Informatika 2
Technické prostředky počítačové techniky - 3 Přednáší:
doc. Ing. Jan Skrbek, Dr. - KIN
Přednášky: středa
1420 – 1555 1610 – 1745
Spojení:
e-mail:
[email protected] tel.: 48 535 2442
Obsah:
• • • • • IN2-3
Funkce cache Vnější paměti Signálové přenosy v PC Systémové sběrnice Interface 1
Technické prostředky počítačové techniky – 3
.
Počítač - stroj, který podle předem připravených instrukcí zpracovává data Základní části: – centrální procesorová jednotka (schopná řídit se posloupností instrukcí a ovládat další části počítače) – zařízení pro ukládání dat (paměť) – zařízení pro vstup dat (např. klávesnice, myš, …) a výstup dat (např. monitor, tiskárna, …)
Vstupy
Paměť
Procesor
Výstupy
Sběrnice
ALU
ŘADIČ 24.3.2015
IN2-15-03
John von Neumann koncepce počítače 2
+
Externí velkokapacitní paměti Obsah:
• Dělení pamětí • Magnetická média – diskety, disky, pásky • Optická média – princip záznamu, CD, DVD • Holografické disky • Paměti flash
IN2-1
IN2-15-03
3
Záznamová média
• • •
Růst datových potřeb Pojem „velkokapacitní“ se mění v čase Dříve několik MB, dnes stovky GB až desítky TB
24.3.2015 IN2-15-03
4
Záznamová média
Stručný vývoj •
1951 – 1. magnetická páska použita jako záznamové médium
•
1956 – IBM uvedlo 1. pevný disk
•
1971 – první disketa (od IBM) – 8”
•
1982 – první hudební CD v prodeji (vyvinuto 1979)
•
1983 – první 3,5” harddisk
•
1985 – první CD-ROM
•
1988 – první 2,5” harddisk
•
1994 – Zip médium představeno firmou Iomega
•
1994 – vyrobeno CD-R
•
1996 – první DVD
•
1998 – technologie SuperDLT magn. pásek
•
.....
24.3.2015 IN2-15-03
5
Záznamová média Pevný disk
• 1956 – IBM RAMAC 305
• 50 kotoučů • kapacita 5 MB 24.3.2015 IN2-15-03
6
Záznamová média
Dělení záznamových médií • dle fyzikálního principu (magnetické, optické, magneto-optické)
• dle typu záznamového média (páskové, diskové, polovodičové)
• dle výměnnosti média • dle kontaktu čtecí/záznamové hlavy s médiem
• dle pohybu hlav při práci paměti 24.3.2015 IN2-15-03
7
Záznamová média
Dělení záznamových médií • magnetická • optická • ostatní
Hard disk Disketa Pásky
CD DVD Blue Ray Disc Holografický disk ZIP MO média Flash memory 24.3.2015 IN2-15-03
8
Záznamová média
Magnetická média • nosič potažený tenkou feromagnetickou vrstvou • záznamová hlava polarizuje částice v magnetické vrstvě • lze je snadno poškodit • pásková, disková (pevné disky, pružné disky)
24.3.2015 IN2-15-03
9
Způsob záznamu Disketa/disk
– formátování: • BOOT RECORD • FAT • ROOT DIRECTORY
sektor
stopa cylindr (všechny stopy nad sebou
záznam na 1 stopu 1 sektor: • 571 B neformátovaných dat • 512 B formátovaných dat
možnost „vlastního formátování“ 24.3.2015
ROZDÍL: • identifikátor stopy • identifikátor sektoru
IN2-15-03
10
+
Způsob záznamu Disky Osa Plotny (disky)
Čtecí a zapisovací hlavy
P
Vzduchotěsné pouzdro
24.3.2015
Řídící jednotka Vyrovnávací paměť
IN2-15-03
11
Způsob záznamu Disky cylindr
hlavička vystavování hlaviček: – krokový motorek – vystavovací cívka (lineární motor) • • •
24.3.2015
formátování: – BOOT RECORD – FAT – ROOT DIRECTORY
access time: doba vystavení + doba čekání prokládání (interleave) zone bit recording (ZBR)
IN2-15-03
12
+
Způsob záznamu Disky
cylindr
hlavička
Alokační jednotka (cluster): • nejmenší logická datová jednotka na disku • zaváděna z důvodů adresace • obsahuje jeden nebo více sektorů (až 64 sektorů)
BOOT RECORD ROOT DIRECTORY
VFAT #1 (12 – 32 bitů) VFAT #2 24.3.2015
IN2-15-03
NTFS (New Technology File System) - náhrada FAT - VFAT 13
+
Způsob záznamu NTFS je upřednostňovaný systém souborů pro Windows 7 + • Schopnost automatického zotavení z některých chyb souvisejících s diskem • Vylepšená podpora větších pevných disků • Lepší zabezpečení, protože lze používat oprávnění a šifrování pro omezení přístupu k určitým souborům pro určité uživatele Systém FAT32 • používal se v některých dřívějších verzích systému Windows a v současné době se používá u většiny jednotek USB Flash • má omezení velikosti (v oddílu FAT32 nemůžete vytvořit větší oddíl než 32 GB a uložit jeden soubor větší než 4 GB).
24.3.2015
IN2-15-03
14
+
Magnetická média Pevné disky
Vzdálenost hlav od povrchu plotny
24.3.2015
IN2-15-03
15
Magnetická média Pevné disky
Disková pole (RAID = Redundant Array of Independent {Inexpensive} Disks) •
• •
vícenásobné diskové pole levných disků je typ diskových řadičů, které zabezpečují pomocí speciálních funkcí koordinovanou práci dvou nebo více fyzických diskových jednotek. Zvyšuje se tak výkon a odolnost vůči chybám nebo ztrátě dat. z několika menších disků vytvoříme jeden větší několik úrovní (levels) – dle funkcí - nejčastější: • RAID 0 (prokládání – stripping), • RAID 1 (zrcadlení – mirroring), • RAID 5 (používá dva paritní disky, přičemž na každém z nich je parita vypočtena jiným způsobem)
24.3.2015
IN2-15-03
16
Trendy v oblasti záznamových médií Pevné disky:
• • • •
24.3.2015
zvyšování kapacity snižování přístupové doby zvyšování rychlosti otáček zvyšování spolehlivosti
IN2-15-03
17
Způsob záznamu Magnetické pásky používány od dob sálových počítačů
• kontaktní záznam • pomalé sekvenční vyhledávání dat (musíme přetočit část pásky)
• použití: zálohování, archivace - IBM • až 200 stop na šířku pásky • kapacity okolo 1 TB • zápis rychlostí 100 MB/s • vhodné pouze pro zálohování
24.3.2015
IN2-15-03
18
Optická média • • • •
24.3.2015
laser pro záznam i čtení základní princip u všech typů optických médií je stejný necitlivá na magnetické pole či otřesy základní typy: CD, DVD, BD, HD-DVD
IN2-15-03
19
Technické prostředky počítačové techniky Compact Disc Disk
Způsob záznamu: • • • •
Pit
původně pro záznam zvuku z polykarbonátu průměr 12 cm tloušťka 1,2 mm • •
•
Pole
Čočky
Čočky
zápis do spirály, laser 780 nm metoda CLV (Constant Linear Velocity) pity (díry) vs. landy (stupně)
Polopropustné zrcadlo Fotodioda Laser
spirálová stopa standard - Yellow book standard přenosové rychlosti: 150 kB/s 24.3.2015
IN2-15-03
20
Technické prostředky počítačové techniky ORGANIZACE DAT ( na CD ROM ) •
Pole a prohlubně na discích nepředstavují nuly ani jedničky, ale jednička je vyvolána změnou laserového paprsku, žádná změna reprezentuje nulu
Datový sektor se skládá z 2352 B tvořených : • • • •
24.3.2015
synchronizační hlavičkou hlavičkou s adresou sektoru jádrem sektoru tvořeným datovou částí 288 B dlouhá část pro opravný kód EDC /ECC
IN2-15-03
21
Optická média DVD (Digital Versatile Disc)
• • • •
24.3.2015
podobná technologie jako u CD vlnová délka laseru 640 nm předlisovaná drážka u zapisovatelných disků mohou být dvouvrstvá a oboustranná
IN2-15-03
22
Technické prostředky počítačové techniky Digital Versatile Disc • 1999 – první film distribuovaný na DVD • menší pity • více stop • dvě strany, dvě vrstvy na každé straně • 4,7 GB v jedné vrstvě
porovnání CD a DVD
• Řada formátů DVD Video, DVD ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD RAM, DVD+RW vrstva DVD
24.3.2015
IN2-15-03
23
Paměťová média - externí CD, DVD, Blu-ray disk •
Čtení a zápis pomocí laseru
•
CD: 700 MB
•
DVD: 4,7 – 17,1 GB
•
BD: 25 – 100 GB
IN2-15-03
Trendy v oblasti záznamových médií Blue Ray Disc •
přepisovatelný disk
•
zhuštění záznamu
•
dvě vrstvy
•
laser s kratší vlnovou délkou
•
27 GB na jedné straně, 54 GB dvouvrstvá média • typy BD: BD-ROM, BD-R, BD-RW, BD-RE
•
36 MB/s
•
nahrávání HDTV
24.3.2015
IN2-15-03
25
Slepá cesta HD-DVD (AOD = Advanced Optical Disc)
• •
•
24.3.2015
modrý laser 405 nm kapacita: 20 GB jednovrstvá, 32 GB dvouvrstvá přepisovatelná média vzhledem k rozhodnutí hollywoodských producentů řešení neúspěšné
IN2-15-03
26
Paměťová média - externí Archival Disc s kapacitou 300 GB až 1 TB
Disk je oboustranný
každá strana nabídne tři vrstvy pro zápis
První generace formátu Archival Disc s kapacitou 300 GB by přitom měla být na trhu dostupná v roce 2015.
Další zdokonalení technologie má umožnit zvýšení kapacity na 500 GB až 1 TB. IN2-15-03
Holografický víceúčelový disk (HVD)
Bodový kód viditelný z určitého úhlu podle natočení osy laserového paprsku
1947 Denis Gabor – vynález holografie
1960 konstrukce laseru
2004 specifikace HVD
3,9 TB
1 Gb/s
IN2-15-03
Holografické disky (Holographic Versatile Disc) - data jsou v nich na rozdíl od CD nebo DVD zapisována trojrozměrně, První komerční mechaniku pro holografické disky uvedeny na trh v roce 2008
•
Maxwell, Tapestry,...
•
cena driveru: 18 tis. $, médium: 180 $
•
kapacita: na jednu plotnu 500 GB
•
střední doba mezi poruchami: 100 000 hodin
•
archivační doba: 50 let
průměr 130 mm, tloušťka 3,5 mm
současnost:
•
6 TB, 20ti vrstvový disk (Holographic Versatile Disc - HVD)
•
dosažitelná kapacita - 1,6 TB
•
přenosová rychlost – 20 - 120 MB/s http://searchstorage.techtarget.com/sDefinition/0,,sid5_gci1311100,00.html
24.3.2015
IN2-15-03
29
SSD – Solid-State Drive
Pevný disk bez pohyblivých částí
Výhody:
Tichý chod
Nezahřívá se příliš
Nízká spotřeba energie
Malé rozměry
Vysoká přenosová rychlost
1978 Texas Memory Systems (16 kB)
Dnes 512 GB, rychlost čtení 800 MB/s
Nevýhody:
Omezený počet přepsání jedné buňky IN2-15-03
Technické prostředky počítačové techniky Signálové přenosy Vstupy
Paměť
Procesor řídící sběrnice
24.3.2015
ALU ŘADIČ
IN2-15-03
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice 31
+
Sběrnice (anglicky bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresních a datových vodičů (v případě paralelní sběrnice) nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí přenosovým protokolem. V případě modulární architektury elektronického zařízení nebo počítače je sběrnice po mechanické stránce vybavena konektory uzpůsobenými pro připojení modulů.
24.3.2015
IN2-15-03
32
Technické prostředky počítačové techniky Komunikace mikroprocesoru s okolím
řadič klávesnice
řadič DMA řadič přerušení
paměť cache
lokální sběrnice
Rychlá V/V zařízení
operační paměť
mikroprocesor
Rozšiřující desky
ostatní zařízení na základní desce
systémová sběrnice 24.3.2015
IN2-15-03
33
Technické prostředky počítačové techniky Sběrnice Základní parametr sběrnice: přenosová rychlost: šířka datové a adresní části sběrnice řídící frekvence
Standardy – nejčastější typy: – – – – –
ISA 8 - bitová, ISA 16 -bitová EISA-Bus (Extended ISA) MCA - Microchannel-Architektura - (IBM) PCI (Peripheral Component Interconected) AGP - jednoúčelová sběrnice určená pro připojeni grafického rozhraní (karty) k systému, přenosová rychlost 260 MB/s - 2 GB/s – PCI-Express (PCIe) - nová sériová implementace sběrnice PCI 24.3.2015
IN2-15-03
+34
Technické prostředky počítačové techniky ISA - Industrial System Architecture – 1981: princip - vyvedené vnější signály procesoru
Řešení „Localbus“ rozděluje sběrnici na dvě oblasti: • lokální (propojuje graf.karty, síť. karty, HD, SCSI...) - integrována přímo do sběrnice procesoru, ovládány jeho taktovou frekvencí POZNÁMKA: Při vyšších frekvencích (nad cca 30 MHz) se uplatňuje vliv elektromagnetického záření – nejvíce z konektorů (fungují jako antény), proto lokální sběrnice obsahuje velmi omezený počet konektorů (obvykle 2-3)
• vnější sběrnice: pro ostatní zařízení (desky)
24.3.2015
IN2-15-03
35
Technické prostředky počítačové techniky existují různé sběrnice typu „Localbus“ – př. PCI PCI - Peripheral Component Interconect – Intel – novější typ „inteligentní“ sběrnice, šířka 32 nebo 64 bitů, burst režim – autokonfigurace karet v kartě nainstalován "autokonfigurační registr", který si procesor přečte a rozpozná, která karta v slotu PCI je instalována (t.j. odpadá manuální nastavování)
24.3.2015
IN2-15-03
+36
Technické prostředky počítačové techniky
PCI - Expres Propustnost PCI-E (2.0) je: - 500 MB/s (obousměrný provoz 1 GB/s) na obrázku prostřední (nejkratší) - 2 GB/s (resp. 4 GB/s) na obrázku nahoře - 8 GB/s (obousměrně 16 GB/s) nejdelší 2 sloty na obrázku
24.3.2015
IN2-15-03
+37
Technické prostředky počítačové techniky
Rozhraní PC - interface Typy rozhraní: • paralelní rozhraní • sériové rozhraní • synchronní rozhraní (přítomnost
synchronizačních signálů – hodinové pulsy)
• asynchronní rozhraní (nepřítomnost synchronizačních signálů)
24.3.2015
IN2-15-03
+38
Technické prostředky počítačové techniky
Rozhraní PC - interface Řeší způsob připojení vnějších zařízení
Paralelní rozhraní Centronix
data adresy příkazy
– původně jednosměrné (pro tiskárny "CENTRONICS“) – od r. 1994 je standard obousměrný Platná data
Data Strobe Busy Ack t1
24.3.2015
t2
IN2-15-03
t3
t4
+39
Rozhraní PC - interface
Sériové rozhraní – nejstarší rozhraní, asynchronní port - RS 232, RS 232C, V24 – IRQ 3 - COM 2, IRQ 4 - COM 1 – 25 kolíkový nebo 9 kolíkový konektor CANNON / často i jiný - problémy/ – „norma" 15/20 000 (vzdálenost do 15m, rychlost do 20 kBd) – "on" napětí > 3V, "off" napětí < -3V data adresy příkazy
• Data se přenášejí po jednom vodiči v jeden okamžik se přenáší vždy jeden bit
24.3.2015
IN2-15-03
41
Rozhraní PC - interface SCSI „Small Computer System Interface“ • připojování rychlých periferií (disky serverů, CD/DVD-ROM, streamery, optické disky...) • logika řadiče přímo v periferním zařízení - umožňuje zónový záznam (Zone Bit Recording - ZBR) • inteligentní interface - periferní zařízení se "oslovuje" úplnými příkazy (Common Command Set - CCS) • vysoká přenosová rychlost - až 640 MB/s (Ultra-640) • sériová verze SCSI, nejrychlejší FC AL 4Gb – 400 MB/s • připojování až 8 nebo 16 zařízení (vyšší číslo = vyšší priorita) • nastavení adresy "v řadě" zař. SCSI • přenosy asynchronní i synchronní 1 zař. • plochý kabel do 12 m PC 2 • terminátor zař.
3 24.3.2015
IN2-15-03
terminátor
42
Rozhraní PC - interface USB - Universal Serial Bus • standard sériové sběrnice vyvinutý firmami Compaq, Intel, IBM, Microsoft,… v roce 1995 • hlavním cílem - definovat externí rozšiřující sběrnici umožňující snadné připojování periferních zřízení - tzv. functions • K host controlleru je připojen tzv. root hub (kořenový rozbočovač), ke kterému je možné připojit: – USB zařízení (může obsahovat i USB hub) – USB hub: zařízení, které slouží jako rozbočovač pro připojení dalších USB zařízení Tímto vzniká stromová (pyramidová) fyzická topologie, avšak logická topologie (princip komunikace) odpovídá topologii sběrnice – – – – – – – 24.3.2015
2 diferenciální datové vodiče + 2 napájecí vodiče 5 V/500 mA podpora Plug and Play přenosové rychlosti 1,5 Mb/s (USB1), 480 Mb/s (USB 2), 4,8 Gb/s (USB3) podpora současných operací na více zařízeních připojení až 127 zařízení možnost připojování za chodu počítače napájení 5V součástí interface IN2-15-03
43
Rozhraní PC - interface USB - Universal Serial Bus • Je rovněž možné, aby zařízení mělo svůj vlastní napájecí zdroj • Připojování zařízení se provádí pomocí standardního 4 vodičového kabelu
Jednotlivá zařízení je možné k USB sběrnici připojovat (odpojovat) i za chodu počítače (hot-swap) a je úkolem programového vybavení, aby příslušné změny rozpoznalo 24.3.2015
IN2-15-03
44
Rozhraní PC - interface IrDA
• IrDA zařízení komunikuji pomocí infračervených LED diod s vlnovými délkami vyzařovaného světla 875 nm • IrDA 1.0 a 1.1 pracují do vzdálenosti 1.0 m při maximální úrovni okolního osvětlení 10 klux (denní svit slunce) • Rychlosti jsou pro IrDA 1.0 do 115,2 kb/s, pro verzi 1.1. do 1.152 Mb/s • Pulsně polohová modulace (PPM) – 4 Mb/s • Formát dat je stejný jako na sériovém portu, tedy asynchronně vysílané slovo uvozené startbitem
24.3.2015
IN2-15-03
46
Rozhraní PC - interface Bluetooth – základní vlastnosti • • • • • • •
bezdrátová radiokomunikace miniaturní velikost nízká cena (při vysokých objemech produkce) robustní spojení krátký dosah (standardně 10m) malý příkon (vyplývajícího z tohoto omezeného dosahu) automatické konfigurace (uživatelsky jednoduchá technologie)
Bluetooth 4.0 (2011): • větší dosah (až 100 metrů) • menší spotřeba elektrické energie • podpora šifrování AES-128. Bluetooth 2.0 EDR (Enhanced Data-Rate) zavádí novou modulační techniku a zvyšuje tak datovou propustnost na trojnásobnou hodnotu oproti Bluetooth 1.2 (2,1 Mbit/s)
24.3.2015
IN2-15-03
47
Rozhraní PC - interface Firewire (IEEE 1394) – základní vlastnosti • Plug and Play (automatická detekce a konfigurace) - jednoduché (žádné) nastavení -> odpadají nastavení ID, přepínače, terminátory... • Hot Swap (možnost připojení a odpojení za chodu) • vysoká přenosová rychlost – 3,2 Gb/s (možnost až na 6,4 Gb/s) • datový tok nemusí řídit procesor • univerzální použití, orientace ale zejména na multimédia • poněkud vyšší cena implementace FireWire na rozdíl od USB není tak hodně rozšířen. Ačkoli nominální rychlost FireWire 400 (400 Mbit/s) se zdá být nižší než u USB 2.0 (480 Mbit/s), v reálu FireWire dosahuje vyšších rychlostí přenosu dat než USB 2.0, zejména díky svému přenosovému protokolu 24.3.2015
IN2-15-03
48
Rozhraní PC - interface
HDMI – High-Definition Multimedia Interface • přenos nekomprimovaného obrazového a zvukového signálu v digitálním formátu. • propojování zařízení typu počítač, satelitní televizní přijímač, DVD přehrávač nebo A/V receiver s kompatibilním zařízením • podporuje přenos videa ve standardní, rozšířené nebo high-definition kvalitě, a až 8-kanálový digitální zvuk. • nezávisí na různých televizních a satelitních standardech, protože přenáší nekomprimovaná video data. • V současnosti existují čtyři typy HDMI konektorů Přenosové rychlosti až 10,2 Gb/s... 24.3.2015
IN2-15-03
49
