Ψηφιακά Κυκλώματα (2 ο μέρος) ΜΥΥ-6 Εισαγωγή στους Η/Υ και στην Πληροφορική
Ακολουθιακά κυκλώματα είσοδοι.. ακολουθιακή λογική.. έξοδοι. ανάδραση Η λειτουργία μνήμης στηρίζεται στη ανάδραση (feedback): υπάρχουν «κύκλοι» στο κύκλωμα! Οι τιμές των κόμβων ανάδρασης αποτελούν την κατάσταση (state) του κυκλώματος 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 2
Κύκλωμα μνήμης Η βασική ιδέα είναι απλή: δύο αντιστροφείς σε ανάδραση η έξοδος του ενός είναι είσοδος στον άλλο 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 3
Μανταλωτής Set-Reset (SR Latch) Πίνακας αλήθειας: u=unused Είσοδοι/Έξοδοι: S R Q i S set, R reset Q έξοδος, Q συμπλήρωμα (αντίστροφη) Κρατά τη προηγούμενη τιμή αν S= και R= Γράφουμε το (ή ) θέτοντας R= (ή S=) για ένα μικρό χρονικό διάστημα Q i- u S R q q Q Q q q 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 4
Xρονισμός συμβάντων Ασύγχρονη ακολουθιακή λογική Η κατάσταση (και πιθανά η έξοδος) του κυκλώματος αλλάζουν όταν αλλάξει η είσοδος είσοδος κατάσταση Σύγχρονη ακολουθιακή λογική Η κατάσταση (και πιθανά η έξοδος) αλλάζουν σε συγχρονισμό με ένα εξωτερικό σήμα το ρολόι (clock) είσοδος κατάσταση ρολόι 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 5
Σύγχρονη μνήμη: D flip-flop input clock D Q output D Q clock Ακμοπυροδότητο (edge-triggered) flip-flop: στην ακμή του ρολογιού η είσοδος D περνάει στην έξοδο Q Σε ομάδες αποτελούν καταχωρητές (registers) D 3 Q 3 D 3 Q 3 D 2 Q 2 4-bit register D 2 D Q 2 Q D Q D Q D Q clock clock 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 6
Γενικό διάγραμμα ακολουθιακής λογικής είσοδοι Current state signals.. συνδυαστική λογική. Q m Q D m D... Next state signals έξοδοι Λειτουργία: clock Σε κάθε ανερχόμενη ακμή ρολογιού, οι τιμές της «επόμενης κατάστασης» (next state) περνούν στην τρέχουσα κατάσταση (current state) Οι τιμές της τρέχουσας κατάστασης μαζί με τις εισόδους παιρνούν μέσω της συνδυαστικής λογικής και παράγουν εξόδους και «επόμενη κατάσταση» 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 7
Μηχανές πεπερασμένων καταστάσεων Ενα ακολουθιακό κύκλωμα αντιστοιχεί σε μια μηχανή πεπερασμενων καταστάσεων (finite state machine FSM) θα τις δείτε πολλές φορές σε διάφορα μαθήματα Η μηχανή μπορεί να βρίσκεται σε μία από έναν πεπερασμένο αριθμό καταστάσεων. Η μετάβαση κατάστασης γίνεται όταν δεχθεί κατάλληλη είσοδο Η μηχανή μπορεί να έχει εξόδους οι τιμές εξαρτώνται από την κατάσταση (και την είσοδο) Συνήθως η μηχανή ορίζεται με ένα διάγραμμα καταστάσεων 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 8
Παράδειγμα μηχανής Μηχάνημα αυτόματης πώλησης (vending machine) Παίρνει κέρματα, 2 λεπτών, πουλάει σοκολάτες των 3 λεπτών. Δε δίνει ρέστα! Ανιχνευτής κερμάτων με 2 εισόδους: a, b για κέρματα των, 2 λεπτών αντίστοιχα Έξοδος z γίνεται όταν έχουν πληρωθεί 3 λεπτά ή περισσότερα 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 9
a b Υλοποίηση μηχανής Μεθοδολογία: Διάλεξε κώδικες για τις καταστάσεις, π.χ. S=,, S3= Κατασκεύασε πίνακα αλήθειας για την επόμενη κατάσταση s ', s ' και την έξοδο z Βρες τις αναπαραστάσεις σε άλγεβρα Boole για τα s ', s ', z Σχεδίασε τη συνδυαστική λογική και πρόσθεσε τον καταχωρητή κατάστασης s s a b s ' s ' z comb. logic S S S ' S ' clk z 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25
Ψηφιακή σχεδίαση Τα προηγούμενα είναι απλά η «κορυφή του παγόβουνου» Μάθημα: Ψηφιακή Σχεδίαση βελτιστοποίηση εκφράσεων άλγεβρας Boole τεχνικές κωδικοποίησης καταστάσεων μηχανών (FSM) σχεδιασμός μεγαλύτερων κυκλωμάτων... Εργαστήριο: θα υλοποιήσετε πραγματικά κυκλώματα 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25
Μνήμη Το θεωρητικό μοντέλο του υπολογιστή χρειάζεται χώρο απόθηκευσης μνήμη Ο επεξεργαστής χρειάζεται προσωρινή αποθήκευση για δεδομένα καταχωρητές (registers) η διεπαφή υλικού λογισμικού ορίζει τον αριθμό και τα ονόματά τους περίπου 3 διαθέσιμοι στον προγραμματιστή σε επεξεργαστές RISC Επιπλέον υπάρχουν καταχωρητές κρυμμένοι από τον προγραμματιστή π.χ. καταχωρητές κατάστασης σε μηχανές πεπερασμένων καταστάσεων, ο PC 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 2
Τεχνολογία μνήμης Διαφορετικά υλικά/τεχνολογίες ηλεκτρονικά: DRAM, SRAM, flash μαγνητικά: Σκηρός δίσκος, ταινία οπτικά: CD, DVD, Blue-ray Διαφορετικές ιδιότητες ταχύτητα πρόσβασης διατήρηση δεδομένων (όταν ο υπολογιστής σβήσει) ανάγνωση μόνο, ανάγνωση και εγγραφή φορητότητα Διαφορετικά κόστη 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 3
Δυναμική RAM (DRAM) Μικρό κύκλωμα, μεγάλη πυκνότητα transistor, πυκνωτής Αποθήκευση φορτίο στον πυκνωτή, αλλιώς Ανανέωση (refresh) το φορτίο διαφεύγει (leaks) χρειάζεται ανανέωση (αναγνωση/εγγραφή) κάθε 64ms περίπου Σχεδιαστική προτεραιότητα έχει η πυκνότητα χρόνος προσπέλασης για ένα τυχαίο bit είναι ~2ns σύγχρονοι επεξεργαστές: ~.3ns (3GHz) λίγο διαφορετική τεχνολογία κατασκευής από επεξεργαστές Χρησιμοποιείται ως κύρια μνήμη 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 4
Στατική RAM (SRAM) Μεγάλο κύκλωμα, μικρή πυκνότητα 6 transistors Δεν χρειάζεται ανανέωση (στατική) Ιδια τεχνολογία με τους επεξεργαστές Χρόνος προσπέλασης ανάλογα με το μέγεθος Χρησιμοποιείται για τους καταχωρητές ενός επεξεργαστή αρχείο καταχωρητών (register file) συχνά πολλές θύρες ανάγνωσης/εγγραφής Χρησιμοποιείται για κρυφή μνήμη (cache) κρατάει τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα δεδομένα της κύριας μνήμης, ώστε να είναι διαθέσιμα πιο γρήγορα 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 5
Ομάδες από flip-flop Οι καταχωρητές που είδαμε νωρίτερα! Μια ομάδα από flip-flop Πολύ γρήγορη μνήμη, αλλά πολύ χαμηλή πυκνότητα Χρησιμοποιείται για ειδικούς καταχωρητές PC καταχωρητές κατάστασης για FSM προσωρινή αποθήκευση δεδομένων στη δίοδο δεδομένων 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 6
Ηλεκτρ. μνήμες μόνο ανάγνωσης Γενικός όρος ROM (read-only memory) Περιέχουν δεδομένα που δεν αλλάζουν, πχ ειδικό λογισμικό για περιφερειακά (firmware) Δεν χάνουν τα περιεχόμενά τους όταν δεν τροφοδοτούνται (non-volatile) Μερικές έχουν δυνατότητα αλλαγής περιεχομένων αλλά η διαδικασία είναι χρονοβόρα EPROM, EEPROM, Τείνουν να αντικατασταθούν από μνήμη flash 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 7
Μνήμη flash (NVRAM) Επανεγράψιμη μνήμη τυχαίας προσπέλασης δεν χάνει τα περιεχόμενα όταν δεν τροφοδοτείται κάτι σαν πολύ γρήγορη EEPROM Οχι τόσο γρήγορη (ακόμα) όσο οι άλλες τεχνολογίες μνήμης (SRAM, DRAM) Χρήση αποθήκευση σε συσκευές (φωτογραφικές, camcorders, ) «δίσκοι στερεάς κατάστασης» (solid-state drive) αποθήκευση αρχείων αντί σκληρού δίσκου πολύ ταχύτερη, αντοχή σε κραδασμούς,... τα γνωστά USB drives 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 8
Σκληρός δίσκος Το πιο συνηθισμένο μέσο αποθήκευσης Γιατί σκληρός; σε αντιδιαστολή με τις εύκαμπτες δισκέτες Έχει μηχανικά και ηλεκτρονικά μέρη μαγνητική αποθήκευση Εξωτερικά μοιάζει με μεταλικό κουτί με μια πλακέτα στην κάτω μεριά: ο ελεγκτής/controller Σε προσωπικό ΗΥ βιδώνεται στο σασί του κουτιού κεντρικής μονάδας 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 9
Μέσα στο δίσκο Σειρά μεταλικών δίσκων επιχρισμένοι με μαγνητικό υλικό περιστρέφονται γύρω από κοινό άξονα 54-5 στροφ/λεπτό Μηχανισμός βραχίονα κινητήρας ακριβείας μετακινεί το βραχίονα μέσα-έξω Μη τον ανοίξετε! ακύρωση εγγύησης, μεγάλη πιθανότητα μη-αναστρέψιμης βλάβης 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 2
Τοποθέτηση δεδομένων Ιχνος (track) κύκλος κάτω από τη τροχιά της κεφαλής Κύλινδρος (cylinder) το σύνολο των κύκλων σε όλες τις επιφάνειες Τομέας (sector) τμήμα ενός ίχνους, η μικρότερη ποσότητα προσπέλασης τα εξωτερικά ίχνη έχουν περισσότερους τομείς 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 2
Προσπέλαση δεδομένων Μετακίνηση κεφαλής στο σωστό κύλινδρο χρόνος αναζήτησης (seek time): 3-2ms Περιστροφή στην αρχή του τομέα καθυστέρηση (latency) εξαρτάται από το ρυθμό περιστροφής Ανάγνωση/εγγραφή χρόνος μεταφοράς (transfer time) εξαρτάται από ρυθμό περιστροφής και πυκνότητα Επιπλέον ο ελεγκτής προσθέτει (μικρή) χρονική επιβάρυνση και το λειτουργικό σύστημα,... 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 22
«Διευθύνσεις» δίσκου Η διεύθυνση ενός τομέα είναι το σύνολο των στοιχείων αριθμός κυλίνδρου, επιφάνεια δίσκου/κεφαλή, αριθμός τομέα (στο ίχνος) διεύθυνση Cylinder Head Sector (CHS) Δυσκολότερο απ ότι ακούγεται τα ίχνη δεν έχουν σταθερό αριθμό από τομείς οι δίσκοι στερεής κατάστασης δεν έχουν κυλίνδρους, κεφαλές! Ως διεύθυνση χρησιμοποιείται, εξωτερικά, η Λογική Διεύθυνση Τμήματος (Logical Block Address) ο ελεγκτής δέχεται μια διεύθυνση LBA και υπολογίζει το CHS Το LBA είναι απλά ένας αύξοντας αριθμός 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 23
Μορφοποιηση, διαμερισμός Μορφοποίηση χαμηλού επιπέδου (low-level formatting) χωρισμός σε φυσικό επίπεδο τομέων σε ίχνη ειδικό πρόγραμμα του κατασκευαστή Διαμερισμός (partitioning) χώρισμα του δίσκου σε τμήματα-διαμερίσεις φαίνονται ως χωριστοί δίσκοι στο λειτουργικό σύστημα Μορφοποίηση υψηλού επιπέδου γίνεται από το λειτουργικό σύστημα ώστε να μπορεί να οργανώσει τα αρχεία σύστημα καταλόγων για αντιστοίχιση αρχείων σε blocks με LBA διευθύνσεις 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 24
Οπτικοί δίσκοι Αποσπώμενο μέσο Συμπαγείς δίσκοι (CD), DVD, Blu-ray διάμετρος 2cm, πάχος.2mm Ένα ελικοειδές ίχνος από έξω προς τα μέσα Δεδομένα κωδικοποιούνται σε κοιλώματα (pits) και επίπεδες περιοχές (lands) 4 Δεκεμβρίου 24 ΜΥΥ6 Εισαγωγή στους Η/Υ και Πληροφορική 24-25 25