KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI IR ARCHITEKTŪRA Kompiuterių elementų dalis

1. KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI IR ARCHITEKTŪRAKompiuterių elementų dalis Pranas Kanapeckas

2. Nagrinėjamos temos Programuojamos loginės struktūros: -programuojamos loginės integrinės schemos; -lanksčios programuojamos ventilinės matricos. Atmintinės: -laisvai išrenkamos atmintinės (RAM, SRAM, DRAM); -pastoviosios atmintinės (ROM, PROM, EPROM, EEPROM).

3. Sinchroninės NS struktūra • Sinchroninė nuoseklioji schema sudaryta iš kombinacinės schemos ir atminties elementų. • Sinchronizuojantys signalai C paduodami į atminties elementus.

4. Baigtiniai automatai • Baigtinis automatas tai nuosekli loginė schema • Kompiuteryje įprasta baigtinį automatą skirstyti į operacinį ir valdantįjįautomatus

5. Mikroprograma • Kompiuteryje vykdomą programą sudaro vykdomų komandų seka • Komandų vykdymas aprašomas algoritmu, kuriame nurodytos elementarios operacijos, vadinamos mikrooperacijomis, jų vykdymo ir valdymo signalų tikrinimo tvarka. • Aprašytas komandų vykdymo algoritmas vadinamas mikroprograma.

6. Daugyba tiesioginiame kode • Raskime skaičių A═0,1101 ir B═0,1010 sandaugą, daugybą pradedant nuo jauniausių daugiklio skilčių.

7. Daugyba tiesioginiame kode • Raskime skaičių A═0,1101 ir B═0,1010 sandaugą daugybą pradedant nuo aukščiausių daugiklio skilčių.

8. Pavyzdys • Tegu operandai A ir B yra teigiami: A ═0.110, o B═0.101. • Turime 6 skilčių kombinacinį sumatorių, 6 skilčių postūmio registrą, 6 skilčių lygiagretų registrą ir 5 skilčių postūmio registrą, d trigerį saugoti rezultato ženklą. • Operandai paimami iš 8 skilčių magistralės DM(8). • Daugybą atliksime dauginamąjį stumiant nuo žemiausių skilčių.

9. Daugyba stumiant dauginamąjį (nuo žemiausių skilčių)     A C B   0.000110 0.000000 0.101 +0.000110 0,001100 0.000110 0.101 +0.000000 0.011000 0.000110 0.101 +0.011000 0.011110

10. A(3) 8 3 RG(6) SM(3) 3 RG(6) 3 C(6) 3 3 SM(3) B(3) B(0) 5 Ž RG(5) D C(6) 2 M2 Parenkame operacinio automato struktūrą

11. Operacinio automato projektavimas • Lygiagrečiai su mikroprogramų sudarymu projektuojama operacinio automato struktūra. • Komandos vykdymo algoritmas skirstomas į mikrooperacijas (veiksmus atliekamus vieno ciklo metu) taip, kad sudaryta struktūra realizuotų algoritmą. • Signalas KV leidžia komandą vykdyti. 1307

12. A0 Pradžia KV A1 Įvesti A, B, C := 0, D :=Ž y1, y2, y3,y4 1 A2 B[0] y5, C := C + A, 0 y6, y7 A3 LL(A); LR(B) 1 y5, B[0] A4 C := C + A 0 A5 y6, y7 LL(A); LR(B) 1 A6 B[0] y5, C := C + A 0 A0 Pabaiga Dvejetainės daugybos algoritmas

13. A0 Pradžia KV A1 y1, y2, y3, y4 1 A2 B[2] y5 0 A3 y6, y7 1 B[2] A4 y5 0 A5 y6, y7 1 A6 B[2] y5 0 A0 Pabaiga Dvejetainės daugybos mikroprograma

14. Mikrooperacijos Kiekvieną veiksmą turi atitikti viena ar kelios mikrooperacijos (MO):

15. y6 A(3) 8 y5 3 RG(6) SM(3) 3 C(6) RG(6) 3 6 y2 y5 y1 3 3 SM(3) B(3) y5 y3 RG(5) B(0) y2 y4 5 Ž D 6 2 M2 y7 Operacinio automato struktūrą

16. Valdančio automato projektavimas • Sudarome baigtinio automato veikimo lentelę • Priimkime, kad pradžioje automatas randasi A0 būsenoje, o pasibaigus komandos vykdymui pereiname į pradinę būseną A0 • Būsenas koduosime dvejetainiu kodu • Naudosime 3 D trigerius • Projektuojame Muro automatą

17. Automato perėjimų lentelė

18. Loginės lygtys • Pasinaudoję Perėjimų lentele gauname logines lygtis: • D0=Q2 Q1 Q0KV+ Q2 Q0 B(0)+ Q0(Q2⊕Q1) • D1 =Q2 Q1 Q0 + Q2 Q1 Q0 + Q2 Q1 Q0 B(0) • D2 =Q1 Q0 + Q2 Q1 Q0 + Q2 Q1 Q0 B(0) • y1 =y2 =y3 =Q2 Q1 Q0 • y4 =Q2 Q1 Q0 • y5 =Q2 Q0 +Q1 Q0 • y6 =y7 =Q0 (Q2 ⊕ Q1 )

19. D0 D Q C R Q0 D1 TSS R D2 D Q C R y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 Q1 MO D Q C R C Q2 B(0) Valdančio automato struktūra • Valdantį automatą sudarys 3 D trigeriai ir kombinacinė schema TSS C D

20. Valdančio automato principinė schema

21. Programuojamos loginės schemos • Skaitmeninė aparatūra pagrindinai sudaryta iš standartinių didelės integracijos schemų (DIS) ar superdidelės integracijos schemų (SDIS). • Nestandartinės sistemų dalys suprojektuotos panaudojant MIS arba VIS sudėtingos, brangios, mažas jų patikimumas bei veikimo sparta. • Projektuoti specializuotas DIS/SDIS yra per daug brangu. • Sukurtos programuojamos loginės matricos PLM (PLA angl.), programuojama matricinė logika PML (PAL angl.), vadinamos programuojamomis loginėmis schemomis PLS (PLD angl.), ir baziniai matriciniai kristalai BMK, kartais vadinami ventilių matrica VM (GA angl.).

22. Programuojamos loginės matricos PLM • PLM (1970) – vienos iš perspektyviausių DIS su reguliariomis struktūromis .Jos sudarytos iš programuojamų matricų, IR ir ARBA loginių elementų, o taip pat įeina įvesties ir išvesties buferių

23. Programuojamos loginės matricos PLM • Projektuojant PLM išvesties signalai aprašomi Bulio funkcijų sistema: • Funkcijų sistemą patogu pavaizduoti lentele

24. PLM struktūra • PLM sudaro: • parafazinis buferis B; • elementų IR aibė (M1); • elementu ARBA aibė (M2). • Ryšiai sudaryti iš tirpių takelių jungčių ir diodų.

25. PLM programavimas • Projektuojant PLM stengiamasi minimizuoti duotos funkcijų sistemos termų kiekį. • PLM programuoja vartotojasištirpindamas tirpias jungtis. • Dažniausiai pateikiama informacija apie tirpias jungtisprogramavimo įrenginiui reikiama forma. • Dažnai naudojami tokie simboliai:H – tiesioginė kintamojo reikšmė(M1); L – inversinė kintamojo reikšmė(M1); „-“ – kintamasis nenaudojamas(M1); A –duota IR funkcija naudojama(M2); „“ –duota IR funkcija nenaudojama(M2). • Logines funkcijas patogu pateikti disjunkcine normaline forma.

26. PLM su grįžtamais ryšiais • Turint PLM su grįžtamais ryšiais patogu realizuoti funkciją, pateiktą su skliaustais.

27. PLM išvesčių kiekio išplėtimas • Kai formuojamų išvesties signalų kiekis N sistemoje viršija PLM išvesčių kiekį n (N>n), panaudojama kN/n PLM schemų, kurių įvestys sujungtos lygiagrečiai.

28. PLM termų kiekio išplėtimas • PLM įvestys sujungiamos lygiagrečiai, o atitinkamos išvestys sujungiamos naudojant ARBA elementą arba sujungiamos tarpusavyje (tribūvės išvestys), arba sujungtos naudojant „montažinį ARBA“ (atviro kolektoriausišvestys).

29. PLM įvesčių kiekio išplėtimas • Kai įvesčių kiekis didesnis nei PLM (M>n),vykdoma funkcijų dekompozicijatermų aibę išskaidant į poaibius, turinčius ne daugiau, kaip m vienodų kintamųjų,kuriems panaudoti atskiri PLM, o išvestis sujungtos taip pat, kaip ir išplečiant termų kiekį.

30. Programuojama matricinė logika PML • PML elementų IR išvestys (termai) yra tvirtai paskirstytos tarp ARBA elementų. • Kartais uždavinys supaprastėja neprogramuojant matricos ARBA.

31. PLS skirstymas • Pagal matricų programavimąPLS skirstomos į: PLM; PML; pastovias atmintines (ROM).

32. PLS struktūros • Plečiamos PLS funkcinės galimybės įvedant įvairius papildymus jų struktūrose. • Schemose su dvikrypčiais išvadais dirbančiais skirtingais rėžimais (išvesties, įvesties, grįžtamojo ryšio išvesties, programuojamos išvesties).

33. PLS su programuojama išvestimi • Išvestyje galima turėti tiesioginę ar inversinę funkcijos reikšmę. • Galima supaprastinti schemos realizavimą.

34. Programuojamos išvesties panaudojimas • Realizuojame dvi funkcijas (reikia 8 termų): • Išnaudojus invertuotos išvesties galimybę, pakaks 5 termų, nes y2 invertuotos reikšmės 3 termai sutampa su y1 termais.

35. PLS su atminties elementais • PLS turi parametrą r – atminties elementu kiekį. • Galima realizuoti automatus (iki 2rvidinių būsenų). • Būsenos keičiamos tik atėjus sinchronizacijos signalui.

36. PLS su makroelementais • Makroelementai leidžia keisti PLS funkcines galimybes.

37. Baziniai matriciniai kristalai • BMK (GA)(1975) pagrindas – reguliariai išdėstytos bazinės ląstelės (BL) ir yra zona sujungimų (kanalų) sudarymui. • BL – tai nesukomutuoti elementai. • Sujungimus kristale realizuoja vartotojas naudojant plonasluoksnę technologiją.

38. BL sudarymobūdai • Iš nesujungtų elementų BL sudarytas vienas loginis elementas, o sudėtingos funkcijos realizavimui panaudojamos kelios BL. • Iš nesujungtų elementų BL gali būti sudarytas bet koks funkcinis mazgas, o elementų kiekį ląstelėje apsprendžia sudėtingiausia realizuojama funkcija. • Funkcinė ląstelė (FL) tai užbaigta schema, realizuota sujungiant vienos ar kelių BL elementus. • FL rinkinys sudaro funkcinių ląstelių biblioteką, kuri naudojama projektuojant BMK. BMK projektuojama funkciniame-loginiame lygyje (bibliotekoje esamais elementais), o schemotechninio lygio projektavimo problemos sprendžiamos sudarant biblioteką.

39. Kanalinė BMK struktūra • Kanalai gali būti vertikalūs ir horizontalūs arba tik vertikalūs. • Kanalinės BMK pasižymi didelėmis ryšių sudarymo galimybėmis, tačiau neefektyviai išnaudojamas kristalo paviršius.

40. Blokinė BMK struktūra • Blokiniai BMK turi ne tik loginių schemų ląsteles, bet ir atminties bei kitokius specializuotus blokus. • Svarbi BMK charakteristika – jungiamųjų sluoksnių kiekis (turi nuo 2 iki 6).

41. Programuojamas loginės integrinės schemos PLIS (CPLD • Tobulinant PLS sukurtos PLIS (CPLD), o tobulinant BMK – lanksčioss programuojamos ventilinės matricos LPVM (FLEX arba FPGA), odidinant integracijos lygį viename kristale sukurtos sistemos viename luste SVL (SOC)

42. Programuojami elementai • Programuojamos ar perprogramuojamos logikos DIS/SDIS mikroschemas vadinsime PL SDIS. • Naudojamos jungtys: oksido-nitrito-oksido (ONO); elektriškai programuojamos jungtys su slankiomis užtūromis (EP).

43. Oksido-nitrito-oksido (ONO) jungtys • ONO jungtys užima labai mažai vietos ant kristalo (<1m) ir užtikrina gerus parametrus (neužprogramuotos jungties srovė apie 10‑5 A, užprogramuotos jungties varža apie 100 , parazitinė talpa <10‑14 F). • Jungties varža priklauso nuo programavimo srovės dydžio.

44. “Slankios užtūros“ jungtis • Jungties elementai – MOP tranzistoriaisu slankia užtūra. • Tarp užtūros ir santakos prijungiama aukšta įtampa (50 V) įvyksta plono SiO2 sluoksnio lavininis pramušimas ir elektronų injekcija į slankiąją užtūrą, o išjungus įtampą elektronai išsilaikys, tranzistorius dirbs kaip jungtis.

45. Elektriškai perprogramuojamos jungtys • Jungties perprogramavimui reikia apšvitinti užtūras ultravioletiniais spinduliais. Elektronai įgauna energijos ir nugalėję oksido potencialinį barjerą išlekia iš slankios užtūros. Tai elektriškai programuojamos (EP) jungtys. • Jei trinant informaciją tarp užtūros ir santakos prijungiama priešingos krypties, negu programuojant, įtampa, turime elektriškai programuojamas ir ištrinamas jungtis (EEP). • EEP jungčiųžymiai geresni elektriniai programavimo ir ištrynimo parametrai gaunami, kai vietoje silicio oksido įvedamas silicio nitridas (SiN). • Jungčių perprogramavimo ciklą galima atlikti 104-106 kartų. • EEP technologija vis tobulėja ir išstumia EP technologiją.

46. Tranzistoriniai jungikliaisu trigerine atmintinės konfigūracija • Valdomas trigerioprogramuojamas jungimo taškas PJT (PIP)T2sujungia (užtrumpina) arba atjungia (nutraukia) schemos dalį tarp taškų a ir b. • Perprogramuoti jungiklius galima neribotą kiekį kartų.

47. Šiuolaikiniai PL SDIS • Šiuolaikinių PL SDIS architektūra panaši į BMK. • Vidinėje kristalo srityje patalpinti sudėtingi konfigūruojami loginiai blokai LB, o periferijoje – periferiniai įvesties/išvesties blokai PB. • LB svarbios charakteristikos yra grūdėtumas ir funkcionalumas. • Grūdėtumas tai skaidymo lygis, nurodantis kokio sudėtingumo gali būti elementai, iš kurių surenkamos norimos schemos. • Smulkiausias grūdėtumas bus, kai LB sudarys tranzistorių su p ir n kanalais grandinėlės.

48. Sujungimo bloko struktūra • Kryžiukais parodyti programuojami ryšio taškai. • Leidžia perduoti signalus į kairę, į dešinę, į viršų, į apačią tarp gretimų linijų, pakeisti signalų perdavimo kryptį.

49. Sudėtingos programuojamos loginės integrinės schemos SPLIS • SPLIS buvo sukurtos tobulinant PLS ir BMK struktūras. • Tai schemos, kurių pagalba galima realizuoti sistemas luste.

50. SPLIS architektūra • SPLIS architektūra susideda iš programuojamos sujungimo (komutavimo) matricos PSM (PIA), aibės makroląstelių ML (FB) ir įvesties/išvesties blokų. Makroląstelės turi PLS, BMK struktūras su plčiom funkcinėm galimybėm. SPLIS realizuota nepertraukiama ryšių sistema, ir visi ryšiai yra identiški.