BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA - SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK. Háber István

BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK Háber István [email protected]

MAI SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE A mai digitális számítógépek többségének felépítése a Neumann-elvet követi. 1. Soros utasításvégrehajtás 2. Kettes (bináris) számrendszer használata  Három fő funkcionális egység: 

bemeneti egységek  feldolgozás, központi egység  kimeneti egységek 

Bementi egységek

Feldolgozás Központi egység

3. Belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására 4. Teljesen elektronikus működés 5. Széles körű felhasználhatóság 6. Központi vezérlőegység alkalmazása

Kimeneti egységek

MAI SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE Jellemzően részegységekből épül fel, ezáltal könnyen bővíthető  Az egységek a sínrendszeren (buszon) kommunikálnak Buszok 

Adatbusz  Címbusz  vezérlőbusz 

MAI SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE 

Részegységek  Táp  Alaplap  CPU  Memória  Háttértár  Billentyűzet  Videókártya

Monitor hangkártya Hálózati kártya Modem Nyomtató …

ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉS

A PROCESSZOR  Elvégzendő

számításokat és feladatokat utasítások sorozataként adjuk meg, ez a program  A CPU (Central Processing Unit) az utasításokat Kiolvassa a memóriából  Értelmezi  Végrehajtja 

A

CPU két fő egysége:

aritmetikai-logikai egység (ALU)  központi vezérlő (CU) 

Közös lapkán – hatékonyabb működés

CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE CPU

ALU

Dekódoló, vezérlő egység

Regiszterek

Belső sín Busz vezérlő

Cím generáló

CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE - ALU  ALU 

CPU

Műveletvégrehajtó

Aritmetikai (+,-,*,/) Regiszterek Dekódoló,  Logikai (ÉS,vezérlő VAGY, egységNEM) 

ALU



Eredetileg egy regisztere volt ACC („accumulator”)  Kimenet és bemenet is Belső Egyik operandus mindig ezsínvolt, eredmény is ide került Cím generáló  Újabb regiszterek Szorzás miatt mégegy regiszter ACE, sőt, több általános célú is megjelent 

Busz vezérlő

CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE - ALU

+,-,*,/ ÉS, VAGY, NEM

KÖZPONTI VEZÉRLŐ  Minden

rendszerbeli történés innen CPU fut ki, vagy ide érkezik be, mint ALU Regiszterek jelzés. 

Pl. ALU-t is vezérli (mit csináljon)

Dekódoló, vezérlő egység

 Lehet: 

Huzalozott (Hardveres megoldás) Gyors  Drága 



Busz vezérlő Mikroprogramozott (Szoftveres megoldás)

Belső sín Cím generáló

Kis utasításokra bontja a komplex utasításokat  Lassabb 

CPU A GYAKORLATBAN

MEMÓRIA 

Regiszterek Műveleteknél használt tárak  Gyorsak, kicsik 



Központi memória (RAM, Random Access Memory)   

Adatokat, programokat tárol Lassabb mint a regiszter Nagyságrendekkel nagyobb kapacitású

Memória

Kapacitás

Ár

Sebesség

MEMÓRIÁK - TÁRAK

(felejtő)

Háttértár (nem felejtő)

MEMÓRIA 

Központi memória Programok  Adatok  Ez nélkül nem létezhetne tárolt programú digitális gép 

Vezérlő egység

Aritmetikai Logikai Egység (ALU)

Regiszterek

I/O eszközök Központi memória

Lemez

Nyomtató

MEMÓRIA  Alapegység: 

0 v. 1

 BCD 

bit (binary unit)

(Binary Coded Decimal)

Decimális szám 4 biten 4 bit: 16 lehetőség  6 „kombináció” kihasználatlan  2006: 0010 0000 0000 0110BCD  2006: 0000 1111 1101 0110B 



Egyszerű konverzió miatt CPU nélküli vagy beágyazott rendszerekben használják

CÍMZÉSI MÓDOK 

Operatív tár 

Rekeszekből áll (cellák, pl. keskeny, hosszú papírcsík) Rekesz cím (address) - sorszám (memória elejétől) egyértelműen azonosítja az adott cellát  Rekeszek száma  cím bitszélessége (hány biten lehet minden rekeszt megcímezni?)  k-bites rekeszek (címtől független) 10 db 8 bites rekesz – 210 db cím 10 db 128 bites rekesz – 210 db cím 

CÍMZÉSI MÓDOK

(Címek a: 4 bit, b: 3 bit, c: 3 bit) Tanenbaum

CÍMZÉSI MÓDOK Rekesz – legkisebb címezhető egység  IBM PC 

8 bit (1 byte)  Mára szinte szabványos a 8 bites rekesz  

Szó Rekeszekből (byte-okból) áll  32 bites szó esetén a szó 4 byte-os  Utasítások zöme szavakkal dolgozik (32 bites gép – 32 bites szavak, 64 bites gép – 64 bites szavak) 

MEMÓRIÁK – CACHE  CPU

gyorsabb mint a memória  Fejlesztés  

CPU  gyorsabb legyen Memória  több legyen

 CPU és memória sebesség egyre távolabb

 Lehetőség  CPU várakozik

parancsokkal)

a memóriára (pl. NOP –

 Lehet gyors memóriát is építeni  Nagyon drága  CPU mellé korlátos méretben lehet integrálni  Méret – sebesség kompromisszum:

Gyorsítótár (cache)

MEMÓRIÁK – CACHE 

Cache logikai elhelyezkedése

MEMÓRIÁK – CACHE  Méret 

A  

A

Nagyságrendileg KB-MB

lassabb elérésű tár egy részét egyben tárolja „Lokalitás-elv” Több „szó”-t olvasunk cache-be egyszerre gyorsabb

sok írás – olvasás ide – innen történik  CPU-ban a központi memóriát „cache”-eljük, de más táraknál is használatos (pl. merevlemez) Közp. CPU cache Mem.  Gyors, de költséges

MEMÓRIÁK - REGISZTEREK CPU

ALU



Regiszterek

A processzor belső, átmeneti tárolói 

Dekódoló, vezérlő egység

Belső sín

Általában a CPU bitszélességével megegyező nagyságúak (pl. Cím generáló 32 bit-es) Busz vezérlő

Az utasítások mindig regiszterből vesznek be paramétert és ide is teszik az eredményt 

MEMÓRIÁK - REGISZTEREK CPU

ALU

Regiszterek

Dekódoló, vezérlő egység

Regisztereket különösen gyorsan kell tudni kezelni – Belső sín CPU sebességét befolyásolják Busz vezérlő Cím generáló  adatok, utasítások, állapotjelzők  Felejtő memória 

MEMÓRIÁK – KÖZPONTI MEMÓRIA  Elsődleges

v. operatív memória  RAM (Random Access Memory)  Méret: 128Mb – 4Gb+  I/O csatornák használata nélkül elérhető  Felejtő  Modulokkal bővíthető  

Eleinte „lapkánként” lehetett bővíteni Manapság 8-16 lapka van egy nyomtatott áramkörön – SIMM (Single Inline Memory, egyérintkezős) és DIMM (Dual Inline Memory, kétérintkezős)

 Hibajavítás

lehetséges, de SIMM DIMM-eknél ritka a hiba, el szokták hagyni

MEMÓRIÁK – KÖZPONTI MEMÓRIA 

DIP (Dual Inline Package) 



Pl. 8086, 286

SIPP (Single Inline Package) Pár 286-osban  Sérülékeny (lábak letörnek) 

MEMÓRIÁK – KÖZPONTI MEMÓRIA 32 bites adatút  30 és 72 érintkezős SIMM-ek (Single Inline Memory Module) 

Mindkét oldali érintkező-pár „redundáns”, ugyanaz a láb  30 érintkezős 8 v. 9 bites  72 érintkezős 32 v. 36 bites 

MEMÓRIÁK – KÖZPONTI MEMÓRIA 64 bites adatút  168 és 184 érintkezős DIMM-ek (Dual Inline Memory Module) 

Mindkét oldali érintkező-pár más-más láb  168 érintkezős (SDRAM)  184 érintkezős (DDR RAM) 

MEMÓRIÁK – KÖZPONTI MEMÓRIA 32 v. 64 bites adatút  SO-DIMM (Small Outline DIMM) 

Noteszgépekben  Routerek  Nyomtatók  mini-alaplapok 

MEMÓRIÁK – OPERATÍV MEMÓRIA Feladat: programok adatok tárolása  Írható – olvasható (RAM, pedig nem azt jelenti, minden memória véletlen elérésű manapság, de így használjuk már)  Fajták 

 

Statikus Dinamikus

MEMÓRIÁK – STATIKUS RAM Static RAM (SRAM)  Amíg tápellátás – megjegyzi, nem kell frissíteni  Bitcellákból épül fel 



Pl. RS-tároló NOR kapukkal

MEMÓRIÁK – STATIKUS RAM Kis sűrűség – nagy kapacitáshoz nem ideális  Fogyasztás a sebesség függvénye, gyors SRAM-ok (CPU cache pl.) esetén nagy  Egyszerű implementálás és tervezés (nincsenek frissítések) 

MEMÓRIÁK – DINAMIKUS RAM  Dynamic

RAM (DRAM)  Bitcella-tömb, minden cella egy tranzisztor és egy kapacitás  

Töltés / kisütés ~ 1 / 0 Töltések „szivárognak” – frissítés! (200-500 / sec)

 Nagy

sűrűség érhető el (kevés alkatrész)  Operatív memória általában DRAM-ból épül (SRAM inkább cache)

MEMÓRIÁK – DINAMIKUS RAM  FPM   

(Fast Page Mode) DRAM

Mátrix szervezésű tömb BE: Sor-, oszlopcím KI: adott cella értéke Aszinkron (cím és adatvonal nem u.a. órajelű)

 EDO

(Extended Data Output) DRAM

Második memóriahivatkozás a kimenet előtt engedélyezett (folyamatos írás-olvasás esetén nő a sávszélesség – pipeline)  Aszinkron 

MEMÓRIÁK – DINAMIKUS RAM 

SDRAM (Synchronous DRAM)  

SRAM és DRAM hibrid Szinkron órajel Lekérés, kiolvasás egy órajelre ütemezve  Fix órajel után jön válasz (latency) 



2000-re minden PC ilyen memóriával jött ki

MEMÓRIÁK – DINAMIKUS RAM  RDRAM

(Rambus DRAM)

3x gyorsabb órajel mint SDRAM (400 MHz)  Memóriavezérlő minden modulon (2x-3x drágább)  Késleltetés (latency) nagyobb (45ns, 7.5ns helyett)  Hőtermelés nagyobb  Párban lehet betenni (CRIMM modul)  2002-ben a kétcsatornás DDR-ek kiszorították 

MEMÓRIÁK – DDR SDRAM 

DDR (Double Data Rate) SDRAM  

2x-es adatátvitel – órajel felmenő és lemenő élén is adatátvitel Kisebb feszültség (SDRAM: 3.3V, DDR: 2.5V)

MEMÓRIÁK – DDR2 SDRAM 

DDR (Double Data Rate 2) SDRAM  

Nagyobb órajel Kisebb feszültség (1.8 V)

MEMÓRIÁK – DDR3 SDRAM 

DDR (Double Data Rate 3) SDRAM  

Kisebb feszültség (1.5 V) Több csatorna (akár 8) párhuzamosan

FEJLŐDÉSTÖRTÉNET - ÖSSZEFOGLALÁS

MEMÓRIÁK – ROM 

ROM (Read Only Memory)   

Csak olvasható memória Tartalma nem vész el Felhasználás 

Gépek alapprogramjainak tárolása, bekapcsoláskor futnak le

MEMÓRIÁK – (E)(E)PROM  PROM  

(Programable Read Only Memory)

1x írható, csak olvasható Felhasználó készíthet saját ROM-ot

 EPROM  

(Erasable PROM)

Törölhető (erős UV sugárzással) EPROM-íróval programozható

 EEPROM    

(Electrically EPROM)

Impulzusokkal törölhető Helyben programozható ~100.000 írást/törlést bír ki 10-ed olyan gyors és 100-ad olyan kapacitású mint az S- és DRAM-ok

MEMÓRIÁK – FLASH ROM 

EEPROM-hoz hasonló, de    

Kisebb elérési idő Sokkal olcsóbb Blokkokban írható/olvasható Nagyon ellenálló (forróság, nyomás)

SOLID STATE STORAGE

FLASH ESZKÖZÖK Memória kártyák  For Digital cameras, mobile phones, MP3 players...  Típusok: Compact flash, Smart Media, Memory Stick, Secure Digital card...  USB pendrive  A floppy/CD-ROM helyttesítésére  Solid State Drives  A hagyományos merevlemezek helyett használjuk 

SOLID STATE STORAGE - TECHNOLÓGIA 

Flash memória: 

EEPROM 

Electrically erasable programmable read only memory

Grid of cells (1 cell = 1 bit)  Write/erase cells by blocks 



Cell=two transistors Bit 1: elektronhiány  Bit 0: elektrontelítettség 

SSD ADATOK 

Teljesítmény  

Hozzáférési idő: 10X faster than hard drive Átviteli sebesség 1x=150 kb/sec, up to 100X for memory cards  similar to normal hard drive for SSD ( 100-150 MB/sec) 



Korlátozott írás/olvasás: 100k to 1,000k cycles

Many SSD devices combine flash (non-volatile) memory with DRAM (volatile) memory to improve performance  DRAM cache  May have energy storage (capacitor) built in to allow flushing DRAM cache to flash memory in case of power loss.

SOLID STATE STORAGE 

Reliability Ütésálló  Csendes!  Nagyobb hőmérséklettartomány  Korlátozott írás/olvasás 

SOLID STATE STORAGE 

Challenges  



Increasing size Improving writing limits

Ár 

~1$ / GB