Parte III. Logica Digitale, Memorie, Microprocessori e Bus

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1 Parte III Logica Digitale, Memorie, Microprocessori e Bus III.1

2 Circuiti Digitali INGRESSI i 1 i n CIRCUITO DIGITALE o 1 o m USCITE Circuiti elettronici i cui ingressi e le cui uscite assumono solo due livelli Al circuito sono associate le funzioni che calcolano le uscite a partire dagli ingressi o 1 = f 1 ( i 1,.,i n ). o m = f m ( i 1,.,i n ) III.2

3 Funzioni Logiche (Booleane) y = f (x 1,,x n ) y, x 1,, x n { 0,1 } { 0,1 } n { 0,1 } Variabili con due soli valori possibili: { 0,1 } { F,T } f FALSO VERO FALSE TRUE Tavola di verità x 1 x 2 x n-1 x n f n combinazioni di ingresso 2 2 n funzioni distinte di n variabili III.3

4 Funzioni Booleane (Esempi) Con n=1 si hanno 4 funzioni: x 1 f 0 f 1 f 2 f La funzione f 2 è detta NOT Con n=2 si hanno 16 funzioni, tra cui: x 1 x 2 f 0 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f La funzione f 1 è nota come AND La funzione f 7 è nota come OR III.4

5 Algebra Circuitale (Booleana) È una struttura algebrica (insieme più operatori) Reticolo distributivo complementato Insieme: I = { 0,1 } Operatori: AND, OR Complementazione: NOT Notazione Se x e y sono due variabili booleane: L AND di x e y si indica con x y L OR di x e y si indica con x + y Il NOT di x si indica con x III.5

6 Proprietà dell Algebra Booleana III.6

7 Espressioni Algebriche Teor.: ogni funzione booleana è algebrica, cioè rappresentabile con un espressione dell algebra Prima Forma Canonica f = Σ j=1..m Π i=1..n x ij * x ij * vale x i oppure x i f è espressa come OR delle combinazioni per cui la funzione è vera (somma di mintermini) Qualsiasi funzione booleana può essere messa in questa forma III.7

8 Funzioni Booleane (Esempio) ES Tre variabili booleane A, B, C Funzione di maggioranza M: è vera solo se almeno due delle tre variabili sono vere ABC ABC ABC ABC M = ABC + ABC + ABC + ABC III.8

9 Circuiti Logici Porte Logiche: circuiti elementari che realizzano gli operatori dell algebra Qualsiasi funzione booleana può essere calcolata con un circuito realizzato con sole porte AND, OR e NOT Le porte logiche vengono realizzate con circuiti elettronici: NOT NAND NOR III.9

10 Circuiti Logici: (Esempio) (Funzione di Maggioranza) M = ABC + ABC + ABC + ABC III.10

11 Porte NAND e NOR È possibile simulare AND, OR e NOT, e quindi realizzare qualsiasi circuito, usando soli NAND oppure soli NOR III.11

12 Porte XOR Calcola la funzione OR Esclusivo: dà uscita 1 (vero) quando uno solo degli ingressi (ma non entrambi) vale 1 Facilmente realizzabile con porte AND, OR e NAND III.12

13 Circuiti Integrati Molte porte realizzate sulla stessa piastrina di silicio (chip) Contenitori da 14 a 68 piedini Vari livelli di integrazione: SSI (Small Scale) 1-10 porte MSI (Medium Scale) LSI (Large Scale) VLSI (Very Large Sc.) > 10 5 Tempi di commutazione 1-20 nsec III.13

14 Circuiti Combinatori Circuiti in cui l uscita dipende solo dagli ingressi, e non dallo stato cioè dalla storia passata ES 2 n INGRESSI CONTROLLATI... n INGRESSI DI CONTROLLO. MULTIPLEXER UNA USCITA Gli ingressi di controllo selezionano quale degli ingressi controllati viene mandato in uscita III.14

15 Multiplexer (circuito) III.15

16 Calcolo di funzioni booleane tramite multiplexer Con un multiplexer ad n si può calcolare qualsiasi funzione di n variabili Gli ingressi controllati corrispondono ai mintermini Si cablano a 0 o 1, a seconda che il mintermine compaia o meno nella forma canonica ES (Funzione di maggioranza) III.16

17 Decodificatore Circuito a n ingressi e 2 n uscite Una ed una sola delle n uscite assume valore vero in corrispondenza a ciascuna delle 2 n configurazioni di ingresso III.17

18 Comparatore Compara i bit omologhi di due stringhe L'uscita vale 1 se e solo se A i =B i ¹ i Se A i =B i allora A i XOR B i = 0 Il NOR da uscita 1 solo quando tutti i suoi ingressi valgono 0 III.18

19 Programmable Logic Arrays (PLA) Permette di realizzare una qualsiasi funzione (in prima forma canonica) Circuito configurabile tramite bruciatura (interruzione) di connessioni Permette di calcolare più funzioni Due sezioni nel circuito: A) Generazione di un insieme di mintermini B) Selezione dei mintermini da inviare a ciascuna delle uscite Limitazioni Numero limitato di mintermini generati << 2 n Numero limitato di mintermini in ingresso a ciascuno degli OR di uscita III.19

20 PLA: realizzazione circuitale Genera 6 funzioni di 12 variabili Massimo 50 mintermini (su 4096) III.20

21 Semiaddizionatore (Half Adder) Circuito a 2 ingressi e 2 uscite: somma e riporto (carry) Non può essere usato per la somma di numerali a più bit, dove occorre sommare anche il riporto della cifra precedente III.21

22 Addizionatore Completo (Full Adder) Circuito a 3 ingressi e 2 uscite Riceve il riporto dalla cifra precedente III.22

23 ALU a 1 bit (bit slice) A e B sono bit omologhi degli operandi F 0 e F 1 selezionano la funzione (00: AND), (01: OR), (10: NOT), (11: SUM) ENA ed ENB sono segnali di enable INVA permette di negare A Default ENA=ENB=1 e INVA=0 III.23

24 ALU ad n bit III.24 Realizzata connettendo n ALU ad 1 bit (bit slices) Problema: propagazione dei riporti Ciascuno stadio deve attendere il riporto dal precedente Tempo di addizione lineare con n INC incrementa la somma di 1 (A+1, A+B+1)

25 Circuiti Sequenziali i 1 o 1 INGRESSI i n s 1. s r STATO o m USCITE o i = f i ( i 1,...,i n,s 1,,s r ) i=1,,m s i =g i ( i 1,...,i n,s 1,,s r ) j=1,,r Le uscite del circuito dipendono dagli ingressi e dalla storia passata La storia passata è riassunta nello stato Lo stato è codificato nelle variabili di stato booleane s 1,,s r Le variabili di stato sono memorizzate in elementi di memoria binari Circuiti combinatori calcolano le uscite e il nuovo valore dello stato III.25

26 Clock Tutti i cambiamenti di stato vengono sincronizzati da un segnale (clock) Da un clock primario ne vengono ricavati per sfasatura, sottrazione ecc. Le transizioni di stato del circuito possono avvenire: A) In corrispondenza dei livelli B) In corrispondenza dei fronti III.26

27 Latch Dispositivo di memoria elementare Due stati stabili Q=0 e Q=1 S (SET): forza Q a 1 R (RESET): forza Q a 0 Con S=R=0 il circuito mantiene lo stato Il circuito commuta sui livelli cioè quando S o R passano a 1 S ed R non devono mai andare insieme ad 1 III.27

28 Latch con Clock, Latch D R ed S vengono trasferiti sugli ingressi del latch solo quando il clock è ad 1 Quando il clock è a 0 vengono ignorati Il latch D (Delay) quando il clock va ad 1 registra nello stato Q il valore dell ingresso D III.28

29 Latch e Flip-Flop a) b) I Latch commutano sui livelli del clock ( a) alto, b) basso) a) b) I Flip-Flop commutano sui fronti del clock: a) Commuta sul fronte di salita b) Commuta sul fronte di discesa III.29

30 Registri I Flip-Flop sono gli elementi base di memorizzazione nel computer Molti Flip-Flop possono essere messi su un unico chip Occorrono in genere da 6 a 10 transistor per ogni Flip-Flop III.30

31 Organizzazione della Memoria III.31

32 Dispositivi a 3 stati In base ad un segnale di controllo C si comporta: (b) C=1: come circuito chiuso (c) C=0: come circuito aperto Tempo di commutazione: pochi nsec Consente di usare gli stessi piedini sia per la lettura che per scrittura Usato anche per la connessione ai bus e a qualsiasi linea bidirezionale III.32

33 Chip di Memoria CS OE CHIP DI MEMORIA n m. log 2 n LINEE INDIRIZZO WE. m LINEE DATI IN/OUT Chip da n m bit complessivi m linee dati bidirezionali log 2 n linee di indirizzo Segnali di controllo: CS (Chip Select) OE (Output Enable) WE (Write Enable) Problema: numero limitato di piedini del contenitore III.33

34 Matrice di selezione log 2 n 1/2 log 2 n 1/2 log 2 n = log 2 n DECODER 1/2 log n n DECODER 1/2 log n n Si risparmia nella complessità della logica di decodifica Un decoder m 2 m richiede 2 m porte AND ES 4M parole 22 linee 1 decoder a 22 4M porte AND 2 decoder a = 4k porte AND III.34

35 Chip di Memoria (Esempi) RAS (Row Address Strobe), CAS (Column Address Strobe) Indirizzi di riga e di colonna multiplexati sugli stessi piedini III.35

36 III.36 Schede di Memoria La scheda memorizza parole di n byte Si usano n+1 se si vuole il controllo di parità Bit di parità gestito dal controller della memoria

37 Organizzazione della memoria SIMM (Single Inline Memory Module) 72 piedini, 32 bit, 8-16 chip, 32 MByte A coppie nel Pentium (bus dati 64 bit) DIMM (Double Inline Memory Module) 168 piedini, 64 bit, 16 chip, 128 MByte Il controller gestisce più SIMM (o DIMM) Ogni SIMM informa il controller della sua dimensione (segnali su certi piedini) Il controller determina al momento del boot il tipo di RAM (e.g. EDO) Dall indirizzo e dalla configurazione il controller calcola a quale SIMM mandare il segnale di Chip Select III.37

38 Tassonomia delle RAM e ROM RAM (Random Access Memory) ROM (Read Only Memory) SRAM (Static RAM): a Flip-Flop, molto veloce (~5nsec) DRAM (Dynamic RAM): basata su capacità parassite; richiede refresh, alta densità, basso costo (~70 nsec) FPM: selezione a matrice EDO: (Extended Data Output) lettura in pipeline, più banda SDRAM (Synchronous DRAM) Sincrona, prestazioni migliori PROM (Programmable ROM) EPROM (Erasable PROM) raggi UV EEPROM: cancellabile elettricamente Flash Memory: tipo di EEPROM, ciclo 100nsec, max riscritture III.38

39 Tipi di RAM e di ROM e loro impieghi III.39

40 Refresh nelle DRAM Necessario rinfrescare, cioè riscrivere, tutta la DRAM con periodo T Possibile scrivere in un solo ciclo una riga o una colonna Refresh simultaneo di tutti i chip e tutte le schede ES T : periodo di refresh (4 ms) n : dimensione (4MB) τ : durata ciclo refresh (40ns) η : overhead η=( n τ) / T η=( ) / ( ) 2% III.40

41 Pinout Logico del µp Indirizzamento Dati Controllo Controllo del ciclo di bus Gestione delle interruzioni Arbitraggio del bus Gestione del coprocessore Segnalazione di stato Vari (alimentazione etc.) III.41

42 Architettura a più Bus Diversi bus, interni ed esterni al chip Soddisfano diverse esigenze: Velocità di trasferimento Numero di linee Più trasferimenti paralleli Compatibilità all indietro Nei primi PC c era un unico bus Negli attuali PC almeno tre bus esterni III.42

43 Comunicazione sul Bus La comunicazione sul bus è regolata da un protocollo di bus In ciascun ciclo comunicano due soli dispositivi il master e lo slave Lo stesso dispositivo può avere ruoli diversi a seconda dei casi I dispositivi sono connessi al bus tramite un bus transceiver La connessione al bus avviene tramite dispositivi a tre stati oppure è di tipo open collector III.43

44 Larghezza del Bus Larghezza = numero di linee Linee dati: banda di trasferimento Linee indirizzo: dimensione dello spazio (di memoria) indirizzabile, 2 n locazioni con n bit di indirizzo Problema: al crescere del numero di linee aumenta il bus skew (differenza nella velocità di propagazione dei segnali Soluzione: multiplexamento di più segnali sulla stessa linea III.44

45 Segnali asseriti e negati In alcuni casi ( a seconda delle scelte di progetto) un segnale provoca l azione corrispondente quando la sua tensione è alta, in altri quando è bassa Per evitare confusione si parla di: Segnale asserito: quando assume il valore che provoca l azione Segnale negato: altrimenti Si adotta la seguente notazione: S: segnale che è asserito alto S: segnale che è asserito basso Ulteriore notazione (usata da Intel): S: segnale che è asserito alto S#: segnale che è asserito basso ( adatta al set di caratteri ASCII) III.45

46 Bus Sincroni: ciclo di lettura T=25 nsec Tutte le azioni avvengono sui fronti Se la memoria mantiene asserito WAIT il ciclo si prolunga III.46

47 Bus Sincrono: Temporizzazione ES Frequenza 40 MHz, periodo 25 nsec Tempo a disposizione della memoria fra: a) la comparsa dell indirizzo sul Bus b) la disponibilità dei dati sul Bus τ 1 = 2.5 T-T AD -T DS = = 46.5 nsec Tempo a disposizione della memoria fra: a) l asserzione di MREQ e RD b) la disponibilità dei dati sul Bus τ 2 = 2 T-T M -T DS = = 37 nsec Una memoria da 40 nsec ce la fa di sicuro Altrimenti mantiene asserito il segnale di WAIT, per introdurre stati di wait, cioè cicli di bus addizionali III.47

48 Bus Asincrono: ciclo di lettura Accoppiamento di dispositivi con velocità diverse Gli eventi avvengono in risposta ad altri eventi (rapporto di causa ed effetto) FULL HANDSHAKE 1) MSYN asserito 2) SSYN asserito in risposta a MSYN 3) MSYN negato in risposta a SSYN 4) SSYN negato in risposta a MSYN III.48

49 Arbitraggio del Bus Permette di decidere quale dispositivo sarà il prossimo Bus Master risolvendo eventuali conflitti Spesso l arbitro è nel chip del µp Linea di richiesta condivisa Il Bus grant è propagato dall arbitro poco prima dell inizio del ciclo Viene intercettato dal futuro master NB Favoriti i dispositivi situati vicino all arbitro III.49

50 Livelli Multipli di priorità Diverse linee di richiesta associate a diversi livelli di priorità In caso di conflitto favorite le catene a priorità più alta All interno di ciascuna catena vale la posizione In genere se c è un solo bus con anche la memoria la CPU ha priorità più bassa dei dispositivi di I/O (e.g. dischi) III.50

51 Block Transfers Permette di leggere più parole consecutive Usato per trasferire blocchi di cache Numero di parole specificato durante T 1 Dopo la prima viene trasferita una word ogni ciclo (invece di una ogni tre cicli) Per leggere quattro word occorrono 6 cicli invece di 12 Il segnale BLOCK viene asserito per chiedere un block transfer III.51

52 Gestione delle Interruzioni Chip controllore di interruzioni Intel 8259A usato dal PC IBM e successori Gestisce 8 linee di interrupt INT: interruzione inviata alla CPU INTA: aknowledge della CPU Vettore di Interrupt passato sul Bus IR0-IR7: linee di interrupt sul Bus Il vettore di interrupt è usato dalla CPU per saltare alla relativa routine Registri all interno del chip scrivibili dalla CPU per programmare lo 8259A III.52

53 Il Pentium II Architettura a 32 bit completamente compatibile con i predecessori Aritmetica Floating-point IEEE 754 Bus di memoria a 64 bit Cache 1 o livello 16KB dati +16KB istr. Cache 2 o livello 512 KB nel package (a metà della frequenza della CPU) SEC (Single Edge Cartridge) a 242 pin Dissipa oltre 55W! III.53

54 Pentium II: Pinout Logico III.54

55 Pentium II: Pinout Logico (2) 242 connetori sul SEC: 170 segnali 27 connessioni di alimentazione 35 connessioni di massa 10 per uso futuro Indirizzi a 36 bit (64 GB), ma sempre in blocchi di 8 byte (solo 33 bit di indirizzo) 64 linee dati; segnali: D# (richiesta dati), DRDY# (data ready), DBSY# (data busy) Segnali di Snoop per la coerenza di cache Gestione delle interruzioni sia come l 8088 che con APIC (Adv. Progr. Interr. Contr.) VID: per la scelta della tensione Power Management: permette di mettere la CPU in stato di sleep e deep sleep 11 linee di diagnosi secondo lo standard IEEE JTAG III.55

56 Pentium II: Memory Bus Bus gestito con pipelining: è possibile sovrapporre più transazioni Fasi di una transazione (usano gruppi di linee indipendenti): 1) Bus arbitration phase (non mostrata) 2) Request phase 3) Error reporting phase 4) Snoop phase 5) Response phase 6) Data phase Non sempre si usano tutte le fasi III.56

57 Il Bus ISA del PC/AT ISA (Indunstry Standard Architecture) derivato dal bus del PC/AT Compatibile con il bus del PC a 62 linee linee: 16 dati e 24 indirizzi Edge Connectors (molto economici) Tutt'oggi presente in tutti i PC per l uso di carte legacy Estensione EISA di poco successo Sincrono a 8.33 MHz: 16.7 MB/sec III.57

58 Il Bus PCI: architettura complessiva III.58

59 Il Bus PCI: specifiche PCI (Peripheral Component Interconnect) Introdotto da Intel per applicazioni video Video Byte a 30 frame/sec richiede una banda di 67.5 MB/sec Standard non propietario, adottato da molti, (ma Intel vende i chip di gestione.) Versione base a 32 bit, 33 MHz: 133 MB/sec Estensione a 64 bit e 66 MHz: 528 MB/sec Local Bus e Memory Bus separati (più veloci) Connessione tramite chip PCI bridge Varie opzioni di tensione (5 V e 3.3 V) Carte con 120 e contatti Bridge ISA (include doppio controller IDE) Controllori addizionali SCSI e USB Bus sincrono, transazioni tra initiator e target Linee indirizzo e dati multiplexate III.59

60 Il Bus PCI: arbitraggio Arbitraggio centralizzato (nel Bridge) Ogni PCI device ha due linee dedicate Il device fa la richiesta tramite REQ# Il grant viene concesso tramite GNT# Diversi algoritmi di arbitraggio: Round Robin Priorità Altro Transazioni su piu cicli separate da cicli di idle III.60

61 Il Bus PCI: Segnali Obbligatori III.61

62 Il Bus PCI: Segnali Opzionali III.62

63 Bus PCI: Segnali Bus a 120 o 180 linee Oltre ai segnali sono distribuiti anche alimentazioni e masse 32(+32) linee AD multiplexate tra dati e indirizzo con 1(+1) bit di parità PAR C/BE# (in cicli diversi) invia comandi e specifica quanti e quali byte leggere FRAME# e IRDY (lettura) usati dal master DEVSEL# e TRDY# usati dallo slave IDSEL indirizza nel configuration space di un device invece che in memoria (usato per gestire il Plug and Play) STOP# e PERR# segnalano errori RST# induce un reset nella CPU e in tutti i device sul bus SBO e SDONE segnali di cache snooping III.63

64 Bus USB (Universal Serial Bus) Bus economico concordato da varie aziende per la gestione di device di I/O a bassa velocità (~ 1995) Obiettivi: 1) Evitare switch, jumpers 2) Installazione di tipo esterno 3) Cavo di connessione unificato 4) Alimentazione fornita dal cavo 5) Fino a 127 dispositivi collegabili 6) Supporto di dispositivi real-time 7) Installazione a PC acceso 8) Reboot non necessario 9) Bus e dispositivi economici Tutti gli obiettivi sono di fatto rispettati III.64

65 USB: Specifiche Fondamentali Banda complessiva 1.5 MB/sec Limitata per ragioni di costo Root hub di connessione al bus PCI Connessione di dispositivi e di altri hub Struttura complessiva ad albero con massima ramificazione di 16 Connettori ai capi del cavo diversi Cavo a 4 fili: +5V, GND, 2 di segnale Alla connessione di un dispositivo: Interrupt: intervento del SO Richiesta di banda Assegnazione di indirizzo Indirizzo 0 usato per inizializzazione Logicamente connessione tra root hub e ciascun device con bit pipe dedicata III.65

66 USB: Struttura dei Frame Frame emessi ogni 1.00±0.05 msec Idle frame se non c è comunicazione Contenuto del frame: SOF: Start of Frame IN / OUT: richiesta in lettura/scrittura DATA: payload fino a 64 byte più controllo e codice di errore ACK / NACK: acknowledge o errore Polling usato invece delle interruzioni III.66

67 Chip di I/O: UART, USART e PIO UART (Univ. Async. Rec. Transm.) USART ( Sync. Async. ) Usati in interfacce parallelo/seriale PIO (Parallel Input/Output) Configurabile dalla CPU 3 Porti indipendenti da 8 bit con latch La CPU legge e scrive nei porti Possibile gestire anche semplici protocolli di handshaking CPU-device Per gestire device TTY-compatible III.67

68 Decodifica degli Indirizzi Spazio separato di I/O, oppure unico spazio (Memory-Mapped I/O) Alcuni indirizzi riservati ai porti di I/O Problema: ricavare i segnali di chip select ES EPROM: 0-2K 00000XXXXXXXXXXX 00000XXXXXXXXXXX RAM: 32K-34K 10000XXXXXXXXXXX 10000XXXXXXXXXXX PIO: FFFC-FFFF III.68

69 Decodifica Completa III.69

70 Decodifica Parziale III.70