Hardware RNDr. E. Jablonská, Ing. K. Kubata KIT ČZU Vaněk, J., Štěpánová, J., Jablonská, E.,Šilerová, E., Nezdarová, L. Informační technologie – vybrané kapitoly. J.Horák, Poznejte vnitřek počítače, Grada 2001 časopis CHIP
Historie • 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz první mechanické počítací stroje
• 19.století- Charles Babbage první mechanické zařízení provádějící aritmetické operace s čísly podle postupu na děrných štítcích (kartách pro řízení tkalcovských strojů)
• 1940 - Allan Turing Anglie počítač pro dešifrování zpráv z německého šifrovacího zařízení Enigma
• 1942 – Eckert a Mauchly Filadelfie počítač pro armádu pro vypočítávání dráhy střel
• Konrád Zuse Německo • 1944 MARK I (IBM na Harwardské universitě), ENIAC první elektronické počítače - základním stavebním prvkem elektromagnetické relé, později elektronky použití desítkové soustavy program definován propojením kabelů na propojovací desce KIT ČZU
2
Von Neumannova koncepce počítače procesor
• data a programy jsou totéž - posloupnost bitů v operační paměti– počítač s vnitřním řízením • počítač se přizpůsobuje aplikaci pouze obsahem paměti program se skládá ze strojových instrukcí (povelů) • paměť s přímým přístupem • počítač pracuje ve dvojkové sestavě KIT ČZU
3
Odlišnosti od Von Neumannovy koncepce • výpočetní systém může obsahovat více procesorů • počítač zpracovává více programů současně (multitasking) • program lze zavádět do paměti po částech (nemusí být zaveden celý)
KIT ČZU
4
Generace počítačů V 70. letech třídění podle použitých součástek • První generace – elektronky vědeckotechnické výpočty • Druhá generace – polovodiče (diody a tranzistory) koncem 50.let (tranzistor vynalezen již 1946 v Bellových laboratořích) • Třetí generace – integrované obvody (polovodičové elektronické součástky na malé ploše) od roku 1964 (první integrované obvody obsahovaly 10-100 tranzistorů na čip, nyní 100 000 000) KIT ČZU
5
Hlavní (operační) paměť
• množina paměťových míst o velikosti 1 B • byte (B) = 8 b (bitů) nejmenší adresovatelná jednotka paměti
• bit (b) - binary digit • adresa B pořadové číslo (vzdálenost od počátku paměti)
• typu RAM Random Access Memory - paměť s přímým přístupem Poznámka ke zkratce RAM: RAM RWM (Read Write Memory) RAM ROM (Read Only Memory)
KIT ČZU
6
KIT ČZU
7
Základní procesor
(CPU Central Processing Unit) • řadič (řídící jednotka) – jádro řadiče – čte , dekóduje a provádí instrukce – registry - rychlé pracovní paměti 32 bitů - 32 bitový procesor (dříve 16, 8) • řídící registr instrukcí, registr adres instrukcí • pracovní
• aritmeticko-logická jednotka (ALJ) (ALU Arithmetic Logic Unit) KIT ČZU
8
Činnost procesoru při provádění programu Procesor
A:=A+B-C
Datová sběrnice
Aritmeticko logická jednotka
Střadač (S)
204
5
C
202
20
B
200
10
A
ALJ Operační paměť
Registr instrukcí OZ Adresa
Jádro řadiče
Adresní sběrnice
Čítač instrukcí
106
STA 200
104
SUB 204
102
ADD 202
100
LDA 200
Řídící signály
Symb. zápis instrukce
Operační znak (OZ)
Význam
LDA X (Load to Accumul.)
0001
Obsah X S
ADD X
0011
Obsah S + obsah X S
SUB X
0100
Obsah S - obsah X S
STA X (Store Accumulator)
0010
Obsah S X KIT ČZU
9
Činnost procesoru při provádění programu • program se skládá z instrukcí • počet a druh instrukcí tvoří tzv. instrukční sadu daného procesoru • instrukce obsahuje operační kód a operandy • instrukce se provádí ve dvou fázích – výběrová – prováděcí • • • • •
načtení instrukce dekódování instrukce získání operandů provedení instrukce zápis výsledků KIT ČZU
10
Osobní počítače
(PC - Personal Computer) • IBM počátkem 80. let PC kompatibilní (slučitelné) počítače (kompatibilita programová, technická-zaměnitelné díly)
• jiné – PS/2 (Personal System) - IBM – Apple Macintosh
• kategorie PC – klasický (podle typu skříně: stolní-desktop, věž)
– – – –
notebook PDA NC (Network Computer - Oracle, Sun) NetPC (Network PC - MS, Intel, Compaq, HP) KIT ČZU
11
Sestava osobního počítače skříň počítače (case)
• • základní deska (motherboard, mainboard, systémová deska) – – – – – – – –
čipová sada (chipset) procesor (mikroprocesor) operační paměť cache paměť CMOS (konfigurační paměť) ROM (Flash EPROM) sběrnice další komponenty
• přídavné desky • vnější paměti diskety, pevné disky, USB disk, CD, DVD, streamer
• základní V/V (vstupní/výstupní ) zařízení monitor, klávesnice, myš, tiskárna
• ostatní přídavná zařízení
modem, scanner, plotter KIT ČZU
12
Skříň počítače měla by umožnit
– dostatečné chlazení – doplnění dalších dílů
provedení – desktop - monitor na skříni na stole – tower – pod pracovní plochou stolu (ne na zemi- nasávání prachu ventilátorem pro napájecí zdroj)
Čelní stěna počítače – – – – –
mechanika CD ROM (DVD ROM, vypalovačka) disketová mechanika tlačítko POWER tlačítko RESET diody • zelená – napájení • červená – práce pevného disku KIT ČZU
13
Základní deska (motherboard, mainboard, systémová deska) vícevrstvý plošný spoj (nejčastěji 6, 8 vrstev) standardně obsahuje • • • • • • • • •
čipovou sadu (chipset) patici (slot, socket) pro uchycení procesoru sloty pro moduly operační paměti paměť CMOS BIOS v paměti ROM (dnes Flash EPROM) řadič pružných a pevných disků (včetně CD-ROM, ZIP aj.) paralelní a sériové rozhraní, USB sběrnici, … sloty pro rozšiřující karty (ISA, PCI, AGP) konektory pro připojení dalších komponent
KIT ČZU
14
Čipová sada (chipset)
• určuje základní vlastnosti desky (podporované procesory, paměti, sběrnice) • skupina integrovaných obvodů • dva a více čipů • sdružuje různé funkce, které nevykonává procesor, paměť nebo další komponenty • řídí činnost sběrnic a komunikaci mezi sběrnicemi • řídí tok dat mezi procesorem, pamětí, diskem a dalšími zařízeními, připojenými k jednotlivým slotům a konektorům sběrnic • specielně zkonstruována pro práci s konkrétním typem procesoru např. pro Pentium 4 čipová sada Intel 850 (RDRAM), Intel 845 (SDRAM), Via Apollo P4X266 (společnost VIA Technology), SiS645 (Sillicon Integrated Systems) KIT ČZU
15
Čipová sada (chipset) • North Bridge – zajišťuje rychlé přesuny dat – systémovou sběrnicí (Front Side Bus FSB) je spojen s procesorem – připojena paměťová sběrnice – připojena sběrnice AGP
• South Bridge – zajišťuje připojení pomalejších periférií k základní desce – připojeny sloty ISA, EISA, PCI, IO porty (paralelní, sériový, rozhraní USB, Firewire), diskový subsystém KIT ČZU
16
Motherboard - Pentium 4
North Bridge South Bridge KIT ČZU
17
KIT ČZU
18
Procesor
• je řídícím centrem počítače • má sadu instrukcí • vyrábí – Intel – AMD - K5 (ekvivalent Pentia 1996), K6, Athlon K7, Duron, Athlon XP) – Motorola+IBM+Apple - POWER PC pro počítače Apple a systémy IBM Apple v roce 2006 přejde na procesory Intel – VIA • patice na základní desce, do které se zasunuje, se liší podle typu a výrobce – ke konkrétní základní desce lze připojit jen určitý procesor Socket 7 (Pentium), Slot 1 (Pentium II a Celeron), Slot A (Athlon)
• musí se chladit - ventilátorek KIT ČZU
19
• historické rozdělení (Intel) – – – – –
4 bitové (4004 – rok 1971) 8 bitové (8008 – rok 1972 - pro kalkulačky) 16 bitové (8086, 80286 – rok 1982) 32 bitové (80386, 80486DX, 486SX, Pentium, …) 64 bitové (Itanium)
• taktovací frekvence v MHz (megahertz), GHz – f (4MHz - 4GHz, v roce 2010 10GHz)
• strojový cyklus (takt) - T nejmenší časový interval činnosti procesoru T = 1/f
• šířka sběrnic sběrnice – soustava vodičů pro komunikaci s dalšími komponentami
• zvyšování výkonu
– vyšší frekvence – kvalita dalších komponent (systémová sběrnice aj.) KIT ČZU
20
Procesor
Základní typy procesorů Intel typ
8086
16bit
Datová sběrnice 16
Adresní sběrnice 20
Fyzická Virtuální paměť paměť 1 MB
80286
16
16
24
16 MB
1 GB
80386DX
32
32
32
4 GB
64 TB
80486DX (FPU) Pentium, Pentium Pro, II, III Celeron II Pentium 4 Itanium, Itanium 2
32
32
32
4 GB
64 TB
32
64
32
4 GB
64 TB
64 KIT ČZU
21
Procesory Intel • matematický koprocesor (8086-80386) FPU –Floating Point Unit pro operace v pohyblivé řádové čárce označení: 386DX/33
• rychlá vyrovnávací paměť (cache) – integrace na čip mikroprocesoru (80486)
KIT ČZU
22
Jednoduché typy dat Integer
celočíselné hodnoty - podmnožina celých čísel např. MS Access 2B rozsah <-32768, 32767> 4B rozsah <-2.1*109, 2.1*109 > zobrazení • kód s posunutou nulou
0000 0101
5
• přímý kód se znaménkovým bitem
1000 0101 -5 • doplňkový kód
KIT ČZU
23
Jednoduché typy dat Real
aproximace reálných čísel např. MS Access 4B nebo 8B max. absolutní hodnota řádově 1038
Zobrazení v pohyblivé řádové čárce m*zn m mantisa z základ číselné soustavy n exponent z-1 <= |m| <1 nebo m = 0
Př. v desítkové soustavě 573,6 = 0,5736 * 103 Způsob uložení v paměti m antisa
exp on en t
1.bit - znaménko čísla KIT ČZU
24
Procesor
Frekvence MHz 60-200
L1 kB 8/8
Pentium MMX Pentium Pro
166-233
32
150-200
8/8
Pentium II Celeron 300A (Mendocino) Pentium III
233-500
16/16
300-533
16/16
700-1000
16/16
Pentium
Pentium 4 HyperThreading technologie
1,3-3,8 GHz KIT ČZU
L2 kB
256 512 256, 512 128 256, 512 512, 2MB
zpožděný zápis predikce větvení 2 výpočetní linie 57 instrukcí pro grafiku, zvuk, video L2 na čipu dynamické provádění Pro+MMX multimédia, Internet
70 nových instrukcí Internet, sítě zpracování dvou vláken paralelně 25
Procesory Intel • PC – Pentium 4 Extreme Edition with HT Technology, Pentium D, Celeron D
• laptopy – Centrino Mobile Technology, Pentium M, Celeron M
• servery - Itanium 2, Xeon MP • pracovní stanice – Xeon, Pentium D, Pentium 4
KIT ČZU
26
procesory Intel®. Procesor Intel® Core™2 Extreme Procesor Intel® Core™2 Duo Procesor Intel® Core™ Duo Procesor Intel® Pentium® Extreme Edition Procesor Intel® Pentium® D Procesor Intel® Pentium® 4 s technologií Hyper-Threading¹ Extreme Procesor Intel® Pentium® 4 s technologií Hyper-Threading¹ Procesor Intel® Pentium® 4 Procesor Intel® Celeron® D Procesor Intel® Celeron®
KIT ČZU
27
Intel® Pentium® Extreme Edition procesor se dvěma jádry vyšší výkon v multitaskingu a větší propustnost. Dvoujádrový procesor Intel obsahuje v jednom pouzdru dvě samostatné výpočetní jednotky pracující na stejné frekvenci. Obě jádra využívají při komunikaci s čipovou sadou a pamětí stejné rozhraní. Dvoujádrové procesory Intel prostě přináší větší možnosti a současně efektivnější využití energie . KIT ČZU
28
Procesory AMD Advanced Micro Devices
• PC – Athlon 64 FX, Athlon 64, Athlon Sempron • mobilní – AMD Turion 64 Mobile Technology, Mobile AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 for Notebooks, Mobile AMD Sempron
• pracovní stanice – Opteron for Workstations • servery – Opteron for Servers
KIT ČZU
29
Procesor OPTERON Frekvence: 1.4GHz - 2 GHz Počet bitů: 64 Počet tranzistorů: 105,9 milonů Patice: Socket 940 Dvoujádrový procesot Athlon 64 X2
KIT ČZU
30
Výroba procesorů
Mooreův zákon (1965)
Počet tranzistorů na čipu se zdvojnásobí každých 24 až 18 měsíců – platí jen rámcově fyzikální limit asi kolem roku 2017 Výroba litografickou metodou •z válce čistého krystalického křemíku se řežou tenké plátky •na křemíkový plátek se nanese fotocitlivá vrstva, na kterou se promítne elektronický obvod (pro každý čip zvlášť) •vlastní součástky vznikají chemickým leptáním
•hotový procesor má zhruba 20 různých vrstev •vodivé části čipu tvoří měď nebo dříve hliník (možnosti hliníku dávno vyčerpány) •procesory jsou otestovány, pak se čipy řežou, zapouzdří a testují •výroba čipu trvá 6 týdnů •ve výrobní hale jsou lidé ve speciálních oblecích, 3 hodiny před nástupem na směnu nesmějí kouřit KIT ČZU
Zdroj: M. Stoklasa, Jak se „pečou“ procesory, CHIP 12/01
31
Průměr používaných křemíkových plátků se zvyšuje – – – –
v roce 1970 průměr 50 mm v roce 1990 průměr 150 mm později průměr 200 mm v roce 2000 průměr 300 mm
M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04 KIT ČZU
32
Lidský vlas je 100x větší než struktury na čipu KIT ČZU
M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04
33
Nové materiály a technologie • pro Pentia nejdříve 0,35 mikronová technologie (velikost struktur na čipu), nyní 0,18 (Pentium III a 4) a 0,13 (130nm) • vývoj 0,09 (90 nanometrové) technologie, po roce 2011 se předpokládá 22 nm (nm=miliontina milimetru) • vyšší stupeň integrace a vyšší rychlost, lze použít nižší napájení • 100 milionů tranzistorů dnešního procesoru bude možno umístit na menší plochu – umístění dalšího procesorového jádra, procesorová cache až 4MB • místo viditelného světla (do poloviny 90. let) se křemíkový plátek osvětluje ultrafialovým laserem o délce 248 a 193 nm • jemnější zaostřování světelného paprsku – nelineární fotolak, obracení fáze • v budoucnosti osvětlování extrémním ultrafialovým světlem (11-14 nm) ve vakuu (protože ultrafialové světlo je pohlcováno vzduchem) KIT ČZU
M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04
34
Problémy • atomy mědi pronikají do podkladového křemíku – měděné dráhy se obalují tenkou vrstvou z tantalu • čím jemnější elektrické vodiče, tím větší je elektrický odpor – křemík se napaří na křemíkogermaniovou podložku, jejíž atomy mají větší vzájemné vzdálenosti v mřížce, což vede k nižšímu elektrickému odporu křemíku • drobné nanotranzistory spínají stále nespolehlivěji – vývoj dvou a tříbránových tranzistorů, kde napětí dvě nebo tři brány (gate) • vodivé dráhy čipů budou mít do dvaceti let velikost molekul – kvantové efekty místo zákonů klasické fyziky M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04
KIT ČZU
35
Testování výkonnosti procesoru benchmark
postup, používající soubor programů a údajů, které slouží k vyhodnocení výkonnosti HW a SW počítače dané konfigurace (pro testy CPU, operační paměti, grafické karty, pevného disku, mechanik HD, CD/DVD-ROM mechanik, vypalovaček)
• univerzální – Sandra 2003 Standard, PCMark 2002
• pro CPU a základní desky – WCPUID, Motherboard Monitor, HotCPU Tester Lite – Aquamark3, PCMark04, 3DMark03 MIPS (Millions of Instructions Per Second) MFLOPS (Millions of Floating Points Operations Per Second ) KIT ČZU
36
