Mikroprocesory. magistrala. jednostka arytmetyczno-logiczna

Transkrypt

1 Mikroprocesory Procesor - jednostka arytmetyczno-logiczna maszyny cyfrowej: zespół rejestrów układ sterujący z zegarem Bufor (zespół rejestrów) magistrala Układ sterujący jednostka arytmetyczno-logiczna Zadanie - wykonywanie rozkazów według zadanego programu. Kolejne impulsy zegara generują adresy kolejnych operacji Dane kolejnych operacji pobierane są z bufora Mikroprocesor jest zwykle zawarty w jednym układzie scalonym. Częstości zegara powyżej 1 GHz. Długość słowa: 32-bity.

2 Rejestry - urządzenia pozwalające zapamiętywać słowa logiczne oraz dokonywać na nich operacji przesunięcia (pomnożenia lub podzielenia przez 2). wejście równoległe zezwolenie na zapis równoległy wejście szeregowe kasowanie zegar wyjście równoległe wyjście szeregowe Zapis równoległy odczyt szeregowy lub równoległy Zapis szeregowy odczyt szeregowy lub równoległy cykl zegara: przesunięcie słowa w rejestrze mnożenie lub dzielenie przez 2

3 MAGISTRALA (bus) komunikacja w systemach cyfrowych przesyłanie i odbiór informacji moduł I moduł II moduł N kontroler magistrali magistrala (bramki trójstanowe)

4 Bramki trójstanowe. WE WY Zastosowanie: równoległe łączenie wyjść systemów logicznych WE B=1 WY Działanie: B=0 wejście sterujące B bramki w stanie logicznym jeden => bramka wykonuje funkcję zgodnie z tabelą prawdy wejście bramki B=0 => wyjście w stanie odcięcia Urządzenia wejścia/wyjścia bufory jedno- i dwukierunkowe W E J Ś C I E W Y J Ś C I E W E J Ś C I E / W Y J Ś C I E X W E J Ś C I E / W Y J Ś C I E Y STEROWANIE B STEROWANIE Y-X B STEROWANIE X-Y BUFOR JEDNOKIERUNKOWY BUFOR DWUKIERUNKOWY Łączenie układów cyfrowych z magistralami

5 Przerzutniki zatrzaskowe (latch) Komunikacja z magistralą synchronizacja sygnałów Tablica działania: wejście G przerzutnika w stanie logicznym 1 => sygnały z wejścia D przechodzą do wyjścia Q wejście G przerzutnika w stanie logicznym 0 => stan wyjścia Q zamrożony. Zastosowanie: bufory zatrzaskowe trójstanowe złożone urządzenia logiczne o autonomicznie sterowanych modułach przyjęcie słowa logicznego utworzonego przez moduł cyfrowy, zapamiętanie przesłanie do magistrali sterowane impulsem zegara załączającego bramki trójstanowe W E J Ś C I E W Y J Ś C I E ZAPIS PRZESŁANIE

6 Transmisja informacji cyfrowej Układy ECL (Emiter Coupled Logic) linia transmisyjna impedancja Z Z 0 Najszybsza rodzina elektroniki cyfrowej- subnanosekundowy czas propagacji przez bramkę częstość zegara dla przerzutników ~1 GHz napięcia zasilania V CC = 0 V i V EE = -5.2 V poziomy logiczne: 1 = -0.9 V i 0 = V. podstawowe bramkami logicznymi są OR i NOR V 2.6 Z 0 Dopasowanie falowe! bramki zbudowane w technologii tranzystorów bipolarnych. duży pobór mocy: >50 mw Optozłącza - zamiana sygnału prądowego na fotonowy i odwrotnie Linia transmisyjna światłowód Możliwość jednoczesnego przesyłania wielu informacji

7 Modułowe systemy aparatury elektronicznej Standardyzacja mechaniczna Standardyzacja elektryczna Standardyzacja logiczna Umożliwiają: budowanie złożonych zestawów pomiarowych z pojedynczych modułów funkcyjnych, analizę sygnałów analogowych i/lub sygnałów logicznych, sterowanie i rejestrację danych za pomocą komputera (tylko moduły wyposażone w bufory komunikacji z magistralą) Standardy: NIM (Nuclear Instrument Module) CAMAC (Computer Application for Measurements and Control) FASTBUS VME (Versatile Module Europa)

8

9 CAMAC (Computer Application for Measurements and Control) Moduły cyfrowe np. ADC, DAC Magistrala danych i rozkazów (standard logiczny: TTL w logice ujemnej), Jeden kontroler kasety sprzęgnięty z komputerem, Liczba stanowisk w kasecie: 25 (24 wykonawcze + jedno specjalne - sterujące) Adresowanie NFA N - geograficzna pozycja modułu w kasecie (od 1 do 24), A podadres sekcji w module (4 linie wybór jednej z 16 sekcji) F - kod operacji (5 linii 32 możliwe funkcje) Szyny danych:2*24 linie (słowo 24 bitowe) Szyny sterujące: 2*12 linii (A, F, Busy, Inhibit, Clear) Cykl operacji magistrali 1 µs Opracowany w CERN w 1968 roku Producenci: LeCroy, CAEN

10

11 Interfejsy (sprzęgi, ang. interface) Interfejs: sprzęganie komputera z urządzeniami zewnętrznymi. Wiele standardów sprzęgów podstawowych wbudowanych Sprzęgi specjalne mogą być montowane jako dodatkowe urządzenia (karty PCI) Urządzenie zewnętrzne: analogiczny interfejs wraz z inteligentnym układem obsługi komunikacji Sprzęgi standardowe: Sprzęg równoległy Centronix: LPT Sprzęg szeregowy RS 232 C USB Fire wire TCP/IP Sprzęgi dodatkowe: GPIB

12 Zdalna kontrola urządzeń pomiarowych przez sieć internet TCP/IP CAMAC - C111C Ethernet CAMAC Crate Controller GPIB-LAN Ethernet to GPIB Converter Kontrola urządzeń pomiarowych przez wbudowany web-server

13 Pamięci - przechowywanie informacji cyfrowej ROM (Read Only Memory): pamięci ze stałym zapisem tylko do odczytu przechowują informację mimo braku zasilania przechowywanie stałych programów PROM (Programable ROM) zapis programu za pomocą programatora EPROM (Erasable-Programable ROM) kasowanie całości informacji np. za pomocą promieniowania ultrafioletowego EEPROM (Electrically Erasable PROM) - selektywne kasowanie za pomocą sygnału elektrycznego. RAM (Random Acces Memory) - pamięci o dostępie losowym traci informację po wyłączeniu zasilania. zezwolenie na zapis Cykl komunikacji z pamięcią odczyt [zapis]: zezwolenie podanie adresu komórki pamięci informacja przesłana z komórki pamięci na wyjście [informacja pobrana z wejścia] w e j ś c i a wejścia adresowe Każda komórka pamięci ma swój adres w y j ś c i a

14 Pamięci... trochę historii... Pamięci ferromagnetyczne (rdzeniowe)- do lat 50-tych ubiegłego wieku jedyne znane pamięci nieulotne informacja przechowywana w polu magnetycznym rdzenia ferromagnetycznego wykorzystanie pętli histerezy ferrytu Komunikacja z komórką pamięci: zapis: jednoczesny impuls prądowy na liniach adresowych X i Y odczyt stanu logicznego komórki: wpisujemy 0 i mierzymy prąd na linii próbkowania (odczyt kasuje informację, więc trzeba ją natychmiast odtworzyć)

15 Pamięci obecnie Dwie rodziny pamięci RAM zbudowanych z tranzystorów polowych: Dynamic RAM (D-RAM) duża pojemność w pojedynczym układzie scalonym (układy o dużej skali integracji) np. 4 Gb długi czas dostępu: powyżej 25 ns (typowo ns) Static RAM (S-RAM) mała gęstość upakowania np. 72 Mb krótki czas dostępu: poniżej 10 ns

16 Dynamic RAM Pojedyncza komórka zbudowana z dwóch tranzystorów polowych Utrzymanie informacji wymaga częstego odświeżania - ~1 MHz

17 Static RAM Pojedyncza komórka zbudowana z sześciu tranzystorów polowych Utrzymanie informacji nie wymaga odświeżania (własne zasilanie elementu pamięciowego)

18 D-RAM i S-RAM odczyt kasuje stan komórki, trzeba go natychmiast odtworzyć O co walczymy: minimalizacja czasu dostępu maksymalizacja upakowania maksymalna trwałość informacji w komórce (D-RAM) Oczywiście: pamięci RAM o małej pojemności można zbudować z przerzutników D. niewielki czas dostępu (~1 ns). Potokowe przetwarzanie danych: pamięci FIFO - First In., First Out pamięci LIFO Last In., First Out etc.

19 Struktura układu doświadczalnego EKSPERYMENT ELEKTRONICZNY Zjawisko przyrodnicze detektor Urządzenie pomiarowe Urządzenie wykonawcze interfejs regulator interfejs komputer

20 Detektory elektroniczne Zamiana energii nośników informacji na impuls prądu elektrycznego proces Układ detekcyjny (wielostopniowy) nośniki informacji impuls prądowy Detekcja: oddziaływanie nośników informacji z materią wzmacnianie pierwotnych sygnałów generacja prądowych impulsów analogowych wielkość i kształt impulsu jest funkcją procesu oddziaływania nośnika z materią detektora

21 Wczesna historia pomiarów promieniowania Ekrany scyntylacyjne Emulsje fotograficzne Licznik Geigera-Mullera Komora mgłowa Wilsona NOBEL Charles Wilson Jonizacja

22 Historia - niedawna NOBEL Donald Glaser 1959 Komora pęcherzykowa - Zapis fotograficzny Precyzyjny pomiar topologii oddziaływań ale Nie znamy chwili zajścia zdarzenia Brak możliwości wyboru przypadków oddziaływań

23 Co chcemy mierzyć (obecnie)? Trajektoria lotu cząstki Energia Pęd Identyfikacja rodzaj cząstki i ładunek elektryczny Chwilę w czasie Należy pamiętać, że: Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią detektora (stąd neutrina prawie niewidzialne) Oddziaływanie odbywa się zawsze poprzez depozyt energii

24 Składniki eksperymentu FWE Pomiar niedestrukcyjny Pomiar destrukcyjny Pomiar resztek

25 Detektory promieniowania Detektory fotonów - zakres widmowy w pobliżu pasma widzialnego hc E = hν = λ h = 6,62*10-34 J s 1 ev = 1.6*10-19 J [ ] E ev = 1.24 λ [ µ m] Detektory promieniowania jonizującego: Fizyka oddziaływań promieniowania z materią fundamentem technik detekcji wysokoenergetyczne fotony stabilne cząstki naładowane Detektory elektroniczne: scyntylacyjne jonizacyjne gazowe półprzewodnikowe

26 Efekt fotoelektryczny Einstein 1905) Fotony? Wydajność fotoemisji zależy od: energii fotonu rodzaju materiału fotokatody

27 Wydajność (efektywność) kwantowa Foto-prąd jest proporcjonalny do mocy padającego światła: I = R p P in gdzie R - czułość [A/W] Wydajność kwantowa: liczba wygenerowanych elektronów η = liczba padających fotonów stąd czułość: η q R = = h hνν ηλ 1.24 λ [µm], q = 1,602*10-19 C = I P p in q hν = R q hν c ν = λ c = 3*10 8 m/s, h = 6,62*10-34 J s

28 FOTOPOWIELACZ WE I WE I f R WY Fotopowielacz = źródło prądowe Konwerter prąd-napięcie

29 Fotopowielacz cd.

30 Fotokatoda i materiał okna

31 Fotopowielacz cd. Proces wzmocnienia jest procesem statystycznym w przybliżeniu opisywanym rozkładem Poissona. B - fotopowielacz o dużych szumach A - fotopowielacz o niewielkich szumach Szumy fotopowielacza prąd ciemny, impulsy (zliczenia) ciemne Przyczyna: termoemisja elektronów z powierzchni fotokatody i dynod. Obniżenie temperatury radykalne zmniejszenie szumów

32 8852 Photomultiplier BURLE - Quantacon PMT 51-mm (2-inch) średnica fotokatody, 12-stopniowy Pole magnetyczne!!! zakłóca działanie fotopowielacza Opis okna wejściowego: Materiał Pyrex, Corning No Współczynnik załamania dla nm Dynody: Dynoda no Gallium-Phosphide Dynody no.2 do 12,.. Beryllium-Oxide Struktura liniowa z ogniskowaniem elektrostatycznym

33 Powielanie elektronów w układach MICROCHANNEL PLATE niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne! Wzmacniacze obrazu (Image Intensifier)

34 85104 Microchannel Plate Photomultiplier BURLE With Semi-Transparent Photocathode Fotokatoda Arsenek Galu dobra zdolność zliczania fotonów czułość fotokatody 120 ma/watt dla 860 nm szeroki spektralny zakres czułości do 920 nm średnica okna wejściowego - 18 mm niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne

35 Micro-pixel Avalanche PhotoDiodes - fotopowielacz półprzewodnikowy Golovin i Sadygov w latach 90 Gęsta macierz fotodiod lawinowych działających w modzie Geigera hν R 50Ω Substrate Doskonała rozdzielczość energetyczna rozdzielczość czasowa: ps liczba pixeli do 40000/mm 2 wzmocnienie ~ x 10 4 napięcie zasilania ~65 V

36 Detekcja fotonów wysokoenergetycznych detektory scyntylacyjne Dla większych energii fotonów (E> ~20keV) konieczność zastosowanie gęstego ośrodka: np. NaI(Th) odpowiednia wydajność rejestracji Scyntylacje: rozbłyski ośrodka wskutek oddziaływania promieniowania Widmo scyntylacji: zakres widzialny (na ogół)

37 Licznik scyntylacyjny

38 Zestawienie różnych scyntylatorów

39 Pomiar energii Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe Całkowite zniszczenie cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Kalorymetr próbkujący jonizacyjny CIEKŁY ARGON Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

40 Projectile Spectator Detector Kalorymetr NA61 60 warstw ołów/scyntylator 10 podłużnych sekcji 10 MAPDs/moduł MAPD F. Guber, A. Ivashkin - INR, Moscow

41 Detektory jonizacyjne Ośrodek aktywny: Gaz Ciało stałe (półprzewodnik) Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection Chambers Time Expansion Chambers Proportional Materiały: Chambers Thin Gap Krzem, Chambers Drift Chambers German, Jet Chambers Węgiel (diament), Straw Arsenek Tubes Galu Micro Technologia: Well Chambers Paskowe Cathode Strip Chambers Mozaikowe Resistive Dryfowe Plate Chambers Micro Strip Gas Chambers GEM - Gas Electron Multiplier Micromegas Micromesh Gaseous Structure

42 Krzemowe detektory paskowe (Silicon strip detectors) Płaska płytka z krzemu wysokooporowego (wysoka czystość) tutaj: typu n Jedna powierzchnia posegmentowana na paski w postaci złącz np Odległość między paskami 20 do 200 µm - fotolitografia wysokiej precyzji Przestrzeń w pełni zubożona przez przyłożenie napięcia zaporowego (25-500V) Cząstka jonizująca powoduje tworzenie par elektron-dziura (25k w warstwie 300 µm). 50 µm 300 µm

43 Detektory gazowe Argon, Hel, Neon, Krypton, Ksenon + domieszki Emisja fotonów stowarzyszona z procesem lawinowego powielania elektronów

44 Detektory gazowe liczniki proporcjonalne wielodrutowe komory proporcjonalne i dryfowe

45 MultiWire Proportional Chamber (Charpak 1968) Georges Charpak Nobel Prize in Physics 1992

46 Wielodrutowe komory proporcjonalne (Georges Charpak, 1968) Poszczególne anody niezależnymi detektorami Pomiar pozycji trafienia cząstki Lawinowe powielanie elektronów Wzmocnienie gazowe < 10 7

47 Gazowe detektory dryfowe Czas kolekcji ładunku jonizacyjnego zależy od: składu ośrodka natężenia pola elektrycznego Pomiar czasu przepływu ładunku jonizacyjnego Pomiar pozycji trafienia cząstki

48 Detektory śladowe - Time projection Chamber (TPC) TPC trajektorie cząstek naładowanych 4 moduły TPC Całkowita objętość obszaru aktywnego:45 m czujników pikseli 62 moduły komór wielodrutowych Pole magnetyczne 1.5 Tesla Mieszanka gazowa: Ar + CO 2

49 Identyfikacja cząstek przez pomiar de/dx NA49 NA pc data p+p p+pb

50 Identyfikacja cząstek przez pomiar czasu przelotu TOF TOF pomiar pędu konieczny Identyfikacja cząstek - połączony pomiar de/dx i TOF NA49 Zderzenia Pb+Pb Przedział pędu 5 6 GeV/c

51 Nowe techniki w detektorach gazowych MSGC: 100 µm 10 µm Micro-Pattern Gas Detectors (GEM, Micromegas) - Zdolność rejestracji silnych strumieni promieniowania - Odczyt do Time Projection Chamber Odczyt pikselowy Micro-Pattern Gas Detectors 50 µm 140 µm Micromegas: Hz mm -2

52 Gas Electron Multiplier (GEM) Detector (Fabio Sauli 1995) Gęsta siatka otworów (sitko) w cienkiej folii plastikowej o zewnętrznych powierzchniach pokrytych miedzią Przyłożenie różnych potencjałów do obu stron folii powoduje powstanie dipolowego pola elektrycznego w otworkach Ions 40 % 60 % F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531 Electrons

53 GEM: Gas Electron Multiplier High density of holes (50-100/mm 2 ) Typical geometry: 5 µm Cu on 50 µm kapton 70 µm holes 140 µm pitch 5 µm 50 µm 70 µm 55 µm 70 µm 140 µm

54 BASIC GEM DETECTOR -V D -V TOP V GEM -V BOT 3 mm DRIFT 1 mm INDUCTION DRIFT MULTIPLICATION PATTERNED READOUT BOARD ED DRIFT Zalety: Swoboda w kształtowaniu geometrii detektora Odczyt oddzielony od obszaru wzmocnienia Możliwość kaskadowego wielostopniowego wzmocnienia ładunku GEM 1 GEM 2 GEM 2 READOUT ET1 TRANSFER 1 ET2 TRANSFER 2 EI INDUCTION

55 Odczyt dwuwymiarowy 400 µm 80 µm Cartesian: 350 µm 400 µm Small angle: Pads: C. Altumbas et al, NIM A490(2002)177 A. Bressan et al, Nucl. Instr. and Meth. A425(1999)254

56 Odczyt mikropixelowy detektorów gazowych Zastosowanie nagiego układu CMOS jako anody Medipix2 collaboration 17 instytutów (16 EU i 1 US) Zastosowania: Radiografia dentystyczna Mamografia Angiografia Dynamic autoradiography Promieniowanie synchrotronowe Mikroskop elektronowy Kamera Gamma Dyfrakcja X Detekcja neutronów Monitor promieniowania Pixel: 55 µm 256 x 256 pixeli 14-bit licznik odczytu na każdym pikselu Odczyt szeregowy <5ms@180MHz Odczyt równoległy <300us@120MHz (>1KHz kadr) Powierzchnia ~2cm 2

57 Od Medipix do TimePix e - from source test beam Pomiar śladów! Mikro TPC TimePix + GEM setup TimePix (EUDET: Bonn, Freiburg, Saclay, CERN, NIKHEF) 600 µm 14 mm 14 mm 3 pixel functionality modes DESY Test Beam: 5 GeV electrons 14 mm Freiburg Bonn X. Llopart M.Titov

58 Detektory gazowe detekcja promieniowania X Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV

59 Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym

60 Zastąpienie kliszy rentgenowskiej specjalną wielodrutową komorą proporcjonalną Zalety: obraz cyfrowy Pomiar 1D >>> scanning >>> obraz 2D zmniejszenie dawki promieniowania poprawa kontrastu

61 Optyczne detektory gazowe Prekursor Micro-pattern Gas Detectors? G. Charpak, J.P. Fabre, F. Sauli, M. Suzuki & W. Dominik, Nucl. Instr. and Meth. A258(1987)177

62 Optical Time Projection Chamber Dwuprotonowy rozpad 45 Fe K. Miernik et al, Nucl. Instr. Meth. A581(2007)194

63 System akwizycji danych OTPC HV LabView PC PM Kamera Frame Grabber PXI Digitizer 100 MHz TOF E DGF

64 Rekonstrukcja zdarzeń Z θ Y t L PM = v d t X φ Fotopowielacz XY L o Kamera Rekonstrukcja zdarzenia: (r, Θ, φ ) L o = r cosθ L PM = r sinθ r 2 = L o2 + L PM 2 Θ = arctan(l o /L PM )

65 Rozpad 2α jądra 8 Be T 1/2 = 0.77 s 8 B T 1/2 = 0.84 s 8 Li MeV 2α 3.04 MeV 8 Be 2α 2α

66 Rozpad 45 Fe w He +Ar (2:1) K. Miernik et al, Phys. Rev. Letters 99(2007),1-4

67

68 Zakłócenia i szumy Zakłócenia i szumy niepożądane sygnały w układach elektronicznych Występują w każdym elektronicznym układzie pomiarowym Przyczyny powstawania nie zawsze kontrolowane przez eksperymentatora Klasyfikacja (na użytek wykładu): zakłócenia zewnętrzne, wywołane pracą innych urządzeń elektrycznych, zjawiskami przyrodniczymi szumy powodowane przez fluktuacje transportu ładunku elektrycznego wewnątrz układu pomiarowego związane ze zjawiskiem przepływu prądu Zakłócenia zewnętrzne. Typowy tor przenikania zakłóceń : Źródło zakłóceń (nadajnik) Kanał transmisji odbiornik Eliminacja zakłóceń pomiarowych powinna zachodzić we wszystkich elementach toru transmisyjnego: zadanie niewdzięczne, nudne, żmudne czasochłonne i wymaga dużej intuicji, ale od skuteczności zależy jakość wyników pomiaru

69

70 Szum biały Sygnał + Szum

71 Widmo szumów oraz zakłóceń zewnętrznych Szumy i zakłócenia ograniczają czułość aparatury pomiarowej i precyzję pomiaru Należy z nimi walczyć! np.: technika modulacyjna (częstość modulacji zależy od eksperymentatora). najmniej zakłócone pasmo Hz Należy unikać wielokrotności częstości sieciowej!