Computer Organization Memory Organization. Dr. Cahit Karakuş Esenyurt Üniversitesi

Transkript

1 Computer Organization Memory Organization Dr. Cahit Karakuş Esenyurt Üniversitesi

2 İçerik Numbering System Allocating memory cells for variables Memory Virtual Memory Memory Types Memory Mapping Memory Addressing Assembly Instructions for Memory Access Addressing Memory Access Addressing Applications

3 Değişkenler için bellek hücreleri

4

5 Değişken tanımında kaç byte? Kaç adet 4 bit? Hex: 4 bit tanımlar. Örnek: DW: 16 bit. 2 byte, 4 adet 4 bit.

6 Değişken tanımında kaç byte? Kaç adet 4 bit? Hex: 4 bit tanımlar. O yüzden 4 bir bir hex sayı sistemi ile tanımlanır. Örnek: DW: 16 bit. 2 byte, 4 adet 4 bit. I DW 4: (0004)h

7

8 Negatif sayılar Byte: 8 bit data tanımlar; 8 bitlik bellek gözünü işaret eder. Örnek db -4 (4)d= ( )b (-4)d= Binary (4) Tersi +1 : (-4)d = = =FC Örnek dw -4 (4)d= (-4)d=Word(4) Tersi +1 (-4)d= = =FFFC

9 Taşma (Overflow) Taşma, toplamdaki bit sayısı, toplanan ve artırılan bitlerin sayısını aştığında meydana gelir. Taşma, yanlış işaret ile gösterilir. Yalnızca her iki sayı da pozitif olduğunda veya her iki sayı da negatif olduğunda oluşur Sign Incorrect Magnitude Incorrect

10 CPU

11 Bilgisayar Sistemi Bir bilgisayar sisteminin temel bileşenleri: CPU Central Processing Unit (Mekezi İşlemci Birimi - Mikroişlemci) Memory Input and output unit System Bus: data bus, address bus and control bus.

12 CPU nun Temel Döngüsel İşlemler Veri: Belleğe ya da giriş çıkış birimlerine yazılan veya okunan değerlerdir. Adres: Üzerinde işlem yapılacak belleğin veya giriş çıkış biriminin konumunu belirtir. Adres hatları belleği ve gözünü seçer. Tipik olarak: n bit hat, 2 n byte lık konum belirlenmiş olur. Bir döngü operasyon: Belleğe gönderilen ya da bellekten temin edilen ve gerçekleştirilecek işlemin türünü belirleyen kontrol bilgisi olarak yorumlayan tipik işlemlerdir. Bellek Oku: Bellekte saklanan bir veri değerini okuyan bir işlem: Adres hatlarına geçerli bir adres girilir. Okunan verilerin kararlı hale gelmesini beklenir. Bellek Yaz: Belleğe bir veri değeri yazan bir işlem: Adres hatlarına geçerli bir adres ve veri hatları girilir. Okuma veya yazma etkinleştirme hattı, hassas zamanlama bilgilerine sahip bir clock peryodu olarak tanımlanır (örn. Okuma Saati, Strobe Yazma).

13 İşlemcinin Organizasyonu: CPU Bellek Arayüzü Adres Bus CPU dan belleklere ve Address Decoding Devresine giden adres bus a ait hatlardan oluşur. Adres Bus Hatları pareleldir, grup halinde çalışır; herbir hat üzerinde elektriksel sinyal olarak ikili durum (bit) 0 ya da 1 değeri mevcuttur. CPU dan çıkan Adres Bus hat sayısı CPU nun erişebileceği maksimum bellek kapasitesini verir. Buradaki 20 adet adres bus hat sayısı, n=20 ise adreslenecek maksimum bellek kapasitesi=2 20 =1Mbyte dir. Address Decoding Devresi erişilecek bellekleri seçer. CPU dan çıkıp belleklere gelen Adres Bus hat sayısı, belleklerin kapasitesini belirler ve verinin kayıt edildiği bellek gözüne erişimi sağlar. Data bus, bellek gözüne yazılıp ya da okunacak veridir. Hatlar pareleldir ve grup olarak çalışır. Herbir hat üzerinde 0 ya 1 ikili durum mevcuttur. Data Bus hat sayısı CPU nun veri transfer özelliğini verir. CPU, 16 bit dendiğinde Data Bus hat sayısı 16 olan bir CPU dan bahseder. Word olarak 16 bit yazılıp okunur. 2 Byte a denk gelir. Control bus hatları da pareleldir. Grup olarak çalışmaz. Ayrık çalışır. Herbir hat üzerinde 0 ya 1 ikili durum mevcuttur.

14 Örnek: CPU ve Sistem Bus Address Bus: 34 bit, Data Bus: 16bit Number of wires of Adress Bus: 34; (Every on wire is bit:0 or 1, Hatlar, parelel ve grup olarak çalışırlar) Number of wires of Data Bus: 16; (Every on wire is bit: 0 or 1 Hatlar, parelel ve grup olarak çalışırlar) Total Accessable Memory Capacity: 2 34 byte Memory Capacity: 2 34 = = 16 Gbyte Index of Address bus: A33... A0 Index of Data Bus: D15... D0

15 CPU Architecture CPU Address Bus Data Bus 0 2 n Memory Program + Data Von Neumann Architecture CPU işlev döngüsü: Address Decoding Unit Fetching and execution cycles Microprocessor clock system CPU Address Bus Fetch Bus Address Bus 0 0 Memory Program Harvard Architecture Program Bellek: ROM Data Bellek: RAM Data Bus Data

16 Veri Bellek Mimarisi Closer to CPU Faster Registers Cache Memories Memory Hard Disk Larger Space

17 Özel Amaçlı Saklayıcılar (Registers) Special-purpose High-speed Temporary storage Located inside CPU Mikroişlemcinin iç yapısında, Veri işleme ve Veri iletişim ara yüzünde kullanılır. Özel amaçlı saklayıcıdır. Yüksek hızlı veri işlemde ve transfer etme hızlı rol oynar. Geçici depolama alanıdır. CPU içinde bulunur. CPU nun ana bileşenidir.

18 Execution Unit (EU) EU executes instructions that have already been fetched by the BIU. Bus Interface Unit (BIU) BIU fetches instructions, reads data from memory and I/O ports, writes data to memory and I/ O ports. BIU and EU functions separately. Dedicated Adder to generate 20 bit address Data Registers Pointer and Index Registers Four 16-bit segment registers Code Segment (CS) Data Segment (DS) Stack Segment (SS) Extra Segment (ES) 18

19 Instruction queue A group of First-In-First-Out (FIFO) in which up to 6 bytes of instruction code are pre fetched from the memory ahead of time. This is done in order to speed up the execution by overlapping instruction fetch with execution. This mechanism is known as pipelining. 19

20 CPU İç Mimarisi CPU nun iç mimarisinin ana bileşenleri:eu, BIU, ALU (Arithmetic Logic Unit), Komut Kuyruğu ve Register lar. Saklaycılar (Registers): Özel amaçlı saklayıcılardır. Yüksek hızlı veri işler ve transfer eder. Geçici depolama alanıdır. CPU içinde bulunur ve CPU nun ana bileşenleridir. Toplam 14 adet register bulunmaktadır. Data Register: AX, BX, CX, DX; matematiksel ve mantıksal işlemler burada yapılır. Segmet Register: CS, DS, SS, ES Pointer: SP, BP; Index: SI, DI; işlenecek bellek gözlerini işaret ederler. Flag IP Register lar 16bit uzunluğundadır. Segment register lar 4 adettir. Belleklerin başlangıç adreslerini gösterirler. Code Segment, kodların yazılı olduğu programların bulunduğu belleğin başlangıç adresini gösterir. IP: CS de işlenecek bir sonraki komutun yerini işaret eder. DS, SS, ES ise Ram belleklerin başlangıç adreslerini gösterirler. Flag: CPU, komutları işlerken değişen durumlar hakkında bilgi verir.

21 Yürütme Biriminde (Execution Unit - EU) Data Register lar Accumulator Register - Saklayıcı(AX) 16 bitlik AX saklayıcı olarak kullanılabilen iki adet 8-bitlik AL ve AH birbirinden bağımsız saklayıcılardan oluşur. Bu durumda AL, 16 bitlik Word ün düşük sıralı baytını içerir ve AH, yüksek sıralı baytı içerir. G / Ç talimatları, bir G / Ç bağlantı noktasına 16 veya 8 bitlik veri girişi / çıkışı için AX veya AL'yi kullanır. Çarpma ve Bölme komutları da AX veya AL kullanır. Base Register-Saklayıcı (BX) 16 bitlik bir BX saklayıcı olarak kullanılabilen iki adet 8 bitlik saklayıcı bloğu BL ve BH'den oluşur. Bu durumda BL, Word ün düşük sıralı baytını içerir ve BH, yüksek sıralı baytı içerir. Bu saklayıcının içeriği hafızayı adreslemek için kullanılabilen tek genel amaçlı kayıttır. Bu kayıt içeriğini adresleme için kullanan tüm bellek referansları, varsayılan segment saklayıcı olarak DS'yi kullanır. Counter Register Saklayıcı (CX) 16 bitlik bir CX ysaklayıcı olarak kullanılabilen iki adet 8 bitlik saklayıcılar CL ve CH'den oluşur. Birleştirildiğinde, CL saklayıcı Word ün düşük sıralı baytını içerir ve CH yüksek sıralı baytı içerir. SHIFT, ROTATE ve LOOP gibi döngüsel talimatlar, CX'in içeriğini sayaç olarak kullanır. Data Register Saklayıcı (DX) 16 bitlik bir DX olarak kullanılabilen iki adet 8 bitlik saklayıcı DL ve DH'den oluşur. Birleştirildiğinde, DL saklayıcı Word ün düşük sıralı baytını içerir ve DH yüksek sıralı baytı içerir. 16 X 16 çarpmada yüksek 16 bitlik sonucu (veri) veya bölmeden önce yüksek 16 bitlik payı (veri) ve bölmeden sonra 16 bitlik saklayıcıda tutmak için kullanılır. Bu kayıt AX ile birlikte, 16 bitlik bir çarpmanın 32 bitlik bir sonucunun üst yarısını depolamak veya bir tamsayı bölmesinden sonra kalanı tutmak gibi şeylere izin veren özel aritmetik işlevler için kullanılır. Giriş / Çıkış işlemlerinde kullanılır. 21

22 Stack Pointer (SP) and Base Pointer (BP) SP ve BP, yığın segmentindeki (SS) verilere erişmek için kullanılır. SP, harici bellekteki yığın segmentini içeren talimatların yürütülmesi sırasında mevcut SS'den bir ofset olarak kullanılır. POP veya PUSH komutunun yürütülmesi sırasında, SP içerikleri otomatik olarak güncellenir (artırılır / azaltılır). BP, mevcut SS'de, temelli adresleme modunu kullanan talimatlar tarafından kullanılan bir ofset adresi içerir. Source Index (SI) and Destination Index (DI) Endekslenmiş adreslemede kullanılır. Veri dizilerini işleyen komutlar, kaynak ve hedef adresleri ayırt etmek için sırasıyla DS ve ES ile birlikte SI ve DI kayıtlarını kullanır. Instruction Pointer (IP) Her zaman o anda yürütülen kod segmenti içinde yürütülecek bir sonraki talimatı işaret eder. Kod segment alanının bellek içindeki bir sonraki talimat kodunu işaret eden 16 bitlik ofset adresini içerir. Bir sonraki talimatın yürütülmesi sırasında içeriği otomatik olarak artırılır.

23 Bus Interface Unit (BIU) Code Segment Register- 16-bit CS, geçerli kod segmentinin tabanını veya başlangıcını içerir; IP, bu adresten alınacak bir sonraki talimat baytına kadar olan mesafeyi veya ofseti içerir. BIU, CS 4 bit içeriklerini mantıksal olarak sola kaydırarak ve ardından 16 bit IP içeriğini ekleyerek 20 bitlik fiziksel adresi hesaplar. Bir programın tüm talimatları CS yazmacının içeriğine göre 16 ile çarpılır ve ardından IP tarafından sağlanan ofset eklenir. Data Segment Register - 16-bit Mevcut veri segmentine işaret eder; Çoğu talimat için işlenenler veriler bu segmentten alınır. Kaynak Dizininin (SI) veya Hedef Dizininin (DI) 16 bitlik içeriği veya 16 bitlik bir yer değiştirme, 20 bitlik fiziksel adresi hesaplamak için ofset olarak kullanılır. DS in içeriği olan bit dizinine sağdan 4 bit 0 eklenerk öteleme (16 ile çarpılır). Stack Segment Register - 16-bit Mevcut yığına işaret eder. 20-bit fiziksel yığın adresi, PUSH ve POP gibi yığın talimatları için Yığın Segmentinden (SS) ve Yığın İşaretçisinden (SP) hesaplanır. Esaslı adresleme modunda, 20 bitlik fiziksel yığın adresi Yığın segmentinden (SS) ve Temel İşaretçiden (BP) hesaplanır. Extra Segment Register - 16-bit Verilerin (DS tarafından işaret edilen 64K'dan fazla) depolandığı ekstra segmenti işaret eder. Dize talimatları, hedefin 20 bitlik fiziksel adresini belirlemek için ES ve DI'yi kullanır. 23

24 Segment Register lar Segment register lar 16bitliktir. Belleklerin başlangıç adreslerini saklarlar. Gerçek fiziksel adres 20 bitliktir. Segment register ların sonuna 4 bit 0 eklenir. Bit dizisinin sağ tarafına bir bit 0 eklenirse, 2 ile çarpılmış olur. 4 bit sıfır eklenirse 16 ile çarpılmış olur. CS: Code segment 16 bit ROM belleğin başlama adresini saklar. DS: Data segment 16 bit RAM belleğin başlama adresini saklar. SS: Stack segment 16 bit RAM, Yığın veri saklama belleğin başlama adresini saklar. ES: Extra Segment 16 bit RAM, Ekstra yığın veri saklama belleğin başlama adresini saklar.

25 Bellek Organizasyonu ile İlgili Register lar Bellek Organizasyonunda aktif olarak kullanılan Register lar: CS, DS, SS, ES belleklerin başlangıç adreslerini gösterirler. IP: CS de işlenecek bir sonraki komutun yerini işaret eder. SI, DI, BP, SP ve Bx register ları DS, SS, ES ile gösterilen belleklerin başlangıç adreslerinden itibaren verilerin bulunduğu yerleri işaret ederler.

26 Segment Adresleme BIU blok diyagramının merkezinde, CS, DS, SS ve ES olarak etiketlenmiş bir dizi segment özel maçlı saklayıcı (register) bulunur. Bu dört adet 16 bitlik saklayıcı, öğeleri bellek alanından saklamak ve geri almak için işaretçi (Pointer register) ve dizin (Index Register) saklayıcılar ile birlikte kullanılır. Önce segment saklayıcısındaki değeri alır ve bit olarak sıfır ekleyerek dört basamak sağdan sola kaydırır. Örneğimizde, segment saklayıcısındaki değer (3241)h = ( )b dir. Segmentin sağ tarafına dört bit sıfır eklendiğinde, (32410)h = ( )b elde edilir. Daha sonra işaretçi veya dizin saklayıcıların içeriği 20 bitlik fiziksel adrese eklenir. Böylece belleğin okunacak ya da yazılacak gözü belirlenmiş olur. İkili sayı sisteminin sağ tarafına bir bit sıfır konduğunda 2 ile, iki bit sıfır konduğunda 4 ile üç bit sıfır konduğunda 8 ile 4 bit sıfır konduğunda 16 ile çarpılmış olmaktadır.

27 Flag is a register that contains processor status No direct access to it Flag register C: carry flag (bit 0). Turns to 1 whenever the last arithmetical operation has carry or borrow, otherwise 0. P: parity flag (bit 2). It is set to 1 if the last operation result has even number of 1 s. A: auxiliary flag (bit 4). It is set in Binary Coded Decimal (BCD) operations. Z: zero flag (bit 6). Is 1 if the last operation result is zero. S: sign flag (bit 7). It is set to 1 if the most significant bit of the last operation is 1. T: trap flag (bit 8). It is only used in debuggers to turn on the step-by-step feature. I: interrupt flag (bit 9). Disables or enables interrupts. D: direction flag (bit 10). If set, all string operations are done backward. O: overflow flag (bit 11). If the bit is set, the last arithmetic operation resulted in overflow. IOPL: I/O Privilege Level flag (bit 12 to 13). It is used to denote the privilege level of the running programs. N: Nested Task flag (bit 14). Used to detect whether multiple tasks (or exceptions) occur. Most often used flags are O, D, I, S, Z, and C.

28 Flag register

29 Bellekler

30 Bellek Bellek: Mikroişlemcinin gerek duyduğu verilerin saklandığı alanlardır. Mikroişlemcilere komut ya da veri olarak bilgileri aktarmak için gerekli devrelerle birlikte bir depolama hücreleri koleksiyonudur. Bellekler ikili sayı sisteminde 1 veya 0 formatlarından oluşan komut ya da veri gibi bilgileri saklar. Bellek Organizasyonu: Bir belleğin gözünde bulunan veriye nasıl erişileceğini tanımlayan temel adreslendirmenin yapılandırılmasıdır. Özel amaçlı saklayıcılar (Registers) mikroişlemcinin içindedir. ROM, değiştirilmeyen komut ve verileri saklamak için kullanılır. Sadece okunur bellektir. RAM, verileri saklamak için kullanılır. Hem yazılan hem de okunan bellektir.

31 Main Memory Types RAM Rasgele erişim belleği Yazılabilir ve okunabilir. Genellikle uçucu bellektir. Power gittiğinde veri kaybolur. Genellikle ana hafıza denir ROM Sadece Belleği okur Kalıcı Uçucu olmayan bellektir. Hiçbir şekilde içerik kaybolmaz. Bilgisayarı başlatmak için gerekli olan bellektir. Veri ve Yazılım komutları ya da kodları için özel amaçlı depolama alanıdır. CMOS RAM Bilgisayar donanımı hakkında bilgi depolar Pil gücü gerektirir

32

33 CPU Bellek erişim özelliğine göre belleklerin sıralanması register CPU cache (ön bellek) Main Memory larger capacity lower speed lower cost Secondary Storage Server (or INTERNET)

34

35 Sanal Bellek (Virtual Memory)

36 Sanal Bellekler Alternatif bellek adresleri kümesi olarak sanal bellek. Programlar, talimatları ve verileri depolamak için gerçek adresler yerine bu sanal adresleri kullanır. Program gerçekten yürütüldüğünde, sanal adresler gerçek bellek adreslerine dönüştürülür.

37 Sanal Belleğin kendi terminolojisi vardır Her işlemin kendi özel "sanal adres alanı" (ör. 232 Bayt) vardır; CPU aslında "sanal adresler" oluşturur Her bilgisayarın bir "fiziksel adres alanı" vardır (ör. 128 MegaBytes DRAM); "gerçek hafıza" olarak da adlandırılır Adres çevirisi: sanal adresleri fiziksel adreslerle eşleme Birden fazla programın aynı anda bellek kullanmasına izin verir (farklı fiziksel parçalar) Ayrıca bazı sanal bellek parçalarının ana bellekte değil diskte temsil edilmesine izin verir (bellek hiyerarşisinden yararlanmak için)

38 Segmentation Segmentasyon, değişken boyutlu segmentlerin fiziksel adres alanına taşınmasını içerir. Genellikle bu bölümler bitişik birimlerdir ve programlarda bölüm numaraları ve talep edilen verilere göre bir ofset ile belirtilir. Etkili segmentasyon, hedef sistemleri için çok dikkatli bir şekilde yazılmış programlara dayanır. Segmentasyon, tek büyük bloklarda bulunan belleğe dayandığından, yeni bir modülü yüklemek için yeterli boş alanın bulunması çok olasıdır, ancak kullanılamaz. Bölümler değişken boyutlu değilse, bölümün üstündeki bellek program tarafından kullanılmıyorsa, ancak yine de onun için "ayrılmış" ise bölümleme, dahili parçalanmadan da zarar görebilir.

39 Paging Sayfalama, programlar için biraz daha kolay bir arayüz sağlar, çünkü çalışması daha otomatik ve dolayısıyla şeffaf olma eğilimindedir. Sayfa olarak adlandırılan her aktarım birimi sabit boyuttadır ve programın kontrolü dışında sanal bellek yöneticisi tarafından değiştirilir. Segmentasyonda görüldüğü gibi, bir segment / ofset adresleme yaklaşımı kullanmak yerine, sayfalama, gerektiğinde fiziksel belleğe eşlenen doğrusal bir sanal adres dizisi kullanır. Bu adresleme yaklaşımı nedeniyle, tek bir program birçok bitişik olmayan bölüm dizisine başvurabilir. Sayfaların sabit boyutu nedeniyle bazı dahili parçalanmalar hala mevcut olsa da, bu yaklaşım dış parçalanmayı neredeyse ortadan kaldırır. İhtiyaç duyduğunuz verilerin olabildiğince hızlı bir şekilde mevcut olmasını sağlamaya yardımcı olmak için sanal bellek işletim sistemleri tarafından kullanılan bir teknik. İşletim sistemi, depolama aygıtınızdan ana belleğe belirli sayıda sayfa kopyalar. Bir program, ana bellekte olmayan bir sayfaya ihtiyaç duyduğunda, işletim sistemi gerekli sayfayı belleğe kopyalar ve başka bir sayfayı diske geri kopyalar.

40 Sanal Bellek(Paging) Page table Page table Address Space Address Space Physical Memory

41

42 Raid-Redundant Array of Inexpensive Disks Yedekli Bağımsız Disk Dizisi olarak adlandırılır, birden çok fiziksel disk sürücüsü bileşenini veri yedeklemesi amacıyla bir veya daha fazla mantıksal birimde birleştiren ve performans artıran bir veri depolama sanallaştırma teknolojisidir. Bu, "tek büyük pahalı disk" (SLED - single large expensive disk) olarak anılan, son derece güvenilir ana bilgisayar disk sürücüleri kavramının aksine idi. Her bir şema veya RAID düzeyi temel hedefler arasında farklı bir denge sağlar: güvenilirlik, kullanılabilirlik, performans ve kapasite. RAID 0'dan yüksek RAID seviyeleri, kurtarılamayan sektör okuma hatalarına ve tüm fiziksel sürücülerin arızalarına karşı koruma sağlar.

43 Memory Types

44 Memory Types Ana Bellek: Ram, Rom, CMOS Cache Ram: Dynamic ram, Static ram Flash memory Memory sticks Virtual memory Video memory Bios Hard Disk Belleklerin üç görevi vardır. İşlenecek veriyi depolar. Veriyi işleyen komutları (programları) depolar. İşlenmiş, iletişim veya çıkış aygıtlarına gönderilmek için bekleyen veriyi depolar.

45 Ana Bellek (RAM =Random Access Memory-Rastgele Erişimli Bellek) Ana bellek, bilgisayarın kısa vade depolama kapasitesidir. Her hangi bir anda çalışabilecek program ve veri dosyalarının toplam boyutunu belirler. Verilerin işlendiği ve geçici olarak saklandığı yer. Bir bilgisayarın ne kadar RAM a sahip olması gerektiği, kullandığı işletim sistemi ve çalıştıracağı programların anlık performansına ihtiyaçlarına bağlıdır. Özellikle grafik kullanıcı yüzüne sahip işletim sistemleri daha büyük kapasitesi olan RAM kullanır. Kolayca sökülür, değiştirilir, taşınabilir ve takılabilir. EDO, SDRAM, RDRAM, DDRAM olarak çeşitleri vardır. Bir bilgisayarda işlenecek bütün veriler önce RAM belleğe yüklenir. İşlendikten sonra sonuçlar yine RAM belleğe dönerek ulaşacağı yerlere bu bellekten ulaşırlar.

46 Semiconductor Memory RAM Random Access Memory Misnamed as all semiconductor memory is random access Read/Write Volatile Temporary storage Two main types: Static or Dynamic RAM Rasgele erişim belleği Tüm yarı iletken belleklerin rasgele erişim olduğu yanlıştır. Okuma yazma Uçucu Geçici depolama İki ana tür: Statik veya Dinamik

47 Dynamic RAM Static RAM Tek transistör ve yarı iletken depolama kapasitörlerinde şarj olarak saklanan bitler Şarj etme sızıntısı var Güç verildiğinde bile yenilenmesi gerekir Daha basit yapı Bit başına daha küçük daha az pahalı Yenileme devrelerine ihtiyacınız var (birkaç milisaniyede bir) Yavaş Ana Bellek Flip-Flop(6-Transistör) ile açma / kapama anahtarları olarak kaydedilen bitler Şarj etme sızıntısı yok Güç verildiğinde bit yenilenmesi gerekmez Daha karmaşık yapı Bit başına daha büyük daha pahalı Yenileme devrelerine ihtiyaç duymaz Daha hızlı Önbellek

48

49 Main Memory Background Random Access Memory (vs. Serial Access Memory) Different flavors at different levels Physical Makeup (CMOS, DRAM) Low Level Architectures (FPM,EDO,BEDO,SDRAM) Cache uses SRAM: Static Random Access Memory No refresh (6 transistors/bit vs. 1 transistor Size: DRAM/SRAM 4-8, Cost/Cycle time: SRAM/DRAM 8-16 Main Memory is DRAM: Dynamic Random Access Memory Dynamic since needs to be refreshed periodically Addresses divided into 2 halves (Memory as a 2D matrix): RAS or Row Access Strobe CAS or Column Access Strobe

50 ROM(BIOS) Ana Bellek Read Only Memory: Salt Okunur Bellek ROM Yapısı: ROM chipleri de satır ve sütunlardan oluşan bir matris yapısına sahiptir. Fakat satır ve sütunların kesiştiği yerlerde (hafıza hücreleri), ROM chipleri RAM chiplerinden temel farklılıklar göstermektedir. RAM ler her bir hafıza hücresinde kapasitörlere erişimi sağlamak için transistör kullanırken, ROM chipleri diyotlar kullanmaktadır. İçerdiği verilerin üzerine sadece bir kere yazıldığı ve bir daha değiştirilemediği bellek tipi. ROM lar bilgisayarlarda hiç değişmeyecek ancak sürekli kullanılan bazı programları saklamak için kullanılır. Bilgisayarın yüklenmesini sağlayan ana program gibi... Bir ROM yongası üreticisinden çıktığında içeriği belirlenmiştir. ROM ların RAM lerden en önemli farkı, elektrik akımı kesildiğinde RAM lerin sakladıkları bilgileri kaybetmelerine rağmen, ROM ların etkilenmemeleridir.

51 Read Only Memory (ROM) Permanent storage Microprogramming Library subroutines Systems programs (BIOS) Function tables Types of ROM Written during manufacture Very expensive for small runs Programmable (once) PROM Needs special equipment to program Read mostly Erasable Programmable (EPROM) Erased by UV Electrically Erasable (EEPROM) Takes much longer to write than read Flash memory Erase whole memory electrically

52

53 CACHE : Ön bellek RAM belleğe destek amacı ile üretilmiş bir bellek birimidir. Board üzerinde 128 Kb, 256 Kb veya 512 Kb kapasitede bir entegre biçimidir. CACHE bellek: Günümüz bilgisayarlarında RAM iki kısımdan oluşur: büyük olan ana RAM ve küçük, hızlı ve aynı zamanda pahalı olan ön bellek. CACHE bellek, ana RAM ve işlemci arasında bir köprü gibi kullanılır. Veri ve komutlar, önce ikincil bellekten RAM a, oradan ön belleğe ve en sonunda işlemciye yüklenir. Veri ve komutlar cache bellekte bulunduğu sürece bilgisayar daha hızlı çalışır. Bir benzetme yapacak olursak, RAM kitaplık ise cache bellek çalışma masasıdır. Başvurmak istediğimiz kitapları kitaplıktan çalışma masasına getiririz. Ancak çalışma masasında bulunabilecek kitap sayısı sınırlıdır. Başvurduğumuz bilgi çalışma masası üzerindeki kitaplarda olduğu sürece hızlı erişiriz. Aksi taktirde, bilginin bulunduğu kitabı kitaplıktan çalışma masasına getirmemiz gerekir. Bunun için üstü kitap dolu olan çalışma masası üzerindeki kitaplardan birini kitaplığa geri koymamız gerekebilir. 53

54 Cache Memory CPU C a c h e c a c h e Main memory external storage Cache: fast-access memory buffer locality principle: programs usually use limited memory areas, in contrast to totally random access spatial: location, address temporal: time accessed if commonly used memory can be buffered in high-speed cache, overall performance enhanced cache takes form of small amount of store, with hardware support for maintenance and lookup each cache cell saves a cache line - block of main memory (4-64 words) cache hit: requested memory resides in cache

55 Cache Small amount of fast memory Sits between normal main memory and CPU May be located on CPU chip or module An entire blocks of data is copied from memory to the cache because the principle of locality tells us that once a byte is accessed, it is likely that a nearby data element will be needed soon.

56 Cache Organization

57 Memory Hierarchy

58 External Memory Types HDD Magnetic Disk(s) SDD (Solid State Disk(s)) Optical CD-ROM CD-Recordable (CD-R) CD-R/W DVD Magnetic Tape

59 Diğer Bellek Türleri Ekran belleği: Ekran belleği monitörde gösterilen verinin tutulması için kullanılan bellektir. Bu belleğin boyutu, ekranda resimlerin gösterilmesi hızını ve gösterilebilen renk sayısını belirler. Çok fazla grafik içeren programların hızlı çalışması için ekran belleğinin büyük olması gerekir. Ekran belleği, sistem kartı genişleme yuvasına takılan ekran kartında bulunur. Flaş bellek: Özellikle taşınabilir bilgisayarlarda kullanılan kredi kartı büyüklüğünde bellek kartlarıdır. EEPROM teknolojisinden esinlenerek tasarlanmışlardır. İçine yazılan veri elektrik kesildiğinde kaybolmaz. Hard Disk (Sabit Disk): Bir sabit diskin temel görevi veri saklamaktır. Taşınabilen sabit disklerdedir. üretilmiştir. Bir sabit diskin performansı, veriye erişim hızına ve veri transfer hızına bağlı olarak değişir. Veriye erişim süresi ne kadar az ise sabit disk o kadar hızlı demektir. Sabit disk'te birden fazla plakalar üst üste dizilmiştir. Bu plakaların hem alt hem de üst tarafına bilgi yazılabilir. 59

60 Address Decoding Circuit

61 Sayısal Veri İşleme Sayısal aritmetik Analog sayısal dönüşüm Sayısal mantık devreleri

62 Bilgisayar Sisteminin Bileşenleri CPU nun dış dünya ile arayüz bağlantıları nelerdir? (Computer Organizasyon): Sistem Bus: Adres, data, kontrol Clock Bir bilgisayar sisteminin temel bileşenleri: CPU Bellekler I/O birimleri Sistem Bus

63 Kainatı oluşturan tüm bileşenler ürettikleri analog sinyaller ile etkileşimli iletişim halindedirler. Analog sinyal, genliği zamanla değişen sinyaldir. Analog ve Dijital Sinyaller Analog sinyal sayısal sinyale dönüştürülürken, genlik değerlerinden, belirli zaman aralıklarında örnekler alınır. Bu işleme örnek alma işlevi denir. Analog sinyalden alınan örneklere ait değerler, genlik ölçeklendirme aralığında ayrık değerlere atanır. Bu işleme quantalama denir. Bu atama işlemi esnasında, örnek alma zaman aralığa, quantalama değerlerine öteleme ve çözünürlüğe bağlı olarak quantalama hataları oluşur. Ayrık değerler belirli sayıda ikili sayı sistemi ile temsil edilmesine ikili sayı sisteminde kodlama denir. Herbir ayrık genlik değeri belirli sayıdaki ikili (0/1) sayı sistemi ile temsil edilir. Böylece sayısal (dijital) sinyaller elde edilir.

64 Analog sinyalin sayısallaştırılması

65 Sayısal Mantığın Temelleri Sayısal mantık değerlerini temsil etmek için ikili sayı sistemi kullanılır: 1/0 (Doğru /Yanlış, İyi /Kötü, Gece/Gündüz, 0V /5V) Sayısal mantık değerlerinin matematiksel işlemleri, Boole cebirinin kurallarında belirtilen yasalar tabidir. Boole cebirinin kurallarında belirtilen yasaların matematiksel girdileri ve çıktıları ikili sayı (1/0) sistemi ile temsil edilir. Bilgisayar sistemlerinin donanımını oluşturan mantıksal kapıları AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, Mantık kapıları, transistörler kullanılarak oluşturulur. NOT gate can be implemented by a single transistor AND gate requires 3 transistors Transistörler bilgisayar sistemlerinin temel devre elemanıdır. Pentium consists of 3 million transistors Compaq Alpha consists of 9 million transistors Now we can build chips with more than 100 million transistors

66 Gates and Transistors VCE=VCC kesme durumunda Transistör elektron akışını kontrol eden, yarı iletken teknolojisinde üretilen bir devre elemanıdır. (a) A transistor inverter. (b) A NAND gate. (c) A NOR gate.

67 Mantık Kapıları için semboller ve işlevsel davranış AND Kapısı: Girişlerden herhangi biri 0 ise çıkış 0 dır. Girişlerin tümü 1 ise çıkış 1 dir. OR Kapısı: Girişlerden herhangi biri 1 ise çıkış 1 dır. Girişlerin tümü 0 ise çıkış 0 dir. NOT Kapısı: girişin evriğini alır.

68 Giriş ve Çıkış mantıksal sevilere bakılarak mantık kapısını belirleme Giriş dalga formları A ve B bir mantık kapısının iki girişine uygulandığında çıkış dalga formu belli ise bu kapının türünü belirleyiniz. (AND Kapısı)

69 Logic Gates Karşılaştırma ve Aritmetik toplama işlemlerinde XOR kapıları kullanılır. Girişlerin tümü birbirine eşit (0 ya da 1) çıkış sıfır ise XOR, çıkış 1 ise XNOR kapısıdır.

70 Logic Functions Truth Table: 3-input majority function A B C F Logical functions can be expressed in several ways: Truth table Logical expressions Graphical form Logical expression form F=A BC+AB C+ABC +ABC F = A B + B C + A C Verilen denklemlerdeki değişkenlerin toplamı giriş sayısını verir. Mantık kapılarında mantıksal denklemin sonucu 1 ya da 0 dır. Giriş sayısı, m olursa kaç farklı durum vardır? S=2^m durum vardır. 2 tabanı olmasının nedeni ikili sayı (binary) sisteminden kaynaklanmaktadır: 0 yada 1, bit

71 Boole Cebri Teoremleri 1. a) a+b=b+a Değişme Özelliği b) a b=b a 2. a) a+b+c=a+(b+c) Birleşme Özelliği b) a b c=a (b c) 3. a) a+b c= (a+b) (a+c) Dağılma Özelliği b) a (b+c) = a b +a c 4. a) a+a=a Değişkende Fazlalık Özelliği b) a a=a 5. a) a+a.b=a Yutma Özelliği b) a (a+b)=a 6. a) (a)^n =a işlemde Fazlalık Özelliği b) (a x n) =a 7. a) (a + b)=a b De Morgan Kuralı b) (a b)=a + b 8. a) a+a =1 Sabit Özelliği b) a a =0 9. a) 0+a=a Etkisizlik Özelliği b) 1 a=a 10. a) 1+a=1 Yutan Sabit Özelliği b) 0 a=0 11. a) (a+b ) b=b b) a b +b=b

72 Sequential Logic (Bellek özelliğine sahiptir.) Clok un yükselen kenarı ile tetiklenir ve çıkış giriş değerini alır. Bir sonraki clok yükselen kenarı gelene kadar durumu değişmez. Buna bellek özelliği denir.

73 Multiplexers An eight-input multiplexer circuit. A B C F D D D D D D D D7

74 A simple 4-bit comparator. Comparators

75 1-2 Decoder

76 2-to-4 Decoder

77 3-to-8 Decoder Decoding devresi bellek seçmede kullanılır.

78 The 3-to-8 Line Decoder (74LS138) Figure: The 74LS138 3-to-8 line decoder and function table.

79 A circuit that uses eight 2764 EPROMs for a 64K 8 section of memory in a microprocessor-based system. Toplam kaç adet bellek var? 8 adet. Adres decoding devresinin çıkış 8 adet ise girişine CPU dan kaç adet adres bus hattı gelir? 2 3 =8, 3 adet. İndisleyin: A15, A14, A13. Her bir belleğe CPU dan A13, A12,..., A1, A0 gelir.

80 A circuit that uses eight 2764 EPROMs for a 64K 8 section of memory in a microprocessor-based system. The addresses selected in this circuit are F0000H FFFFFH. ROM bellek, sadece okunan bellek olduğundan Data Bus CPU ya doğru tek yönlüdür. 64K x 8 ifadesinde 8 in anlamı nedir? 8: data bus hat sayısını gösterir. Hat üzerindeki değer bit (0 ya da 1). Elektriksel sayısal sinyal vardır. 64K x 8 ifadesinde 64K nın anlamı nedir? 64Kbyte, bellek toplam kapasitesidir. Kaç byte eder? 2 6 x 2 10 =2 16 byte. Adres hattının sayısı =16 dır. İndisleyin: A15, a14, A13,..., A1, A0 8K x 8 ifadesinde 8K nın anlamı nedir? 8Kbyte, bellek toplam kapasitesidir. Kaç byte eder? 2 3 x 2 10 =2 13 byte. Adres hattının sayısı =13 dır. İndisleyin: A12, a11, A10,..., A1, A0

81 Address Decoding Circuit CPU nun okuyup ya da yazacağı belleği seçer Prevent overlap Input of decoding: CPU- address bus: m wires Output off decoding: 2^m cs, en,... Address decoding enable. Example: 10 adet belleğim var. CPU dan Address decoding devresinin girişi için kaç adet adres hattına ihtiyaç var? m=?, m=4, 10 16=2^4

82 Addressing of the Memory The total capacity of a memory is calculated by using the number of wires on address bus: 2 n The number of wires on address bus is n Addressing index of the memory: A n 1 A n 2... A 2 A 1 A 0 The number of wires of chip select input for decoding: m The number of wires of chip select output for decoding: 2 m, also, 2 m the number of the rams CPU dan çıkacak toplam adres hattı sayısı=n+m Overlap: It must be written only selected memory cell. The decoding prevents from overlaps.

83

84 Bellek Gözü: Byte, Word, Double Word Word=2Byte Double Word=4 Byte A3, A2, A1, A0 : n=4, 2^4 byte=16byte; A3, A2, A1 : n=3, 2^3 Word=8Word; A3, A2: n=2, 2^2 Double Word=4 Double Word A9, A8, A7, A6, A5,A4,A3, A2, A1, A0 : n=10, 2^10 byte A9, A8, A7, A6, A5,A4,A3, A2, A1 : n=9, 2^9 Word A9, A8, A7, A6, A5,A4,A3,A2: n=8, 2^8 DW

85 n n+m Address Decoding Unit m Address decoding devresinin çıkışları bellek seçer. Seçilen belleğin gözüne CPU dan gelen adres hatları yardımıyla erişilir. Bir bellek seçilirken adres decoding devresinin girişine CPU dan gelen adres hatları bağlanır. Böylece adres decoding devresinin çıkışları bellekleri seçmede kullanılır. Seçilecek bellek sayısı=address decoding devresi çıkış sayısı=2 m dir. Burada m CPU dan address decoding devresinin girişine gelen adres hattı sayısıdır. Herbir belleğin kapasitesini belirleyen (Kapasite=2 n ) n adet hat CPU dan gelir. Amaç aynı anda bir belleğin ilgili veri gözünün seçilmesidir. Adres decoding devresinin çıkış sayısı bellek sayısına eşit ya da büyük olmak olmak zorundadır. (2 nin üssüne eşit olmayan bellek sayılarında) 85

86 Örnek: Address Decoding Devresi Seçilecek bellek sayısı=address decoding devresi çıkış sayısı=2 m dir. Örnek: 172 adet bellek var ise CPU dan gelecek adres hattı sayısı kaçtır? 2 m 172 ise m=8 alınır. Çünkü 2 7 =128 dir. Bellek sayısına eşit ya da büyük olan seçilir. O halde CPU dan Address Decoding Devresinin girişine gelecek adres hattı hat sayısı=8 dir. Bu durumda seçilecek bellek sayısı 256 olur. ( =84 adet yedek) Bellekler, Address Decoding Devresi yardımıyla seçilir. Yazılıp ya da okunacak belleğin ilgili gözü ise CPU dan belleklere paraelel gelecek n adres hatları ile belirlenir. Bu durumda seçilen belleğin kapasitesi=2 n byte olur.

87 Memory Mapping

88 Arrangement of Memory Cells Hücre sayısı bellek kapasitesine byte olarak verir. Çünkü her bir göze 8 bitlik veri yazılır. value = CPU nun erişeceği belleğin adres bus indis sayısı= hex olarak verilen adresin karakter sayısı*4 Adres bus indis sayısı=6 * 4=24 Kapasite=2^24=4Gigabyte İndisleyin: A23, A22,..., A1, A0

89 Memory Organization Example Example memory contents: A memory with 3 address bits & 8 data bits has: k = 3 and n = 8 so 2 3 = 8 addresses labeled 0 to 7. Memory Address Binary Decimal Memory Content Henry Hexmoor 89

90 Herbir göz 8 bit

91 Bellek denildiğinde Belleğin kapasitesi: 8 bitlik (byte) olarak bilinen bellek gözü sayısıdır. Byte.. Kapasite, belleğin adres bus hat sayısı Belleğe, yazma ve okuma döngüsünde data bus daki hat sayısı: Byte, Word, DW, QW,... Range, aralık: bellek haritalamada belleklerin başlangıç ve bitiş adresleri, ikili sayı sisteminde (binary) ya da hex olarak ifade edilir. Belleğin kapasitesini bulmak için bitiş adresinden başlangıç adresi çıkarılır. +1 eklenir. Çünkü bellek haritalaması 0 dan başlar: 0. bellek gözü, 1. bellek gözü,... Adres decoding devresi, belleğin CPU tafafından hangi adres bus hatlarıyla seçilmesini bleirler.

92 Örnek: Bir belleğin 32 MB (Megabyte) saklama kapasitesi vardır. Bellekteki herhangi bir byte veriyi adreslemek için kaç bit ya da hat gereklidir? Bellek adres alanı 32 MB veya 225 (25 x 220) Byte. Bu, her Byte ı adreslemek için log2 225 veya 25 bit'e ya da 25 hatta ihtiyacınız olduğu anlamına gelir. Grup olarak parelel çalışırlar. Herbiri üzerinde bir bit: 0 ya da 1 değeri mevcuttur. Tek yönlüdür. Adres hattı indisleri: A24, A23, A22,..., A1,A0

93 Example: Bir belleğin 128 MB saklama kapasitesi vardır. Veriyolu (Data Bus) = 8 byte ise Bellekteki herhangi bir veriye erişmek için kaç bit adres hattı gereklidir? Bellek adres alanı 128 MB, yani 227'dir. Ancak, her veri 8 (23) bayttır, bu da =2 23 veri olduğu anlamına gelir. Bu, her veriyi adreslemek için log2 224 veya 24 bite ya da 24 adet adres hattına ihtiyaç olduğu anlamına gelir. Adres hattı indisleme: A26, A25, A24,..., A5, A4, A3. (Not: A2, A1, A0 hatları gelmez.)

94 Örnek: 16 bit data bus olduğunda Soru: 32 bit (adet) adres yolu hattı ve 16 bit (adet) veri yolu hattı, word (2 byte) hattı varsa hafızanın boyutunu nasıl hesaplayabiliriz. Belleklerde bellek boyutunu, adres hattı sayısını kullanarak buluyoruz. m=32 ise Bellek boyutu=2^m byte dır. Bellek boyutu=2^32byte=2^2 x 2^30=4Gbyte Adres yolu: Belleğin veri yazılacak ya da okunacak herbir gözünü seçer Data yolu yazılacak ya da okunacak veriyi temsi eder. 16bit dendiğinde iki durum söz kousudur: Byte, 8 bit yazıp okur. Byte olarak toplam bellek kaç göz var? 2^32 adet bellek gözü var. Herbir göze bir byte (8bit) yazılıp ounur. Word, 16 bit yazıp okur. Word oolarak bellekte kaç göz vardır. Wod=2 byte=16bit. 2^32/2=2^31 word. Yani 2Gigaword.

95 Örnek: 64 bit data bus olduğunda Soru: 32 bit (adet) adres yolu hattı ve 64 bit (adet) veri yolu hattı, word (8 byte) hattı varsa hafızanın boyutunu nasıl hesaplayabiliriz. Belleklerde bellek boyutunu, adres hattı sayısını kullanarak buluyoruz. m=32 ise Bellek boyutu=2^m byte dır. Bellek boyutu=2^32byte=2^2 x 2^30=4Gbyte Adres yolu: Belleğin veri yazılacak ya da okunacak herbir gözünü seçer Data yolu yazılacak ya da okunacak veriyi temsi eder. 64bit dendiğinde iki durum söz kousudur: Byte, 8 bit yazıp okur. Byte olarak toplam bellek kaç göz var? 2^32 adet bellek gözü var. Herbir göze bir byte (8bit) yazılıp ounur. Word, 16 bit yazıp okur. Word oolarak bellekte kaç göz vardır. Wod=2 byte=16bit. 2^32/2=2^31 word. Yani 2Gigaword. Word, 32 bit yazıp okur. Word oolarak bellekte kaç göz vardır. Double Wod=4 byte=32bit. 2^32/2^2=2^30 word. Yani 1Gigadoubleword. Word, 64 bit yazıp okur. Word oolarak bellekte kaç göz vardır. Q double Wod=8 byte=64bit. 2^32/2^3=2^29 word. Yani 512Mega qdoubleword.

96 Range Calculate Memory Capacity Example: Range: (4000h 5FFFh) ise bellek kapasitesi kaç byte dır? Range=(5fff)h-(4000)h Çıkarma işlemi: (4000)H değerine ne eklersem, (5fff)h elde ederim. (5FFF)h=( )b (4000)h=( )b (5FFF)h (4000)h=(1FFF)h; (1FFF)h=( )b Bellek Kapasitesi=( )b +1 = ( )b =2 13 byte = byte =8Kbyte

97 Range Calculate Memory Capacity Example: Range: (4000)h (6FFF)h Range=(6fff)h-(4000)h (6FFF)h=( )b (4000)h=( )b (6FFF)h (4000)h=(2FFF)h; Toplam kapasite=2fffh + 1=3000h Bellek Kapasitesi=( )b +1 = ( )b =( )byte = 2 12 (2+1) byte =3* 2 12 byte = 3* byte=12kbyte

98 Range Calculate Memory Capacity Example: Belleğin fiziksel başlangıç adres=(c000)h ve bellek kapasitesi 4Kbyte ise belleğin adres hattı sayısı kaç adettir? İndisleyin ve belleğin fiziksel bitiş adresini bulunuz. 4Kbyte=2 2 *2 10 byte=2 12 byte Belleğin adres hattı sayısı=12 adettir. Adres indisi: A11, A10, A9,..., A2, A1, A0 (C000)h=( )b (0FFF)h =( )b Belleğin fiziksel bitiş adresi= Belleğin başlangıç adresi + kapasite Belleğin fiziksel bitiş adresi=(c000)h +(0FFF)=(CFFF)h

99 Range Calculate Memory Capacity Example: 64Kbyte 8 bit belleğin a) Bu belleğe CPU dan gelen adres hattı sayısı kaç adettir? Bu belleğin adres hatlarını indisleyin b) Data hattı sayısı kaç adettir? c) Belleğin fiziksel başlangıç ve bitiş adresini belirleyinizz. Yanıt: a) 64Kbyte=2 6 *2 10 byte=2 16 byte, belleğin adres hattı sayısı=16 adettir. Adres hatları indisi: A15, A14, A13,..., A2, A1, A0 b) 8 adettir. Data hatları indisi: D7, D6, D5,..., D1, D0 c) Belleğin başlangıç adresi = ( )b=(0000)h Belleğin bitiş adresi = ( )b=(FFFF)h

100 Soru: Toplam bellek haritalam kapasitesi nedir: (0000)h (FFFF) Adres hat sayısı, n=4*4=16 Kapasite=2^16=64*2^10 byte=64kbyte Eprom kapasite=bitiş adresi -Başlangıç adresi +1 Eprom kapasite=(3fff)h-(0000)h+1=(3fff)h+1=(4000)h= ( )b=2^14byte=16Kbyte Ram1 kapasite=bitiş adresi -Başlangıç adresi +1 Ram1 kapasite=(5fff)h - (4000)h+1 =(1fff)h+1=(2000)h= ( )b=2^13byte=8Kbyte Ram2 kapasite=bitiş adresi -Başlangıç adresi +1 Ram2 kapasite=(8fff)h - (6000)h+1 =(2fff)h+1=(3000)h= ( )b=2^13 +2^12=2^12(2+1)=12Kbyte

101 CPU Toplam adres hattı sayısı=20 adettir. CPU dan çıkan adres hatları indisler=a19, A18, A17,..., A2, A1, A0 CPU nun toplam adresleme kapasitesi=2 20 byte=1 Mbyte Adres decoding devresine giren adres hattı sayısı=3 adet (A19, A18, A17) Bellek sayısı=2 3 =8 adettir.

102 Memory Organization

103 Memory Organization Memory Hierarchy Memory hierarchy in a computer system : Main Memory : memory unit that communicates directly with the CPU (RAM) Auxiliary Memory : device that provide backup storage (Disk Drives) Cache Memory : special very-high-speed memory to increase the processing speed (Cache RAM) Multiprogramming enable the CPU to process a number of independent program concurrently Memory Management System : supervise the flow of information between auxiliary memory and main memory

104 -Because computers operate by storing numbers as bit pattern, the address is also represented as bit pattern Main memory Memory Address Binary Hex Memory Contents Address starts from 0 to last addressable word in address space. -To address 64 kb (2 16 ) of memory, you need to use 16 bit for addressing FC 3FD 3FE FF X 8 (or 1KX8) Memory

105 Address Lines A memory device or memory chip must have three types of lines or connections: Address, Data, and Control. Address Lines: The input lines that select a memory location within the memory device. Decoders are used, inside the memory chip, to select a specific location The number of address pins on a memory chip specifies the number of memory locations. If a memory chip has 13 address pins (A0..A12), then it has: 2 13 = 2 3 X 2 10 = 8K locations. If a memory chip has 4K locations, then it should have N pins: A00 A01 An-2 An-1 Y00 Y01 Y02 Y03 YFC YFD YFE YFF Location 000 Location 001 Location 002 Location 003 Location 0FC Location 0FD Location 0FE Location 0FF 2 N = 4K = 2 2 X 2 10 = 2 12 N=12 address pins (A0..A11) ACOE

106 Block diagram of RAM 2 k x n memory k n ADRS DATA CS WR OUT n This block diagram introduces the main interface to RAM. A Chip Select, CS, enables or disables the RAM. (CS, Adres Dekoding devresinden gelir) ADRS specifies the address or location to read from or write to. Adres Bus CPU dan gelir. WR selects between reading from or writing to the memory. WR (1:Write,0:Read) To read from memory, WR should be set to 0. OUT will be the n-bit value stored at ADRS. Çıkış data bus dır. To write to memory, we set WR = 1. DATA is the n-bit value to save in memory. (Data Bus CPU dan gelir.) This interface makes it easy to combine RAMs together, as we ll see. 106

107 Memory sizes We refer to this as a 2 k x n memory. There are k address lines, which can specify one of 2 k addresses. Each address contains an n-bit word. For example: a 2 24 x 16 RAM contains 2 24 = 16M words, each 16 bits long. The RAM would need 24 address lines. The total storage capacity is 2 24 x 16 bit= 2 25 x 8bit= 2 25 byte= 2 28 bits. Data bus hat sayıs=16 2^24 word=2^24 * 16bit 2^25 byte=2^25*8 bit 2^28bit=2^25*^2^3bit Adres bus hat sayısı=24 adet. Word olmasından dolayı indislenirken A0 yazılmaz: A24, A23, A22,..., A1 107

108 Analyzing the 256K x 8 RAM There are 256K words of memory, spread out among the four smaller 64K x 8 RAM chips. 4 adet bellek var. Toplam kapasite=4*64k=256k Data bus hat sayısı nedir? 8 adet Herbir bellek 64K ise adres hattı sayısı nedir? 64K=2^6*2^10=2^16byte ise adres hattı sayısı=16 adettir. Adres hatlarını indisleyin: A15, A14,..., A1, A0 Adres decoding devresini çıkış kaç adet olmalıdır. Adres decoding devresini çıkış sayısı>= bellek sayısı Adres decoding devresini çıkış sayısı, m=4 adet Adres decoding devresi giriş sayısı=k; m= 2^k Adres decoding devresi giriş sayısı=2 Adres decoding devresinin girişleri CPU dan gelir. Adres hattı indisleri: A17, A16 dır. (belleklerin maksimum adres indisinden devam eder.)

109 Making a wider memory You can also combine smaller chips to make wider memories, with the same number of addresses but more bits per word. Example Design a 64K x 16 RAM, using two 64K x 8 chips. The left chip contains the most significant 8 bits of the data. The right chip contains the lower 8 bits of the data

110 Read-only memory 2 k x n ROM k ADRS CS OUT n A ROM, is a special kind of memory whose contents cannot be easily modified. The WR and DATA inputs that we saw in RAMs are not needed. Data is stored onto a ROM chip using special hardware tools. ROMs are useful for holding data that never changes. Arithmetic circuits might use tables to speed up computations of logarithms or divisions. Many computers use a ROM to store important programs that should not be modified, such as the system BIOS. Game machines, cell phones, vending machines and other electronic devices may also contain non-modifiable programs. 110

111 Circuit Diagram D7 D0 D7 D0 D7 D0 D7 D0 D7 2Kx8 RAM 2Kx8 RAM 2Kx8 RAM 2Kx8 RAM D0 A0 A0 A0 A0 A10 A10 A10 A10 RD WR CS RD WR CS RD WR CS RD WR CS RD WR A0 2X4 DEC. A15 A13 A14 A15 A11 A A12 B CS Y0 Y1 Y2 Y3 111

112 112

113 113

114 8086 System 16-bit Memory Interfacing using separate bank write signals With this method the decoder always enables both banks. On a memory read operation, the data from both banks is loaded on the data bus. The microprocessor selects internally the appropriate bank, according to the instruction being executed. On a memory write operation, only the WR signal of the appropriate bank is enabled, thus data is copied only in the appropriate memory chip. D15 A1 A D0 A1 A D0 A1 A D0 A A0 D0 D8 D7 D0 RD A15 A14 D7 RD WR CS A15 A14 D7 RD WR CS A15 A14 D7 RD WR CS A15 A14 D7 RD WR CS BHE' WR A0 A1 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 LS139 A B 1E A19 IO'/M A16 A17 A18 A19 114

115 80386 Processor 32-bit Memory Interfacing using separate bank write signals The microprocessor has four bank enable signals to select one out of 4 memory banks. The address lines A0 and A1 are not available. On a memory read operation, the data from all banks is loaded on the data bus. The microprocessor selects internally the appropriate bank, according to the instruction being executed. On a memory write operation, only the WR signal of the appropriate bank is enabled, thus data is copied only in the appropriate memory chip. D0 A A0 D0 D0 A A0 D0 D8 A A0 D0 D16 A2 A D0 D24 D31 A16 A14 D7 RD WR CS D7 A16 A14 D7 RD WR CS D15 A16 A14 D7 RD WR CS D23 A16 A14 RD WR D7 CS D31 RD WR BE0' BE1' BE2' BE3' A2 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 LS139 A B 1E A31 IO'/M A17 A18 A19 A31 115

116 Usage Notes A lot of slides are adopted from the presentations and documents published on internet by experts who know the subject very well. I would like to thank who prepared slides and documents. Also, these slides are made publicly available on the web for anyone to use If you choose to use them, I ask that you alert me of any mistakes which were made and allow me the option of incorporating such changes (with an acknowledgment) in my set of slides. Sincerely, Dr. Cahit Karakuş cahitkarakus@esenyurt.edu.tr