Arvutid 1 eksam (2)

EKSAMIKÜSIMUSED 2005 Sisukord Sisukord ..................................................................................................................................................... 1 Arvuti riistvara matemaatilised alused ...................................................................................................... 4 Kahendsüsteem .............................................................................................................................. 4 Boole funktsioonid ja nende esitus................................................................................................ 4 Diskreetne aeg ............................................................................................................................... 4 Lihtsamaid Boole` funktsioone realiseerivad loogikaelemendid ............................................................. 5 AND .............................................................................................................................................. 5 OR ................................................................................................................................................. 5 NOT ............................................................................................................................................... 5 NAND ........................................................................................................................................... 5 NOR .............................................................................................................................................. 6 Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad .............................................................................................. 6 Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad .............................................................................................. 6 unipolaarsed tehnoloogiad ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET ) .............................................................................................................................................. 6 o n- channel MOS (Metal Oxide Semiconductor - MOS) ............................................................ 6 o p-channel MOS ......................................................................................................................... 6 o Complementary MOS ( CMOS ) ................................................................................................. 6 bipolaarsed tehnoloogiad (Bipolar IC Technologies) ................................................................... 6 o diood loogika ( Diod Logic - DL) .............................................................................................. 6 o diood transistor loogika ( Diod Transistor Logic - DTL).......................................................... 6 o transistor transistor loogika (Transistor Transistor Logic - TTL) ............................................. 6 o emittersidestuses loogika (Emitter-Coupled Logic - ECL) ....................................................... 6 o integral injektsioon loogika (Interrated Injektion Logic - IIL).................................................. 6 kolme olekuga väljund .................................................................................................................. 7 avatud suudmega/kollektoriga loogikaelemendid ......................................................................... 7 Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme ................................................................................................. 7 välistav või (eXclusive-OR) .......................................................................................................... 7 multiplexor (Multiplexers) ............................................................................................................ 7 summaator (Adder) ........................................................................................................................ 7 ALU ( Arithmetic-Logic Unit ) ...................................................................................................... 8 dekooder (Decoder)....................................................................................................................... 8 koodimuundur ( Code Converter) .................................................................................................. 9 Enamkasutatavaid järjestikskeeme ............................................................................................................ 9 trigerid ( Flip / flop , latch ) ................................................................................................................ 9 registrid (Registers) nihkega ja ilma ........................................................................................... 11 loendurid ( Counter ) ..................................................................................................................... 13 Protsessor ................................................................................................................................................ 14 Protsessori üldstruktuur ............................................................................................................... 14 o käsuloendur (PC - Program Counter, IP - Instruction Pointer) ............................................... 16
1 o käsuregister (IR - Instruction Register ) ................................................................................... 17 o käsudekooder (Instruction Decoder) ....................................................................................... 18 o juhtautomaat (CU - Control Unit) ........................................................................................... 18 o operatsioonautomaat (Data Path ) ........................................................................................... 19 Käsu täitmine protsessoris (Instruction Execution, fetch-decode-execute cycle ) ....................... 21 RISC - CISC protsessor............................................................................................................... 22 Konveier protsessoris ( Pipeline ) ................................................................................................. 23 Siirete ( hargnemiste ) ennustamine .( Branch Prediction ) ............................................................. 24 Peidikmälu, vahemälu ( Cache ) ................................................................................................... 25 Arvuti mälu ............................................................................................................................................. 30 Mälu hierarhia arvutis ( Memory hierarchy) ................................................................................ 32 Arvuti mälu klassifikatsioon (Computer memory classification) ............................................... 33 Muutmälu (RAM) ....................................................................................................................... 33 Staatiline pooljuht suvapöördusmälu (Static RAM) .................................................................... 34 Dünaamiline pooljuht suvapöördusmälu ( Dynamic RAM) ......................................................... 36 Püsimälu (ROM - Read Only Memory) ...................................................................................... 38 Magnet mäluseadmed (Magnetic memory) ................................................................................. 40 o Mullmälu ( Bubble ) .................................................................................................................. 41 o Pehme ketas ( Floppy ) .............................................................................................................. 41 o Kõvaketas ( Hard drive ) ........................................................................................................... 41 o Magnet ketas ........................................................................................................................... 42 o Lint (Tape)............................................................................................................................... 42 Optilised mäluseadmed (Optic memory) ..................................................................................... 43 o CD-ROM ................................................................................................................................. 44 o CD ­ R ..................................................................................................................................... 44 o CD ­ RW ................................................................................................................................. 44 o DVD ........................................................................................................................................ 44 o Magnetoptiline (MO) .............................................................................................................. 44 o Holograafiline.......................................................................................................................... 46 Erinevate pöördus viisidega mälud ( pinumälu (Stack, LIFO ), puhvermälu ( FIFO ) ) ............... 46 o Stack ........................................................................................................................................ 46 o LIFO ........................................................................................................................................ 46 o FIFO ........................................................................................................................................ 46 Käsusüsteem ja adresseerimine. .............................................................................................................. 34 Käsuformaadid ja käsusüsteem (Instruction set) ........................................................................ 47 Adresseerimise viisid (Addressing modes) ................................................................................. 47 Mikroarvuti riistvara ............................................................................................................................... 47 Mikroarvuti arhitektuur ja siinid . ................................................................................................ 47 Erinevad siinid ja nende osa andmevahetuses. ............................................................................ 48 Andmeedastus protokollid ........................................................................................................... 49 Andmevahetuse juhtimine (Bus arbitration )............................................................................... 51 Sisend -väljund seadmete ja protsessori andmevahetus .............................................................. 52 Mikroprotsessori juurde kuuluvad komponendid ( Supporting System) ..................................... 52 o Mälu kontroller (Memory controller) ...................................................................................... 52
2 o Peidikmälu, vahemälu kontroller (Cashe controller) .............................................................. 52 o Siini kontroller (Bus controller) .............................................................................................. 52 o Mälu otsepöördus reziimi kontroller (DMA controller) .......................................................... 52 o Programmeeritav katkestuste kontroller (Programmable interrupt controller) ..................... 52 o Programmeeritav taimer (Programmable interval timer controller)........................................ 52 Sisend-väljund seadmed .......................................................................................................................... 52 Klaviatuur (Keyboard) ................................................................................................................ 52 Hiir ja juhtkang ( Mouse and joystick) ........................................................................................ 55 Kuvar ( Display ) ........................................................................................................................... 57 o CRT (Cathode Ray Tube ) kuvar ............................................................................................. 57 o kujundi moodustamine ............................................................................................................ 57 o videomälu (Video memory) .................................................................................................... 58 o vedelkristall kuvar LCD ( Liquid Crystal Display) .................................................................. 59 o värviline kujund....................................................................................................................... 61 Printer Printer .............................................................................................................................. 61 o maatriksprinter (Dot matrix printer) ....................................................................................... 61 o laserprinter (Laser Printer) ...................................................................................................... 62 o jugaprinter ( Inkjet Printer) ...................................................................................................... 63 o värviprinterid ........................................................................................................................... 63 Plotter .......................................................................................................................................... 63 Skanner ........................................................................................................................................ 64 Modem (Modem) ........................................................................................................................ 65 Analoog liides (Analog Interface ) ............................................................................................... 65 o analoog- digitaal muundur (Analog to Digital Conversion) .................................................... 65 o digital-analoog muundur (Digital to Analog Conversion) ...................................................... 66 UPS- Uninterruptible power supply ............................................................................................ 66 Spetsiaalse riistvara ................................................................................................................................. 68 Spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalused. ......................................................................... 68 o Programne realisatsioon .......................................................................................................... 68 o Riistvaraline realisatsioon ....................................................................................................... 69 o Programmeeritav loogika ........................................................................................................ 69 Erinevate spetsiaalse riistvara realiseerimise võimaluste kasutusvaldkonnad ja võrdlus. .......... 72 Arvutite riistvara veakindlus. .................................................................................................................. 72 Rikked arvuti riistvaras. .............................................................................................................. 72 Testimine . .................................................................................................................................... 73 Testitava riistvara projekteerimine .............................................................................................. 74 Veakindlad koodid ...................................................................................................................... 74 Töökindluse tõstmine. ................................................................................................................. 74
3 Arvuti riistvara matemaatilised alused Kahendsüsteem Kahendsüsteem on positsiooniline arvusüsteem, mille alus on 2.
Seega kasutatakse kahendsüsteemis kahte numbrimärki, milleks tavaliselt on 0 ja 1. Tihti öeldakse numbrimärgi 1 kohta tõene ja numbrimärgi 0 kohta väär -- seda seetõttu, et selliselt käsitletakse neid kahendloogikas.
Kahendsüsteemis esitatakse arve samal põhimõttel nagu kümnendsüsteemis. Erinevus on ainult selles, et kümnendsüsteemi alus on 10 ja vastavalt ka numbrimärke on 10. Näiteks arv kaks esitatakse kahendsüsteemis kujul 10 (üks kaheline pluss 0 ühelist), arv 6 kujul 110 (üks neljaline pluss üks kaheline pluss 0 ühelist) ja arv 999 kujul 1111100111 (üks viiesajakaheteistkümneline pluss üks kahesajaviiekümnekuueline pluss üks sajakahekümnekaheksaline pluss üks kuuekümneneljaline pluss üks kolmekümnekaheline pluss null kuueteistkümnelist pluss null kaheksalist pluss üks neljaline pluss üks kaheline pluss üks üheline).
Kahendsüsteem on arvutikeele alus.
Kahendsüsteemi arvukoht tähistab vastavat kahe astet, nagu kümnendsüsteemi arvukoht tähistab vastavat kümne astet (10 on kümnendsüsteemis 10^1=10, sest 1 on tagant teisel kohal, kahendsüsteemis 2^1=10 samal põhjusel).
Esimesed arvud kahendsüsteemis: 0, 1, 10=2, 11, 100=4, 101, 110, 111, 1000=8, 1001, 1010 , 1011, 1100, 1101, 1110, 1111, 10000=16. Nagu siit näha, korrutab iga nulli lisamine arvu kahega.
Boole funktsioonid ja nende esitus Korrutamine 0×0=0 0×1=0 1×0=0 1×1=1
Liitmine 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1 + 1 = 10
Lahutamine 0-0=0 0­1=-1 1-0=1 1-1=0 Diskreetne aeg
4 Lihtsamaid Boole` funktsioone realiseerivad loogikaelemendid AND
OR
NOT
NAND
5 NOR
Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad
unipolaarsed tehnoloogiad (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET) o n-channel MOS (Metal Oxide Semiconductor - MOS) o p-channel MOS o Complementary MOS (CMOS) (Üksteist täiendav MOS) bipolaarsed tehnoloogiad (Bipolar IC Technologies) o diood loogika (Diod Logic - DL) o diood transistor loogika ( Diod Transistor Logic - DTL) o transistor transistor loogika (Transistor Transistor Logic - TTL)
suure võimsusega ( high power, H type) madala võimsusega ( low power, L type) Schotky TTL
o emittersidestuses loogika (Emitter-Coupled Logic - ECL) o integral injektsioon loogika (Interrated Injektion Logic - IIL)
6 kolme olekuga väljund avatud suudmega/kollektoriga loogikaelemendid
Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme välistav või (eXclusive-OR)
multiplexor (Multiplexers) Multipleksor kujutab endast andmeselektorit. Multipleksoril on mitu sisendit ja üks väljund. Sisendid jagunevad infosisenditeks ja juhtsisenditeks, kusjuures infosisendite arv määrab ära juhtsisendite arvu ning vastupidi. Vastavalt juhtsignaalile kommuteeritakse multipleksori väljundisse signaal ühest infosisendist. Kommuteeritavate infosisendite arv võrdub 2 n, kus n on juhtsisendite arv. Järelikult saab kahe juhtsisendiga ehk kahebitise koodiga kommuteerida 4 sisendit, kolme juhtsisendiga 8 sisendit jne.
Piisava arvu sisenditega multipleksori abil saab realiseerida suvalisi loogikafunktsioone.
Tähistused:
summaator (Adder) Summaatoriks nim. arvuti loogikalülitust, mis on ette nähtud arvkoodide aritmeetiliseks summeerimiseks. Mitmejärgulise kahendarvu summaator koosneb mitmest ühejärgulisest summaatorist. Arvu summeerimisel tuleb lisaks kahe summeeritava arvu vastavatele järkudele liita nendega ka nooremate järkude summeerimisel tekkinud ülekanne. Seega on ühejärgulisel summaatoril kolm sisendit ning 2 väljundit. (kaks sisendit ja kolm väljundit?)
Poolsummaator - ei arvesta liitmisel eelmisest järgust tulenevat ülekannet. Kasutades kahte poolsummaatorit, on alati saadav üks täissummaator.
Täissummaator - arvestab liitmisel eelmisest järgust tulenevat ülekannet
Jada ülekandega e. järjestikülekandega summaatoris moodustatakse väljundsignaal arvukohtade järjestikku summeerimisega, alates kõige nooremast (parempoolsest) kuni kõige vanema ehk vasakpoolsemani välja. Arvukoha summeerimiseks ja ülekande moodustamiseks
7 kulub teatud aeg, mida ülekande seisukohalt võib vaadelda hilistumisena. Kuna ülekanne toimub järjestikku, siis aeglustab see summaatori tööd. Suure kohtade arvu korral on koguhilistumine võrdne hilistumise summaga üksikutes kohtades.
Rööpülekandega e. paralleelülekandega summaatorid töötavad palju kiiremini kui jadaülekandega summaatorid. Mitmekohalise kahendarvu summeerimisel moodustatakse ülekanne korraga kõigi kohtade jaoks. Seetõttu ei kulu ülekandeks lisaaega ning summaator töötab kiiremini kui jadaülekande korral.
Kiire ülekandega summaatorid - nende puhul on rakendatud rööpülekannde põhimõtet kombineeritult koos jadaülekandega. Ülekanded on moodustatud kõigi kohtade jaoks korraga.
Lahutajad - A-B=V
1) otseteel (kõigi variantide analüüs)
2) matemaatiliselt
Vahe avaldis langeb kokku summa avaldisega. Ja kui joonistada skeem, siis teab, et see skeem on võimeline nii liitma kui ka lahutama .
M= 0 ,toimub summeerimine +
M= 1 ,toimub lahutamine -
ALU ( Arithmetic-Logic Unit) Sõltumata arvuti ja protsessori ehitusest on arvutis alati üks skeemiosa, kus teostatakse otsesed arvutustehted ja muu infotöötlus nimelt aritmeetika- loogikaseade ehk ALU (Arithmetical and Logical Unit). Eri protsessoritel on üldiselt erinev tehete hulk ja valik, kuid tavaliselt hõlmab see aritmeetilisi (minimaalselt liitmine ja lahutamine) ning loogilisi tehteid (JA, VÕI, EITUS) ja nihutusoperatsioone (kahendarvu bitid nihutatakse oma senise positsiooni suhtes kas vasakule või paremale).
dekooder (Decoder) Dekooder on lülitus, mis on ette nähtud etteantud sisendkoodi muundamiseks soovitud väljundkoodiks. Ta tunneb ära sisestatava kahendarvu ja annab signali vastavasse väljundisse.
Dekoodri ülesandeks on muundada kahendkoodis arv niisuguseks koodiks, millega saab aktiveerida nõutava mälupesa, juhtida number- või tähtindikaatorit, tunda ära mitmesuguseid kodeeritud signaale, muundada kahendkoodis antud arv kümnendsüsteemi arvuks jne.
Üldjuhul on dekoodril nii mitu sisendit n, kui mitu kohta on sisendisse antaval kahendarvul. Maksimaalne väljundite arv võrdub kombinatsioonide arvuga 2n . Dekoodrid koostatakse peamiselt NING- elementidest.
Suure sisendite arvu korral kasutatakse dekodeerimiseks nn. kaskaadlülitust, kus esimese astme dekooder aktiveerib ühe teise astme dekoodri ning see omakorda ühe väljundi.
8 koodimuundur (Code Converter) Muundab ühte tüüpi koodi teist tüüpi koodiks. Näiteks muundab kahendkoodi kümnendkoodiks.
Enamkasutatavaid järjestikskeeme trigerid (Flip/flop, latch)
9 Triger on mäluelement, mis säilitab 1 biti informatsiooni. Triger on kahe stabiilse olekuga loogikalülitus (1 või 0). Trigeri olek vastab tema väljundsignaalile. Sõltuvalt sisendsignaalist säilitab triger endise oleku või muudab seda hüppeliselt. Trigeril tavaliselt 2 väljundit: otsene Q ja invertne Q .
Tööpõhimõtte järgi jaotatakse trigerid seadesisenditega ehk SR- trigeriteks, loendussisenditega e. T-trigeriteks, andmesisenditega ehk D-trigeriteks ning universaalsisenditega e. JK-trigeriteks.
Kui trigeri oleku muutmine toimub kasvõi ühe sisendi kaudu täiendava sünkroniseerimis signaali abil, nim. trigerit sünkroonseks, vastupidisel juhul aga asünkroonseks. Sõltuvalt tööpõhimõttest ning ehitusest liigitatakse trigerid ühe- või kahetaktiliseks.
Triger on elementaarne salvestuselement, millel on 2 olekut. Kasutatakse mäluelementidena registrites, loendurites jne. Informatsiooni salvestusviisi järgi jagunevad 2-ks:
1) asünkroonsed - salvestatakse infi vahetult sisenditesse antud signaalidega.
2) sünkroonsed - see on võimalik ainult sünkroimpulsi olemasolul.
RS ( reset -set) , ühe ja kahetaktiline , antud on asünkroonne, R=S=1 on keelatud. Töötab: RS; Q(t), 00­>Q(t-1) , 01= 1, 10= 0, 11=-- .
R S Qt 0 0 Qt-1 ei muutu 0 1 1 Set 1 0 0 reset 1 1 - keelatud
*a-sünkroonne | * sünkroonne
NB! Keelatud on anda mõlemasse |
sisendisse signaal 1.
Sünkroonne ühetaktiline SR-triger erineb asünkroonsest selle poolest, et trigeri olek muutub vaid kindlail sünkroimpulssidega määratud ajahetkeil. Lisaks infosisenditele S ja R on tal veel