Funkce cache Vnější paměti Signálové přenosy v PC Systémové sběrnice Interface

Transkript

1 Informatika 2 Technické prostředky počítačové techniky - 3 Přednáší: doc. Ing. Jan Skrbek, Dr. - KIN Přednášky: středa Spojení: jan.skrbek@tul.cz tel.: Obsah: Funkce cache Vnější paměti Signálové přenosy v PC Systémové sběrnice Interface IN2-3 1

2 Technické prostředky počítačové techniky 3. Počítač - stroj, který podle předem připravených instrukcí zpracovává data Základní části: centrální procesorová jednotka (schopná řídit se posloupností instrukcí a ovládat další části počítače) zařízení pro ukládání dat (paměť) zařízení pro vstup dat (např. klávesnice, myš, ) a výstup dat (např. monitor, tiskárna, ) Vstupy Paměť Výstupy Procesor ALU ŘADIČ Sběrnice John von Neumann koncepce počítače 2 +

3 Technické prostředky počítačové techniky procesor Paměť typu CACHE CACHE: rychlá statická RAM umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje zrychluje činnost paměti počítače cache Převzetí adres z OP obsah do cache operační paměť sběrnice 3 +

4 Technické prostředky počítačové techniky CACHE: rychlá statická RAM umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje zrychluje činnost paměti počítače procesor cache Paměť typu CACHE obsah do v cache operační paměť sběrnice 4

5 Technické prostředky počítačové techniky Paměť typu CACHE CACHE: rychlá statická RAM umožňuje uchování části obsahu pomalejší operační paměti (většinou dynamické RAM) přepisuje se do ní obsah části operační paměti, se kterou se častěji pracuje zrychluje činnost paměti počítače operační paměť procesor cache Převzetí adres z OP obsah do cache sběrnice 5

6 IN Externí velkokapacitní paměti Obsah: Dělení pamětí Magnetická média diskety, disky, pásky Optická média princip záznamu, CD, DVD Holografické disky Paměti flash IN2-1 6

7 Záznamová média Růst datových potřeb Pojem velkokapacitní se mění v čase Dříve několik MB, dnes stovky GB až desítky TB IN

8 Záznamová média Stručný vývoj magnetická páska použita jako záznamové médium 1956 IBM uvedlo 1. pevný disk 1971 první disketa (od IBM) první hudební CD v prodeji (vyvinuto 1979) 1983 první 3,5 harddisk 1985 první CD-ROM 1988 první 2,5 harddisk 1994 Zip médium představeno firmou Iomega 1994 vyrobeno CD-R 1996 první DVD 1998 technologie SuperDLT magn. pásek... IN

9 Záznamová média Pevný disk 1956 IBM RAMAC kotoučů kapacita 5 MB IN

10 Záznamová média Dělení záznamových médií dle fyzikálního principu (magnetické, optické, magneto-optické) dle typu záznamového média (páskové, diskové, polovodičové) dle výměnnosti média dle kontaktu čtecí/záznamové hlavy s médiem dle pohybu hlav při práci paměti IN

11 Záznamová média Dělení záznamových médií magnetická optická ostatní Hard disk Disketa Pásky CD DVD Blue Ray Disc Holografický disk IN ZIP MO média Flash memory 11

12 Záznamová média Magnetická média nosič potažený tenkou feromagnetickou vrstvou záznamová hlava polarizuje částice v magnetické vrstvě lze je snadno poškodit pásková, disková (pevné disky, pružné disky) IN

13 Způsob záznamu Disketa/disk sektor formátování: BOOT RECORD FAT ROOT DIRECTORY stopa cylindr (všechny stopy nad sebou ROZDÍL: identifikátor stopy identifikátor sektoru možnost vlastního formátování záznam na 1 stopu 1 sektor: 571 B neformátovaných dat 512 B formátovaných dat 13 +

14 Způsob záznamu Disky Osa Plotny (disky) Čtecí a zapisovací hlavy P Vzduchotěsné pouzdro Řídící jednotka Vyrovnávací paměť 14

15 Způsob záznamu Disky cylindr hlavička vystavování hlaviček: krokový motorek vystavovací cívka (lineární motor) formátování: BOOT RECORD FAT ROOT DIRECTORY access time: doba vystavení + doba čekání prokládání (interleave) zone bit recording (ZBR) 15 +

16 Disky cylindr hlavička Způsob záznamu Alokační jednotka (cluster): nejmenší logická datová jednotka na disku zaváděna z důvodů adresace obsahuje jeden nebo více sektorů (až 64 sektorů) BOOT RECORD ROOT DIRECTORY VFAT #2 VFAT #1 (12 32 bitů) NTFS (New Technology File System) -náhrada FAT -VFAT 16 +

17 Způsob záznamu NTFS je upřednostňovaný systém souborů pro Windows 7 + Schopnost automatického zotavení z některých chyb souvisejících s diskem Vylepšená podpora větších pevných disků Lepší zabezpečení, protože lze používat oprávnění a šifrování pro omezení přístupu k určitým souborům pro určité uživatele Systém FAT32 používal se v některých dřívějších verzích systému Windows a v současné době se používá u většiny jednotek USB Flash má omezení velikosti (v oddílu FAT32 nemůžete vytvořit větší oddíl než 32 GB a uložit jeden soubor větší než 4 GB. využíván k formátování pevného disku pro případné spuštění systému Windows 95, Windows 98 nebo Windows

18 Magnetická média Pevné disky Vzdálenost hlav od povrchu plotny IN

19 Magnetická média Pevné disky Disková pole (RAID = Redundant Array of Independent {Inexpensive} Disks) vícenásobné diskové pole levných disků je typ diskových řadičů, které zabezpečují pomocí speciálních funkcí koordinovanou práci dvou nebo více fyzických diskových jednotek. Zvyšuje se tak výkon a odolnost vůči chybám nebo ztrátě dat. z několika menších disků vytvoříme jeden větší několik úrovní (levels) dle funkcí nejčastější RAID 0 (prokládání stripping), RAID 1 (zrcadlení mirroring), RAID 5 (používá dva paritní disky, přičemž na každém z nich je parita vypočtena jiným způsobem) IN

20 Trendy v oblasti záznamových médií Pevné disky: zvyšování kapacity snižování přístupové doby zvyšování rychlosti otáček zvyšování spolehlivosti IN

21 Magnetické pásky Způsob záznamu používány od dob sálových počítačů kontaktní záznam pomalé sekvenční vyhledávání dat (musíme přetočit část pásky) použití: zálohování, archivace - IBM až 200 stop na šířku pásky kapacity okolo 1 TB zápis rychlostí 100 MB/s vhodné pouze pro zálohování IN

22 Optická média laser pro záznam i čtení základní princip u všech typů optických médií je stejný necitlivá na magnetické pole či otřesy základní typy: CD, DVD, BD, HD-DVD IN

23 Technické prostředky počítačové techniky Compact Disc Způsob záznamu: původně pro záznam zvuku Pit Pole Disk Čočky z polykarbonátu průměr 12 cm Čočky tloušťka 1,2 mm zápis do spirály, laser 780 nm metoda CLV (Constant Linear Velocity) pity (díry) vs. landy (stupně) Fotodioda spirálová stopa standard - Yellow book standard přenosové rychlosti: 150 kb/s Polopropustné zrcadlo Laser 23

24 Technické prostředky počítačové techniky ORGANIZACE DAT ( na CD ROM ) Pole a prohlubně na discích nepředstavují nuly ani jedničky, ale jednička je vyvolána změnou laserového paprsku, žádná změna reprezentuje nulu Datový sektor se skládá z 2352 B tvořených : synchronizační hlavičkou hlavičkou s adresou sektoru jádrem sektoru tvořeným datovou částí 288 B dlouhá část pro opravný kód EDC /ECC 24

25 Optická média DVD (Digital Versatile Disc) podobná technologie jako u CD vlnová délka laseru 640 nm předlisovaná drážka u zapisovatelných disků mohou být dvouvrstvá a oboustranná IN

26 Technické prostředky počítačové techniky Digital Versatile Disc 1999 první film distribuovaný na DVD menší pity více stop dvě strany, dvě vrstvy na každé straně 4,7 GB v jedné vrstvě porovnání CD a DVD Řada formátů DVD Video, DVD ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD RAM, DVD+RW vrstva DVD IN

27 Trendy v oblasti záznamových Blue Ray Disc přepisovatelný disk zhuštění záznamu dvě vrstvy laser s kratší vlnovou délkou médií 27 GB na jedné straně, 54 GB dvouvrstvá média typy BD: BD-ROM, BD-R, BD-RW, BD-RE 36 MB/s nahrávání HDTV IN

28 Slepá cesta HD-DVD (AOD = Advanced Optical Disc) modrý laser 405 nm kapacita: 20 GB jednovrstvá, 32 GB dvouvrstvá přepisovatelná média vzhledem k rozhodnutí hollywoodských producentů řešení neúspěšné IN

29 Technické prostředky počítačové techniky Signálové přenosy Vstupy Paměť Výstupy řídící sběrnice Procesor ALU ŘADIČ adresní sběrnice datová sběrnice 29 +

30 Sběrnice (anglicky bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresních a datových vodičů (v případě paralelní sběrnice) nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí přenosovým protokolem. V případě modulární architektury elektronického zařízení nebo počítače je sběrnice po mechanické stránce vybavena konektory uzpůsobenými pro připojení modulů. 30

31 lokální sběrnice Technické prostředky počítačové techniky Komunikace mikroprocesoru s okolím Rychlá V/V zařízení operační paměť řadič klávesnice řadič DMA paměť cache mikroprocesor řadič přerušení Rozšiřující desky ostatní zařízení na základní desce systémová sběrnice 31

32 Technické prostředky počítačové techniky Sběrnice Základní parametr sběrnice: přenosová rychlost: šířka datové a adresní části sběrnice řídící frekvence Standardy nejčastější typy: ISA 8 - bitová, ISA 16 -bitová EISA-Bus (Extended ISA) MCA - Microchannel-Architektura - (IBM) PCI (Peripheral Component Interconected) AGP - jednoúčelová sběrnice určená pro připojeni grafického rozhraní (karty) k systému, přenosová rychlost 260 MB/s - 2 GB/s PCI-Express (PCIe) - nová sériová implementace sběrnice PCI 32 +

33 Technické prostředky počítačové techniky ISA - Industrial System Architecture 1981: princip - vyvedené vnější signály procesoru Řešení Localbus rozděluje sběrnici na dvě oblasti: lokální (propojuje graf.karty, síť. karty, HD, SCSI...) - integrována přímo do sběrnice procesoru, ovládány jeho taktovou frekvencí POZNÁMKA: Při vyšších frekvencích (nad cca 30 MHz) se uplatňuje vliv elektromagnetického záření nejvíce z konektorů (fungují jako antény), proto lokální sběrnice obsahuje velmi omezený počet konektorů (obvykle 2-3) vnější sběrnice: pro ostatní zařízení (desky) 33

34 Technické prostředky počítačové techniky existují různé sběrnice typu Localbus př. PCI PCI - Peripheral Component Interconect Intel novější typ inteligentní sběrnice, šířka 32 nebo 64 bitů, burst režim autokonfigurace karet - v kartě nainstalován "autokonfigurační registr", který si procesor přečte a rozpozná, která karta v slotu PCI je instalována (t.j. odpadá manuální nastavování) 34 +

35 Technické prostředky počítačové techniky PCI - Expres Propustnost PCI-E (2.0) je: MB/s (obousměrný provoz 1 GB/s) na obrázku prostřední (nejkratší) - 2 GB/s (resp. 4 GB/s) na obrázku nahoře - 8 GB/s (obousměrně 16 GB/s) nejdelší 2 sloty na obrázku 35 +

36 Technické prostředky počítačové techniky Rozhraní PC - interface Typy rozhraní: paralelní rozhraní sériové rozhraní synchronní rozhraní (přítomnost synchronizačních signálů hodinové pulsy) asynchronní rozhraní (nepřítomnost synchronizačních signálů) 36 +

37 Technické prostředky počítačové techniky Rozhraní PC - interface Řeší způsob připojení vnějších zařízení Paralelní rozhraní Centronix původně jednosměrné (pro tiskárny "CENTRONICS ) od r je standard obousměrný data adresy příkazy Data Platná data Strobe Busy Ack t 1 t 2 t 3 t

38 Rozhraní PC - interface Sériové rozhraní nejstarší rozhraní, asynchronní port - RS 232, RS 232C, V24 IRQ 3 - COM 2, IRQ 4 - COM 1 25 kolíkový nebo 9 kolíkový konektor CANNON / často i jiný - problémy/ norma" 15/ (vzdálenost do 15m, rychlost do 20 kbd) "on" napětí > 3V, "off" napětí < -3V data adresy příkazy Data se přenášejí po jednom vodiči v jeden okamžik se přenáší vždy jeden bit 39

39 Rozhraní PC - interface SCSI Small Computer System Interface (poslední verze SCSI Ultra 5) připojování rychlých periferií (disky serverů, CD/DVD-ROM, streamery, optické disky...) logika řadiče přímo v periferním zařízení - umožňuje zónový záznam (Zone Bit Recording - ZBR) inteligentní interface - periferní zařízení se "oslovuje" úplnými příkazy (Common Command Set - CCS) vysoká přenosová rychlost - až 640 MB/s (Ultra 5) sériová verze SCSI, nejrychlejší FC AL 4Gb 400 MB/s připojování až 8 nebo 16 zařízení (vyšší číslo = vyšší priorita) nastavení adresy "v řadě" přenosy asynchronní i synchronní plochý kabel do 12 m terminátor SCSI zař. 1 zař. 2 zař. 3 terminátor 40 PC

40 USB - Universal Serial Bus Rozhraní PC - interface standard sériové sběrnice vyvinutý firmami Compaq, Intel, IBM, Microsoft, v roce 1995 hlavním cílem - definovat externí rozšiřující sběrnici umožňující snadné připojování periferních zřízení - tzv. functions K host controlleru je připojen tzv. root hub (kořenový rozbočovač), ke kterému je možné připojit: USB zařízení (může obsahovat i USB hub) USB hub: zařízení, které slouží jako rozbočovač pro připojení dalších USB zařízení Tímto vzniká stromová (pyramidová) fyzická topologie, avšak logická topologie (princip komunikace) odpovídá topologii sběrnice 2 diferenciální datové vodiče + 2 napájecí vodiče 5 V/500 ma podpora Plug and Play přenosové rychlosti 1,5 Mb/s (USB1), 480 Mb/s (USB 2), 4,8 Gb/s (USB3) podpora současných operací na více zařízeních připojení až 127 zařízení možnost připojování za chodu počítače napájení 5V součástí interface 41

41 USB - Universal Serial Bus Rozhraní PC - interface Je rovněž možné, aby zařízení mělo svůj vlastní napájecí zdroj Připojování zařízení se provádí pomocí standardního 4 vodičového kabelu Jednotlivá zařízení je možné k USB sběrnici připojovat (odpojovat) i za chodu počítače (hot-swap) a je úkolem programového vybavení, aby příslušné změny rozpoznalo 42

42 Rozhraní PC - interface USB - Universal Serial Bus - přenos dat Dva typy přenosového modelu: Tok dat (stream) - izochronní přenos dat v reálném čase. Nemá přesně definovanou strukturu - není prováděna žádná korekce chyb. Zpráva (message) využívá asynchronní přenos. Zabezpečení přenosu zajišťuje CRC (Cyclic Redundancy Check) Zařízení typu slave se musí synchronizovat s datovým tokem: Používá se k tomu metoda NRZI (Non Return to Zero Inverted). Nuly v datech vedou ke změně úrovně, jedničky nechávají úroveň beze změny. Kódování a dekódování signálů je hardwarovou záležitostí. Přijímač musí být schopen získat signál, přijmout a dekódovat data. Speciální prostředky zajišťují, aby nedocházelo ke ztrátě synchronizace. Obsahuje-li původní datový tok šest po sobě jdoucích jedniček, přidá vysílač automaticky jednu nulu (vkládání bitů bit-stuffing), aby se tím vynutila změna úrovně. Wireless USB - výrobci by rádi navázali na úspěch USB rychlosti: od 110 Mbit/s na vzdálenost 10 m až po 480 Mbit/s na vzdálenost 3 m. Připojit půjde až 127 zařízení sdílející tuto sběrnici 43

43 Rozhraní PC - interface IrDA IrDA zařízení komunikuji pomocí infračervených LED diod s vlnovými délkami vyzařovaného světla 875 nm IrDA 1.0 a 1.1 pracují do vzdálenosti 1.0 m při maximální úrovni okolního osvětlení 10 klux (denní svit slunce) Rychlosti jsou pro IrDA 1.0 do 115,2 kb/s, pro verzi 1.1. do Mb/s Pulsně polohová modulace (PPM) 4 Mb/s Formát dat je stejný jako na sériovém portu, tedy asynchronně vysílané slovo uvozené startbitem 44

44 Rozhraní PC - interface Bluetooth základní vlastnosti bezdrátová radiokomunikace miniaturní velikost nízká cena (při vysokých objemech produkce) robustní spojení krátký dosah (standardně 10m) malý příkon (vyplývajícího z tohoto omezeného dosahu) automatické konfigurace (uživatelsky jednoduchá technologie) Bluetooth 4.0 (2011): větší dosah (až 100 metrů) menší spotřeba elektrické energie podpora šifrování AES-128. Bluetooth 2.0 EDR (Enhanced Data-Rate) zavádí novou modulační techniku a zvyšuje tak datovou propustnost na trojnásobnou hodnotu oproti Bluetooth 1.2 (2,1 Mbit/s) 45

45 Rozhraní PC - interface Firewire (IEEE 1394) základní vlastnosti Plug and Play (automatická detekce a konfigurace) - jednoduché (žádné) nastavení -> odpadají nastavení ID, přepínače, terminátory... Hot Swap (možnost připojení a odpojení za chodu) vysoká přenosová rychlost 800Mbit/s, nová verze 3,2 Gb/s (možnost až na 6,4 Gb/s) datový tok nemusí řídit procesor IN pptx univerzální použití, orientace ale zejména na multimédia poněkud vyšší cena implementace FireWire na rozdíl od USB není tak hodně rozšířen. Ačkoli nominální rychlost FireWire 400 (400 Mbit/s) se zdá být nižší než u USB 2.0 (480 Mbit/s), v reálu FireWire dosahuje vyšších rychlostí přenosu dat než USB 2.0, zejména díky svému přenosovému protokolu 46

46 Rozhraní PC - interface HDMI High-Definition Multimedia Interface přenos nekomprimovaného obrazového a zvukového signálu v digitálním formátu. propojování zařízení typu počítač, satelitní televizní přijímač, DVD přehrávač nebo A/V receiver s kompatibilním zařízením podporuje přenos videa ve standardní, rozšířené nebo high-definition kvalitě, a až 8-kanálový digitální zvuk. nezávisí na různých televizních a satelitních standardech, protože přenáší nekomprimovaná video data. V současnosti existují čtyři typy HDMI konektorů: A, B, C, D. Přenosové rychlosti až 10,2 Gb/s... 47