. . Egyszerű sín alapú számítógép (2.1. ábra)

Az előadások a következő témára: ". . Egyszerű sín alapú számítógép (2.1. ábra)"— Előadás másolata:

1 . . Egyszerű sín alapú számítógép (2.1. ábra)
vezérlőegység Központi feldolgozó egység (CPU) Aritmetikai-logikai egység (ALU) B/K eszközök Regiszterek . . Központi memória Lemez Nyomtató 66-70 sín Egyszerű sín alapú számítógép (2.1. ábra) Máté: Architektúrák 2. előadás

2 Aritmetikai-logikai egység (ALU)
CPU feladata: a memóriában tárolt program végrehajtása. Részei: vezérlőegység, feladata: a program utasításainak beolvasása, az ALU, a regiszterek vezérlése, aritmetikai-logikai egység (ALU) , feladata: az utasítások végrehajtása, regiszter készlet, feladata: részeredmények, vezérlő információk tárolása. A legfontosabbak: utasításszámláló (Program Counter): PC, utasításregiszter (Instruction Register): IR, adatút (data path, 2.2. ábra). vezérlőegység Aritmetikai-logikai egység (ALU) Regiszterek . 66-70 Máté: Architektúrák 2. előadás

3 A regiszter készletből feltöltődik az ALU két bemenő regisztere ALU
Adatút (data path, 2.2. ábra). A regiszter készletből feltöltődik az ALU két bemenő regisztere ALU Az eredmény az ALU kimenő regiszterébe kerül Az ALU kimenő regiszteréből a kijelölt regiszterbe kerül az eredmény Nem biztos, hogy az ALU be- és kimenő regiszterei tényleges regiszterként vannak kialakítva. B A A+B A B ALU 66-70 A+B Máté: Architektúrák 2. előadás

4 CPU (Central Processing Unit) feladatai
a végrehajtandó utasítás betöltése, a betöltött utasítás típusának megállapítása, az ezt követő utasítás címének megállapítása, ha kell, az operandus(ok) helyének megállapítása, ha kell, az operandus(ok) betöltése, az utasítás végrehajtása, ha kell, az eredmény helyének megállapítása, ha kell, az eredmény tárolása, az egész ciklus újra kezdése. 66-72 Máté: Architektúrák 2. előadás

5 Központi memória (2.9. ábra)
A programok és adatok tárolására szolgál. Bit: a memória alapegysége, egy 0-t vagy 1-et tartalmazhat. Memória rekesz (cella): több bit együttese. Minden rekesz ugyanannyi bitből áll. Minden rekeszhez hozzá van rendelve egy szám, a rekesz címe. Egy rekeszre a címével hivatkozhatunk. A rekesz a legkisebb címezhető egység. 83-86 Máté: Architektúrák 2. előadás

6 Központi memória (2.9. ábra)
Cím Rekesz/cella A rekesz hossza manapság legtöbbször 8 bit (byte ~ bájt). n a memória cellák száma 1 n-1 83-86 Rekesz hossza Központi memória (2.9. ábra) Máté: Architektúrák 2. előadás

7 A bitek száma rekeszenként néhány számítógép-történetileg érdekes, kereskedelmi forgalomba került gépen (2.10. ábra) Számítógép Bit Burroughs B1700 1 IBM PC 8 DEC PDP-8 12 IBM 1130 16 DEC PDP-15 18 XDS 940 24 Electrologica X8 27 XDS Sigma 9 32 Honeywell 6180 36 CDC 3600 48 CDC Cyber 60 83-86 Máté: Architektúrák 2. előadás

8 A legmagasabb helyértékű bájt a szóban a
Bájtsorrend A legtöbb processzor több egymás utáni bájttal is tud dolgozni (szó – word, …). A legmagasabb helyértékű bájt a szóban a legalacsonyabb címen: legmagasabb címen: nagy (big) endian kis (little) endian MSBfirst LSBfirst Most/Least Significant Byte first Ha egy 32 bites szó bájtjainak értéke rendre: a, b, c, d, akkor a szó értéke: a*2563+b*2562+c*256+d a+b*256+c*2562+d*2563 86-88 Máté: Architektúrák 2. előadás

9 Bájtsorrend (2.11. ábra) A memória címek úgy vannak fölírva, hogy a legmagasabb helyértékű bájt van bal oldalon. Cim Nagy endian 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Kis endian Cím 3 2 1 7 6 5 4 11 10 9 8 15 14 13 12 86-88 32 bites szó 32 bites szó Máté: Architektúrák 2. előadás

10 Problémák a gépek közötti kommunikációban!
Bájtsorrend (12. ábra) A szövegek karaktereit mindkét esetben növekvő bájt sorrendben helyezik el kis endian Cím 3 T 2 X 1 E 0 T 7 12 6 34 5 56 4 78 4 Cím nagy endian 0 T 1 E 2 X 3 T 4 4 12 5 34 6 56 7 78 Cím 0 T 1 E 2 X 3 T 4 4 78 5 56 6 34 7 12 A TEXT szöveg és az hexadecimális szám elhelyezése a két géptípuson 86-88 Problémák a gépek közötti kommunikációban! Máté: Architektúrák 2. előadás

11 Kódolás: adat + ellenőrző bitek = kódszó.
Két kódszó Hamming távolsága: az eltérő bitek száma. Pl.: és (Hamming) távolsága = 1. Hibaérzékelő kód: bármely két kódszó távolsága > 1: paritás bit. d hibás bit javítása: a kódszavak távolsága > 2d. Egy hibát javító kód (2.13. ábra): m adat, r ellenőrző bit, összesen n = m + r. 2m „jó” szó, + minden „jó” szónak n db „egyhibás” szomszédja van, ezért (1+ n)2m £ 2n = 2m+ r , 2m -mel egyszerűsítve: m + r +1 £ 2r, vagy másképp: m + r  2r szükséges. 88-89 Máté: Architektúrák 2. előadás

12 Minden utasítás tartalmaz műveleti kódot
Minden utasítás tartalmaz műveleti kódot. Ezen kívül tartalmazhat az operandusokra, eredményre vonatkozó információt. Utasítás típusok: regiszter-memória utasítások: a regiszterek és a memória közötti adatforgalom (betöltés, tárolás). Ilyenkor egy regiszter és egy memória cím megadása szükséges a címrészen. regiszter-regiszter utasítások: összeadás, kivonás, … Az eredmény is regiszterben keletkezik. Ilyenkor három regiszter megadása szükséges a címrészen. … Máté: Architektúrák 2. előadás

13 Három cím: cél = forrás1 + forrás2.
Címzési módszerek Három cím: cél = forrás1 + forrás2. A memória sok rekeszt tartalmaz, de csak kevés regiszter van. Egy regiszter néhány bittel címezhető. Regiszterek használata rövidíti a címeket, de nyújtja a programot, ha az operandus csak egyszer kell. A legtöbb operandust többször használjuk. Implicit operandusok: Két cím: regiszter2 = regiszter2 + forrás1. Egy cím: akkumulátor = akkumulátor + forrás1. Nulla cím: verem, pl. az IJVM IADD utasítása. Máté: Architektúrák 2. előadás

14 Operandus megadás Közvetlen operandus (immediate operand): Az operandus megadása az utasításban (5.17. ábra) Direkt címzés (direct addressing): A memóriacím megadása a címrészen. Az utasítás mindig ugyanazt a címet használja. Az operandus értéke változhat, de a címe nem (fordításkor ismert kell legyen!). Regiszter címzés (register addressing): Mint a direkt címzés, csak nem memóriát, hanem regisztert címez. MOV R1 #4 Máté: Architektúrák 2. előadás

15 Regiszter-indirekt címzés (register indirect addresing): A címrészen valamelyik regisztert adjuk meg, de a megadott regiszter nem az operandust tartalmazza, hanem azt a memóriacímet, amely az operandust tartalmazza (mutató - pointer). Rövidebb és a cím változtatható. Önmódosító program (Neumann): Ma már kerülendő (cache problémák!), pl. regiszter-indirekt címzéssel kikerülhetjük. Máté: Architektúrák 2. előadás

16 MOV R1, #0 ; gyűjtsük az eredményt R1-ben,
Pl.:, a 100 szóból álló A tömb elemeinek összeadása (egy elem 4 bájt), ~ ábra. MOV R1, #0 ; gyűjtsük az eredményt R1-ben, ; kezdetben ez legyen 0. MOV R2, #A ; az A tömb címe MOV R3, #A ; a tömb utáni első cím C: ADD R1, (R2) ; regiszter-indirekt címzés a tömb ; aktuális elemének elérésére ADD R2, #4 ; R2 tartalmát növeljük 4-gyel CMP R2, R3 ; végeztünk? BLT C ; ugrás a C címkéhez, ha nem ; kész az összegzés Máté: Architektúrák 2. előadás

17 MOV R1, #0 ; gyűjtsük az eredményt R1-ben, ; kezdetben ez legyen 0.
Indexelt címzés (indexed addressing): Egy eltolási érték (offset) és egy (index) regiszter tartalmának összege lesz az operandus címe, ábra. MOV R1, #0 ; gyűjtsük az eredményt R1-ben, ; kezdetben ez legyen 0. MOV R2, #0 ; az index kezdő értéke MOV R3, #400 ; a tömb mögé mutató index C: ADD R1, A(R2) ; indexelt címzés a tömb ; aktuális elemének elérésére ADD R2, #4 ; R2 tartalmát növeljük 4-gyel CMP R2, R3 ; végeztünk? BLT C ; ugrás a C címkéhez, ha nem ; kész az összegzés , A14-19 Máté: Architektúrák 2. előadás

18 Bázisindex címzés (based-indexed addressing): Egy eltolási érték (offset) és két (egy bázis és egy index) regiszter tartalmának összege lesz az operandus címe. Ha R5 A címét tartalmazza, akkor C: ADD R1, A(R2) helyett a C: ADD R1, (R2+R5) utasítás is írható. Verem címzés (stack addressing): Az operandus a verem tetején van. Nem kell operandust megadni az utasításban. 384, A14-19 Máté: Architektúrák 2. előadás

19 Digitális logikai szint
Digitális áramkör: két érték – általában 0-1 volt között az egyik (pl. 0, hamis), 2-5 volt között a másik (1, igaz). Más feszültségeket nem engednek meg. Kapu (gate): kétértékű jelek valamilyen függvényét tudja meghatározni. Kapcsolási idő néhány ns (nanoszekundum = 10-9 s) Máté: Architektúrák 2. előadás

20 Tranzisztor Ha Vbe = föld, akkor a tranzisztor szigetel  Vki = Vcc
Emitter Bázis Kollektor + Vcc Vbe Vki Ha Vbe = föld, akkor a tranzisztor szigetel  Vki = Vcc Ha Vbe = Vcc, akkor a tranzisztor vezet  Vki = föld Az igaz és hamis, az 1 és 0 kétféle reprezentációja: Vcc = igaz = 1, föld = hamis = 0 (pozitív logika), Vcc = hamis = 0, föld = igaz = 1 (negatív logika). Máté: Architektúrák 2. előadás

21 NEM (NOT) kapu, inverter (3.1-2. ábra)
+ Vcc Szimbolikus jelölése: + Vcc Igazság tábla: A X erősítő Inverziós gömb Nézet Vezérlők eszközkészlet látszódjék A megjeleníteni kívánt .swf file-t a szerkesztendő PPT directory-jába másolni Az utolsó eszközre (További eszközök) bal click Schockwave Flash Object bal click A dián bal click A „borítékot” a megfelelő helyre és méretre vinni. A „borítékon” jobb click Custom melletti üres mezőbe két gyors bal click Movie URL –be beírni a file nevét Embed Movie –t kipipálni OK A dián csak akkor látszik az ábra, ha már vetítettük. Máté: Architektúrák 2. előadás

22 NEM-ÉS (NAND) kapu (3.1-2. ábra)
+ Vcc V1 Vki V2 Szimbolikus jelölése: Igazság tábla: Máté: Architektúrák 2. előadás

23 NEM-VAGY (NOR) kapu (3.1-2. ábra)
Szimbolikus jelölése: + Vcc Vki V1 V2 Igazság tábla: Máté: Architektúrák 2. előadás

24 Szimbolikus jelölése:
ÉS (AND) kapu (3.2. ábra) Szimbolikus jelölése: Igazság tábla: Máté: Architektúrák 2. előadás

25 Szimbolikus jelölése:
VAGY (OR) kapu (3.2. ábra) Szimbolikus jelölése: Igazság tábla: Máté: Architektúrák 2. előadás

26 Boole-algebra Olyan algebra, amelynek változói és függvényei csak a 0, 1 értéket veszik fel, a műveletei: ÉS (konjunkció), VAGY (diszjunkció), NEM (negáció). Igazságtábla: olyan táblázat, amely a változók összes lehetséges értéke mellett megadja a függvény vagy kifejezés értékét. Máté: Architektúrák 2. előadás

27 Diszjunktív normálforma.
Pl. 3 változós többségi függvény (3.3. ábra): értéke 1, ha legalább két argumentuma 1 Igazság tábla: A B C M 1 Boole-algebrai alakja: A fölülvonás a NEM (negáció), az egymás mellé írás az ÉS, a + a VAGY művelet jele. Diszjunktív normálforma. Máté: Architektúrák 2. előadás

28 Boole-függvény megvalósításának lépései (3.3. ábra):
Máté: Architektúrák 2. előadás

29 NAND és NOR előnye: teljesség (3.4. ábra)
Máté: Architektúrák 2. előadás

30 Pl.: AB + AC és A(B + C) ekvivalens (3.5. ábra).
Definíció: Akkor mondjuk, hogy két Boole-függvény ekvivalens, ha az összes lehetséges bemenetre a két függvény azonos kimenetet ad. Két Boole-függvény ekvivalenciája könnyen ellenőrizhető az igazság táblájuk alapján. Pl.: AB + AC és A(B + C) ekvivalens (3.5. ábra). Az első függvény megvalósításához két ÉS és egy VAGY kapura van szükség, a másodikhoz elegendő egy ÉS és egy VAGY kapu. Máté: Architektúrák 2. előadás

31 Néhány azonosság (3.6. ábra)
Máté: Architektúrák 2. előadás

32 A+BC=A+(BC)=(A+B)(A+C)
Disztribúciós szabály: A+BC=A+(BC)=(A+B)(A+C) Jelölje az ÉS műveletet ٨ , a VAGY műveletet ٧ , akkor A ٧ (B ٨ C) = (A ٧ B) ٨ (A ٧ C) Máté: Architektúrák 2. előadás

33 Milyen feladatai vannak a CPU-nak? Mi a központi memória feladata?
Feladatok Milyen feladatai vannak a CPU-nak? Mi a központi memória feladata? Mi a memória cella/rekesz? Mit jelent a big endian kifejezés? Milyen problémát okoz az eltérő bájtsorrend? Mi a Hamming távolság? Mekkora a hexadecimális E6 és C7 Hamming távolsága? Hány ellenőrző bit szükséges 256 kódszó 1 hibát javító kódolásához? Máté: Architektúrák 2. előadás

34 10 bites címek 1024 db 8 bites rekesz 10 1024 12 9 1024 10 11 1024 10
Feladatok Az alábbi memóriák közül melyik lehetséges, melyik ésszerű? Indokolja meg! 10 bites címek db 8 bites rekesz Egy régi gépnek 8192 szavas memóriája volt. Miért nem 8000? Máté: Architektúrák 2. előadás

35 Feladatok A memória 100-adik bájtjától a H 4 bájtos számot és – folytatólagosan – az abcd szöveget helyeztük el. Mi az egyes bájtok tartalma, ha a memória big/little endian szervezésű? Máté: Architektúrák 2. előadás

36 Mi a közvetlen operandus megadás? Mi a direkt címzés?
Feladatok Mi a közvetlen operandus megadás? Mi a direkt címzés? Mi a regiszter címzés? Mi a regiszter-indirekt címzés? Mi az indexelt címzés? Mi a bázisindex címzés? Máté: Architektúrák 2. előadás

37 Mikor mondunk két Boole-függvényt equivalensnek?
Feladatok Mi az igazság tábla? Írja fel a NEM, ÉS, VAGY, NAND, NOR, XOR művelet igazság tábláját! Mi a Bool algebra? Írja fel a 3 változós többségi függvény igazság tábláját és Bool-algebrai alakját! Mikor mondunk két Boole-függvényt equivalensnek? Hogy valósítható meg egy Boole-függvény? Mit jelent a NAND és NOR művelet teljessége? Írja föl a Boole-algebra legfontosabb azonosságait! Mit jelent az áramköri ekvivalencia? Írja fel a De Morgan szabályt! Máté: Architektúrák 2. előadás