2008/2009 KIDOLGOZOTT TÉTELEK

Átírás

1 Számítógép architektúrák 2008/2009 KIDOLGOZOTT TÉTELEK

2 Számítógép architektúra (2008) Fontosabb tételek Számítógép arhitektúrák 1. Fordítás és értelmezés 2. Numerikus adatok ábrázolása: fixpontos ábrázolás, konverzió a számrendszerek között. Negatív számok ábrázolásai 3. Lebegıpontos számok. IEEE 754 szabvány 4. Digitális logikai szint. Kapuk. Boole algebra. Boole függvények megvalósítása, áramköri ekvivalenciája. A Boole algebra legfontosabb azonosságai, dualitás 5. Kombinációs áramkörök, multiplexer, demultiplexer, dekódoló, összehasonlító 6. Programozható logikai tömbök 7. Aritmetikai áramkörök. Léptetı, fél és teljes összeadó, ALU, az ALU-val végezhetı mőveletek, átvitel továbbterjesztı és kiválasztó összeadás 8. Nem kombinációs áramkörök. Óra, tárolók, flip-flop-ok 9. A CPU részei, feladatai, adatút 10. A CISC és a RISC kialakulása 11. Utasítás és processzor szintő párhuzamosítás 12. Központi memória, bájtsorrend 13. Hamming távolság. Hibaészlelı, hibajavító kódok 14. Gyorsító tár (cache). Találati és hiba arány. Egyesített és osztott gyorsító tár. Direkt leképezéső és halmaz kezeléső gyorsító tár. Memóriába írás 15. Adat típusok, karakter kódolás 16. CPU, sínek. Sín protokoll. Mester szolga. Sín vezérlı, vevı, adóvevı. Sáv szélesség, sín szélesség. 17. Sokszorozott sín 18. Sín idızítés: szinkron, aszinkron sín, teljes kézfogás. 19. Sín ütemezés. Sín mőveletek. 20. Általános soros sín. PCI express 2

3 21. Paralell Input/Output (PIO), valódi és memóriára leképezett I/O eszköz. Teljes és részleges cím dekódolás 22. Mikroarchitektúra szint. Mikroutasítások: Mic-1. A Mic-1 mőködése. Memória mőveletek. ALU és az adatút vezérlése. 23. Mic-1 mőködése, adatút ciklusa, memória ciklusa, mikroprogramja. 24. MPC új értékének kialakulása Mic-1-en. 25. Az IJVM, az IJVM memória modellje, az IJVM megvalósítása Mic-1-en. 26. A WIDE utasítás hatása és mőködése Mic-1-en. 27. Utasítás betöltı egység: Mic Csıvonalas terv: Mic Egy hét szakaszú szállítószalag: a Mic-4 csıvezetéke 30. Elágazás, eltolási rés. Statikus és dinamikus elágazás jövendölés 31. Sorrendtıl eltérı végrehajtás, szuperskaláris architektúra, függıségek, regiszter átnevezés 32. Feltételezett végrehajtás 33. A Pentium 4 processzor, a Pentium 4 mikroarchitektúrája 34. A NetBurst csıvezeték 35. Az UltraSPARC III processzor és az UltraSPARC III mikroarchitektúrája, csıvezetéke 36. Az I-8051 processzor és az I-8051 mikroarchitektúrája 37. A Pentium 4, az UltraSPARC III és az I-8051 mikroarchitektúrájának összehasonlítása 38. Gépi utasítás szint. Memória modellek, memória szemantika 39. A Pentium 4 ISA szintje 40. A Pentium 4, az UltraSPARC III és az I-8051 regiszterei 41. Három, kettı egy és nulla címes utasítások 42. Operandus megadás módjai. Közvetlen operandus, direkt, regiszter, regiszter-indirekt, indexelt, bázis-index címzés, implicit operandus 43. Veremcímzés. Fordított lengyel (postfix) jelölés. Dijkstra algoritmusa. Poxtfix alakú formulák kiértékelése 3

4 44. A Pentium 4, az UltraSPARC III, I-8051 utasítás formátumai, címzési módjai 45. Utasítás típusok 46. Programozott és megszakítás vezérelt I/O. DMA 47. Vezérlési folyamat. Szekvenciális vezérlés, elágazás, ciklus szervezés, eljárás, rekurzív eljárás, korutinok, megszakítás, csapda 48. Feltételes végrehajtás, predikáció 49. Operációs rendszer szintje. Virtuális memória. 50. Lapméret, elaprózódás 51. Szegmentálás. A Pentium 4 és az UltraSPARC III virtuális memóriája 52. Mágneslemezek, lemezvezérlık, SCSI 53. RAID 54. Optikus lemezek 55. Egér, nyomtatók, megjelenítık 56. Terminál. Modemek, jelzési, adatátviteli sebesség. 57. ADSL, kábeles internet. További tematika: Számítógép architektúra szintjei. Számítógépek fejlıdése. BCD ábrázolás. SRAM, DRAM, SDRAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, flash. Memória lapkák. Pentium 4, UltraSPARC III és 8051 logikai lábkiosztása, memória kezelése. Átlátszóság. A végrehajtási út csökkentése. Három sínes architektúra. A Pentium 4 üzemmódjai. Orthogonalitási elv. Overlay technika. Kérésre lapozás. Munka halmaz. IDE, EIDE, Kommunikációs vonal, PCI. 4

5 1. Fordítás, értelmezés: Az új utasítások együttese is nyelvet alkot nevezzük ezt L1-nek -, ugyanúgy, ahogy a beépített utasítások nyelvet alkotnak legyen ez utóbbi L0. Számítógép hogyan hajtja végre az L1 nyelven írott programokat, miközben csak a saját, L0 gépi nyelvén írt programokat képes végrehajtani? Elıször az L 1 nyelvő program minden utasítását helyettesítjük az L 0 nyelv utasításainak egy vele ekvivalens sorozatával. Az így nyert program teljes egészében az L 0 utasításokból áll. Ezután az eredeti L 1 nyelvő program helyett a számítógép ezt az L 0 nyelvő programot hajtja végre. Ezt nevezzük fordításnak. A másik módszer szerint megírunk egy L0 nyelvő programot, amely az L1 nyelvő programokat bemenı adatokként kezeli, és úgy hajtja végre azokat, hogy minden utasításukat elemzi, és a vele ekvivalens L0 nyelvő utasítássorozatot azonnal végrehajtja. A módszert értelmezésnek, a végrehajtó programot pedig értelmezınek nevezzük. A különbség csak az, hogy a fordítás esetében elıször az egész L1 nyelvő programot átírjuk L0 nyelvővé, majd az L0 programot töltjük a számítógép memóriájába, és azt hajtjuk végre. Az értelmezés esetében L1 minden utasításának elemzését és dekódolását az utasítás azonnali végrehajtása követi. A számítógépet az értelmezı vezérli. Olyan, mintha lenne olyan gépünk, amely végre tudja hajtani az L1 nyelven írt programot: virtuális gép. 5

6 2. Numerikus adatok ábrázolása: fixpontos ábrázolás, konverzió számrendszerek, negatív számok ábrázolásai: Az adattípusok két kategóriába sorolhatók: numerikus és nem numerikus adattípusok. Az egész számok kitüntetettek a numerikus adattípusok között. Méretük sokféle lehet, tipikusan 8, 16, 32 és 64 bit. A modern számítógépek az egész számokat bináris kettes komplemens kódban ábrázolják. Az elıjel nélküli egészek esetében nincs elıjelbit, minden bit számjegyet tartalmaz, így egy 32 bites kettes szó értéke 0 és közötti lehet. Ellenben, a 32 bites kettes komplemens kódban a legnagyobb szám lehet, de képes negatív számokat is kezelni. A legtöbb számítógépen egy szám tárolására szolgáló memória fix mérető. A számítógépes erıforrásnak a véges természete csak azokkal a számokkal enged foglalkozni, amelyek fix számú számjeggyel ábrázolhatók. Ezeket a számokat véges pontosságú számoknak (finiteprecision numbers) hívjuk. Egyik legfontosabb sajátossága az összes egész szám halmazán történı számolásnak az, hogy ez a halmaz zárt (closure) az összeadás, kivonás és a szorzás mőveletére nézve. A legfontosabb alapszámok: a 2, a 8 és 16. Ezen alapszámokra épülı számrendszereket sorrendben kettes (bináris), nyolcas (oktális) és tizenhatos (hexadecimális) számrendszernek nevezzük. A k alapszámú számrendszerek k különbözı szimbólumot igényelnek, hogy a számjegyeket 0-tól (k-1)-ig tudjuk ábrázolni. A decimális számok 10-féle decimális jegybıl épülnek fel: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Ezzel szemben a bináris számok nem tíz jegyet használnak. Ezeket kétféle jeggyel írhatjuk fel: 0, 1. Az oktális számok 8 oktális jegybıl épülnek fel: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. A hexadecimális számoknál 16-féle számjegy szükséges, így ha új szimbólumra van szükség. Kényelmes bevezetni a nagybetőket A-tól F- ig, amelyek a 9-et követı hat számjegy számára szolgálnak. Így a hexadecimális számok a következı jegyekbıl épülnek fel: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. A bináris számjegy kifejezést, amely egy 1-est vagy egy 0-t jelent, bitnek hívjuk. Az egész részt a törtrésztıl elválasztó jelet tizedes pontnak nevezzük, még abban az esetben is, ha nem tízes számrendszerben dolgozunk. Ezt gyakran bináris pontnak is nevezzük. Egy bináris szám oktálisra való konvertálásához osszuk hárombites csoportokra a számot. A tizedes ponttól közvetlenül balra (vagy jobbra) az elsı három bit alkot egy csoportot, a tılük közvetlenül balra (vagy jobbra) esı három bit a következı csoportot és így tovább. Minden egyes ilyen hárombites csoportot direkt módon konvertálhatunk egy oktális számjegyre, 0-tól 7-ig aszerint, hogy a konverziókban mely adott sorával egyezik meg. Lehet, hogy szükséges egy vagy két kezdı vagy záró 0-val kitölteni a hárombites sorozatokat. A konverzió az oktális számrendszerbıl a bináris számrendszerbe is hasonlóan egyszerő. Minden oktális jegyet egyszerően cseréljünk le egy vele ekvivalens hárombites bináris száma. A konverzió hexadecimálisból binárisba lényegében hasonló, mint az oktálisból binárisba, csak minden hexadecimális szám megfelel egy négybites csoportnak az elızıekben használt három bit helyett. A decimális számrendszerbeli számok konverziója bináris számrendszerbe: csak egészek esetén alkalmazható, 2-vel való osztást tartalmaz. A hányadost az eredeti szám alá írjuk, a maradék 0 vagy 1, ezt a hányados mellé a következı oszlopba írjuk. Ezután a hányadossal addig folytatjuk ezt az eljárást, amíg hányadosként 0-t nem kapunk. Ennek az eljárásnak az eredménye két oszlopot tartalmaz, a hányadosét és a maradékokét. A bináris számot most már közvetlenül a maradék oszlopból olvashatjuk le úgy, hogy elindulunk az oszlop aljától felfelé a leolvasással. A bináris számok konvertálása decimális számra (triviális). A negatív számok megjelenítésére négy különbözı módszert használtak a digitális számítógépek történetében, újra és újra elıvéve. Az elsıt elıjeles abszolút értéknek (signed magnitude) a módszernél a bal oldali elsı bit az elıjelbit és a maradék bitek jelzik a szám abszolút értékét. A második rendszernek, amelyet egyes komplemens (one s complement) 6

7 rendszernek hívunk, szintén van egy elıjelbitje, 0 jelenti a pozitív, 1 a negatív számot. A harmadik rendszer, amelyet kettes komplemensnek (two s complement) nevezzünk, szintén tartalmaz elıjelbitet, amely 0 a pozitív, 1 a negatív számok esetében. Egy szám negatívját kétlépéses eljárással kapjuk meg. A negyedik rendszer, amelyet az m bites szám esetében 2 m-1 többletesnek (excess 2 m-1 ) hívunk, egy szám helyett a számnak és 2 m-1 -nek az összegét tárolja. 7

8 3. Lebegıpontos számok. IEEE 754 szabvány: Olyan számok ábrázolására, amelyek nem fejezhetıek ki egészként, mint például a 3,5, lebegıpontos számábrázolást alkalmaznak. A lebegıpontos számok lehetnek 32, 64 vagy néha 128 bitesek. Sok gép külön regisztereket alkalmaz az egész és a lebegıpontos aritmetikai utasításokkal. A lebegıpontos számábrázolás elvei: A szám nagyságának és pontosságának szétválasztására az egyik módszer, hogy a számokat a jól ismert tudományos jelöléssel ábrázoljuk: n = f x 10 e ahol az f a törtész (fraction) vagy mantissza (mantissa), az e pedig egy pozitív vagy negatív szám, amelyet kitevınek vagy exponensnek (exponent) hívunk. Ennek a jelölésnek a számítógépes verzióját lebegıpontos számnak (floating point) hívjuk. IEEE 754 szabvány: Körülbelül 1980-ig minden számítógépgyártónak saját lebegıpontos formátuma volt. A helyzet javítására 1970-es évek végén az IEEE felállított egy bizottságot a lebegıpontos számítások szabványosítására. A cél nemcsak az volt, hogy olyan lebegıpontos adatokat tervezzenek, amelyek kicserélhetık a különbözı számítógépek között, hanem az is, hogy egy helyes jól mőködı modellt biztosítsanak a hardvertervezık számára. Ez a munka vezetett el az IEEE 754-es szabványhoz. A legtöbb központi egység napjainkban olyan lebegıpontos utasításokat használ amelyek az IEEE lebegıpontos szabványokkal dolgoznak. Más szabványokkal ellentétben, amelyek beérik nesze semmi, fogd meg jól kompromisszumokkal, amelyek senkinek se tetszenek, ez a szabvány nem számít rossznak, mivel alapvetıen egy embernek William Kahannek, a Berkeley Egyetem professzorának munkája. Ezt a szabvány mutatjuk be. A szabványforma három formát definiál: az egyszeres (32 bit), a dupla (64 bit) és a kiterjesztett pontosságút (80 bit). A kiterjesztett pontosságú forma arra szolgál, hogy csökkentse a kerekítési hibákat. Az egyszer és a dupla pontosságú forma egyaránt kettes alapot használ a törtrészben és többletes ábrázolást a kitevıben. Mindkét forma elıjelbittel kezdıdik, ahol 0 a pozitív, 1 pedig a negatív elıjel. Ezután következik a kitevı, 127 többletes szimpla pontosságú és 1023 többletes dupla pontosságú ábrázolásban. Végül a törtrészek következnek 23, illetve 52 biten. A normalizált törtrész bináris ponttal kezdıdik, amelyet 1-es bit követ, és ezután a törtrész további része következik. A lebegıpontos számábrázolás hagyományos problémája, hogy hogyan kezeljük az alulcsordulást, túlcsordulást és kezdeti érték nélküli számokat. A normalizált számokon túlmenıen négy további numerikus típus van: nem normalizált, nulla, végtelen, nem szám. 8

9 4. Digitális logikai szint. Kapuk. Boole algebra. Boole függvények megvalósítása áramköri ekvivalenciája. A Boole algebra legfontosabb azonosságai, dualitás: A digitális logikai szint, alkotja a számítógépek igazi hardverét. A digitális áramkör egy olyan áramkör, amelyben csak két logikai érték van jelen. Tipikusan a 0 és 1 volt (V) közötti jelet képvisel az egyik, és a 2 és 5 volt közötti egy másik értéket. Más feszültséget nem enged meg. A pici elektromos eszközöket kapuknak (gates) hívjuk, amelyek kétértékő jelek valamilyen függvényét tudják meghatározni. Kapcsolási idejük néhány ns. A tranzisztornak három kapcsolata van a külvilággal: a kollektor, a bázis és az emitter. A bemenı feszültség, V be bizonyos érték alatt van, a tranzisztor zárt állapotban van. Az áramkör outputja, V ki közel van V cc értékéhez, ami egy külsıleg vezérelt feszültség. Amikor V be meghaladja a kritikus értéket, a tranzisztor kinyit, azt eredményezi, hogy a V ki -t lehúzza a földhöz. Ez az áramkör egy fordító (inverter), amely a logikai 0-t logikai 1-gyé konvertálja, s a logikai 1-et pedig logikai 0-vá. Három áramkör alkotja a legegyszerőbb kaput. Nevük: NEM (NOT), NEM-ÉS (NAND) és NEM-VAGY (NOR) kapu. A nem kapukat gyakran hívjuk invertereknek (fordítók). Az árbrákon A és B bemenet, X a kimenet. A kis köröket, amelyeket szimbólumok részeként használunk az inverter jelölésére a NEM-ÉS és NEM- VAGY kapuknál, inverziós gömböknek nevezünk. Új típusú algebrára lesz szükség, amelynek változói és függvényei csak a 0 és 1 értéket vehetik fel. Egy ilyen ábrát Boole-algebránakhívnak. Boole-algebra specifikus típusa a kapcsolóalgebra (switching algebra). Minden n változós Boole-függvény változóinak csak 2 n lehetséges kombináicója van, a függvényt teljesen leírhatjuk egy 2 n sorral rendelkezı táblázattal, ahol egy-egy sor megmondja a bemeneti értékek adott kombinációja mellett a függvény értékét. Ezt a táblázatot igazságtáblázatnak (truth table) nevezzük. Implicit jelöléső szorzást vagy egy pontot használunk a Boole ÉS (AND, logikai szorzás) és +-t a Boole VAGY (OR, logikai összeadás), illetve fölülvonást a Boole NEM (NOT, logikai hamis) függvény jelölésére. Például: az ABC azt jelenti, hogy ennek az értéke csak akkor 1, ha A = 1, B = 0 és C = 1. Egy M függvény igaz, ha a négy eset valamelyike igaz; így felírhatjuk, hogy M = ABC + ABC + ABC + ABC Szükségünk van bemeneti változók invertált értékére (komplemensére). Az áramkör négy ÉS kaput tartalmaz, az M függvény minden tagjához egyet. Minden és kapu kiszámolja az igazságtáblázatnak egy sorát. Végül a szorzatok eredményei VAGY-olásra kerülnek, és ez adja a végeredményt. A Boole-függvény megvalósítása áramkörrel: 1. Írjuk fel a függvény igazságtáblázatát. Néhány azonosság (3.6. ábra) 2. Biztosítsunk nem kapukat minden Szabály ÉS forma VAGY forma bemenet komplemensének elıállításához. Identitás 1A = A 0+A=A 3. Rajzoljunk és kaput minden sorhoz, Null 0A = 0 1+A=1 amelynek eredményoszlopában 1 van. Idempotens AA=A A+A=A 4. Kapcsoljuk össze az és kapukat a Inverz AA=0 A+A=1 megfelelı bemenetekkel. Kommutatív AB=BA A+B=B+A 5. Az összes és kapu kimenetét tápláljuk be Asszociatív (AB)C=A(BC) (A+B)+C=A+(B+C) egy vagy kapuba. Disztribúciós A+BC=(A+B)(A+C) A(B+C)=AB+AC Az áramköröket kényelmesebb egyfajta Abszorpciós A(A+B)=A A+AB=A kapukkal megvalósítani. Áramkört alakítsuk De Morgan AB=A+B A+B=AB tisztán NEM-ÉS vagy tisztán NEM-VAGY Máté: Architektúrák 2. eloadás 39 9

10 formájúvá. A NEM-ÉS és a NEM-VAGY kapukról azt mondjuk, hogy teljesek (complete), mert bármely Boole-függvény kiszámítható ezek bármelyikének felhasználásával. Az ekvivalens áramkörök keresésébe a Boole-algebra nagyon értékes eszköz. Két függvény akkor és csak akkor ekvivalens, ha az összes lehetséges bemenetre a két függvény ugyanazt a kimenetet adja. Az áramkörtervezık Boole-függvénnyel kezdenek, és aztán alkalmazzák a Boole-algebra szabályait. Ezt a megközelítést használjuk, szükség van a Boolealgebra néhány azonosságára (3.6 ábra). Minden szabálynak két formája van, amelyek egymásnak duáljai. 10

11 5. Kombinációs áramkörök, multiplexer, demultiplexer, dekódoló, összehasonlító: A digitális logika nagyon sok alkalmazása megkívánja, hogy egy áramkör többszörös bemenettel és többszörös kimenettel rendelkezzen, és a kimeneteit határozzák meg a pillanatnyi bemenetei. Az ilyen áramkört kombinációs áramkörnek (combinational circuit) hívjuk. Multiplexer: A digitális logika szintjén a Demultiplexer: egy egyedi bemenetet irányít az n vezérlo multiplexer olyan áramkör, amely 2 n bemenet értékétol függoen a 2 n kimenet egyikére adatbemenettel, 1 adatkimenettel és n D vezérlıbemenettel rendelkezik, mely utóbbiak 0 D 0 D 1 D 1 egy adatbemenetet választanak ki. A kiválaszott D 2 D 2 adatbemenetre azt mondjuk, hogy a D 3 D 3 D kimenetre irányított vagy kapuzott (gated). 4 D 4 D 5 D 5 Multiplexert használva megvalósíthatjuk a D 6 D 6 többségi függvényt. Egy másik alkalmazás: D 7 D 7 párhuzamosból sorosba történı átalakítóként való használat. A 8 bites adatot elhelyezzük a multiplexer demultiplexer bemeneti vonalakon, és ezután a Máté: Architektúrák 2. eloadás 46 vezérlıvonalakkal sorban lépegetünk 000-tól 111-ig (binárisan), ezzel a 8 bitet egymás után helyeztünk el egyetlen kimenetre. A párhuzamos-soros konverzió tipikus felhasználása történik a klaviatúrában. A multiplexer fordítottja a demultiplexer, amely egy egyedi bemenı jelet irányít a 2 n kimenet valamelyikére az n vezérlıvonal értékétıl függıen. Ha a vezérlıvonalak bináris értéke k, a k-adik kimenet a kiválaszott kimenet. Dekódolók: Egy olyan áramkört amely, n bites számot használ bemenetként, és pontosan egyet kiválaszt a 2 n kimenet közül (1-re állítja). Az ilyen áramkört dekódolónak nevezzük. Összehasonlítók: Egy másik hasznos áramkör az összehasonlító (comparato), amely két bemeneti szót hasonlít össze. Az áramkör a KIZÁRÓ-VAGY (EXCLUSIVE OR, XOR) kapun alapul, amely 0-t ad, ha a bemenetek egyenlık és 1-et, ha nem egyenlık. Ha a két bemeneti szó egyenlı, akkor mind a négy kizáró-vagy kapu 0-t kell adjon kimenetén. Ezt a négy jelet VAGY mővelettel össze tudjuk kapcsolni; ha az eredmény 0, a bemeneti szavak azonosak, különben nem. Összehasonlító (comparator): (3.14. ábra). KIZÁRÓ VAGY kapu Igazság tábla: A B X Szimbolikus jelölése A B X A 0 B 0 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 4 bites összehasonlító A = B Máté: Architektúrák 2. eloadás 48 11

12 6. Programozható logikai tömbök: Programozható logikai tömbök: Ez egy nagyon általános lapka, a programozható logikai tömb vagy PLA (Programmable Logic Array) szolgál a logikai szorat-össeg képzésére. Ennek a lapkának 12 változó számára van bemeneti vonala. Mindegyik bemenetnek a komplemense a lapkán belül képzıdik, így végül 24 bemeneti jelet kapunk. Az áramkör kimeneti része hat VAGY kapuból áll, mindegyik 50 bemenı jellel rendelkezik, amelyek megegyeznek az ÉS kapuk 50 kimenetével. Léteznek mezı-programozású PLA-k (field-programmable), és a felhasználó által meghatározott PLA-k (custom-made). A mezı-programozású PLA-t még használják de nagyon sok alkalmazásnál a felhasználó által meghatározott PLA-k használatosabbak. Ezek nagy részét a felhasználó tervezi meg, és a gyártó legyártja a felasználó specifikációja alapján. Az ilyen PLA-k olcsóbbak, mint a mezı-programozásúak. Programozható logikai tömbök: PLA (3.15. ábra) (Programmable Logic Array). 6 kimenet Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor nem jelenik meg #B az 1-es ÉS kapu bemenetén bemeno vonal 24 bemeno vonal A B L 12 bemeno jel 49 Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor az 1-es ÉS kapu kimenete nem jelenik meg az 5-ös VAGY kapu bemenetén Máté: Architektúrák 2. eloadás 49 12

13 7. Aritmetikai áramkörök. Léptetı, fél és teljes összeadó, ALU, átvitel továbbterjesztı és kiválasztó összeadás, ALU-val végezhetı mőveletek: Az MSI kombinációs áramkörök az aritmetikai mőveleteket végzik. Léptetı: Az elsı aritmetikai MSI áramkörünk 8 bemenettel, 8 kimenettel rendelkezı léptetı (shifter). A kimenetek a bementeket pontosan 1 bittel való eltolását jelentik. A vezérlıvonal (C)határozza meg a léptetés irányát. Az összes bithez ÉS kapupárok kapcsolódnak, kivéve a végeken (csak 1 kapu). A jobb oldali ÉS kapu kimenet össze van kötve a tıle jobbra esı VAGY kapu bemenetével (és fordítva). Tehát C = 1 érték esetén jobbra (kapupár jobb oldala aktivizálódik), 0 esetén balra léptetést hajt végre. Fél és teljes összeadó: Nagyon lényeges része minden CPU-nak (központi egységnek) egy összeadást végrehajtó áramkör. Az összeget és az átvitelt kiszámító áramkör ez az egyszerő áramkör széles körben fél összeadóként (half adder) ismert. A fél összeadó egy egyszerő áramkör két bemenettel és két kimenettel. A bemenet két szám, az egyik kimenet az átvitel (ÉS kapu), a másik kimenet az összeg (KIZÁRÓ VAGY kapu). Egy fél összeadó megfelelı két több-bites bemenı szó alsó bitjeinek összeadására, de nem jól mőködik a szavak középsı bitpozícióin, mert nem kezeli a jobbról érkezı átvitelt. Helyette teljes összeadó szükséges, ami kettı fél összeadóból épül fel.. Vannak átvitelt kezelı teljes összeadók és átvitel kiválasztó teljes összeadók. Az átvitelt kezelı összeadóknál fellép egy bizonyos késleltetés a mővelet során, ami miatt lassabbak lesznek. Az átvitel kiválasztó összeadók gyorsabbak, az összeadási idıt a felére redukálják (mindegyik 16 bites összeadót 8 bites összeadókból duplikálással építünk fel). Fél összeadó Teljes összeadó ALU (Aritmetikai-logikai egységek): A legtöbb számítógép egyetlen áramkört tartalmaz az ÉS, VAGY végrehajtására és két gépi szó összeadására. Ez az áramkör tipikusan n bites szavakra készül, és n azonos áramkört tartalmaz az egyes bit pozíciókra. Az ilyen áramkört hívjuk aritmetikai-logikai egységnek. Ez az áramkör négy funkció bármelyikét végre tudja hajtani (ÉS, VAGY, negáció, összeadás), attól függıen, hogy a funkciót kiválasztó F 0 és F 1 bemenı vonalak bináris értéke 00, 01, 10 vagy 11. A bitszeletek lehetıvé teszik, hogy a számítógép-tervezık bármilyen kívánt bitszélességő ALU-t építsenek. Az INC jel csak összeadásnál használatos. Amikor aktív, megnöveljük az eredményt, így ki tudjuk számolni az A + 1 és A + B +1 összegeket. 13

14 ALU-val végezhetı mőveletek: Az ALU tevékenységét hat vezérlıvonal határozza meg. Közülük F 0 és F 1 határozza meg az ALU-mőveletet, ENA és ENB egyedileg engedélyezi a bemeneteket, INVA invertálja a bal oldali bemenetet, és INC a legalacsonyabb helyiértékő biten az átvitel be bemenetet. INC beállítása gyakorlatilag 1-et hozzáad az eredményhez. ALU mőveletek például: összeadás, kivonás, negálás, komplementer-képzés stb. Az ALU-nak két adatbementre van szüksége: a bal oldalira és a jobb oldalira. A bal oldali bemenet a H (Holding) tartó regiszterhez kapcsolódik. A jobb oldali bemenet pedig a B sínhez, amelyik képes betölteni a szürke nyilak által megmutatott kilenc forrás bármelyikét. A H úgy tölthetı fel, hogy választunk egy olyan ALU-tevékenységet, amelyik a jobb oldali bemenetet (B sínrıl) csupán átengedi az ALU kimenetére. Az egyik ilyen tevékenység az ALU bemeneteit összeadja, csak negált ENA-val, ami a bal oldali bemenetet nullává teszi. Nullát adva a B sín értékéhez, éppen a B sín értékét kapjuk. Ezt az eredményt azután módosítás nélkül küldjük tovább a léptetın, és H-ban tároljuk. A fenti függvényeken kívül két másik vezérlıvonal használható egymástól függetlenül az ALU kimenetének irányítására. Az SLL8 a tartalmat 1 bájttal balra lépteti, feltöltve nullával a legalacsonyabb helyértékő 8 bitet. SRA 1 a tartalmat 1 bittel jobbra lépteti, változatlanul hagyva a legmagasabb helyértékő bitet. Lehetséges olvasni és írni ugyanazt a regisztert egy cikluson belül. 14

15 8. Nem kombinációs áramkörök. Óra, tárolók, flip-flop-ok: Órák: Sok digitális áramkörben az események, történések sorrendje nagyon kritikus. Annak, érdekében, hogy a tervezık el tudják érni a kívánt idızítéseket, nagyon sok digitális áramkör órát használ a szinkronizáció biztosítására. Az óra (clock) ebben az értelemben egy áramkör, amely pontosan meghatározott szélességő pulzusok sorozatát bocsátja ki, és nagyon precízen meghatározott két egymás utáni pulzus közötti idıintervallum is. A két egymást követı pulzus élei közötti intervallumot az óra ciklusidejének (clock cycle time) nevezzük. A pulzus frekvenciája általában 1 és 500 MHz között van, ennek megfelelıen az órajel 1000 ns-tól 2 nsec-ig terjedhet. A nagy pontosság eléréséhez az óra frekvenciáját általában egy kristályoszcillátor vezérli. Egy számítógépen több esemény történhet egyetlen órajel alatt. Ha ezeknek az eseményeknek egy speciális sorrendben kell bekövetkezniük, az órajelet alciklusokra kell osztanunk. Különbözı eseményeknek a különbözı élekhez való hozzárendelésével tulajdonképpen elérjük a kívánt sorrendet. Ha több mint négy idızítési referencia szükséges egy adott idızítési ciklusban, akkor több különbözı késleltetéső másodlagos vonalat kell csatlakoztatnunk az elsıdlegeshez. Tárolók: Az 1 bites memória készítéséhez szükségünk van olyan áramkörre, amelyik valahogyan visszaemlékszik az elızı bemeneti értékre. Egy ilyen áramkört készíthetünk két NEM-VAGY kapuból. A kombinációs áramkörökkel ellentétben a tárolók kimenetei nem csupán az aktuális bemenetektıl függnek. Idızített SR-tároló: Gyakran fontos, hogy a tároló állapotváltozásai csak bizonyos meghatározott pillanatban történjenek. E cél eléréséhez kicsit módosítjuk az áramkört, ahogy (Tannenbaum 178. o ábra) látható, így megkapjuk az idızített SR-tárolót (clock SR latch). Ez az áramkör egy további bemenettel rendelkezik, az órajellel, amely alaphelyzetben 0. A 0-s órajel hatására az ÉS kapu kimenete 0, függetlenül S-tıl (Set) és R-tıl (Reset), tehát a tároló nem változtatja meg állapotát. Amikor az órajel 1, az ÉS kapuk hatására megszőnik. És a tároló érzékeny lesz S-re és R-re. A nevével ellentétben, az órajelet nem szükséges órával vezérelni. Az érvényes (enable) és kapuzójel (strobe) kifejezések széles körben használták, ami azt jelenti, hogy ha az órabemeneten a jel 1, az áramkör érzékeny az S és R állapotokra. Idızített D-tárolók: Az SR tároló S = R = 1 által okozott bizonytalanságának feloldására, hogy ennek az elıfordulását megakadályozzuk. A (Tannenbaum 179. o ábra) egy egyetlen D bemenettel rendelkezı tároló áramkört mutat. Mivel az alsó ÉS kapu bemenete mindig komplemense a felsı kapu bemenetének, a két 1-es bemenet problémája nem fordul elı. Amikor az órajel 1, a D pillanatnyi értéke mintának tekinthetı, és ezt tároljuk a tárolóban. Ezt az áramkört idızített D tárolónak (clocked D latch) hívjuk, amely egy igazi 1 bites memória. Flip-flopok: Sok áramkörnél szükséges lehet, hogy egy meghatározott idıpontban vegyen mintát bizonyos vonalon levı értékrıl, és tárolja azt az értéket. Ezt a változatot flip-flopnak 15

16 (flip-flop, billenıkör) nevezzük. Flip-flop esetén az órajel 1-es állásánál nem fordul elı állapotváltozás, hanem csak akkor, amikor az órajel átmegy 0-ból 1-be (felfutó él) vagy 1-bıl a 0-ba (lefutó él). Így az órajel hossza nem lényeges, ha elég gyors az átmenet. A flip-flop élvezérelt (edge triggered), míg a tároló szintvezérelt (level triggered). (lényegesebb mőködése lásd: Tannenbaum o.) 16

17 9. A CPU részei, feladatai. CPU, adatút A CPU (Central Processing Unit, központi feldolgozóegység) a számítógép agya. Feladata az, hogy a központi memóriában tárolt programokat végrehajtsa úgy, hogy a programok utasításait egymás után beolvassa, értelmezi és végrehajtja. Az egyes részegységeket egy sín (bus) köti össze, amely címek, adatok és vezérlıjelek továbbítására szolgáló párhuzamos vezetékköteg. A CPU több különálló részegységbıl áll. A vezérlıegység feladata az utasítások beolvasása a központi memóriából és az utasítások típusának megállapítása. Az aritmetikai-logikai egység a program utasításainak végrehajtásához szükséges mőveleteket végez, mint például az összeadás vagy a logikai ÉS. A CPU egy kismérető, gyors memóriát is tartalmaz, amelyben részeredményeket és bizonyos vezérlıinformációkat tárol. Ez a memória több regiszterbıl áll, mindegyiknek meghatározott mérete és funkciója van. A regisztereket nagy sebességgel lehet olvasni és írni, mivel a CPU-n belül vannak. A legfontosabb regiszter az utasítás- vagy programszámláló (Program Counter, PC), amely a következı végrehajtandó utasítás címét tartalmazza. Fontos még az utasításregiszter (Instruction Register, IR), amely az éppen végrehajtás alatt levı utasítást tartalmazza. A legtöbb számítógép még számos regisztert is tartalmaz, ezek némelyike általános célú, míg mások speciális célúak. CPU felépítése: Egy tipikus Neumann-elvő számítógép egy részének belsı felépítése a 2.2. ábrán látható részletesebben. Ez a rész az úgynevezett adatút (data path), amelynek részei a regiszterek, az aritmetikai-logikai egység (ALU, Arithmetic Logic Unit) és az ezeket összekötı néhány sín. A regiszterek két ALU bemeneti regiszterbe csatlakoznak. Ezek a regiszterek tárolják a bemeneti adatokat, amíg az ALU más számításokon dolgozik. Az ALU a bemenı adatokon összeadást, kivonást és egyéb egyszerő mőveleteket végez, és az eredményt a kimeneti regiszterbe teszi. Ennek a kimeneti regiszternek a tartalma visszaírható egy regiszterbe. Késıbb, ha szükséges, a regiszter tartalma beírható a memóriába. A legtöbb utasítás a következı két kategória egyikébe sorolható: regiszter-memória vagy regiszterregiszter. A regiszter memória utasítások segítségével tölthetünk át szavakat a memóriából regiszterekbe, ahol a soron következı utasítások például az ALU bemeneteként használhatják. Más regiszter-memória utasítások segítségével a regiszterek tartalmát írhatjuk vissza a memóriába. A másik csoportba tartoznak a regiszter-regiszter utasítások. Egy tipikus regiszter-regiszter utasítás vesz két operandust a regiszterekbıl, elhelyezi ıket az ALU bemeneti regisztereibe, az ALU elvégez rajtuk valamilyen mőveletet, majd az eredményt tárolja az egyik regiszterbe. A két operandusnak az ALU-n történı átfuttatásából és az eredmény regiszterbe tárolásából álló folyamatot adatciklusnak nevezzük. 17

18 10. A RISC és CISC kialakulása A tervezık megpróbálták bezárni azt a szemantikai rést, amely a számítógépek képességei és a magas szintő programozási nyelvek követelményei között húzódott. Az IBM John Cocke vezette csoportja mégis ebben az irányban indult el, és megpróbálta Seymour Cray néhány ötletét alkalmazni egy nagy teljesítményő miniszámítógépben. Ez a munka vezetett el egy kísérleti miniszámítógéphez, a 801-hez ban David Patterson és Carlo Séquin vezetésével egy csoport a Berkeley-n olyan VLSIprocesszorokat kezdett el tervezni, amelyek nem használtak interpretálást. A koncepciójuk a RISC nevet kapta, és az elsı CPU lapkát RISC I-nek, a másodikat pedig RISC II-nek nevezték el. Standfordban, John Hennessy tervezett és készített el egy ettıl kicsit eltérı lapkát, amelyet MIPS-nek nevezett el. Mindkettı továbbfejlesztett változata kereskedelmi forgalomba is került SPARC és MIPS néven. Amikor elıször terveztek ilyen egyszerő processzorokat, mindenki figyelmét felkeltette, hogy viszonylag kevés utasításuk van (50). Tulajdonképpen a RISC rövidítés a Reduced Instruction Set Computer (csökkentett utasításkészlető számítógép) kifejezésbıl ered, szemben a CISC, vagyis Complex Instruction Set Computer (összetett utasításkészlető számítógép) elnevezéssel, ami egy alig leleplezett utalás a VAX-ra, amely abban az idıben uralta az egyetemi számítóközpontokat. Azt állították, hogy a számítógépek tervezésének legjobb módja, ha kevés egyszerő utasításunk van. Tehát, azt jelenti, hogy vesszük két regiszter tartalmát, valahogyan kombináljuk ezeket, végül az eredményt elhelyezzük egy regisztert regiszterben. Úgy érveltek, hogy még ha egy CISC-utasítás helyettesítéséhez 4-5 RISC-utasítás kell is. Azt gondolnánk, hogy a RISC technológia, a teljesítményben nyújtott elınyét kihasználva, a RISC gépek (mint Sun UltraSPARC) kiszoríthatták volna a CISC gépeket (mint az Intel Pentium) a piacról. Mindenekelıtt itt van a visszafelé kompatibilitás kérdése. Másodszor meglepı módon az Intel képes volt alkalmazni ugyanezeket az ötleteket még egy CISCarchitektúra esetén is. A 486-ossal kezdıdıen az Intel-processzorok tartalmaznak egy RISCmagot, amely a legegyszerőbb utasításokat egyetlen adatútciklus alatt hajtja végre, míg a komplikáltabb utasításokat interpretálja a CISC-elvnek megfelelıen. Ennek az eredménye, hogy a gyakori utasítások gyorsak, míg a kevésbé gyakoriak lassúak. 18

19 11. Utasítás és processzor szintő párhuzamosítás: A párhuzamosság kétféleképpen lehet jelen: utasításszintő párhuzamosság vagy processzor szintő párhuzamosság formájában. Az elıbbiben, az egyes utasításokban rejlı párhuzamosságot használjuk ki, hogy több utasítást tudjunk másodpercenként kiadni. A másik esetben több processzor dolgozik egyszerre ugyanazon a feladaton Csıvezeték: Az utasítások végrehajtásának egyik legszőkebb keresztmetszete az utasítások kiolvasása a memóriából. Képesek voltak elıre beolvasni utasításokat, hogy azok rendelkezésre álljanak, amikor szükség van rájuk. Ezeket az utasításokat egy elıolvasási puffer (prefetch buffer) elnevezéső regiszterkészletben rátolták. Az elıolvasás az utasítás végrehajtását két részre osztja. A csıvezeték ezt a stratégiát viszi sokkal tovább. Az utasítás végrehajtását kettı helyett több részre osztja, minden részt külön hardverelem kezel, amelyek mind egyszerre mőködnek. Az ábra egy öt fázisból álló csıvezetéket szemléltet. Az elsı fázis beolvassa az utasítást a memóriából, és elhelyezi a pufferben, amíg szükség nem lesz rá. A második fázis dekódolja az utasítást, meghatározza a típusát és a szükséges operandusokat. A harmadik fázis megkeresi és beolvassa az operandusokat akár regiszterbıl, akár a memóriából. A negyedik fázis hajtja végre valójában az utasítást, ez tipikusan azt jelenti, hogy az operandusokat átviszi az adatúton. Végül az ötödik fázis visszaírja az eredményt a megfelelı regiszterbe. A csıvezeték lehetıvé teszi, hogy kompromisszumot kössünk késleltetés (mennyi ideig tart egy utasítás végrehajtása) és áteresztıképesség (hány MIPS a processzor sebessége) között. Ha az órajel T nanoszekundum, és a csıvezeték n fázisú, a késleltetés nt nanoszekundum, mivel minden utasítás n állapoton halad keresztül és mindegyikben T ideig tartózkodik. Több szállítószalagos CPU: Itt az egyetlen utasítást elıolvasó egység két utasítást olvas be egyszerre, majd ezeket az egyik, illetve a másik csıvezetékre teszi. A csıvezetékeknek saját ALU-juk van, így párhuzamosan tudnak mőködni. Egyszeres és kétszeres csıvezetékeket fıként RISC gépekben használják, a 486-ostól kezdıdıen az Intel elkezdett csıvezetékeket alkalmazni a processzoraiban. Bonyolult szabályok határozzák meg, hogy két utasítás kompatibilis-e, vagyis végrehajtható-e párhuzamosan. A csıvezetékek számának négyre emelése még elképzelhetı, de ekkor már túl sok hardverelemet kell megduplázni. Ehelyett nagy teljesítményő processzorokban más megoldást alkalmaztak. Szuperskaláris processzor: Alapötlet az volt, hogy csak egy csıvezetéket használnak, de több funkcionális egységgel. A CDC 6600-as számítógép 100 ns-ként olvasott be egy utasítást és adta tovább a 10 funkcionális egység valamelyikének párhuzamos végrehajtására, mialatt a CPU újabb utasítás beolvasásába kezdett. Egy szuperskaláris CPU-nak több funkcionális egységének kell lennie, amelyek kezelik mindezeket az utasításokat. A CDC 6600 technikailag nem volt szuperskaláris, mivel egy órajel alatt csak egy utasítás végrehajtását kezdte meg. Azonban a hatás lényegében ugyanez volt: az utasítások megkezdését sokkal nagyobb ütemben végzik, mint amilyen ütemben azokat végre lehetett hajtani. Processzorszintő párhuzamosság: Lényege, hogy több processzor dolgozik ugyan azon a feladaton. 19

20 Tömb (array) processzor: Egy tömbprocesszor nagyszámú egyforma processzorból áll, ezek ugyanazt a mőveletsorozatot végzik el különbözı adathalmazokon. A világ elsı tömbprocesszora a University of Illinois, ILLIAC IV számítógépe volt. Az eredeti terv szerint egy 4 negyedbıl álló gépet építettek volna, minden negyedben egy 8 x 8-as négyzethálóban processzor/memória párokkal. Negyedenként egy vezérlıegység adta ki az utasításokat, melyeket a hozzá tartozó processzorok szinkronizálva hajtottak végre, az adatokat mindegyik a saját memóriájából vette. Csak egyetlen negyedet építettek meg, de ez is elérte az 50 megaflop sebességet. Vektorprocesszor: A vektorprocesszor a programozó szemszögébıl nagyon hasonlít a tömbprocesszorra. A tömbprocesszortól eltérıen azonban, minden összeadás egyetlen csıvezeték elven mőködı egységben zajlik. A tömb- és a vektorprocesszorok is adattömbökkel dolgoznak. A vektorprocesszorok vektorregisztereket használnak. Egy vektorregiszter több hagyományos regiszterbıl áll. Gyors szállítószalag gondoskodik a regiszterek feltöltésérıl, szintén gyors szállítószalag továbbítja a regiszterek tartalmát az aritmetikai egységbe. Multiprocesszorok: Egy tömbprocesszor feldolgozóegységei nem függetlenek egymástól, mert mindegyiküket egy közös vezérlıegység felügyeli. A multiprocesszor egy olyan rendszer, amelyben közös memóriát használó egynél több CPU található. Több implementációs séma lehetséges. A legegyszerőbb, ha egyetlen sín van, amelyhez csatlakoztatjuk a memóriát és az összes processzort. (a) (b) a: egy sínre vannak csatlakoztatva a processzorok (gond vele: ha több processzor egyszerre próbálja elérni a közös memóriát, akkor ütközések keletkezhetnek). b: saját lokális memóriával rendelkeznek a processzorok, ide azokat az adatokat tárolhatják, amelyeket nem kell megosztaniuk a többi processzorral. Multiszámítógépek: Sok összekapcsolt számítógépbıl álló rendszereket építenek, amelyeknek csak saját memóriájuk van, közös memóriájuk nincs. Ezeket a rendszereket nevezik multiszámítógépeknek. A multiszámítógépek CPU-it idınként lazán kapcsoltaknak nevezik. A multiszámítógép processzorai üzenetek küldésével kommunikálnak egymással, amely néhány milisecundum. Nagy rendszerekben célszerő minden számítógépet minden másikkal összekötni, ezért 2-3 dimenziós rácsot, fákat és győrőket használnak. Közel processzort tartalmazó multiszámítógépeket is építettek már és vettek használatba. 20

21 12. Központi memória, bájtsorrend. A memória a számítógépnek az a része, ahol a programokat és az adatokat tároljuk. Sok informatikus a memória helyett szívesebben használja a tár (store) vagy tároló (storage) megnevezést. Bitek: A memória alapegysége a bináris számjegy, a bit. Egy bit egy 0-t vagy egy 1-est tartalmazhat. A bináris számrendszer csak két érték megkülönböztetését igényli. Emiatt ez a digitális információ legmegbízhatóbb kódolási formája. Némely számítógépet, mint például az IBM-nagygépeket, úgy reklámozzák, hogy bináris aritmetika mellett decimálist is tudnak. Ezt a trükköt úgy csinálják, hogy egy decimális számjegyet 4 biten tárolnak az ún. BCD (Binary Coded Decimal, binárisan kódolt decimális) kódolással. A négy bit 16 kombinációt ad, a számjegyhez 0-tól 9-ig elég 10 kombináció, a maradék 6 kihasználatlan. Alább látható az 1944 decimálisan, majd 16 biten binárisan kódolva: decimális: bináris: Decimális formátumban (BCD) 16 biten 0-tól 9999-ig tudjuk tárolni a számokat, ez összesen csak kombináció, míg egy tiszta 16 bites bináris szám különbözı kombinációt tárolhat. Memóriacímek: A memóriák rekeszekbıl (cellákból) állnak, amelyek mindegyike valamilyen információt tárolhat. Minden rekeszhez hozzá van rendelve egy szám, a rekesz címe, a programok ezzel hivatkoznak rájuk. Ha egy memóriában n rekesz van, a címek 0-tól n 1-ig terjednek. A memóriában minden rekeszben ugyanannyi bit van. Ha egy rekesz k bites, a 2 k különbözı bitkombináció bármelyikét tárolhatja. A kettes számrendszert használó számítógépek a memóriacímeket bináris számokkal fejezik ki. Ha egy cím m bites, a megcímezhetı rekeszek száma 2 m. A cím bitjeinek száma határozza meg a memória közvetlenül megcímezhetı rekeszeinek számát; ez független attól, hogy a rekeszek hány bitesek. Az utóbbi években majdnem minden számítógépgyártó szabványosította a 8 bites rekeszt, amelyet bájtnak nevezünk. Bájtokból épülnek fel a szavak. Egy 32 bit szóhosszúságú számítógép szavai 4 bájtosak, míg egy 64 bit szóhosszúságúé 8 bájtosak. Bájtsorrend: Egy szó bájtjainak sorszámozhatóak balról jobbra vagy jobbról balra. Az elsı rendszer neve nagy endián (big endian), mert a számozás a legnagyobb helyértékő bájtnál kezdıdik, ezzel ellentétben a kis endián (little endian). Az angol elnevezések Jonathan Swifttıl származnak. A számítógép-architektúrákkal kapcsolatban a kifejezést Cohen használta elıször. Fontos megérteni azt, hogy mind a nagy endián, mind a kis endián rendszerben egy 32 bites szám, például a 6, ugyanúgy a 3 legkisebb helyértékő biten elhelyezett 110 bitkombinációval van reprezentálva, a többi 29 bit pedig mind 0. A nagy endián séma szerint az 110 bitek a 3. bájtban vannak, míg a kis endián séma szerint a 0. bájtban. A számot tartalmazó szó címke mindkét esetben 0. A problémák akkor kezdıdnek, amikor az egyik gép adatokat akar küldeni a másiknak hálózaton keresztül. Tegyük fel, hogy a nagy endián elküldi a struktúrát bájtonként a kis endiánnak, a 0. bájtnál kezdi és a 19. bájtnál fejezi be. Amikor a kis endian megpróbálja kinyomtatni a nevet, akkor még minden rendbe van, de az életkor 21 x 2 24 lesz és az osztály száma is hasonlóan eltorzul. Annyi látszik, hogy a bájtsorrend egyértelmőségének hiánya nagy kellemetlenségeket okoz különbözı gépek közötti adatátvitel során. 21

22 13. Hamming távolság. Hibaészlelı, hibajavító kódok: Az elektromos hálózatban keletkezı áramlökések és egyéb okok miatt a számítógépek memóriái néha hibáznak. Az ilyen hibák ellen védekezésül bizonyos memóriák hibafelismerı vagy hibajavító kódot alkalmaznak. Ezek használata esetén minden memóriabeli szót kiegészítenek speciális bitekkel. Egy szó kiolvasása után a kiegészítı biteket ellenırzik, hogy lássák, történt-e hiba. Tegyük fel, hogy egy memóriabeli szó m adatbitbıl áll, ehhez adunk még r redundáns, más néven ellenırzı bitet. A teljes hossz legyen n (vagyis n = m + r). Egy n bites, m adatbitet és r ellenırzı bitet tartalmazó egységet gyakran n bites kódszónak neveznek. Ha adott két kódszó, mondjuk és , megállapíthatjuk, hogy hány bitpozíción térnek el. Jelen esetben 3 bit különbözik. Az eltérı bitpozíciók számnak megállapításához egy egyszerő logikai KIZÁRÓ-VAGY mőveletet kell végezni a két kódszón, majd megszámolni az eredményben az 1-es biteket. Az eltérı bitpozíciók számát a két kódszó Hamming-távolságának nevezzük. Az ellenırzı biteket kiszámító algoritmus ismeretében meghatározható az összes érvényes kódszó listája, majd ebben a listában meg lehet keresni azt a két kódszót, amelynek a Hamming-távolsága minimális(>1). Ez az érték lesz az összes kód Hamming-távolsága. Egy kódolás hibafelismerı és hibajavító képessége a Hamming-távolságtól függ. Egyszerő hibafelismerı kódolásra példaként tekintsük azt a kódolást, amikor az adatbitekhez egyetlen paritásbitet adunk. A paritásbit értékét úgy határozzuk meg, hogy a kódszóban páros (vagy páratlan) számú 1-es legyen. Ennek a kódolásnak a távolsága 2, mert minden egyes bithiba hibás paritású kódot eredményez. Egy hibát javítani képes: kódoláshoz szükséges ellenırzı bitek száma: Szó hossza Ellenırzı bitek Teljes hossz Hozzáadott bitek %a Tetszıleges hosszúságú memóriaszavak hibajavító kódolására használt Hamming algoritmus, mellyel az elméleti alsó korlát számolható ki: A kódolás során r redundáns bitet adunk egy m bites szóhoz, így a kódszó teljes hossza n=m+r bit lesz. A bitek nem 0-val, hanem 1-gyel kezdıdıen sorszámozzuk, a legnagyobb helyi értékő lesz az 1-es sorszámú. Minden olyan bit paritásbit lesz, amelynek sorszáma 2 hatványa; a többi adatbit. Például egy 16 bites kódszóhoz 5 paritásbitet adunk. Az 1,2,4,8,16 pozíción vannak a paritásbitek, a többi,mind adatbit. A memóriaszó összesen 21 bites. Ebben a példában páros paritást fogunk használni. Minden paritásbit meghatározott bitpozíciókat ellenıriz; a paritásbit értékét úgy állítjuk be, hogy az ellenırzött pozíciókon lévı 1-esek száma páros legyen. 22

23 14. Gyorsító tár (cache). Találati és hiba arány. Közös és osztott gyorsító tár. Direkt leképezéső és halmaz kezeléső gyorsító tár. Memóriába írás: A számítógépek története során a processzorok mindig gyorsabbak voltak a memóriáknál, s ez a különbség a késıbbiekben is fennmaradt. Vannak olyan módszerek, amelyek a kicsi gyors, és nagy lassú memória kombinálásával egyszerre nyújtják mérsékelt áron a gyors memória sebességét és a lassú memória méretét. A kis, gyors memória neve gyorsítótár (cache, jelentése: elrejteni). A gyorsítótár alapötlete egyszerő: a leggyakrabban használt memóriaszavakat a gyorsítótárban tartjuk. Amikor a processzornak szüksége van egy szóra, elıször belenéz a gyorsítótárba. Ha a szó nincs benne, csak akkor fordul a központi memóriához. Ha a szavak jelentıs része a gyorsítótárban van, az átlagos elérési idı nagymértékben csökken. Az a megfigyelés, hogy egy rövid idıintervallumban a memóriahivatkozások a teljes memóriának csak egy kis részét érintik, a lokalitási elv. Ha a CPU rövid idın belül egy szóra k-szor hivatkozik, ebbıl 1-szer kell a lassú memóriához fordulni, k-1-szer pedig a gyorshoz. Minél nagyobb a k, annál jobb a teljesítmény. Formálisan is elvégezhetjük a számítást, jelöljük c-vel a gyorsítótár elérési idejét, m-mel a központi memória elérési idejét és h-val a találati arányt, ami azt mutatja, hogy az össze hivatkozás mekkora hányadát lehetett a gyorsítótárból kielégíteni. Az elızı példában tehát: h=(k-1)/k. Bizonyos szerzık a hibaarányt is definiálni szokták, ennek értéke 1-h. Ezekkel a definíciókkal kiszámíthatjuk az átlagos elérési idıt = c+(1-h)*m. A lokalitási elvtıl vezéreltetve a központi memória és a gyorsítótár kötött mérető blokkra van osztva. Amikor a gyorsítótáron belüli blokkról esik szó, akkor ezeket általában gyorsítósornak (cache line) nevezik. Az egyesített gyorsítótár egyszerőbb szerkezető, és automatikusan egyensúlyban tartja az utasítások és az adatok mozgását. Mindazonáltal mára az osztott gyorsítótár felé történt elmozdulás, amikor is az utasítások és az adatok külön gyorsítótárban vannak. Direkt leképezéső gyorsítótárak: A legegyszerőbb gyorsítótár a direkt leképezéső gyorsítótár. A gyorsítótárban minden egyes bejegyzés (sor) pontosan egy gyorsítósort tartalmazhat a fımemóriából. 32 bájtos gyorsítósormérettel a gyorsítótár 64 KB-ot tartalmazhat. Egy direkt leképezéső gyorsítótárban egy adott memóriaszó pontosan egy helyen lehet tárolva. Amikor a CPU elıállít egy memóracímet, a hardver kiveszi a címbıl a 11 LINE bitet, és indexelésre használja a gyorsítótárban, hogy megtalálja a 2047 bejegyzés egyikét. Ha a bejegyzés érvényes, a memóriacím TAG mezıje és a gyorsítótár bejegyzések TAG mezıje összehasonlításra kerül. Ha megegyeznek, akkor a gyorsítótár-bejegyzés tartalmazza a keresett szót, ezt az esetet gyorsítótár-találatnak nevezzük. Ha a gyorsítótár bejegyzése érvénytelen, vagy a címkék nem egyeznek meg, akkor a keresett bejegyzés nincs a gyorsítótárban, ezt az esetet gyorsítótárhiánynak nevezzük. A dierkt leképezéső gyorsítótárak a gyorsítótárak legelterjedtebb fajtái, és meglehetısen hatékonyan is mőködnek. Halmazkezléső (csoportasszociatíc) gyorsítótárak: Az olyan gyorsítótárat, ameléynek minden egyes címhez n lehetséges bejegyzése van, n utas halmazkezeléső gyorsítótárnak nevezzük. Egy halmazkezeléső gyorsítótár bonyolultabb, mint egy direkt leképezéső, mivel a hivatkozott memóriacímbıl csak a bejegyzéshalmaz címe számítható ki, és a gyorsítótár-bejegyzések n elemő halmazát kell ellenırizni, hogy ott van e a szükséges sor. Legtöbbször elég jó algoritmus az LRU (Least Recently Used, legrégebben használt). Ez az algoritmus rendezett listát készít minden bejegyzéshalmazhoz. A bejegyzés azonnali frissítését a fımemóriában írásáteresztésnek nevezzük. Ezt a megközelítést általában egyszerőbb megvalósítani, megbízhatóbb is, mivel a memória mindig naprakész és szükség van a memória állapotának helyreállítására. Sajnos, ez általában nagyobb írásforgalmat követel a memóriába, így sok kifinomult megvalósítás hajlik a másik megoldás alkalmazására, amelyet késleltetett írásnak vagy visszaírásnak neveznek. A legtöbb késleltetett memóriába írást alkalmazandó konstrukció hajlik arra, hogy behozza az adatot a gyorsítótárban íráshiány esetén is. Ezt a módszert írásallokálásnak nevezzük. 23

24 Memóriába írás: Stratégiák: o Írás áteresztés: az írás a memóriába történik. Ha a cím a gyorsítóban van, oda is be kell írni, különben el kellene dobni a gyorsító sort. o Késleltetett írás: (write deferred, write back) ha a cím bent van a gyorsító tárban, akkor csak a gyorsító tárba írunk, a memóriába csak gyorsító sor cserénél. o Írás allokálás: (write allocation) ha a cím nincs a gyorsító tárban, akkor elıtte betölthetjük többnyire ezt alkalmazzák késleltetett írás esetén. 24

25 15. Adat típusok, karakter kódolás Ahhoz, hogy a számítógépben tárolni tudjuk ezeket a karaktereket, mindegyikhez hozzá kell rendelni egy számot: pl.: a = 1, b = 2,, z = 26, + = 27, - = 28. A karakterek számokra történı leképezését karakterkódnak nevezzük. ASCII: Széles körben elterjedt kód az ASCII (American Standard Code for Information Interchange, az információcsere amerikai szabványos kódrendszere). Minden ASCII karakter 7 bites. A 0 és 1F (hexadecimális) közötti kódok vezérlıkarakterek, amelyek nem nyomtathatók. Sok ASCII vezérlıkarakter eredetileg adatátvitelre szánták. A gyakorlatban azonban a telefonvonalakon és a hálózaton keresztül küldött üzeneteket egészen máshogy állítják össze, így az ASCII vezérlıkaraktereket már nem nagyon használják. Az ASCII nyomtatható karakterek egyértelmőek. Szerepelnek közöttük az angol nagybetők, kisbetők, számjegyek, írásjelek és néhány matematikai szimbólum. Hexadecimális kód Név Jelentés 0 NULL Null 1 SOH Start Of Heading (fejléc kezdete) 2 STX Start Of Text (Szöveg kezdete) 1F US Unit Separator (Egységelválasztó) Hexadec. Kód 20 (Szóköz) 21! 7F DEL Karakterek UNICODE: Az ASCII kiváló az angol nyelvterületen, de kevésbé jó más nyelvhez. Néhány nyelvnek teljesen eltérı ábécéje van (pl.: arab), bizonyos nyelveknek pedig nincs is ábécéjük (pl.: kínai). Az ASCII kibıvítésére tett elsı próbálkozás az IS 646 volt, amikor is újabb 128 karaktert adtak az ASCII-hez, ez a 8 bites Latin-1 kód volt. Az új karakterek többnyire ékezetekkel és diakritikus jelekkel ellátott latin betők voltak. A következı próbálkozás az IS 8859 volt, amely bevezette a kódlap fogalmát, ami egy 256 karakterbıl álló készlet egy bizonyos nyelvcsoport számára. Az IS kezeli a latinalapú szláv nyelveket és a magyart. Egy számítógépes cégekbıl álló csoport elhatározta, hogy megoldja a problémát, és életre hív egy konzorciumot egy új rendszer, a UNICODE létrehozására és nemzetközi szabvánnyá nyilvánítására (IS 10646). A UNICODE-ot már támogatja néhány programozási nyelv (JAVA), néhány operációs rendser (Windows XP) és sok alkalmazás. A UNICODE alapötlete az, hogy minden karakterhez és szimbólumhoz egy állandó, 16 bites értéket kell rendelni, amit kódpozíciónak neveznek. Megkönnyíti a programok írását, hogy minden szimbólum 16 bites. 16 bites szimbólumokkal a UNICODE kódpozícióval rendelkezik. A kódpozíciók 16-osával blokkokra vannak osztva. Bár a UNICODE a nemzetközi használattal kapcsolatos sok problémát megold, nem vállalkozik a világ összes problémájának megoldására. Han ideogramok nincsenek ábécé szerint rendezve. A vakok szerint a Braille-írásjeleket is fel kellene venni. 25