Δομικά στοιχεία υπολογιστών

Διομήδης Σπινέλλης
Τμήμα Διοικητικής Επιστήμης και Τεχνολογίας
Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών
dds@aueb.gr

Λογικές πύλες

Πύλη άρνησης (NOT) Y = !A

A Y

0 1

1 0
Πύλη σύζευξης (AND) Y = A && B

A B Y

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1
Πύλη διάζευξης (OR) Y = A || B

A B Y

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1
Πύλη αποκλειστικής διάζευξης (XOR) Y = A ^ B

A B Y

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A	Y
0	1
1	0

A	B	Y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

A	B	Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

A	B	Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Μερικές φορές θα συναντήσετε και παλαιότερα σύμβολα για τις ίδιες πύλες όπως αυτά που απεικονίζονται στο διάγραμμα που ακολουθεί:

Αθροιστές

Με βάση τις πύλες μπορούν να κατασκευστούν κυκλώματα που κάνουν υπολογισμούς.

Απλός αθροιστής (adder)

A B Σ C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1
Αθροιστής με κρατούμενο ή πλήρης αθροιστής (full adder)

C0 A B Σ C1

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1
Σύνδεση αθροιστών

Σ = Α + Β (Στην πράξη το κρατούμενο υπολογίζεται παράλληλα με το αποτέλεσμα).

A	B	Σ	C
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

C0	A	B	Σ	C1
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Αριθμητική και λογική μονάδα

Η αριθμητική και λογική μονάδα (arithmetic and logical unit (ALU)) εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις ανάμεσα σε δύο τελεστέους.

Τελεστές
Πράξη π.χ. 74ALS381:
- A - B
- B - A
- A + B
- A ^ B
- A | B
- A & B

Πράξεις που εκτελεί η ALU 74AS181

Υλοποίηση της ALU 74AS181

Δισταθή κυκλώματα

Απλό RS

S: Set
Θέτει το Q σε 1
R: Reset
Θέτει το Q σε 0
(Το ~Q περιέχει πάντα την άρνηση του Q)

S R Q ~Q

0 0 Q0 ~Q0

1 0 1 0

0 1 0 1

1 1 ? ?
RS με ασφάλεια (latch)

D: Data
Τα δεδομένα που θα αποθηκευτούν
G: Gate
Μεταφέρει το D στη μνήμη όταν είναι 1

D G Q ~Q

X 0 Q0 ~Q0

1 1 1 0

0 1 0 1

S	R	Q	~Q
0	0	Q0	~Q0
1	0	1	0
0	1	0	1
1	1	?	?

D	G	Q	~Q
X	0	Q0	~Q0
1	1	1	0
0	1	0	1

Τεχνολογία ημιαγωγών

Το πυρίτιο (silicon) (Si)
Si n (περίσσεια e) με προσθήκη P, As, Sb
Si p (έλλειμμα e) με προσθήκη B, Al, Ga
SiO2 (κακός αγωγός)
Τεχνολογία N-MOS
Βασικά στοιχεία κατασκευής ολoκληρωμένων κυκλωμάτων
- Ανάπτυξη κρυστάλων Si με τη μέθοδο Czochralski
- Κοπή δίσκων
- Κατασκευή με φωτολιθογραφία
  - Διάχυση p
  - Οξείδωση SiO2
  - Επίστρωση πολυπυριτίου
  - Φωτολιθογραφία και απόξεση για εμφάνιση του Si p
  - Διάχυση n
  - Απόθεση SiO2 για μόνωση
  - Φωτολιθογραφία και απόξεση
  - Απόθεση Al για δημιουργία συνδέσεων
  - Φωτολιθογραφία και απόξεση Al
- Κοπή και συσκευασία

Τεχνολογία CMOS 7S και έξι επιστρώματα χαλκού

Ο επεξεργαστής 750 της αρχιτεκτονικής IBM Power PC υλοποιημένος με την τεχνολογία χαλκού CMOS 7S

Πυρίτιο σε γερμάνιο (τομή)

Κύκλωμα κατασκευασμένο με την τεχνολογία πυριτίου σε μονωτικό υλικό (silicon on insulator (SOI)) σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

Οι εικόνες προέρχονται από τον τόπο IBM Microelectronics Gallery (http://www.chips.ibm.com/gallery/index.html).

Τεχνολογία μνημών

RAM (Random Access Memory)
- Στατική (βασισμένη σε δισταθή κυκλώματα)
  - Γρήγορη (π.χ. 10ns)
  - Υψηλή κατανάλωση
  - Χαμηλή πυκνότητα (π.χ. 512 Κbit)
- Δυναμική (βασισμένη σε πυκνωτές (capacitors))
  - Σχετικά αργή (π.χ. 70ns)
  - Χαμηλή κατανάλωση
  - Υψηλή πυκνότητα (π.χ. 64 Μbit)
  - Απαιτεί κύκλους ανανέωσης (refresh cycles)
- Πολλαπλών θυρών
ROM (Read Only Memory)
PROM (Programmable Read Only Memory)
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

Ακροδέκτες δυναμικής μνήμης 64M bit (16 M word * 4 bit)

Εσωτερική διάταξη της μνήμης

Κύκλος ανάγνωσης από δυναμική μνήμη

Μικροεπεξεργαστές

Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (Central Processing Unit) (ΚΜΕ (CPU)) αποτελείται από τις παρακάτω βασικές ενότητες:

Μια ή περισσότερες αριθμητικές και λογικές μονάδες
Τη μονάδα ελέγχου
Καταχωρητές
Κρυφή μνήμη (cache memory)

Η ΚΜΕ διαβάζει δεδομένα και εκτελεί εντολές από την κεντρική μνήμη του υπολογιστή. Υπάρχουν ΚΜΕ που περιέχουν και άλλα στοιχεία όπως μονάδες εισόδου / εξόδου για να επιτρέψουν την υλοποίηση υπολογιστών με λίγα δομικά στοιχεία. Οι πιο εξειδικευμένες από αυτές λέγονται μικροελεγκτές (microcontrolers).

Διάγραμμα εσωτερικής δομής και εξωτερικής επικοινωνίας του επεξεργαστή 16 bit (υψηλής ολοκλήρωσης για ενσωματωμένες εφαρμογές) 80186.

Προδιαγραφές και πηγές στο Internet

Βιβλιογραφία

Α. Λυπιτάκης Ο σύγχρονος κόσμος των υπολογιστών. σ. 28-41 1997.
Μ. Μπεκάκος Εισαγωγή στην πληροφορική. σ. 87-96 Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών 1998.
Ε. Παπαθανασίου Στοιχεία υπολογιστικών συστημάτων. Κεφάλαιο 3. Εκδόσεις Μπένου 1998.
Les Goldschlager και Andrew Lister Εισαγωγή στη σύγχρονη επιστήμη των υπολογιστών. σ. 165-180 Εκδόσεις Δίαυλος 1994.
Peter Rechenberg. Εισαγωγή στην Πληροφορική. σ. 55-79 Κλειδάριθμος, 1992.
Andrew S. Tanenbaum Η αρχιτεκτονική των υπολογιστών: μια δομημένη προσέγγιση. Τρίτη αμερικάνικη έκδοση. σ. 103-191. Κλειδάριθμος 1995.

J. Glenn Brookshear. Computer Science, pages 20–34, 80–84. Addison-Wesley, sixth edition, 2000.
Doug Burger. Memory systems. ACM Computing Surveys, 28(1):63–65, March 1996.
Richard Hollingsworth. Advanced semiconductor technology. Communications of the ACM, 36(2):83, February 1993.
Donald E. Knuth. The Art of Computer Programming, volume 2 / Seminumerical Algorithms, chapter 4: Arithmetic. Addison-Wesley, second edition, 1981.

Αλληλεπίδραση με πύλες

Ασκήσεις

Σχεδιάστε με τη χρήση πυλών NAND (Negative AND) τις παρακάτω πύλες:
- AND
- OR
- NOT
Σχεδιάστε έναν αθροιστή 2 bit.
Πόσες πύλες AND, OR, NOT χρειάζονται για την κατασκευή ενός αθροιστή 32 bit; Αν για την κατασκευή κάθε πύλης AND και OR χρειάζονται δύο τρανζίστορ και για κάθε πύλη NOT ένα, πόσα τρανζίστορ χρειάζονται για την κατασκευή του αθροιστή 32 bit;
Σχεδιάστε με τη βοήθεια δισταθών κυκλωμάτων έναν μετρητή 3 bit.
Ο επεξεργαστής Alpha DECchip 21064 περιέχει 1.680.000 τρανζίστορ σε chip διαστάσεων 1.4 x 1.7 cm. Υπολογίστε κατά προσέγγιση τις διαστάσεις ενός τρανζίστορ.

Περιεχόμενα