Bevezetés a számítástechnikába

Bevezetés a számítástechnikába Architektúrák Fodor Attila Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kar Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék [email protected]

2010 október 19/27.

Architektúrák

Architektúrák

Bevezetés

Hardware (jelentése : fémcikk) Software (jelentése nincs szójáték a HW szóból) Részei: Program Dokumentáció

A hardware fő feladatai: adatok bevitele adatok tárolása adatok feldolgozása adatok kivitele (Az irányítást a központi vezérlő egység végzi (CPU)) Beviteli, kiviteli eszközöket (strange) perifériális egységeknek nevezzük

Fodor Attila (Pannon Egyetem)

Bevezetés a számítástechnikába

2010 október 19/27.

2 / 66

Architektúrák

Neumann elv

Neumann János (1903-1957) Matematikus, fizikus A számolás gépesítésével foglalkozott Neumann elv (1945 - EDVAC)



2010 október 19/27.

3 / 66

Architektúrák

Neumann elv

Neumann elv (ismétlés)

soros utasítás (utasítások végrehajtása időben egymás után történik) kettes (bináris) számrendszer használata belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására teljesen elektronikus működés széles körű felhasználhatóság központi vezérlőegység alkalmazása



2010 október 19/27.

4 / 66

Architektúrák

Számítógép felépítése

Számítógép perifériák csatlakozása/csoportosítása



2010 október 19/27.

5 / 66

Architektúrák


A számítógépek architektúrájának elvi felépítése



2010 október 19/27.

6 / 66

Architektúrák


Központi vezérlő egység (CPU) Feladata programutasítások végrehajtása zárt hatásláncú kombinációs hálózat különböző egységeket utasít (beállít)

A processzor gépi kódú utasításokat hajt végre, melyeket a memóriában tárol tárolja, rendkívül gépközeli, ismerni kell a processzor felépítését → processzor függő, ami a kompatibilitást befolyásolja Műveleti Kód + Operandusrész Assembly programozási nyelv tömör nincs felesleges feladatvégzés kis tárigényű

ALU aritmetikai és logikai utasítások végrehajtása (+,-,*,/) alap logikai függvények és relációk kiértékelése



2010 október 19/27.

7 / 66

Architektúrák


A számítógép részegységei Operatív tár Az éppen futó programot és a program végrehajtásához szükséges adatok egy részét tartalmazza (Neumann)

I/O processzor perifériák kezelése CPU tehermentesítése CPU → periféria (adatforgalom) DMA (Direct Memory Access) Működése gépenként különböző

Háttértárolók Mozgó alkatrészeket tartalmaz (optomágneses, mágneses, lézerholografikus) előnyei: nagy tárolókapacitás, külső tápellátás nélkül tárol, nagyobb tárolási idő hátrányai: lassú Mozgó alkatrészeket nem tartalmazó (Flash, EEPROM, SSD) előnyei: gyors hozzáférés Fodor Attila (Pannon Egyetem)


2010 október 19/27.

8 / 66

Architektúrák


A számítógép részegységei

MMI (Man Machine Interface) párbeszédes perifériák (billentyűzet, képernyő, stb.) az ember a leglassabb periféria

Adatátviteli berendezések különböző távolságú átvitelre használjuk (1m-től x km-ig) általában gép-gép közötti kapcsolatot valósítanak meg

Software célja a felhasználó sokoldalú és hatékony segítsége!!! SW-eket háromféle csoportba sorolhatjuk: 1. felhasználói szoftverek 2. rendszerközeli szoftverek (utility, segédprogram) 3. rendszer szoftver (BIOS, operációs rendszerek)



2010 október 19/27.

9 / 66

Architektúrák


Architektúrák és a használt oprerációs rendszerek

IBM, ESZR gépek OS operációs rendszer

PDP, MSZR, VAX RSX11 és a VMS operációs rendszer

APPLE MAC OS operációs rendszert

IBM PC/XT/AT DOS, Win 3.x, OS/2, Windows 95/98/Me, WINDOWS NT/2000/XPVista/7; LINUX, (Solaris, VxWorks) operációs rendszerek

Workstation UNIX és a SOLARIS operációs rendszereket



2010 október 19/27.

10 / 66

Architektúrák

CPU

CPU Jellemzői sebesség: a végrehajtott utasítások száma másodpercenként (MIPS = Millions of Instruction Per Second) Ez a legegyszerűbb művelet sebességét méri (NOP) MFLOPS: Azt mutatja meg, hogy hány darab lebegőpontos műveletet hajt végre 1s alatt órajel frekvencia (MHz, GHz) adat-, címbusz szélessége (bit) utasításkészlet (RISC, CISC) tranzisztorok száma magok száma tokozás (lábkiosztás) - foglalat típusa hűtés (hűtőbordák, ventillátor)



2010 október 19/27.

11 / 66

Architektúrák

CPU

CPU - Moore szabály Tranzisztorok száma 18 hónaponként megkétszereződik azaz: változatlan áron évről évre egyre nagyobb teljesítményű számítógépet kaphatunk



2010 október 19/27.

12 / 66

Architektúrák

CPU

CPU - Moore szabály 2



2010 október 19/27.

13 / 66

Architektúrák

CPU

CPU - Moore szabály 3



2010 október 19/27.

14 / 66

Architektúrák

CPU

CPU - Technológia



2010 október 19/27.

15 / 66

Architektúrák

CPU

CPU - Tokozás



2010 október 19/27.

16 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) PC, PC/XT 1972, 8008-as, 8080-as 1978, 8086-os, 8088-as, 10 MHz 1983, 80168-as, 80188-as, 16 MHz



2010 október 19/27.

17 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) PC/AT (286) 1984, 80286-os, 20 Mhz



2010 október 19/27.

18 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) PC/AT (386) 1985, 80386-os, 4 Gbyte memória kezelése, 33 Mhz 386SX, 386DX változatok



2010 október 19/27.

19 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) PC/AT (486) 1989, 80486-os, párhuzamos végrehajtás, cache beépítése, 50 MHz 1992, DX2 jelű változat, az órajel sebességének duplájával működött 1994, DX4 jelű változat, az órajel sebességének háromszorosával működött (hűtés fontossága)



2010 október 19/27.

20 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Pentium, Pentium Pro, MMX 1995, 64 bites adatbusz, 200 MHz órajel frekvencia



2010 október 19/27.

21 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Pentium II, Xeon 1997, Slot 1 foglalat, 2 cache gyorsítótár Xeon szerverekbe szánt változat

Celeron, Celeron A 1998, a Pentium II olcsóbb változata, L2 cache a processzorba építve, teljesítménye jól tuningolható

Pentium III, IV 2001, Pentium II továbbfejlesztése



2010 október 19/27.

22 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Hyper-Threading Technology Többszálas CPU-k megjelenése (P4-től)

Pentium M Noteszgépekhez készült processzor

Intel Core2/Quad Több magos processzorok megjelenése



2010 október 19/27.

23 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Intel Atom



2010 október 19/27.

24 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Intel Quad magja

MISC - Minimal Instruction Set Computer QPI - (Intel) QuickPath Interconnect Fodor Attila (Pannon Egyetem)


2010 október 19/27.

25 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Intel Core i7/i5 Több magos processzorok Új foglalat i5 - nomál felhasználásra i7 - nagyobb kapacítású (felső kategória)



2010 október 19/27.

26 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Intel i7



2010 október 19/27.

27 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel)

Intel i7 (Core6 Gulftown) (32nm-es technológia)



2010 október 19/27.

28 / 66

Architektúrák

CPU

Processzortípusok (Intel) Intel i7 (Core6 Gulftown) Wafer



2010 október 19/27.

29 / 66

Architektúrák

CPU

Több magos processzorok (Wafer) Intel 22nm-es technológiával gyártott Wafer



2010 október 19/27.

30 / 66

Architektúrák

CPU

Több magos processzorok (Wafer) AMD Phenom Quad Wafer (45nm-es technológia)



2010 október 19/27.

31 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memóriák

Feladata: állapot tárolása (0 vagy 1) adat beírása, törlése adat kiolvasása

Jellemző tulajdonságai Elérési idő Nagyság (bit, Byte, KByte, MByte, GByte) Tokozás Tápfeszültség



2010 október 19/27.

32 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Relé

A relék hátrányai: nagy méret nagy fogyasztás rendkívül lassú (0.1 s-os reagálási idő )



2010 október 19/27.

33 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Relé A relék további hátránya: Külső környezetre érzékeny Öregednek a relék mozgó alkatrészei

Az első "Computer BUG" Harvard Mark II (1945 szeptember 9.)



2010 október 19/27.

34 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Elektroncső Hátrányai nagy a fogyasztása (nagyobb, mint a relé) nagy hővezetés kis megbízhatóság

Előnye: gyors (reléhez képest)



2010 október 19/27.

35 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Elektroncső



2010 október 19/27.

36 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Elektroncső



2010 október 19/27.

37 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória Mágneses elven működik A mágneses tulajdonságát egy anyag úgy veszítheti el, ha nincs másik mágneses mező a közelben, ami kioltaná, ahogy melegítjük. (Tc a jele az ehhez szükséges hőmérsékletnek) Ha mágneses mezővel akarjuk kioltani µr 1, ahol µr az anyag relatív permeablilítása B = µH˙ Ui = dφ dt



2010 október 19/27.

38 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória

A méretet minimalizálni kellett, ezért egysoros tekercsekből áll. De ha a soron végigmegy az áram az egész sor felmágneseződik. Emiatt oszlopokat is létrehoztak. Csak ott fog felmágneseződni, ahol a két áramerőség összeadódik, mert csak itt elég nagy az áramerősség. (Így tárol adatot) A kiolvasás úgy történik, hogy beírunk egyet Ha a tekercs 1 volt, akkor nem történik semmi φ = konstans → Ui = 0 Ha a tekercs 0 volt, akkor felmágneseződik a mag φ változik → Ui 6= 0

Kiolvasás után vissza kell írni az eredeti állapotot



2010 október 19/27.

39 / 66

Architektúrák

Memóriák




2010 október 19/27.

40 / 66

Architektúrák

Memóriák


Előny: kishelyen is elfér (kisebb, mint a tranzisztoros) nem kell külső áramforrás 1 mikroszekundumos elérési sebesség a számítógép kikapcsolása után is megtartották az adatot Hátrány: óvni kell őket az erős mágnese tértől és a magas hőmérséklettől: Tcurie → B = 0 lemágneseződik



2010 október 19/27.

41 / 66

Architektúrák

Memóriák




2010 október 19/27.

42 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Tranzisztor

Előnyei: kis méret nagyon megbízható gyors



2010 október 19/27.

43 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - TTL Előnyei: kisebb méret kisebb fogyasztás nagyobb élettartam



2010 október 19/27.

44 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Open Collector/Totem pole OC - Open Collector (Huzalozott)

Totem pole



2010 október 19/27.

45 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Tri State

3 állapot Hamis 0 Igaz 1 lebegő (nagy impedanciás)



2010 október 19/27.

46 / 66

Architektúrák

Memóriák

Memória megvalósítási módjai - Késleltető művonal

Szovjet találmány A piezzo elektromos kristályba érkező hullám a kristály belsejében lelassul majd amikor kilép újból gyorsabb lesz. (Ez viszont gyengíti a hullámot, ezért egy erősítővel pótolni kell az elvesző energiát.) Az adatot addig keringetjük, amíg nincs rá szükségünk. TV-knél terjedt el: PAL soridejű késleltető.



2010 október 19/27.

47 / 66

Architektúrák

Félvezető technológiás memóriák

Memóriák osztályozása

RAM (Random Access Memory) Írható Olvasható

ROM (Read Only Memory) Csak olvasható



2010 október 19/27.

48 / 66

Architektúrák


MOS FET MOS FET technológia (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Gate, Drain, Source Frissíteni kell, mert egyébként elveszik az adat Kiolvasás → visszaírás Fodor Attila (Pannon Egyetem)


2010 október 19/27.

49 / 66

Architektúrák


CMOS technológia

Complementer MOS P, N típusú FET nem igényel nagy áramot (nA nagyságrend)



2010 október 19/27.

50 / 66

Architektúrák


CMOS technológia Ellenütemű vezérlés CMOS memóriák a leggyorsabbak!!!

CMOS - SRAM (Statikus RAM): BIOS (Basic Input Output System) Teleppel való kiegészítés után nagy → idejű tárolás. Fodor Attila (Pannon Egyetem)


2010 október 19/27.

51 / 66

Architektúrák


CMOS technológia Példa: Egy CMOS IC felépítése



2010 október 19/27.

52 / 66

Architektúrák

RAM

Dinamikus RAM kondenzátorként viselkedik (1 bit-hez 1 tranzisztor kell) → nagyon kicsi Gate-ről elszöknek az elektronok → frissíteni kell → frissítési ciklus egyszerű struktúra, könnyen integrálható → olcsó PC-nél: SIMM az egyoldalas memória modul, DIMM az kétoldalas memória modul



2010 október 19/27.

53 / 66

Architektúrák

RAM

FPRAM, EDORAM

FPRAM (Fast Page RAM) DRAM-nál a sor- és oszlopcímeket csak párosával adhatjuk ki → a címzés hosszadalmas, és folyamatosan frissiteni kell Mátrixszervezés → egyszerű sebességnövelő módszer 40%-os sebességnövelés

EDORAM (Extendid Data Out RAM, kiterjesztett adatkimenetű RAM) FPRAM- hoz képest mintegy 20%- kal a hagyományos DRAM- hoz képest mintegy 60%- kal gyorsítja a memóriaműveleteket Csökkentett kiolvasási idejű



2010 október 19/27.

54 / 66

Architektúrák

RAM

SDRAM (Synchronous DRAM, szinkron DRAM)

Alapgondolat: a processzor órajelével működjön a memória → kiküszöbölhetőek a szinkronizálás hiányából adódó várakozási ciklusok. SDRAM felfogható úgy is mint két EDORAM párhuzamos kapcsolása Megvalósítás: a memóriát két területre (bankra) osztják a memóriavezérlő miközben az egyik bankból olvas vagy ír a másiknak már átadja a rá vonatkozó memóriacímet mikor az első bank adatai feldolgozásra kerültek, azonnal rendelkezésre áll a kiolvasásra szánt adat Mindkét memóriabank lapszervezésű



2010 október 19/27.

55 / 66

Architektúrák

RAM

Statikus RAM

Két állapotú kapcsolóelemek tárolják az információt (áramköri kialakításúk szerint flip- flopok) Gyorsabbak a korábbi RAM- oknál Nagyon gyorsak és drágább az előállításuk, kevéssé integrálható, kevesebb energiát fogyasztanak Elsősorban gyorsító (cache) memóriaként használják, nem igényel frissítést Fajtái: Aszinkron SRAM Szinkron SRAM



2010 október 19/27.

56 / 66

Architektúrák

RAM

DDR SDRAM

Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) 2 adatátvitel egy órajelciklus alatt



2010 október 19/27.

57 / 66

Architektúrák

RAM

DDR2 SDRAM Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) 4 adatátvitel egy órajelciklus alatt



2010 október 19/27.

58 / 66

Architektúrák

RAM

RAM, Soros RAM

RAM Írható olvasható memória véletelen hozzáférésű memória bármikor bármelyik cella tartalma írható, olvasható

Soros RAM beírás és kiolvasás sorrendje kötött (ugyanolyan sorrendbe olvassuk ki az adatokat, mint amilyen sorrendbe beírtuk őket)



2010 október 19/27.

59 / 66

Architektúrák

RAM

Verem elrendezésű memória, CAM Verem elrendezésű memória mindig az utolsó adat olvasható ki belőle először (beírás fordított sorrendjében történik a kiolvasás)

CAM (Content Addressable Memory) Tartalom szerint címezhető Azt tudja csak megmondani, hogy van-e benne az az adat, amit keresünk AI (Artificial Intelligence) (mesterséges intelligencia) kutatásokra használják, még fejlesztés alatt van. Fodor Attila (Pannon Egyetem)


2010 október 19/27.

60 / 66

Architektúrák

RAM

Laser holografikus memória

Ha lehűtik a kristályt (GaAs, InSb kristály) és UV fénnyel (CO2 lézerrel működne) megvilágítják, akkor megváltoztatja a törésmutatóját Előnye lenne: nem kell külső energiaellátás térbeli információtárolást tenne lehetővé hozzáférési idő (1<ns)

Gond: kicsi hőmérséklet kellene (cseppfolyós levegővel lehetne megoldani)



2010 október 19/27.

61 / 66

Architektúrák

ROM

Maszkprogramozott memória, PROM

Maszkprogramozott memória gyártó által programozott belső huzalozás határozza meg programozásuk történhet újrahuzalozással légmentes párologtatással. vannak egységes ROM-ok is

PROM (Programable ROM) OTP (One Time Programable) egyszer programozható



2010 október 19/27.

62 / 66

Architektúrák

ROM

PROM Fuse PROM A programozói feszültséggel kiégetik a biztosítékot

Tokozott PROM Olcsó, de csak egyszer programozható kivéve: gyárilag UV vagy röntgen fénnyel



2010 október 19/27.

63 / 66

Architektúrák

ROM

EPROM Ereaseible Programable ROM (törölhető ROM) A törlés UV fénnyel történik egy kvarcablakon keresztül Drágább, mint a tokozott PROM Nem csak gyárilag programozható (üzemszerűen általában csak olvasásra használják)



2010 október 19/27.

64 / 66

Architektúrák

ROM

EPROM



2010 október 19/27.

65 / 66

Architektúrák

ROM

2

EEPROM (E PROM), Flash Electronically Ereaseible Programable ROM Feszültség hatására törölhető Flash Memória −− EEPROM egy speciális változata Flash memóriák tipusai NOR párhuzamos adathozzáférés (relatív drága, relatív kisebb kapacitás) NAND soros adathozzáférés (relatív olcsó, relatív nagy kapacitás)

Tulajdonságai: Multigate 100 - 10000-szer írható 100 évig megtartja az adatokat Felhasználás Flash memória (100 000 írási ciklus) MP3 lejátszók, Digitális fényképezőgépek, kamerák, stb.



2010 október 19/27.

66 / 66

Bevezetés a számítástechnikába

Recommend Documents