Hardware PC a mobilních zařízení

Hardware PC a mobilních zařízení Vladimír Hajko

2016

Vladimír Hajko (FVL UNOB)

Aplikovaná Informatika

1 / 52

Obsah 1

Struktura, požadavky, ukončení Struktura, cíle

2

Co je to informatika Základní pojmy

3

Hardware Základní komponenty, jejich srovnání, výběr a kompatibilita Komponenty

4

Výkon Měření výkonu

5

Shrnutí Rekapitulace Vladimír Hajko (FVL UNOB)


2 / 52

Struktura, požadavky, ukončení

Struktura, cíle

Outline 1


2


3


4


5



3 / 52


Struktura, cíle

Obsah předmětu

Přednášky: Základní přehled a orientace v terminologii Schopnost orientace v problematice počítačového vybavení, počítačových sítí, OS, bezpečnosti, specifického aplikačního vybavení

Cvičení: Pokročilejší orientace v SW zaměřeném na zpracování textu a dat (prioritně textový a tabulkový procesor) Doplňkové procvičování konceptů a jejich aplikací (vlastní zájem nezbytný :))



4 / 52


Struktura, cíle

Požadavky k ukončení

Ukončení: písemná zkouška, 5 otevřených otázek, každá za 20 bodů max 100 bodů, min. 50

V průběhu semestru je možné získavat bonusové body: Kontrolní zkoušce Kontrolní zkoušce -

autotest - práce s textovými procesory: až 15 bodů ke posuzuje a hodnotí cvičící autotest - práce s tabulkovými procesory: až 15 bodů ke posuzuje a hodnotí cvičící



5 / 52


Struktura, cíle

Kontakty

Přednášející: Vladimír Hajko ([email protected]) Cvičící: Zdeněk Šubrt ([email protected]) Petr Veselík([email protected])



6 / 52


Struktura, cíle

Organizace předmětu - okruhy

1

Hardware PC a mobilních zařízení

2

Software, licence, programování

3

OS, bezpečnost procesů, bezpečnost souborů

4

Počítačové sítě, topologie, Internet, bezpečnost TCP/IP, bezpečnost emailu a webu

5

Kryptografie, síťová bezpečnost, zásady pro bezpečnou komunikaci, počítačová bezpečnost

6

Datové modelování, databázové systémy a informační systémy, informační bezpečnost



7 / 52


Struktura, cíle

Organizace předmětu - cvičení Hlavní důraz kladen na zvládnutí elementárně nezbytných dovedností práce s kancelářským SW: Kontrolní autotest k ověření znalostí (bonusové body) - 7.-8. týden 1

Práce s textovým procesorem základní ovládání, standardní funkce, rozložení stránky, sloupce, oboustranný formát, konce, oddíly, záhlaví a zápatí, tabulky, vkládání objektů a rovnic, jejich umístění a pozice v textu a jejich značení ; šablony, styly, automatické obsahy, formuláře, křížové odkazy, sledování změn a revize;

2

Práce s tabulkovýmm procesorem základní ovládání, standardní funkce, relativní a absolutní adresování, funkce, rozložení stránky, konce stránek, formátování buněk, stínování a ohraničení, příčky, grafy, podmíněné formátování, souhrny, kontingenční tabulky, ověřování dat, citlivostní analýza, hledání řešení, řešitel;

3

Prezentační SW, praktické aplikace konceptů a nástrojů bezpečné komunikace, HTML a web, bezpečná práce s Internetem

4

Databázový SW - základní ovládání a funkce



8 / 52


Struktura, cíle

Literatura Podklady dostupné na http://k101.unob.cz/~hajkov -

přednášky slouží

jako základní osnova - podstatné však je pochopení pojmů, konceptů (ne memorování)

Lze využít i mnohé jiné informační zdroje - koncepty, pojmy atd. popsány v mnoha zdrojích, doplňující literatura (ne exhaustivní): DOSEDĚL, T. Počítačová bezpečnost a ochrana dat. Brno: Computer Press, 2004. 200 s. ISBN 80-251-0106-1. PUŽMANOVÁ, R. Bezpečnost bezdrátové komunikace. Brno: Computer Press, 2005. 184 s. ISBN 80-251-0791-4. BECK, M.; TEWS, E. Practical attacks against WEP and WPA [online].Listopad 2008. Dostupné z: http://dl.aircrack-ng.org/breakingwepandwpa.pdf KABELOVÁ, Alena a Libor DOSTÁLEK. Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. 5., aktualiz. vyd. Brno: Computer Press, 2008, 488 s. ISBN 978-80-251-2236-5. HORÁK, Jaroslav a Milan KERŠLÁGER. Počítačové sítě pro začínající správce. 5., aktualiz. vyd. Brno: Computer Press, 2011, 303 s. ISBN 978-80-251-3176-3. PFLEEGER, Charles P a Shari Lawrence PFLEEGER. Security in computing. 4th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, c2007, xxix, 845 p. ISBN 9780132390774. NORTHCUTT, S., et al. Bezpečnost počítačových sítí. Brno : CP Books, 2005. 589 s. ISBN 80-251-0697-7. PUŽMANOVÁ, R. Moderní komunikační sítě od A do Z. Brno : Computer Press, 2006. 432 s. ISBN 80-251-1278-0. KRÁL, M. Bezpečnost domácího počítače. Praha : Grada, 2006. 336 s. ISBN 80-247-1408-6. VANÍČEK, Jiří. Teoretické základy informatiky. 1. vyd. Praha: Kernberg, 2007, 431 s. Informatika studium (Kernberg). ISBN 978-80-903962-4-1. ULLMAN, Jeff a Jennifer WIDOM. A first course in database systems. New Jersey: Prentice Hall, c1997, xiii, 470 s. ISBN 0138613370. HASHIMOTO, Alan. Velká kniha digitální grafiky a designu. Vyd. 1.Brno: Computer Press, 2008, 384 s. ISBN 978-80-251-2166-5.



9 / 52

Co je to informatika

Základní pojmy

Outline 1


2


3


4


5



10 / 52


Základní pojmy

Co je to informatika? Vědní obor zabývající se počítačovými informačními systémy Zabývá se zpracováním informací a návrhem informačních systémů struktury, algoritmy, chování a interakace přirozených a umělých sytémů, které ukládají, zpracovávájí a poskytují informace mnoho podoborů, jak teoretických např. kybernetika, výpočetní technika, kryptografie aj. tak prakticky orientovaných vědní obor primárně řeší teoretické problémy, např. výpočetní složitosti, způsobu vykreslování grafických algoritmů aj.

Aplikovaná informatika: soustředí se primárně na využití v některých oblastech (typicky např. medicína, strojírenství, vojenství), konkrétní prostředky (datové, komunikační atp.)



11 / 52


Základní pojmy

Informace a data

Informace: jakýkoliv užitečný poznatek, lze z ní odvodit znalost a data Informace získána: buď jako obsah zprávy, nebo přímým pozorováním jevu Data: zakódovaná informace Jednotka informace: bit (bit = „binary digit“) (typicky, lze i jinak, např. nat) V teorii informací je informací seřazená sekvence symbolů abecedy, zpracování informace: vstupně-výstupní funkce, která mapuje vstupní sekvenci z abecedy X na výstupní sekvenci z abecedy Y



12 / 52


Základní pojmy

Kódování

Př. kódování: binární kód, Morseova abeceda Proč? K čemu může být užitečné?

Datové objekty Binární soustava Informační systém, zpracování



13 / 52


Základní pojmy

Binární kódování Jednotky informace reprezentovány jako 0 a 1 důvod: zapnuto/vypnuto (napětí vysoké / napětí nízké) součástky: tranzistory, polovodiče, logické brány (NAND, NOR) Bell Labs vyvinuly tranzistor v r. 1947 - velikost taková, že byl složen ručně (dnešní technologie: na špendlíkovou hlavičku se vejde 100 milionů 22nm tranzistorů) URL Zoom Into a Microchip

reprezentuje logické hodnoty (ano/ne, T/F), může reprezentovat i algebraická znaménka (+/-)

8 bitů = 1 byte počítače historicky využívaly 8 bitů pro reprezentaci jednoho písmene (28 možností = 256 znaků)

Narůstající kapacity: kB, MB, GB, TB, ...



14 / 52

Hardware

Využítí informačních technologií

Informatika: věda v pozadí - „vymýšlí, jak lze věci udělat“ jak lze komunikovat na dálku s využitím určitých principů (kódování, navigace, adresace, atp.)

Technologie: umožňuje (rychle a efektivně) prakticky používat teoretické koncepty síťová zařízení, fyzické přenosy signálu, zpracování signálů

Pro praktické použití nestačí jen „umět číst a psát“, ale také mít tužku a papír...



15 / 52

Hardware

HW vs SW

HW: fyzické komponenty počítače SW: zajišťuje požadovanou funkčnost počítače OS: spravuje systémové prostředky, poskytuje SW přístup k HW



16 / 52

Hardware

Historické kořeny Počítač: nástroj k zpracování informací Historické kořeny: primárně k aritmetickým operacím (počítadla, abakus, atp.) v průběhu historie digitální i tzv. analogové počítače (mechanické, hydraulické, elektrické) digitální počítač: reprezentuje hodnoty symbolicky analogvý počítač: reprezentuje hodnoty kontinuálně

využití: měření, astronomie, rutinní výpočty, navigace, dělostřelecké pomůcky, řízení procesů (např. pletací stroje), zpracování dat (sčítání obyvatelstva)

V průběhu času přechod k programovatelným počítačům (první koncept: Charles Babbage, 1833)



17 / 52

Hardware

Historické etapy

Moderní počítač: popsán Alanem Turingem (1936) Digitální počítač: pracuje s binárním systémem (není nutně elektronický - děrné štítky, Leibnizovo kolo aj.) Založený na Booleově algebře (George Boole, 1854) - 0, 1, ∧, ∨, ¬ Elektromechanické počítače: přepínače, relé Elektronicky pro Booleovo kódování využíváno různých druhů přepínačů: Elektronka (vacuum tube), cca 1943-1956 Tranzistor (cca do pol. 60. let) Integrované obvody (do cca 80. let) Integrované obvody a mikroprocesory (od 80. let)



18 / 52

Hardware

Architektura počítače - princip

Vstup program data

Zpracování Výstup výstupní zařízení



19 / 52

Hardware

Základní schémata:

von Neumann: data a instrukce mohou být uchovávány společně počítač pracuje vždy nad jedním programem; vždy v tzv. diskrétním režimu (do paměti počítače zaveden program, data a pak probíhá výpočet. V průběhu není možné s počítačem dále interaktivně komunikovat)

Harvard oddělení datových a instrukčních pamětí je možné současně číst instrukce z paměti programu a pracovat i s pamětí dat (zapisovat a číst)

Moderní počítače: modifikované Harvardské schéma



20 / 52

Hardware

Obrázek: Von Neumann schéma



20 / 52

Hardware

Blokové schéma CPU



21 / 52

Hardware

Strojový cyklus



22 / 52

Hardware

Pojmy Blokové schéma CPU: popisuje hlavní fuknční části a vazby mezi nimi Instrukční sada: soubor „mechanismů“ pro programování, popisujících organizační, funkční a provozní principy procesoru Strojový cyklus: popisuje základní proces funkce CPU: vykonání souboru uložených instrukcí (programu) instrukce jsou načteny z paměti (fetch), je potřeba je dekódovat (decode) a vykonat (execute) „rychlost procesoru“ ~ počet cyklů za sekundu (ale latence pamětí obvykle pomalejší) 1 THz TeraHertz (1012 cyklů/s) ~ cyklus: 1 pikosekunda (10−12 s) 1 GHz GigaHertz (109 cyklů/s) ~ cyklus: 1 nanosekunda (10−9 s) 1 MHz MegaHertz (106 cyklů/s) 1 mikrosekunda (10−6 s) Výkon 6= takt procesoru (vícejádrové proceosry, paralelizace, optimalizace atp.)

Výkon procesorů roste rychleji než výkon pamětí (tzv. paměťová bariéra (memory wall)) Vladimír Hajko (FVL UNOB)


23 / 52

Hardware

RISC a CISC Rozlišení „bohatosti“ instrukční sady procesoru: R - reduced, C complex (instruction set computing) některé instrukce nejsou užívány příliš často vkládání dalších instrukcí vyžaduje rozšíření řadiče procesoru

CISC: kód se provádí v minimálním počtu operací (i komplexní instrukce „věstavěny do HW“), snadná kompilace z high-level jazyků, krátký kód, malé nároky na RAM RISC snazší pro výrobu (menší chybovost), jednotná délka instrukcí (vždy jeden cyklus, CISC naopak i multi-cycle příkazy) zrychluje výběr a řazení do front, snazší dékodování instrukcí využívají zřetězené zpracování instrukcí (pipelining)

ALE také nárust délky programu (programy tvořeny omezeným počtem instrukcí a také kvůli jednotné délce všech instrukcí) Vladimír Hajko (FVL UNOB)


24 / 52

Hardware

RISC a CISC

Moderní CPU jakýsi hybrid mezi RISC a CISC (např. x86 architektura CISC, ale využívá mikrokód k překladu některých CISC instrukcí na jednodušší instrukce pro zpracování atp.) Typický příklad RISC: procesory postavené na architektuře ARM („Advanced RISC Machine“) ve smartphonech (on-chip system)

U RISC jsou tranzistory spíše využity pro paměťové registry, u CISC pro ukládání komplexních instrukcí Dnes obvyklé CPU instrukční sady (x86, x86-64/AMD64, IA-64), a různá jejich rozšíření (SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2 AVX, TXT, VT-x, VT-d)



25 / 52

Hardware

Paměti Primární paměť: určena pro rychlý přístup k programům a datům, typicky volatilní (není permanentní, vyjímky historicky), její obsah je přepisován dalšími programy, výstupy, atd. Sekundární paměť: určena pro dlouhodobé uchování programů a dat, permanentní (uchovává data i po vypnutí napájení) organizace ukládání řízena souborovým systémem OS Proč různé? Rychlost vs. hustota, cena vs. kapacita M0: registry M1: primární cache (instrukční a datová), cca 8-64 KiB M2: sekundární (L2) cache, SRAM, 512 KiB až 16 MiB; latence cca 1 ns M3: hlavní paměť DRAM, 1-8 GiB (servery i 128 GiB) (DRAM až 500x levnější než SRAM); latence cca 50 ns M4: odkládací paměť (soubory, swap) - flash paměti (cca 16x levnější než DRAM), magnetické disky (25x levnější); latence cca 75 µs až 10 ms

Vyšší vrstvy: rychlé, drahé (takže malé) Nižší vrstvy: pomalejší, levnější (takže větší kapacita) Vladimír Hajko (FVL UNOB)


26 / 52

Hardware

Vývoj paměťových technologií



27 / 52

Hardware

Vývoj paměťových technologií



28 / 52

Hardware

Snižování paměťové latence

Lokalita přístupu do paměti Časová (temporal) lokalita k nedávno použitým datům bude s velkou pravděpodobností přistupováno znovu reaktivní: nedávno použitá data uchováváme v malé, ale rychlé paměti

Prostorová (spatial) lokalita: pravděpodobně se bude přistupovat k datům poblíž těch, se kterými se právě pracuje proaktivní: k datům se přistupuje po větších blocích (načteme více dat, typicky okolních) prefetching: odhad co budeme potřebovat dále („načteme data dříve, než je potřebujeme“)



29 / 52

Hardware

Základní komponenty, jejich srovnání, výběr a kompatibilita

Outline 1


2


3


4


5



30 / 52

Hardware


Základní součásti PC Základní deska Chipset Northbridge (paměťové sběrnice s přímým přístupem k CPU) Southbridge (I/O zařízení) sběrnice (bus) “komunikační kanály” mezi součástmi např. USB, SATA, PCIe, FSB, Intel DMI 2.0, Intel QuickPath Interconnect (QPI), AMD HyperTransport

CPU ALU řadič v PC typicky CISC architektura (Complex instruction set computing), specializovaná zařízení RISC architektura (Reduced instruction set computing)

Další procesory (grafické (GPU), zvukové (DSP), specializované) Primární paměť Registry procesoru (Instrukční registr, Adresový registr, Pamětový registr, Akumulátor), cache, RAM

Sekundární paměť pevné disky (popř. terciární paměť: optické disky, zálohovací pásky atp.) Vladimír Hajko (FVL UNOB)


31 / 52

Hardware


Přídavná zařízení / periferie

Vstupní myš, klávesnice, touchpad, scanner

Výstupní monitor, tisárna, reproduktory

Vstupně-výstupní a zálohovací modemy, síťová rozhraní vnější paměti



32 / 52

Hardware


Další „nezbytnosti“ Zdroj (PSU,Power supply unit) - napájení součástek vyžaduje stejnosměrný proud nízkého napětí (obvykle větve 5 V a 12 V; MB dále transformuje 5V na obvyklých 1-2 V pro CPU a RAM (typicky 1.1-1.25 V pro CPU a 1.5 V pro RAM) spotřeba (a tedy i procházející proud a s ním související nároky na zdroj) však může být poměrně výrazná např. některé vrcholové řady CPU i7 kolem 130 W (běžná CPU dnes obvykle kolem 30-50 W, v NB cca 20 W i méně); GPU některé i přes 350 W (!), obvykle pod 200 W i méně pro srovnání např. pevné disky: jednotky W, monitory: 20-35 W doplňující srovnání: superpočítač Sunway TaihuLight - 40960 ks CPU, 1 310 000 GB RAM, spotřeba 15 MW (15 000 000 W), cena: 273 milionů USD

Procházející proud vyvíjí také teplo - nutnost chlazení pro vyvíjené teplo nominální hodnoty tzv. TDP (thermal design power), tzn. kolik W tepla v obvyklém provozu čip vyzařuje Dále: počítačová skříň (pro umístění komponent - základní desky a PSU, ostatní komponenty se zapojují do základní Vladimír Hajko (FVL UNOB) desky) a propojovací kabeláž (obvykle bundlováno s komponenty)


33 / 52

Hardware

Komponenty

Outline 1


2


3


4


5



34 / 52

Hardware

Komponenty

Základní deska Hlavní součást PC, patice, sloty a propojující sběrnice pro ostatní komponenty, zajišťuje jejich vzájemnou komunikaci a spolupráci (CPU, paměti (primární a sekundární), přídavné karty) Různé formáty - nejobvykleji ATX (Advanced Technology Extension) (existují i další: AT, LPX, NLX, BTX); ATX samo má několik velikostí (zejm. v posledních letech populární menší)



35 / 52

Hardware

Komponenty

Základní deska - konektory a sloty Propojení komponent zajišťují standardizované sloty (kompatibilita)



36 / 52

Hardware

Komponenty

Základní deska - chipset

De facto dva dominantní výrobci CPU: Intel a AMD používají vzájemně nekompatibilní sloty a chipsety Intel využívá Land Grid Array (LGA) patice (socket) - piny jsou v patici, na CPU jsou plošky AMD má piny na CPU, zapadají do děr v patici



37 / 52

Hardware

Komponenty

Patice CPU - INTEL



38 / 52

Hardware

Komponenty

Patice CPU - AMD



39 / 52

Hardware

Komponenty

CPU Hlavní část, kde se děje veškeré zpracování (viz cyklus: vstup-zpracování-výstup), pokročilá tranzistorová mikrotechnologie, v moderním CPU i více než 1.5 miliardy tranzistorů URL <Elektronová mikroskopie Pentium 3 CPU>(15 let starý CPU, 250 nm technologie - dnešní procesory na technologii 14-22 nm (tloušťka lidského vlasu: 90 µm, tj. cca 4000x více)



40 / 52

Hardware

Komponenty

Grafické karty Obvykle PCI-Express rozhraní (dřívější např. AGP), hardwarově specializovaný procesor (vyšší výkon pro určitý typ výpočtů (grafické operace))



41 / 52

Hardware

Komponenty

Sekundární paměti - Pevné disky - Rotační (magnetické) a SSD Typicky stovky až tisíce GB, cena cca 1-2 Kč za GB, přenosové rychlosti do 150 MBps (sekvenčně); SSD násobně dražší (5-20x), rychlosti až 500 MBps (velmi výrazně rychlejší náhodné)



42 / 52

Hardware

Komponenty

Externí (terciární) paměti Externí disky (konstrukčně podobné jako interní), magnetické, SSD Floppy disk (disketa) - magnetický zápis, (1 ks ~ 30 Kč, kapacita 1.44 MB, přenosové rychlosti: cca 45KBps)



43 / 52

Hardware

Komponenty

Externí paměti - optická média (CD-ROM, CD-RW DVD-ROM, DVD-RW Blu-Ray) CD - 700 MB, cena cca 4/10 Kč/ks (R/RW); DVD 4.7 GB cena 10/30 Kč/ks (R/RW), Blu-Ray 25 (50) GB, 20/330 Kč/ks (R/RE) 1x CD speed = 150 KBps, 1x DVD speed = 1352 KBps, Blu-Ray 1x speed = 4394 KBps



44 / 52

Hardware

Komponenty

Externí paměti - FLASH, USB, pamětové karty (SD, CF, atp.) Principiálně jako SSD disky - ukládání v čipech založených na logických bránách NAND nebo NOR, bez pohyblivých součástí



45 / 52

Hardware

Komponenty

Externí (terciární) paměti - Magnetické pásky Dnes již nepříliš populární, dříve- způsob ukládání velkých množství dat relativně levně; pomalý zápis i čtení (lze pouze sekvenčně), dnes cca 1 Kč za 1GB, malé páskové systémy desítky až stovky, velké páskové systémy i několik TB



46 / 52

Hardware

Komponenty

Zdroj (PSU)



47 / 52

Výkon

Měření výkonu

Outline 1


2


3


4


5



48 / 52

Výkon

Měření výkonu

Měření výkonu

Výkon obvykle limitován nějakým úzkým hrdlem (bottleneck) Nejčastější omezení - paměťová propustnost a latence Např. nedostatek RAM, častější swapování (zápis paměti na pevný disk) - extrémní rozdíly v rychlostech primárních a sekundárních pamětí - extrémní zpomalní práce s PC - řešení - více RAM

Cena vs. výkon - nejlepší cestou ke zvýšení výkonu je zaměřit se na úzká hrdla V dnešní době obvyklé úzké hrdlo většiny PC pevný disk - uživatelsky příjemný nárůst rychlosti odezvy při užití SSD



49 / 52

Výkon

Měření výkonu

Měření výkonu Každá z komponent „dělá něco jiného“, navíc uživatelé mají rozdílné požadavky limitující možnost zcela objektivního srovnání, nejblíže syntetické benchmarky, např. PassMark PerformanceTest , PC Mark, Novabench aj. (vždy nezbytné srovnání v rámci stejného benchmarku) Benchmarky zaměřené na individuální komponenty: typicky CPU (Geekbench, Prime95, SuperPi, Cinebench aj.), GPU (Passmark, 3DMark, často také výkon v nějaké počítačové hře testovací sekvence při daném rozlišení a nastavení kvality), HDD (CrystalDiskMark, Passmark, ATTO, HD Sentinel aj.), RAM (Passmark, Novabench, Maxxmem2, Geekbench)

Srovnání výkonu individuálních komponent: např. userbenchmark.com, CPUBoss, GPUBoss aj.



50 / 52

Shrnutí

Rekapitulace

Outline 1


2


3


4


5



51 / 52

Shrnutí

Rekapitulace

Rekapitulace Základní pojmy: informatika, aplikovaná informatika, informace, data, kódování, HW, architektura počítače, schémata: Harvard vs. von Neumann, základní součásti PC, strojový cyklus, paměti, paměťová latence, CPU, MB, GPU, HDD

Zjistěte zda tzv. chytré telefony (smartphone) využívají RISC nebo CISC architekturu a proč? Na vlastním HW si vyzkoušejte získat informace o specifikacích (možnost využít napr. SW Speccy (freeware) nebo Aida64 (trial)) Vyberte si libovolnou základní desku (např. na e-shopu, webu výrobce atp.) a oveřte si, že rozumíte specifikacím (příp. si neznámé pojmy vyhledejte)



52 / 52

Hardware PC a mobilních zařízení

Recommend Documents