Informační systémy 2
Technické prostředky počítačové techniky 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 14.5.2014
IS2-2014-04
John von Neumann koncepce počítače 1
+
Technické prostředky počítačové techniky
Mikropočítač Vstupy
řídící sběrnice
14.5.2014
Paměť
Procesor Mikroprocesor ALU ŘADIČ
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice 2
+
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
napájení
řídící sběrnice - přenos řídících a synchronizačních signálů
14.5.2014
3
+
Technické prostředky počítačové techniky Procesor Výkon procesoru • parametr MIPS (Mega Instruction per Second) Vykonání instrukce procesoru vyžaduje jednotky až desítky taktů (strojových cyklů) Odpověď na otázku: „Kolikabitový je počítač?“ Výkonnost procesoru ovlivňují následující základní faktory: • délka (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 14.5.2014
4
+
Instrukční sada mikroprocesoru musí obsahovat instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické funkce, instrukce pro řízení programu a několik systémových instrukcí. Součástí instrukční sady mikroprocesorů jsou i instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí a instrukce pro multimediální programy
Druhy mikroprocesorů dle 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,..)
Další důležité parametry: • vnitřní paměť CACHE - tzv. „first level cache“ - velmi rychlá statická paměť RAM, integrovaná přímo do obvodu (někdy se integruje i ‚pomalejší‘ second level cache) • Napájecí napětí původně 5 V (problém zahřívání), v současnosti v PC nejčastěji 3,3 V - 2 V pro Palmtopy až 0,95V (Intel Celeron) Vícejádrový procesor je obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení. 14.5.2014
5
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor
Systém přerušení: • Přerušení - je signál (typicky IRQ), který k řadiči přerušení vyšle vnější zařízení. Signál lze generovat i programem • 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 zásobníku - možnost pokračování v činnosti po „obsluze“ přerušení.
architektura mikroprocesoru – určuje způsob zpracování instrukcí: •
sekvenčně, tj. jedna za druhou,
• superskalárně, tzn. nezávisle na sobě. Možnost nastavení „vnějších“ charakteristik motherboardu: •
Jumpery- propojky - skupina kontaktů, které lze spojit pro nastavení požadovaných parametrů (frekvence, adresace,…)
•
Switche - přepínače - význam popsán v základní dokumentaci desky
• Setup – nastavení dat pro program BIOS 14.5.2014
6
+
Technické prostředky počítačové techniky Mikroprocesor
Blokové schéma mikroprocesoru (Intel 8080) 14.5.2014
7
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 „Neintelovské“ procesory: • napájecí napětí – 1,5 V • podmínka pro PC: „Intel compatible“
14.5.2014
8
+
Intel® Pentium® 4
14.5.2014
9
Technické prostředky počítačové techniky
Vstupy
řídící sběrnice
Paměť
Mikroprocesor
Výstupy
datová sběrnice adresní sběrnice
14.5.2014
10
+
Počítačové paměti Charakteristické parametry
vybavovací doba přenosová rychlost
kapacita paměti zda se paměť po vypnutí počítače vymaže
možnost pouze číst nebo také zapisovat
14.5.2014
11
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)
14.5.2014
napájení
12
+
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 příslušného média (harddisk,…) do paměti RAM a spustí jej.
14.5.2014
13
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. 14.5.2014
14
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 (Ereasable 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 - viz RAM, ale po odpojení napětí se nevymaže (tisíce cyklů zápisu)
14.5.2014
15
+
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
14.5.2014
16
+
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 14.5.2014
CMOS RAM • malá spotřeba • zápis parametrů BIOS • napájena z baterie • integrace hodin reálného času 17
+
Fyzická organizace operační paměti ROM • základní díl paměti = paměťový modul • 3 hlavní typy: - SIMM - DIMM - RIMM
datová sběrnice
RAM
adresní sběrnice
řídící sběrnice
napájení
14.5.2014
přidávání devátého (paritního) bitu ECC (Error Chacking and Correcting) - samoopravný kód 18
SIMM Single Inline Memory Module
DIMM Dual Inline Memory Module
nejstarší typ, dnes se již nevyrábí
u počítačů 286, 386, 486 32 bitová adresní sběrnice 2 typy: - 30 pinů – 256 KB, 1 a 4 MB - 72 pinů – 4 až 64 MB – přístupová doba (běžná 50 ns)
14.5.2014
168 pinů
64 bitová komunikace
je tedy rychlejší
větší kapacita – 16 až 512 MB
19
DDR DIMM Double Data Rate Dual Inline Memory Module
184 pinů
nejsou kompatibilní s DIMM
datová šířka 64 bitů
nižší spotřeba a tepelné ztráty
dvojnásobná rychlost oproti DIMM
14.5.2014
RIMM Rambus In-line Memory Modul
184 pinů
velikosti – 64, 128, 256, 512, ... MB
moduly RIMM jsou 16-ti bitové
proto se osazují v párech
20
Registry Cache Vyrovnávací paměť
ROM
Vnější paměť Nespřažená vnější paměť
14.5.2014
cena
Hlavní paměť
kapacita, vybavovací doba
Technické prostředky počítačové techniky Hierarchie pamětí
21
+
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 14.5.2014
22
+
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 14.5.2014
23
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 14.5.2014
IS2-2014-04
24
