Архитектура ЭВМ Лектор: к.т.н., доцент, Попов Алексей Юрьевич ЛИТЕРАТУРА 1.Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. - презентация

1 Архитектура ЭВМ Лектор: к.т.н., доцент, Попов Алексей Юрьевич ЛИТЕРАТУРА 1.Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, – 800 с.: ил. 2.Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, – 668 с.: ил. 3.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатомиздат, Цель дисциплины: получить знания и навыки, необходимые для проектирования и эффективного использования современных аппаратных вычислительных средств. Задачами дисциплины является изучение: принципов организации ЭВМ; методики проектирования ЭВМ и устройств, их составляющих.

2 2013Архитектура ЭВМ2 СеместрТеоретические занятияЛабораторные работыВид отчетности 4 Вводная часть Арифметические основы ЭВМ Логические основы ЦВТ Элементы и узлы ЭВМ Организация памяти ЭВМ Исследование работы триггеров Исследование работы регистров Исследование работы счетчиков. Исследование работы мультиплексоров. зачет 5 Принципы построения и архитектура ЭВМ Процессорные устройства Организация ввода вывода Вычислительные системы Разработка радиоэлектронной аппаратуры на основе микроконтроллеров ARM7 TDMI Синхронизация микроконтроллеров ARM7 TDMI и управление таймерами Система прерываний микроконтроллера микроконтроллера и управление интерфейсом RS232. Организация памяти конвейерных суперскалярных электронных вычислительных машин Практикум: Проектирование систем на кристалле на основе ПЛИС зачет План проведения теоретических и практических занятий:

3 2013Архитектура ЭВМ3 I. Введение История развития вычислительной техники. Механические вычислительные устройства. АбакМашина Паскаля Машина Лейбница Машина Бэбиджа Современные механические машины

4 2013Архитектура ЭВМ4 Электромеханические счетные машины Машина Z3 Машина Z4 Машины Конрада Цузе (Z1, Z2, Z3, Z4) - Z1 – полностью механическая машина (1936); - Z2 – использование реле в арифметическом устройстве (1939); - Z3 и Z4 – электромеханические машины с механической памятью (1941 и 1945).

5 2013Архитектура ЭВМ5 Поколения электронных вычислительных машин Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи- рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем I (с конца 30-х до середины 50- х) Электро- магнитные реле; электронные лампы Линии задержки на электронные лучевых трубках, Ферритовые сердечники (~ ) Калькуляторы (ABC, ENIAC), Большие ЭВМ (MARK I, EDVAC, UNIVAC, БЭСМ, МЭСМ, Стрела, Минск, IAS) Ручная коммутация, Машинные коды АссемблерИндикаторы, Пульт управления, Перфокарты ЭВМ MARK I ЭВМ ENIAC Первое поколение ЭВМ (с конца 30-х до середины 50-х) Ферритовые сердечники

6 2013Архитектура ЭВМ6 Второе поколение ЭВМ (с середины 50-х до середины 60-х) Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программиров ания Программное обеспечение Средства связи с пользователем II (с середины 50-х до середины 60- х) ТранзисторыФерритовые сердечники (до 2 19 ) Малые и средние ЭВМ (БЭСМ-4, Урал-14, Минск-2, Днепр), Большие ЭВМ(TRADIAC, IBM 7030, IBM 7090, TX-O, БЭСМ-2,3) Фортран, Алгол, Кобол Компиляторы, автоматизиров анные системы управления, диспетчеры Индикаторы, Пульт управления, Перфокарты, Перфоленты ЭВМ БЭСМ-4

7 2013Архитектура ЭВМ7 Третье поколение ЭВМ (с середины 60-х до середины 70-х) Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи -рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем III (с середины 60-х до середины 70-х) Интегральные схемы малой и средней степени интеграции Полупроводни- ковые ЗУ на интегральных схемах (до 2 25 ) Мини и микро-ЭВМ (Мир-1, М220), Средние и большие универсальные ЭВМ (ILLIAC IV, CDC6600, CDC7600, IBM 360, EC ЭВМ, СМ ЭВМ, БЭСМ-6) Фортран, Алгол, B, C ОС (UNIX, IBM), СУБД, САПР, Пакеты прикладных программ Алфавитно- цифровые дисплеи ЭВМ БЭСМ-6IBM 360

8 2013Архитектура ЭВМ8 Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х до середины 80-х) Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи -рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем IV (с середины 70-х до середины 80-х) Интегральные схемы большой и сверхбольшой степени интеграции Полупроводниковы е ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до 2 28 ) Персональные компьютеры (Intellec8, IBM PC/XT/AT, Sinclair Spectrum), Средние и Большие ЭВМ (Cray, Эльбрус- 1,2,3) Пролог, Фортран, C, Паскаль Графические ОС,Среды визуальной разработки, САПР, Системы программиро вания, Игры Графические дисплеи, клавиатура, мышь Intellec8 (Intel 8080) Sinclair Spectrum

9 2013Архитектура ЭВМ9 Пятое поколение ЭВМ (с середины 80-х) Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи -рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем V (с середины 80-х) Интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции Полупроводниковы е ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до ~2^32) ПК на универсальных конвейерных МП (IA 32, PowerPC), Средние большие ЭВМ с массовым параллелизмом (серия IBM Mainframes, Cray, HP, DEC) Языки с ООП, Языки параллель ного программи рования (MPI), Специализ ированные языки (VHDL, Perl, PHP, SQL и т.д.) Мультимедиа, WWW Графические дисплеи, клавиатура, мышь, звук

10 2013Архитектура ЭВМ10 Классификация ЭВМ Классификация ЭВМ по режимам работы: Однопрограммные Мультипрограммные Мультипрограммные в составе систем ЭВМ в системах реального времени Классификация ЭВМ по структуре: Однопроцессорные Многопроцессорные Классификация ЭВМ по количеству потоков команд и данных: ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД, SISD); ЭВМ с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД, SIMD); ЭВМ с многими потоками команд и одним потоком данных (МКОД, MISD); ЭВМ с многими потоками команд и многими потоками данных (МКМД, MIMD). Классификация ЭВМ по назначению: Общего назначения –Супер ЭВМ –Минисупер ЭВМ –Мэйнфреймы –Серверы –Рабочие станции –Персональные компьютеры –Ноутбуки –Портативные компьютеры –... Специализированные...

11 2013Архитектура ЭВМ11 ОКОД, SISD ОКМД, SIMD МКОД, MISDМКМД, MIMD

12 2013Архитектура ЭВМ12 Общий коэффициент эффективности Основные характеристики ЭВМ Эффективность Производительность Надежность Стоимость Энергопотребление

13 2013Архитектура ЭВМ13 Производительность ЭВМ Единицы измерения производительности: MIPs = 10 6 целочисленных операций в секунду. МFlops = 10 6 операций с плавающей запятой в секунду.

14 2013Архитектура ЭВМ14 Закон Мура Число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца

15 2013Архитектура ЭВМ15 Надежность ЭВМ Надежность это свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, траченного по тем или иным причинам. Не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношений основных параметров Для оценки надежности систем введены понятия "работоспособность" и "отказ" Работоспособность состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов. Отказ событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся.

16 2013Архитектура ЭВМ16 Список наиболее производительных ЭВМ ( ) Параметры: Количество процессоров; Максимальная производительность Rmax (TFlops); Пиковая производительность Rpeak (TFlops); Рассеиваемая мощность (KW).

17 2013Архитектура ЭВМ17 Список наиболее производительных ЭВМ ( , продолжение)

18 2013Архитектура ЭВМ18 Top500 статистика

19 2013Архитектура ЭВМ19 Top500 статистика

20 2013Архитектура ЭВМ20 Top500 статистика

21 2013Архитектура ЭВМ21 Top500 статистика

22 2013Архитектура ЭВМ22 Top500 статистика

23 2013Архитектура ЭВМ23 II. Арифметические основы ЭВМ Системой счисления называется совокупность правил для представления чисел с помощью символов (цифр). Позиционная система счисления: (…a 3 a 2 a 1 a 0.a -1 a -2 a -3 …)= … + a 3 b 3 +a 2 b 2 +a 1 b 1 +a 0 +a -1 b -1 +a -2 b -2 +a -3 b -3 Системы счисления, используемые в ЭВМ: - Двоичная (0,1) - Десятичная (0,…,9) - Восьмеричная (0,…,7) - Шестнадцатиричная (0,…,9,A,B,C,D,E,F) - Двоично-десятичная (0000,…,1001) - Шестидесятиричная (0,...,59) - Троичная (-1,0,1) Преобразование из двоичной системы счисления в десятичную: = 1*2 3 +0*2 2 +1* * *2 -2 = ( ) 10 = Преобразование из двоичной системы счисления в восьмеричную: = = Преобразование из двоичной системы счисления в шестнадцатиричную: = = BD 16

24 2013Архитектура ЭВМ24 Преобразование из десятичной системы счисления в двоичную: 17,95 10 = 10001,11110… 2 Целая часть Дробная часть Двоичная арифметикаПример сложения и умножения

25 2013Архитектура ЭВМ25 Прямой,обратный и дополнительный коды Прямой код A-B=A+(-B) G – n-разрядное число; A – вес старшего разряда A = 2 n-1 для целых и A=1 для дробей G, при G>=0 A+|G|, при G=0 B-|G|, при G

26 2013Архитектура ЭВМ26 Дополнительный код G – n-разрядное число; С – наибольшее число без знака + 1 С = 2 n для целых и С=2 для дробей G, при G>=0 С-|G|, при G

27 2013Архитектура ЭВМ27 Числа в ЭВМ: Числа с фиксированной запятой (позиция разделителя дробной и целой части заранее определена) Числа с плавающей запятой (позиция разделителя определяется с помощью порядка числа) Числа с плавающей запятой: X = S P *q q – мантисса числа X; P – порядок числа S – основание характеристики (для двоичной системы S=2); S P - характеристика Пример: 0, * = 0,375 * = = * = * = 0.75* Сравнение числе с Ф.З и с П.З.: У Ч.П.З. Большой диапазон представления Арифметика над Ч.П.З. более сложная Для представления порядка используется смещенный код, в котором знаковый разряд инвертирован. Это позволяет легко сравнивать порядки чисел

28 2013Архитектура ЭВМ28 III. Логические основы цифровой вычислительной техники Любую ЭВМ можно рассматривать как сложное устройство, на вход которого подается входная информация в определенной последовательности. При этом на выходе должна формироваться ожидаемая выходная информация ЭВМ состоит из взаимодействующих устройств, задачей которых является преобразование входной информации в выходную. Такие устройства бывают двух типов: Комбинационные схемы Цифровые автоматы Комбинационные схемы y=f(x) Цифровые автоматы Цифровые автоматы представляют собой комбинационные схемы и устройства хранения (память). Работа цифровых автоматов происходит в соответствии с частотой поступления входного слова. Для того, чтобы сигналы поступали одновременно, срабатывание ЦА происходит по синхросигналу

29 2013Архитектура ЭВМ29 Для задания ЦА необходимо определить: Входной алфавит: множество значений x(t). Выходной алфавит: множество значений y(t). Алфавит состояний: Q. Начальное состояния Q 0. Функция переходов A(Q,x). Функция выходов B(Q, x). Цифровые автоматы Автомат Мили Q(t+1) = A(Q(t),x(t)). Y(t+1) = B(Q(t),x(t)). Автомат Мура Q(t+1) = A(Q(t),x(t)). Y(t+1) = B(Q(t)).

30 2013Архитектура ЭВМ30 Проектирование комбинационных схем Любую функцию можно образовать посредством базисных операций: Отрицания, дизъюнкции и конъюнкции. Проектирование комбинационных схем заключается в определении выходного слова в виде функции алгебры логики от входного слова Дизъюнктивной (конъюнктивной) нормальной формой называется равносильная ей формула, представляющая собой дизъюнкцию (конъюнкцию) элементарных конъюнкций (дизъюнкций). ДНФ и КНФ не являются самым простым способом задания ФАЛ. Для минимизации нормальных форм применяют карты Карно

31 2013Архитектура ЭВМ31 A0011Обозначение функции Название функции B A U BДизъюнкция 0001A BКонъюнкция 1100 A Отрицание A 0010 A BЗапрет A B 0100 B AЗапрет A B 0110 A B Исключающее ИЛИ 1000ABСтрелка Пирса ИЛИ-НЕ 1001A~BРавнозначность 1011BABAИмпликация от В к А 1101ABABИмпликация от А к В 1110A/BШтрих Шеффера И-НЕ Логические функции

32 2013Архитектура ЭВМ32 IV. Основы электроники Чистый полупроводник Si (четырехвалентные) Примесный полупроводник Внедрение трехвалентной примеси (бор, алюминий, индий) p-тип Внедрение пятивалентной примеси (фосфор, мышьяк, сурьма) n-тип

33 2013Архитектура ЭВМ33 Контакт двух полупроводников На границе полупроводников различного типа проводимости происходит диффузия электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырок в обратном направлении. Концентрация свободных носителей в приграничной области сокращается вследствие рекомбинации. Возникает обедненный слой (переход), имеющий большое удельное сопротивление. Условное обозначение диода I пр I обр

34 2013Архитектура ЭВМ34 Прямое и обратное включение p-n перехода Обратное включение Прямое включение Схема двухполупериодного выпрямительного моста Вольт-амперная характеристика диода

35 2013Архитектура ЭВМ35 Емкость перехода С перехода = С бар + С диф Контакт металл-полупроводник Если работа выхода электрона у металла больше, чем у полупроводника (n-типа), то в граничной области полупроводника возникает выпрямляющий переход Диод Шотки

36 2013Архитектура ЭВМ36 Биполярный транзистор Электроны через открытый эмиттерный переход попадают в базу. Рекомбинация электронов в базе (1-5 % электронов) определяет ток базы. Под действием поля запертого перехода электроны переносятся в коллектор. Режимы работы биполярного транизистора: - Активный режим (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт). - Отсечка (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход закрыт). - Насыщение (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход открыт). - Инверсное включение (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход открыт). I б

37 2013Архитектура ЭВМ37 Три схемы включения транзистора Схема с общей базой (ОБ) Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iэ, Uвх= Uэб Uкб=Eк- Uвых= Eк- IкRн Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Схема с общей базой малоприменима из-за K Iб

38 2013Архитектура ЭВМ38 Схема с общим эмиттером (ОЭ) Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iб, Uвх= Uэб Коэффициент передачи тока: β=10…100 Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Все коэффициенты больше, чем у схемы с общей базой

39 2013Архитектура ЭВМ39 Схема с общим коллектором (ОК) Входные и выходные токи и напряжения: Iвых= Iэ, Uвх=Uвых+Uэб Iвх= Iб Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по мощности: Вывод: Схема с ОК используется для усиления по мощности

40 2013Архитектура ЭВМ40 Полевой транзистор При меньшении U зи (U зи >0) обедненный слой увеличивается. Это приводит к уменьшению тока I си Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом Полевой транзистор с изолированным затвором Канал может быть заранее изготовлен благодаря внедрению примеси (транзистор со встроенным каналом) или может образовываться при некотором U зи

41 2013Архитектура ЭВМ41 Условные обозначения различных типов полевых транзисторов

42 2013Архитектура ЭВМ42 V. Элементная база ЭВМ Представление информации физическими сигналами Потенциальный способ В качестве аналогов значений 0 и 1 используются два различных свойства сигнала: - значение напряжения или тока при потенциальном способе; - наличие или отсутствие импульса при импульсном. - фаза сигнала при фазовом способе; Сигнал переходит из одного состояния в другое с некоторым запаздыванием - задержкой. Импульсный способ

43 2013Архитектура ЭВМ43 Система логических элементов – функционально полный набор логических элементов, объединяемых общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами и использующих одинаковый способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей Системы логических элементов - Входная характеристика: зависимость входного тока I вх от входного напряжения U вх. - Передаточная характеристика: зависимость выходного напряжения U вых от входного U вх. - Выходная характеристика: зависимость выходного тока I вых от выходного напряжения U вых Статические характеристики цифровых интегральных схем

44 2013Архитектура ЭВМ44 - Напряжение логической единицы: U 1 - Напряжение логического нуля: U 0 - Пороговое напряжение: U пор - Входной ток логической единицы: I вх 1 - Входной ток логического нуля: I вх 0 - Выходной ток логической единицы: I вых 1 Статические параметры цифровых интегральных схем - Выходной ток логического нуля: I вых 0 - Логический перепад: dU л =U 1 -U 0 - Входное сопротивление: R вх - Выходное сопротивление: R вых - Мощность потребления в состоянии логического нуля: P п 0 - Мощность потребления логической единицы: P п 1 - Средняя мощность потребления: P п ср - Напряжение источника питания: U ип - Диапазон рабочей температуры: t min …t max - Коэффициент объединения по входу: K об - Коэффициент разветвления по выходу: K раз

45 2013Архитектура ЭВМ45 - Время перехода из «1» в «0» (t 1,0 ) и из «0» в «1» (t 0,1 ) - Время задержки включения t зд 1,0, t зд 0,1 - Время задержки распространения при включении/выключении t зд.р. 1,0, t зд.р. 0,1 - Длительность сигнала t и. - Рабочая частота переключения f п - Динамическая помехоустойчивость - Динамическая мощность Динамические параметры цифровых интегральных схем Динамические характеристики цифровых интегральных схем -Динамическая нагрузочная характеристика t зд.р. 1,0 =f(К раз ), t зд.р. 0,1 =f(К раз ) - Зависимость мощности потребления от частоты входного сигнала P п =f(f п ). - Амплитудно- временная характеристика U п =f(t п ), I п =f(t п )

46 2013Архитектура ЭВМ46 Базовые логические элементы Варианты подключения нагрузки к транзисторному ключу Транзисторный ключ на биполярном транзисторе Открытое состояние: U вх =U 1, транзистор в режиме насыщения, коллекторный переход открыт, U кэ ~0.3 В. Закрытое состояние: U вх =U 0, транзистор в режиме отсечки, ток через коллектор мал (I ко ), R кэ ~

47 2013Архитектура ЭВМ47 Анализ RC-цепей Постоянная времени =R*C Для схемы инвертора на биполярном транзисторе: Разряд Cп при открытом ключевом транзисторе ( р =С п R от =t 1,0 ). Заряд Сп через сопротивление Rк ( з =С п R к =t 0,1 ), t 1,0 < t 0,1 Логический элемент И-НЕ серии ДТЛ

48 2013Архитектура ЭВМ48 Логический элемент И-НЕ серии ТТЛ

49 2013Архитектура ЭВМ49 Базовый логический элемент серии КМДП При 0U вх

50 2013Архитектура ЭВМ50 Базовый логический элемент серии ЭСЛ Эмиттерно-связанная логика использует переключатели тока в активном режиме, а не в режиме насыщения. В связи с этим не требуется время на рассасывание основных носителей заряда, что ускоряет переключение

51 2013Архитектура ЭВМ51 Сравнение серий логических элементов Тип элемента Быстро- действие Рассеивае- мая мощность Разветвле- ние по выходу Помехо- устойчивость Плотность размещения ТТЛ ТТЛШ n-МОП p-МОП КМОП ЭСЛ – хорошо, 6 - плохо

52 2013Архитектура ЭВМ52 VI. Основы микроэлектроники Процесс создания микросхем 1. Подготовка полупроводниковых пластин кремния: - Резка - Шлифовка - Полировка - Химическое травление 2. Формирование на пластинах структуры микросхем: - Формирование областей с требуемым типом проводимости и удельным сопротивлением - Создание проводников соединений - Создание резисторов и конденсаторов 3. Сборка и контроль - Первичный групповой контроль - Разрезание на микросхемы - Установка в корпуса, монтаж выводов и герметизация - Индивидуальный контроль микросхем

53 2013Архитектура ЭВМ53 Основные технологические процессы для создания полупроводниковых микросхем Термическая диффузия примесей: внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости Ионное легирование: внедрение примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей

54 2013Архитектура ЭВМ54 Эпитаксия: процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, продолжающую структуру пластины Термическое окисление: процесс, позволяющий получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния. Травление: процесс удаления поверхностного слоя не механическим, а химическим путем

55 2013Архитектура ЭВМ55 Нанесение тонких пленок: процесс создания проводников соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Металлизация: нанесение на кремниевую пластину сплошной металлической пленки Фотолитография: процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для легирования, травления, окисления, напыления и других операций.

56 2013Архитектура ЭВМ56 Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры

57 2013Архитектура ЭВМ57 Последовательность формирования КМДП структуры

58 2013Архитектура ЭВМ58 Изготовление печатных плат Основные операции для изготовления печатных плат: 1. Раскрой и шлифовка. 2. Получение защитного рельефа. 3. Травление меди с пробельных мест. 4. Получение отверстий. 5. Нанесение защитной маски. 6. Лужение. 7. Маркировка. 8. Контроль. Однослойные (односторонние) печатные платы Двухсторонние печатные платыМногослойные печатные платы