Máté: Számítógép architektúrák

Máté: Számítógép architektúrák

• Multiplexer: n vezérlő bemenet, 2n adatbemenet, 1 kimenet. Az egyik adatbemenet kapuzott (gated) a kimenetre (3.11-12. ábra, 3.11.swf).

Kívánalom: sok kapu – kevés láb

D0

Kombinációs áramkörök

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Definíció: A kimeneteket egyértelműen meghatározzák a pillanatnyi bemenetek.

F

A BC

Sematikus rajza Máté: Architektúrák

3. előadás

1

n vezérlő bemenetű multiplexerrel tetszés szerinti n változós Boole-függvény megvalósítható az adatbemenetek megfelelő választásával. Pl. a 3 változós többségi függvény:

Máté: Architektúrák

3. előadás

2

• Demultiplexer: egy egyedi bemenetet irányít az n vezérlő bemenet értékétől függően a 2n kimenet egyikére

3.12.swf Párhuzamos-soros átalakítás: vezérlő vonalakon rendre: 000, 001, …, 111. demultiplexer

multiplexer Máté: Architektúrák

3. előadás

3

• Dekódoló: n bemenet, 2n kimenet. Pontosan egy kimeneten lesz 1 (3.13. ábra, 3.13.swf). Demultiplexerrel: a bemenetet igazra állítjuk.


dem.swf

3. előadás

4

• Összehasonlító (comparator): (3.14. ábra, 3.14.swf) KIZÁRÓ VAGY (XOR eXclusive OR) kapu Igazság tábla: A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

X 0 1 1 0

Szimbolikus jelölése

A dekódoló

demultiplexer Máté: Architektúrák

3. előadás

3. előadás

X

B 5


3. előadás

6

1


• Programozható logikai tömbök: PLA (3.15. ábra) (Programmable Logic Array).

3.15.swf

6 kimenet

Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor nem jelenik meg B# az 1-es ÉS kapu bemenetén

0

0

1

5

50 bemenő vonal

1 49

24 bemenő vonal A

B

Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor az 1-es ÉS kapu kimenete nem jelenik meg az 5-ös VAGY kapu bemenetén

L

12 bemenő jel Máté: Architektúrák

3. előadás

7

Aritmetikai áramkörök A kombinációs áramkörökön belül külön csoportot alkotnak.


3. előadás

8

Összeadók:

Léptető: C=1: jobbra, C=0: balra léptet. 3.16.swf Fél-összeadó (half adder, 3.17. ábra, 3.17.swf) Máté: Architektúrák

3. előadás

9


3. előadás

Aritmetikai-logikai egység: bitszelet (bit slice, 3.19. ábra), F0, F1 -től függően ÉS, VAGY, NEGÁCIÓ vagy +

Összeadók:

Teljes-összeadó (full adder, 3.18. ábra, 3.18.swf) Máté: Architektúrák

3. előadás

10

3. előadás

3.19.swf 11


3. előadás

12

2


• átvitel továbbterjesztő összeadó (ripple carry adder):

• átvitel kiválasztó összeadó (carry select adder) eljárás: 3.19c.swf

3.19b.swf Máté: Architektúrák

3. előadás

13


3. előadás

14

Memória: „Emlékszik” az utolsó beállításra. Tároló: Szint vezérelt (level triggered). SR tároló (Set Reset latch, 3.22. ábra, 3.22.swf). Stabil állapot: a két kimenet 0, 1 vagy 1, 0. S (set), R (reset) bemenet. (Q# ≡ Q)

Nem kombinációs áramkörök Óra (clock, 3.21. ábra): ciklusidő (cycle time). Pl.: 500 MHz - 2 nsec. Finomabb felbontás késleltetéssel. Aszimmetrikus óra. A késleltetés B C


3. előadás

15


3. előadás

16

3.25.swf

3.23.swf

Mindkét SR tároló indeterminisztikussá válna, ha S = R = 1 egyszerre fordulna elő.

3.24.swf Az inverternek van egy pici (1-10 ns) késleltetése (Δ). Máté: Architektúrák

3. előadás

3. előadás

17


3. előadás

18

3


Flip-flop: élvezérelt (edge triggered), D flip-flop: 3.26. ábra.

3.27. ábra: Tárolók és flip-flopok D Q

D Q

D Q

D Q

CK

CK

>CK

>CK

(a)

(b)

(c) (d) flip-flopok

tárolók CK: órajel

(a) CK=1, (b) CK=0 szint esetén írja be D-t, (c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél. Sokszor S (set, PR preset), R (reset,CLR clear) be- és Q# kimenet is van.

3.26.swf


3. előadás

19

13

12

D

11

CLR Q

D

>CK Q# PR

1 Máté: Architektúrák

2

3

10

9

Vcc 20

8

CLR Q

>CK Q# PR

4

5

6

7 GND

3. előadás

1 21

Alapvető digitális logikai áramkörök Integrált áramkör (IC, Integrated Circuit, chip, lapka) 5x5 mm2 szilícium darab kerámia vagy műanyag lapon (tokban), lábakkal (pins). Négy alaptípus: • SSI (Small Scale Integrated 1-10 kapu), • MSI (Medium Scale ..., 10-100 kapu), • LSI (Large Scale..., 100-100 000 kapu), • VLSI (Very Large Scale ..., > 100 000 kapu).


3. előadás

3. előadás

3. előadás

20

3.28. ábra: (b) közös CK-val és CLR-rel vezérelt 8 bites D flip-flop: regiszter

3.28. ábra: (a) 2 független D flip-flop, Vcc 14


23

19

18

17

16

15

14

13

12

D Q >CK CLR

D Q >CK CLR

D Q >CK CLR

D Q >CK CLR

CLR >CK D Q

CLR >CK D Q

CLR >CK D Q

CLR >CK D Q

2


3

4

5

6 3. előadás

7

8

9

11

10 GND

22

Memória szervezése Elvárás: szavak címezhetősége. 3.29. ábra: Négy db három bites szó. Bemenetek: három a vezérléshez, – CS (Chip Select): lapka választás, – RD (ReaD): 1: olvasás, 0: írás választása, – OE (Output Enable): kimenet engedélyezése. kettő a címzéshez (dekódoló), három a bemenő adatoknak, három adat kimenet.


3. előadás

24

4


3.29. ábra. 4 × 3-as memória 3.29.swf

Memória szervezése Az igazi memóriáknál a bemenet és kimenet közös (kevesebb lábra van szükség): Nem invertáló és invertáló pufferek (ezek három állapotú eszközök, tri-state device, 3.30. ábra). adat be

adat be

adat ki

vezérlés

vezérlés

invertáló puffer

nem invertáló puffer

Ha a vezérlő jel

Ha a vezérlő jel

magas

magas alacsony Máté: Architektúrák

3. előadás

25


Memórialapkák

512 K 8 bites memória (4 Mbit)

A0 A1 . . . A10

D0 D1 . . . D7

19 cím, 8 adat vonal


D

(4 Mbit)

CS WE OE

Row Address Strobe Column Address Strobe 3. előadás

11 cím, 1 adat vonal 27

RAM (Random Access Memory) • Statikus RAM (SRAM). D flip-flop elemekből épül fel. Amíg áram alatt van, tartja a tartalmát. Elérési idő: néhány nsec (cache-nek jók). • Dinamikus RAM (DRAM): minden bit egy tranzisztor és egy kondenzátor: néhány msec-onként frissíteni kell, de nagyobb adatsűrűség érhető el. Elérési idő: néhány tíz nsec (főmemóriák). - régi: FPM (Fast Page Mode) sor-, oszlopcím. - újabb: EDO (Extended Data Output) lehet új memóriahivatkozás, mielőtt az előző befejeződik. • SDRAM (Synchronous DRAM). A központi óra vezérli. Blokkos átvitel. Újabban: DDR (Double Data Rate). Az órajel föl- és lefutó élénél is van adatátvitel. Máté: Architektúrák

3. előadás

3. előadás

3. előadás

26

a) 512 K bájtos elrendezés: 19 cím, 8 adat vonal.

4096 K 1 bites memória

RAS CAS

CS WE OE

alacsony

Memórialapkák A jel (bemenet) beállított (asserted) vagy negált. CS beállított: 1, de CS# beállított: 0

Előnyös, ha a szavak száma 2 hatvány. 4 Mbit-es memória kétféle szervezése: 3.31. ábra. A0 A1 . . . A18

adat ki

29

b) 2048*2048 bites elrendezés: 11 cím, 1 adat vonal: Bit kiválasztás sor- (RAS: Row Address Strobe) és oszlopindex CAS (Column ...) segítségével. Gyakran alkalmazzák nagyobb memóriáknál, bár a két cím megadása lassíthat. Nagyobb memóriáknál 1, 4, 8, 16 bites kimeneteket is használnak. Máté: Architektúrák

3. előadás

28

ROM (Read-Only Memory) ROM: gyárilag kialakított tartalom. PROM (Programmable ROM): a tartalom biztosítékok kiégetésével alakul ki (a PLA-khoz hasonlóan, 3.15. ábra). EPROM (Erasable PROM): a biztosítékok speciális fénnyel kiolvaszthatók és „kijavíthatók”. EEPROM: elektromos impulzusokkal. Flash memória: törlés és újraírás csak blokkonként. Kb. 100 000 használat után „elkopnak”. Ilyen van a legtöbb MP3 lejátszóban, digitális fényképezőgépben … Máté: Architektúrák

3. előadás

30

5


512 MB-os flash memória (2006)

Memória hierarchia (2.18. ábra) Elérési idő

Kapacitás

néhány ns

Regiszterek

néhány bájt

Gyorsító tár Központi memória Mágneslemez >100 msec

Szalag


Optikai lemez több száz GB

3. előadás

31


3. előadás

32

1 GB-os flash memória (2007) vezérlőegység Aritmetikailogikai egység (ALU)

Központi feldolgozó egység (CPU) B/K eszközök

Regiszterek

. . .

Központi

. . .

memória

Lemez

Nyomtató

sín

Egyszerű sín alapú számítógép (2.1. ábra) Máté: Architektúrák

3. előadás

33


CPU feladata: a memóriában tárolt program végrehajtása. vezérlőegység Aritmetikailogikai egység (ALU) Regiszterek

. . .

. . .


3. előadás

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 legfontosabb regiszterek: – utasításszámláló (Program Counter): PC, – utasításregiszter (Instruction Register): IR, • adatút (data path, 2.2. ábra). 3. előadás

35

3. előadás

A+B

A B

A

B

ALU A+B


34

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. 3. előadás

36

6


• • • • • • • • •

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. Máté: Architektúrák

3. előadás

37

Feladatok Hogy épül fel a teljes összeadó? Milyen részei vannak az ALU-nak? Milyen be- és kimenetei vannak az 1 bites ALU-nak? Milyen műveletek végezhetők el az ALU-val? Milyen vezérlő bemenetek esetén lesz 1 az eredmény? Milyen eredményt szolgáltat az F0=0, F1=1, ENA=0, ENB=0, INVA=1, INC=1 vezérlő bemenet? Hogy működik az átvitel továbbterjesztő/kiválasztó összeadó? Máté: Architektúrák

3. előadás

39

Feladatok Hogy működik az invertáló és a nem invertáló puffer? Miért használnak a memóriáknál invertáló vagy nem invertáló puffert? Hogy címezhető meg n címlábon 2n -nél nagyobb memória? Mit jelent, hogy a CS/CS# bemenet beállított/negált? Mi a RAM? Milyen elemekből épül fel a SRAM? Milyen elemekből épül fel a DRAM? Hogy működik a DRAM? Máté: Architektúrák

3. előadás

3. előadás

41

Feladatok Mit nevezünk kombinációs áramkörnek? Milyen kombinációs áramköröket ismer? Milyen be- és kimenetei vannak a multiplexernek, a demultiplexernek, a dekódolónak? Mire használható a multiplexer, és hogyan? Mire használható a PLA, és hogyan? Milyen aritmetikai áramköröket ismer? Hogy működik a léptető? Hogy működik a „fél összeadó”? Mi indokolja a „fél összeadó” elnevezést? Máté: Architektúrák

3. előadás

38

Feladatok Hogy érhetünk el az órajelnél finomabb időzítést? Milyen nem kombinációs áramköröket ismer? Kombinációs áramkör-e az ALU? Hogyan csökkenthető az összeadásnál az átvitelekből származó idő? Hány stabil állapota van az SR tárolónak? Mi a különbség az SR és az időzített SR tároló között? Mi a különbség az SR és D tároló között? Mi a pulzusgenerátor, és mi a működési elve? Mi a különbség a tároló és a flip-flop között? Máté: Architektúrák

3. előadás

40

Feladatok Hogy működik az SDRAM? Mit jelent az FPM rövidítés? Mit jelent az EDO rövidítés? Hogy működik a DDR? Mit jelent a ROM rövidítés? Hogy működik az EPROM? Hogy működik az EEPROM? Milyen memória van a legtöbb fényképezőgépben?


3. előadás

42

7


Feladatok Mi a CPU? Mi az ALU? Mi az adatút? Milyen részei vannak a CPU-nak? Mi a regiszter? Mit jelent az implicit operandus kifejezés?


3. előadás

3. előadás

Az előadáshoz kapcsolódó Fontosabb tételek Programozható logikai tömbök Aritmetikai áramkörök. Léptető, fél és teljes összeadó, ALU, az ALU-val végezhető műveletek, átvitel továbbterjesztő és kiválasztó összeadás Nem kombinációs áramkörök. Óra, tárolók, flip-flop-ok A CPU részei, feladatai, adatút

43


3. előadás

44

8

Máté: Számítógép architektúrák

Recommend Documents