Table Of Content

TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ Várady Géza Számítógép-architektúrák II. Pécs 2015 A tananyag a TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 azonosító számú, „A gépészeti és informatikai ágazatok duális és moduláris képzéseinek kialakítása a Pécsi Tudományegyetemen” című projekt keretében valósul meg. TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ Számítógép-architektúrák II. Várady Géza Szakmai lektor: Sári Zoltán Nyelvi lektor: Veres Mária Kiadó neve Kiadó címe Felelős kiadó: ISBN szám Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar Pécs, 2015 © Várady Géza TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ TARTALOMJEGYZÉK Tartalom 1. Alapvető digitális áramkörök.............................................................................7 1.1. Kombinációs áramkörök........................................................................................................14 1.2. Szekvenciális áramkörök.......................................................................................................22 1.3. CPU lapkák.............................................................................................................................32 1.4. Számítógépes sínek...............................................................................................................33 1.5. Pentium 4 CPU lapka.............................................................................................................43 1.5.1. Számítógépes sínek.......................................................................................................48 2. A processzor belső működése ..........................................................................62 3. A párhuzamosítás lehetőségei..........................................................................88 TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ Előszó A jegyzet a Számítógép-architektúrák című tárgy első félévéhez készült. A tantárgy A. S. Tanenbaum, Számítógép-architektúrák című könyvének 2. kiadása (PANEM, 2006) alapján halad, de egyéb témákra is kitér. A jegyzet váza az oktatói tapasztalat és a hallgatói visszajelzések alapján készült. A könyvben tárgyalt részek kicsit más megvilágításban, másképp is magyarázva, példákkal, ábrákkal egészültek ki. Ez bővült a tárgyban még fontosnak tartott fejezetekkel, információkkal. Olyan adatok is bekerültek, melyek a könyv kiadása óta újnak számítanak és tárgyalni, említeni érdemes őket. A fenti magyar nyelvű könyvet dr. Máté Eörs lektorálta, aki a kötethez készült magyar nyelvű ábrákat saját tárgyainak fóliáiként is használja. Ezeket, illetve a könyvhöz kiadott digitális mellékleteket is használtam a jegyzet illusztrációihoz. A jegyzetet informatikus hallgatóknak ajánlom, de jó szolgálatot tehet a kapcsolódó szakirányok hallgatói számára is. TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ 1. Alapvető digitális áramkörök A számítógépek digitális áramkörökből épülnek fel. A digitális áramkör két logikai értékkel dolgozik, a 0-val és az 1-gyel. Ezeket a logikai értékeket az elektronikusan működő gépekben jellemzően feszültségértékekkel reprezentálják. Az egyértelműség kedvéért a feszültségeket egy tartományon belül tekintjük megengedettnek, pl. a 0-át a 0–1V feszültség, az 1-et pedig a 2–5V közötti feszültség jelentheti. A kettő között érdemes egy biztonsági sávot hagyni, ami egyértelműen elválaszthatóvá teszi a mért jelet. A kapuk kis elektromos eszközök (áramkörök), melyek függvényei kétértékű jelekkel dolgoznak. A logikai kapuk logikai alapműveleteket valósítanak meg. A kapuk tranzisztorokból épülnek fel, melyeket leginkább gyors bináris kapcsolóknak tekinthetünk. A tranzisztorok felépítését a következő ábra (a) pontján (1. ábra) láthatjuk. A tranzisztoroknak három kapcsolata van a külvilággal: kollektor, bázis, emitter. 1. ábra (NPN) Tranzisztor felépítése éskötéseii TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ 2. ábra Az (a),(b),(c) kötésekhez tartozó bemenetek és kimeneteki Ha a bázison mint bemeneten (V ) bizonyos határfeszültségnél kisebb feszültség van (azaz in logikai 0), akkor a kollektorfeszültség, ami a kimeneti feszültség, megegyezik az egyszerű áramkör V tápfeszültségével (ez kívülről beállított, tipikusan 5V), azaz logikai 1. Amikor a cc bemenet feszültsége egy határértéknél nagyobb, azaz logikai 1, a tranzisztor kinyit, és mint egy vezeték, összeköti az emittert és a kimenetet. Ekkor V nulla, azaz logikai 0. Ezt a out logikai síkon megfogalmazva úgy írhatjuk le, hogy 0 bemenetre a kimenet 1, 1 bemenetre a kimenet 0. Ez pedig egy inverter működését írja le, így az egyetlen tranzisztor inverterként (és erősítőként) működik. Két tranzisztort sorba kötve (1. ábra (b)), bármelyik bemenet logikai 0 esetében a kimenet 1. A kimenet viszont 0, ha mindkét bemenet 1. Ez pontosan az ÉS logika inverz működése. Ez a kéttranzisztoros felépítés így NAND (NEM ÉS) kapu. A párhuzamos kötés hasonlóan belátható módon a NOR (NEM VAGY) logikai kaput alkotja (1. ábra(c)). Az áramkörök és kapuk működését a bemenetek és kimenetek összes kombinációjának megadásával egyértelműen meghatározhatjuk. Ezeket az adatokat táblázatos formában igazságtáblának hívjuk. A logikai kapuk jelöléseit és igazságtábláikat a következő ábrán (3. ábra) láthatjuk. 3. ábra Logikai kapuk jelölése és igazságtábláii TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ A kis kört a NOT, NAND és NOR kapuk kimeneti oldalán inverziós gömbnek hívjuk. Látszik, hogy az OR, NOR és AND, NAND kapuk között ez az inverz működés látszik a jelölésben is. A NAND és NOR kapuk két tranzisztorból épülnek fel, míg az AND és OR kapuk háromból. Emiatt a gyártáskor a NAND és NOR kapukat preferálják. A kapukból épülő áramkörök leírására alkalmas a Boole-algebra. Változói és függvényei csak 0 és 1 értéket vehetnek fel. Az igazságtáblákkal való függvényleírás sok változó esetén kényelmetlen. Ennek egy tömör formája az algebrai forma, ahol azon bemenetek kombinációit tüntetjük fel, ahol a kimenetünk igaz lesz. A bemenetek ÉS és VAGY kapcsolatban állnak, melyeket szorzással (AB = A ÉS B) és összeadással (A+B = A VAGY B) jelölünk. Az alábbi igazságtábla többségi függvényt valósít meg, ami akkor ad IGAZ kimenetet, ha a bemenetei között többségben vannak az IGAZ értékek. Az igazságtábla tömör formája: M =ABC + ABC + ABC + ABC (a felülvonás itt alulvonás, a szerkesztés miatt). 4. ábra Többségi függvény igazságtáblájai Az áramkör (5. ábra) megrajzolásának lépései: 1. igazságtábla felírása, 2. komplemensek felrajzolása, 3. M =1-ek esetében ÉS rajzolása, TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 „AGÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA APÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN„ 4. ÉS-ekbe a bemeneteket kötni, 5. ÉS-ek kimenete VAGY-ba. 5. ábra Többségi függvény megvalósításai A NAND és NOR kapuk teljesek, azaz bármely Boole-függvény kiszámítható velük. Gyakran kényelmesebb egy fajta kapuból építkezni, és gyártástechnikailag a kevesebb tranzisztorból megvalósítható NAND és NOR kapuk célra vezetőek. A NEM, ÉS, VAGY kapuk megvalósításai a következő ábrán szerepelnek (6. ábra).