Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. 2. díl

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. – 2. díl

1

Mikroprocesor ........................................................................................................................ 4 Vlastnosti mikroprocesorů ................................................................................................. 4 Technologie výroby mikroprocesorů ............................................................................. 4 Vnitřní šířka mikroprocesoru ......................................................................................... 4 Instrukční sada mikroprocesoru ..................................................................................... 5 Sběrnice mikroprocesoru................................................................................................ 5 Zjednodušené blokové schéma mikroprocesoru ................................................................ 6 BIU (Bus Interface Unit – jednotka styku se sběrnicí) .................................................. 6 Vyrovnávací paměť – cache........................................................................................... 6 IPU (Instruction Prefetch Unit – jednotka předvýběru instrukcí) a IDU (Instruction Decode Unit – jednotka pro dekódování instrukcí) ....................................................... 7 Aritmeticko logická jednotka ALU................................................................................ 7 Registry .......................................................................................................................... 7 Matematická jednotka s pohyblivou řádovou čárkou FPU (Float Point Unit)............... 7 Časování mikroprocesoru................................................................................................... 7 Napájecí napětí mikroprocesorů......................................................................................... 7 Antivirová ochrana v mikroprocesoru................................................................................ 8 Teplota a tepelná ochrana mikroprocesorů ........................................................................ 8 Chlazení mikroprocesorů ................................................................................................... 8 Umístění mikroprocesorů ................................................................................................... 9 Kompatibilita a záměnnost mikroprocesorů ...................................................................... 9 Způsoby zrychlení práce mikroprocesorů .......................................................................... 9 Zřetězené (proudové) zpracování instrukcí (Pipelining)................................................ 9 Hyper-Threading technologie (HT) ............................................................................. 10 Paralelní procesing ....................................................................................................... 10 Procesory s více jádry .................................................................................................. 10 Postupné vylepšování mikroprocesorů Intel .................................................................... 11 Komunikace mikroprocesoru s okolím ................................................................................ 12 Komunikace mikroprocesoru pomocí sběrnicí ................................................................ 12 Systémová a periferní sběrnice u mikroprocesorů Intel ............................................... 12 Parametry sběrnicí........................................................................................................ 13 Sběrnice HyperTransport s integrovaným paměťovým řadičem a periferní sběrnice u mikroprocesorů AMD K8 ............................................................................................ 13 Rozšiřovací sběrnice .................................................................................................... 14 Frekvence počítače ........................................................................................................... 15 Rozhraní PC (interface).................................................................................................... 16 Paralelní rozhraní LPT ................................................................................................. 16 Sériové rozhraní RS 232 .............................................................................................. 16 Rozhraní PS/2............................................................................................................... 17 Universální sériová sběrnice USB................................................................................ 17 FireWire ....................................................................................................................... 18 Komunikace mikroprocesoru s I/O zařízeními ................................................................ 18 Obsluha přerušením IRQ.............................................................................................. 18 Komunikace pomocí kanálu přímého přístupu do paměti DMA ................................. 19 Volné kanály IRQ a DMA ........................................................................................... 19 Paměti PC............................................................................................................................. 20 Důležité parametry paměti ............................................................................................... 20 Polovodičové paměti PC .................................................................................................. 20 Polovodičové paměti PC .................................................................................................. 21 Organizace paměti........................................................................................................ 21 ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


2

Rozdělení polovodičových pamětí ............................................................................... 21 Volatilní, energeticky závislé paměti (obsah paměti se s přerušením napájení smaže), lze do nich neomezeně opakovaně zapisovat i číst ...................................................... 22 Provedení pamětí DRAM................................................................................................. 22 Paměť SDRAM ............................................................................................................ 22 Paměť DDR.................................................................................................................. 22 Paměť DDR2................................................................................................................ 23 Paměť DDR3................................................................................................................ 23 Paměť DDR4................................................................................................................ 23 Paměť RDRAM............................................................................................................ 24 Operační (hlavní, vnitřní, primární, main) paměť............................................................ 24 Dual Channel................................................................................................................ 24 Instalace paměťového modulu ..................................................................................... 25 Rozšíření operační paměti ............................................................................................ 25 Některé další polovodičové paměti v PC ......................................................................... 26 Registry a cache paměti................................................................................................ 26 BIOS............................................................................................................................. 26 USB Flash disky........................................................................................................... 26 Logická organizace vnitřní paměti počítače..................................................................... 28 Konvenční paměť (Convection memory)..................................................................... 28 Rezervovaná paměť (Reserved memory)..................................................................... 28 Práce s pamětí v OS Windows ..................................................................................... 29 Stránkovací soubor ....................................................................................................... 29 Využití operační paměti ............................................................................................... 29 Doplňování přídavných komponent do počítače.................................................................. 31 Technologie Plug & Play ............................................................................................. 32 Postup odebrání a instalace přídavné karty ...................................................................... 32 Non-volatilní paměti – Magnetické paměti.......................................................................... 35 Pevný disk (harddisk, HDD, HD) .................................................................................... 35 Zápis a čtení dat............................................................................................................ 35 Fyzická struktura disku .................................................................................................... 36 Uspořádání hlaviček a ploten disku ............................................................................. 36 Přístupová doba HDD .................................................................................................. 37 Vyrovnávací paměť HDD ............................................................................................ 37 Kapacita HDD .............................................................................................................. 37 Poruchovost HDD ........................................................................................................ 38 Zásady zacházení s HDD ............................................................................................. 39 Řadiče pevných disků....................................................................................................... 40 Rozhraní EIDE ............................................................................................................. 40 Rozhraní SCSI.............................................................................................................. 40 Rozhraní SATA............................................................................................................ 41 Rozhraní eSATA a eSATAp ........................................................................................ 41 SSD disky......................................................................................................................... 42 RAM disk ..................................................................................................................... 42 SSD disk....................................................................................................................... 42 Zálohování a způsoby ztráty dat........................................................................................... 44 Způsoby ztráty dat ............................................................................................................ 44 Prostředky zálohování ...................................................................................................... 44 Co zálohujeme.............................................................................................................. 45 SW pro vytvoření image disku (bitové kopie) ............................................................. 45 ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


3

SW pro zálohování dat ................................................................................................. 46 Způsoby zálohování dat ................................................................................................... 47 Ruční zálohování.......................................................................................................... 47 Automatické zálohování............................................................................................... 47 Zálohovací média ............................................................................................................. 47 Optické disky................................................................................................................ 47 Zálohování na magnetickou pásku ............................................................................... 48 Zálohování na pevné disky........................................................................................... 48 Zálohování na NAS zařízení ........................................................................................ 48 Zálohování na flash paměti .......................................................................................... 49 OnLine zálohování ....................................................................................................... 49 Zásady zálohování........................................................................................................ 49

©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


4

Mikroprocesor Mikroprocesor (též procesor, CPU (Central Processing Unit) počítače zpracovává instrukce od Central Processing Unit (CPU) programů, kterými je řízen. Aritmetic/ Control Unit Logic Unit Některé instrukce zpracovává sám, k provedení ostatních Output Input Devices Memory používá další komponenty PC Devices (paměť, displej, tiskárnu…). Jeho Storage Devices kvalita ovlivňuje výkonnost PC. von Neumannovo schéma počítače Mikroprocesor je tvořen ALU (Arithmetic Logic Unit, aritmeticko logickou jednotkou), která vykonává všechny výpočty (aritmetické a logické operace), a řadičem (Control Unit, řídící jednotka) řídícím práci jak ALU, tak i ostatních jednotek počítače. Fyzicky je mikroprocesor velmi složitý elektronický integrovaný obvod umístěný na základní desce počítače. Pozn.: Procesor – předchůdce mikroprocesoru – bez integrace.

Vlastnosti mikroprocesorů Mikroprocesory se liší podle řady kritérií, které vyplývají z jejich výrobní technologie. Technologie výroby mikroprocesorů Jednotlivé elektronické obvody se vyleptávají do povrchu křemíkové destičky (chipu) o ploše několik cm2. Čím více se na destičku vejde jednotlivých elektronických prvků, tím je mikroprocesor výkonnější a levnější. Např. mikroprocesory 486 měly hustotou (vzdálenost jednotlivých prvků) 0,35 µm, u dnešních končí výroba s hustotou 90 nm a používá se hustota 65; 45 a 32 nm.

Jeden z prvních mikroprocesorů 80286 pro PC (vlevo) se 130tis a Pentium 4 (vpravo) se 42mil tranzistorů

Vnitřní šířka mikroprocesoru Vnitřní šířka mikroprocesoru je počet bitů operandu, který je mikroprocesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně si lze představit, že 8bitový mikroprocesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255 (tedy do 28 – 1), 16bitový s čísly od 0 do 65535. Pokud máme větší čísla, musí se operace rozdělit do několika kroků. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


5

4bitové a 8bitové mikroprocesory se používají pro jednoduché aplikace – např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách, počítačových klávesnicích, v dálkových ovladačích…; 8bitové a 16bitové mikroprocesory jsou ve středně složitých 8bitový mikroprocesor zařízeních – např. průmyslových programovatelných automatech, v jednoduchých mobilních telefonech, PDA… V současnosti jsou v těchto zařízení vytlačovány 32bitovými mikroprocesory; 32bitové mikroprocesory najdeme v tiskárnách, v chytřejších mobilech atd., a ve starších počítačích; 64bitové procesory jsou v současných počítačích. Ovšem o tom, zda počítač dokáže využít celou šířku 64bitových dat, rozhoduje použitý operační systém (OS) a příslušný aplikační program. Současné OS jsou dodávány v 32 i 64bitové verzi. Většina aplikací je ale zatím 32 bitová.

Pozn.: Rozšiřování počtu bitů mikroprocesoru je spojeno s řadou technických problémů – proto se místo jeho dalšího rozšiřování přiklonil vývoj k vícejádrovým mikroprocesorům (později).

Instrukční sada mikroprocesoru Obsahuje instrukce (příkazy) pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické instrukce, instrukce pro řízení programu, instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí…. Multimediální instrukce

Základní instrukční sada je doplňována o instrukce pro multimedia (video, zvuk a grafika): MMX (Multi Media eXtension) fy Intel. Posláním sady bylo provádět nejčastěji se opakující funkce multimediálních programů; 3DNow (3D multi-media instruction set) fy AMD; MMX2 (dnes SSE (Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extension) u Pentia III (dalších 70 nových instrukcí); SSE2 u Pentia 4 – dalších 144 nových příkazů; SSE3 u Intel Xeonu (64bit) k SSE2 dalších 14 instrukcí. Pro využití instrukčních sad platí: musí je umět využívat programy. Sběrnice mikroprocesoru Sběrnice (bus) je obecně soustava vodičů kabelu nebo plošného spoje. V mikroprocesoru skupina vodičů vytvořených na chipu. Rozdělení sběrnic: Adresová – nese informaci o adrese kam/odkud se bude zapisovat/číst, její šířka určuje maximálně adresovatelný prostor, např. 32bit. sběrnice může adresovat 232 = 4 294 967 296 paměťových míst; Datová – obsahuje přenášenou informaci – data. Šířka paralelní datové sběrnice určuje propustnost sběrnice (množství dat přenositelných z jednotky A do B, čím je širší, tím víc dat najednou přenese – tím stoupne i rychlost přenosu dat). Paralelní přenos dat se používá hlavně v mikroprocesoru a na MB, sériový především pro připojená zařízení;


6


Řídící – nese pokyny ke čtení/zápisu, k provedení algebraické operace aj. Její šířka určuje max. počet povelů.

L2 Cache

(Napájecí – vodiče s napětím pro napájení jednotlivých komponent na MB, rozšiřujících desek a zařízení (0,+5 V…), v procesoru napájí Code Cache L1 jednotlivé elektronické prvky).

Zjednodušené blokové schéma mikroprocesoru BIU (Bus Interface Unit – jednotka styku se sběrnicí)

To RAM

Registers

DataCache L1

Floating Point Unit

Integer ALU

Bus Interface

BUI slouží pro přenos dat mezi procesorem a okolím, duplikuje vstupující informace a posílá je do L2 cache a současně programový kód pošle do Code Cache (Instrukční cache) L1 a data, která budou kódem zpracována do Data Cache (datové cache) L1. BUI obsahuje obvody, které synchronizují rychlost procesoru s pomalejší hlavní pamětí.

Instruction Decode and Prefetch Unit

Zjednodušené blokové schéma mikroprocesoru

Důležitá je frekvence sběrnicí, se kterou mikroprocesor komunikuje s ostatními komponentami základní desky, zvláště s operační (vnitřní) pamětí (tato sběrnice se nazývá FSB –Front Side Bus). Základní deska musí nabídnout mikroprocesoru odpovídající šíře sběrnicí. Vyrovnávací paměť – cache Paměť cache [keš] je vyrovnávací pamětí mezi rychlejšími a pomalejšími komponentami počítače (např. mezi HDD a vnitřní pamětí). Do rychlejší paměti cache se průběžně ukládají data z pomalejšího zařízení, o kterých se předpokládá, že budou požadovány ke zpracování rychlejší komponentou. Při požadavku na data rychlejším zařízením je nejprve prohledána cache. Pokud cache data obsahuje, načtou se mnohem rychleji než ze samotného pomalejšího zařízení. Nejsou-li požadovaná data v cache, musí se načíst obvyklým postupem z pomalejšího zařízení – trvá to samozřejmě déle. Cache spolu s registry jsou nejrychlejší a nejdražší paměti v počítači. V mikroprocesoru paměti cache spolupracují s vnitřní pamětí. Obsahují vždy část obsahu hlavní paměti. Procesor data hledá nejprve v cache, teprve pokud je zde nenajde, přečte je z hlavní paměti a celý blok odpovídajících dat z hlavní paměti uloží do cache. Princip lokality reference adres – procesor pracuje vždy určitou dobu v jedné určité oblasti hlavní paměti – proto je pravděpodobnost nalezení (Hit Rate) potřebných dat v cache poměrně velká (80 až 99%). L1, L2 cache

Potřebuje-li mikrooperace informace z paměti, mikroprocesor je hledá nejprve v blízké L1 cache, jestliže tam nejsou, projde procesor mnohem větší L2 cache (L2 je integrovaná v CPU, a tedy přesouvání informace je 2 až 4krát rychlejší než mezi CPU a externí pamětí). L1 (Level 1 – úroveň 1) – malá (cca 16 – 128 kB) a rychlá (na stejné frekvenci jako jádro procesoru)



7

vyrovnávací paměť přímo v procesoru, bývá rozdělena na část pro data a část pro instrukce; L2 – velikost cca 128 kB až 4 MB, pracuje na frekvenci jádra procesoru nebo na nižší. Např.: Intel Core 2 Extreme: 3,53 GHz: 32 kB L1, 4 096 kB L2, (65 W); AMD Athlon X2 BE-2350+: 2,1GHz, 32 kB L1, 1024 kB L2, (45 W). IPU (Instruction Prefetch Unit – jednotka předvýběru instrukcí) a IDU (Instruction Decode Unit – jednotka pro dekódování instrukcí) IPU natahuje instrukce z Code Cache a kontroluje, zda některá z instrukcí nebyla již dříve prováděna, pokud ano, znovu ji použije, pokud ne, prohledá L2 a případně ji najde v operační paměti; V IDU dekodéry rozebírají instrukce na mikrooperace – ty dokáže prováděcí jednotka zpracovat rychleji než jednu vyšší instrukci. Aritmeticko logická jednotka ALU ALU provádí základní matematické operace (sčítání, odčítání násobení, dělení, srovnávací operace (rovnost, větší, menší) a logické (and, or not)); ALU pracuje pouze s celými čísly; Výkonnost ALU se dá vyjádřit počtem vykonaných instrukcí (viz Pipelining) za sekundu (Million Instructions Per Second – MIPS). Registry Registry slouží jako rychlá datová a instrukční paměť pro ALU (ještě rychlejší a dražší než cache). Matematická jednotka s pohyblivou řádovou čárkou FPU (Float Point Unit) Počítá s reálnými čísly (s desetinnou čárkou), provádí vyšší matematické operace s vyšší přesností a rychleji; Její výkonnost se měří v jednotkách MFLOPS (Million Float Point Operations Per Second); Dříve (do mikroprocesoru i80386) byla FPU samostatným čipem (matematický koprocesor), od 486DX je součástí procesorů.

Časování mikroprocesoru

Systémové hodiny vysílají pravidelné napěťové pulsy a synchronizují všechny počítačové operace. Při jejich přijetí provádí mikroprocesor instrukce (jinak by se mohl dostat do nestabilního stavu; Frekvence procesoru (v MHz, GHz) se odvozuje od frekvence sběrnice pro komunikaci mikroprocesoru s pamětí (FSB) a je jejím násobkem (cca 3–12×); Frekvence procesoru a sběrnice lze nastavit elektronicky v SETUPu, nebo pomocí přepínačů a jumperů na MB (viz dokumentace k MB).

Napájecí napětí mikroprocesorů První mikroprocesory byly napájeny napětím 5 V. S rostoucím výkonem (více tranzistorů, větší rychlost) se mikroprocesory stále více ohřívaly a bylo je nutno více chladit. Výrobci tento problém řeší snižováním napájecího napětí.



8

Výše napájecího napětí není normalizována a výrobci se snaží ji snížit co nejvíce, a bývá v rozmezí 1,1 až 3,3 V. Správná hodnota napájecího napětí se nastavuje automaticky pomocí regulátoru na MB a není ji třeba měnit (snad jen při přetaktování mikroprocesoru – lze to v Setupu).

Část MB s konektorem Power 12V a měničem z 12 V na napětí pro mikroprocesor

Momentál ní napájecí napětí mikroprocesoru lze zjistit např. SiSoft Sandrou.

Antivirová ochrana v mikroprocesoru Mikroprocesor zablokuje spuštění programu z té části paměti, kde mají být jen data a nikoliv spustitelný program (funguje od Windows XP SP2). Tato ochrana je účinná pouze proti některým virům a nenahrazuje antivirový program.

Teplota a tepelná ochrana mikroprocesorů Moderní mikroprocesory se při provozu značně zahřívají, při špatném chlazení by se mohli přehřát a zničit. Tepelná ochrana vestavěná přímo v mikroprocesoru tomu zabrání. Tepelný senzor (čidlo) sleduje teplotu mikroprocesoru, přesáhne-li maximum, pak elektronický obvod TCC (Thermal Control Circuit) začne omezovat výkon mikroprocesoru – jeho teplota začne klesat. V mikroprocesoru je též umístěno další tepelné čidlo, nezávislé na TCC, které měří jeho teplotu – dostupná je např. z programu SiSoft Sandra. Tuto teplotu využívají moderní počítače k řízení otáček větráčku, který ofukuje mikroprocesor. Moderní mikroprocesory používají technologii Enhanced Intel SpeedStep Technology, kdy mikroprocesor za provozu mění své napájecí napětí a frekvenci. Při malém výpočetním výkonu pracuje s menším napětím a frekvencí a spotřebovává méně energie a je též tišší (menší otáčky větráčku). Při větší početním výkonu napětí a frekvence stoupá. Poslední technologií je Intelligent power capability – rozumné řízení spotřeby, která napájí jednotlivé části mikroprocesoru jen v případě jejich použití.

Chlazení mikroprocesorů Teplotu mikroprocesoru u PC je nutné snížit chlazením (lze tak zvýšit frekvenci a tím výkon). Používají se chladiče ofukované ventilátorkem. Špičkové chladiče používají technologii HeatPipe (tepelné trubice), které zajišťují rychlý odvod tepla z mikroprocesoru a jeho přenos do vzdálenějšího chladiče. Jde o trubičky naplněné kapalinou – jestliže se trubička na jednom konci ohřívá, začne se kapalina odpařovat a na studeném konci odevzdá teplo do chladiče. Přenos tepla v ní je založen na ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


9

odpařování a kondenzaci, kondenzovaná kapalina je absorbována knotem a pak opět trubicí stéká ke zdroji tepla. Tepelná trubice dokáže přenášet velké tepelné výkony při zachování malého rozdílu teplot (běžně kolem 2°C). HeatPipe mají obrovskou tepelnou vodivost – je až 1000krát větší než u měděné tyče.

Umístění mikroprocesorů Mikroprocesor má většinou čtverci podobný tvar, leží naplocho na základní desce, a umisťuje se do patice (Socket) pro zasouvání „nulovou silou“ (po zasunutí do patice se sepnutím páčky piny mikroprocesoru přitisknou do kontaktů v otvorech pro nožičky v patici). Moderní mikroprocesory Intel používají patici LGA 775 (též Socket 775), která má místo otvorů pro piny pružinky, na něž dosedají kontaktní plošky, jimiž se nahrazují nožičky (piny) mikroprocesoru. Jednotlivé typy mikroprocesorů se liší počty vývodů a jejich uspořádáním.

Mikroprocesor s ploškami a patice s pružinkami

Kompatibilita a záměnnost mikroprocesorů Chceme-li zrychlit počítač výměnou mikroprocesoru, musíme mít jistotu, že nový mikroprocesor je kompatibilní se základní deskou počítače (sokl, BIOS, frekvence, chipset ...).

Způsoby zrychlení práce mikroprocesorů Zřetězené (proudové) zpracování instrukcí (Pipelining) Slouží k urychlení vykonání instrukcí. Proces zpracování instrukce mikroprocesorem lze rozdělit do několika fází a nazývá se operačním nebo instrukčním cyklem: Fetch – získává z paměti programovou instrukci nebo data; Decode – překládá instrukci do mikroinstrukcí; Execute – uskutečňuje příkazy; Store – zapíše výsledek do paměti.

Machine Cycle (without pipelining)

Machine Cycle (with pipelining) Instruction 1 Instruction 2 Instruction 3 Instruction 4

Mikroprocesor využívající pipelining zpracovává více instrukcí najednou. Zatímco první instrukce prochází jednotlivými fázemi, začínají se zpracovávat další.



10

Hyper-Threading technologie (HT) Hyper-Threading technologie (technologie vícevláknového zpracování) se snaží využít čas, kdy výpočetní obvody procesoru musí čekat, např. než se z operační paměti načtou potřebná data. Zdvojením jednotek uchovávajících aktuální stav jednoho výpočetního procesu (registry) lze v pauze přepnout a mikroprocesor nechat řešit mikroinstrukci jiného programu. Vlákna programu je možno přepnout během jednoho taktu hodin. Mikroprocesor s HT technologií se díky souběžnému zpracovávání dvou úloh chová jako „pseudo dvoujádrový mikroprocesor“. Výkonový zisk se pohybuje okolo 30% a přitom se cena mikroprocesoru zvýší asi o 5% (navíc další registry a dekodéry instrukcí). Všechny ostatní prostředky procesoru, jako jsou výpočetní jednotky, nebo paměti L1, L2 cache, jsou sdílené. S technologií HT se počítá i u vícejádrových mikroprocesorů – dvoujádrový dokáže zpracovávat souběžně čtyři úlohy, čtyřjádrový osm, atd.

Paralelní procesing Je využívání dvou nebo více mikroprocesorů v jednom počítači, resp. spojení nezávislých počítačů po síti k provedení výpočtu (viz superpočítače). V PC je paralelní procesing řešen vícejádrovými procesory. Je typickou metodou zvýšení výpočetního výkonu.

Procesory s více jádry Zvyšování výkonu mikroprocesorů zvyšováním frekvence narazilo kolem 4 GHz na technologické meze, a ze stejných důvodů nelze zvětšovat šířku datové sběrnice nad 64bit. Výrobci zvyšují výkonnost mikroprocesorů tím, že do Core Core Core Core jednoho čipu integrují více jader. Oproti počítači s více mikroprocesory, je toto řešení levnější a má nižší spotřebu el. (L3) energie. Mikroprocesor se čtyřmi jádry a se V současnosti se začínají používat osmijádrové procesory sdílenou L3 (2,5 miliardy tranzistorů, 12 MB sdílené L2 cache, 3,2 GHz). U vícejádrových mikroprocesorů se někdy používá sdílená cache L3. Použití především pro systémy CAD, 3D grafiku, střih videa, hry…



11

Postupné vylepšování mikroprocesorů Intel

Intel dále vyrábí levnější a jednodušší mikroprocesor Celeron Mikroprocesory AMD:

AMD K5; K6; K7 Athlon, Duron...; K8 64bit: Athlon X2, 2,1GHz; DOPLŇ SOUČASNÝ Současným trendem je výroba více jádrových mikroprocesorů a snižování jejich spotřeby. 1.

Napiš, jaký typ µP má PC, se kterým pracuješ.

2.

Napiš, s jakou vnitřní a vnější frekvencí pracuje tvůj počítač.

3.

Napiš, proč se používají paměti cache.

4.

Napiš, proč je nutno µP chladit.

5.

Napiš, jak se liší 32 a 64bitový procesor.

6.

Napiš, co jsou operace s pevnou a pohyblivou řádovou čárkou a které jednotky mikroprocesoru je zpracovávají.

7.

Napiš, co je multimediální instrukční sada mikroprocesoru.

8.

Napiš, jak lze urychlit práci mikroprocesoru.

9.

Nakresli graf závislosti počtu tranzistorů mikroprocesoru na roku jeho výroby.


12


Komunikace mikroprocesoru s okolím Mikroprocesor (CPU) komunikuje s okolím a okolí s mikroprocesorem prostřednictvím: Sběrnicí; Přerušení – IRQ; Kanály přímého přístupu do paměti – DMA.

Komunikace mikroprocesoru pomocí sběrnicí

Blokové schéma PC

Sběrnice na základní desce propojují mikroprocesor se všemi komponenty, které jsou vně mikroprocesoru. Sběrnice jsou dvojího druhu: Systémová sběrnice – spojuje mikroprocesor s obvody na základní desce. U mikroprocesorů Intel je to typ sběrnice FSB (Front Side Bus); U AMD mikroprocesorů od K8 se používá sběrnice typu HyperTrasport. Periferní sběrnice – propojuje systémovou sběrnici s dalšími komponenty na základní desce a mimo ni. Pro připojení rozšiřujících zařízení je zakončena normovanými konektory a sloty. Systémová a periferní sběrnice u mikroprocesorů Intel Systémová sběrnice je mezi mikroprocesorem a částí chipsetu na základní desce zvané North bridge (severní most) se nazývá FSB (Front Side Bus). Severní most zajišťuje rychlý přístup mikroprocesoru do operační paměti prostřednictvím paměťové sběrnice. Frekvence paměťové sběrnice je násobkem frekvence FSB. Prostřednictvím severního mostu přes sběrnici PCI Express (dříve sběrnice AGP) je mikroprocesor propojen s grafickou kartou. Severní most je propojen sběrnicí s jižním mostem (South Bridge). Jižní most obstarává připojení pomalejších sběrnicí a zařízení k severnímu mostu a tím i k mikroprocesoru. Z jižního mostku vycházejí paralelní sběrnice PCI a novější rychlejší sériové PCI Express pro připojení rozšiřujících karet, sběrnice pro připojení disků (IDE, SATA), dále pro USB, sériové a paralelní porty a zajišťuje připojení BIOSu. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.

13

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. – 2. díl Pozn.: Při paralelním přenosu informace jsou všechny bity slova přenášeny současně po paralelní sběrnici (více vodičů, kratší doba přenosu na kratší vzdálenosti); U sériového přenosu proudí bity slova jeden za druhým po sériové sběrnici (méně vodičů, složitější způsob přenosu informace, větší rychlost přenosu na větší vzdálenosti). Viz předchozí.

1 0 1 1 1 0 1 1

LPT

paralelní přenos dat

sériový přenos dat 10111011

PS2

Mouse

Sériový a paralelní přenos dat

Parametry sběrnicí Sběrnice je vždy určena pro určité zařízení. Tím je dána šířka datové a adresové části sběrnice a její rychlost; Rychlost přenášených dat určuje řídící frekvence, v jejímž taktu pulzují sběrnicí data. Jednotlivé sběrnice (včetně mikroprocesoru) mají frekvenci odvozenou od frekvence sběrnice FSB a ta od „timeru“ na základní desce; Počet přenášených bitů v jednom taktu určuje typ a šířku sběrnice: o 1 – sériová sběrnice, o 8, 16, 32, 64 – paralelní sběrnice; Množství přenesených dat – přenosová rychlost, je dána šířkou datové části sběrnice a frekvencí sběrnice (133 MB/s = (32 b / 8 b) * 33,3 MHz; uvažujeme 32 bitovou sběrnici, 1 B = 8 b a frekvenci sběrnice 33 MHz. Ve skutečnosti bude propustnost nižší o časy potřebné pro synchronizaci atd.); Množství přenesených dat sběrnicí FSB zvyšuje technologie NetBurst (od Pentií 4), která provádí čtyři operace během jednoho taktu. Množství přenesených dat při jednom taktu dosahuje až 8,528GB/s (při frekvenci FSB 266,5 MHz a 64 bitové sběrnici a 4 operacích v jednom taktu je 266,5 * 64/8 * 4 = 8,528 GB/s). Frekvence sběrnice propojující severní most s jižním, stejně jako ostatních sběrnicí, bývá zlomkem frekvence FSB. Pro větší propustnost mezi severním a jižním mostem se nyní oba mosty slučují do jednoho čipu. Sběrnice HyperTransport s integrovaným paměťovým řadičem a periferní sběrnice u mikroprocesorů AMD K8 Přímé spojení mikroprocesoru s vnitřní pamětí počítače je zprostředkováno tzv. paměťovým řadičem a data proudí se stejným taktem, jako pracuje mikroprocesor. Sběrnice HyperTransport je 2 až 32 bitová a může pracovat na frekvenci až 1,4 GHz. Množství přenesených dat je závislé na konkrétním uspořádání, např. pro mikroprocesor Athlon 64 s frekvencí sběrnice 1 GHz a její šířce 16 bitů vychází 1 * 2 *16/8 = 4 GB/s (frekvenci ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


14

sběrnice násobíme 2x protože se data přenášejí při vzestupné i sestupné hraně pulsu; /8 – převod z bitů na byty). Podstatnou součástí HyperTransportové sběrnice je HT Tunnel nebo HT Switch. HT Tunnel připojuje zařízení ke sběrnici – tunel rozpozná, zda jsou data proudící sběrnicí určena pro jeho zařízení nebo je pošle k dalšímu zařízení připojenému ke sběrnici. HT Switch funguje jako přepínač a posílá data proudící sběrnicí k příslušnému zařízení. Uspořádání s HyperTransport je perspektivnější než zapojení se severním a jižním můstkem, začíná ho používat i firma Intel pro své mikroprocesory. Informace o chipsetu

Informace o chipsetu můžeme získat z dokumentace k základní desce, některé informace lze získat ze SiSoft Sandry.

Rozšiřovací sběrnice Prostřednictvím rozšiřovacích (periferních) sběrnicí se k PC připojují další zařízení (modem, zvuková karta…). Konektory (sloty) rozšiřovací sběrnice jsou umístěny na MB a data do/z nich proudí z/do jižního můstku. Typy rozšiřujících sběrnicí

ISA (Industry Standard Architecture) od µP i286, má 16 bitů pro data a 24 pro adresování paměti, pomalá (8,33 MHz), dnes pouze ve starých PC; PCI (Peripheral Component Interconnect) - od i486, obvykle 32 Sloty ISA (černé, dole) a PCI (bíle, nahoře) (max. 64) bitů a obvykle 33 (max. 66 ) MHz, propustnost 133 (max. 533) MB/s. Používají technologii „Plug-and-Play“ (PnP - umožňuje automatickou konfiguraci desky a periferie); PCI-X určena pro servery, 133 MHz, propustnost 1066 MB/s. AGP (Accelerated Graphics Port) - od Pentia II a K6 a Win9x, nahradil PCI slot používaný dříve pro grafické karty. AGP slot je zásobován daty přímo ze severního můstku, zasouvá se do něj grafická karta a k ní se připojuje počítačový monitor. První AGP specifikace (AGP 1×) pracovala s frekvencí 66 MHz, s propustností AGP slot pro grafickou kartou (hnědý nebo černý) 266 MB/s, poslední verze je



15

AGP 8× má propustnost 2,132 GB/s a frekvenci 528 MHz. Dnes se v nový počítačích nepoužívá, je nahrazena sběrnicí PCI Express; PCI Express nahradila slot pro grafickou kartu AGP a nahrazuje PCI sloty pro síťovou, zvukovou…kartu. PCI Express (PCIe) je sériová, v základní verzi PCIe ×1 propojuje rozšiřující kartu Sloty PCI Express (černé), delší je pro grafickou s jižním (u PCIe ×16 pro graf. kartu se kartu (co nejblíže Nord Bridge), kratší je pro přídavnou kartu severním) můstkem čtyřmi datovými vodiči, umožňujícím současný přenos informací oběma směry (full duplex (viz předchozí)), to umožňuje propustnost sběrnice 500 MB/s současně v obou směrech. Sběrnice PCIe je v několika variantách, které se odlišují počtem datových vodičů a tedy i přenosovou rychlostí (PCIe ×2; ×4; ×8; ×12 a PCIe ×16). Pro grafické karty se používá PCIe ×16 (též se nazývá PEG (PCI Express for Graphics) s počtem datových vodičů 64 a propustností 8 GB/s současně v obou směrech. Pro napájení grafické karty poskytuje PEG výkon 75 W, karty s vyšší spotřebou musí mít zvláštní napájení.

Frekvence počítače Jednotlivé části počítače a součásti na základní desce jsou řízeny impulzy s různými frekvencemi, přičemž základní frekvenci dodává elektronický obvod na základní desce zvaný timer (BCLK, clock, časovač) a od jeho frekvence se odvozují dělením a násobením frekvence pro ostatní komponenty. S frekvencí časovače pracuje sběrnice FSB a řadič vnitřní paměti, s násobně vyšší frekvencí pracuje mikroprocesor a se zlomkem (např. 2/3) této frekvence řadič grafické karty, sběrnice PCI pak ještě pomaleji, na frekvenci Časovač řízený krystalem na MB 33 MHz.

Od frekvence časovače (PC Clock) jsou odvozovány násobením frekvence pro ostatní komponenty PC


16


S jakou konkrétní frekvencí pracují jednotlivé komponenty počítače, se lze dozvědět ze Setupu BIOSu, kde je též možné tyto frekvence v určitých mezích měnit. Za běhu počítače můžeme zjistit tyto frekvence pomocí specializovaných utilit – např. CPU-Z.

Rozhraní PC (interface) Slouží pro připojování jednotek a periferií (tiskárna, myš, modem…) k PC pomocí konektorů spojených se sběrnicí.

Blok konektorů na zadní straně MB

Paralelní rozhraní LPT Paralelní rozhraní LPT (též označované Centronics či PRN) – používá 25pól. konektor s dutinkami (samici) na zadní straně skříně PC (viz obr blok konektorů) a 36pólový konektor Centronics u tiskárny. LPT port pracoval původně jako čtyřbitový, později osmibitový. Nevalná rychlost přenosu dat je až 2 MB/s. V současnosti je zastaralý, tiskárny, skenery atd. používají obvykle USB port. Počítače přestávají být rozhraním LPT vybaveny. Sériové rozhraní RS 232 Sériové rozhraní RS 232 (COM) – používá Canon buď 9pól. nebo 25pól. s kolíčky (samce). Přestávají se používat pro malou rychlost (115,2 Kb/s). Sériový port s 25 a 9 piny


17

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. – 2. díl Rozhraní PS/2 Konektory PS/2 – kulaté pro připojení klávesnice a myši k PC, dnes zastaralé – používají se spíše myši a klávesnice s USB připojením. Viz blok konektorů. Rozhraní PCMCIA

PCMCIA (Personal Computer Memory Card Association) – standard pro připojování periferií (faxmodem, HDD, paměti SRAM... ) velikosti kreditky k notebookům.

PC – karta v notebooku

Universální sériová sběrnice USB Universální sériová sběrnice USB (Universal Serial Bus) (od Win 98) – od konektoru USB v PC vede jediný kabel ke všem připojeným zařízením buď přímo (větvení probíhá v některé periferii), nebo prostřednictvím rozbočovače (HUBu). USB používá tři rychlosti přenosu dat: Low Speed – 1,5 Mb/s, u USB 1.1, pro pomalá zařízení (klávesnice, joystick…), lze používat i nestíněné kabely do délky 3 m; Full Speed – 12 Mb/s pro rychlá zařízení (audio…), kabel stíněný s max. délkou 5 m; High Speed – 480 Mb/s, u USB 2.0 určeno pro paměti, tiskárny, video zařízení…, kabel stejný jako u Full Speed; Super Speed – USB 3.0 se rozšiřuje od r. 2010, přenosová rychlost dat je 5 Gb/s, Konektory pro USB

V provedení USB 1 a USB 2 jsou konektory se čtyřmi vodiči – jejich zapojení – viz obr. USB 3.0 používá odlišných konektorů než verze předchozí, má osm vodičů (čtyři pro přenos dat – jeden pár pro vysílání, druhý pro příjem dat, další pár pro nižší rychlosti a dva vodiče pro napájení zařízení), je zpětně kompatibilní s USB 2.0 (tzn., že lze připojit USB 2.0, ovšem parametry budou odpovídat USB 2.0).

USB konektory

USB 2 konektory zleva: Micro, Mini, Type B, a pár Type A

USB podporuje Plug and Play, možnost připojení až 127 zařízení na vzdálenost až 5 metrů a připojení zařízení za chodu PC, umožňuje napájet prostřednictvím USB některé periferie (5 V, proud 100 mA (max. 500 mA); v případě napájení USB přímo z PC zdroje (pevné disky) lze proud ještě zvyšovat), podporuje power management (automatické „uspání“ momentálně nepracujících zařízení). Rozhraní USB je velmi rozšířené. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.

18

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. – 2. díl FireWire

FireWire – sériové, vyvinuté pro zařízení s vysokou přenosovou rychlostí (digit. videokamery), používá se též pro externí HDD, skenery…, lze připojit až 63 zařízení, podporuje PnP, lze propojit až 1023 sběrnicí – tím vznikne síť zařízení FireWire. Verze Fire Wire 400 (též IEEE 1394), pracuje s přenosovou rychlostí 400 Mb/s, verze Fire Wire 800 (též IEEE 1394b) přenáší data s rychlostí až 800 Mb/s. IEEE 1394 FireWire je méně používané než USB.

Komunikace mikroprocesoru s I/O zařízeními Běžné obsazení a priority IRQ:

Obsluha přerušením IRQ

IRQ

Při přerušení IRQ (Interrupt Request Levels) je mikroprocesor vytržen z práce zařízením, které si žádá obsluhu (např. stiskem klávesy). Vyvolané přerušení spustí program uložený na určité adrese v paměti, pro jeho zpracování je určen speciální obvod – řadič přerušení (PIC). Po zpracování přerušení se mikroprocesor vrátí ke své předchozí činnosti.

Použití

0

Systémový timer (základní deska)

1

Řadič klávesnice

2

Propojení s IRQ 8 až 15 (řadič přerušení)

8

Hodiny reálného času (základní deska)

9

Volné nebo řadič SCSI, u základních desek PCI

10

volné

11

volné

12

Port myši PS2

13

Matematický koprocesor

14

Řadič pevného disku IDE1

15

Řadič pevného disku IDE2

3

COM2

4

COM1

5

LPT2 nebo volné

6

Řadič disketových jednotek

7

Paralelní port LPT1

Zdrojů žádajících o přerušení je více – mají své kanály IRQ0 až IRQ7 a k IRQ2 jsou připojeny IRQ8 až IRQ15. Nejvyšší prioritu má IRQ0 (priorita je důležitá při současném požadavku o přerušení od více komponent, jinak by došlo ke kolizi a pádu OS). Při osazení nové komponenty do PC jí musíme přiřadit volný kanál IRQ – obvykle 9, 10, 11, 12, 13, 15 (záleží na konkrétním PC), obvykle to zařídí PnP. Způsob přiřazování IRQ je v dokumentaci k MB.



19

Komunikace pomocí kanálu přímého přístupu do paměti DMA DMA (Direct Memory Access)je režim, v němž jsou relativně rychle přenášena data mezi operační pamětí a periferií (I/O Každému zařízení je přeřazen jiný kanál DMA: zřízení – HDD, DVD). Mikroprocesor kanál DMA Použití pouze vyvolá přenos dat a pak jeho řízení 0 Volný přenechá řadiči DMA (mikroprocesor se 1 Volný zatím věnuje jiné činnosti). Dvě zařízení 2 Řadič disketových jednotek 3 Řadič pevného disku nebo paralelní port (IEEE 1284) nesmějí používat stejný kanál DMA (viz 4 Kaskádní propojení tabulka). 5

Druhý kanál řadiče EIDE

6

Volný

7

Řadič pevného disku

Volné kanály IRQ a DMA Volné kanály ve Windows zjistíme: ↓Start ↓Nastavení ↓Ovládací panely ↓↓Sytém →kartu (Hardware) a ↓Správce zařízení. Správce zařízení lze pomocí menu Zobrazit zobrazit podle typu nebo dle připojení. Vybereme ↓Prostředky podle typu a k dispozici je přehled obsazení IRQ a DMA jednotlivými zařízeními. (Vybereme-li konkrétní zařízení a ↓Vlastnosti →Obecné je uveden Stav zařízení – pracuje správně, konflikt….).

10. Jak se liší uspořádání chipsetu v modelu North a South Bridge a v modelu se sběrnicí HyperTransport? 11. Napiš, co je FSB a s jakou frekvencí může pracovat. 12. Napiš, jaké typy sběrnicí používá PC, se kterým pracuješ. 13. Napiš, proč se používá přerušení IRQ. 14. Napiš, co je DMA 15. Napiš, jaké výhody a nevýhody mají sériový a paralelní přenos informací. 16. Napiš, jaká rozhraní má PC, se kterým pracuješ. 17. Seřaď porty podle rychlosti.


20


Paměti PC Paměti jsou soustavy buněk schopných zapamatovat si informaci. Slouží k uložení dat a programů. Paměti v PC lze rozdělit na: Vnitřní (primární) s níž mikroprocesor bezprostředně spolupracuje; Vnější (sekundární), do které mikroprocesor ukládá data a programy, které momentálně nepotřebuje – např. HDD.

Důležité parametry paměti

10

1 KB 2 1024bytů Kapacita paměti – základní jednotkou je bit (místo 1 MB 220 1 048 576 k uložení jedné dvojkové číslice (0 nebo 1)), pro 1 GB 230 1 073 741 824 1 TB 240 1 099 511 627 776 vyjádření používáme větší jednotky - byte (1byte = 8 bitů) atd. Viz tabulka; Vybavovací doba paměti – rychlost (v ns až min.), s jakou paměť zapíše nebo vyhledá mikroprocesorem zadaná data; Zachování zapsané informace při přerušení napájení: o u volatilních (krátkodobých, energeticky závislých) pamětí obsah s výpadkem napájecího napětí mizí (např. vnitřní paměť); o u nonvolatilních (dlouhodobých, energeticky nezávislých) zůstává zachován (např. HDD); Lze-li do paměti číst i zapisovat, nebo z ní lze jen číst.

Paměti v PC


21


Polovodičové paměti PC Organizace paměti Polovodičové paměti jsou v principu tvořeny obvody složenými z miniaturních elektronických prvků, tvořících jednotlivé paměťové buňky. Každá buňka může nést jednobitovou informaci (1 nebo 0). Osm těchto buněk tvoří byte. Paměťové buňky jsou uspořádány v řádcích, kde v jedné řádce je počet buněk odpovídající počtu bitů slova, se kterým počítač pracuje (32; 64) – viz obr.

Organizace paměti

Popis práce polovodičové paměti

Předpokládejme, že je potřeba zapsat do paměti informaci (na obr. jen čtyřbitovou) – tu máme v datovém registru. Nejprve je pomocí adresování vybrán příslušný řádek s paměťovými buňkami a aktivuje se signálem (např. 1), tj. tyto buňky se zpřístupní ke čtení a zápisu. Pak je na vodič řízení přiveden signál (např. 0), který určuje, že do vybraného řádku paměti se bude zapisovat informace. Nakonec se z datového registru přivede zesilovači zesílená informace (0 a 1) k zápisu na zápisové vodiče. Jednotlivé buňky paměti se „překlopí“ do 0 či 1 a zapamatují si tento stav. Při čtení se opět vybere adresováním příslušný řádek paměti, řízení se nastaví na čtení a na čtecích vodičích se objeví příslušná zapamatovaná informace. Tu zesílíme v zesilovačích, zapíše se do datového registru a po sběrnici se předá ke zpracování mikroprocesorem. Rozdělení polovodičových pamětí Polovodičové paměti

RWM - (Read Write Memory) -volatilní (energeticky závislé)

SRAM (Static Random Access Memory)

DRAM (Dynamic Random Access Memory)

ROM - (Read Only Memory) -non-volatilní (energeticky nezávislé)

ROM lze jen číst, programuje výrobce

PROM lze jen číst, programuje uživatel

Flash - EPROM lze uživatelsky opakovaně přeprogramovávat i číst

Rozdělení polovodičových pamětí



22

Nevolatilní, polovodičové energeticky nezávislé paměti (s přerušením napájení obsah paměti zůstává zachován)

ROM a PROM (Programmable ROM) – lze z nich jen číst, data do nich vypálí výrobce nebo sám uživatel, nejdou přeprogramovat; Flash EPROM – data lze elektrickými impulsy opakovaně přepisovat. Používají se pro BIOS, jako přenosné paměti…

Volatilní, energeticky závislé paměti (obsah paměti se s přerušením napájení smaže), lze do nich neomezeně opakovaně zapisovat i číst Pozn.: RAM –Random Access Memory – z hlediska adresování lze číst i zapisovat z/do libovolných buněk. Jednodušší adresování mají paměti, u kterých se soubory musí číst v pořadí tak, jak byly zaznamenány – např. vyrovnávací u disků (LIFO, FIFO).

SRAM (Statická RAM) – paměťové buňky jsou tvořeny bistabilním klopným obvodem (elektronický obvod nabývající stavů 0 nebo 1 – (viz Elektronika)). Přístupová doba 1 ns a více, buňka je složitá a paměť je drahá. CMOS-RAM (Complementary Metal Oxide Silicon) – bistabilní klopné obvody jsou vyrobeny technologií CMOS (Elektronika), mají proto velmi malou vlastní spotřebu el. energie. Paměť je pomalá, používá se např. pro Setup BIOSu. Po vypnutí PC je napájena z baterie umístěné na MB. Obdobně jsou obvody CMOS tvořeny i hodiny napájené z baterie – PC zná aktuální čas a datum; DRAM (Dynamická RAM) – paměťové buňky jsou tvořeny miniaturními kondenzátorky (v nabitém stavu představují jedničku, ve vybitém nulu), kondenzátorky se rychle samovolně vybíjejí – je třeba je periodicky dobíjet (refresh po10 ms). Tyto paměti jsou jednodušší a levnější než SRAM, ale pomalejší (přístupová doba 3 ns a více).

Provedení pamětí DRAM Paměť SDRAM Paměť SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) pracuje se stejnou frekvencí, jaká je nastavená na paměťové sběrnici. Vybavovací dobu má 8 ns a více. Přenosová rychlost byla při frekvenci FSB 100 MHz a šířce sběrnice 64 bitů 100 * 64/8 = 800 MB/s. Používali se na MB pro Pentia II a III pod názvem DIMM SDRAM. Dnes jsou jen v zastaralých počítačích. Paměť DDR Paměťové čipy pracují na stejné frekvenci jako u SDRAM, ale data jsou dodávána do sběrnice při náběžné i sestupné hraně řídících impulsů odvozených z frekvence paměťi, proto je také datový tok dvojnásobný oproti SDRAM. Současně je také potřeba zdvojit spojení mezi paměťovými ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


23

banky a bufferem (vyrovnávací pamětí), aby se zdvojnásobilo množství dodávaných dat. Paměť DDR2 Frekvence paměťových čipů je opět stejná (uvažujme opět 100 MHz). I/O buffer pracuje ale rychleji na 200MHz. Zvýšení frekvence I/O bufferu by ale na vyšší výkon nestačilo, je nutné dodat také dvojnásobné množství dat (bitů). Díky čtyřem spojením (bankům) čipů a I/O bufferu, je možné s využitím náběžné i sestupné hrany dosáhnout efektivního taktu 400 MHz. Změna se tedy koná pouze na úrovni modulů, kde je nutné zdvojnásobit množství přenesených bitů za jeden impulz. Paměť DDR3 Poslední obrázek ukazuje DDR3, kde se opět změnilo to samé jako u DDR2 vůči DDR. Paměťové čipy stále pracují na nízké frekvenci 100MHz, ale spojení (banků) I/O bufferu musí být opět dvakrát tolik. Frekvence I/O bufferu se také zvýšila, na 400MHz. Efektivní frekvence je tedy 800MHz. Paměť DDR4 Pracují až na frekvenci 4,266 GHz, v současnosti se zavádějí, používají se hlavně v grafických kartách. Parametry pamětí DDR

Paměťové moduly jsou značeny podle vzoru PCy-xxx, kde y je ozn. typu paměti 1 – DDR; 2 – DDR2; 3 - DDR3; 4 - DDR4 a xxx je propustnost paměti v MB/s. Tedy např. PC23200 je typ paměti DDR2 s propustností 3,2 GB/s, pracující na frekvenci 400 MHz. Napájecí napětí paměťových modulů bylo u modulů SDRAM 3,3 V, a postupně se snižovalo až na 1,05 V. Toto snížení napětí bylo nutné, jinak by se při vzrůstající frekvenci zvyšoval elektrický výkon a čipy by se příliš ohřívaly. Nárůst propustnosti a též i výkonu na paměťových modulech a současné snižování napájecího napětí je patrné z následujícího obrázku.



24

Paměť RDRAM Paměti RDRAM (Rambus DRAM) se snažil prosadit Intel pro svá Pentia 4, pro jejich vysokou propustnost – až 3,2 GHz/s. Pro vysokou cenu se nepoužívají.

Operační (hlavní, vnitřní, primární, main) paměť Velikost operační paměti v PC bývá několik GB. Používá modulů s paměťovými buňkami DRAM zasunutých v paměťových bancích na MB. Typy modulů operační paměti jsou: SIMM (Single Inline Memory Module) – jen v historických PC, používané 72pinové moduly mají max. kapacitu 64 MB, 32 bitovou šířku a musejí se do banků (konektorů) MB vkládat v párech (64 b), jejich přístupová doba je 50 ns a více; DIMM (Dual Inline Memory Module) – jsou 168 pinové (počet vývodů k zasunutí do konektoru) a 64bitové, jsou určeny pro sběrnice pracující rychlostí (66), 100 nebo 133 MHz, napájení je 3,3 V, jsou zastaralé; DDR (DDR1) – mají dvojnásobnou rychlost oproti DIMM. DDR pracuje s frekvencí až 400 MHz; DDR2 800 MHz; DDR3 mají frekvenci až 1600 MHz a propustnost 12,8 GB/s najdeme je v nových počítačích; DDR4 (4266 MHz, 341128 GB/s) se začínají používat v grafických kartách; RIMM pro Pentium 4, RDRAM (Rambus DRAM) - paměti schopné pracovat na frekvenci až 1 GHz, dnes nepoužívané. Dual Channel Technologie Dual Channel (dvojitý kanál) připojuje paměť dvěma kanály a zdvojnásobuje propustnost mezi operační pamětí a mikroprocesorem, resp. North Bridge a mikroprocesorem. Pro správnou funkci Dual Channel je třeba osazovat paměťové moduly vždy v párech, přičemž moduly musí být identické (stejný typ a výrobní série – lze ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


25

koupit tzv. dual channel kit) každý modul musí být na jiné sběrnici – to výrobci MB zajišťují barevným odlišením banků na MB (viz obr.). Instalace paměťového modulu Paměťové moduly se zasouvají do tzv. banků (patic) na MB. Jednotlivé typy modulů (DDR2, DDR3) se liší počty vývodů a jsou určeny jen do určitého typu banku. Banky jsou opatřeny klíči (výstupky), do nichž zapadají výřezy v paměťových modulech – to vylučuje jejich záměnu. Rozšíření operační paměti Jak velkou má počítač operační paměť se dozvíme např. z Ovládací panely > Systém a z karty Obecné. Rozšíření operační paměti vede ke zrychlení PC. Před rozšířením je třeba vždy nejprve prostudovat dokumentaci k MB, musí se používat paměť. modulů jednoho typu, stejného výrobce, často stejné kapacity, někdy je třeba konfigurovat MB, Setup...



26

Některé další polovodičové paměti v PC Registry a cache paměti Registry a cache paměti jsou integrované v mikroprocesoru a používají je i další komponenty počítače. Využívají paměťových buněk typu SRAM. Nejrychlejší a s nejmenší kapacitou jsou registry, sloužící jako odkládací paměti procesoru; Cache L1 (Level 1, primární) – mají kapacitu jednotky KB a slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných procesorů a pomalejších L2 cache pamětí; Cache L2 (Level 2, sekundární) – urychluje načítání dat a instrukcí z hlavní paměti, má kapacitu až 1 MB. BIOS Používá paměťových buněk typu Flash EPROM, kapacitu má stovky KB. Obsahuje základní programy nezbytné pro otestování a nastavení počítače po zapnutí a instrukce pro zavedení operačního systému. Tato paměť je pomalá, proto se programy potřebné pro provoz PC kopírují při startu PC do podstatně rychlejší hlavní paměti. Upgrade BIOSu – přepsání programu BIOSu novější verzí, slouží pro vylepšení vlastností PC a možnost užití novějších jednotek. Setup BIOSu používá buněk typu CMOS RAM pro zápis parametrů disků, frekvencí, spotřeby… Je napájen z baterie na MB (obdobně jako hodiny). USB Flash disky Flash disky se používají jako přenosné médium pro přenos dat a souborů, lze z nich spouštět tzv. portable programy, na flash disku může být i celý operační systém. Vlastnosti Flash disků

Flash disky jsou založeny na paměti Flash EPROM – jsou to tedy elektronické trvalé přepisovatelné paměti; K počítači se připojují pomocí USB portu (paměťové karty vyžadují zvláštní čtečku); Po připojení k počítači se chovají jako další disk; V současné době jsou běžné kapacity Flash disků desítky GB; Jsou formátované souborovým systémem FAT 32 (později); Datový tok při čtení bývá až 30 MB/s, při zápisu až 20 MB/s. V USB Flash disku najdeme mimo paměťových buněk: USB mass storage controller mikroprocesor, který spravuje paměť a řídící komunikaci s počítačem; Generátor hodin; LED diodu indikující zápis/čtení Flash disku.



27

Pozn.: USB Flash disk bychom od počítače měli odpojovat až po jeho programovém odebrání z operačního systému přes ikonku Bezpěčně odebrat hardware vpravo na systémové liště, jinak hrozí ztráta z disku otevřených souborů.

18. Napiš, k čemu slouží hlavní paměť PC. 19. Napiš, jakou velikost paměti má PC, se kterým pracuješ. 20. Napiš, jak se liší paměť RAM a Flash EPROM, a kde se tyto paměti v PC používají. 21. Srovnej polovodičové paměti používané v PC vzestupně dle rychlosti a dle kapacity. 22. Napiš, proč se v PC používá baterie. 23. Jaký typ přenosného média nahradil Flash disk?



28

Logická organizace vnitřní paměti počítače Operační paměť používá operační systém a spuštěné programy, nahrává se do ní BIOS (aby byl rychleji k dispozici), jsou zde adresy I/O zařízení atd. Logická organizace paměti je soubor pravidel, které určují přidělování této paměti. Rozdělení operační paměti bylo historicky definováno při konstrukci IBM PC-XT, kdy se její velikost uvažovala max. 1 MB. Některé zásady se dodržují dodnes. Operační paměť se rozděluje na: Konvenční paměť; Rezervovaná paměť; Paměť nad 1MB. Konvenční paměť (Convection memory) Je rozdělena do dvou částí: Oblast vstupně/výstupních (I/O) zařízení má vyhrazený první kilobyte paměti pro I/O adresy přes něž komunikuje mikroprocesor s okolím. Každá komponenta PC má přidělenou I/O adresu, přes kterou posílá data mikroprocesoru a naopak. Pro díly základní desky jsou určeny adresy od 000 do 0FF, pro rozšiřující desky adresy od 100 do 3FF (vše v šestnáctkové soustavě, převedeno do desítkové: 0 – 255; 256 – 1023). Každé zařízení musí mít svoji adresu, jinak by mikroprocesor nevěděl, se kterým zařízením komunikuje a znamenalo by to pád operačního systému. Při rozšíření počítače o novou komponentu se této tedy musí přidělit IRQ, DMA a adresa I/O; Oblast, ve které pracují programy (od 1KB do 640 KB) – v operačním systému DOS pro programy, pro ovladače… Pro 32bitové OS (Windows) nemá význam. Konkrétní obsazení I/O paměti lze nalézt v Ovládacích panelech > Systém > Hardware > Správce zařízení, dále Zobrazit > Prostředky podle připojení a Vstupně-výstupní adresa (I/O). Rezervovaná paměť (Reserved memory) Zabírá oblast od 640 KB do 1MB. Je určena jen pro adresy a potřeby technických prostředků počítače. Např. pro grafickou kartu, pro BIOS… viz obr. Konkrétní obsazení rezervované paměti lze nalézt v Ovláda cích panelech > Systém > Hardware > Správce zařízení, dále Zobrazit > Prostředky podle připojení a Paměť.



29

Paměť nad 1 MB

V DOS ji uměly používat speciální „programové manažery“. Práce s pamětí v OS Windows Windows, Linux… podporují technologii práce s operační pamětí tzv. multitasking (víceúlohové zpracování), tedy spuštění více aplikací současně. Mezi jednotlivými běžícími programy se velmi rychle přepíná a každý dostává periodicky část mikroprocesorového času. V současnosti se používá tzv. preemptivní multitasking (nucené přerušení víceúlohového zpracování), kdy mezi jednotlivými spuštěnými aplikacemi OS sám přepíná. Stránkovací soubor Pro případ nedostatku operační paměti si OS rezervuje prostor na pevném disku, kam si odkládá momentálně nepotřebný obsah operační paměti. Tento soubor na HDD se nazývá stránkovacím souborem (též virtuální paměť nebo swapovací soubor) a je pojmenovaný pagefile.sys. Vytváří se automaticky při instalaci OS, jeho velikost je 1,5x velikost operační paměti – např. při velikosti operační paměti 2 GB bude mít velikost 2 * 1,5 = 3 GB. Nedostatek operační paměti vede k častému odkládání a načítání dat z/na HDD a znamená to značné zpomalení práce systému (viz obr.). Využití operační paměti Jak je operační paměť využita je patrné ze Správce úloh systému Windows (Ctrl + Alt + Del).



30

24. Co je logická organizace paměti? 25. K čemu je důležitá konvenční paměť? 26. Co je multitasking? 27. Co je swapování? 28. Jak zjistíš velikost operační paměti a její využití? 29. Co všechno zařizuje technologie PnP při instalaci nové komponenty do PC?



31

Doplňování přídavných komponent do počítače Počítače PC jsou navrženy tak, aby bylo možno doplňovat a vyměňovat jednotlivé části – např. vyměnit zastaralou kartu za výkonnější, přidat operační paměť, rozšířit PC novým zařízením o další funkce… Tyto tzv. přídavné komponenty jsou samostatná hardwarová zařízení – přídavné karty se zasunují do slotů a přídavná zařízení do konektorů umístěných na základní desce. Nejčastější typy přídavných karet

Zvuková karta – obsahuje obvody pro záznam a reprodukci zvuku; Síťová karta – slouží k připojení počítače k počítačové síti; Televizní karta – umožňuje přijímat televizní a rozhlasové vysílání, zobrazovat a reprodukovat ho počítačem; Karta pro střih videa – slouží k editaci a střihu digitálního videozáznamu v počítači; Grafická karta – vyměníme ji, když stávající je už zastaralá a nevyhovuje svými parametry; Specializované karty – mohou např. zobrazovat elektrické průběhy proudů a napětí (osciloskop), zařízení umožňující časová měření procesů, mohou regulovat procesy – např. řídit topení, provoz elektrárny…

Pozn.: Některé předchozí karty bývají často integrovány na základní desce počítače, ovšem jejich parametry mohou být nevyhovující – lze je vypnout a nahradit přídavnou kartou.

Nejčastější zařízení přidávaná do počítače

Další pevný disk – když nám stávající svou kapacitou nestačí nebo potřebujeme zálohovat data z prvního disku; Mechanika DVD, Blue Ray – stávající mechanika nevyhovuje svými parametry, neumí třeba vypalovat atd.; Další moduly operační paměti – to vede ke zrychlení PC (viz předchozí).

Nejčastější zařízení přidávané k počítači

Flash paměti, tiskárny, skenery, čtečky otisků prstů, fotoaparáty, kamery… Obvykle je připojujeme prostřednictvím USB portu. Při připojení a instalaci postupujeme dle návodu dodaného se zařízením.

Systémové zdroje

Nové komponentě dodané do počítače je potřeba přidělit tzv. systémové zdroje tak, aby nebylo v konfliktu s žádným již existujícím zařízením – případný konflikt by znamenal špatnou funkci obou zařízení, případně kolaps operačního systému počítače.

Systémovými zdroji rozumíme: Volný kanál IRQ, pokud zařízení IRQ používá; Volný kanál DMA, pokud zařízení DMA používá; Přidělit komponentě adresu I/O; Přidělit komponentě volnou adresu v rezervované paměti, přes níž bude komunikovat se svým BIOSem a případně ji i přidělit část rezervované paměti pro základní programové vybavení.

Přidělení těchto systémových zdrojů byla pro uživatele poměrně komplikovaná záležitost, bylo nutné znát přesný typ přidávané komponenty, její umístění ve slotu, ručně ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


32

přidělit přerušení IRQ, DMA, I/O adresu, z disku nahrát příslušné ovladače. Dnes toto vše zařizuje technologie Plug & Play. Technologie Plug & Play Plug and Play (zkráceně PnP) (v překladu „připoj a hraj“) je počítačová technologie vyvinutá firmou Intel umožňující jednodušší rozpoznávání a konfigurace hardware. Umožňuje operačním systémům správně zjistit, jaký hardware je v počítači, na základě čehož může automaticky (s větší či menší úspěšností) k tomuto hardware nainstalovat či spustit příslušné ovladače a automaticky nastavit číslo přerušení IRQ, kanál DMA, I/O adresu, rozsahy sdílené paměti, případně další skutečnosti (např. detaily o typu zařízení). Má-li proces automatického rozpoznávání hardwaru fungovat, je nutné, aby základní deska, operační systém a zařízení, které se bude přidávat, funkci Plug and Play podporovaly. Pokud tomu tak je, pak se po vložení nové přídavné karty do počítače a jeho zapnutí spustí automaticky instalační program, který nový hardware nainstaluje a zprovozní (může ovšem vyžadovat vložení CD s ovladači).

Postup odebrání a instalace přídavné karty Odebrání a instalaci si ukážeme na příkladu grafické karty

Chcete-li rozšířit zobrazovací možnosti počítače (grafické programy, hry…), pak vyměňte stávající grafickou kartu, za výkonnější. Pozn.: V záručních podmínkách dodaných s počítačem zkontrolujte, zda otevření skříně počítače neovlivní platnost jeho záruky. Pozn.: Před instalací nové grafické karty si přečtěte dokumentaci dodanou s kartou - mohou zde být uvedeny důležité informace týkající se konkrétní karty, kterou instalujete.

Potřeby pro instalaci grafické karty

V případě, že používáte grafiku integrovanou na základní desce počítače, zkontrolujte, zda je na základní desce počítače slot PEG (u starších počítačů AGP), do kterého můžete vložit novou grafickou kartu. Pokud měníte stávající grafickou kartu, pak ji vložíte do příslušného uvolněného slotu (PEG, u starších AGP); Grafickou kartu, kterou chcete nainstalovat; Křížový šroubovák k otevření skříně počítače (je-li to nezbytné) a pro připevnění karty.

Postup otevření skříně počítače

1. Počítač vypněte a odpojte od zdroje napájení! Při instalaci karty do připojeného počítače byste mohli utrpět úraz elektrickým proudem nebo poškodit kartu i počítač. 2. Dotkněte se uzemněné kovové části v okolí (těleso ústředního topení, vodovod…), tím vybijete statickou elektřinu a připojte k ruce elektrostatický náramek, který druhým koncem připojte k vodivé části počítače – pomůže vám to ochránit novou kartu a další součásti počítače před poškozením statickou elektřinou. 3. Otevřete skříň počítače. (Na krytu počítače (obvykle vzadu) najděte šroubky nebo svorky, které je třeba uvolnit, abyste mohli ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


33

sejmout kryt. Pokyny k otevření skříně jsou obvykle uvedeny v dokumentaci k počítači.) Postup odebrání stávající grafické karty

1. Odpojte kabel k monitoru; 2. Vyjměte stávající grafickou kartu. Je-li počítač vybaven vestavěnou (integrovanou) grafickou kartou, nemáme co vyjímat a pokračujeme v instalaci – viz „Postup instalace nové grafické karty“. 3. Odstraňte šroubek nebo uvolněte háček, kterým je grafická karta uchycena. 4. Opatrně grafickou kartu vytáhněte z patice – někdy je třeba kartou jemně zaviklat. Při vyjímání dejte pozor na zkroucení nebo ohnutí karty. Postup instalace nové grafické karty

1. V případě záměny integrované grafiky za grafickou kartu, vylomte šroubovákem plechovou záslepku na zadní straně počítače, která přísluší PEG slotu; 2. Opatrně grafickou kartu umístěte nad slot. Přesně nasměrujte vývody karty na kontakty ve slotu a opatrným tlakem zasuňte kartu do patice. Zkontrolujte, zda karta plně dosedla a zda drží na místě. 3. Přišroubujte grafickou kartu k rámu. Šroubek je obvykle vhodné dotáhnout jen o málo více, než kdybyste jej utahovali pouze prsty. 4. Uzavřete skříň počítače a případně připevněte odejmuté šroubky. 5. Připojte do konektoru nové grafické karty kabel monitoru. 6. Počítač opět připojte k síti a poté jej zapněte – operační systém Windows obvykle (díky PnP) nainstaluje potřebné ovladače nové grafické karty a přidělí ji systémové prostředky (IRQ, DMA, I/O adresy). Pak ke grafické kartě nainstalujte software z CD, který jste dostali současně s grafickou kartou (ten je též možno stáhnout na stránkách výrobce grafické karty). Postup instalace najdete v informacích dodaných s grafickou kartou. Někdy je třeba restartovat počítač. Pokud karta nepracuje správně, zjistěte, zda pro ni není ve službě Windows Update či stránkách výrobce karty, k dispozici novější ovladač. Obdobný je postup i při doplňování dalších komponent do počítače, ovšem s drobnými odchylkami. Např. zvukovou kartu je někdy potřeba propojit kablíkem s DVD mechanikou, u staršího HDD nastavit propojkou režim Master/Slave. Při instalaci komponenty si též najdeme, zda se mají nejprve instalovat ovladače a pak připojit komponentu a nebo naopak. Přesný postup připojení a instalace komponenty se vždy dočteme v dokumentaci ke komponentě a MB. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


34

30. Co jsou systémové prostředky přidělované komponentě v PC? 31. Jaké komponenty do PC přidáváme/vyměňujeme nejčastěji? 32. Co je technologie PnP? 33. Co je ovladač komponenty? 34. Jaký je postup odebrání či instalace přídavné karty?



35

Non-volatilní paměti – Magnetické paměti Data a programy bývají skladovány na magnetických a optických discích – v tzv. vnějších (sekundárních) pamětech (vnitřní paměť má podstatně menší kapacitu, je drahá a při vypnutí PC se maže). Data, se kterými se má manipulovat, a programy, které se mají provozovat, jsou podle potřeby z vnější paměti načtena do vnitřní, zpracována a uložena zpět.

Pevný disk (harddisk, HDD, HD) HDD je tvořen několika disky (talíři) o ø 1,8”; 2,5” nebo 3,5”, které jsou umístěny nad sebou a uloženy ve vzduchotěsné a prachotěsné schránce. Každý talíř pevného disku má horní a dolní plochu (plotnu) s magnetickou vrstvou z tvrdého feromagnetika, do níž se zapisují data. Každá plotna má svoji čtecí/zapisovací hlavičku připevněnou na pohyblivém raménku. Hlavičky se vznáší ve vzduchových polštářích vznikajících rotujícími disky (aerodynamický vztlak) několik µm nad jejich plotnami – proto prachotěsná schránka a !!!!citlivost na otřesy!!!!. Při vypnutí disku zajistí mechanika zaparkování hlaviček ve vymezené oblasti – nemohou se tedy dotknout plotny a poškodit ji. HDD s řadičem

Raménka s hlavičkami

Disky s plotnami pevného disku

Rozhraní (host adaptér) - u EIDE, SATA integrován na MB, u SCSI (skazi) přídavná PCI karta

k MB

Propojovací kabely

Řadič

Zápis a čtení dat Pro zapsání dat na disk musí řadič zprostředkovat vyslání proudu do elektromagnetu ve čtecí/zapisovací hlavičce. Proud vyvolá místní elektromagnetické pole, které zorientuje magnetické částice na povrchu plotny – takto se vytvoří na rotující plotně řada dipólů, které mají severní a jižní pól podobně jako magnet. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.

36

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. – 2. díl Při čtení se snímá čtecí/zapisovací hlavičkou kolísání hodnot magnetického pole dipólů rotujících ploten – vzniklé napěťové impulsy (identické se zapisovacími) se převádějí na dvojkové signály a dále zpracovávají v PC.

Fyzická struktura disku

sektor

Řadič potřebuje znát přesnou geometrickou polohu zapsaných dat. Proto si řadič při fyzickém formátování (nízké, low format) (toto formátování provádí výrobce) rozdělí povrchy ploten na stopy (soustředné kružnice) a každou stopu navíc příčně na sektor – ten je velký 512 B. Na začátek každé stopy a každého sektoru umístí řadič magnetickou značku (identifikátor).

stopa

Identifikátor stopy 302

Identifikátor sektoru 0

Místo pro data


Místo pro data

Identifikátor stopy 302


Místo pro data


Místo pro data

Uspořádání hlaviček a ploten disku Pevný disk má vždy více otáčejících se kotoučů (disků), které jsou na společné hnací ose poháněné motorkem. Každý kotouč má obvykle dva povrchy – plotny z feromagnetika (vnější někdy nemusí) a nad plotnami se vznášejí čtecí/záznamové hlavičky. Má-li např. HDD šest kotoučů se dvěma plotnami, má dvanáct čtecích/zápisových hlaviček. Hlavičky jsou umístěny na společném raménku a vychylují se tedy společně – vznášejí se nad stejnou stopou, ale různou plotnou HDD. Stejným stopám na různých površích ploten se říká cylindr.

Mechanika hlaviček

Společnou osu, která pohybuje raménky s hlavičkami, pohání tzv. vystavovací cívka (Voice Coil). Průchod proudu vystavovací cívkou způsobí vychýlení cívky – čtecí hlavička přečte novou polohu z disku podle identifikačních značek stop, řídící elektronika novou polohu vyhodnotí a určí další velikost proudu do vystavovací cívky atd., až dojde k najetí nad požadovanou stopu. Pohon vystavovací cívkou je tzv. samoparkovací – při výpadku napájení pružinka zařídí návrat hlaviček do parkovacích poloh - disk se stává částečně otřesuvzdorný. V konstrukci hlaviček se induktivní princip zachoval jen u zápisové části hlavičky, čtecí hlavička používá magnetorezistoru – polovodičové součástky, jejíž odpor je ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


37

závislý na intenzitě magnetického pole, ve kterém se nachází (viz Elektronika). Magnetorezistorová čtecí hlavička umožňuje vyšší rychlost čtení a též přesnější najetí nad čtenou stopu – je totiž menší než původní indukční hlavička a tím se vylučuje rušení ze sousedních stop.

Přístupová doba HDD Přístupová doba (access time) je čas za který HDD najde požadovaná data a bývá do 10 ms. Přístupová doba HDD je dána součtem doby vystavení a doby čekání. Doba vystavení je dána časem najetí nad určitou stopu, a protože data jednoho souboru bývají uloženy v sousedních stopách, uvažuje se tato doba jako třetina času potřebného k přejetí celé plotny hlavičkou. Doba vystavení bývá od 2 do 4 ms. Pro minimalizaci doby vystavení se používá zápisu a tedy i čtení po cylindrech a nikoliv po stopách – jestliže se první část dat zapisuje do 302 stopy povrchu první plotny, druhá část dat se zapíše do 302 stopy druhé plotny, třetí část dat do třetí plotny atd. Doba čekání je doba, kterou se, po najetí nad požadovanou stopu, musí čekat, než se plotna natočí na požadovaný sektor. Za tuto dobu se považuje polovina doby jedné otáčky kotouče disku. Zmenšovat dobu čekání lze zvyšováním otáček kotoučů disku. U současných HDD se používají otáčky 5 400, 7 200, 10 000 a 15 000 ot/min. Dobu jedné otáčky je pak od 11 do 4 ms a doby čekání jsou tedy 5,5 až 2 ms. Zvyšování otáček HDD ovšem sebou nese konstrukční problémy. Přístupová doba se dále snižuje tzv. prokládáním (Interleaving ). Po přečtení dat z jednoho sektoru je nutné tato data odeslat prostřednictvím řadiče a BIOSu operačnímu sytému, který je předá otavřenému aplikačnímu programu – ten je zpracuje a požádá OS o další data – OS o ně požádá prostřednictvím BIOSu řadič a ten zorganizuje další čtení. Pokud by data byla v sektoru, který by bezprostředně následoval za právě přečteným, nestihla by se přečíst a muselo by se čekat na další otáčku plotny – to by značně protahovalo přístupovou dobu HDD. Při prokládání se blok dat zapisuje ob sektor či několik sektorů. (Se zrychlováním PC se začíná od prokládání upouštět.) Vyrovnávací paměť HDD Načtená data nelze okamžitě přenést na sběrnici (IRQ!), je nutné je zapsat do vyrovnávací paměti (cache) HDD a teprve na pokyn mikroprocesoru předat sběrnici. Cachové paměti HDD bývají od 2 do 16 MB. Kapacita HDD Kapacity HDD se stále zvyšují, v současnosti se pohybují od 500 GB do 3 TB. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


38

Pozn.: Při přidávání/výměně HDD ve starším PC je nutno v manuálu k MB ověřit s jakou maximální kapacitou HDD umí MB pracovat.

Poruchovost HDD Pevný disk obsahuje pohyblivé mechanické součásti, které se opotřebovávají, proto je nejporuchovější součástí počítače. Poruchovost HDD udávají výrobci tzv. střední dobou mezi chybami, která udává teoretickou dobu mezi dvěma kritickými chybami. Tato doba může být např. 1 000 000 hodin, což odpovídá asi 114 letům. To ovšem neznamená, že k první chybě nedojde zítra. Je nezbytné důležitá data soustavně zálohovat na jiná paměťová média. Systém předvídání selhání pevného disku SMART (Self-Monotoring Analysis and Reporting Technology) sleduje důležité parametry HDD (např. počet chyb při čtení a zápisu, čas potřebný k roztočení kotoučů, počet provozních hodin, počet zapnutí HDD, teplotu provozu…) a zapisuje je do tabulky v SETUPu, která je kontrolována při každém startu PC. Pokud některá ze sledovaných hodnot přesáhne stanované meze, je uživatel na toto upozorněn. Výpis hodnot SMART lze získat různými programy např. SiSoft Sandrou, Active@Hard Disk Monitor...



39

Zásady zacházení s HDD Při práci s PC obsahujícím HDD je nutné dodržovat: Chránit pevný disk před otřesy; Chránit disk před teplotními rázy – při přenesení PC do prostředí s výrazně jinou teplotou necháme počítač několik hodin nezapnutý, aby se teploty vyrovnaly; Zálohovat důležité soubory na další paměťové médium.

35. Napiš, co je magneticky měkký a magneticky tvrdý materiál, uveď, kde se v HDD používají. 36. Napiš, co je cylindr. 37. Napiš, co je SMART u HDD. 38. Napiš, kolikrát je HDD pomalejší než polovodičová vnitřní paměť. 39. Napiš, jaké parametry má HDD v PC, na kterém pracuješ. 40. Vysvětli, jak souvisí otáčky HDD s jeho kvalitou. 41. Popiš a vysvětli obrázek na této straně.



40

Řadiče pevných disků

Dělí si plochu disku na číslované stopy a sektory; Organizují zápis a čtení dat; Ve spolupráci se sběrnicí zajišťují přenos dat mezi diskem a mikroprocesorem.

V současné době se používají řadiče EIDE, Serial ATA a SCSI a podle nich se disková zařízení též často nazývají, pro externí disková zařízení se používá rozhraní USB, FireWire a eSATApower. Rozhraní EIDE Řadič EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics) (rozšířený integrovaný elektronický řadič) vychází z původního IDE, které pracovalo s 16bitovou šířkou sběrnice. Na základní desce jsou dva sloty EIDE pro připojení dvou plochých datových kabelů, na každý lze připojit dvě EIDE zařízení, tedy např. dva HDD a dvě DVD mechaniky. Na každé lince je třeba určit, které zařízení bude řídící (master) a které bude podřízené (slave) – to se určuje pomocí propojek (jumperů) na samotném zařízení. Max. přenosová rychlost (s rozhraním Ultra ATA 133) je 133 MB/s, max. délka připoj. kabelu je 0,6m. Plochý kabel má 80 žil, z toho 40 datových prostřídaných 40 stínícími zemnícími vodiči (kvůli rušivým přeslechům). Pozn.: Rozhraní EIDE bylo navrženo pro sběrnici ISA, která se též nazýváAT-Bus a odtud je označení ATA (AT Attachement (přídavné zařízení)); místo EIDE se též setkáme s označením IDE.

Rozhraní SCSI U SCSI je třeba přídavná karta (host adapter), která se připojí do slotu na MB a k ní lze, pomocí kabelu o max. délce 12 m, připojit až 15 interních či externích zařízení. Přenosová rychlost je u Serial SCSI až 400 MB/s. Rozhraní SCSI je určeno pro servery, u PC se SCSI nepoužívá, zřídka u pracovních stanic.


41


Rozhraní SATA Předchozí způsoby připojení HDD vytlačilo rozhraní Serial ATA. Oproti EIDE má následující výhody: Na základní desce bývá až šest konektorů s řadiči SATA pro připojení vždy jednoho zařízení (HDD, DVD mechanika…) pomocí tenkého sedmivodičového SATA kabelu dlouhého až 1 m. Tenké kabely se nepletou ve skříni a umožňují dobré proudění vzduchu. Oproti EIDE odpadá nastavení Master/Slave; Max. přenosová rychlost u verze SATA III je 800 MB/s; Podporuje tzv. Hot-Plug-In, tj. připojování zařízení i za chodu počítače; Lze snadněji vytvářet disková pole RAID (později); Oproti EIDE má SATA menší spotřebu el. energie.

Konektor EIDE a SATA s kabely

Rozhraní eSATA a eSATAp eSATA (external SATA) je externí SATA rozhraní pro připojení vnějších datových zařízení (HDD, DVD…). Je rychlejší než častěji používané USB připojení, ovšem jeho nevýhodou oproti USB je nepřítomnost vodičů s napájením – zařízení musí mít své napájení. Proto se dnes spíše používá rozhraní eSATAp s napájením. eSATAp (external SATApower) bylo vyvinuto pro notebooky, jde o eSATA doplněné o napájení pro externí zařízení (externí zařízení tedy už nemusí mít přídavné napájení). Kabel pro eSATA a eSATAp může být dlouhý až 2 m. Konektory eSATA(p) jsou na rozdíl od SATA robustnější – uvažuje se časté připojování a odpojování externích zařízení. Konektory eSATAp se též někdy označují eSATA USB. 42. Vysvětli, pojmy „master“ a „slave“. 43. Napiš, k čemu slouží řadič HDD. 44. Napiš, jaké jsou výhody SATA oproti EIDE. 45. Napiš, jak připojujeme externí datové zařízení.



42

SSD disky SSD (Solid State Drive/Disk) je moderní typ polovodičové vnější počítačové paměti. Pro uložení dat je v SSD nejčastěji použita nevolatilní flash paměť. SSD disk, který používá volatilní paměť typu SRAM nebo DRAM, je někdy nazýván RAM disk/drive. RAM disk RAM disk v podobě karty PCI využívá paměťové moduly typu RAM (SDR nebo DDR) a je vybaven záložním akumulátorem, který dodává energii do paměti v době vypnutí počítače tak, aby se vložená data nevymazala. Připojuje se do PCI slotu kvůli napájení a datově k rozhraní SATA. Kapacitu má několik GB, přístupová doba odpovídá použitému typu DDR modulů (několik ns), přenosová rychlost je omezena rychlostí SATA (≈3 Gb/s). Využívá se v součinnosti s HDD, v současnosti nahrazen SSD s flash pamětmi, které jsou ovšem mnohonásobně pomalejší. SSD disk Současné SSD disky (Solid State Drive/Disk) jsou flash paměti spojené do jednoho zařízení s obvykle rozhraním SATA, které se dají jednoduše využít jako malý, energeticky nenáročný, rychlý a zcela tichý "pevný disk" s přístupovou dobou ≈ 0,1 ms (u HDD ≈ 10 ms). Připojení SSD disků

Protože si výrobci SSD disků kladou za cíl nahradit v budoucnosti klasické disky, jsou podporována stejná rozhraní, tedy SATA až SATA III a pro notebooky je nabízena varianta Express Card nebo Mini PCI-E. Rozměrově SSD odpovídají HDD - 1,8", 2,5" a 3,5". Jiný typ SSD využívá PCIe 8x – tím se dosahuje vyšší přenosové rychlosti než u SATA.

SSD mají formát odpovídající HDD (1,8", 2,5" a 3,5"), aby je mohly snadno nahradit

SSD typu OCZ VeloDrive 1200GB s kapacitou 1,2 TB, s přenosovou rychlostí 1 GB/s (a cenou ≈ 110 000 Kč r. 2011)

Výhody a nevýhody SSD disků

Výhody oproti HDD: SSD nemají mechanické pohyblivé části, a tedy vykazují nižší spotřebu el. energie (2 W oproti 25 W HDD), jsou nehlučné, lehké, přístupovou dobu mají řádově



43

mikrosekundy (u HDD jsou to milisekundy spotřebované na přesunutí čtecích/zápisových hlaviček a pootočení kotouče disku). Dále nejsou tak citlivé na nárazy a otřesy jako mechanické disky. Nevýhody: SSD disky s flash pamětmi mají omezenou životnost maximálním počtem zápisů do stejného místa, který je výrazně nižší, než u klasických pevných disků (udáváno dle typů 100 000 až 1 000 000 zápisů). Tento problém řeší program řadiče, který rovnoměrně zapisuje data mezi všechny paměťové buňky. Další nevýhodou je, že OS nemusí vždy dobře využívat výhod SSD a mohou jeho rychlost značně zpomalit. Zásadní nevýhodou je podstatně vyšší cena SSD (≈ 30x) oproti HDD.

Použití SSD

Výhody SSD (malá spotřeba, váha a velikost disku a otřesuvzdornost) je předurčuje pro přenosné počítače (notebooky, netbooky, PDA…). Druhá oblast použití SSD disku je pro zvýšení výkonu počítačového systému (SSD jsou mnohonásobně rychlejší než HDD) a jeho spolehlivosti. V současnosti se SSD používají v součinnosti s HDD, kdy SSD je určen pro operační systém a HDD pro data. 46. Napiš, co jsou SSD disky. 47. Napiš, jaké jsou výhody a nevýhody SSD. 48. Napiš, kolikrát jsou SSD rychlejší než HDD. 49. Napiš, jak se připojují SSD. 50. Napiš, kde se SSD používají. 51. Napiš překlad a komentář k obrázku vpravo.



44

Zálohování a způsoby ztráty dat Zálohováním chráníme svá a svěřená data před ztrátou. Záloha nebo záložní kopie (backup) je kopie dat uložená na jiném datovém nosiči. Zálohu, tj. datový nosič se zálohovanými daty pak uložíme odděleně od zálohovaného počítače (např. zálohujeme počítač doma a zálohu uložíme v práci), úložiště zálohy by rozhodně nemělo být trvale elektricky spojeno (tedy po napájecí nebo datové síti) se zálohovaným PC. Záložní data jsou využívána v případě ztráty, poškození nebo jiné potřeby práce s daty uloženými v minulosti. Zálohováním tedy minimalizujeme škodu vzniklou ztrátou dat. Zálohování probíhá nepravidelně (např. v domácnostech) nebo pravidelně podle rozvrhu (např. ve firmách).

Způsoby ztráty dat Poškození vlivem lidského faktoru:

Neúmyslné smazání; Nesprávné používání nebo manipulace; Nedbalost.

Poškození vlivem selhání PC:

Výpadky elektrického proudu, přepětí, podpětí; Výpadek operačního systému; Selhání pevných disků; Zničení vlivem programové chyby.

Poškození s úmyslem data zničit:

Virová nákaza; Sabotáž; Krádež.

Poškození fyzikálními a přírodními vlivy:

Požár a kouř; Voda; Zásah blesku.

Prostředky zálohování K zálohování potřebujeme vhodný zálohovací program (ale k ručnímu zálohování stačí jen např. Průzkumník) a vhodné (podle místních podmínek) zálohovací médium s případnou mechanikou, na které budeme zálohovat. Pro usnadnění zálohování PC si jeden HDD (nebo jeho oddíl) vyhradíme pro operační systém a programy, druhý pak pro data.



45

Co zálohujeme Zálohujeme: Operační systém i se standardními programy – vytvoříme na DVD médiu nebo na dalším oddílu HDD obraz (image) disku, též nazývaný bitová kopie disku. Ten poslouží jako záloha při chybě OS, při virovém napadení… pro rychlou obnovu SW vybavení počítače; Veškerá data, která nelze snadno nahradit, tj. především výsledky vlastní práce, svěřená data, důležité dopisy a sdělení… SW pro vytvoření image disku (bitové kopie) Do bitové kopie jsou uložena veškerá data na disku (systém, programy, vaše soubory). Při obnově počítače z bitové kopie se počítač vrátí do stejného stavu, v jakém byl při vytváření bitové kopie. Není třeba znovu instalovat systém, ani programy. Pro vytvoření image disku (bitové kopie) existuje řada specializovaných programů např. Norton Ghost. Vytvoření bitové kopie umožňuje též OS Windows 7 (Ovládací panely > Všechny položky Ovládacích panelů > Centrum akcí).



46

SW pro zálohování dat Nejjednodušší je k zálohování použít zálohovací program, který je součástí OS Windows (samozřejmě existuje mnoho specializovaných zálovacích programů, např. Cobian Backup). Zálohování ve Windows 7 spustíme z Nastavit zálohování (Ovládací panely > Centrum akcí > Nastavit zálohování). Dále vybereme datové soubory k zálohování – v podání Windows 7 knihovny – uživatel si do knihovny vytvoří vlastní seznam složek, které chce zálohovat. Pak ještě určíme plán zálohování.



47

Způsoby zálohování dat Ruční zálohování Při ručním zálohování si data k zálohování občas zkopírujeme do úložiště. Pro úsporu místa můžeme data komprimovat. Nevýhodou je, že na zálohování musíme pamatovat. Ruční zálohování používáme obvykle v domácích podmínkách. Automatické zálohování Automatické zálohování umožňuje dle předem nastaveného plánu samočinně zálohovat vybrané soubory. K automatickému zálohování je potřeba vhodný zálohovací program, můžeme použít např. Zálohování ve Windows. Způsoby automatického zálohování

Průběžné – zálohovací program zálohuje veškerá data okamžitě, jakmile dojde k jakékoliv jejich změně. Typicky se to řeší tzv. zrcadlením disků (později); Trvalá archivace – data se v pravidelných intervalech zálohují pokaždé na nové médium a tato média jsou vhodně archivována. Tento typ záloh má často nějaký důvod daný zákony a předpisy (povinnost určitá data uchovávat po určitou dobu); Cyklické zálohování – data se v pravidelných intervalech ukládají na několik médií, která se cyklicky střídají (např. kamerový systém školy).

Cyklické zálohování

Cyklické zálohování je způsob vytváření záloh dat v pravidelných intervalech, které navíc tvoří cykly. Nevýhodou této metody je, že v následujícím cyklu již není možno obnovit data z cyklu předchozího. Tato nevýhoda je ovšem vyvážena tím, že objem dat je oproti trvalé archivaci malý a konstantní (respektive narůstá jen tak, jak narůstají zálohovaná data). Dalšího zmenšení objemu dat se dosahuje kombinováním následujících typů záloh: Úplná záloha – záloha kompletní množiny dat; Inkrementální záloha – zálohují se pouze data, která se změnila od minulé úplné zálohy; Rozdílová záloha – zálohují se pouze data, která se změnila od minulé zálohy (ať už to byla záloha úplná nebo rozdílová nebo inkrementální).

Zálohovací média Optické disky Kompaktní disky CD, DVD a BlueRay jsou levnou a snadno přístupnou variantou zálohování, neboť dnes má téměř každý počítač vypalovací mechaniku. Cena médií se dle druhu pohybuje v řádu jednotek až desítek korun. Dbáme na správné skladování médií (tma, optimální teplota). Nevýhodou je ovšem omezená životnost médií (kupujeme pro zálohování kvalitní média od renomovaných firem (např. Verbatim) a po roce, dvou pak data, pokud na nich ještě záleží, přepalujeme na nové médium). ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.


48

Další nevýhodou je nemožnost automatizace zálohování – po spuštění zálohovacího programu musíme vložit ručně médium do vypalovací mechaniky. Zálohování na magnetickou pásku Magnetická páska je již po dlouhou dobu nejvíce používané medium pro zálohování a archivaci dat. Nevýhodou je vysoká pořizovací cena páskové jednotky (desítky tisíc Kč), výhodou pak nízká cena médií (např. páska s kapacitou 1,6 TB stojí 700 Kč). Minimální skladovatelnost médií je vynikajících 30 let. Přenosová rychlost se blíží 1 GB/s. Zálohování na pevné disky Zálohujeme data na další pevný disk připojený k počítači. Pokud zálohujeme na interní disk, musíme si uvědomit, že takto se bráníme jen ztráty dat poškozením jednoho z disků a data nechráníme před ostatní způsoby ztráty dat (krádež, požár, přepětí…). V případě připojení interních HDD je vhodné zapojit je do pole RAID (budeme se učit později). Rozumnější je zálohovat na externí disk, který připojíme prostřednictvím USB, Fire Wire či eSATAp k PC a po zazálohování odpojíme a uložíme. Záloha na pevné disky patří k nejlepším možným řešením v domácích podmínkách. Zálohování na NAS zařízení NAS – Network Attached Storage je síťové úložiště dat, které stačí zapojit do počítačové sítě, nakonfigurovat a používat. V podstatě jde o klasický pevný disk či disky s nezbytnými součástmi starající se o vzájemnou komunikaci NAS a jednotlivých komponentů (PC, tiskárna, notebook...) zapojených v síti.

NAS síťová datová úložiště se používají v organizacích a stále častěji i v zasíťovaných domácnostech jako společné úložiště video a audio souborů, sdílených dat atd. Výhodou NAS je možnost automatického zálohování, nevýhodou ovšem opět možnost ztráty dat při krádeži, při přepětí…



49

Zálohování na flash paměti Dnešní flash disky mají kapacitu desítky GB, a tedy je možné použít k zálohování. Můžeme zálohovat ručně nebo použít specializované programy – např. USB FlashBackup je přímo určen pro zálohování na flash paměť. Nevýhody je možnost ztráty flash disku, jeho poruchovost např. při napěťové špičce, a omezený počet zápisů na tento disk.

OnLine zálohování

Pod online zálohováním můžeme rozumět služby poskytované třetí stranou ve formě možnosti odeslat data z PC na jejich úložiště po Internetu a podle potřeby si je kdykoliv stáhnout zpátky. Největšími a nejrozšířenějšími jsou služby např. Xdrive (– www.xdrive.com), která nabízí 5 GB prostoru zdarma, zdejší online úložiště je např. www.kapsa.cz. Na obr. je zálohovací služba Symantec Norton, nabízející zálohování i s plánovacím programem. Nevýhodou je pomalost, závisející na rychlosti Internetového připojení (uploadu) a to že data leží někde mimo a bez možnosti kontroly. Data je vhodné před odeslání do úložiště zašifrovat, jinak může hrozit jejich zneužití dalšími osobami. Zásady zálohování Základní zásadou při práci na počítači je pravidelně a dlouhodobě zálohovat svá a případně svěřená data. Nejvhodnější kombinace dvou libovolných výše popsaných způsobů, tedy zálohovat např. jednou týdně na externí HDD a současně ukládat denní práci do flash paměti. Vytvoření zálohy sice může dát trochu práce, ale to je vždy lepší než řešit ztrátu dat, jejichž pořízení nám dalo spoustu práce. Média se zálohou ukládáme do jiných prostor, než máme svá data (např. doma / v práci). Zásadně nenecháváme zálohu připojenou k zálohovanému PC jak přes napájení, tak přes lokální počítačovou síť. ©Jelínek, VOŠ a SPŠE F. Křižíka Určeno jen pro potřeby studentů, které učím. Prosím o sdělení případných chyb.

Učební texty pro předmět Hardware, 1. roč. 2. díl

Recommend Documents