Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων

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

2. Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Δομή παρουσίασης

3. Η αρχιτεκτονική ενός απλού υπολογιστή

4. 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) Ο επεξεργαστής

5. 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 H εσωτερική αρχιτεκτονική ενός απλού επεξεργαστή

6. 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 Διαφορές από πιο σύγχρονους επεξεργαστές

7. 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 καθώςκαι των δεδομένων των εφαρμογών αυτών Μνήμες

8. 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) Συσκευές Εισόδου / Εξόδου

9. 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 Και οι ελεγκτές τι χρειάζονται;

10. 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 Τι είναι ο δίαυλος;

11. Η αρχιτεκτονική ενός πιο σύγχρονου υπολογιστή διασυνδέουν διαφορετικούς διαύλους

12. Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Δομή παρουσίασης

13. 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 Το πλέγμα των ατόμων του πυριτίου Ο κρύσταλλος έχει κανονικά κυβική δομή

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

15. 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 MOS τρανζίστορ nMOS pMOS

16. 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 Απλουστευμένη λειτουργία του nMOS τρανζίστορ

17. 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 Απλουστευμένη λειτουργία του pMOS τρανζίστορ

18. Σε υψηλό επίπεδο, τα MOS τρανζίστορ μπορούν να ιδωθούν σαν ηλεκτρικά ελεγχόμενοι 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 Λειτουργία των MOS τρανζίστορ σαν διακόπτες

19. 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

20. Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Ημιαγωγοί - MOS τρανζίστορ CMOS ψηφιακές πύλες Δομή παρουσίασης

21. Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας

22. Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας

23. Complementary MOS (CMOS) Αντιστροφέας

24. CMOS πύλη NAND

25. CMOS πύλη NAND

26. CMOS πύλη NAND

27. CMOS πύλη NAND

28. CMOS πύλη NAND

29. CMOS πύλη NOR

30. 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 Πύλη NAND 3 εισόδων

31. 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 Πύλη NAND 3 εισόδων

32. Οι πύλες AND και OR

33. 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 VDDμε 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) Γιατί;

34. Complementary MOS λογικές πύλες 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 Complementary MOS (CMOS) λογική

35. 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 Τι φτιάχνεται πιο εύκολα με CMOS λογική;

36. 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 Μεθοδολογία κατασκευής πυλών CMOS

37. Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Παράδειγμα

38. Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Υλοποίηση του pMOS δικτύου Παράδειγμα

39. Υλοποίηση της συνάρτησης: Εφαρμογή του θεωρήματος De Morgan: Υλοποίηση του pMOS δικτύου nMOS δίκτυο: Συμπληρωματικό του pMOS ή Παράδειγμα

40. Άλλες σύνθετες πύλες (1/2) Υλοποίηση της συνάρτησης: • pMOS δίκτυο: F (με αντεστραμμένες εισόδους) • nMOS δίκτυο: (με κανονικές εισόδους)

41. Υλοποίηση της συνάρτησης: pMOS δίκτυο: nMOS δίκτυο: Άλλες σύνθετες πύλες (2/2) F