Post on 12-Dec-2015
description
Συστήµατα Μικροϋπολογιστών
Εισαγωγή
Ύλη Μαθήµατος
Εσωτερική Αρχιτεκτονική µΕBuses, Interface & Μνήµη µΥ-ΣMacros, Υπορουτίνες, Σωρός & Τρόποι Αναφοράς στη ΜνήµηΤεχνικές Ι/Ο στα µΥ-Σ∆ιακοπές, Ι/Ο µε ∆ιακοπέςΠρογραµµατισµός σε Συµβολική Γλώσσα των µΕ INTEL 8085/80 & 8086/88
19801970 1990 2000 2010
108
107
106
105
104
Πλήθος Transistors(Ν)
ΕΤΟΣ(Υ)
*
**
**
** *
*
2Κ
16Κ
64Κ
256Κ
1Μ
4Μ
16Μ32Μ
64Μ
Pentium III
Pentium II
Pentium
8048680386
8028668000
8086
8080
4004
Μνήµες (DRAM)
Επεξεργαστές
Ο Νόµος Tου Moore Ο νόµος Moore:
Ν=2Υ-1959
(για το 1999 ⇒ 109
transistors)
Ο ακριβής νόµος:
N=1,6Y-1959
Η ∆ιάσταση Του Transistor
19801970 1990 2000 2010
10µm
∆ιαστάσεις τουtransistor (πύλης)
σε µm
ΕΤΟΣ(Υ)
1µm
0,1µm
0,01µm
τρίχα
βακτήριο
ιός
0,18µm
Τεχνολογία µΕ (πριν το 1980)
Ξεκίνησε για απλές εφαρµογές ψηφιακής σχεδίασηςΑπό 1970-1980 χρησιµοποιήθηκαν τεχνολογίες TTL & ECL:! Bipolar τεχνολογίες! Όχι VLSI! Υψηλή κατανάλωση & ταχύτητα λειτουργίας! Χαµηλή πυκνότητα ολοκλήρωσης
Τεχνολογία µΕ (1980-σήµερα)
Μετά το 1980 χρησιµοποιήθηκε η τεχνολογία CMOS:
! Καθαρότητα υλικού (Si)! Ακρίβεια τεχνολογίας κατασκευής! Μεγάλη σµίκρυνση
Ο Πρώτος µΕ
Intel 4004 (4001 2 3)! ROM! RAM! I/O
"Παράλληλη" Σειριακή
Σήµερα φτάσαµε να έχουµε VLSI µε >1000 φορές λόγο επεξεργασίας / κόστους
Εξέλιξη Τεχνολογίας VLSI
# Πυκνότητα x4 κάθε 4 χρόνια
# Χρόνος προσπέλασης /10 κάθε 5 χρόνια
# Στοιχεία x2 κάθε χρόνο
# Κόστος /2 κάθε 3 χρόνια
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ:ΜΝΗΜΕΣ:
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ# Αύξηση επιφάνειας ψηφίδας# Σµίκρυνση (Scale Down)# Nέες τεχνικές κατασκευής# Καλύτερες αρχιτεκτονικές
Οικογένειες µΕ4004
8008 8080 8085
8088 80188
8086 8018680286
80486
Pentium
80386
Pentium II Pentium III
INTEL
6800
6809
68000
68040
68030
68020
8-bit
16-bit
32-bit
64-bit
MOTOROLA
Itanium
Βασικά Αρχιτεκτονικά Χαρακτηριστικά µΕΜήκος λέξηςΤύποι δεδοµένωνΤαχύτηταΙκανότητα επεξεργασίας
Είσοδος ROM RAM ΟθόνηΠληκτρολόγιο
∆ιάδροµος του συστήµατος (δεδοµένων)
RD
IO/M=1 IO/M
RDWR RD RD WRIO/M=0IO/M=0
Έξοδος
IO/M=1
WR
µΕ
∆ιάδροµος του συστήµατος (διευθύνσεων)
∆ιαχείριση Μνήµης
Χειρισµοί διακοπών
Επικοινωνίες
Παρελκόµενα & Περιφερειακά
$ Ελεγκτές διακοπών και DMA
$ Μονάδες A/D και D/A
∆ιεθνή Πρωτόκολλα (π.χ. RS-232, EIA-485, Firewire, IDE, SCSI, USB)
Παράλληλη & Σειριακή Επικοινωνία$ Μονάδες I/O:
EPLDs GALsFlash
PLAE2PROM
ΣτατικέςEPROM
∆υναµικέςPROM
RAMROM
$ ΜΝΗΜΕΣ:
Μνήµες ROM
CE
ROM
A0A1A2
A9A10
D0D1D2
D7
.
.
....
ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ
Χωρητικότητα:
211 x 8 = 2 Kbyte
210 = 1024 = 1 K
Οι γραµµές δεδοµένων µπορούν να χρησιµοποιηθούν µόνο για ανάγνωση
Μνήµες RAM
CE
RAM
A0A1A2
A9A10
D0D1D2
D7
.
.
....
ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗR / W
Οι γραµµές δεδοµένων µπορούν να χρησιµοποιηθούν για ανάγνωση και εγγραφή. Η κατεύθυνση ελέγχεται από το σήµα R/W.
Αρχιτεκτονική µΕ 8-bit
∆είκτηςΣωρού (SP)
ΜετρητήςΠρογράµµατος
(P C)
Καταχωρητές γενικής καιειδικής χρήσης
ΜονάδαΕλέγχου
Απ οµονωτής διεύθυνσης/ δεδοµένων
ALU
Κ5
Κ3
Κ1 Κ2Κ4Κ6
Καταχωρητής Εντολών
Εξωτερικά Σήµατα Ελέγχου(CLOCK, RESET, RD, WR, IO/M, INT κλπ .)
Εσωτερικός ∆ιάδροµος ∆εδοµένων µΕ
∆ιάδροµος ∆ιευθύνσεων και ∆εδοµένων
Αρχιτεκτονική µΕ 8085
ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ(Καταχωρητής Α)
(8)
ΠροσωρινόςΚαταχωρητής
(8)
Σηµαίες(Flip-Flops )
(5)
AΛΜ
(8)
(8)
ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ
Ελεγχος Κατάσταση DMA RESET
CLK OUTREADYRD WR ALE
S0 S1IO/M HOLD
HLDARES ET IN
RESET OUT
X2
X1
INTR INTA' RS T5.5
RS T6.5
RS T7.5
TRAP
ΕΛΕΓΧΟΣ ∆ΙΑΚΟΠΩΝ
8-bit Εσωτερικός ∆ιάδροµος ∆εδοµένων
Σειριακή Ε/Ε
S ID SOD
Καταχωρητής Β Καταχωρητής C(8) (8)
(8) (8)
(8) (8)
Καταχωρητής D Καταχωρητής E
Καταχωρητής H Καταχωρητής L
Μετρητής Προγράµµατος(PC)
∆είκτης Στοίβας (SP )
Αποµονωτής ∆ιεύθυνσης
(16)
(16)
(16)
(8)
Απ οµονωτής∆εδοµένων/∆ιεύθυνσης
(8)
Α8-Α15 ΑD0-ΑD7∆ιάδροµος ∆ιευθύνσεων ∆ιάδροµος
∆εδοµένων/∆ιευθύνσεων
Απ οκωδικοπ οίηση Εντολών και Κωδικοπ οίηση
Κύκλων Μηχανής
Καταχωρητής Εντολών
Latch ∆ιεύθυνσηςµε Αύξηση/Μείωση
ΓεννήτριαΡολογιού
ΚαταχωρητήςΣηµαιών
S Z AC P CY
ΠΡΟΣΗΜΟ ΜΗ∆ΕΝΙΣΜΟΣ
ΒΟΗΘΗΤΙΚΟΚΡΑΤΟΥΜΕΝΟ
ΙΣΟΤΙΜΙΑ(ΑΡΤΙΑ)
ΚΡΑΤΟΥΜΕΝΟ
Τύποι Αρχιτεκτονικών ΓιαΜικροελεγκτέςΑρχιτεκτονική βασισµένη σε καταχωρητές
DATA BUS
TEMPORARY
RAMRegister
tile
ALU
Αρχιτεκτονική βασισµένη σε συσσωρευτή
DATA BUS
.
.
.
ACCUMULATOR
RAM
ALU
CPU(µPs)
ΣειριακήΕπικοινωνία
RAM128-256
bytes
ΧΡΟΝΙΣΤΕΣ1-3
RΟM1-8 Κbytes
Ι / Ο
Μετατροπείς
αναλογικού
σήµατος σε
ψηφιακή
µορφή
(AD
C)
Πολυπλέκτες
ΑναλογικέςΕίσοδοι
3 x 8 bits ΨηφιακέςΕίσοδοι - Έξοδοι
Κοινά Χαρακτηριστικά µΕ
Τεχνικά Χαρακτηριστικά Σύγχρονων µΕ
Συχνότητα λειτουργίας 40+ ΜHzΑρχιτεκτονική RISC128 Kbytes ROM (EPROM)>32 Kbyte RAM (on-chip)Μνήµη Flash 8 KbyteDMAFuzzy LogicDigital Signal Processing Capabilities(16 x 16 Multiply-Accumulate)
Υλοποίηση 7-segment display σε µΕ (Α)
Αρχιτεκτονική συστήµατος
ROM input portµΕ outputport
4 7
7-segment
BCD digit
Υλοποίηση 7-segment display σε µΕ (Β)
∆ιάγραµµα ροήςInput BCD
digit
Look-up7-bit
Output 7-bit
Από πίνακα24 = 16 bytes
Κύκλωµα Συστήµατος Ελέγχου Επίβλεψης
ΦΥΣΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ(π.χ. Φούρνος)
D/A A/D
RS-232I/O
10 bits 10 bits
Αισθητήρας
ΑνατροφοδότησηΕλέγχου
RAMROM
CPU
ΠρογράµµαταΕλέγχου
Επικοινωνίας(Interrupts -
DMA)
ΤΡΟΠΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ:
INTERRUPTSPOLLINGPRIORITY
ΜODEM
ΜODEM
ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΟ∆ΙΚΤΥΟ
ADDRESS / DATABUFFERS
INTERNAL BUS
ADDRESSCONVERSIONMECHANISM
SEGMENTREGISTER
INSTRUCTIONLOOK-AHEAD
DECODINGCIRCUIT
BUS
GENERALPURPOSE
REGISTERSPROGRAMCOUNTER
STACKPOINTER TIMING &
CONTROL
FLAGS
AddressBits
Address / Data(AD0-AD15)
ControlSignals
ALU
Αρχιτεκτονική µΕ 16-bit
Σύγχρονες Αρχιτεκτονικές Υπολογιστικών Συστηµάτων
Μιας κεντρικής µονάδας:! CISC (PCs)! RISC (Σταθµοί εργασίας)! Υψηλών επιδόσεων υπολογιστικά συστήµατα: SIMD-Array processors
! Χρησιµοποιούν τεχνολογία cache memory και pipelined αρχιτεκτονικές
Σύγχρονες Αρχιτεκτονικές Υπολογιστικών Συστηµάτων
Πολλών Επεξεργαστών! Ισχυρά διασυνδεδεµένα
" MIMD" Crossbar-switch
! Χαλαρά διασυνδεδεµένα" Transputers
! Τοπικά δίκτυα υπολογιστών (LAN) ∆ίκτυα ευρείας ζώνης (WAN)" Ανταλλαγή δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες" Κυριότερο πρόβληµα είναι το λογισµικό (για υποστήριξη πολυ-επεξεργασίας)
"Hypercubes"Μαζικά παράλληλοι επεξεργαστές
"High-speed serial link (>10Mbps)
Ιεραρχία ∆ιαδρόµων
I/O Interface: DMA Controller Keyboard Controller Graphics Controller
Clock µPsMath CoprocessorCommunications CoprocessorGraphics Coprocessor
CPU / PROCESSOR BUS
INTERFACE MMUCache
LOCAL BUS
System BusInterface
EPROM DRAM&
CONTROL
LOCAL I/O
SYSTEM BUS
RS-232 SCSI GPIB LAN
SYSTEM I/O
Αρχιτεκτονική των PC 486
SIMM 30 72 pinsΟργάνωση: 8 bit (+1 parity)Μέγεθος: 1 , 2, 4, 8, 16 Mbytes
Μνήµες:
Serial, Parallel, Modem, ∆ικτύουΚάρτες:
ISA ή ΑΤ-bus 8 MHz και 16-bitPCI Local Bus 33.33 MHz και 32 bit)
System Bus:
66-120 MHz % 33 MHz εσωτ. (DX2 / DX4)
33-40-50 MHz εσωτ.% ίδια εσωτ.(DX)
Ρολόι:
32-bit data bus (4 Gbytes address space)
Επεξεργαστής:
Οι µΕ 80486 και PentiumO µΕ 80486:& 168 pins& 5 Watt κατανάλωση ισχύος& 1,2 εκατ. Transistors& RISC Pipeline& Cache& Floating Point Unit (FPU)& 50-66-100-120 MHz& 32 bits
O µΕ Pentium (80586):
& 238 pins
& 8 W κατανάλωση ισχύος
& RISC 2 Pipelines (U, V) 5 σταδίων
& Cache Εντολών (8 Kbytes)
& Cache ∆εδοµένων (8 Kbytes)
& Floating Point Unit (FPU)
& 50 200 MHz
& 3,5 εκατ. Transistors
& 64 bit Data Bus, 32 Bit Address Bus
1 2 3 4 5 6 7 8 910111213141516 17
ABCDEFGHIJKLMNOPQRS
O µΕ Pentium MMX
Pentium MMX:
& MultiMedia eXtensions
& 57 Εντολές για πράξεις σε µεγάλους ακεραίους (64 bit)
& 16 Kbytes I- και D- Cache
& Pipelines 6 σταδίων
& 166 200 233 MHz
& 4,5 εκατ. Transistors
& 8 18 W κατανάλωση ισχύος (233 MHz)
Το chip του µΕ Pentium
CacheΕντολών
Cache∆εδοµένων
BUS
386
FPURISC
Write-throughWrite-back
Υπολογιστές Pentium
DIMM-168 pins:Οργάνωση: 64 bitΜέγεθος: 32-256 Mbytes
SIMM 72 pinsΟργάνωση: 32 bitΜέγεθος: 8-16-32 Mbytes
Μνήµες:
Γραφικών, Video (MPEG)Serial, Parallel στο Motherboard από chipsetΚάρτες:
PCI 32 bit και 33 ή 66 MHzSystem Bus:
233 333 MHz εσωτ. % 66 MHz εξωτ.350 450 MHz εσωτ. % 100 MHz εξωτ.Ρολόι:
64 Bit data bus, 32-36 Bit Address BusAccumulator: 32 BitΕπεξεργαστής:
∆ιαχείριση Μνήµης στα Συστήµατα Pentium
CORE L2
CPUPCI
AGP
2 επίπεδα cache:1o επίπεδο: 32 64 Kbyte (Data & program)2o επίπεδο: 256 Kbytes 1 Mbyte
Motherboard:
Chipset (2 IC)
Cache Controller
Interrupt Contr.
DMA Contr.
Απλοποιηµένη Σωλήνωση 5 Σταδίων
IF ID ALU MEM WB
κύκλοςρολογιού
ΙF : Ανάκληση εντολής
ID : Αποκωδικοποίηση εντολής
ALU : Εκτέλεση πράξης
ΜΕM : Προσπέλαση µνήµης
WB : Ενηµέρωση καταχωρητών
Φυσική Αναπαράσταση Σωλήνωσης 5 Σταδίων
EΝΤ1
EΝΤ2
EΝΤ3
EΝΤ4
EΝΤ5
EΝΤ6
Βάθος 5
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
IF ID ALU MEM WB
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ΚύκλοςΡολογιού
I-CACHE
DECODE CPU-REG
ALUADDRESS
GENERATION
I-CACHE
CPU-REG
IF
ID
ALU
MEM
WB
1
2
3
4
5
ClockCycle
Στάδια Σωλήνωσης στην Εκτέλεση Εντολής (Α)
IF = Instruction Fetch (Προσκόµιση Εντολής)! Προσπέλαση I-Cache! ∆ιεύθυνση % Ι-Cache % Ανάγνωση
ID = Instruction Decode (Αποκωδικοποίηση Εντολής)! Είσοδος εντολής στον αποκωδικοποιητή εντολών! Αποκωδικοποίηση! Προσδιορισµός από Μονάδα Ελέγχου µήκους εντολής, καταχωρητών, κλπ.
Στάδια Σωλήνωσης στην Εκτέλεση Εντολής (Β)
ALU=Λειτουργίες Αριθµητικής & Λογικής Μονάδας! Φόρτωση από µνήµη και αποθήκευση σε µνήµη! Υπολογισµός ενεργού διεύθυνσης! Υπολογισµός διεύθυνσης σε άλµα
ΜΕΜ = Memory Access (Προσπέλαση µνήµης)! Προσπέλαση κύριας µνήµης για φόρτωση ή αποθήκευση
WB=Write Back (Εγγραφή)! Ενηµέρωση καταχωρητών εγγραφής µε τα δεδοµένα της
µνήµης ή µε τα αποτελέσµατα της CPU
Cache Memory (A)
Λειτουργικό διάγραµµα βαθµίδων γρήγορης µνήµης που τοποθετείται µεταξύ µΕ και κύριας µνήµης
µPs
MemorySRAM
Controllers
ΚΥΡΙΑΜΝΗΜΗDRAM
DATA
DATA
NAI ENHMEP
ADDR
OXIADDR
CACHE MEMORYBUS
Cache Memory (B)
Ενοποιηµένη εξωτερική cache
CISC CACHE DRAMMEMORY
MEMORYBUS
Cache Memory (Γ)Μικροεπεξεργαστής µε εσωτερική (on-chip) cache
µP 80486ή
Pentium
I D
Εσωτ.Cache
Controller Cache RAM &Controller
DRAM
First-Level cache
Local Bus
Second-Level cache
Memory / System Bus