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

3 Externí velkokapacitní paměti Obsah: Dělení pamětí Magnetická média diskety, disky, pásky Optická média princip záznamu, CD, DVD Holografické disky Paměti flash IN2-1 3

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

5 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... 5

6 Záznamová média Pevný disk 1956 IBM RAMAC kotoučů kapacita 5 MB

7 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

8 Záznamová média Dělení záznamových médií magnetická optická ostatní Hard disk Disketa Pásky CD DVD Blue Ray Disc Holografický disk ZIP MO média Flash memory 8

9 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)

10 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

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

12 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)

13 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

14 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)

15 Magnetická média Pevné disky Vzdálenost hlav od povrchu plotny

16 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)

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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 Paměťová média - externí CD, DVD, Blu-ray disk Čtení a zápis pomocí laseru CD: 700 MB DVD: 4,7 17,1 GB BD: GB

25 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

26 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

27 Paměťová média - externí Archival Disc s kapacitou 300 GB až 1 TB Disk je oboustranný každá strana nabídne tři vrstvy pro zápis První generace formátu Archival Disc s kapacitou 300 GB by přitom měla být na trhu dostupná v roce Další zdokonalení technologie má umožnit zvýšení kapacity na 500 GB až 1 TB.

28 Holografický víceúčelový disk (HVD) Bodový kód viditelný z určitého úhlu podle natočení osy laserového paprsku 1947 Denis Gabor vynález holografie 1960 konstrukce laseru 2004 specifikace HVD 3,9 TB 1 Gb/s

29 Holografické disky (Holographic Versatile Disc) - data jsou v nich na rozdíl od CD nebo DVD zapisována trojrozměrně, První komerční mechaniku pro holografické disky uvedeny na trh v roce 2008 Maxwell, Tapestry,... cena driveru: 18 tis. $, médium: 180 $ kapacita: na jednu plotnu 500 GB střední doba mezi poruchami: hodin archivační doba: 50 let současnost: 6 TB, 20ti vrstvový disk (Holographic Versatile Disc - HVD) dosažitelná kapacita - 1,6 TB přenosová rychlost MB/s průměr 130 mm, tloušťka 3,5 mm

30 SSD Solid-State Drive Pevný disk bez pohyblivých částí Výhody: Tichý chod Nezahřívá se příliš Nízká spotřeba energie Malé rozměry Vysoká přenosová rychlost Nevýhody: 1978 Texas Memory Systems (16 kb) Dnes 512 GB, rychlost čtení 800 MB/s Omezený počet přepsání jedné buňky

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

32 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

33 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

34 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

35 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)

36 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)

37 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

38 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)

39 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

40 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

41 SCSI Rozhraní PC - interface Small Computer System Interface 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-640) 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 PC

42 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

43 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

44 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

45 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)

46 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 3,2 Gb/s (možnost až na 6,4 Gb/s) datový tok nemusí řídit procesor 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

47 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 Přenosové rychlosti až 10,2 Gb/s