Kívánalom: sok kapu kevés láb Kombinációs áramkörök efiníció: kimeneteket egyértelműen meghatározzák a pillanatnyi bemenetek Multiplexer: n vezérlő bemenet, 2 n adatbemenet, kimenet z egyik adatbemenet kapuzott (gated) a kimenetre (3-2 ábra, 3swf) 2 3 4 5 6 7 F C Sematikus rajza Máté: rchitektúrák 3 előadás Máté: rchitektúrák 3 előadás 2 n vezérlő bemenetű multiplexerrel tetszés szerinti n változós oole-függvény megvalósítható az adatbemenetek megfelelő választásával Pl a 3 változós többségi függvény: emultiplexer: egy egyedi bemenetet irányít az n vezérlő bemenet értékétől függően a 2 n kimenet egyikére 32swf Párhuzamos-soros átalakítás: vezérlő vonalakon rendre:,,, multiplexer demultiplexer demswf Máté: rchitektúrák 3 előadás 3 Máté: rchitektúrák 3 előadás 4 ekódoló: n bemenet, 2 n kimenet Pontosan egy kimeneten lesz (33 ábra, 33swf) emultiplexerrel: a bemenetet igazra állítjuk demultiplexer dekódoló Máté: rchitektúrák 3 előadás 5 Összehasonlító (comparator): (34 ábra, 34swf) KIZÁRÓ VGY (XOR exclusive OR) kapu Igazság tábla: X Szimbolikus jelölése X Máté: rchitektúrák 3 előadás 6 3 előadás
Programozható logikai tömbök: PL (35 ábra) (Programmable Logic rray) 6 kimenet Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor nem jelenik meg # az -es ÉS kapu bemenetén 5 5 bemenő vonal 35swf 24 bemenő vonal L 2 bemenő jel 49 Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor az -es ÉS kapu kimenete nem jelenik meg az 5-ös VGY kapu bemenetén Máté: rchitektúrák 3 előadás 7 Máté: rchitektúrák 3 előadás 8 ritmetikai áramkörök kombinációs áramkörökön belül külön csoportot alkotnak Összeadók: Léptető: C=: jobbra, C=: balra léptet 36swf Máté: rchitektúrák 3 előadás 9 Fél-összeadó (half adder, 37 ábra, 37swf) Máté: rchitektúrák 3 előadás Összeadók: ritmetikai-logikai egység: bitszelet (bit slice, 39 ábra), F, F -tőlfüggően ÉS, VGY, NEGÁCIÓ vagy + Teljes-összeadó (full adder, 38 ábra, 38swf) Máté: rchitektúrák 3 előadás 39swf Máté: rchitektúrák 3 előadás 2 3 előadás 2
átvitel továbbterjesztő összeadó (ripple carry adder): átvitel kiválasztó összeadó (carry select adder) eljárás: 39cswf 39bswf Máté: rchitektúrák 3 előadás 3 Máté: rchitektúrák 3 előadás 4 Nem kombinációs áramkörök Óra (clock, 32 ábra): ciklusidő (cycle time) Pl: 5 MHz - 2 nsec Finomabb felbontás késleltetéssel szimmetrikus óra Memória: Emlékszik az utolsó beállításra Tároló: Szint vezérelt (level triggered) SR tároló (Set Reset latch, 322 ábra, 322swf) Stabil állapot: a két kimenet, vagy, S (set), R (reset) bemenet (Q# Q) késleltetés C Máté: rchitektúrák 3 előadás 5 Máté: rchitektúrák 3 előadás 6 323swf 325swf Mindkét SR tároló indeterminisztikussá válna, ha S = R = egyszerre fordulna elő 324swf z inverternek van egy pici (- ns) késleltetése (Δ) Máté: rchitektúrák 3 előadás 7 Máté: rchitektúrák 3 előadás 8 3 előadás 3
Flip-flop: élvezérelt (edge triggered), flip-flop: 326 ábra 327 ábra: Tárolók és flip-flopok Q Q Q Q CK (a) CK: órajel CK (b) tárolók (c) (d) flip-flopok 326swf (a) CK=, (b) CK= szint esetén írja be -t, (c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél Sokszor S (set, PR preset), R (reset, clear) be- és Q# kimenet is van Máté: rchitektúrák 3 előadás 9 Máté: rchitektúrák 3 előadás 2 328 ábra: (a) 2 független flip-flop, V cc 4 3 2 9 8 Q# Q# PR PR 2 3 4 5 6 7 GN Máté: rchitektúrák 3 előadás 2 328 ábra: (b) közös CK-val és -rel vezérelt 8 bites flip-flop: regiszter V cc 2 9 8 7 6 5 4 3 2 2 3 4 5 6 7 8 9 GN Máté: rchitektúrák 3 előadás 22 lapvető digitális logikai áramkörök Integrált áramkör (IC, Integrated Circuit, chip, lapka) 5x5 mm 2 szilícium darab kerámia vagy műanyag lapon (tokban), lábakkal (pins) Négy alaptípus: SSI (Small Scale Integrated - kapu), MSI (Medium Scale, - kapu), LSI (Large Scale, - kapu), VLSI (Very Large Scale, > kapu) Memória szervezése Elvárás: szavak címezhetősége 329 ábra: Négy db három bites szó emenetek: három a vezérléshez, CS (Chip Select): lapka választás, R (Rea): : olvasás, : írás választása, OE (Output Enable): kimenet engedélyezése kettő a címzéshez (dekódoló), három a bemenő adatoknak, három adat kimenet Máté: rchitektúrák 3 előadás 23 Máté: rchitektúrák 3 előadás 24 3 előadás 4
329 ábra 4 3-as memória 329swf Memória szervezése z igazi memóriáknál a bemenet és kimenet közös (kevesebb lábra van szükség): Nem invertáló és invertáló pufferek (ezek három állapotú eszközök, tri-state device, 33 ábra) adat be vezérlés adat ki nem invertáló puffer Ha a vezérlő jel magas alacsony adat be vezérlés adat ki invertáló puffer Ha a vezérlő jel magas alacsony Máté: rchitektúrák 3 előadás 25 Máté: rchitektúrák 3 előadás 26 Memórialapkák Előnyös, ha a szavak száma 2 hatvány 4 Mbit-es memória kétféle szervezése: 33 ábra 8 52 K 8 bites memória (4 Mbit) CS WE OE 9 cím, 8 adat vonal 7 RS CS Row ddress Strobe Column ddress Strobe 496 K bites memória (4 Mbit) CS WE OE cím, adat vonal Máté: rchitektúrák 3 előadás 27 Memórialapkák jel (bemenet) beállított (asserted) vagy negált CS beállított:, de CS# beállított: a) 52 K bájtos elrendezés: 9 cím, 8 adat vonal b) 248*248 bites elrendezés: cím, adat vonal: it kiválasztás sor- (RS: Row ddress Strobe) és oszlopindex CS (Column ) segítségével Gyakran alkalmazzák nagyobb memóriáknál, bár a két cím megadása lassíthat Nagyobb memóriáknál, 4, 8, 6 bites kimeneteket is használnak Máté: rchitektúrák 3 előadás 28 RM (Random ccess Memory) Statikus RM (SRM) flip-flop elemekből épül fel míg áram alatt van, tartja a tartalmát Elérési idő: néhány nsec (cache-nek jók) inamikus RM (RM): 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: EO (Extended ata Output) lehet új memóriahivatkozás, mielőtt az előző befejeződik SRM (Synchronous RM) központi óra vezérli lokkos átvitel Újabban: R (ouble ata Rate) z órajel föl- és lefutó élénél is van adatátvitel Máté: rchitektúrák 3 előadás 29 ROM (Read-Only Memory) ROM: gyárilag kialakított tartalom PROM (Programmable ROM): a tartalom biztosítékok kiégetésével alakul ki (a PL-khoz hasonlóan, 35 ábra) EPROM (Erasable PROM): a biztosítékok speciális fénnyel kiolvaszthatók és kijavíthatók EEPROM: elektromos impulzusokkal Flash memória: törlés és újraírás csak blokkonként Kb használat után elkopnak Ilyen van a legtöbb MP3 lejátszóban, digitális fényképezőgépben Máté: rchitektúrák 3 előadás 3 3 előadás 5
Memória hierarchia (28 ábra) 52 M-os flash memória (26) Elérési idő Kapacitás néhány ns > msec Regiszterek Gyorsító tár Központi memória Mágneslemez Szalag Optikai lemez néhány bájt több száz G Máté: rchitektúrák 3 előadás 3 Máté: rchitektúrák 3 előadás 32 G-os flash memória (27) vezérlőegység ritmetikailogikai egység (LU) Központi feldolgozó egység (CPU) /K eszközök Regiszterek Központi memória Lemez Nyomtató sín Egyszerű sín alapú számítógép (2 ábra) Máté: rchitektúrák 3 előadás 33 Máté: rchitektúrák 3 előadás 34 CPU feladata: a memóriában tárolt program végrehajtása vezérlőegység ritmetikailogikai egység (LU) Regiszterek Részei: vezérlőegység, feladata: a program utasításainak beolvasása, az LU, a regiszterek vezérlése, aritmetikai-logikai egység (LU), feladata: az utasítások végrehajtása, regiszter készlet, feladata: részeredmények, vezérlő információk tárolása legfontosabb regiszterek: utasításszámláló (Program Counter): PC, utasításregiszter (Instruction Register): IR, adatút (data path, 22 ábra) + LU + datút (data path, 22 ábra) regiszter készletből feltöltődik az LU két bemenő regisztere LU z eredmény az LU kimenő regiszterébe kerül z LU kimenő regiszteréből a kijelölt regiszterbe kerül az eredmény Nem biztos, hogy az LU be- és kimenő regiszterei tényleges regiszterként vannak kialakítva Máté: rchitektúrák 3 előadás 35 Máté: rchitektúrák 3 előadás 36 3 előadás 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 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 PL, és hogyan? Milyen aritmetikai áramköröket ismer? Hogy működik a léptető? Hogy működik a fél összeadó? Mi indokolja a fél összeadó elnevezést? Máté: rchitektúrák 3 előadás 37 Máté: rchitektúrák 3 előadás 38 Hogy épül fel a teljes összeadó? Milyen részei vannak az LU-nak? Milyen be- és kimenetei vannak az bites LU-nak? Milyen műveletek végezhetők el az LU-val? Milyen vezérlő bemenetek esetén lesz az eredmény? Milyen eredményt szolgáltat az F =, F =, EN=, EN=, INV=, INC= vezérlő bemenet? Hogy működik az átvitel továbbterjesztő/kiválasztó összeadó? Hogy érhetünk el az órajelnél finomabb időzítést? Milyen nem kombinációs áramköröket ismer? Kombinációs áramkör-e az LU? 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 tároló között? Mi a pulzusgenerátor, és mi a működési elve? Mi a különbség a tároló és a flip-flop között? Máté: rchitektúrák 3 előadás 39 Máté: rchitektúrák 3 előadás 4 Hogy működik az invertáló és a nem invertáló puffer? Miért használnak a memóriáknál invertáló vagy nem invertáló puffert? Hogy címezhető meg n címlábon 2 n -nél nagyobb memória? Mit jelent, hogy a CS/CS# bemenet beállított/negált? Mi a RM? Milyen elemekből épül fel a SRM? Milyen elemekből épül fel a RM? Hogy működik a RM? Hogy működik az SRM? Mit jelent az FPM rövidítés? Mit jelent az EO rövidítés? Hogy működik a R? Mit jelent a ROM rövidítés? Hogy működik az EPROM? Hogy működik az EEPROM? Milyen memória van a legtöbb fényképezőgépben? Máté: rchitektúrák 3 előadás 4 Máté: rchitektúrák 3 előadás 42 3 előadás 7
Mi a CPU? Mi az LU? Mi az adatút? Milyen részei vannak a CPU-nak? Mi a regiszter? Mit jelent az implicit operandus kifejezés? z előadáshoz kapcsolódó Fontosabb tételek Programozható logikai tömbök ritmetikai áramkörök Léptető, fél és teljes összeadó, LU, az LU-val végezhető műveletek, átvitel továbbterjesztő és kiválasztó összeadás Nem kombinációs áramkörök Óra, tárolók, flip-flop-ok CPU részei, feladatai, adatút Máté: rchitektúrák 3 előadás 43 Máté: rchitektúrák 3 előadás 44 3 előadás 8