NYME Informatikai Intézet

NYME Informatikai Intézet

Számítógépes alkalmazások

Kalmár János

2. előadás

Tartalom• A mikroszámítógép felépítése• A mikroprocesszorok technológiája, Moore törvénye• A mikroprocesszorok csoportosítása (Risc, Cisc) • Mikroprocesszor/regiszterek• Mikroprocesszor/ALU• Mikroprocesszor/CU és mikroprogram tár• A mikroprocesszor működése• Órajel, gépi ciklus, belső sín• Memória: funkció, osztályozás• A sín (busz) rendszer funkciója, részei, jellemzői• Szabványos interfészek• Adatátviteli megoldások• Perifériák és tulajdonságaik• Háttértárak és jellemzőik• A megszakítás fogalma, kiszolgálása

NYME Informatikai Intézet •Tárgy: Számítógépes Alkalmazások

NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások

A mikroszámítógép felépítése I

• A bemeneti (input) egység, amely az adatok és a program bevitelét biztosítja

• A főtár (memória), amely a műveletek elvégzéséhez szükséges adatokat és programokat, valamint az eredményt tárolja későbbi felhasználás céljából

• A mikroprocesszor, amely a memóriából kapott adatokon a programnak megfelelő logikai és számítási műveleteket elvégzi

• A kimeneti (output) egység, amelyen keresztül az eredmény eljut a felhasználóhoz.

NYME Informatikai IntézetTárgy: Számítógépes Alkalmazások

A mikroszámítógép felépítése II

NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások

A mikroprocesszor

A „mikro” jelző a kis fizikai méretre (kis fogyasztásra, alacsony árra) utal, ami a félvezető technológiák és a rendszertechnika fejlődésének eredménye. A processzor a digitális számítógép központi egysége, azaz a számítógép vezérlő és feldolgozó része (CPU) egy chipben. Ez irányítja a teljes számítógépet az ember által készített programok szerint.

Miért okozott forradalmat?

Az univerzális mikroprocesszorok a játék és professzionális számítógépekbe, digitális telefonközpontokba, riasztórendszerekbe, az autó vezérlő elektronikájába stb. egyaránt beépíthetők.

Széles körű felhasználás → nagy sorozatú gyártás → csökkenő ár ↓

↑←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←

↓


A mikroprocesszorok technológiájanMOS, CMOS gyártási technológia

• Cél: minél több alkatrész kerüljön egy chipre

• Előny: olcsóbb, gyorsabb, megbízhatóbb

• Hátránya: megoldandó a hőelvezetés problémája

Pl. egy Pentium II (1997) és egy mai (2009) Intel chip:

• 7,5 millió tranzisztor, CMOS 2,9 milliárd tranzisztor

• 15*15 mm chipméret, 0,25 μm vonal 32 nanométeres vonal

• 2 Volt belső tápfeszültség

Érvényesül Moore törvénye, miszerint másfél évente duplázódik a chipenkénti tranzisztorok száma, és ezzel a teljesítmény is!


A mikroprocesszorok csoportosítása

Szóhosszúság: 4..64 bit

Utasításformátum: RISC (Reduced), CISC (Complex),

Utasításkészlet: 100..1000

Ciklusidő: 4,77 Mhz..4 Ghz

Címezhető memória: 64 kB..4 GB

Buszrendszer: 8..64 bit


A mikroprocesszorok összehasonlítása

CISC:

• Sok utasítás, többségüket mikroprogram definiálja

• Bonyolult címzési módok, változó utasításhossz

• Különböző ciklusidők az utasításokhoz

• Egyszerűbb assembly programozás

• Pl. Intel 286/386/486, Pentium procik

RISC:

• Csak alapvető utasítások, hardveres megvalósítással

• Sok regiszter

• Fix kódhosszúság, egyszerű címzés

• Egy utasításra eső ciklusok száma kicsi

• Bonyolultabb feladatokhoz hosszabb programok kellenek


A mikroprocesszorok funkcionális egységei

• Regiszterek

• Aritmetikai-logikai egység (ALU)

• Vezérlő egység (CU)

• Mikroprogram-tár

• Belső buszrendszer


A regiszterek

Gyors működésű átmeneti tárolók:

• 8..512 db szó kapacitású

• statikus RAM, ami a dinamikus RAM memóriánál akár 100-szor gyorsabb lehet

Osztályozásuk:

• Rendszer regiszter, a felhasználó közvetlenül nem fér hozzá, pl. flag /állapotjelző/ regiszter, címbusz regiszter, adatbusz regiszter

• Általános célú regiszter, a program is használhatja, pl. akkumulátor, utasítás regiszter, utasítás-számláló regiszter, címregiszter, adatregiszter


Aritmetikai-logikai egység (ALU)

Funkciói:

• Bináris összeadás

• Boole-algebrai műveletek (And, Or, Xor, Not)

• Léptetés jobbra/balra (osztás, illetve szorzás 2-vel)

• Komplemens képzés

• Állapotjelzők (flag regiszter) előállítása: az utasítás eredménye nulla, pozitív, negatív volt, előfordult-e túlcsordulás, hiba, stb.


Vezérlő egység (CU)

Funkciói:

• Kiolvassa a memóriából a szükséges adatokat, utasítások

• Értelmezi és végrehajtja az utasításokat az ALU és a mikro-programtár segítségével,

• Vezérli a belső busz adatforgalmát

• Összehangolja a CPU többi egységének működését

A mikroprogram-tár

A mikroprocesszor a program gépi kódú utasításait általában több lépésben hajtja végre. A mikroprogramtár a bonyolultabb utasítások végrehajtásának mikroprogramját tartalmazza.


A mikroprocesszor működése

• Kiolvassa a memóriából a számítógépet vezérlő program utasításait

• Dekódolja (értelmezi) az utasításokat

• Vezérli és időzíti a műveletek elvégzéséhez szükséges adatforgalmat és a perifériák tevékenységét

• Beolvassa a memóriából az utasítás végrehajtásához szükséges adatokat

• A beolvasott adatokon sorban elvégzi a szükséges műveleteket: ezek elsősorban logikai műveletek lehetnek, de erre visszavezethetők az egyéb, pl. aritmetikai műveletek is.

• A utasítás eredményét visszaírja a memóriába


Órajel és gépi ciklus

A mikroszámítógép folyamatos működését periodikusan kiadott jelek – az órajelek – biztosítják, amelyek egyrészt az ütemnek megfelelően engedélyezik az adatok jeleinek belépését az áramkörökbe, másrészt szinkronizálják az áramkörök állapotváltozásait.

Egy gépi utasítás végrehajtása általában több óraciklus alatt megy végbe.

A gépi ciklus az az időtartam, amely egy processzor-alapművelet végrehajtásához szükséges.

Egy gépi ciklus két fázisból áll:

• utasítás kihozási (kiolvasási) fázis

• utasítás végrehajtási fázis


Tárak, tárolók (memória)

A számítógép az adatok és az utasítások bitjeit az adott gépre jellemző (szó) hosszú rekeszekben tárolja. A rekeszeket felépítő bitek száma a jellemző állandó, ami általában a bájt (8 bit) többszöröse.

Az adatok beírása és kiolvasása a tárolókból a címezhetőség elve alapján történik. Ez azt jelenti, hogy minden egyes rekesznek sorszáma van, amellyel a rekesz az utasításokban egyértelműen azonosítható.

A rekeszek sorszámát bináris formában a rekesz abszolút (fizikai) címének nevezzük (a sorszámozást nullától kezdjük).

A tárkapacitást a rendelkezésre álló rekeszek (bájtok) számával mérik1 Kbyte = 1024 bájt, 1 Mbyte = 1024 Kbyte, 1 Gbyte = 1024 Mbyte, 1 Tbyte = 1024 Gbyte


A tárolók osztályozása

• az adatok elérése szerint (soros, pl. mágnesszalag, közvetlen, pl. RAM, asszociatív, ahol tartalom alapján keresünk)

• az adatok átírhatósága szerint (csak olvasható/ROM/, írható-olvasható/RAM/, újraprogramozható/EPROM/)

• a fizikai működési elv szerint (mágneses, kondenzátoros, statikus, dinamikus)

• a funkció szerint [operatív tár (gyors, de drága), háttértár (olcsó, lassú)]


Mikro-processzor

Mem

ória

I

O

O

I

Memóriabusz

I (input) bemenetO (output) kimenet egységei

I/O busz

A funkcionális egységek közötti kommunikációs kapcsolatokat, azaz acímek, vezérlőinformációk átvitelét, a mikroszámítógép busz-, vagysínrendszere biztosítja.

NY ME INFORMÁCIÓ

TECHNOLÓGIAI TANSZÉKTantárgy: Számítógépes alkalmazások

A busz egy vezetékrendszer, melynek fontosabb fajtái:

a belső busz, a memóriabusz, az I/O vagy rendszerbusz.

BILL.

monvezérlő

MON

billvezérlő

lemezvezérlő

prtvezérlő

FD

HD

PRT

MEM

KPR

koprocesszor processzor

helyisín

adatcím

vezérlés rendszer sín

~~~~~~~~


Sínek

A különféle perifériák illetve a memória és a CPU közötti kommunikációra szolgál.

A kártyákat az alaplapon ún. slot-okba csatlakoztatjuk.

• 8, majd 16 bites ISA (Industry Standard Architecture)

• MCA (Micro Channel)

• 32 bites EISA (Extended ISA)

• VESA local busz

• 32 és 64 bites PCI (Peripherial Component Interconnect)


Szabványos interfészek• soros port (aszinkron, Serial, RS-232C, COM)

Két számítógép összekötése : „null modem kábel”

• párhuzamos port (Parallel, Printer, Centronics, LPT)

• game port

• SCSI (Small Computer System Interface) gyors, de drága

• USB (Universal Serial Bus) jellemzői: egyszerű csatlakoztathatóság legfeljebb 127 eszközt támogat egyidejűleg valós idejű perifériák kiszolgálása (pl. hang, telefon) plug and play technika (bedugás után önállóan települ) elektromos energiaellátás és adatátvitel egy kábelen két bemeneti eszköz között nincs adatforgalom


Adatátviteli megoldások

• Programozott adatátvitel: a perifériával történő kommunikáció a mikroprocesszor feladata (közben nem csinálhat mást)

• Megszakításos adatátvitel: a mikroprocesszor közli a feladatot a perifériával, folytatja saját munkáját, és a periféria megszakítással jelentkezik be ismét, ha elkészült a feladatával, vagy hiba történt.

• Közvetlen memória hozzáférés: ha az adatátvitel forrása és célja nem a processzor, akkor az a DMA (Direct Memory Access) egység segítségével is lebonyolítható; a processzor csak definiálja a DMA feladatát, adatot nem küld és nem fogad.


PerifériákBeviteli perifériák:• billentyűzet,• egér,• fényceruza, érintéses bev.,• optikai letapogató (scanner)

Kiviteli perifériák:• monitor (display),• nyomtatók,• rajzolók,• akusztikus kiviteli eszközök

Adattárolásra és bevitelre/kivitelre is használt perifériák

• mágneslemezes tár (merevlemezes - Winchester, vagy hajlékonylemezes - floppy diszk),

• mágnesszalagos tár (streamer, azaz sztrímer),

• optikai lemezes tár (CD-ROM, DVD-ROM, DVD-RAM).


Perifériák/fogalmak• standard input eszköz: billentyűzet• scan kód: a billentyűzet küldi a CPU-nak egy billentyű megnyomásakor• standard output eszköz: monitor• interlace/non-interlace: a képelőállítás két módja kadódsugár-csöves monitoron• képernyőkímélő program: megakadályozza, hogy a monitor hosszabb időn át ugyanazt a képet mutassa, különben beégnek a képpontok a kadódsugár-csöves monitoron• pixel: egy digitálisan tárolt képpont• RGB: red-green-blue színösszetevőkkel tárolják az egyes pixeleket• video-RAM: ez a memória tárolja a monitoron látható képet• true color: a tárolt kép megegyezik a megjelenítettel• paletta: színek sorszámaihoz RGB színösszetevőket rendelő táblázat• dpi: a képpontok száma inchenként (kb. 2,5 cm), a letapogató vagy nyomtató eszköz felbontásának mértékegysége• NLQ: near letter quality, a jó minőségű nyomtatás jellemzője


Adattárolásra és bevitelre/kivitelre is használt perifériák:

• mágneslemezes tár (merevlemezes - Winchester, vagy hajlékonylemezes - floppy diszk),

• mágnesszalagos tár (streamer azaz sztrímer),

• optikai lemezes tár (CD-ROM, DVD-ROM, DVD-RAM).


Háttértárak

A háttértárak főbb jellemzői : a tárolás fizikai elve, kapacitás, gyorsaság, élettartam, ár. A FAT tábla fogalma.

• merevlemez (BIOS által kezelhető max. méret, „ZIP drive”)

• hajlékonylemez (BIOS által kezelhető max. méret, „A:DRIVE”)

• optikai lemez (CD-ROM), DVD

• streamer

• DAT (Digital Audio Tape)


A merevlemez (winchester) felépítése


A CD és a DVD felépítése•• Polikarbonát alapú lemez spirális adattárolással

•• A CD-ROM az információt beégetett gödrök formájában tárolja

•• A kiolvasás kisenergiájú infravörös lézerfény megvilágítással történik, az üregekből visszaverődő fény gyengébb, mint a síkon, ennek alapján értelmezhető a tartalom

•• Az írható CD-n egy plusz festékréteg van, amely nagyenergiájú lézerrel íráskor a gödrök helyén elpárolog, ezért kiolvasáskor ugyanúgy reflektál, mint az üreg

•• Az újraírható CD-n a síkot is létre kell hozni, nemcsak a gödröt, ezt közepes energiájú lézerrel oldják meg

•• A DVD csak abban különbözik a CD-től, hogy sűrűbben vannak a gödrök, és vörös lézerfénnyel történik a kiolvasás, ezért hétszeres a kapacitása (4,7 GB)

•• Létezik kétrétegű DVD is 8,5 GB kapacitással


Mit nevezünk megszakításnak (interrupt)?

• A számítógépi folyamatok közben igen gyakran következnek be olyan események, amelyek váratlannak tekintendők, ezek kezelésére szolgálnak a megszakítások.

• A megszakítások külső eredetű, a feldolgozott folyamattól lényegében független aszinkron események, amelyek oka többnyire a hardver (hardverhiba, perifériaművelet befejezése, stb.)

• A megszakítás olyan eltérítése a vezérlési folyamatnak, amelyet nem a program okoz, hanem valami más, általában B/K. (Pl. a program utasítja a lemezegységet, hogy kezdje el az adatátvitelt, és annak befejezésekor megszakítást küldjön.) A megszakítás bekövetkezésekor megáll a program végrehajtása, és a vezérlés a megszakítás-vezérlőre adódik, amely elvégzi a kívánt tevékenységet.


A megszakítások kiszolgálásának folyamata

• a megszakítást kérő eszköz jelet küld a vezérlő áramkör bemenetére;

• a vezérlő INT (interrupt) jelet küld a CPU megszakítás-kivezetésére;

• a CPU visszaigazolást küld (INTA), ha képes fogadni a megszakítást;

• ezután a vezérlő elküldi annak a bemenetnek a számát a CPU-nak, amelyen a megszakítás-kérelem érkezett (megszakítási vektor sorszáma).

• a CPU a PC (Program Counter, programszámláló) és a PSW (Program Status Word, program-állapotszó) regiszterek tartalmát a verembe teszi.

• a CPU a megszakítási vektortáblából kikeresi a kiszolgálórutin kezdőcímét, betölti a PC-be és elkezdi a végrehajtást.

• amikor a megszakítás kiszolgálása befejeződött a PSW és PC visszatöltése után folytatódik az eredeti program (Return From Interrup utasítás).

Documents

NYME Informatikai Intézet