) - kis papírdarabokra való nyomtatás (pl. ATM) - többpéldányos leporelló - többpéldányos leporelló

161 Nyomtatók - Tintasugaras Mozgatható patron tintát permetez fúvókáiból. Mozgatható patron tintát permetez fúvókáiból. A fúvókában a tintacseppet elektromosan addig hevítik, amíg fel nem robban, majd a papírra fröccsen. A fúvókában a tintacseppet elektromosan addig hevítik, amíg fel nem robban, majd a papírra fröccsen. A fúvókát ezután lehűtik, és a keletkezett vákuum egy újabb tintacseppet húz be. A fúvókát ezután lehűtik, és a keletkezett vákuum egy újabb tintacseppet húz be. Felbontás egysége: dpi. Felbontás egysége: dpi.

162 Nyomtatók - Lézer Majdnem ugyanaz, mint a fénymásoló. Majdnem ugyanaz, mint a fénymásoló. Forgó, 1000V-ra feltöltött henger fényérzékeny anyaggal bevonva. Forgó, 1000V-ra feltöltött henger fényérzékeny anyaggal bevonva. Lézerfény, töltés elvesztése. Lézerfény, töltés elvesztése. Toner → elektrosztatikusan feltöltött por hozzátapad a feltöltött pontokhoz → papír → felmelegített görgők, rögzítés. Toner → elektrosztatikusan feltöltött por hozzátapad a feltöltött pontokhoz → papír → felmelegített görgők, rögzítés.

163 Nyomtatók - Színes nyomtatás Szubsztraktív (kivonó) színkeverés (a tinta mely színt nyeli el): CYMK (cyan, yellow, magenta, black). Szubsztraktív (kivonó) színkeverés (a tinta mely színt nyeli el): CYMK (cyan, yellow, magenta, black).


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

Hasonló előadás


Google Hirdetések