SOCS: Oefeningen Hoofdstuk 2
Digitale Logica Opgave 1 Wat is een transistor? Een transistor bestaat uit een aantal gedopeerde halfgeleiders. Het doperen van de halfgeleiders is het wijzigen van de geleidende eigenschappen door in de kristalstructuur vreemde atomen in te brengen. Dan heeft het materiaal plaats voor extra elektronen (p-type) ofwel heeft het elektronen op overschot (n-type). Als men met deze twee types een sandwichstructuur vormt, dan krijgt men een transistor. Wij bespreken enkel de bipolaire n-p-n transistor als een zeer snelle binaire schakelaar. Opgave 2 Hoe kan men een NIET-poort maken met een bipolaire transistor? Zie figuur 2.6, blz. 9 Opgave 3 Hoe kan men een NEN-poort (NIET-EN) maken met behulp van bipolaire transistoren? Zie figuur 2.8, blz. 10 Opgave 4 Hoe kan men een NOF-poort (NIET-OF) maken met behulp van bipolaire tranistoren? Zie figuur 2.8, blz. 10 Opgave 5 Elke schakeling kan uitsluiten met NEN- of NOF-poorten gemaakt worden. Leg uit. ?? Opgave 6 Maak een EOF-schakeling (Exclusieve OF) met alleen maar NOF-poorten.
1
Opgave 7 Hoeveel verschillende booleanse functies bestaan er met n variabelen? 22
n
Opgave 8 Hoe zet men een waarheidstabel om naar een booleaanse formule? Zie halverwege blz. 14 Opgave 9 Is de volgende vergelijking correct? Toon aan. A + B.C = (A + B).(A + C) Ja, de vergelijking is correct. Aantonen met een waarheidstabel. Opgave 10 Welke voor- en nadelen hebben MOS-transistoren ten opzichte van bipolaire transistoren? Voordelen: • Ze nemen minder plaats in op de chip. • Ze verbruiken minder energie. • Ze werken minder storend op naburige transistoren. • Ze zijn eenvoudiger en goedkoper te produceren. Nadelen: • Ze schakelen trager. Opgave 11 Hoe worden ge¨ıntegreerde schakelingen geproduceerd? De grondstof van de ge¨ıntegreerde schakeling is silicium en dit komt veel voor in de vorm van siliciumoxide in zand. Men ontdoet het siliciumoxide van zijn zuurstofatomen, men krijgt een onzuivere vorm van silicium. Ook de onzuiverheden worden weggehaald en dan smelt men het silicium bij 1420C in een atmosfeer van Argon. Bij de afkoeling worden dan zeer zuivere en regelmatige siliciumkristallen gevormd, in cilinders van 10 tot 20cm doorsnede en halve meter lengte. Men maakt hier dan schijfjes van 0,4 tot 0,5mm dikte van: de zogenaamde wafel. Hierop laat men een dun laagje siliciumoxide ontstaan bij ongeveer 1000C. Dan wordt dit bedekt met fotogevoelige emulsie en dit wordt gedeeltelijk beschermd door een masker. Dit alles bestraald men met ultraviolet licht, waardoor de emulsie polymeriseert. Het masker wordt verwijderd en in een ontwikkelbad wordt de polymeer verhard en de rest van de fotogevoelige laag verwijderd. Hierna wordt alles in een etsbad gestoken waardoor het siliciumoxide van de onbeschermde zones wordt verwijderd. Een gedeelte van de wafel is dus nog bedenkt met siliciumoxide, in het ander deel komt het zuivere silicium aan de oppervlakte: het venster. Men brengt via thermische diffusie onzuiverheden aan in het silicium, zodat deze van type veranderen (p-type of n-type) waardoor tegelijkertijd transistoren, weerstanden, etc ontstaan. Het overblijvende siliciumoxide vormt een perfecte isolator. Er zullen enkele honderden of meer stappen nodig zijn, afhankelijk van de complexiteit van de schakeling. Mijn zaagt de wafel in stukjes: de chips. Deze voorziet men van pinnetjes van aluminium of goud en dan worden ze getest. De chips die goedgekeurd zijn, krijgen een behuizing. 2
Opgave 12 Wat is de Wet van Moore? De Wet van Moore is een observatie over hoe snel de technologische vooruitgang gaat. Moore voorspelde dat het aantal transistoren dat men op ´e´en chip kan plaatsen om de 18 maanden verdubbelt.
Geheugens van onmiddelijke toegang Opgave 1 Wat is een bipolaire geheugencel? Hoe wordt een bit voorgesteld in zo’n geheugencel? Hoe kan men schrijven in zo’n geheugencel? ?? Opgave 2 Wat gebeurt er wanneer in de schakeling uit figuur 2-18, R=S=0? Zijn er nog steeds twee stabiele toestanden? Dan is er geen stabiele toestand, dan is het P=Q=1 of P=Q=0. Opgave 3 Hoe wordt er in de schakeling van figuur 2-19 geschreven? De bit die geschreven moet worden, wordt aangelegd aan B. Dan wordt X voor korte tijd 1, en de cel wordt in toestand B gedwongen. X wordt weer 0, R en S worden dus weer 1 maar de toestand van de cel wordt niet gewijzigd. Opgave 4 Wat is het verschil tussen SRAM en DRAM? Waar staan de letters S en D voor? SRAM bestaat uit 4 tot 6 transistoren, DRAM uit een transistor en een condensator en zijn daarom goedkoper, energiezuiniger en compacter. DRAM is trager, en het lezen gebeurt destructief dus na het lezen moet de waarde herschreven worden. S staat voor Statische, D voor Dynamische. Opgave 5 DRAM-geheugens moeten regelmatig opgefrist worden? Wat wordt daarmee bedoeld? Als bits niet regelmatig gelezen worden, vormt dit een probleem bij DRAM geheugens omdat die bewaard worden op een condensator. Een elektrische lading op een condensator heeft de neiging om weg te lekken. Dus moet de lading opgefrist worden, dwz. dat men de elektrische lading weer terug op het oorspronkelijke niveau brengt. Hiervoor zorgt een speciaal circuit dat steeds een gedeelte van het geheugen opfrist, dit geheugen kan dan wel niet gebruikt worden. Opgave 6 Het lezen van een DRAM-cel gebeurt destructief. Wat wordt hiermee bedoeld? Als de waarde van een DRAM-geheugencel gelezen wordt, dan is deze cel zijn waarde ”kwijt en kan die waarde dus niet opnieuw gelezen worden. Opgave 7 Wat zijn de voor- en nadelen van DRAM-geheugen t.o.v. SRAM-geheugen? Voordelen: 3
• Een bit neemt vier maal minder ruimte in op de chip dan een SRAM-bit (omwille van enkel een transistor en een condensator tegenover 4 tot 6 transistoren) • lagere energieconsumptie • ze zijn dus compacter • DRAM is ook goedkoper te produceren Nadelen: • extra elektronische schakelingen voor het opfrissen • bits worden destructief gelezen en moeten dus herschreven worden na het lezen • trager (opfrissen en herschrijven) • omgevingsgevoeliger, lichtstralen kunnen de lading op een condensator be¨ınvloeden Opgave 8 Wat is een NOVRAM-geheugen? Vind je dit terug in elke pc? NOVRAM-geheugens zijn eigenlijk statische CMOS-geheugens, geheugens met zo een laag energieverbruik dat een batterij ervoor kan zorgen dat de informatie bewaard blijft. Dit geheugen is dus niet vluchtig. Ja, dit vind je terug bij elke PC. het is namelijk het kleine geheugen dat de BIOSinstellingen, datum en tijd etc. onthoudt wanneer de PC uitgeschakeld is. Opgave 9 Wat bedoelt men met de toegangstijd van het RAM-geheugen en met de geheugencyclustijd? Welke groote orde hebben ze bij SRAM- en DRAM-geheugens? De toegangstijd is de tijd die het geheugen nodig heeft om een opdracht uit te voeren. De geheugencyclustijd is de tijd die minimaal moet verstrijken tussen twee opdrachten. Dit is meestal groter dan de toegangstijd. Dit wordt voor RAM-geheugens uitgedrukt in nanoseconden. Toegangstijd Cyclustijd SRAM(min) 5ns 8ns SRAM(gemiddeld) 10ns 15ns DRAM(min) 12ns 25ns DRAM(gemiddeld) 70ns 150ns Opgave 10 Wat is een geheugenmodule? Wat betekenen de termen SIMM en DIMM? Een geheugenmodule is een afzonderlijke printplaat waarop een aantal chips geplaatst zijn. Deze kunnen in expansiesloten op het moederbord geplaatst worden. SIMM staat voor Single Inline Memory Module, DIMM voor Dual Inline Memory Module. Een SIMM heeft aan ´e´en kant contacten, een DIMM aan beide zijden.
4
Niet vluchtige geheugens - leesgeheugens Opgave 1 Wat bedoelt men met leesgeheugens? Wat is de Engelse afkorting hiervoor? Welke varianten bestaan er? Men bedoelt hiermee een geheugen dat enkel gelezen en niet meer gewijzigd kan worden. Het is niet vluchtig en heeft geen spanning nodig om zijn gegevens te bepalen. ROM: Read Only Memory Varianten: ROM, PROM, EPROM, EEPROM. Opgave 2 Welke leesgeheugens zijn beschrijfbaar en herbeschrijfbaar? Waarom noemt men ze dan nog leesgeheugens? Voor welke heb je speciale schrijf- en/of wisapparatuur nodig? PROM, EPROM, EEPROM en flashgeheugens zijn beschrijfbaar, EPROM en EEPROM zijn herbeschrijfbaar. Men noemt ze nog steeds leesgeheugens, omdat ze voornamelijk gelezen worden en slechts zelden herschreven. Voor PROM en EPROM is speciale apparatuur vereist om te kunnen herschrijven. Opgave 3 Wat zijn flashgeheugens? Flashgeheugens zijn een recentere variant van de EEPROM. Het wissen gebeurt op blokniveau.
Een busverbinding Opgave 1 Op welke wijze kan gegevenstransport tussen verschillende onderdelen van de computer gerealiseerd worden? Via een punt-tot-punt verbinding, een verbinding tussen slechts 2 componenten of via een busverbinding, een verbinding die gemeenschappelijk gebruikt wordt door meer dan 2 componenten. Opgave 2 Wat is een bus? Uit welke onderdelen bestaat een bus? Een bus is een gemeenschappelijk pad tussen meerdere componenten. Een bus bestaat uit een groot aantal verbindingen (draden), onderverdeeld in drie klassen: 1. adresbus: verbindingen om adressen over te brengen 2. gegevensbus of databus: verbindingen om data over te brengen 3. controlebus: verbindingen om opdrachten of controlesignalen te vervoeren Opgave 3 Wat bedoelt men met busbreedte? De busbreedte is het totaal aantal verbindingen. Opgave 4 Wat is het verschil tussen een synchrone en een asynchrone bus? Welke variant komt het meeste voor? 5
Bij een synchrone bus gebeuren alle acties steeds een geheel aantal klokcycli. Bij een asynchrone bus kunnen busacties elke vereiste tijdsduur hebben. Een busactie zal dan nooit langer duren dan nodig. Opgave 5 Wat is busarbitrage? Een mechanisme dat bepaalt welke van de apparaten die de bus willen masteren, als eerste toegang verkrijgt zodat er geen chaos ontstaat.Er zijn daarvoor twee manieren: gecentraliseerde en gedecentraliseerde arbitrage. Opgave 6 Wat is een busprotocol? Een busprotocol legt de gebruiksregels van de bus vast: de manier van toegang verkrijgen, de betekenis van elke buslijn, detiming van elk signaal en hoe men de bus moet vrijgeven. Opgave 7 Geef enkele voorbeelden van busoperaties. • Lezen • Schrijven • Bloktransfer • Lees-wijzig-schrijf
Voorgeheugens Opgave 1 Wat is een voorgeheugen? Leg het werkingsprincipe uit. Een voorgeheugen is een snel geheugen, waarin getracht wordt de meest noodzakelijke gegevens beschikbaar te hebben. Dan zal de processor minder last ondervinden van het tragere hoofdgeheugen. Werkingsprincipe: de processor kijkt eerst of de noodzakelijke gegevens zich in het voorgeheugen bevinden, als er een treffer is dan worden de gegevens zeer snel ter beschikking gesteld door het voorgeheugen. In het geval van een misser moet het tragere hoofdgeheugen aangesproken worden. De gegevens worden dan ook in het voorgeheugen geladen samen met de inhoud van enkele naburige geheugenregisters. Opgave 2 Wat betekent het lokaliteitsprincipe? Leg uit. Lokaliteitsbeginsel: dat de kans dat dezelfde locatie of ´e´en die dicht in de buurt ligt later opnieuw nodig is, is bijzonder groot. Lokaliteit in de tijd: wanneer op tijdstip t lokatie x nodig is, dan is de kans groot dat op tijdstip t + dt dezelfde locatie x opnieuw nodig is. Lokaliteit in de ruimte: wanneer op tijdstip t locatie x nodig is, dan is de kans groot dat op tijdstip t + dt locatie x + dx nodig is. Opgave 3 Hoe kunnen voorgeheugens georganiseerd worden? Op drie manieren: 1. direct afgebeeld voorgeheugen: elke regel heeft een vaste plaats in het voorgeheugen 6
2. associatief voorgeheugen: elke regel kan op elke plaats in het voorgeheugen voorkomen 3. set-associatief voorgeheugen: elke regel kan op enkele plaatsen in het voorgeheugen voorkomen Opgave 4 Leg de volgende begrippen uit in de context van voorgeheugens: • direct-afgebeeld: elke regel uit het hoofdgeheugen heeft een vaste plaats in het voorgeheugen • associatief: elke regel uit het hoofdgeheugen kan op elke plaats in het voorgeheugen voorkomen • set-associatief: elke regel uit het hoofdgeheugen kan op enkele plaatsen in het voorgeheugen voorkomen • schrijven doorheen het voorgeheugen: zowel het voorgeheugen als het hoofdgeheugen worden aangepast • uitgesteld schrijven: enkel het voorgeheugen aanpassen, en pas het hoofdgeheugen aanpassen als de regel in het voorgeheugen vervangen gaat worden. • een gesplitst voorgeheugen: aparte voorgeheugens voor instructies en data • regellengte: het aantal bytes dat tegleijk uit het hoofdgeheugen wordt opgehaald • trefkans: het aantal keren dat de gegevens gevonden worden in het voorgeheugen, gedeeld door het totale aantal geheugentoegangen • voorgeheugens op verschillende niveaus: de volgorde waarin voorgeheugens aangesproken worden Opgave 5 Waarom hebben we een vervangstrategie nodig bij voorgeheugens? Welke strategie¨ en worden gebruikt? Het voorgeheugen is kleiner dan het hoofdgeheugen, dus als het voorgeheugen vol is en er moet iets nieuws uit het hoofdgeheugen in het voorgeheugen geladen worden dan moeten gegevens die erinsteken vervangen worden. • de keuze ligt vast bij direct-afgebeeld voorgeheugen • least recently used • first in first out • willekeurig Opgave 6 Voorgeheugens lijken gemaakt om de leestoegang sneller te maken. Hoe zit het met schrijfbewerkingen? ?? Opgave 7 Toon aan dat voorgeheugens de prestaties enorm verbeteren tegen een bescheiden meerprijs. Zie blz. 82-83. 7
Pipelining Opgave 8 Wat is pipelining? Pipelining is een techniek die de snelheid van de processor kan opdrijven zonder de kloksnelheid te laten toenemen. Opgave 9 Bespreek de prestatieverbetering door pipelining. Zonder pipelining doen we de 5 stappen achter elkaar om ´e´en instructie uit te voeren, wanneer die stappen voltooid zijn, wordt de volgende instructie verwerkt. Bij pipelining wordt alles overlapt en zijn alle stappen constant in gebruik, waardoor de processor 5 keer sneller kan werken. Opgave 10 Welke problemen kunnen er ontstaan bij pipelining? Hoe kunnen ze worden opgelost? • afhankelijkheden tussen instructies • na elk sprongbevel zullen er op de lopende band instructies staan die eigenlijk niet uitgevoerd moeten worden. Opgave 11 Wanneer kan een tweede lopende band nuttig zijn? Bij een voorwaardelijke sprong, op ´e´en band worden de bevelen opgehaald alsof de sprong niet zal uitgevoerd worden, op de andere band alsof ze wel zou uitgevoerd worden. Opgave 12 Hoe kan de processor proberen te voorspellen of een voorwaardelijke sprong al dan niet uitgevoerd zal worden? Er zijn twee manieren, de meest gebruikte: men gaat er van uit dat een achterwaartse sprong wel en een voorwaartse sprong niet zullen uitgevoerd worden. Soms wordt er een speciale tabel bijgehouden wat het resultaat was van elk voorwaardelijk sprongbevel. Als dit bevel later nog eens uitgevoerd wordt, dan wordt de voorspelling gebaseerd op de vorige uitkomst. Opgave 13 Waarom zijn NOP-bevelen (no operation) nodig? Men kan NOP-bevelen invoegen om problemen met afhankelijkheid tussen instructies op te vangen. Zodat bvb een instructie afgewerkt is dat later gebruikt wordt voor indexatie. Opgave 14 Is pipelining transparant voor de vertaler of niet? Verklaar je antwoord. ??
8
