NYME Informatikai Intézet

1. NYME Informatikai Intézet Számítógépes alkalmazások Kalmár János 2. előadás

2. NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások 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

3. Tárgy: Számítógépes Alkalmazások NYME Informatikai Intézet 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.

4. NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások A mikroszámítógép felépítése II

5. 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 ↓ ↑←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←↓

6. NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások A mikroprocesszorok technológiája nMOS, 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!

7. 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

8. 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

9. NYME Informatika Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások A mikroprocesszorok funkcionális egységei • Regiszterek • Aritmetikai-logikai egység (ALU) • Vezérlő egység (CU) • Mikroprogram-tár • Belső buszrendszer

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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

14. 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

15. 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 mérik 1 Kbyte = 1024 bájt, 1 Mbyte = 1024 Kbyte, 1 Gbyte = 1024 Mbyte, 1 Tbyte = 1024 Gbyte

16. 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)]

17. NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások

19. 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)

20. 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

21. 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.

22. NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások Perifériák Beviteli 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).

23. 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

24. 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).

25. 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)

26. NYME Informatikai Intézet Tárgy: Számítógépes Alkalmazások A merevlemez (winchester) felépítése

27. 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

28. 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.

29. 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).