NYME Informatikai Intézet
description
Transcript of 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 ↓
↑←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←
↓
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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!
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
A mikroprocesszorok funkcionális egységei
• Regiszterek
• Aritmetikai-logikai egység (ALU)
• Vezérlő egység (CU)
• Mikroprogram-tár
• Belső buszrendszer
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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.
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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.
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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)]
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
~~~~~~~~
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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)
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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.
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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).
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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).
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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)
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
A merevlemez (winchester) felépítése
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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.
NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások
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).