Informatika 2
Technické prostředky počítačové techniky - 2 Přednáší:
doc. Ing. Jan Skrbek, Dr. - KIN
Přednášky: středa
1420 – 1555 1610 – 1745
Spojení:
e-mail:
[email protected] tel.: 48 535 2442
Obsah:
• Sběrnicová struktura PC • Procesory PC – funkce, vlastnosti • Interní počítačové paměti PC • ROM • RAM • Paměti typu CACHE IN2-2
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
IN2-14-02
John von Neumann koncepce počítače 2
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikropočítač
Vstupy
řídící sběrnice
24.3.2015
Paměť
Procesor Mikroprocesor ALU ŘADIČ
IN2-14-02
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice 3
+
Technické prostředky počítačové techniky Procesor Řadič Aritmeticko logická jednotka
ALU
datová sběrnice
adresní sběrnice řídící sběrnice
datová sběrnice - přenáší zpracovávaná data adresní sběrnice - zajišťuje vybírání správných adres nebo dat
řídící sběrnice - přenos řídících a synchronizačních signálů
24.3.2015
napájení
Výkonný díl počítače Zpracovává a vykonává instrukce zadané programem IN2-14-02
4
+
Technické prostředky počítačové techniky Mooreův zákon
Gordon Moore 1965
24.3.2015
IN2-14-02
5
+
Technické prostředky počítačové techniky Procesor Výkon procesoru • parametr MIPS (Mega Instruction per Second) • FLOPS (Floating Point Operation Per Second) Vykonání instrukce procesoru vyžaduje jednotky až desítky taktů (strojových cyklů) Odpověď na otázku: „Kolikabitový je Výkonnost procesoru ovlivňují následující faktory: počítač?“ • Šířka slova - počet bitů, které může procesor v daném okamžiku zpracovat, často totožná s šířkou datové sběrnice (počet bitů, které mohou být v daném okamžiku předávány mezi komponenty počítače) • taktovací frekvence - počet cyklů zpracování, které provede procesor za 1vteřinu • soubor instrukcí (efektivita mikrokódu) • šířka datové sběrnice procesoru • kapacita cache • velikost adresovatelné paměti 24.3.2015
IN2-14-02
6
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroinstrukce - elementární operace, kterou je procesor schopen vykonat na jeden takt Instrukční sada mikroprocesoru je soubor instrukcí, které je procesor schopen vykonávat obsahuje instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, instrukce pro aritmetické a logické funkce, instrukce pro řízení programu a systémové instrukce. Dále pak i instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí a instrukce pro multimediální programy
Druhy mikroprocesorů dle velikosti instrukční sady: • CISC (Complete Instruction Set Computer) - vybavení procesoru co nejúplnější instrukční sadou (převládají u PC) • RISC (Reduced Instruction Set Computer) - pouze základní instrukce a instrukce pro konkrétní aplikace (Workstation,..) • Hybridní - současné procesory - podporují CISC, ale vnitřní strukturou jsou více podobné typu RISC
Další důležité parametry: • vnitřní paměť CACHE - tzv. „first level cache“ - velmi rychlá statická paměť RAM, integrovaná do mikroprocesoru co nejblíže ALU • „second level cache“ – větší, “vzdálenější“ od ALU, „pomalejší“ 24.3.2015
Vícejádrový procesor je obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení. + IN2-14-02
7
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor Chladič •
používá se ke snížení teploty procesoru Aktivní chladič – ventilátor
Napájení ventilátoru Pasivní chladič
24.3.2015
IN2-14-02
8
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor Systém přerušení: • Přerušení - je signál řídící sběrnicde, který k mikroprocesoru vyšle (generuje) hardwarové zařízení nebo program • Vektor přerušení - každé přerušení je identifikováno svým číslem. Vektor přerušení ukazuje na adresu v paměti, kde je uložen obslužný program přerušení. • Před skokem na vektor přerušení uloží mikroprocesor svůj momentální stav do registrů zásobníku - možnost pokračování v činnosti po „obsluze“ přerušení.
architektura mikroprocesoru – určuje způsob zpracování instrukcí:
24.3.2015
•
sekvenčně, tj. jedna za druhou,
•
superskalárně, tzn. nezávisle na sobě.
IN2-14-02
9
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor
Blokové schéma mikroprocesoru (Intel 8080) 24.3.2015
IN2-14-02
10
Technické prostředky počítačové techniky Parametry mikroprocesorů Vývoj procesorů Intel®
24.3.2015
IN2-14-02
11
+
Technické prostředky počítačové techniky Parametry mikroprocesorů Intel® Pentium® 4 Northwood (Intel® Pentium® uveden na trh v roce 1993, Pentium 4 v 11/2000) 55 milionů tranzistorů (32 nm technologie) 217 mm2, spotřeba až 80 W interní cache 1. úrovně – L1 8 kB zaintegrována i paměť cache L2 – 512 kB přenosová rychlost system bus: 6.4 GB/s (800 MHz) vnitřní frekvence: až 2,4 GHz napájecí napětí: 1,5 V
24.3.2015
IN2-14-02
12
+
Technické prostředky počítačové techniky Parametry mikroprocesorů Intel® Core i7-5960X technologie: Haswell-E 1,17 miliardy tranzistorů (22 nm technologie) 8 fyzických jáder (16 vláken programu) 248 mm2, spotřeba až 140 W 8 x interní cache 1. úrovně - L1 32 kB 8 x cache L2 – 256 kB, cache L3 – 20 MB přenosová rychlost system bus: 6.4 GB/s (800 MHz) vnitřní frekvence: 4 GHz napájecí napětí – 1,051 V „Neintelovské“ procesory: • podmínka pro PC: „Intel compatible“
24.3.2015
IN2-14-02
13
+
Intel® Core i7-5960X
24.3.2015
IN2-14-02
14
Technické prostředky počítačové techniky
Vstupy
řídící sběrnice
Paměť
Mikroprocesor
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice
24.3.2015
IN2-14-02
15
+
Počítačové paměti Charakteristické parametry
24.3.2015
vybavovací doba
přenosová rychlost
kapacita paměti
zda se paměť po vypnutí počítače vymaže
možnost pouze číst nebo také zapisovat
IN2-14-02
16
Technické prostředky počítačové techniky Vnitřní paměť ROM - „Read Only Memory“ • paměť pouze pro čtení • uchování dat i po odpojení napájení • pro uchování neměnných dat a programů
ROM Paměť
datová sběrnice
adresní sběrnice
řídící sběrnice
BIOS - základní program pro otestování a nastavení počítače po zapnutí a instrukce pro zavedení operačního systému (Basic Input/Output System)
24.3.2015
IN2-14-02
napájení
17
+
Technické prostředky počítačové techniky ROM-BIOS [Basic Input/Output System] Základní program pro otestování a nastavení počítače po zapnutí a instrukce pro zavedení operačního systému.
Jde o první program, který se v PC spouští při každém zapnutí. Jakmile se BIOS nastartuje, nejprve určí, které periferie jsou k PC připojené a zda jsou aktivní. Potom načte operační systém z privilegovaného média do paměti RAM a spustí jej.
24.3.2015
IN2-14-02
18
Technické prostředky počítačové techniky Vnitřní paměť ROM - „Read Only Memory“
Zaznamenání dat již při výrobě, nelze je již změnit
Varianty:
• PROM (Programable ROM) - paměť lze JEDNOU naprogramovat v programátoru, nelze ji přepsat
• EPROM (Erasable PROM) - lze působením UV světla smazat a naprogramovat znovu • EEPROM (Electrically EPROM) - elektricky mazatelná a přeprogramovatelná (po bytech) doba „pamatování omezena na cca 10 - 20 let
• Flash-PROM – verze EEPROM - viz RAM, ale po odpojení napětí se nevymaže 24.3.2015
IN2-14-02
19
+
Technické prostředky počítačové techniky Vnitřní paměť ROM
RAM (Random Access Memory) -
datová sběrnice
• „paměť s libovolným přístupem“ • umožňují čtení i zápis
RAM
• po odpojení napájení ztráta dat • kritický parametr = vybavovací doba
adresní sběrnice
řídící sběrnice
napájení
24.3.2015
IN2-14-02
20
+
Technické prostředky počítačové techniky Polovodičové paměti RAM Statická RAM • uchování dat formou bistabilních klopných obvodů • rychlá • větší spotřeba • dražší • paměti typu cache
bistabilní = obvod, který je schopen setrvávat stabilně v jednom ze dvou stavů, dokud není signálem zvenčí přinucen překlopit se do druhého stavu
Hodnota výstupu 0 a 1 v závislosti na hodnotě naposledy přivedeného vstupu Pro každý bit své kapacity – klopný obvod plus ovládací logika
Dynamická RAM • uchování dat formou vybíjených kondenzátorů • nutnost obnovování zapsaných dat (refresh cycle) • pomalejší • menší spotřeba • levnější • operační paměti 24.3.2015
CMOS RAM • malá spotřeba • zápis parametrů BIOS • napájena z baterie • integrace hodin reálného času IN2-14-02
21
+
Fyzická organizace operační paměti
• základní díl paměti = paměťový modul • 3 hlavní typy: - SIMM - DIMM - RIMM - Rambus In-line Memory Module
24.3.2015
přidávání devátého (paritního) bitu ECC (Error Chacking and Correcting) - samoopravný kód
IN2-14-02
22
Fyzická organizace operační paměti
- DDR4 moduly • až 64 GB double-data-rate synchronous dynamic random access memory
• k přenosu dat dochází při každé změně hodinového signálu, tedy při jeho nástupné i sestupné hraně 24.3.2015
IN2-14-02
23
Registry Cache Vyrovnávací paměť
ROM
Vnější paměť Nespřažená vnější paměť
24.3.2015
IN2-14-02
cena
Hlavní paměť
kapacita, vybavovací doba
Technické prostředky počítačové techniky Hierarchie pamětí
24
+
Technické prostředky počítačové techniky Paměť typu CACHE CACHE: • rychlá statická RAM • umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) • přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje • zrychluje činnost paměti počítače obsah do cache
operační paměť procesor
cache Převzetí adres z OP
sběrnice 24.3.2015
IN2-14-02
25
+
Technické prostředky počítačové techniky Paměť typu CACHE CACHE: • rychlá statická RAM • umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) • přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje • zrychluje činnost paměti počítače obsah obsah do cache v cache
operační paměť procesor
cache
sběrnice 24.3.2015
IN2-14-02
26
Technické prostředky počítačové techniky Paměť typu CACHE CACHE: • rychlá statická RAM • umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) • přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje • zrychluje činnost paměti počítače
operační paměť procesor
obsah do cache
cache Převzetí adres z OP
sběrnice 24.3.2015
IN2-14-02
27
