ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (2 η Έκδοση) Παναγιώτης Ε. Φουληράς Διδάκτωρ Πληροφορικής Παν/μίου Λονδίνου ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1996

2 Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 2

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ VON NEUMANN ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΨΗΦΙΑΚΏΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΏΜΑΤΑ Τεχνολογίες Ψηφιακών Κυκλωμάτων Βασικά Συνδυαστικά Ψηφιακά Κυκλώματα Βασικά Ακολουθιακά Ψηφιακά Κυκλώματα ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΏΝ ΕΝΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟΣ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ Εσωτερική Αρχιτεκτονική του Διασύνδεση του 8086 με το Υπολογιστικό Σύστημα Διακοπές Δίαυλοι και Θύρες Επέκτασης ASSEMBLY ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ Η ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΟΝ ΕΝΤΟΛΕΣ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΕΣ ΕΝΤΟΛΕΣ Αύξηση και Μείωση Πρόσθεση και Αφαίρεση Πολλαπλασιασμός και Διαίρεση Πράξεις Λογικής Πράξεις Ολίσθησης ΤΡΟΠΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΕ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΟΝ ΕΝΤΟΛΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ CMP και TEST λματα Εντολές Επανάληψης ΜΑΚΡΟΕΝΤΟΛΕΣ ΣΩΡΟΣ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Σωρός Διαδικασίες Πέρασμα Παραμέτρων σε Διαδικασία ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΟΜΏΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ 8086 ASSEMBLY ΕΝΤΟΛΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΥΜΒΟΛΟΣΕΙΡΏΝ Μετακίνηση Συμβολοσειρών Σύγκριση Συμβολοσειρών Επανάληψη Εντολών Επεξεργασίας Συμβολοσειρών ΕΝΤΟΛΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥ / ΕΞΟΔΟΥ ΣΤΟΝ ΕΝΤΟΛΕΣ ΔΙΑΚΟΠΏΝ ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΑ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΜΝΗΜΗΣ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΜΝΗΜΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗ ΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΤΗΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΤΙΚΗ ΚΑΙ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΜΝΗΜΗ DMA ΑΛΛΑ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ...91 Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 3

4 5.5.1 Προγραμματιζόμενος Χρονοδιακόπτης/Μετρητής - το Γενικός Ελεγκτής Περιφερειακών - το ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΕΝΤΟΛΕΣ ΚΑΙ ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΑΚΡΟΕΝΤΟΛΕΣ ΚΑΙ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΎ ΜΙΚΡΟΕΝΤΟΛΏΝ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΣΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΏΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΏΝ ΟΙ ΠΡΏΤΟΙ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΏΝ T ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ RISC Αρχές Σχεδίασης Επεξεργαστών RISC Προσπέλαση στην Κύρια Μνήμη και λματα Κατάχωρητές και Κλήση Διαδικασιών με Παραμέτρους ΑΛΛΟΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ Pentium ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΎΠΟΙ ΠΑΡΑΛΛΗΛΩΝ Η/Υ Η Ταξινόμηση του Flynn Ταξινόμηση κατά την Κατανομή της Κύριας Μνήμης Ταξινόμηση κατά το Δίκτυο Ενδοσύνδεσης ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΏΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΏΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΙΑΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ - ΜS-DOS ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΛΑΠΛΏΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΏΝ Αύξηση Χώρου Μνήμης Μηχανισμοί Προστασίας Περιοχών Μνήμης Μηχανισμοί Διαχείρισης Σειράς Εκτελέσεως Διεργασιών Mηχανισμοί Επικοινωνίας Συνεργαζομένων Διεργασιών ΟΘΟΝΕΣ ΚΑΙ ΚΑΡΤΕΣ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΟΘΟΝΕΣ Η/Υ ΚΑΡΤΕΣ ΓΡΑΦΙΚΏΝ ΜΕΣΑ ΜΑΖΙΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΙΣΚΕΤΕΣ Φυσική και Λογική Οργάνωση των Δισκετών Οδηγοί Δισκετών Συμπεράσματα ΣΚΛΗΡΟΙ ΔΙΣΚΟΙ Δομή Σκληρών Δίσκων Ορολογία και Τύποι Σκληρών Δίσκων ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΤΑΙΝΙΕΣ Παλιές Μονάδες Μαγνητικών Ταινιών Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 4

5 Σημερινά Στάνταρ σε Μικρο-υπολογιστές ΕΚΤΥΠΩΤΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΕΚΤΥΠΩΤΕΣ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ Εκτυπωτές Πρόσκρουσης με τοιμες Μήτρες Χαρακτήρων Εκτυπωτές Πίνακα Ακίδων ΕΚΤΥΠΩΤΕΣ LASER EΚΤΥΠΩΤΕΣ ΨΕΚΑΣΜΟΎ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΟΠΤΙΚΟΙ ΔΙΣΚΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ Η/Υ ΑΣΎΓΧΡΟΝΗ ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ Το Στάνταρ RS-232C Modem ΣΎΓΧΡΟΝΗ ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΣΥΝΗΘΙΣΜΕΝΕΣ ΔΙΕΘΝΕΙΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 5

6

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές (Η/Υ από εδώ και μετά) παίζουν πλέον πολύ σημαντικό ρόλο στην καθημερινή μας ζωή. Από τον έλεγχο των φάσεων πλύσης ενός πλυντηρίου, στον έλεγχο των λογαριασμών και την πρόγνωση του καιρού. Επειδή δε όλες σχεδόν οι μορφές οργάνωσης των καθημερινών ενεργειών μας απαιτούν υπολογισμούς οι Η/Υ δεν αποτελούν παρά εργαλεία που βοηθούν με αυτόν τον τρόπο. Κάθε κατηγορία προβλημάτων απαιτεί και διαφορετική κατηγορία υπολογισμών. Για αυτό, ο τομέας της ανάλυσης ενός προβλήματος, καθώς και της εύρεσης και κωδικοποίησης της γενικής του λύσης ώστε να το επεξεργαστεί στην συνέχεια ο Η/Υ, αποτελεί πλέον μία ολόκληρη επιστήμη, που ονομάζεται Επιστήμη Υπολογιστών ή Πληροφορική. Στενά συνδεδεμένη με αυτήν (ώστε πλέον να αποτελεί τμήμα της) είναι και ο σχεδιασμός και επιλογή των κατάλληλων υπολογιστικών συστημάτων, που θα χρησιμοποιηθούν για την λειτουργία αυτή. Επειδή η επιστήμη αυτή χωρίζεται πλέον σε πολλούς κλάδους, που μεταβάλλονται πάρα πολύ γρήγορα, είναι φυσικό να μην μπορεί κανείς να εμβαθύνει πλήρως σε όλους. Παρ όλα αυτά, είναι αναγκαίο να έχει μία καλή ιδέα των βασικών αρχών των διαφόρων υπολογιστικών συστημάτων, ώστε να μπορεί να καταλάβει το τι μπορεί να κάνει με αυτά, αλλά και να είναι σε θέση να σχεδιάσει ή να επιλέξει το σύστημα εκείνο το οποίο εξυπηρετεί καλύτερα τις ανάγκες του. Οι σημειώσεις αυτές παρέχονται προσπαθώντας να επιτύχουν ακριβώς αυτόν τον σκοπό. Αν και η προσέγγιση που ακολουθείται είναι κυρίως από την πλευρά του υλικού (hardware) υπάρχουν αρκετές πληροφορίες για να δείξουν πώς αυτό συνδέεται με τις αρχές του λογισμικού (software) - τουλάχιστον στο χαμηλότερο δυνατό επίπεδο. Περισσότερα επάνω σε αυτό το θέμα, όπως Λειτουργικά Συστήματα, Γλώσσες Προγραμματισμού, επί μέρους τομείς εφαρμογών όπως Γραφικά και Βάσεις Δεδομένων, καθώς και η τέχνη (και όχι απλά επιστήμη) της ανάλυσης και σχεδιασμού συστημάτων αναπτύσσεται σε άλλα μαθήματα του Τμήματος Πληροφορικής. Αν και τα όσα αναπτύσσονται εδώ έχουν εφαρμογή σε όλα σχεδόν τα υπολογιστικά συστήματα, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε εκείνα που βασίζονται σε Η/Υ συμβατούς με τους προσωπικούς Η/Υ της ΙΒΜ. Ο λόγος είναι ότι αυτοί οι Η/Υ έχουν ουσιαστικά επικρατήσει σε επίπεδο όχι μόνον προσωπικό, αλλά και σε επίπεδο μικρομεσαίων επιχειρήσεων, που είναι και η πλειοψηφία των περιπτώσεων στην καθημερινή πραγματικότητα. Για να είναι ο αναγνώστης σε θέση να παρακολουθήσει τις έννοιες που ακολουθούν δεν χρειάζονται ιδιαίτερες γνώσεις πέρα από αυτές που έχει ήδη αποκομίσει από την εμπειρία προγραμματισμού με μία ή περισσότερες γλώσσες προγραμματισμού και μερικών βασικών γνώσεων σε αριθμητικά συστήματα. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 7

8 Οι σημειώσεις αυτές ξεκινούν (Κεφάλαιο 2) με μία μικρή ιστορική αναδρομή στον τρόπο οργάνωσης των περισσοτέρων Η/Υ, που ισχύει από την δεκαετία του '40 (von Neumann), καθώς και την σημαντική έννοια του αλγόριθμου. Στην συνέχεια παρουσιάζουν τα κυριότερα αριθμητικά συστήματα που επικρατούν στον χώρο των Η/Υ, ακολουθούμενα από μία εισαγωγή στα ψηφιακά ηλεκτρονικά και τις κυριότερες τεχνολογίες στον τομέα αυτόν, αφού κάθε Η/Υ αποτελείται από τέτοια ολοκληρωμένα κυκλώματα. Το κεφάλαιο αυτό έχει επεκταθεί στην παρούσα έκδοση, ώστε να περιλαμβάνει όλα τα στοιχειώδη ψηφιακά κυκλώματα, που αποτελούν τα δομικά υλικά για την κατασκευή επεξεργαστών και άλλων ολοκληρωμένων. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία συστηματική παρουσίαση της καρδιάς ενός Η/Υ: του μικροεπεξεργαστή, χρησιμοποιώντας πρωταρχικά τον Αυτή η περιγραφή γίνεται σε δύο βήματα. Πρώτα παρουσιάζεται η εσωτερική αρχιτεκτονική του 8086 και μετά η διασύνδεσή του με το υπόλοιπο υπολογιστικό σύστημα. Σε αυτό το σημείο δίδεται έμφαση στην πρόσβαση του 8086 στην κύρια μνήμη, μια και είναι η πιο συχνά απαιτούμενη λειτουργία, καθώς και στις Διακοπές, λόγω της σπουδαιότητάς τους. Επίσης δίδεται έμφαση στην περιγραφή των διαφόρων χαρακτηριστικών που διέπουν τον σχεδιασμό μοντέρνων διαύλων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται μία σύντομη εισαγωγή στην γλώσσα Assembly του 8086, ώστε να συνδυασθεί και με τα αντίστοιχα εργαστήρια. λες οι σημαντικές εντολές παρουσιάζονται και αναλύονται, με διαγράμματα και παραδείγματα, όπου η απλή παρουσίαση δεν είναι αρκετή. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα οι διάφορες άμεσα περιφερειακές (ως προς τον επεξεργαστή) συσκευές, όπως η κύρια μνήμη, η MMU, η λανθάνουσα μνήμη, η DMA, κλπ. Επίσης περιγράφονται συνοπτικά οι θύρες επέκτασης ενός συμβατού ΙΒΜ PC, μέσω των οποίων είναι δυνατόν να προστεθούν και άλλες συσκευές στον κυρίως Η/Υ. Στο Κεφάλαιο 6 (καινούργιο) παρουσιάζεται ο τρόπος σχεδιασμού μοντέρνων επεξεργαστών, με εκτενή αναφορά στον Μικροπρογραμματισμό και όλα τα συναφή προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται οι διάφοροι παράγοντες σχεδιασμού, οι κατηγορίες επεξεργαστών και μία συγκριτική παρουσίαση της εξέλιξης των κυριοτέρων επεξεργαστών. Σημαντικό μέρος του κεφαλαίου αυτού καταλαμβάνει πλέον μία εκτενής εισαγωγή σε επεξεργαστές τύπου RISC. Στο Κεφάλαιο 8 προχωρούμε πλέον στα καθ' εαυτού περιφερειακά. Εδώ γίνεται παρουσίαση των βασικών αρχών απεικόνισης σε οθόνη. Πρώτα αναλύονται οι παράγοντες που χαρακτηρίζουν την ποιότητα μίας οθόνης Η/Υ και μετά οι διάφορες κάρτες-οδηγοί (κάρτες γραφικών), που ελέγχουν απ' ευθείας τον τρόπο απεικόνισης των διαφόρων δεδομένων στην οθόνη. Στο Κεφάλαιο 8 υπάρχει μία σύντομη εισαγωγή στις κατηγορίες παράλληλων Η/Υ. Το κεφάλαιο αυτό πρόκειται να επεκταθεί σύντομα. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 8

9 Στο Κεφάλαιο 9 γίνεται μία παρουσίαση του βασικότερου συνόλου προγραμμάτων που βρίσκεται σε κάθε έναν Η/Υ: το Λειτουργικό Σύστημα. Παρουσιάζονται τα κυριότερα προβλήματα και απαιτήσεις που επηρέασαν την εξέλιξη των υπολογιστικών συστημάτων, καθώς και οι λύσεις που έχουν προταθεί για αυτά. Στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται οι κυριότερες τεχνολογίες εκτυπωτικών συσκευών, όπως η τεχνολογία πρόσκρουσης, ψεκασμού και Laser. Στο Κεφάλαιο 11 γίνεται μία σύντομη και επιλεκτική παρουσίαση του τεράστιου τομέα των ψηφιακών επικοινωνιών και των διαφόρων τύπων δικτύων Η/Υ. Το Κεφάλαιο 12 αποτελεί και τον επίλογο του παρόντος συγγράμματος, με μία σύντομη αναφορά όχι στο τι υπάρχει σε αυτές τις σημειώσεις, αλλά στο τι υπολείπεται ακόμη ως προς τις καινούργιες τεχνολογίες που αναπτύσσονται πέραν της ηλεκτρονικής, όπως οπτικοί και βιολογικοί Η/Υ. Είναι φυσικό πως οι σημειώσεις αυτές δεν αποτελούν παρά μία σύντομη μονάχα αναφορά στον τομέα της Τεχνολογίας Η/Υ και είτε περιέχουν ατέλειες, είτε ελλείψεις που οφείλονται στην ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη. Οποιαδήποτε σχόλια ή διορθώσεις που θα ήθελε να κάνει ο αναγνώστης είναι ευπρόσδεκτα και θα πρέπει να απευθύνονται στον λογαριασμό: pef@it.teithe.gr Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 9

10

11 2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Οι υπολογιστές γενικής χρήσεως υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη και δυνατότητες. Έτσι, οι πιο μεγάλοι και ισχυροί ονομάζονται συνήθως mainframes. Από πλευράς μεγέθους μπορεί και να γεμίσουν ένα ολόκληρο δωμάτιο. Είναι σχεδιασμένοι να δουλεύουν με μεγάλες ταχύτητες και έχουν μεγάλη μνήμη. Χρησιμοποιούνται κυρίως όπου υπάρχουν εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη ταχύτητα ή πολλοί χρήστες (όπως μεγάλοι οργανισμοί, πανεπιστήμια, κλπ) και για αυτό είναι εφοδιασμένοι με λειτουργικά συστήματα που επιτρέπουν την ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών προγραμμάτων. Οι minicomputers ανήκουν στην δεύτερη κατηγορία υπολογιστών και αποτελούν ουσιαστικά λιγότερο ισχυρές εκδόσεις της πρώτης κατηγορίας. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε εταιρείες ή ιδρύματα μεσαίου μεγέθους. Στην τελευταία κατηγορία ανήκουν οι λεγόμενοι μικροϋπολογιστές (microcomputers). Συνήθως χρησιμοποιούνται στο προσωπικό επίπεδο, αλλά με το πέρασμα του χρόνου οι δυνατότητές τους έχουν αυξηθεί τόσο πολύ, ώστε να είναι δύσκολο να τοποθετήσει πλέον κάποιος το διαχωριστικό σημείο ανάμεσα σε αυτούς και την προηγούμενη κατηγορία. Στις σημειώσεις αυτές δίδεται περισσότερο βάρος στους Η/Υ αυτής της κατηγορίας. 2.1 Αλγόριθμοι και Υπολογιστές von Neumann Σε όλες τις περιπτώσεις ο Η/Υ εκτελεί ένα σύνολο εντολών (που είναι αντιληπτές σε αυτόν), που αποτελούν ένα πρόγραμμα. Το τελευταίο δεν αποτελεί παρά την κωδικοποίηση ενός αλγορίθμου. Ουσιαστικά ένας αλγόριθμος αποτελείται από ένα πεπερασμένο σύνολο εντολών που συνθέτουν την γενική λύση ενός προβλήματος. Επί πλέον, ένας αλγόριθμος παρέχει την εγγύηση ότι ο Η/Υ θα βρει πάντοτε μία λύση, εάν μία τέτοια λύση υπάρχει. Η ιδέα είναι ότι ο προγραμματιστής παρέχει τον αλγόριθμο και ένα κατάλληλο σύνολο δεδομένων, ώστε ο Η/Υ να βρει μία τουλάχιστον λύση στην ειδική πλέον μορφή του προβλήματος (για τα συγκεκριμένα δεδομένα). Π.χ. παρατίθεται ο αλγόριθμος υπολογισμού του μέσου όρου δύο αριθμών και σαν δεδομένα δύο συγκεκριμένοι αριθμοί. Ο Η/Υ υπολογίζει τότε τον μέσο όρο των αριθμών αυτών. Αν και υπήρξαν υπολογιστικά συστήματα και παλαιότερα, η πρώτη γενεά Η/Υ μπορεί να τοποθετηθεί στην δεκαετία του 40. Τότε τέθηκαν και οι βάσεις για τους περισσότερους Η/Υ, που ακολουθούν πλέον το λεγόμενο μοντέλο του von Neumann. Ένας τέτοιος Η/Υ αποτελείται από μία συσκευή Εισόδου / Εξόδου (I/O = Input/Output), μία μόνον Μνήμη για να αποθηκεύει και εντολές προγράμματος και δεδομένα, μία Μονάδα Ελέγχου (CU = Control Unit) για να διερμηνεύει τις εντολές και μία Aριθμητική και Λογική μονάδα (ALU = Arithmetic & Logic Unit) για να επεξεργάζεται τα δεδομένα. Οι τελευταίες δύο μονάδες αναφέρονται ως η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU). Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 11

12 2.2 Βασικές Έννοιες Ψηφιακών Συστημάτων Όπως υποδηλώνει και η ονομασία του ένας Η/Υ χρησιμοποιείται για υπολογισμούς, χρησιμοποιώντας ψηφιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα για τον σκοπό αυτό. Η διαφορά ανάμεσα στα ψηφιακά και τα αναλογικά ηλεκτρονικά είναι ότι στα πρώτα υπάρχει ένας πεπερασμένος αριθμός διακεκριμένων καταστάσεων. Κάθε μία κατάσταση εκφράζει και μία τιμή. Το σύνολο των διαθεσίμων καταστάσεων καθορίζει το αριθμητικό σύστημα, που ακολουθείται. Αν και υπάρχουν διάφορα ψηφιακά συστήματα, το πιο συνηθισμένο είναι τα δυαδικό. Αυτό σημαίνει, πως κάθε ηλεκτρονικό σήμα μπορεί να βρίσκεται σε τέτοια κατάσταση που να εκφράζει μόνον μία από τις δύο δυνατές τιμές: 0 ή 1. Στα περισσότερα ψηφιακά συστήματα, κάθε δυαδικό ψηφίο ή bit (=Binary digit) εκφράζεται με επίπεδα τάσεως. Για παράδειγμα, 0 Volts αντιστοιχούν στην τιμή bit 0 και 5 Volts στην τιμή bit 1. Επειδή είναι δύσκολο για τους ανθρώπους να δουλεύουν στο δυαδικό σύστημα, χρησιμοποιείται το οκταδικό και πλέον συνηθέστερα το δεκαεξαδικό σύστημα, αφού ένα δεκαεξαδικό ψηφίο αντιστοιχεί σε τέσσερα δυαδικά. Τέλος, κάθε αρνητικός αριθμός εκφράζεται στο λεγόμενο 2-συμπλήρωμα ώστε η πρόσθεση μεταξύ δύο αριθμών (ανεξαρτήτως πρόσημου) να απαιτεί μόνον ένα βήμα (δεν απαιτούνται μετατροπές). Εκτενής ανάλυση για το δυαδικό, οκταδικό και δεκαεξαδικό σύστημα, καθώς και μετατροπές αριθμών μεταξύ τους και του δεκαδικού συστήματος, και άλλων εννοιών όπως το 2-συμπλήρωμα, έχει ήδη γίνει αλλού [ΒΑΦ93] και για αυτό δεν θα επεκταθούμε περισσότερο σε αυτό το σημείο. Απλά είναι σκόπιμο να επαναληφθεί ότι ένας τυπικός υπολογιστής δουλεύει με ομάδες από bits, προκειμένου να σχηματίσει αριθμούς μεγαλύτερους του 1 (ή μικρότερους του 0). Οι καθιερωμένες ομάδες περιλαμβάνουν 8 bits (= 1 byte), 16 bits (= word), 32 bits (= long word) και 64 bits (= double word). Σχ. 2.1 Αντιστοιχία Περιοχών Τάσεων για Δυαδικό 0 και 1 Η αιτία όμως που χρησιμοποιούνται ψηφιακά ηλεκτρονικά στους Η/Υ και που μάλιστα ακολουθούν το δυαδικό σύστημα, είναι ότι στην πράξη δεν είναι σχεδόν ποτέ δυνατόν να επιτύχουμε ακριβή επίπεδα τάσεως. Για να φθάσουμε επομένως σε αποδεκτό επίπεδο αξιοπιστίας, είναι αναγκαίο να υιοθετήσουμε περιοχές τάσεων για κάθε τιμή bit. Ένα Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 12

13 τέτοιο παράδειγμα φαίνεται στο Σχ. 2.1, όπου το bit 1 αντιστοιχεί στην περιοχή τιμών τάσεως από 2-5 Volts και το bit 0 στην περιοχή τιμών τάσεως από 0-0,8 Volts. Η περιοχή ανάμεσα στα 0,8 και 2 V θεωρείται περιοχή αβεβαιότητος και δεν αντιστοιχεί σε καμία δυαδική τιμή. Από την άλγεβρα του Bool είναι γνωστό ότι οι διάφορες λογικές πύλες λειτουργούν επάνω στις λογικές αξίες 1 (αληθές) και 0 (ψευδές) [ΒΑΦ93]. Όπως φαίνεται και από το τελευταίο παράδειγμα, όταν κατασκευάζονται λογικές πύλες σαν ηλεκτρονικά κυκλώματα, είναι αναγκαίο να υπάρξει αντιστοίχηση ανάμεσα στις περιοχές τάσεων και τις δυνατές λογικές τιμές (0 και 1). Εάν χρησιμοποιούνται χαμηλές τιμές τάσεως για το λογικό 0 και υψηλές για το λογικό 1, έχουμε την λεγόμενη θετική λογική (positive logic). Στην αντίθετη περίπτωση, έχουμε την αρνητική λογική (negative logic). Κάτι που επίσης είναι χρήσιμο για την παρουσίαση των διαφόρων είναι το γεγονός ότι οι αλλαγές καταστάσεων στα ψηφιακά κυκλώματα δεν συμβαίνουν ακαριαία. Ο χρόνος που απαιτείται για να πάει κάποιο σήμα από 0 σε 1 ονομάζεται χρόνος ανύψωσης (rise time), ενώ ο χρόνος που απαιτείται για να πάει από 1 σε 0 ονομάζεται χρόνος πτώσης (fall time). Επίσης ορίζεται και η καθυστέρηση ή ταχύτητα διάδοσης (propagation delay) ενός κυκλώματος, που αντιπροσωπεύει τον χρόνο διάδοσης ενός σήματος μέσα από αυτό. Εξ αιτίας των παραπάνω, αλλά και άλλων καθυστερήσεων είναι δυνατόν να δημιουργηθούν σοβαρά προβλήματα αξιοπιστίας ενός ψηφιακού συστήματος. Για αυτόν τον λόγο, εκτός από τα λεγόμενα ασύγχρονα συστήματα, υπάρχουν και τα σύγχρονα συστήματα, στα οποία υπάρχει ένα τουλάχιστον ψηφιακό σήμα (το σήμα ρολογιού - clock signal), για το οποίο υποτίθεται ότι δεν υπάρχει (σημαντική) καθυστέρηση στην διάδοσή του σε οποιοδήποτε μέρος του κυκλώματος και χρησιμοποιείται για να ελέγχει τις διάφορες φάσεις εκτελέσεως λειτουργιών στο κύκλωμα. 2.3 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται στους Η/Υ έχουν σαν βάση τους τρανζίστορ, που έχουν κάποια συγκεκριμένα γενικά χαρακτηριστικά, ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Αυτά χρησιμοποιούνται για να κατασκευαστούν οι διάφορες λογικές πύλες, που με την σειρά τους συνθέτουν τα flip-flop, που αποτελούν τις μονάδες μνήμης των Η/Υ, αφού μπορούν να αποθηκεύσουν από ένα bit το καθένα. Με την πρόοδο της τεχνολογίας, κατορθώθηκε να τοποθετείται μεγάλος αριθμός από πύλες με τις απαιτούμενες διασυνδέσεις σε μία μικροσκοπική συσκευή, πραγματοποιώντας ένα ή περισσότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Αυτό ονομάστηκε ολοκλήρωση (integration) και τα αντίστοιχα κυκλώματα ολοκληρωμένα (ICs = Integrated Circuits) ή τσιπ (chips). Ανάλογα με τον αριθμό των πυλών που μπορούσαν να τοποθετηθούν σε ένα τέτοιο ολοκληρωμένο, δημιουργήθηκε και η παρακάτω ταξινόμηση για να εκφράσει το μέγεθος της ολοκλήρωσης: 1. SSI (Small Scale Integration): 10 ή λιγότερες πύλες σε ένα τσιπ. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 13

14 2. MSI (Medium Scale Integration): πύλες. 3. LSI (Large Scale Integration): πύλες. 4. VLSI (Very Large Scale Integration): ή περισσότερες πύλες. Ο σχεδιασμός ενός λογικού κυκλώματος σήμερα συνήθως γίνεται σε κάποιο υψηλότερο επίπεδο περιγραφής και κατεβαίνει μέχρι το επίπεδο πύλης (gate level), όπου η πύλη αποτελεί την μικρότερη λογική μονάδα. Ο λόγος για κάτι τέτοιο είναι ότι έτσι το οποιοδήποτε σχέδιο είναι ανεξάρτητο (όσον αφορά την λογική του λειτουργία) από την συγκεκριμένη τεχνολογία. Ουσιαστικά, κάθε ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα πραγματοποιεί μία λογική συνάρτηση. Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες τέτοιων συναρτήσεων και επομένως ψηφιακά κυκλώματα: 1. Συνδυαστικά Κυκλώματα (Combinational Circuits): Η αντίστοιχη συνάρτηση εξαρτάται μόνον από τις τρέχουσες τιμές των γραμμών εισόδων στο κύκλωμα 2. Ακολουθιακά Κυκλώματα (Sequential Circuits): Η αντίστοιχη συνάρτηση εξαρτάται όχι μόνον από τις τρέχουσες τιμές των γραμμών εισόδων, αλλά και από την προηγούμενη(ες) κατάσταση(εις) του κυκλώματος Τεχνολογίες Ψηφιακών Κυκλωμάτων Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει ένας σχεδιαστής κυκλωμάτων σήμερα, είναι να επιλέξει τα διάφορα ολοκληρωμένα που θα συνθέσουν το κύκλωμα που σχεδίασε. Και αυτό γιατί ανάλογα με την οικογένεια στην οποία ανήκουν, έχουν και διαφορετικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν το τελικό αποτέλεσμα. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά συνήθως είναι η ταχύτητα διάδοσης σήματος (μέσα από μία λογική πύλη αυτής της οικογένειας), η κατανάλωση ισχύος και το fan-out. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι συνήθως αντικρουόμενα. Έτσι, όσο πιο μεγάλη ταχύτητα διάδοσης έχει ένα ολοκληρωμένο (ή τα σήματα που μπορούν να διοχετευθούν έχουν πολύ μεγάλη συχνότητα), τόσο περισσότερο μεγαλώνει η κατανάλωση ισχύος. Τέλος το λεγόμενο fan-out ενός στοιχείου αντιπροσωπεύει τον μέγιστο αριθμό εισόδων από στοιχεία της ίδιας οικογένειας τα οποία μπορεί να τροφοδοτήσει η έξοδος του πρώτου, χωρίς προβλήματα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ρεύμα που μπορεί να δώσει στην έξοδό του κάθε στοιχείο (πύλη ή τρανζίστορ) του κυκλώματος είναι πεπερασμένο. Οι κυριότερες οικογένειες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σήμερα είναι οι εξής: Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 14

15 1. ΤΤL (Transistor Transistor Logic) - Εδώ χρησιμοποιούνται διπολικά (bipolar) τρανζίστορ NPN ή PNP. Αυτά έχουν την ιδιότητα να συμπεριφέρονται σε ορισμένες περιοχές λειτουργίας τους σαν περίπου ιδανικοί διακόπτες. Όπως φαίνεται και από το Σχ. 2.2 (α), υπάρχουν τρεις διαφορετικοί ακροδέκτες σε κάθε διπολικό τρανζίστορ: η Βάση, ο Συλλέκτης και ο Εκπομπός. Η λειτουργία του τρανζίστορ αυτού ελέγχεται από την τάση που εφαρμόζεται στην Βάση. Εάν αυτή η τάση είναι πολύ μικρή (0-1 Volts), τότε το τρανζίστορ εμφανίζεται σαν μία άπειρη αντίσταση και επομένως ο Συλλέκτης βρίσκεται σε τάση ίση με του Vcc (συνήθως +5 V). Εάν όμως αυτή η τάση είναι αρκετά μεγάλη (2-5 Volts), τότε το τρανζίστορ λειτουργεί περίπου σαν τέλειος αγωγός (αμελητέα αντίσταση) και ο Συλλέκτης βρίσκεται σε τάση ίση με του Εκπομπού (σχεδόν 0 Volts). Τάσεις έξω από τις παραπάνω περιοχές δεν επιτρέπεται να εφαρμόζονται στην Βάση, επειδή το τότε το τρανζίστορ λειτουργεί σαν γραμμικός ενισχυτής τάσεως και όχι σαν διακόπτης. Στο Σχ. 2.2 βλέπετε παραδείγματα βασικής υλοποίησης ορισμένων λογικών πυλών. Σχ. 2.2 TTL: (α) Αντιστροφέας (ΝΟΤ), (β) Πύλη ΝAND, (γ) Πύλη NOR Όπως φαίνεται από το Σχ. 2.2 (α), το βασικό ηλεκτρονικό στοιχείο είναι το διπολικό τρανζίστορ (εδώ τύπου NPN). Ένα μικρό σήμα εφαρμόζεται στην Βάση του τρανζίστορ. Εάν αυτό το σήμα είναι κάτω από κάποιο προκαθορισμένο όριο, το τρανζίστορ δεν επιτρέπει την διέλευση ρεύματος από τον Συλλέκτη προς τον Εκπομπό και επομένως η τάση στον Συλλέκτη είναι περίπου V cc (~ 5 V). Eάν όμως το σήμα στην Βάση ξεπεράσει το απαιτούμενο όριο, το τρανζίστορ επιτρέπει την διέλευση ρεύματος προς τον Εκπομπό και επομένως η τάση στον Συλλέκτη γίνεται περίπου 0 V. Στην πράξη όμως υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν, όπως η μεταβολή των χαρακτηριστικών λειτουργίας του τρανζίστορ λόγω θερμότητας, η δυνατότητα οδήγησης περισσοτέρων του ενός τρανζίστορ από την έξοδο ενός, κλπ. Για αυτούς τους λόγους, ένας αναστροφέας, σε TTL, αποτελείται στην πράξη από περισσότερα τρανζίστορ, όπως φαίνεται και από το Σχ Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 15

16 Σχ. 2.3 Αντιστροφέας (Inverter) Σχεδιασμένος σε TTL (SN7404) Συνήθως θα δείτε τέτοια τσιπ μέσα σε έναν Η/Υ για τα οποία ο αναγραφόμενος κωδικός αρχίζει από 74 ή 54. Το πρώτο σημαίνει κανονική χρήση (0 έως 70 o C), ενώ το δεύτερο στρατιωτική (-55 έως 125 o C). Ένα ή δύο γράμματα στην μέση του κωδικού εκφράζουν την υπο-οικογένεια ως εξής: 74xx = Κανονική TTL 74Lxx = Low-power (χαμηλής κατανάλωσης ισχύος) 74Sxx = Schottky 74LSxx = Low-power Schottky 74ASxx = Advanced Schottky 74ALSxx = Advanced Low-power Schottky Ο τύπος και το πλήθος των λογικών πυλών εκφράζεται από τον υπόλοιπο κωδικό (2-4 ψηφία). Τα κυριότερα χαρακτηριστικά ανά υπο-οικογένεια της TTL φαίνονται στον Πίνακα 2-1. Υπο-οικογένεια TTL Πίνακας 2-1 Κυριότερα Χαρακτηριστικά Υπο-οικογενειών TTL Καθυστέρηση Διάδοσης Κατανάλωση Ισχύος (ανά πύλη) Μέγιστη Αποδεκτή Συχνότητα Στάνταρ 10 ns 10 mw 35 MHz 10 L 33 ns 1 mw 3 MHz 9 S 3 ns 19 mw 125 MHz 10 LS 9,5 ns 2 mw 45 MHz 10 AS 1,5 ns 10 mw 175 MHz 25 ALS 4 ns 1 mw 50 MHz 10 Fan-out 2. ECL (Emitter-Coupled Logic) - Ολοκληρωμένα αυτής της οικογένειας χρησιμοποιούν διπολικά τρανζίστορ, αλλά αναπτύσσουν εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες και μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες 1,2 GΗz ή και μεγαλύτερες. Πάντοτε στην έξοδο δίνουν δύο σήματα, το κανονικό και το ανεστραμμένο. Καταναλώνουν εξαιρετικά μεγάλη ισχύ και είναι πιο ακριβά από ολοκληρωμένα άλλων οικογενειών. Η χρήση ψυκτικού μηχανισμού είναι κάτι το συνηθισμένο. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά τα κάνουν να χρησιμοποιούνται μόνον σε πολύ γρήγορους υπολογιστές και για αυτό είναι απίθανο να τα συναντήσετε στην καθημερινή πρακτική. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 16

17 3. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - Χαρακτηριστικό όλων των ΜΟS κυκλωμάτων είναι ότι χρησιμοποιούνται FET (Field Effect Tracnsistor), αντί για τα διπολικά NPN και PNP. Λόγω του μικρού μεγέθους τους είναι δυνατόν να επιτευχθεί μεγάλος βαθμός ολοκλήρωσης. Αν και υπάρχουν υπο-οικογένειες όπως η PMOS και η NMOS, σήμερα έχουν ξεπεραστεί τα εμπόδια της κατασκευής ολοκληρωμένων CMOS και για αυτό θα αναφερθούμε μόνον σε αυτά. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα (εκτός του μικρού μεγέθους) είναι ο χαμηλός θόρυβος και η χαμηλή κατανάλωση ισχύος που είναι μικρότερη από 1 mw, όταν αλλάζει λογική κατάσταση και σχεδόν μηδενική, όταν η πύλη δεν αλλάζει κατάσταση. Για αυτόν τον λόγο χρησιμοποιούνται σήμερα κατά κόρον σε τυπικούς Η/Υ. Ένα παράδειγμα σχεδιασμού αντιστροφέα (Inverter) σε CMOS, φαίνεται στο Σχ Σχ. 2.4 Αντιστροφέας (Inverter) σε CMOS Οι διάφορες CMOS υπο-οικογένειες είναι οι εξής: Στάνταρ CMOS Cxx - Xαμηλής κατανάλωσης ισχύος συμβατά με TTL (μόνον στους ακροδέκτες - pins). Συνήθως 50% ταχύτερα από τα ολοκληρωμένα της προηγούμενης κατηγορίας HCxx - Συμβατά με TTL χαμηλής ισχύος και χαμηλού θορύβου ΗCTxx - Για διασύνδεση CMOS με TTL ACxxxxx - Advanced CMOS. Υψηλότερη ταχύτητα, fan-out και δυνατότητα για σήματα με μεγαλύτερη συχνότητα από ότι τα στάνταρ CMOS ACTxxxxx - Advanced TTL-compatible CMOS. Ουσιαστικά η προηγούμενη υπο-οικογένεια, αλλά συμβατή με ΤΤL. Σε γενικές γραμμές οι πύλες τεχνολογίας MOS είναι 10 φορές πιο αργές από τις αντίστοιχες TTL και 100 φορές πιο αργές από τις αντίστοιχες ECL, αλλά ο ελάχιστος Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 17

18 χώρος και η ελάχιστη κατανάλωση ισχύος τις κάνουν εξαιρετικά ελκυστικές για τους κατασκευαστές. Για περισσότερες πληροφορίες για κάθε μία οικογένεια, αλλά και τρόπους διασύνδεσης θα πρέπει να ανατρέξετε στα εγχειρίδια δεδομένων (data books) των αντίστοιχων οικογενειών. Τέλος θα πρέπει να γνωρίζετε ότι οι περισσότερες οικογένειες ολοκληρωμένων (και στην πράξη και οι δύο που θα συναντήσετε) έχουν και μία τρίτη κατάσταση, που ονομάζεται High Impedance State (Κατάσταση Υψηλής Αντιστάσεως) κατά την οποία δεν στέλνουν κανένα σήμα στην έξοδό τους. Επιτρέπεται έτσι η χρήση ενός κοινού αγωγού στην έξοδο πολλών τσιπ, εφ όσον μόνον ένα από αυτά στέλνει κάποιο σήμα (λογικό 0 ή 1) και τα άλλα βρίσκονται στην κατάσταση υψηλής αντιστάσεως. Τέτοια παραδείγματα φαίνονται στο Σχ Σχ. 2.5 (α) Μη-Αναστρεφόμενος Απομονωτής, (β) Αναστρεφόμενος Απομονωτής Εδώ βλέπετε ότι υπάρχει επιπλέον και ένα σήμα ελέγχου το οποίο επιτρέπει την απενεργοποίηση της εξόδου του συγκεκριμένου στοιχείου, οπότε το τελευταίο φαίνεται σαν να μην είναι συνδεδεμένο στο υπόλοιπο κύκλωμα Βασικά Συνδυαστικά Ψηφιακά Κυκλώματα Με την χρήση των πινάκων αληθείας είναι δυνατόν να υπολογισθούν οι αντίστοιχες λογικές συναρτήσεις και στην συνέχεια να γίνει ο σχεδιασμός του επιθυμητού κυκλώματος. Στην πράξη όμως σήμερα, λίγα κυκλώματα κατασκευάζονται με τέτοιο τρόπο. Αντιθέτως, υπάρχουν κάποια κυκλώματα που αποτελούνται από ομάδες πυλών και παίζουν τον ρόλο δομικών υλικών. Τα κυριότερα βασικά συνδυαστικά κυκλώματα παρουσιάζονται στην συνέχεια, ενώ τα ακολουθιακά θα παρουσιασθούν σε επόμενο κεφάλαιο. Ο Πολυπλέκτης (Multiplexer) είναι ένα κύκλωμα με 2 n εισόδους δεδομένων και n εισόδους ελέγχου, οι οποίες και επιλέγουν μόνον μία από τις εισόδους και αποστέλλουν το σήμα της στην μοναδική έξοδο. Η βασική χρήση ενός τέτοιου κυκλώματος είναι προφανής και ένα παράδειγμα υλοποίησής του φαίνεται στο Σχ. 2.6, με έξι εισόδους Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 18

19 δεδομένων και τρεις ελέγχου. Μία άλλη πιθανή χρήση είναι η μετατροπή δεδομένων από παράλληλη μορφή (π.χ. 8-bit) σε σειριακή, με το επιλέγεται κάθε φορά διαδοχικά μία από τις γραμμές εισόδου. Το αντίστροφο του κυκλώματος αυτού είναι ο Αποπολυπλέκτης (Demultiplexer), ο οποίος έχει μόνον μία γραμμή εισόδου δεδομένων και n γραμμές ελέγχου, που σχηματίζουν έναν δυαδικό αριθμού ίσου μήκους. Αντί για μία έξοδο, τώρα υπάρχουν 2 n γραμμές εξόδου, μία μόνον εκ των οποίων επιλέγεται βάσει του δυαδικού αριθμού που σχηματίζεται από τις γραμμές ελέγχου. Σχ. 2.6 Πολυπλέκτης 8 Εισόδων Παρόμοιος με τον Αποπολυπλέκτη είναι ο Αποκωδικοποιητής (Decoder). Αυτός έχει n γραμμές ελέγχου μέσω των οποίων επιλέγει μία μόνον από τις 2 n γραμμές εξόδου, κάνοντας την τιμή του σήματος σε αυτήν λογικό 1, ενώ σε όλες τις άλλες γραμμές εξόδου η λογική τιμή του σήματος είναι 0. Παράδειγμα αυτού του κυκλώματος φαίνεται στο Σχ Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 19

20 Σχ. 2.7 Αποκωδικοποιητής 3 σε 8 Σχ. 2.8 Συγκριτής 4-bit Ο Συγκριτής (Comparator) είναι ένα ακόμη χρήσιμο κύκλωμα, σκοπός του οποίου είναι η σύγκριση δύο δυαδικών αριθμών Α και Β. Στην βασική του έκδοση που φαίνεται στο Σχ. 2.8, στην μοναδική του έξοδο παράγεται 0 εάν οι δύο προς σύγκριση αριθμοί είναι ίσοι και 1 εάν είναι άνισοι. Στην πράξη υπάρχει και άλλη μία έξοδος ώστε να μπορεί να δείχνει εάν Α > Β ή Β < Α. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 20

21 Σχ. 2.9 PLA 12 Εισόδων και 6 Εξόδων Για την περίπτωση που είναι επιθυμητή η υλοποίηση πολλών αυθαίρετων λογικών συναρτήσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο Προγραμματιζόμενος Λογικός Πίνακας (PLA - Programmable Logic Array), παράδειγμα του οποίου φαίνεται στο Σχ Προϋπόθεση για την χρήση ενός τέτοιου κυκλώματος είναι η έκφραση της κάθε μίας λογικής συνάρτησης ως άθροισμα γινομένων των μεταβλητών εισόδων και των αντίστροφών τους. Οι αντίστροφες τιμές των μεταβλητών εισόδων παράγονται εσωτερικά (από τους αντιστροφείς του σχήματος), τα γινόμενα από τις πύλες AND και τα τελικά αθροίσματα από τις πύλες OR. Ουσιαστικά υπάρχουν δύο πίνακες γραμμών για την δρομολόγηση των σημάτων από όλα τα επιμέρους λογικά στοιχεία σε όλα τα στοιχεία του επόμενου σταδίου. Μέσω των μικροσκοπικών ασφαλειών που παρεμβάλλονται είναι δυνατή η μη δρομολόγηση κάποιου στοιχείου σε κάποιο άλλο, που μπορούν να καούν από μία ειδική συσκευή (όπως και οι PROM) από τον τελικό σχεδιαστή. Υπάρχουν όμως και εκδόσεις στις οποίες δεν υπάρχουν ασφάλειες, αλλά ο σχεδιαστής είναι σε θέση να "σβήσει" την Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 21

22 προηγούμενη εγγραφή και να δημιουργήσει καινούργια - κάτι πολύ χρήσιμο σε περιπτώσεις ανάπτυξης του πρωτότυπου σχεδίου. Σχ Κύκλωμα Ολίσθησης κατά 1 bit προς Αριστερά ή Δεξιά Το Κύκλωμα Ολίσθησης (Shift Circuit) είναι ένα χρήσιμο κύκλωμα για ολίσθηση δυαδικών αριθμών - κάτι που είναι χρήσιμο για αριθμητικές κυρίως πράξεις. Παράδειγμα του κυκλώματος αυτού φαίνεται στο Σχ. 2.10, όπου ένας αριθμός των 8 bit, ολισθαίνει κατά ένα bit προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά, παράγοντας το αποτέλεσμα στις οκτώ εξόδους του S 0,..., S 7. Η επιλογή της κατεύθυνσης ολίσθησης γίνεται μέσω της γραμμής ελέγχου C (0 για αριστερά και 1 για δεξιά). Ειδικά για την πραγματοποίηση αριθμητικών πράξεων είναι αναγκαία η ύπαρξη κυκλώματος που να είναι σε θέση να προσθέσει δύο αριθμούς. Εκ πρώτης όψεως, αυτό το βασικό κύκλωμα φαίνεται να είναι ο Ημιαθροιστής (Half-Adder), παράδειγμα του οποίου παρουσιάζεται στο Σχ Αυτός είναι σε θέση να προσθέσει δύο bit και να δώσει στην έξοδο ένα bit για το άθροισμα και ένα για το πιθανό κρατούμενο. Το πρόβλημα όμως είναι ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει προηγούμενο κρατούμενο ως είσοδο για την πρόσθεση. Σχ Ημιαθροιστής (Half-Adder) Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 22

23 Το πρόβλημα αυτό έρχεται να επιλύσει ο Πλήρης Αθροιστής (Full Adder), ο οποίος επιτρέπει και την συμμετοχή κρατουμένου από προηγούμενο στάδιο (bit χαμηλότερης τάξης) στον υπολογισμό του αθροίσματος, όπως φαίνεται από το Σχ Για να σχηματισθεί ένας αριθμός εύρους 16 bit, δεν έχουμε παρά να τοποθετήσουμε δεκαέξι τέτοιους πλήρεις αθροιστές, τον έναν δίπλα στον άλλο. Σχ Πλήρης Αθροιστής Έτσι σχηματίζεται ο λεγόμενος Αθροιστής Κυματοειδούς Διέλευσης Κρατουμένου (Ripple Carry Adder), στον οποίο απαιτείται ο υπολογισμός κρατουμένου του bit προηγούμενης τάξης, πριν να είναι δυνατή η άθροιση των bit της επόμενης τάξης με την συμμετοχή του κρατουμένου. Αυτό το πρόβλημα, το οποίο δημιουργεί σημαντική καθυστέρηση, λύνεται με την χρήση Αθροιστών Πρόβλεψης Κρατουμένου (Carry Lookahead Adders). Τα παραπάνω βασικά δομικά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό μεγαλύτερων βασικών μονάδων σε έναν Η/Υ, όπως η Αριθμητική Λογική Μονάδα (ALU), παράδειγμα της οποίας φαίνεται στο Σχ Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 23

24 Σχ Παράδειγμα Αριθμητικής και Λογικής Μονάδας (ALU) Βασικά Ακολουθιακά Ψηφιακά Κυκλώματα Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, στα ακολουθιακά κυκλώματα η τιμή της κάθε εξόδου δεν είναι συνάρτηση μόνον των τρεχουσών τιμών των εισόδων, αλλά και των εξόδων τους. Η ιδιότητα αυτή είναι εξαιρετικά χρήσιμη, δεδομένου ότι ένα κύκλωμα μνήμης, πρέπει να "θυμάται" την προηγούμενη τιμή του. Στην πιο απλή περίπτωση η μονάδα πληροφορίας είναι το 1 bit, άρα ένα βασικό κύκλωμα μνήμης θα πρέπει να είναι σε θέση να διατηρήσει μία τέτοια πληροφορία. Παράδειγμα τέτοιου κυκλώματος φαίνεται στο Σχ (α). Το συγκεκριμένο κύκλωμα αποτελείται από δύο πύλες NOR, δύο εισόδους (S = Set, R = Reset) και μία έξοδο (Q) και το αντίστροφό της (/Q) και ονομάζεται SR Latch. Δημιουργώντας τον πίνακα αληθείας για το κύκλωμα αυτό, παρατηρούμε ότι η επόμενη τιμή εξόδου εξαρτάται όχι μόνον από την τιμή των S και R, αλλά και από την τρέχουσα τιμή εξόδου Q. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 24

25 Σχ (α) SR Latch, (β) Clocked SR Latch Πιο συγκεκριμένα, εάν S = R = 0, το κύκλωμα δίνει στην έξοδο την τιμή του Q, άρα "θυμάται" την τρέχουσα τιμή εξόδου. Εάν S = 1 και R = 0, η έξοδος γίνεται 1 (Set) και εάν συμβαίνει S = 0 και R = 1, η έξοδος γίνεται 0 (Reset). Ο συνδυασμός S = 1 και R = 1 οδηγεί σε μη σταθερή κατάσταση της τιμής εξόδου και για αυτό δεν επιτρέπεται. Το παραπάνω κύκλωμα θεωρείται ασύγχρονο, επειδή η έξοδος του κυκλώματος δεν αλλάζει τιμή σε αυστηρά καθορισμένη χρονική στιγμή, αλλά σε χρόνο ανάλογο της ταχύτητας διάδοσης των σημάτων μέσα από τα επιμέρους στοιχεία που συνθέτουν το κύκλωμα. Επειδή όμως συνήθως απαιτείται η μεταβολή αυτή να λάβει χώρα σε αυστηρά καθορισμένη χρονική στιγμή, είναι αναγκαία η παραλλαγή του Σχ (β). Σε αυτήν την περίπτωση έχουμε ένα σύγχρονο κύκλωμα, μια και οι οποιεσδήποτε τιμές στις εισόδους S και R αγνοούνται εφόσον το ρολόι (Clock) βρίσκεται σε λογικό 0. Επομένως το κύκλωμα αυτό συγχρονίζεται με την βοήθεια του σήματος ρολογιού για τις οποιεσδήποτε λειτουργίες του. Επειδή η περίπτωση S = R = 1 οδηγεί σε μη σταθερή κατάσταση, είναι αναγκαία η αποφυγή της. Για αυτόν τον λόγο ένας συνηθισμένος τρόπος είναι η συνένωση των S και R, όπως στο Σχ. 2.17, σχηματίζοντας το λεγόμενο Clocked D Latch. Σχ Clocked D-Latch Είναι επίσης χρήσιμο να τονισθεί ότι στα παραπάνω σύγχρονα κυκλώματα η μετάβαση από την μία κατάσταση στην άλλη γίνεται όταν το σήμα ρολογιού βρίσκεται είτε σε Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 25

26 υψηλή, είτε σε χαμηλή κατάσταση. Για αυτόν τον λόγο τα παραπάνω σύγχρονα κυκλώματα ονομάζονται και Κυκλώματα Επιλογής Εξόδου. Αντιθέτως, όταν απαιτείται η μετάβαση από μία κατάσταση σε μία άλλη, υπάρχουν και τα Κυκλώματα Δύο Καταστάσεων (flip-flops), στα οποία η μετάβαση αυτή γίνεται κατά την μετάβαση του ρολογιού από το λογικό 0 στο λογικό 1 ή από το λογικό 1 στο λογικό 0, δηλαδή μόνον στις αιχμές (edges) του παλμού του ρολογιού. Το πλεονέκτημα μίας τέτοιας μεθόδου είναι ότι η παραπάνω μετάβαση διαρκεί πολύ λιγότερο χρόνο, από ό,τι στα Κυκλώματα Επιλογής Εξόδου. Η διαφορά αυτή τονίζεται στα λογικά διαγράμματα με την τοποθέτηση ενός βέλους στο σημείο εφαρμογής του παλμού του ρολογιού για τα Κυκλώματα Δύο Καταστάσεων, όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Clocked D-Latch (Επιλογής Εξόδου) και D Flip-flop (Δύο Καταστάσεων) Συνηθέστερα όμως, ο σχηματισμός ενός D Flip-flop, γίνεται με την χρήση δύο Clocked D-Latch, όπως φαίνεται και από το Σχ Το πρώτο D-Latch ονομάζεται Master και "διαβάζει" την είσοδο D, όταν το ρολόι (CLK) είναι λογικό 0. Όταν το ρολόι γίνει λογικό 1, τότε το Master D-Latch κλείνει και ανοίγει το δεύτερο D-Latch, που ονομάζεται Slave. Το Slave D-Latch "διαβάζει" την έξοδο του Master D-Latch και την μεταφέρει στην έξοδό του. Το σημαντικό σημείο εδώ είναι ότι παρ ότι το Slave D-Latch είναι ανοικτό όταν το ρολόι είναι λογικό 1, εν τούτοις το συνολικό D-Flip-flop φαίνεται να "διαβάζει" την είσοδό του μόνον όταν το ρολόι μεταβαίνει από λογικό 0 σε λογικό 1 (άρα στην αιχμή ανόδου του ρολογιού). Λόγω της χρήσεως δύο D-Latch, το κύκλωμα αυτό ονομάζεται και Master-Slave D-Flip-flop. Σχ Master-Slave D-Flip-Flop Από τα παραπάνω είναι επομένως προφανές ότι το σήμα του ρολογιού θα πρέπει να είναι απόλυτα ακριβές και ίδιας μορφής σε όλο το ψηφιακό κύκλωμα, ώστε να υπάρχει συγχρονισμός μεταξύ των επιμέρους στοιχείων. Για αυτόν τον λόγο χρησιμοποιούνται κρύσταλλοι χαλαζία, ώστε να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 26

27 Σχ Σχηματισμός Μη Συμμετρικού Παλμού Ρολογιού Το χρονικό διάστημα μεταξύ των αντιστοίχων αιχμών δύο διαδοχικών παλμών, ονομάζεται χρόνος κύκλου ρολογιού (clock cycle time). Αν και ο κύκλος του ρολογιού μπορεί να θεωρηθεί ως το μικρότερο δυνατό χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο μπορεί να συμβούν διάφορες λειτουργίες του ψηφιακού κυκλώματος, είναι επίσης δυνατόν να υποδιαιρέσουμε αυτό το χρονικό διάστημα σε τέσσερα επιμέρους χρονικά συμβάντα: 1. Ακμή Ανόδου του ρολογιού 2. Ρολόι σε υψηλό επίπεδο (λογικό 1) 3. Ακμή Καθόδου του ρολογιού 4. Ρολόι σε χαμηλό επίπεδο (λογικό 0) Τέλος, είναι δυνατόν να έχουμε όχι μόνο συμμετρικούς παλμούς ρολογιού, αλλά και μη συμμετρικούς. Για παράδειγμα, εάν πάρουμε δύο αντίγραφα του σήματος ρολογιού, Cl 1 και Cl 2, και "εισάγουμε" μία χρονική καθυστέρηση στο δεύτερο από αυτά και τα ανασυνθέσουμε, είναι δυνατόν να πάρουμε έναν μη συμμετρικό παλμό ρολογιού, όπως φαίνεται στο Σχ. 2.20, όπου ο μη συμμετρικός παλμός ρολογιού Cl σχηματίζεται από τους Cl 1 και Cl 2. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 27

28

29 3. ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Ως γνωστόν, ένας τυπικός Η/Υ αποτελείται από μία Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας ή ΚΜΕ (CPU), Κεντρική ή Κύρια Μνήμη (με την μορφή ROM ή RAM) και κάποιες Θύρες Εισόδου / Εξόδου (I/O) για να επικοινωνεί με περιφερειακές συσκευές. Οι τελευταίες μπορεί να παίζουν τον ρόλο βοηθητικής ή δευτερεύουσας μνήμης (π.χ. δίσκοι, μαγνητικές ταινίες) ή να είναι το μέσον επικοινωνίας με το περιβάλλον (π.χ. πληκτρολόγιο, οθόνη, εκτυπωτής, κάρτα δικτύου). Σχ. 3.1 Γενικό Διάγραμμα Οργάνωσης ενός Η/Υ Η επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων επιμέρους τμημάτων ενός Η/Υ γίνεται μέσω διαφόρων διαύλων (buses). Γενικά, κάθε δίαυλος αποτελείται από τρεις διαφορετικούς διαύλους, όπως φαίνεται και από το Σχ. 3.1: Δίαυλο Ελέγχου, Δίαυλο Διευθύνσεων και Δίαυλο Δεδομένων. Αυτός ο διαχωρισμός είναι μάλλον λογικός, παρά φυσικός. Σε κάθε δίαυλο περιλαμβάνεται και ένας αριθμός από γραμμές καθαρά ηλεκτρικής μορφής (π.χ. +5 V και γείωση). Μέσω του Διαύλου Ελέγχου κυκλοφορούν τα σήματα ελέγχου, τα οποία μπορούν να ομαδοποιηθούν στις παρακάτω κατηγορίες: 1. Έλεγχος Διαύλου: Σκοπός τους είναι βασικά να ενημερώσουν εάν ο επεξεργαστής θέλει να προσπελάσει περιφερειακά ολοκληρωμένα. 2. Διακοπές: Συνήθως είναι είσοδοι από περιφερειακά ολοκληρωμένα προς τον επεξεργαστή, με σκοπό να τον ενημερώσουν ότι κάποια περιφερειακή συσκευή έχει ανάγκη εξυπηρετήσεως, καθώς και έξοδοι για επιβεβαίωση της εξυπηρέτησης διακοπής. 3. Διαιτησία Διαύλου (Bus Arbitration): Απαιτούνται για την διαιτησία της κυριότητας του (κοινού) διαύλου, ώστε να μην είναι δυνατή η ταυτόχρονη χρήση του τελευταίου από δύο ή περισσότερες συσκευές. Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 29

30 4. Σηματοδότηση Συνεπεξεργαστή: Σκοπός τους είναι η συγχρονισμένη χρήση των δυνατοτήτων που παρέχει ένας συνεπεξεργαστής, όταν κάτι τέτοιο απαιτείται. 5. Κατάσταση Επεξεργαστή: Δείχνουν την τρέχουσα κατάσταση του επεξεργαστή. 6. Διάφορα. Αν και είναι δυνατόν να σχεδιασθεί οποιοδήποτε είδος διαύλου, στην πράξη η μορφή και οι κανόνες λειτουργίας ενός διαύλου είναι αυστηρώς καθορισμένες, ώστε να είναι δυνατή η σύνδεση σε αυτών καρτών επέκτασης που είναι σχεδιασμένες από άλλους κατασκευαστές. Το σύνολο των παραπάνω κανόνων ονομάζεται Πρωτόκολλο του Διαύλου. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί δίαυλοι Η/Υ, τους οποίους μπορούμε να κατατάξουμε σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο χρονισμού των λειτουργιών που εκτελούν: 1. Σύγχρονοι Δίαυλοι: Εδώ όλες οι δραστηριότητες του διαύλου καταλαμβάνουν ακέραιο αριθμό κύκλων ενός κεντρικού ρολογιού, που ονομάζεται Κύριο Ρολόι (Master Clock). 2. Ασύγχρονοι Δίαυλοι: Εδώ δεν υπάρχει κύριο ρολόι και επομένως οι κύκλοι διαύλου μπορεί να έχουν οποιοδήποτε μήκος. Το πλεονέκτημα των συγχρόνων διαύλων είναι ότι είναι πιο εύκολοι στον σχεδιασμό τους, αφού όλες οι δραστηριότητες παίρνουν χρόνο ίσο με κάποιο πολλαπλάσιο του κύκλου του Κυρίου ρολογιού. Το πρόβλημα σχεδίασης εστιάζεται πλέον στην σωστή επιλογή του κύκλου ρολογιού: Πολύ μικρός κύκλος ρολογιού μπορεί να οδηγήσει σε μη σωστή λειτουργία, επειδή όλα τα σήματα δεν ταξιδεύουν παντού με την ίδια ταχύτητα - ένα φαινόμενο γνωστό και ως Στρέβλωση Διαύλου (bus skew), παρόμοιο με την Στρέβλωση Ρολογιού (clock skew). Αυτό αντιμετωπίζεται με την επιμήκυνση του κύκλου ρολογιού, ώστε ο τελευταίος να είναι μεγαλύτερος από την στρέβλωση διαύλου. Το μειονέκτημα των συγχρόνων διαύλων όμως είναι η καθυστέρηση, μια και λειτουργίες που π.χ. θα απαιτούσαν 3,1 κύκλους ρολογιού, τώρα απαιτούν 4 κύκλους. Επίσης, δεν μπορούν να ανταποκριθούν εύκολα στις εξελίξεις της τεχνολογίας. Εάν, π.χ., απαιτούνταν ένας κύκλος ρολογιού των 100 ns για προσπέλαση της κύριας μνήμης, αλλά τώρα υπάρχουν μνήμες των 20 ns, η χρήση των τελευταίων δεν θα δημιουργούσε κανένα πλεονέκτημα, αφού η προσπέλαση κύριας μνήμης θα απαιτούσε και πάλι 1 κύκλο διαύλου = 1 κύκλος ρολογιού = 100 ns. Τα μειονεκτήματα του σύγχρονου διαύλου είναι βέβαια πλεονεκτήματα του ασύγχρονου και αντίστροφα. Στην πράξη όμως οι περισσότεροι δίαυλοι είναι σύγχρονοι. Επιπλέον οι συσκευές που συνδέονται σε έναν δίαυλο (συμπεριλαμβανομένου και του επεξεργαστή) μπορούν να διακριθούν σε Κυρίους (Masters) και Υπηρέτες (Slaves). Οι μεν πρώτες μπορούν να προκαλέσουν αιτήσεις για εξυπηρέτηση από άλλες συσκευές Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 30

31 μέσω του διαύλου, ενώ οι δεύτερες περιμένουν παθητικά για αιτήσεις εξυπηρέτησης από άλλες συσκευές. Τέλος μπορεί να έχουμε δύο τύπους διαιτησίας διαύλου (bus arbitration), ανάλογα με το αν ο μηχανισμός διαιτησίας είναι κεντρικός ή αποκεντρωμένος. Στην πρώτη περίπτωση υπάρχει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που παίζει τον ρόλο του διαιτητή διαύλου. Οι αιτήσεις από όλες τις συσκευές αποστέλλονται προς αυτόν και αυτός καθορίζει ποια θα γίνει κύριος του διαύλου. Στην απλούστερη έκδοση όλες οι συσκευές είναι συνδεδεμένες σε μία λογική αλυσίδα. Ο διαιτητής ελέγχει την πλησιέστερη προς αυτόν συσκευή για πιθανή αίτηση και εάν δεν υπάρχει τέτοια αίτηση, την επόμενη συσκευή, κ.ο.κ. Κατ αυτόν τον τρόπο η πλησιέστερη συσκευή πάντοτε κερδίζει. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο είναι δυνατή και η υιοθέτηση πολλαπλών επιπέδων, όπου οι περιφερειακές συσκευές είναι χωρισμένες σε ομάδες με διαφορετική προτεραιότητα, έτσι ώστε εκείνες που βρίσκονται στο υψηλότερο επίπεδο να εξυπηρετούνται πάντοτε πρώτες. Στην περίπτωση του αποκεντρωμένου μηχανισμού διαιτησίας διαύλου δεν υπάρχει διαιτητής. Στην απλούστερη έκδοση (π.χ. Multibus) υπάρχουν μόνον τρεις γραμμές. Η πρώτη είναι μια καλωδιωμένη OR (wired OR) για τις αιτήσεις διαύλου (Αίτηση Διαύλου), η δεύτερη είναι η BUSY (Aπασχολημένος δίαυλος) και η Τρίτη είναι η Γραμμή Διαιτησίας, η οποία είναι αλυσιδωτά συνδεδεμένη με όλες τις συσκευές στον δίαυλο (Σχ. 3.2), έχοντας την τιμή του λογικού 1 όταν δεν υπάρχει αίτηση κυριότητας από καμία συσκευή. Σχ. 3.2 Αποκεντρωμένος Μηχανισμός Διαύλου με 3 Γραμμές Για την απόκτηση κυριότητας στον δίαυλο από μία συσκευή πρώτα ελέγχεται εάν ο δίαυλος είναι αδρανής (από την δεύτερη γραμμή) και εάν καμία συσκευή δεν έχει προλάβει να κάνει αίτηση κυριότητας (οπότε το OUT της προηγούμενης και άρα το IN αυτής της συσκευής θα ήταν λογικό 0). Εάν τα παραπάνω είναι αληθή, τότε η συσκευή αυτή κάνει λογικό το OUT της εμποδίζοντας όλες τις συσκευές που είναι "δεξιά" της να κάνουν αίτηση για όσο διάστημα αυτή είναι κύριος του διαύλου. Μητρική Κάρτα (Motherboard) Τα πιο βασικά τμήματα (ΚΜΕ, κύρια μνήμη, βοηθητικοί ελεγκτές) είναι συνήθως τοποθετημένα σε μία μεγάλη ηλεκτρονική κάρτα, που λέγεται Μητρική Κάρτα (Μotherboard). Ένα παράδειγμα τέτοιας μητρικής κάρτας με όλα τα είδη βασικών διαύλων φαίνεται στο Σχ Τα περισσότερα περιφερειακά συνδέονται με την μητρική κάρτα, μέσω των υπαρχουσών θυρών επέκτασης (Slots), που για το συγκεκριμένο Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 31

32 παράδειγμα - μητρική "80486 VIP" - είναι τύπων VESA, ISA και PCI. Η κύρια μνήμη τοποθετείται στις θέσεις SIMM (RAM) και BIOS (ROM). Υπάρχει ακόμα μία μπαταρία μακράς διαρκείας (BATT) και άλλες "πρίζες" και διακόπτες (JP). Σχ. 3.3 Σχεδιάγραμμα Τυπικής Μητρικής με όλα τα Είδη Βασικών Διαύλων 3.1 Βασικές Έννοιες Μικροεπεξεργαστών Γενικά ένας σύγχρονος μικροεπεξεργαστής παίζει τον ρόλο της ΚΜΕ σε έναν Η/Υ. Αποτελείται συνήθως από την Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ALU), την Μονάδα Διασύνδεσης με τον Εξωτερικό Δίαυλο (BIU = Bus Interface Unit) και την Μονάδα Ελέγχου (Control Unit). Λόγω αυξημένης απόδοσης και μειωμένου κόστους υπάρχει η τάση για ενσωμάτωση περισσοτέρων μονάδων του Η/Υ στην ΚΜΕ. Έτσι, μπορεί να περιλαμβάνει και την Μονάδα Διαχείρισης Μνήμης (ΜΜU), τον Μαθηματικό Συνεπεξεργαστή (FPU) και κάποια ποσότητα Λανθάνουσας Μνήμης (Cache Memory). Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 32

33 Λόγω της πληθώρας τύπων επεξεργαστών που έχουν κυκλοφορήσει, είναι δύσκολη η ταξινόμησή τους σε κατηγορίες. Ένας όχι ακριβής τρόπος ταξινόμησης είναι ο αριθμός των bits που μπορεί να επεξεργάζεται η ALU ταυτόχρονα. Έτσι, μπορεί να έχουμε επεξεργαστές των 1, 4, 8, 16, 32 ή 64 bits. Ο πλέον δημοφιλής τρόπος ταξινόμησης σήμερα όμως είναι ο μέγιστος αριθμός των bits δεδομένων, που μπορεί να "δει" ο επεξεργαστής από τον δίαυλο δεδομένων, σε ένα βήμα. Για αυτό ο 8086 θεωρείται επεξεργαστής των 16 bits, ενώ ο όμοιός του 8088, επεξεργαστής των 8 bits. Εδώ είναι σημαντικό να κάνουμε την διάκριση ανάμεσα στους μικροεπεξεργαστές (microprocessors) και μικροελεγκτές (microcontrollers). Η έμφαση του σχεδιασμού στους πρώτους είναι η απόδοσή τους, ενώ στους τελευταίους η ενσωμάτωση όσο το δυνατόν περισσοτέρων μονάδων, για την "έξυπνη" οδήγηση συσκευών όπως πλυντήρια, φούρνοι μικροκυμάτων και μηχανισμοί αυτόματης ανάφλεξης σε μηχανές αυτοκινήτων. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο 8048 της INTEL (1976), που ενσωματώνει μία ΚΜΕ των 8 bits, RAM, ROM και κάποιες θύρες εισόδου/εξόδου, σε ένα ολοκληρωμένο των 40 ακίδων (pins). Εννοείται πως η ικανότητα για επικοινωνία με το περιβάλλον και το χαμηλό κόστος είναι οι πιο σημαντικοί παράγοντες σχεδιασμού. Επίσης υπάρχουν μικροεπεξεργαστές, που χρησιμοποιούνται ως μονάδες για τον σχηματισμό επεξεργαστών με ειδικό μήκος bits. Αυτοί ονομάζονται bit-slice (φέτες από bits). Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί η οικογένεια 2900 της AMD (Advanced Micro Devices), όπου κάθε μέλος περιλαμβάνει ALUs των 4 bits, πολυπλέκτες και άλλα στοιχεία απαραίτητα για την σύνθεση της επιθυμητής ΚΜΕ. Επί πλέον, ο σχεδιαστής σχεδιάζει και το σύνολο των εντολών, χρησιμοποιώντας μικροκώδικα. Το 1978 η INTEL παρουσίασε τον 8086, ο οποίος αποτέλεσε την καρδιά του προσωπικού Η/Υ της ΙΒΜ με τον εξάδελφό του Υπήρξαν και άλλοι επεξεργαστές από την ΙΝΤΕL στην συνέχεια, αλλά και από άλλους κατασκευαστές. Εν τούτοις, το μεγαλύτερο μέρος του λογισμικού που κυκλοφορεί σήμερα για προσωπικούς Η/Υ έχει γραφεί με βάση τον 8086 και τα παράγωγά του. Για αυτόν τον λόγο και θα περιγραφεί ο 8086 με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, σαν υπόδειγμα για την δομή ενός μικρο-επεξεργαστή Ένας Χαρακτηριστικός Μικροεπεξεργαστής Ο 8086 είναι ένας επεξεργαστής των 16 bits σχεδιασμένος από την αρχή για να χρησιμοποιηθεί σαν ΚΜΕ σε έναν προσωπικό Η/Υ. Η ΑLU, οι καταχωρητές και οι περισσότερες εντολές του δουλεύουν με λέξεις των 16 bits. Επίσης ο δίαυλος δεδομένων (Data Bus) είναι των 16 bits, ώστε να είναι σε θέση να διαβάσει από ή να γράψει δεδομένα στην μνήμη ή θύρες, σε λέξεις των 8 ή 16 bits. Ο δίαυλος διευθύνσεων είναι των 20 bits, πράγμα που σημαίνει ότι συνολικά μπορεί να "δει" 2 20 ή διαφορετικές διευθύνσεις, κάθε μία εκ των οποίων αντιστοιχεί σε ένα byte. Παράλληλα έχει και διαφορετικό χώρο διευθύνσεων για τις εξωτερικές θύρες εισόδου / εξόδου οι οποίες είναι συνολικά 2 16 = Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 33

34 Ειδικά για τις λέξεις των 16 bits, πρέπει να τοποθετούνται σε διαδοχικές διευθύνσεις, με την πρώτη σε "ζυγή" διεύθυνση, επειδή τότε ο 8086 μπορεί να διαβάσει όλη την λέξη με έναν κύκλο ανάγνωσης. Η βασική διαφορά του 8088 με τον 8086 είναι ότι έχει δίαυλο δεδομένων των 8 bit και επομένως μπορεί να διαβάζει ή να γράφει δεδομένα μόνον ενός byte κάθε φορά. Εάν χρησιμοποιηθεί εντολή για διάβασμα δύο byte (με τους όρους που προαναφέρθηκαν για τον 8086), ο 8088 θα την εκτελέσει σε δύο βήματα. Αν και όλες οι λειτουργίες αποτελούνται από ένα σύνολο ψηφιακών ηλεκτρονικών σημάτων, ο προγραμματισμός του 8086 γίνεται στην λεγόμενη Γλώσσα Μηχανής. Στην πράξη κάτι τέτοιο είναι πολύ δύσκολο και επίπονο. Για αυτό και χρησιμοποιείται ένα ειδικό πρόγραμμα - ο Assembler - που αναλαμβάνει να μετατρέψει ένα πρόγραμμα που έχει γραφεί σε Αssembly, σε γλώσσα μηχανής. Σε ανώτερο επίπεδο υπάρχουν άλλες γλώσσες, όπως η C, PASCAL, κλπ, αλλά η γλώσσα Assembly είναι η πιο εύκολη γλώσσα που ταυτόχρονα εκφράζει πλήρως την δομή και λειτουργία του Για αυτόν τον λόγο και θα αναπτυχθεί σε επόμενο κεφάλαιο στην συνέχεια Εσωτερική Αρχιτεκτονική του 8086 Όπως κάθε ΚΜΕ, έτσι και ο 8086 χρειάζεται τρία τουλάχιστον βασικά τμήματα για να λειτουργήσει. Αυτά είναι η ΑLU για να εκτελεί πράξεις, Μνήμη (με την μορφή καταχωρητών) για να αποθηκεύει ενδιάμεσα δεδομένα ή αποτελέσματα και η Μονάδα Ελέγχου που αποκωδικοποιεί κάθε εντολή και γενικά κατευθύνει την όλη λειτουργία του επεξεργαστή. Πιο συγκεκριμένα, ο 8086 αποτελείται από δύο κύρια τμήματα όπως φαίνεται και από το Σχ. 3.4: Την Μονάδα Διασύνδεσης με τον εξωτερικό Δίαυλο (ΒΙU = Bus Interface Unit) και την Μονάδα Εκτέλεσης εντολών (EU = Execution Unit). Παναγιώτης Φουληράς Τεχνολογία Η/Υ Σελ. 34