ZDT - Výpočetní technika přednáška 7,8,9

Transkript

1 ZDT - Výpočetní technika přednáška 7,8,9

2 Obsah Stručně o historii a vývoji počítačů Hardware počítačů Operační systémy, BIOS, apl. sw Bezpečnost a spolehlivost

3 První počítače stručně k historii První počítače v dnešním slova smyslu se začaly objevovat v průběhu 2. světové války a těsně po ní. Největší vliv na utváření představ, jak by počítače měly být konstruovány, měly týmy odborníků v USA, zejména na universitě v Pensylvánii. Mark 1 (Howard Aiken, elektronkový) ENIAC (J.Presper Eckert a J.Mauchly, 1945 elektronkový) MANIAC (John von Neumann, 1946 elektronkový) EDVAC (dokončen 1952 podle projektu J.von Neumanna v Bellových laboratořích, elektronkový) M1-1.počítač čs. dokončen ve VÚMS 1952, reléový

4 1. Československý počítač V roce 1957 byl dokončen 1. (resp.2.) Čs samočinný počítač nazvaný SAPO ve VÚMS Praha. Byl zkonstruován ze 7000 relé a 400 elektronek. Bylo použito magnetické bubnové paměti o kapacitě 1024 slov a slovo mělo délku 32 bitů (4kB). Pracoval s pohyblivou řádovou čárkou rychlostí 3 operací za sekundu. Instrukce byly pětiadresové. Samočinné opravoval nahodilé chyby ve výsledcích bez přerušeni výpočtu. Aritmetická jednotka byla trojnásobná a každá jednotka prováděla stejné aritmetické operace nezávisle na druhých. Obsahoval také tzv. prověřovací obvody v řadiči, které mohly kontrolovat svou vlastní činnost.

5 von Neumannova architektura von Neumannova koncepce se stále používá, ač se používají současně i jiné typy architektur Princip von Neumannovy architektury : Uchování celého programu v paměti počítače, v paměti, která nemá sekvenční charakter, ale chová se jako paměť s tzv. přímým přístupem. Program a data jsou ve své podstatě jedno a totéž, o jejich povaze rozhoduje pouze způsob, jakým je interpretuje ten, kdo s nimi pracuje návrh paměti (operační paměť), ve které jsou data i celý program. Sekvenční způsob fungování počítače (instrukce se provádějí za sebou, s výjimkou odskoků). Počítač by se neměl přizpůsobovat potřebám konkrétní aplikace svou vnitřní strukturou, ale pouze programem.

6 Architektura PC blokové schéma

7 Základní části počítače Hardware PC motherboard procesor sběrnice paměť vstupní zařízení výstupní zařízení porty

8 Motherboard grafická karta Motherboard je základní deska počítače, na které jsou umístěny a vzájemně propojeny základní části počítače (procesor,alu, operační paměť, grafická karta, PROM, sběrnice, aj ) Grafická karta Grafická karta nebo také videoadaptér je součást počítače, která se stará o grafický výstup na monitor, TV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku. Rozlišení (angl. resolution) monitoru nebo displeje je počet pixelů (nebo maximální rozlišení obrazu), které může být zobrazeno na obrazovce. Často se udává jako počet sloupců (horizontálně, X ), které se uvádí vždy jako první, a počet řádků (vertikálně, Y ). - VGA 256 barev, nebo 16 barev, SVGA až 24bitová barevná hloubka, až

9 Motherboard grafická karta Běžně používaná jsou rozlišení (SVGA, SuperVGA), dále (XGA/XVGA,eXtended), (SXGA Super extended Graphics Array), a (UXGA, Ultra extended). Mnoho uživatelů, včetně uživatelů CADu a hráčů video her, používá rozlišení (UXGA, Ultra extended) nebo vyšší, pokud mají odpovídající zařízení. Pokud je rozlišení obrazu vyšší než fyzické rozlišení obrazovky, mohou některé systémy využít virtuální obrazovku.

10 Procesory Procesor je srdcem každého počítače, je to zařízení, které řídí veškerou činnost PC (řadič, aritmeticko logická jednotka) Existuje celá řada výrobců procesorů Intel, Motorola, AMD, Signetics, Texas Instrument aj. V PC se hlavně uplatňují procesory fy Intel: 4 bitový procesor 4004 začátek 70-tých let 8 bitový procesor bitové procesory: 80486, Pentium I, II, III, 4 x, Pentium Pro,. Taktovací frekvence dnešních procesorů se pohybuje mezi 2 až 4 GHz.

11 Procesory fy Intel

12 Procesory Intel Zvyšování výkonu - znásobováním procesů (jako jádra)! Čtyřjádrové procesory Intel už i pro stolní počítače Procesor Intel Core 2 Quad přináší do PC čtyři jádra, a tím i zvýšenou rychlost práce a odezvy ve stále náročnějším prostředí moderních multimediálních aplikací. Procesor se aplikuje i vpočítačích všech větších výrobců VT. Intel dále představil dva čtyřjádrové procesory pro základní servery (2006). Zmíněné produkty vychází z řady dvoujádrových procesorů Intel Core 2 Duo a čtyřjádrových procesorů Intel Core 2 Q

13 Procesory Intel Poznámka k procesorům Intel Procesory jsou dnes velice výkonné a dosahují velmi vysokých taktovacích frekvencí. Dnešní směr se spíše ubírá k většímu počtu jader než k nekonečnému zvyšování taktu. Důvod je jednoduchý pokud se u procesoru navyšuje frekvence, úměrně s tím roste spotřeba elektrické energie a v závislosti na tom stoupá i teplota. Tímto vzniká obrovský problém takto vysoce taktovaný procesor uchladit. Více jádrové procesory mohou běžet na podstatně nižších frekvencích, ale tím, že si úlohu umí rozdělit do dvou, čtyř či více jader, jsou schopné pracovat podstatně rychleji s nižší elektrickou spotřebou a tím vzniká méně tepla. K nejvýznamnějším výrobcům procesorů na našem trhu patří Intel a AMD.

14 Struktura programu Koncepce programu

15 Instrukce a instrukční soubor procesorů 1 Instrukce = příkaz pro PC, co se má vykonat Musí nebo může obsahovat následující informace: 1. co se má provést (tj. jaká operace) 2. s čím se to má provést (s jakými operandy) a kam se má uložit výsledek 3. kde se má pokračovat (adresa následující instrukce) Tyto informace mohou být obsaženy: explicitně v instrukci - jako např. v počítači SAPO, tj. v pěti adresové instrukci. Význam informaci je následující:

16 Instrukce, instrukční soubor 2 ad 1).. Typ operace neboli operační znak ad 2).. Toto jsou operandy - adresy Ad 3).. To jsou opět 2 operandy - adresy následující instrukce při záporném resp. nezáporném výsledku dané informace jsou v instrukci obsaženy zčásti a zčásti mohou být určeny implicitně architekturou procesoru, jako např.: ad 1) operační znak OZ ad 2) adresová část instrukce ad 3) von Neumannova koncepce Operační kód soubor instrukcí! v instrukci v instrukci další instrukce na následující adrese - v čítači instrukcí - PC

17 Instrukce a instrukční soubor 3 3 adresová instrukce: OZ a1 a2 a3 je to nejpřirozenější struktura : 2 operandy + výsledek např. : a 1 - a 2 a 3 instrukce je poměrně dlouhá 2 adresová instrukce : OZ a 1 a 2 výsledek se ukládá např. na místo 1. operandu na př. : a 1 - a 2 a 1 je třeba zavést neproduktivní operaci přesun Př.: x y z x z a 1 a z z y z

18 Programovací jazyky

19 Jazyk symbolických instrukcí JSI Intel

20 Sběrnice v počítači Sběrnice je skupina vodičů, které mají speciální funkci a spojují jednotlivé součásti počítače. Sběrnice zajišťuje komunikaci a propojení procesoru s ostatními částmi počítače. V současné době existuje v počítačovém systému několik druhů sběrnic systémová, lokální systémová, V/V sběrnice, vnější sběrnice a komunikační sběrnice (síťová). Označme PS - přidělovač sběrnice, P1,P2 procesory VV1, VV2 vstupně/výstupní zařízení, HP1,HP2 - moduly hlavní paměti

21 Sběrnice a přidělování sběrnice

22 Systém sběrnic v PC 1. a 2. - lokální sběrnice systémová 3. lokální sb. systém. 4. V/V sběrnice 5. specializovaná sb. vnější 6. komunikační sběrnice

23 Paměťový systém počítače Paměť je důležitou součástí počítače, procesor si s ní neustále vyměňuje data. vnitřní paměti = operační paměť, cache aj. (umístěné na motherboardu, komunikují přímo s procesorem) vnější paměť (není na základní desce) Vnitřní paměti jinak ROM ReadOnlyMemory Jsou v ní nahrány základní programy pro otestování počítače a nahrání operačního systému, po vypnutí počítače se nenuluje. V ní jsou též inicializační programy při zapnutí počítače. RAM Random Access Memory Je to hlavní paměť a je energeticky závislá, tj. po vypnutí napájení se obsah paměti ztratí

24 Organizace paměťového systému Hierarchie paměťového systému - Je několika úrovňové uspořádání pamětí různých velikostí s různou přístupovou dobou. Cílem je dosáhnout výhodného poměru výkonnosti a ceny paměťových modulů. Cena paměti je přímo úměrná kapacitě a přibližně nepřímo úměrná době přístupu. Paměťová hierarchie: Typ paměti Typická realizace Doba přístupu Kapacita Registry klopné obvody jednotky ns desítky stovky B Vyrovnávací pam. statická RAM ns stovky kb jedn.mb Hlavní paměť dynamická RAM ns stovky MB jedn.gb Vnitřní paměť ROM permanentní pam ns stovky kb jedn. MB Vnější paměť pevný magn.disk 4 12 ms desítky GB stovky GB Záložní paměti optické disky CD,DVD 40 ms 500ms 600MB až 17GB magnet. páska stovky ms xs stovky GB desítky TB Hierarchické uspořádání pamětí řeší konflikty mezi požadavky na rychlost a na její kapacitu.

25 Typy pamětí v PC I. 1. Podle fyzikálního principu - polovodičové - magnetické - optické 2. Podle způsobu výběru datových položek - s adresovým výběrem (adresové) RAM, s postupným výběrem (sériové) magn. páska, asociativní paměti výběr podle obsahu uložené informace při použití tzv. klíče cache - - zásobník - LIFO - - fronta - FIFO 3. Podle možnosti a způsobu změny uložené informace - Paměti pro čtení a zápis - RWM, RAM (SRAM, DRAM - statické a dynamické) - paměti RAM jsou energeticky závislé (volativní). Uložená informace zanikne po vypnutí napájení

26 Typy pamětí v PC II. 4. Paměti permanentní a semipermanentní - jsou určeny jen pro čtení - obsah je tvořen při výrobě ROM - je možné jednorázové naprogramovaní PROM - u pamětí semipermanentních lze obsah vymazat a přeprogramovat - EPROM, EEPROM technologie: CMOS, flash,... Paměti permanentní a semipermanentní jsou energeticky nezávislé. Informace zůstane uložena i po vypnutí napájení dokud není přepsána a při zapnutí napájení znovu čitelná.

27 Typy pamětí v PC III.

28 Typy pamětí v PC IV. Kapacita paměťového obvodu je dána šířkou jeho adresové a datové sběrnice. V tomto případě 2 i+1 slov po k+1 bitech. Dekodér řádků: dekóduje binární kód 1 z n (přesněji 1 z 2 i+1 ) Obvod výběru sloupců: jeden multiplexer pro každý datový bit. Paměťová buňka : např. bistabilní klopný obvod u statické paměti RAM. Řídící signály:

29 Typy pamětí v PC VI.

30 Typy pamětí v PC VII. Zápis do paměťových buněk: Nejdříve dojde k sepnutí přenosových hradel P1 a P2 a současně dojde k aktivaci budičů B1 a B2. Tím se hodnota přicházející z D 0 zapíše do klopného obvodu KO, protože přenosová hradla a budiče jsou silnější než tranzistory v klopném obvodu mají nižší impedanci v sepnutém stavu. Čtení z paměťových buněk: Při čtení se stav klopného obvodu KO přenese přenosovým hradlem P1 na první vstup multiplexoru MX a je-li tento vstup vybrán, objeví se odpovídající hodnota z KO na vodiči D 0.

31 Typy pamětí v PC VIII.

32 Typy pamětí v PC IX. Dynamická paměť RAM Adresace: adresa je časově multiplexována, tj. polovina adresy při negovaném signálu RAS rovno 0 určuje řádek, druhá polovina adresy při negovaném signálu CAS rovno 0 určuje sloupec. Zápis: Na datový vodič (sloupcový) se přivede zapisovaná úroveň a aktivuje se zvolený řádek. Paměťový kondensátor C r se vybije nebo nabije (zapisuje se log. 0 nebo 1). Čtení : Při čtení se provádí výběr na aktivovaném řádku tím, že se vybijí kondensátory C r do vstupů čtecích zesilovačů. Čtení je destruktivní a přečtenou informaci je nutno obnovovat, tedy znovu zapsat. Obnovování (refresh): Kondensátory se rychleji vybijí a je třeba provést obnovování zapsaných informací. Je to stejné jak při čtení. Protože čtecí zesilovače jsou umístěny ve všech sloupcích, obnovují se všechny sloupce jednoho řádku najednou.

33 Typy pamětí v PC X.

34 Virtuální paměť I Virtuální paměť systém zpravidla několika pamětí s různými parametry, jako jsou kapacita paměti a přístupová doba (rychlost), který je řízen tak, aby vytvářel adresové prostory potřebné velikosti jak pro programy tak pro data. Co virtuální paměť umožňuje? a) realizaci jednoho nebo i několika logických virtuálních adresových prostorů, z nichž každý může být větší než je skutečná kapacita hlavní paměti. Hlavní paměť je pak označována jako fyzický adresový prostor. Logické adresové prostory jsou ve skutečnosti realizovány ve vnější paměti (na diskové paměti). Části programů a položky dat jsou automaticky přesouvány do hlavní paměti, je-li k nim procesorem požadován přístup b) zavádí úsporné využití hlavní paměti tím, že v ní jsou přítomny jen ty části programů a dat, se kterými procesor právě pracuje c) přemísťování částí programů provádí v hlavní paměti bez nutnosti je znovu překládat d) provádí vzájemnou ochranu jednotlivých programů v paměti a ochranu dat před neoprávněným přístupem a modifikací.

35 Virtuální paměť II V režimu virtuální paměti pracuje program vždy s logickými adresami (virtuálními). Hlavní paměť se adresuje fyzickými adresami. Překlad logických adres na fyzické zajišťuje mechanismus virtuální paměti. Stránkování je zaměřeno na realizaci velkého logického (virtuálního) adresového prostoru při relativně malé kapacitě hlavní paměti. Logický adresový prostor na disku je rozdělen na úseky pevné délky, které nazýváme stránky nebo také logické stránky. Fyzický adresový prostor je rozdělen na stejně velké úseky, které jsou nazývány stránkové rámce nebo také fyzické stránky. Data nebo úseky programu se přesouvají z logického prostoru do hlavní paměti po jednotlivých stránkách tehdy, jsou-li v průběhu výpočtu požadována a pokud se již (či ještě) příslušná stránka v hlavní paměti nenachází. Stránkovací mechanismus pracuje s datovou strukturou tabulkou stránek uloženou též v hlavní paměti. V této tabulce odpovídá každé zavedené stránce jedna položka. Ta také obsahuje informaci o tom, zda se kopie příslušné stránky nachází v hlavní paměti a ev. ve kterém stránkovém rámci.

36 Virtuální paměť - adresace stránek

37 Virtuální paměť - dvoustupňová organ.

38 Cache paměť 1 rychlá vyrovnávací paměť Cache paměť je rychlá vyrovnávací paměť (stovky kb až několik MB), která se zařazuje především mezi procesor a pomalou paměť (hlavní paměť, aj.) Účelem cache je urychlit přístup k často používaným datům na pomalých médiích jejich překopírováním na média rychlá Typy cache pamětí a) Softwarová cache vytvořená programově, vymezením určité části operační paměti pro potřeby vyrovnávací paměti - např. disková cache v operačním systému b) Hardwarová cache je tvořená paměťovými obvody - např. pro potřeby procesoru. Realizuje se jako statická paměť RAM s nízkou dobou přístupu (do 10 ns) se speciální strukturou

39 Cache paměť 2 rychlá vyrovnávací paměť cache obsahuje kopie nejčastěji používaných položek z hlavní paměti realizuje se jako asociativní paměť, tedy paměť adresovaná obsahem a liší se tedy od adresovatelné paměti RAM adresuje se částí datové položky, která se má vyhledat tzv. klíčem. Místo adresového dekodéru má tzv. adresář. Protože cena paměti stoupá s její rychlostí (a samozřejmě s kapacitou), je možné tímto uspořádáním najít kompromis mezi cenou a rychlostí.

40 Cache paměť 3 - princip Vyrovnávací paměť procesoru dnes bývá dvojstupňová. Část paměti o malé kapacitě je přímo součástí procesoru a je stejně rychlá, jako vlastní procesor (značí se L1). Další paměť, pomalejší, ale s větší kapacitou, je mezi procesorem a operační pamětí, dnes se již umisťuje do pouzdra s procesorem (značí se L2).

41 Plně asociativní cache paměť Jak bude probíhat čtení? Začne pokus se současným čtením z cache paměti i z hlavní paměti. Pokud se položka v cache nalezne, použije se a cyklus v hlavní paměti se nedokončí. V opačném případě se data přečtou z hlavní paměti (zpravidla se i současně uloží do cache). Jak se provede zápis? Pokud položka v cache není přítomna, zapíše se (zpravidla) jen do hlavní paměti. Pokud je v cache přítomna, postupuje se dvěma způsoby: zapíše se nová hodnota současně do cache a do hlavní paměti jedná se o tzv. průběžný zápis (write through) - zapíše se nová hodnota jen do cache jedná se o tzv. odložený zápis (write back)

42 Asociativní cache paměť procesoru Intel s omezeným stupněm asociativity

43 Asociativní cache paměť popis Funkce : Při pokusu o čtení z cache paměti procesoru se v každém modulu (jsou 4 moduly) porovná klíč uložený v příslušném řádku (udávající adresu bloku dat, jehož kopie se v tomto řádku nachází) s klíčem odvozeným z adresy hledané položky dat. Shoda klíčů znamená, že hledaná položka byla v příslušném modulu nalezena. Poznámka: Pro zvýšení efektivnosti se data přenášejí z cache po více slabikách např. 16B.

44 Vnější paměti Vnější paměť jsou pomalejší než paměti vnitřní. Po vypnutí se nenuluje, proto slouží k trvalejšímu ukládání dat. Druhy vnějších pamětí pevný disk (harddisk) pružný disk (disketa) dnes již velice málo používaný optické disky (např. CD ROM, DVD) magnetická páska k zálohování resp. k archivaci flash paměť přenositelná, flash disk - součást vnitřní paměti

45 Konstrukce diskové paměti

46 Konstrukce diskové paměti

47 Formát záznamu na stopě začátek stopy - indexová značka (zářez) mezery slouží k čítání sektorů a jejich nalezení na stopě adresová část: adresa stopy (válce), číslo hlavy, adresa náhradní stopy

48 Disková paměť Přístupová doba (vybavovací doba) se skládá: z čekací doby pro otočení disku do polohy, kde jsou pod hlavou zaznamenaná data (rotační zpoždění) z doby přestavení hlavy z jedné stopy na druhou (seek time)

49 Optické paměti (CD) K ukládání a distribuci dat se používají i optické disky: CD-ROM - optické disky s kapacitou 650 MB, které nelze přepisovat. Princip ani formát záznamu se neliší od zvukových CD. Rychlost CD mechanik se udává v násobcích rychlosti 150KB/s. CD-R - (Recordable) - CD disky, na které lze zapisovat. Jednou zapsaná data již nemohou být přepsána. CD-RW - (ReWriteable) - CD disky, na které lze zapisovat a lze i přepisovat starší data novými. DVD - (Digital Versatile Disc) - optický disk s vysokou hustotou záznamu. Podle počtu povrchů a vrstev rozlišujeme 4 typy DVD: Označení Počet stran Počet vrstev Celková kapacita DVD ,7 GB DVD ,5 GB DVD ,4 Gb DVD GB

50 Optické paměti CD I. DVD : generace disků využívaná zejména pro video záznamy a multimediální aplikace Průměr disků: - 12 cm - kapacita 4,7 GB - 8 cm - kapacita 1,4 GB DVD - tloušťka disku je poloviční, ve srovnání s klasickými CD - používá dvoustranného záznamu - používá laser s kratší vlnovou délkou Princip optického záznamu: čtecí hlava vyšle laserový paprsek a přijme paprsek odražený, který sebou nese informaci o tom, čím prošel záznamovou vrstvou.

51 Optické paměti CD II. Záznam informace: vytvoření prohlubní (děr) a ostrůvků vylisováním... CD ROM odpařením (laserem s vyšší intenzitou... WORM změnou krystalické struktury... CD R materiál : - polykarbonátový substrát - reflexní kovová vrstva - ochranný lak - nejnověji se používá organických materiálů zahřátím laserem se stávají průhledné nebo neprůhledné

52 Připojování pamětí ke sběrnici Normalizovaná rozhraní: IDE Integrated Driveand Electronics Je možné připojení 2 diskových jednotek typicky ke sběrnici ISA do vzdálenosti 0,5 m ; rychlost přenosu je 2 3 MB/s. E IDE Enhanced IDE Je možné připojení až 4 jednotek např. 2 diskových jednotek (HD) a 2 pomalejších jednotek jako např. CD ROM. Toto připojení je nečastěji používáno u osobních PC a u přenosných počítačů. SCSI Small Computer Interface Je mo žné připojení až 7 jednotek. Rychlost přenosu je 2 MB/s. Verze SCSI 2 má přenosovou rychlost 5 MB/s. Používá se u serverů a výkonnějších počítačů.

53 Řídící jednotky - řadiče Funkce řídící jednotky (řadiče): zabezpečuje řízení obousměrného přenosu dat mezi operační paměti a mechanikou diskové paměti provádí převod dat při záznamu z paralelního tvaru do sériového (serializace) a při čtení ze sériového do paralelního tvaru (deserializace) provádí výpočet kontrolních znaků CRC a ECC zabezpečuje synchronizaci záznamu a čtení dat zabezpečuje řízení mechaniky pamětí zde se však neřeší např. RAID Redundant Array of Independent Discs

54 Řadiče I Jsou možné dva pohledy: řadič je řídící jednotka v užším slova smyslu podle koncepce von Neumanna control unit řadič je řídící jednotka všeobecně v širším slova smyslu (např. řadič tiskárny, řadič ALU, řadič počítače apod. - controller) Z hw hlediska to je sekvenční obvod, resp. řídící automat, který má nějaké vstupy stavové signály a nějaké výstupy řídící signály Řídící a stavové signály: skupina samostatných vodičů, jako řídící sběrnice

55 Řadiče II Hierarchie řadičů:

56 Řadič PC činnost Příklad řadiče počítače : Instrukce = 1 slovo (pojaté obecně, např. 32 bitů. Šířka datové sběrnice 1 slovo PC - programový čítač RI - registr instrukcí DOZ - dekodér operačního znaku JŘ -jádro řadiče SP - ukazatel zásobníku AJ - aritmetická jednotka X - pomocný registr

57 Mikroprogramovaný řadič jako kon. automat

58 Mikroprogramovaný řadič

59 Základní cyklus počítače

60 Čtení instrukce

61 Zápis dat v PC Endianita a kompatibilita Endianita je jedním ze základních zdrojů nekompatibility při ukládání a výměně dat v digitální podobě. Je nutné brát ji v úvahu při přenášení binárních souborů nebo při síťové komunikaci mezi různými platformami. Tento problém pramení z toho, že stejný zdrojový kód zkompilovaný pro počítače s různými procesory může díky jejich různé endianitě produkovat při ukládání nebo přenosu různá binární data. Nejrozšířenějším kódováním vícebytových dat je v současnosti little endian, což je dané masovým rošířením původní architektury Intel x86. Zdrojem zmatků může být rovněž specifikace IEEE 754, která nedefinuje, v jakém pořadí bytů se mají ukládat čísla v plovoucí řádové čárce. Endianita může způsobovat problémy i při práci s texty v kódování unicode, proto je rozumné tyto texty ukládat v kódování UTF-8, které je nezávislé na architektuře počítače.

62 Endianita I Big-endian V tomto případě se na paměťové místo s nejnižší adresou uloží nejvíce významný bajt (MSB) a za něj se ukládají ostatní bajty až po nejméně významný bajt (LSB) na konci. Architektury uplatňující tento princip se nazývají big-endian (mnemotechnická pomůcka: big end first) a patří mezi ně Motorola 68000, SPARC a IBM System/370. Např. 32bitové číslo-hexa - (4A3B2C1D) 16 se od adresy 100 uloží takto: A (ukládá se po bytech dva znaky, B jeden hexaznak na 4 bitech) C D

63 Endianita II Little - endian V tomto případě se na paměťové místo s nejnižší adresou uloží nejméně významný bajt (LSB) a za něj se ukládají ostatní bajty až po nejvíce významný bajt (MSB). Architektury uplatňující tento princip se nazývají little-endian (mnemotechnická pomůcka: little end first) a patří mezi ně MOS Technology 6502, Intel x86 a DEC VAX. Např. 32bitové číslo (4A3B2C1D) 16 se na adresu 100 uloží takto: 100 1D 101 2C 102 3B 103 4A

64 Endianita III Middle-endian Některé architektury označované middle-endian (nebo někdy mixed-endian) užívají složitější způsob pro určení pořadí jednotlivých bajtů, který je dán kombinací obou výše zmíněných způsobů. Mezi takovéto architektury patří např. rodina procesorů PDP-11. Tento formát se také používá při ukládání čísel s pohyblivou řádovou čárkou a dvojitou přesností v systémech VAX a ARM. Např. 32bitové číslo (4A3B2C1D) 16 se na adresu 100 uloží takto: B nebo případně: C A D D A C B

65 Údaje v pohyblivé řádové čárce

66 Pohyblivá řádová čárka - normalizace

67 Pohyblivá řádová čárka skrytá jednička

68 Pohyblivá řádová čárka norma ANSI

69 Registr příznaků -Flags

70 Přerušovací systém počítače I Přerušení způsobí, že procesor(dočasně) přestane provádět právě probíhající program a na místo toho začne provádět jiný program, který přerušení tzv. obslouží tedy reaguje na jev, který přerušení vyvolal. Vnější přerušení periferie, uživatel, havarijní stavy apod. nemaskovatelné - vstup NMI maskovatelné (z řadiče přerušení) Vnitřní přerušení - chyby operandů, výsledků, zvolené krokování - instrukce INT n n je 8-bitová konstanta a) Před obsluhou přerušení se uloží na zásobník informace o tom, jaký program se právě prováděl (FLAGS, CS, IP) b) Zakáže se další přerušení c) Zjistí se, jak daný typ přerušení obsloužit nastaví se nové CS a IP d) Při návratu z přerušení je třeba obnovit informace o původním programu- ze zásobníku se vyzvedne IP, CS a FLAGS

71 Přerušovací systém počítače II

72 Přerušovací systém počítače III. Posloupnost činnosti při obsluze přerušení HW: krok 1 3 vznik žádosti o přerušení 4 rozhodnutí o obsluze (je-li IF = 1 a INTA) 5 identifikace příčiny přerušení (podle čísla - typu) 6 uložení stavové informace (FLAGS), segmentového registru (CS) a čítače instrukcí (IP) na zásobník 7 stanovení adresy začátku programu pro obsluhu daného typu přerušení pomocí vektoru přerušení nové CS a IP SW: 8 spustí se obslužná procedura 9 uskuteční se návrat do přerušeného prog. (IRET) a obnoví se IP, CS, FLAGS ze zás.

73 Aritmetické operace

74 Aritmetické operace 2

75 Aritmetické operace 3

76 Aritmetické operace 4

77 Aritmetické operace 5

78 Aritmetické operace 6

79 Aritmetické operace 7

80 Aritmetické operace 8 Operace násobení se redukuje na operace sčítání a posuvy. Výsledek je v registrech C1(vyšší bity) a C0(nižší bity).

81 Aritmetické operace 9

82 Aritmetické operace 10

83 Vstupní a výstupní zařízení zajišťují základní komunikace mezi počítačem a člověkem. Vstupní zařízení (periferie) klávesnice myš scanner digitální fotoaparát Obrazovka se světelným perem

84 Výstupní zařízení převádí elektronickou podobu dat do podoby srozumitelné člověku. monitor, tiskárna, plotter, tablet, datové projektory, modem (výstupní i vstupní), aj.

85 Tiskárny I.

86 Tiskárny II. Jehličkové Inkoustové Laserové

87 Porty speciální zásuvky (konektory), do kterých se připojují kabely vstupních a výstupních zařízení. sériové (9 kolíčků, v daném okamžiku přenášejí pouze jeden bit, připojení např. myši, modemu) paralelní (25 kolíčků, v daném okamžiku přenášejí obvykle 8 bitů, připojení např. tiskárny, plotteru) PS2 pro myš, klávesnici USB pro myš a externí zařízení Sériový port (COM1, COM2) myš, modem Paralelní port (LPT) tiskárna Gameport herní zařízení

88 Architektura RISC Reduced Instruction Set Computers Počítače s redukovaným souborem instrukcí Charakteristické rysy RISC architektury: Poměrně malý počet instrukcí - << 128, velmi jednoduchých Velmi krátká dpba provedení instrukce Používá klasický řadič zpravidla obvodově realizovaný Proudové zpracování instrukcí pipelining Pevná délka instrukce 1 slovo Malý počet formárů instrukcí ( 4) Malý počet způsobů adresace ( 4) Velký počet registrů (desítky až stovky) Komunikace s hlavní pamětí: pouze instrukcemi přesun Opakem je současně rozšířený CISC Complex Instruction Set Computers

89 Software - Operační systémy OS je nejdůležitější a základní systémové programové vybavení počítačů zprostředkovává komunikaci mezi uživatelem a počítačem, řídí zpracování všech úloh, spravuje data, hlídá bezpečnost systému, zajišťuje komunikaci s připojenými periferními zařízeními, tj. obsahuje ovladače pro komunikaci s periferními zařízeními Rozvíjí se aplikace víceprocesorových systémů s paralelním zpracováním úloh - např. počítačové clustery můžeme charakterizovat dvěma základními rysy: Jsou tvořeny homogenními výpočetními elementy. Všechny výpočetní elementy tvořící tzv. cluster jsou rozmístěny dostatečně blízko tak, aby na jejich propojení bylo možno použít technologií lokálních sítí (LAN). Z určitého úhlu pohledu do kategorie clusterů dokonce patří superpočítače na prvních třech místech seznamu, stroje s kódovým označením ASCI White (IBM, procesorů), ASCI Red (Intel, procesorů) a ASCI Blue- Pacific SST (IBM, procesorů).

90 Operační systém a jeho funkce Jak vyplývá z předchozích poznámek je základní funkcí OS správa prostředků výpočetního systému. Je možné funkci rozdělit do následujících úloh: správa uživatelů OS vedení databáze uživatelů s jejich hesly, přístupovými právy, monitorováním jejich relací a pod. správa úloh plánování neinteraktivních úloh, která úloha a kdy má být spuštěna správa procesů vytváření a rušení jednotlivých procesů, přidělování CPU procesům podle priorit, zajišťování komunikace a synchrinizace mezi procesy správa periferních zařízení poskyrtování abstraktního přístupu k periferiím, vytváření virtuálních periferií, ošetřování přerušení od zařízení, řešení chyb vzniklých na zařízení, správa vyrovnávacích pamětí správa paměti přidělování fyzické paměti jednotlivým úlohám, stránkování, segmentace, odkládání vnitřní paměti na disk řešení spolehlivosti monitorování chyb vzniklých na systému, zotavení z chybových stavů, odstavení porouchaných částí a jejich automatická náhrada záložními prostředky, aut. restart systému

91 Jádro operačního systému BIOS

92 Operační systémy - BIOS BIOS Basic Input Output System Po zapnutí provádí BIOS tyto základní kroky: - nastaví konfiguraci počítače z CMOS paměti, - provede autonomní test počítače (Power On Self Text, Post), - inicializaci komponentů, - v konečné fázi spouští operační systém. BIOS má několik vrstev Jedna vrstva BIOSu je v paměti EEPROM, kterou nelze přepisovat, slouží pouze na čtení. Zde jsou informace, které musí být k dispozici ihned po startu počítače, informace pro základní používání komponent. Systém si tak dokáže detekovat typ pamětí a druh procesoru. Druhou vrstvu tvoří čip s názvem CMOS, zde se ukládají jednotlivá nastavení, které se provádí v menu BIOSu. Třetí vrstva jsou ovladače, které se zavádějí v průběhu spouštění operačního systému.

93 Operační systémy MS DOS textové uživatelské rozhraní dnes již téměř nepoužívaný OS MS Windows 3.1 nebo 3.11 multitasking MS Windows NT - multitasking MS Windows 95, 98, 2003, XP multitasking MS Windows 2007 VISTA - multitasking,... Unix textové uživatelské rozhraní, multitasking, multiuser Mac OS (Apple) multitasking Linux multitasking

94 Programy - aplikace Programové vybavení Algoritmus zapsaný ve formě srozumitelné počítači překladem (kompilátorem) použitého programovacího jazyka 1) Systémové programy OS, překladače apod. 2) Kancelářské aplikace ( balíky ) Oficce sw MS Oficce 2003, ) Aplikační SW - IS, CAD(Autocad, simulační programy aj.), rezervační systémy, 4) Multimediální aplikace - multimédia v sobě spojují informace uložené ve zvukových, grafických a textových souborech, či videosouborech nebo animacích. Umožňují názorněji zprostředkovat více znalostí a vědomostí než psaný text.

95 Využití počítačů v letectví rezervace a prodej letenek řízení provozu letišť řízení letu letadel a komunikace s piloty automatické řízení chodu leteckých motorů sledování a řízení prostředí v letadlech (klimatizace aj.) sledování podnebí apod.

96 Bezpečnost systémů Oblasti nebezpečí nedostupnost informací pro oprávněnou osobu poškození a ztráta informací zneužití informací neoprávněnou osobou Příklady problémů: Nehoda - voda, klimatizace Omyl uživatele Výpadek napájení Hacker Viry

97 Opatření zvyšující zabezpečení počítače Zálohování velice důležité na letadlech řešení možností zabezpečeného přístupu UPS nepřerušitelný zdroj napájení náhradní zdroje antivirové programy

98 Viry Vir je program, který může infikovat jiný program takovým způsobem, že se stává prostředkem pro další aktivaci viru. Je schopen připojovat se k jiným programům a z nich se bez vědomí uživatele šířit. Infikace zvenčí - CD, Internet aj. Makroviry - nenapadají programy, ale dokumenty. Využívají pokročilých aplikací, které umožňují vytvářet makra = podprogramy vykonávané přímo danou aplikací.

99 Antivirová ochrana Na vyhledávání a odstraňování virů existují různé antivirové programy (AVG, AVAST, NOD, aj.) K velmi užitečné kontrole patří tzv. rezidentní antivirové programy. Rezidentní antivirový program se spouští ihned po startu počítače a neustále pracuje v operační paměti a kontroluje akce prováděné systémem.