Számítógép architektúrák

Az előadások a következő témára: "Számítógép architektúrák"— Előadás másolata:

1 Számítógép architektúrák
A digitális technika alapjai A mikroelektronika alapjai CPU – mikroprocesszorok 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 A műszaki rendszer modellje
A műszaki gyakorlatban előforduló beren-dezéseket, eszközöket a következő rendkívül általános modell kapcsán tanulmányozzuk: Érkező információk Távozó információk Belső információk Algoritmusok Műveletek Realizációs eszközök

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 X1 F X1 X2 F Xn 1 1 F = X1·X2·…·Xn 1 1 1

17 VAGY (OR) kapu X1 F X1 X2 F Xn 1 1 1 1 1 1 1 F = X1+X2+…+Xn

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

19 NEM ÉS (NAND) kapu X1 F Xn F = X1·X2·…·Xn X1 X2 F 1 1 1 1 1 1 1
1 Xn 1 1 1 1 F = X1·X2·…·Xn 1 1 A legolcsóbb logikai kapu

20 CMOS 4011 quad NAND IC

21 NEM VAGY (NOR) kapu X1 F X1 X2 F 1 Xn 1 1 1 1 F = X1+X2+…+Xn

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. X1 F1 KH Xn Fm A kimenetek egy-egy függvénykapcsolattal írhatók le. Pl.: F1(X1, X2, …, Xn)

25 Egy logikai hálózat tervezésének lépései
Igazságtábla felállítása (n jel esetén 2n 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 AB + CD = AB · CD

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

28 Félösszeadó Igazságtáblája Logikai függvények A B S C 1 S = AB + AB
1 S = AB + AB C = AB

29 Félösszeadó Realizálás kapukkal A S B C

30 Teljesösszeadó Feladata két bit és az előző helyi értékből származó maradék összeadása A S TÖ B Cout Cin

31 Logikai függvények A B Cin S Cout 1 S = ABCin + ABCin + ABCin + ABCin Cout = ABCin + ABCin + ABCin + ABCin (Minimalizálva: Cout = AB + BCin + ACin)

32 Két 4 bites szám összeadása
A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 A B Cin A B Cin A B Cin A B TÖ TÖ TÖ FÖ Cout S Cout S Cout S Cout S Q3 Q2 Q1 Q0 Carry flag

33 Kivonás Visszavezetése összeadásra kettes komplemens kódolással
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
2n adatbemenet, egy adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatbemenetet Felhasználható még: párhuzamos – soros adatkonverter Multiplexer 4 - 1 A B Q C D S1 S0

35 Multiplexer A B Q C D S1 S0 =0 =1 =0 =1 1 1 A B Q 1 C 1 D 1 1 S1 S0 1
1 Multiplexer 4 - 1 1 A B B Q 1 C 1 Q D C 1 1 S1 S0 D 1 1 S S0 =0 =1 =0 =1

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

37 Demultiplexer 1 1 Q0 Q1 A Q2 Q3 S1 S0 =1 =0 Q0 1 Q1 A Q2 Q3 1 1 S1 S0
1 Q0 Demultiplexer 1 - 4 Q0 1 Q1 A Q1 Q2 A Q3 Q2 1 1 S1 S0 1 Q3 S S0 =1 =0

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 2n kimenet közül

40 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 3–to-8 decoder Q7 =1 =0 =1 A2 A1 A 0 1 1 1 Q0 Q1
1 Q0 1 Q1 1 3 bites címdekóder Q0 Q1 Q2 Q2 A0 1 A1 Q3 Q3 Q4 A2 Q5 1 Q4 Q6 1 Q7 1 1 1 Q5 1 Q6 1 3–to-8 decoder 1 Q7 1 = = =1 A A A 0

41 Címdekóder A2 A1 A0 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 1

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. X fZ(X, y) fY(X, y) Z y Y

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 S R Qold Q 1 X - S f(S, R, y) Y = Z R y Y

47 S - R flip-flop Set: 1 Reset: 1 00 , 01 00 , 10 10 1 1 01

48 S – R flip – flop Realizálása 1 S 1 Z 1 R 1 1 1 1 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
Fémek Szigetelők Félvezetők Vezetési sáv Vezetési sáv Vezetési sáv Tiltott sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv Vegyértéksáv 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 Vegyület félvezetők: pl. GaAs; LED, lézerdióda, mikrohullámú dióda (sütőben)

57 List of semiconductor materials
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

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

62 2.3. Tranzisztorok, logikai kapuk megvalósítása

63 2.3.1. Bipoláris tranzisztor
IEC n p n Jele: C E C B E IB B E: emitter B: bázis C: kollektor IB vezérli az IEC-t Felhasználás: erősítés, kapcsolás

64 Logikai műveletek megvalósítása kapcsolókkal
VAGY

65 Bipoláris tranzisztor - inverter
Utáp (pl 5V) Ube Uki 0 V 5 V 5 V 0 V Uki Ube (Q) A Q 1 (A)

66 Bipoláris tranzisztor – NOR kapu
Utáp (pl 5V) A B Q 1 Q 1 A B 1 1 1

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 2.3.2. MOS tranzisztor D S M O Jele: D G G S S
M: metal (alumínium, vezető) O: oxid (SiO2 – kvarc, szigetelő) S: semiconductor (félvezető, n vagy p) S: source (forrás) G: gate (kapu) D: drain (nyelő) A gate feszültség vezérli a drain-source áramot.

69 MOS inverter Utáp Uki Ube
Működése: ld. inverter bipoláris tranzisztorral:

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

71 MOS NAND kapu Utáp A B Q Q 1 1 1 A 1 1 1 1 B

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 CMOS inverter MOS inverter Ube = 1 Ube = 0 Utáp Utáp Uki
PMOS Uki Ube Uki NMOS Ube

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 > 106 elem/chip, GLSI – Giga Scale Integration > 109 elem/chip, )

75 Szilícium egykristály

76 2.5. Memóriák

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

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
sor dekóder memória cella egy bit tárolása A író – olvasó erősítő oszlop dekóder R/W Din Dout

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

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 kapuzás egy bit tárolása kiválasztás adat

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
d0 d1 ... x y x XOR y „számolt paritás” d6 d7 x y „tárolt paritás” bit