Katedra počítačov a informatiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky,

1. Princípy počítačového inžinierstva prof. Ing. Liberios Vokorokos, PhD, Ing. Branislav Madoš, PhD. Katedra počítačov a informatiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Technická univerzita v Košiciach

2. Obsah • Návrh počítačových systémov • Štruktúra a funkcie počítačových systémov • Komponenty Boolovskej algebry • Hradové obvody počítačových systémov Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

3. Návrh počítačových systémov(1) • Vo všeobecnosti sú úrovne systému rozdelené na: • úroveň softvéru • úroveň firmvéru • úroveň hardvéru • Súčasný proces návrhu počítačového systému sa vyznačuje rozličnosťou schém, validácie, a implementácie metód v každej úrovni • Návrhový proces môže byť definovaný ako metodická aplikácia procedúr a princípov návrhu. Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

4. Návrh počítačových systémov(2) • Požiadavky na výrobnú úroveň - Každý systematický návrhový proces by mal začať s požiadavkou na výrobný stupeň, v ktorom je dôležité: • akú funkciu má systém vykonávať • ako sa daný výsledok dosiahne • aké budú obmedzenia vzhľadom na cenu veľkosť, váhu, kritéria prostredia a pod. • aké požiadavky musia byť splnené, aby bola zachovaná spoľahlivosť • udrživatelnosť, a prevádzkyschopnosť hardvéru a softvéru • aká bude podpora programovacieho prostredia pre používateľa Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

5. Návrh počítačových systémov(3) • Architektonická úroveň - Definícia architektúry počítača musí obsahovať odpovede na všetky otázky týkajúce sa typov dát a reprezentácie údajov, riadenia prístupu, hardvérových zdrojov a ich komunikácie a spolupráce • Počítačová architektúra ja definovaná operačnými pravidlami a štruktúrou hardvérových prostriedkov, kde operačné pravidlá sú definované štruktúrou informácií a štruktúrou riadenia Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

6. Návrh počítačových systémov(4) • Úroveň hardvérových a softvérových prostriedkov - Je potrebné navrhnúť celkovú štruktúru počítačového systému pomocou výrazov • Ďalším krokom návrhu je detailný návrh prostriedkov. Návrh na tejto úrovni ovplyvňuje: • použitie vhodného hardvéru a softvéru • reprezentované údajmi objektu totožnými s typom údajov stroja • výber realizačnej schémy pre hardvérové a softvérové prostriedky Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

7. Návrh počítačových systémov(5) • Úroveň logických obvodov • Ako bude navrhnutá táto úroveň závisí od týchto rozhodnutí: • výber vhodného algoritmu hardvéru • výber vhodných LSI komponentov • výber vhodnej VLSI realizačnej schémy v prípade VLSI komponentov Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

8. Návrh počítačových systémov(6) • Úroveň fyzických obvodov - Návrh fyzických obvodov môže byť realizovaný iba pomocou štandardných komponentov, alebo môže požadovať LSI návrh • V prvom prípade sú krokmi pre vykonávanie: • simulácia obvodu zameraná na správanie logiky a časovanie logického obvodu • návrh plošného spoja • generovanie dokumentácie (obvodový diagram, zoznam častí, zoznam elektroinštalácie, časové diagramy) Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

9. Štruktúra a funkcie počítačových systémov(1) • Komponenty implementačno orientovanej architektúry počítačového systému môžu byť definované na rôznych úrovniach: • systémovej • logickej • obvodovej • technologickej Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

10. Štruktúra a funkcie počítačových systémov(2) • Číslicový systém (ČS) reprezentuje formálny model, ktorý je definovaný nad reálnym číslicovým zariadením, ktoré pracuje v diskrétnom čase s  reálnymi fyzikálnymi veličinami • Charakteristickými vlastnosťami ČS sú: • diskrétny čas, v ktorom sú definované diskrétne udalosti • číslicové premenné sú definované konečnou množinou hodnôt • synchronizácia ČS špecifikuje zmeny hodnôt premenných v diskrétnych bodoch času, v súvislosti s čím sa rozlišujú synchrónne a asynchrónne spôsoby realizácie zmien týchto hodnôt, pričom v synchrónnych ČS sa na tento účel používa periodicky sa opakujúca hodinová (taktovacia) frekvencia synchronizačných impulzov definovaných premennou CLK (Clock) Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

11. Štruktúra a funkcie počítačových systémov(3) • Charakteristickými vlastnosťami ČS sú: • správanie saČS opisuje prechodová funkciaf (špecifikuje stav q(t+1), do ktorého ČS prechádza zo stavu q(t) pri pôsobení hodnoty vstupnej premennej (vektora) x(t) na jeho vstupe) a výstupná funkciag(špecifikuje na jeho výstupe hodnotu výstupnej funkcie (vektora) y(t) v závislosti od stavu q(t) a hodnoty vstupnej premennej (vektora) x(t)), Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

12. Komponenty Boolovskej algebry(1) • Booleovská algebra je algebraický systém definovaný množinou hodnôt b 0, 1, nad ktorými sa vykonávajú operácie logického súčinu, logického súčtu a negácie. • Tieto operácie sa realizujú ako logické funkcie f, ktoré všeobecne reprezentujú zobrazenie: • pričom množina 0, 1n je množina všetkých n-tíc nad hodnotami množiny 0, 1. Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

13. Komponenty Boolovskej algebry(2) • Funkcie dvoch, resp. jednej Booleovskej premennej sú označované ako funkcie AND, OR a NOT • Na vyjadrenie týchto funkcií sa používajú operátory: • „“, „.“ pre operáciu (funkciu) logického súčinu, • „“, „+“ pre operáciu (funkciu) logického súčtu, • „a“, „a“, „a“ pre operáciu negácie premennej a. Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

14. Komponenty Boolovskej algebry(3) • Hodnoty týchto funkcií pre jednotlivé n-tice, v prípade n = 2 • Booleovská algebra sa v praxi používa pri analýze a syntéze logických obvodov na zjednodušenie booleovských funkcií. Pravidlá, podľa ktorých sa logická funkcia zjednodušuje, sa volajú zákony booleovskej algebry. Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

15. Komponenty Boolovskej algebry(4) Zákony boolovskej algebry Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

16. Komponenty Boolovskej algebry(5) Zákony boolovskej algebry Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

17. Hradlové obvody počítačových systémov(1) • Prvky číslicových systémov, ktoré sa používajú na tvorbu komponentov ČP majú rôznu úroveň zložitosti • Elementárny číslicový systém, ktorý na svojom výstupe generuje výsledok danej Booleovskej funkcie nad vstupnými premennými, sa nazýva logický člen alebo hradlo Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

18. Hradlové obvody počítačových systémov(2) Schematické značky (symboly) typických prvkov, ktoré predstavujú základné logické členy na realizáciu funkcií: Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

19. Hradlové obvody počítačových systémov(3) Schematické značky (symboly) typických prvkov, ktoré predstavujú základné logické členy na realizáciu funkcií: Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

20. Hradlové obvody počítačových systémov(4) • Zápis logickej funkcie je možný niekoľkými spôsoby najčastejšie je to pomocou: • Pravdivostnej tabuľky - V každom riadku tabuľky je kombinácia vstupných premenných, ktorým zodpovedá príslušná hodnota logickej funkcie Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

21. Hradlové obvody počítačových systémov(5) • Zápis logickej funkcie je možný niekoľkými spôsoby najčastejšie je to pomocou: • Popis pomocou karnaughovej mapy - Princíp zobrazenia karnaughovej mapy pre definovanie logickej funkcie y = (a + b).c Hodnoty funkcie vyplývajú z jej zobrazenia v tabuľkovom tvare. • Pomocou množinového zápisu: • pre logickú 1: Y={1,4,5,7} • pre logickú 0: Y=[0,2,3,6] Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

22. Hradlové obvody počítačových systémov(6) • Logické obvody- Komponenty číslicových systémov, ktoré pozostávajú z logických členov, sa nazývajú logické obvody. Vo všeobecnosti sa rozlišujú dva typy logických obvodov, kombinačné a sekvenčné logické obvody: • Kombinačné logické obvody - Výstupná premenná Y (vektor výstupov) kombinačného obvodu je jednoznačne definovaná hodnotou jeho vstupnej premennej X (vstupného vektora) • Sekvenčné logické obvody - Výstupná premenná Y sekvenčného obvodu je definovaná nielen hodnotou jeho vstupnej premennej X (vstupného vektora), ale i stavom obvodu S, ktorý je daný hodnotami jeho vnútorných stavových premenných, čím sa interpretujú pamäťové vlastnosti tohto obvodu Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

23. Hradlové obvody počítačových systémov(7) • Najjednoduchšie základné sekvenčné obvody sa nazývajú preklápacie obvody(PO) • Funkcie PO sú definované príslušnými Karnaughovými mapami. Premenná Pv Karnaughových mapách charakterizuje pamäťové správanie obvodu (výstup Q si uchová hodnotu, akú mal v predchádzajúcom bode diskrétneho času), premenná K charakterizuje preklopenie obvodu (výstup Q zmení svoju hodnotu na opačnú, akú mal v predchádzajúcom bode diskrétneho času) a  x charakterizuje zakázanú kombináciu riadiacich vstupov • Uvedené typy preklápacích obvodov sa realizujú ako synchrónne a aj asynchrónne obvody Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

24. Hradlové obvody počítačových systémov(8) • Základné preklápacie obvody sú D, RS a JK • Karnaughova mapa a schematická značka D- PO • Prechodová tabuľka funkcie D-PO Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

25. Hradlové obvody počítačových systémov(9) • Základné preklápacie obvody sú D, RS a JK • Karnaughova mapa a schematická značka SR- PO • Prechodová tabuľka funkcie SR-PO Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

26. Hradlové obvody počítačových systémov(10) • Základné preklápacie obvody sú D, RS a JK • Karnaughova mapa a schematická značka JK- PO • Prechodová tabuľka funkcie JK-PO Princípy počítačového inžinierstva, prednáška č. 8.

27. Ďakujem za pozornosť