Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών και Επικοινωνιών Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής Μανόλης Καλλίγερος

Δομή παρουσίασης Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Η αρχιτεκτονική ενός απλού υπολογιστή Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Ο επεξεργαστής Ή, πιο «επίσημα», η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Central Processing Unit - CPU) Είναι η «καρδιά» του υπολογιστικού συστήματος Εκτελεί τα προγράμματα Όλες οι λειτουργίες του υπολογιστή ελέγχονται ή δρομολογούνται από τον επεξεργαστή Ο κάθε επεξεργαστής έχει ένα προκαθορισμένο (από το σχεδιαστή του) σύνολο εντολών που μπορεί να εκτελέσει (Γλώσσα μηχανής). Το πρόγραμμα ενός επεξεργαστή δεν μπορεί να εκτελεστεί σε έναν άλλο επεξεργαστή Οι γλώσσες προγραμματισμού υψηλού επιπέδου (π.χ. C) κρύβουν τη γλώσσα μηχανής από τον προγραμματιστή. Η μετατροπή του κώδικα υψηλού επιπέδου σε κώδικα γλώσσας μηχανής γίνεται κατά τη μεταγλώττιση (compilation) Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

H εσωτερική αρχιτεκτονική ενός απλού επεξεργαστή Καταχωρητές: για εκτέλεση πράξεων και για την αποθήκευση σημαντικών πληροφοριών για τη λειτουργία του συστήματος Π.χ., Μετρητής Προγράμματος (Program Counter): Περιέχει τη διεύθυνση της επόμενης προς εκτέλεση εντολής Αριθμητική Λογική Μονάδα (Arithmetic Logic Unit - ALU): Περιέχει κυκλώματα για την εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων Μονάδα Ελέγχου (Control Unit): Συντονίζει τη λειτουργία του επεξεργαστή Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Διαφορές από πιο σύγχρονους επεξεργαστές Οι σύγχρονοι επεξεργαστές περιλαμβάνουν αρκετή κρυφή μνήμη (cache memory) Cache memory: Γρήγορη και σχετικά μικρή μνήμη (πολύ πιο γρήγορη αλλά και πολύ μικρότερη από τη RAM), στην οποία αποθηκεύονται ο πιο πρόσφατα εκτελεσμένος κώδικάς και τα πιο πρόσφατα χρησιμοποιημένα δεδομένα. Ο κώδικας και τα δεδομένα αυτά είναι πολύ πιθανό να ξαναχρησιμοποιηθούν σύντομα από τον επεξεργαστή Επίσης περιλαμβάνουν κάποιες επιπλέον λειτουργικές μονάδες, όπως: Μονάδα κινητής υποδιαστολής (Floating Point Unit - FPU) Μονάδα διαχείρισης μνήμης (Memory Management Unit - MMU) Καθώς και ένα μεγάλο αριθμό από καταχωρητές Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Μνήμες Μνήμη Ανάγνωσης Μόνο (Read Only Memory - ROM) Τα περιεχόμενά μίας ROM διατηρούνται και όταν διακοπεί η τροφοδοσία στο chip της ROM Περιέχει βασικές ρουτίνες αρχικοποίησης και λειτουργίας του συστήματος Παλαιότερα δεν ήταν δυνατόν να επαναπρογραμματιστεί μία ROM. Πλέον, οι σύγχρονες ROM επιτρέπουν κάτι τέτοιο (Electrically Erasable Programmable ROM - EEPROM) Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Memory - RAM) Τα περιεχόμενά μίας RAM σβήνονται όταν διακοπεί η τροφοδοσία στα chip της RAM Χρησιμοποιείται για προσωρινή αποθήκευση των εφαρμογών που εκτελούνται καθώς και των δεδομένων των εφαρμογών αυτών Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Συσκευές Εισόδου / Εξόδου Για Είσοδο / Έξοδο δεδομένων προς και από τον υπολογιστή. Για παράδειγμα: Οθόνη (Έξοδος) Διάφορες συσκευές USB Πληκτρολόγιο (Είσοδος) Ποντίκι (Είσοδος) Εκτυπωτές (Έξοδος) Σαρωτές (Είσοδος) Δίσκοι (Είσοδος / Έξοδος) Μόνιμη αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων, αλλά με μαγνητικό τρόπο (σε αντίθεση με τις μνήμες, στις οποίες χρησιμοποιούνται κυκλώματα - αποθήκευση με ηλεκτρικό τρόπο) Οδηγοί DVD, Blu Ray (Είσοδος / Έξοδος) Ηχεία (Έξοδος) Μικρόφωνο (Είσοδος) Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Και οι ελεγκτές τι χρειάζονται; Οι ελεγκτές (controllers) είναι chip, τα οποία τοποθετούνται μεταξύ του επεξεργαστή και των συσκευών Εισόδου / Εξόδου και διευκολύνουν τη μεταξύ τους επικοινωνία Αν ο επεξεργαστής θέλει να γράψει δεδομένα σε μία συσκευή, απλά τα στέλνει στον αντίστοιχο ελεγκτή και τον ειδοποιεί να τα γράψει στη συσκευή Για διάβασμα, απλά ειδοποιείται ο ελεγκτής να διαβάσει από συγκεκριμένη συσκευή και στη συνέχεια τα δεδομένα μεταφέρονται από τον ελεγκτή στον επεξεργαστή Τις λεπτομέρειες της επικοινωνίας με τη συσκευή τις γνωρίζει ο ελεγκτής και όχι ο επεξεργαστής Υπάρχουν διαφορετικοί ελεγκτές για διαφορετικά είδη συσκευών (π.χ., ελεγκτής οθόνης, ήχου, σκληρών δίσκων, USB, κ.τ.λ.) Γνωστοί ελεγκτές Ελεγκτής οθόνης = Κάρτα γραφικών Ελεγκτής ήχου = Κάρτα ήχου Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Τι είναι ο δίαυλος; Δίαυλος (ή αρτηρία ή διάδρομός - Bus στα αγγλικά) είναι ένα σύνολο από γραμμές (καλώδια) πάνω στις οποίες συνδέονται ο επεξεργαστής και οι διάφορες συσκευές ώστε να μπορούν να επικοινωνήσουν Για να καταστεί δυνατή η επικοινωνία των συσκευών είναι απαραίτητο να τηρούνται μία σειρά από κανόνες. Οι κανόνες αυτοί που διέπουν την επικοινωνία πάνω από ένα συγκεκριμένο δίαυλο ονομάζονται πρωτόκολλο επικοινωνίας του διαύλου Στους σύγχρονους υπολογιστές υπάρχουν περισσότεροι του ενός δίαυλοι για την επικοινωνία του επεξεργαστή με τις διάφορες συσκευές Η βασική διαφορά μεταξύ των διαύλων αυτών είναι η ταχύτητά τους Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Η αρχιτεκτονική ενός πιο σύγχρονου υπολογιστή διασυνδέουν διαφορετικούς διαύλους Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Δομή παρουσίασης Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Το πλέγμα των ατόμων του πυριτίου Τα τρανζίστορ κατασκευάζονται σε υπόστρωμα πυριτίου Το πυρίτιο (Si) ανήκει στην ομάδα IV του ΠΠ (έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους) Στο κρυσταλλικό του πλέγμα σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου Ο κρύσταλλος έχει κανονικά κυβική δομή Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Ημιαγωγοί με προσμίξεις Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός Δεν έχει όμως ελεύθερους φορείς και η αγωγιμότητά του είναι μικρή Λύση: Προσμίξεις τύπου n ή δότες: δίνουν ηλεκτρόνια τύπου p ή δέκτες: δίνουν οπές Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

MOS τρανζίστορ Τέσσερις ακροδέκτες: gate, source, drain, body ή bulk Η δομή πύλη-οξείδιο-υπόστρωμα θυμίζει πυκνωτή Λόγω αυτής της δομής ονομάζεται MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) τρανζίστορ, αν και η πύλη δεν είναι πια από μέταλλο (αλλά από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο) Οι ακροδέκτες source και drain είναι ηλεκτρικά ισοδύναμοι Το SiO2 (οξείδιο) είναι πολύ καλός μονωτής nMOS pMOS Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Απλουστευμένη λειτουργία του nMOS τρανζίστορ Το υπόστρωμα συνήθως γειώνεται Το τρανζίστορ άγει όταν η πύλη τεθεί σε υψηλό δυναμικό, λόγω της περιοχής αντιστροφής (κανάλι) που δημιουργείται κάτω από το οξείδιο της πύλης Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Απλουστευμένη λειτουργία του pMOS τρανζίστορ Το υπόστρωμα τίθεται σε υψηλό δυναμικό (VDD) Το τρανζίστορ άγει όταν η πύλη τεθεί σε χαμηλό δυναμικό, λόγω της περιοχής αντιστροφής (κανάλι) που δημιουργείται κάτω από το οξείδιο της πύλης Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Λειτουργία των MOS τρανζίστορ σαν διακόπτες Το δυναμικό της πύλης του τρανζίστορ ελέγχει το μονοπάτι μεταξύ των ακροδεκτών source και drain Το υπόστρωμα είναι μόνιμα συνδεδεμένο σε σταθερή τιμή οπότε παραλείπεται Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Τρανζίστορ σε σειρά και παράλληλα nMOS: 1 = ON pMOS: 0 = ON Σε σειρά : και τα δύο πρέπει να είναι ΟΝ Παράλληλα : αρκεί ένα από τα δύο να είναι ΟΝ Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Δομή παρουσίασης Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NAND A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NAND A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NAND A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NAND A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NAND A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

CMOS πύλη NOR A B Y 1 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Πύλη NAND 3 εισόδων Η έξοδος συνδέεται με τη γείωση (λογικό 0) όταν ΟΛΕΣ οι είσοδοι είναι 1 Η έξοδος συνδέεται με το VDD (λογικό 1) όταν ΜΙΑ ΤΟΥΛΑΧΙΣΤΟΝ είσοδος είναι 0 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Πύλη NAND 3 εισόδων Η έξοδος συνδέεται με τη γείωση (λογικό 0) όταν ΟΛΕΣ οι είσοδοι είναι 1 Η έξοδος συνδέεται με το VDD (λογικό 1) όταν ΜΙΑ ΤΟΥΛΑΧΙΣΤΟΝ είσοδος είναι 0 Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Οι πύλες AND και OR Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Γιατί; Τα pMOS τρανζίστορ «περνούν» ισχυρά την τιμή 1 αλλά εξασθενημένα την τιμή 0 Τα nMOS τρανζίστορ «περνούν» ισχυρά την τιμή 0 αλλά εξασθενημένα την τιμή 1 Άρα, σε μία πύλη θα πρέπει να χρησιμοποιούνται: pMOS τρανζίστορ για τη σύνδεση του VDD με την έξοδο (τιμή εξόδου ίση με το λογικό 1) nMOS τρανζίστορ για τη σύνδεση της γείωσης με την έξοδο (τιμή εξόδου ίση με το λογικό 0) Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Complementary MOS (CMOS) λογική nMOS pull-down λογική ή δίκτυο (network) pMOS pull-up λογική ή δίκτυο (network) Τα nMOS και pMOS δίκτυα είναι ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ (De Morgan), ή, πιο σωστά, λειτουργούν συμπληρωματικά Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Τι φτιάχνεται πιο εύκολα με CMOS λογική; Τα pMOS τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται για να οδηγείται η έξοδος μίας CMOS πύλης στο λογικό 1 άγουν (ΟΝ) όταν το gate τους οδηγηθεί στο λογικό 0 Τα nMOS τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται για να οδηγείται η έξοδος μίας CMOS πύλης στο λογικό 0 άγουν (ΟΝ) όταν το gate τους οδηγηθεί στο λογικό 1 Άρα όλες οι είσοδοι μίας CMOS πύλης πρέπει να εμφανίζονται αντεστραμμένες στη λογική έκφραση της συνάρτησης που υλοποιεί, ώστε το λογικό 0 αυτών να προκαλεί λογικό 1 στην έξοδο και το αντίστροφο Τα παραπάνω καταδεικνύουν ότι η CMOS λογική μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση συναρτήσεων με αντιστροφή (NAND, NOR) Σε αντίθετη περίπτωση κατασκευάζουμε μία πύλη για τη συμπληρωματική συνάρτηση και χρησιμοποιούμε και έναν επιπλέον αντιστροφέα στην έξοδο Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Μεθοδολογία κατασκευής πυλών CMOS H CMOS λογική χρησιμοποιείται για την υλοποίηση και πιο σύνθετων συναρτήσεων από τις NAND, NOR (οι αντίστοιχες πύλες ονομάζονται σύνθετες πύλες) Υποθέτοντας ότι μία συνάρτηση είναι συνολικά αντεστραμμένη, τα βήματα κατασκευής της αντίστοιχης CMOS πύλης είναι τα εξής: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan, ώστε στην έκφραση της συνάρτησης να εμφανίζεται η κάθε μεταβλητή αντεστραμμένη Υλοποίηση του pMOS δίκτυου της πύλης από την έκφραση που προέκυψε Υλοποίηση του nMOS δικτύου σαν συμπληρωματικό του pMOS ή χρησιμοποιώντας την έκφραση του συμπληρώματος της συνάρτησης Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Παράδειγμα Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Παράδειγμα Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Υλοποίηση του pMOS δικτύου Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Παράδειγμα Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Υλοποίηση του pMOS δικτύου nMOS δίκτυο: Συμπληρωματικό του pMOS ή Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Άλλες σύνθετες πύλες (1/2) Υλοποίηση της συνάρτησης: pMOS δίκτυο: F (με αντεστραμμένες εισόδους) nMOS δίκτυο: (με κανονικές εισόδους) Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής

Άλλες σύνθετες πύλες (2/2) Υλοποίηση της συνάρτησης: pMOS δίκτυο: nMOS δίκτυο: F Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και Ηλεκτρονικής