BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA - SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK. Háber István Ihaber@pmmik.pte.hu

Átírás

1 BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA - SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK Háber István Ihaber@pmmik.pte.hu

2 MAI SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE A mai digitális számítógépek többségének felépítése a Neumann-elvet követi. Három fő funkcionális egység: bemeneti egységek feldolgozás, központi egység kimeneti egységek 1. Soros utasításvégrehajtás 2. Kettes (bináris) számrendszer használata 3. Belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására 4. Teljesen elektronikus működés 5. Széles körű felhasználhatóság 6. Központi vezérlőegység alkalmazása Bementi egységek Feldolgozás Központi egység Kimeneti egységek

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

4 MAI SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE Részegységek Táp Alaplap CPU Memória Háttértár Billentyűzet Videókártya Monitor hangkártya Hálózati kártya Modem Nyomtató

5 ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉS

6 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

7 CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE CPU ALU Regiszterek Dekódoló, vezérlő egység Belső sín Busz vezérlő Cím generáló

8 CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE - ALU CPU ALU Műveletvégrehajtó Aritmetikai (+,-,*,/) Logikai (ÉS, VAGY, NEM) ALU Regiszterek Dekódoló, vezérlő egység Busz vezérlő Eredetileg egy regisztere volt ACC ( accumulator ) Kimenet és bemenet is Egyik operandus mindig Belső ez sín volt, eredmény is ide került Cím generáló Újabb regiszterek Szorzás miatt mégegy regiszter ACE, sőt, több általános célú is megjelent

9 CPU ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE - ALU +, -, *, / ÉS, VAGY, NEM

10 KÖZPONTI VEZÉRLŐ Minden rendszerbeli történés innen CPU fut ki, vagy ide érkezik be, mint jelzés. ALU Regiszterek Dekódoló, vezérlő egység Pl. ALU-t is vezérli (mit csináljon) Lehet: Huzalozott (Hardveres megoldás) Gyors Drága Mikroprogramozott (Szoftveres Busz vezérlő megoldás) Kis utasításokra bontja a komplex utasításokat Lassabb Cím generáló Belső sín

11 CPU A GYAKORLATBAN

12 MEMÓRIA Regiszterek Műveleteknél használt tárak Gyorsak, kicsik Központi memória (RAM, Random Access Memory) Adatokat, programokat tárol Lassabb mint a regiszter Nagyságrendekkel nagyobb kapacitású

13 Sebesség Ár Kapacitás Memória MEMÓRIÁK - TÁRAK (felejtő) Háttértár (nem felejtő)

14 MEMÓRIA Vezérlő egység Aritmetikai Logikai Egység (ALU) Központi memória Programok Adatok Ez nélkül nem létezhetne tárolt programú digitális gép I/O eszközök Regiszterek Központi memória Lemez Nyomtató

15 MEMÓRIA Alapegység: bit (binary unit) 0 v. 1 BCD (Binary Coded Decimal) Decimális szám 4 biten 4 bit: 16 lehetőség 6 kombináció kihasználatlan 2006: BCD 2006: B Egyszerű konverzió miatt CPU nélküli vagy beágyazott rendszerekben használják

16 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 2 10 db cím 10 db 128 bites rekesz 2 10 db cím

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

18 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)

19 MEMÓRIÁK CACHE CPU gyorsabb mint a memória Fejlesztés CPU gyorsabb legyen Memória több legyen CPU és memória sebesség egyre távolabb Lehetőség CPU várakozik a memóriára (pl. NOP parancsokkal) Lehet gyors memóriát is építeni Nagyon drága CPU mellé korlátos méretben lehet integrálni Méret sebesség kompromisszum: Gyorsítótár (cache)

20 MEMÓRIÁK CACHE Cache logikai elhelyezkedése

21 MEMÓRIÁK CACHE Méret Nagyságrendileg KB-MB A lassabb elérésű tár egy részét egyben tárolja Lokalitás-elv Több szó -t olvasunk cache-be egyszerre - gyorsabb A sok írás olvasás ide innen történik CPU-ban a központi memóriát cache -eljük, de más táraknál is használatos (pl. merevlemez) Gyors, de költséges CPU cache Közp. Mem.

22 MEMÓRIÁK - REGISZTEREK CPU ALU Regiszterek Dekódoló, vezérlő egység A processzor belső, átmeneti tárolói Belső sín Általában a CPU bitszélességével megegyező nagyságúak (pl. 32 bit-es) Busz vezérlő Cím generáló Az utasítások mindig regiszterből vesznek be paramétert és ide is teszik az eredményt

23 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

24 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

25 MEMÓRIÁK KÖZPONTI MEMÓRIA DIP (Dual Inline Package) Pl. 8086, 286 SIPP (Single Inline Package) Pár 286-osban Sérülékeny (lábak letörnek)

26 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

27 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)

28 MEMÓRIÁK KÖZPONTI MEMÓRIA 32 v. 64 bites adatút SO-DIMM (Small Outline DIMM) Noteszgépekben Routerek Nyomtatók mini-alaplapok

29 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

30 MEMÓRIÁK STATIKUS RAM Static RAM (SRAM) Amíg tápellátás megjegyzi, nem kell frissíteni Bitcellákból épül fel Pl. RS-tároló NOR kapukkal

31 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)

32 MEMÓRIÁK DINAMIKUS RAM Dynamic RAM (DRAM) Bitcella-tömb, minden cella egy tranzisztor és egy kapacitás Töltés / kisütés ~ 1 / 0 Töltések szivárognak frissítés! ( / sec) Nagy sűrűség érhető el (kevés alkatrész) Operatív memória általában DRAM-ból épül (SRAM inkább cache)

33 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

34 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

35 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

36 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)

37 MEMÓRIÁK DDR2 SDRAM DDR (Double Data Rate 2) SDRAM Nagyobb órajel Kisebb feszültség (1.8 V)

38 MEMÓRIÁK DDR3 SDRAM DDR (Double Data Rate 3) SDRAM Kisebb feszültség (1.5 V) Több csatorna (akár 8) párhuzamosan

39 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET - ÖSSZEFOGLALÁS

40 MEMÓRIÁK ROM ROM (Read Only Memory) Csak olvasható memória Tartalma nem vész el Felhasználás Gépek alapprogramjainak tárolása, bekapcsoláskor futnak le

41 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 ~ írást/törlést bír ki 10-ed olyan gyors és 100-ad olyan kapacitású mint az S- és DRAM-ok

42 MEMÓRIÁK FLASH ROM EEPROM-hoz hasonló, de Kisebb elérési idő Sokkal olcsóbb Blokkokban írható/olvasható Nagyon ellenálló (forróság, nyomás)

43 SOLID STATE STORAGE

44 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

45 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

46 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 ( 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.

47 SOLID STATE STORAGE Reliability Ütésálló Csendes! Nagyobb hőmérséklettartomány Korlátozott írás/olvasás

48 SOLID STATE STORAGE Challenges Ár Increasing size Improving writing limits ~1$ / GB