CZU_2_ARP - Teorie

up:: Exam

• Co je Booleovská algebra, důsledek, ekvivalence, …

  • Transclude of mix---Logika#^teorie

Procesor

• ProcesorY
  • Popis?
    • základní součást počítače, která vykonává strojové instrukce zapsané v programu
  • Části?
    • CPU (procesor)
    • Cache (interní vyrovnávací paměti)
    • Systémovou sběrnice – propojení mezi procesorem a hlavní pamětí
    • RAM (hlavní paměť) někdy
  • Registry
    • IP Čítač instrukcí
      • Ukazuje, kde v paměti je instrukce, kterou má procesor právě vykonat.
    • RI Registr instrukcí
      • Obsahuje aktuální instrukci, kterou procesor právě vykonává.
    • FR Flag registr
      • Uchovává flagy, které říkají, jak dopadla nějaká operace
    • S Střadač
      • Je to hlavní pracovní registr, kde se ukládá výsledek právě provedené operace.
    • IND Index registr
      • slouží pro modifikaci adresy (přičtení k adrese)
  • Řadič
    • = načítá strojové instrukce, dekóduje je a řídí činnost procesoru při jejich provádění
    • Mikrooperace = dílčí operace nutná k provedení instrukce
      • (např. zvýšení obsahu čítače, načtení operandu z hlavní paměti, generování řídících signálů pro ALU)
      • Používá mikrokod
    • Mikroprogram = program, který řídí činnost řadiče.
      • Říkáme, že strojové instrukce jsou mikroprogramem interpretovány a řadič je realizován jako mikroprogramem řízený procesor.
  • Jak se udává rychlost procesoru?
    • V hertzech (Hz) – nejčastěji v gigahertzích (GHz), což je počet taktů za sekundu
    • +
      • MIPS – miliony instrukcí za sekundu
      • FLOPS – výkon při výpočtech s desetinnými čísly
  • Proudové zpracování dat a instrukcí? (Pipelining)
    • Instrukce se rozdělí do dílčích fází (např. fetch, decode, execute).
    • Každá fáze pipeline může pracovat současně na jiné instrukci
      • → Tím se zvyšuje propustnost bez nutnosti zvyšovat takt CPU.
    • Cíl: paralelní zpracování více instrukcí s minimální prodlevou mezi nimi.
  • Superskalární architektura?
    • Umožňuje vykonat více instrukcí během jednoho taktu.
    • (více jednotek ALU
      • CPU má více výkonných jednotek → instrukce se vykonávají paralelně.
    • Využívá nezávislost instrukcí a pokročilé řízení řadičem.
    • Cíl: zvýšit výpočetní výkon bez nutnosti zvyšovat frekvenci
  • Rozdíl mezi CISC a RISC?
    • (Complex/Reduced Instruction Set Computer)
    • CISC ( PC )
      • řadič: mikroprogramový ⇒ komplexní instrukce / pomalejší + multitask
        • Obsahuje mnoho složitých instrukcí.
      • Každá instrukce může dělat víc věcí, ale vykonání trvá déle.
    • RISC ( Telefon ← baterka )
      • radič: hardwarově realizovaný ⇒ jednoduší inst / rychlý + singletask
        • Má malou sadu jednoduchých instrukcí.
      • Většina instrukcí se vykoná během jednoho taktu.
      • Vyšší rychlost, nižší spotřeba

Paměť

• Pamět
  • Rozdělení
    • Registry: Velmi rychlá paměť přímo v procesoru pro okamžitá data.
      • Uchovávají okamžitě potřebná data během výpočtů.
    • Vnitřní (in)
      • ROM - trvalá, nastavené od výrobce (bios)
      • SRAM - cache, rychlá paměť mezi procesorem a RAM pro často používaná data.
    • Externí (out)
      • DRAM - Dočasná paměť pro běžící procesy. větší/pomalejší
  • Schema zapojeni vnitrnich pameti pocitace a princip cinnosti
    • 
    • Paměťová hierarchie se skládá z více úrovní (L1, L2, L3 cache, RAM, HDD), kde platí: čím blíže k procesoru, tím je paměť rychlejší, menší a dražší; data se hledají postupně od L1 až po disk, aby měl procesor co nejrychlejší přístup k často používaným datům.
    • (cviko)
      • 
  • Struktura vnitřní paměti
    • Vnitřní paměť se skládá z binárních buněk
    • Paměťové buňky jsou lineárně uspořádány. Jejich pořadové číslo je nazýváno adresou. Na základě adresy jsou elektronické obvody schopny přečíst obsah.
    • Paměťová buňka je tedy nejmenší samostatně adresovatelná jednotka paměti
  • More
    • jak se preklada logicka adresa na fyzickou?
    • paměti rozdeleni (vnitřní a vnější), ROM,SRAM,DRAM a neco o vnejsich a registrech
• Adresace
  • Způsoby adresace
    • fyzická - skutečná adresa v hlavní paměti, kam procesor přistupuje přes adresní sběrnici
    • logická – adresa, kterou má k dispozici proces k adresaci přiděleného adresového prostoru
    • efektivní - adresa která vzniká modifikací operandu segmentovými registry
  • Jak se překládá logická adresa na fyzickou?
    • operand → efektivní → logická / virtuální → fyzická
• Cache (mezipaměť)
  • Popis? / Jak funguje?
    • je velmi rychlý paměťový zásobník typu SRAM, určený k dočasnému ukládání dat, které procesor potřebuje nebo bude potřebovat.
    • fix bottleneck rychlosti hlavní paměti ←> procesor
  • Typy
    • L1 - přímo v procesoru (10xKB)
    • L2 - MBoard nebo v CPU (100xKB)
    • L3 - někdy CPU (MB)
  • Typy podle organizace
    • č.bloku → č.řádku, tag
    • Přímým zobrazením (n=1)
      • Určitý blok je vždy uložen do stejného řádku cache tabulky
      • calc
        • č.řádky = č.bloku % $2^{po\check{c}et-\check{r}\acute{a}dk\mathring{u}}$
        • tag = č.bloku / $2^{po\check{c}et-\check{r}\acute{a}dk\mathring{u}}$
    • Plně asociativní (n=počet řádků)
      • U asociativní cache paměti může být blok uložen do libovolné řádky cache tabulky
      • Jako tag proto musí sloužit celé číslo bloku
      • calc
        • č.řádky = náhodně
        • tag = č.bloku
    • Asociativitou stupně n (n=x)
      • Kompromis mezi přímým a plně asociativním přístupem.
      • Cache se rozdělí do skupin (setů), každá má např. n řádků.
      • Blok se mapuje do jedné konkrétní skupiny, ale může být v libovolném řádku uvnitř skupiny.
      • calc
        • n=4=$2^2$ → p.skupin = $\frac{2^{p.\check{r}\acute{a}dk\mathring{u}}}{2^{as.stup\check{e}n}}=\frac{2^{14}}{2^2}=2^{12}$
        • č.skupiny = č.bloku % $2^{p.skupin}$
        • tag = č.bloku / $2^{p.skupin}$
  • Koherence cache
    • zajištění, že více procesorů (jader) vidí stejná (aktuální) data , když pracují se stejnou proměnnou.

Logický obvod

• Logicky obvod

  • Co to je?
    • samostatná elektronická jednotka, která má n vstupů a m výstupů
    • Nabývá logické hodnoty 1(t) nebo logické hodnoty 0 (f)
  • Typy
    • KLO Kombinační = závisí na okamžitých hodnotách vstupů
      • Pokud hodnoty na výstupu závisí jen na okamžitých hodnotách vstupů, logický obvod se nazývá kombinační
      • má vstupní I výstupní stav
      • lze popsat m pravdivostními funkcemi s n argumenty
      • Kombinační logické obvody, které realizují základní logické (booleovské) funkce, nazýváme hradla.
    • SLO Sekvenční = + na vnitřním stavu
      • Pokud hodnoty výstupů logického obvodu závisí nejen na okamžitých hodnotách vstupů, ale i na vnitřním stavu obvodu, logický obvod se nazývá sekvenční
      • Sekvenční logický obvod se skládá ze 2 částí: kombinační části a paměťové části
      • K popisu logických sekvenčních obvodů se používá matematický formalismus teorie automatů nebo excitační tabulka
  • Co je analýza a syntéza logického obvodu?
    • Analýza (obvod → bool funkcí)
      • je známa struktura logického obvodu, kde hledáme booleovské funkce popisující chování obvodu.
    • Syntéza (bool funkcí → obvod)
      • jsou zadány booleovské funkce (nebo excitační tabulka) popisující požadované chování obvodu a je třeba tento obvod navrhnout z jednodušších obvodů (hradel)
  • Popište COD,DEC,MUX,DNUX, jejich schéma, true-tabulka a využití
    • 
    • v2
      • COD Kodér IN=$2^n$ | OUT= $n$
      • DEC IN= $n$ | OUT=$2^n$
      • MUX Multiplexor - IN-adres= $m$ | IN-data= $2^m$ | OUT=1
        • s = pozice páčky
        • DMUX IN-adres= $m$ | IN-data= 1 | OUT=$2^m$
  • Klopný obvod SR

• Sekvenční obvody

  • S-R klopný obvod, tabulku a kde se používá
    • 
    • využití
      • On/Off led
      • Start/stop logika
  • J-K klopný obvod, tabulku a kde se používá
    • 
    • využití
      • Čítače
      • Řadiče
  • Varianty hodinových pulsů?
    • High, Low level & ↑Náběžná a ↓Sestupná hrana
  • PDF
    • Funkce flip-flop obvodu závisí na tvaru hodinových pulsů
      • Aby obvod fungoval, musí být vzestupná hrana hodinových pulsů dostatečně strmá
    • Proto se konstruují tzv. master-slave obvody
      • během náběžné hrany hodinového pulsu načte vstupní hodnoty
      • během sestupné hrany hodinového pulsu změní svůj výstup

• ALU

  • 1b-sčítačky
    • Vyžití: sčítání vstupů v doplňkovém kódu
    • Schéma
      • 
      • IN: datavé(a,b) a carry(c)
      • OUT: data(s) a carry(s)

    • Transclude of CZU_2_ARP---ALU#^scitacka

    • Zapojené schéma
      • 

.

Other

• Sběrnice
  • Co to je časová sběrnice
    • Sběrnice je komunikační cesta (soustava vodičů), která spojuje dvě či více zařízení.
      • pouze jedno z připojených zařízení vložilo na sběrnici data, 2+ ⇒ data jsou zničena
    • Časová sběrnice zajišťuje časové sladění komponent (synchronní)
  • Typy
    • Synchronní
      • platnost dat: od hodinového signálu
      • Jednoduchá implementace ⇒ PC
    • Asynchronní
      • platnost: řídícími signály
      • Větší přenosová rychlost
    • -
      • datová, adresová, řídící
• Co jsou zesilovače a k čemu se používají?
  • obvod, který zesiluje signál – obvykle proud nebo napětí. V digitálních obvodech se ale často používají jako spínače nebo buffery, tedy prvky, které přenášejí nebo blokují signál.
  • Třístavové obvody se obvykle konstruují jako třístavové zesilovače signálu
    • Zařízení se připojují ke sběrnici přes tyto zesilovače
    • Pomáhají zajistit, aby v jednu chvíli vysílalo na sběrnici jen jedno zařízení.
      • Ostatní zařízení jsou pak odpojena (ve stavu vysoké impedance)
• Polovidiče
  • látky - pohyb elektronů
    • ne(vodič), polovodič: vodivost závisí na vnějších podmínkách (křemík)
  • P a N - popis, typy, polovodicove součástky
    • NÁBOJ: Negative-elektron | Positive-díry-kladné
    • Součástky: Diody(PN), Tranzistor(NPN,PNP), LED diody, Fotodiody(světlo)

Postup

• DNF a KNF
  • Co je?
    • DNF = OR - (A ∧ B) ∨ (C ∧ D)
    • KNF = AND - (A ∨ B) ∧ (C ∨ D)
  • Proč se používájí?
    • pro zjednodušení návrhu a analýzu logických obvodů
    • obvod ze stejných součástek je levnější, proto se tvoří pouze nand nebo nor
    • minimalizuje se počet hradel?
  • Názorné ukazte a popiste převod do dnf a knf.?
    • ( Převést výraz do knf a dnf lze více zbůsoby: )
    • ekvivalentních úprav
    • pravdivostní tabulky
    • Karnaughovy mapy ↓
  • Obecný postup na bool → nand/nor obvod
    • toto?

      p $<=>q$

      Link to original

• Karnaughovy mapy
  • Co to je?
    • grafická pomůcka pro zjednodušování logických funkcí. Umožňuje rychle najít minimalizovaný logický výraz bez složitého výpočtu.
  • Jak? +
    • ( nakreslit ji a popsat to, yappovat okolo toho )
• Tranzistory
  • Nakreslete NOR, NON, NAND v pozitivní logice (PL) pomocí tranzistorů

    • Transclude of CZU_2_ARP---Tranzistor#^connect

• PROM
  • Nakrestli nenaprogramovanou PROM pamet?

    • (P)ROM - B F 2 6 C 3 0 A

      Link to original

  • Jak se programuje?
    • Každý bit je tvořen spojem (pojistkou) mezi adresními vodiči (řádky) a datovými vodiči (sloupce).
    • V nenaprogramovaném stavu jsou všechny pojistky vodivé = logická 1.
    • Programování = „spálení pojistek“ ve zvolených buňkách (pomocí vyššího napětí).
      • „Spálená“ pojistka přeruší spojení → výsledkem je logická 0.
      • Po naprogramování je záznam trvalý a nelze jej změnit.

File

• Adresový prostor

  • Lineární - Tvoří jej souvislá (lineární) posloupnost efektivních adres
  • Segmentový:
    • Tvoří jej posloupnost segmentů efektivních adres,
    • Segmenty mohou mít různou velikost a vzájemně se překrývat
  • Virtuální:
    • virtuální paměť
    • Je-li proces větší než fyzická paměť počítače.
    • Stránkování paměti:
      • virtuální adresový prostor rozdělen na stránky
      • fyzický adresový prostor rozdělen na stejně velké úseky – rámy nebo rámce (frames)
      • Operační systém procesu namapuje jen určitý počet stránek – použije-li proces virtuální adresu mimo namapovaný prostor, dojde k výpadku stránky
      • Operační systém často mapuje procesu stránky až, když dojde k výpadku stránky – stránkování na žádost

• Způsoby řízení přídavných zařízení:

  • Programové řízení:
    • procesor opakovaně (v cyklu) čte stavový registr I/O modulu, dokud není zařízení ve stavu „ready“
  • Řízení pomocí přerušení:
    • procesor vydá příkaz I/O modulu k načtení dat z vnějšího zařízení do datového registru
    • dále se věnuje jiné činnosti
  • Přímý přístup do paměti (DMA)
    • Vstupně- výstupní moduly, přímý přístup do DMA
    • procesor vydá příkaz DMA modulu k přenosu určitého objemu dat do určitého místa v paměti
    • DMA modul má vlastní sběrnici
  • I/O kanál
    • Řízena kanálovým programem
    • Využívá samostatný procesor, který může měnit formát přenášených dat
    • Procesovy dělíme na:
      • I/O kanál a rozdíl mezi selektivním a multiplexorovým kanálem
      • Selektorový
        • Používá se pro připojení rychlých přídavných zařízení
        • Sám pro sebe.
      • Multiplexorový
        • Používá se pro připojení pomalých přídavných zařízení
        • Mnoho zařízení se střídá.

• TLB cache:

  • uchovávání právě načtené řádky tabulky stránek jsou procesory vybaveny rychlou vyrovnávací pamětí
  • Čtení z paměti / zápis do paměti probíhá následovně:
    • Adresová jednotka nejdříve hledá zobrazení adresy stránky na adresu rámu v TLB cache
    • Nenajde-li v TLB, hledá v tabulce stránek
    • Je-li známa fyzická adresa, hledá její obsah v cache paměti (mezi procesorem a hlavní pamětí)
    • Není-li obsah paměti v cache, obrátí se na hlavní paměť

• Přerušovací system:

  • Přerušení znamená přechod na vykonávání obsluhy přerušení (součást OS). Po vykonání ošetření přerušení se procesor vrací k vykonávání původního strojového kódu.
  • Protože může od modulů připojených ke sběrnici přijít více žádostí o přerušení najednou, musí přerušovací systém obsahovat řadič přerušení
  • Víceúrovňový přerušovací system:
    • Přerušovací systém vybírá přerušující moduly podle předem stanoveného pořadí důležitosti, tzv. priority.
    • Za určitých okolností je třeba některá přerušení nepovolit (maskovat). To se provádí buď nastavením masky přerušení nebo zvýšením úrovně, na které pracuje procesor ¨
  • Realizován pomocí řadiče přerušení.
  • Procesor má vždy alespon vstup INT a výstup potvrzení INTA.
    • Některé procesory mají nemaskovatelné přerušení.
  • Přerušení technikou řetězení.
    • Moduly žádají o přerušení signálem INT
    • Potvrzení INTA
    • Uložení datové sběrnice: vektor přerušení.
    • způsobem zapojení – modul blíže k procesoru má vyšší prioritu
  • Nebo technikou samostatné žádosti.
    • Řadič zažádá procesor o přerušení signálem INT.
    • Potvrzení pomocí INTA
    • procesor může dynamicky měnit prioritu jednotlivých modulů

• Současné technologie:

  • integrovaných obvodů
    • TTL, ECL, PMOX, CMOS
  • Základním stavebním kamenem je křemíkový wafer (substrát) – průměr 200, 300 či 450mm
  • Litografická technologie: ultrafialové záření k vysvícení vzorů přes litografickou masku

• Nastupující technologie

  • Trend: 3D integrované obvody
    • zabírají podstatně menší plochu substrátu při zachování složitosti obvodu
    • technologie nevyžaduje žádné nové postupy
    • nejkritičtějším parametrem se stává vzhledem k malé ploše čipu jeho chlazení
  • Nano technologie:
    • zabývá se strukturami, v nichž alespoň jeden rozměr, a to geometrický, je v úrovni 100nm a menší
    • Cílem nanotechnologií je tak napodobení evolučních postupů přírody precizním skládáním jedné molekuly k druhé
  • Molekulární elektronika:
    • Výchozím materiálem molekulární elektroniky jsou především organické molekuly

• Paralelismus

  • paralelně zpracovává více samostatných úloh (procesů) nebo zpracování určité úlohy automaticky rozdělí do menších částí a paralelně je zpracovává
  • Granualita - paralelismus na úrovni
    • hrubozrnná – procesů (1+ CPU)
    • jemnozrnná – příkazů