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 IS2-4
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
IS2-15-04
John von Neumann koncepce počítače 2
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikropočítač
Vstupy
řídící sběrnice
24.3.2015
Paměť
Procesor Mikroprocesor ALU ŘADIČ
IS2-15-04
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 IS2-15-04
4
+
Technické prostředky počítačové techniky Mooreův zákon
Gordon Moore 1965
24.3.2015
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
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. + 7
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor Chladič •
používá se ke snížení teploty procesoru Aktivní chladič – ventilátor
Napájení ventilátoru Pasivní chladič
24.3.2015
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.
9
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor
Blokové schéma mikroprocesoru (Intel 8080) 24.3.2015
10
Technické prostředky počítačové techniky Parametry mikroprocesorů Vývoj procesorů Intel®
24.3.2015
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
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
13
+
Intel® Core i7-5960X
24.3.2015
14
Technické prostředky počítačové techniky
Vstupy
řídící sběrnice
Paměť
Mikroprocesor
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice
24.3.2015
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
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
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
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
19
+
Technické prostředky počítačové techniky Základy činnosti programu BIOS: 1. Zapne se přívod napájecího napětí, generuje se signál RESET; do čítače instrukcí se generuje adresa první (startovací) instrukce programu BIOS. 2. Mikroprocesor začíná vykonávat program BIOS. 3. BIOS aktivuje program ‚Power-On Self Test‘ který určí, kolik má počítač k dispozici paměti a zda správně fungují všechny jeho nezbytné hardwarové součásti. 4. BIOS vyhledá jednotku pro zavedení operačního systému nebo pro načtení iniciačního programu (IPL - initial program load). Obvykle je to pevný disk, paměť flash nebo CD/DVD.
5. BIOS startuje program pro zavedení operačního systému. Jestliže z nějaké příčiny standardní IPL nedokáže zavést operační systém, BIOS zkusí aktivovat další jednotku IPL ve svém seznamu. 6. Jednotka IPL zavede operační systém do paměti. 7. BIOS předává řízení operačnímu systému, který může provést přidělení dalších systémových zdrojů. 24.3.2015
20
Technické prostředky počítačové techniky Vnitřní paměť RAM (Random Access Memory) -
ROM datová sběrnice
• „paměť s libovolným přístupem“ • umožňují čtení i zápis • po odpojení napájení ztráta dat • kritický parametr = vybavovací doba
RAM
adresní sběrnice
řídící sběrnice
napájení
24.3.2015
21
+
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 22
+
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
23
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
24
Registry Cache Vyrovnávací paměť
ROM
Vnější paměť Nespřažená vnější paměť
24.3.2015
cena
Hlavní paměť
kapacita, vybavovací doba
Technické prostředky počítačové techniky Hierarchie pamětí
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 do cache
operační paměť procesor
cache Převzetí adres z OP
sběrnice 24.3.2015
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 obsah obsah do cache v cache
operační paměť procesor
cache
sběrnice 24.3.2015
27
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
28
