Hardware. RNDr. E. Jablonská, Ing. K. Kubata KIT ČZU

Transkript

1 Hardware RNDr. E. Jablonská, Ing. K. Kubata KIT ČZU Vaněk, J., Štěpánová, J., Jablonská, E.,Šilerová, E., Nezdarová, L. Informační technologie vybrané kapitoly. J.Horák, Poznejte vnitřek počítače, Grada 2001 časopis CHIP

2 Historie 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz první mechanické počítací stroje 19.století- Charles Babbage první mechanické zařízení provádějící aritmetické operace s čísly podle postupu na děrných štítcích (kartách pro řízení tkalcovských strojů) Allan Turing Anglie počítač pro dešifrování zpráv z německého šifrovacího zařízení Enigma 1942 Eckert a Mauchly Filadelfie počítač pro armádu pro vypočítávání dráhy střel Konrád Zuse Německo 1944 MARK I (IBM na Harwardské universitě), ENIAC první elektronické počítače - základním stavebním prvkem elektromagnetické relé, později elektronky použití desítkové soustavy program definován propojením kabelů na propojovací desce KIT ČZU 2

3 Von Neumannova koncepce počítače procesor data a programy jsou totéž - posloupnost bitů v operační paměti počítač s vnitřním řízením počítač se přizpůsobuje aplikaci pouze obsahem paměti program se skládá ze strojových instrukcí (povelů) paměť s přímým přístupem počítač pracuje ve dvojkové sestavě KIT ČZU 3

4 Odlišnosti od Von Neumannovy koncepce výpočetní systém může obsahovat více procesorů počítač zpracovává více programů současně (multitasking) program lze zavádět do paměti po částech (nemusí být zaveden celý) KIT ČZU 4

5 Generace počítačů V 70. letech třídění podle použitých součástek První generace elektronky vědeckotechnické výpočty Druhá generace polovodiče (diody a tranzistory) koncem 50.let (tranzistor vynalezen již 1946 v Bellových laboratořích) Třetí generace integrované obvody (polovodičové elektronické součástky na malé ploše) od roku 1964 (první integrované obvody obsahovaly tranzistorů na čip, nyní ) KIT ČZU 5

6 Hlavní (operační) paměť množina paměťových míst o velikosti 1 B byte (B) = 8 b (bitů) nejmenší adresovatelná jednotka paměti bit (b) - binary digit adresa B pořadovéčíslo (vzdálenost od počátku paměti) typu RAM Random Access Memory - paměť s přímým přístupem Poznámka ke zkratce RAM: RAM RWM (Read Write Memory) RAM ROM (Read Only Memory) KIT ČZU 6

7 KIT ČZU 7

8 Základní procesor (CPU Central Processing Unit) řadič (řídící jednotka) jádro řadiče čte, dekóduje a provádí instrukce registry - rychlé pracovní paměti 32 bitů - 32 bitový procesor (dříve 16, 8) řídící registr instrukcí, registr adres instrukcí pracovní aritmeticko-logická jednotka (ALJ) (ALU Arithmetic Logic Unit) KIT ČZU 8

9 Činnost procesoru při provádění programu Procesor Datová sběrnice A:=A+B-C C Aritmeticko logická jednotka ALJ Střadač (S) Registr instrukcí OZ Adresa Operační paměť B A Jádro řadiče Řídící signály Čítač instrukcí Adresní sběrnice STA 200 SUB 204 ADD 202 Symb. zápis instrukce LDA X (Load to Accumul.) ADD X SUB X STA X (Store Accumulator) Operační znak (OZ) Význam 100 LDA 200 Obsah X S Obsah S + obsah X S Obsah S - obsah X S Obsah S X KIT ČZU 9

10 Činnost procesoru při provádění programu program se skládá z instrukcí počet a druh instrukcí tvoří tzv. instrukční sadu daného procesoru instrukce obsahuje operační kód a operandy instrukce se provádí ve dvou fázích výběrová prováděcí načtení instrukce dekódování instrukce získání operandů provedení instrukce zápis výsledků KIT ČZU 10

11 Osobní počítače (PC - Personal Computer) IBM počátkem 80. let PC kompatibilní (slučitelné) počítače (kompatibilita programová, technická-zaměnitelné díly) jiné PS/2 (Personal System) - IBM Apple Macintosh kategorie PC klasický (podle typu skříně: stolní-desktop, věž) notebook PDA NC (Network Computer - Oracle, Sun) NetPC (Network PC - MS, Intel, Compaq, HP) KIT ČZU 11

12 Sestava osobního počítače skříň počítače (case) základní deska (motherboard, mainboard, systémová deska) čipová sada (chipset) procesor (mikroprocesor) operační paměť cache paměť CMOS (konfigurační paměť) ROM (Flash EPROM) sběrnice další komponenty přídavné desky vnější paměti diskety, pevné disky, USB disk, CD, DVD, streamer základní V/V (vstupní/výstupní ) zařízení monitor, klávesnice, myš, tiskárna ostatní přídavná zařízení modem, scanner, plotter KIT ČZU 12

13 Skříň počítače měla by umožnit dostatečné chlazení doplnění dalších dílů provedení desktop - monitor na skříni na stole tower pod pracovní plochou stolu (ne na zemi- nasávání prachu ventilátorem pro napájecí zdroj) Čelní stěna počítače mechanika CD ROM (DVD ROM, vypalovačka) disketová mechanika tlačítko POWER tlačítko RESET diody zelená napájení červená práce pevného disku KIT ČZU 13

14 Základní deska (motherboard, mainboard, systémová deska) vícevrstvý plošný spoj (nejčastěji 6, 8 vrstev) standardně obsahuje čipovou sadu (chipset) patici (slot, socket) pro uchycení procesoru sloty pro moduly operační paměti paměť CMOS BIOS v paměti ROM (dnes Flash EPROM) řadič pružných a pevných disků (včetně CD-ROM, ZIP aj.) paralelní a sériové rozhraní, USB sběrnici, sloty pro rozšiřující karty (ISA, PCI, AGP) konektory pro připojení dalších komponent KIT ČZU 14

15 Čipová sada (chipset) určuje základní vlastnosti desky (podporované procesory, paměti, sběrnice) skupina integrovaných obvodů dva a více čipů sdružuje různé funkce, které nevykonává procesor, paměť nebo další komponenty řídíčinnost sběrnic a komunikaci mezi sběrnicemi řídí tok dat mezi procesorem, pamětí, diskem a dalšími zařízeními, připojenými k jednotlivým slotům a konektorům sběrnic specielně zkonstruována pro práci s konkrétním typem procesoru např. pro Pentium 4 čipová sada Intel 850 (RDRAM), Intel 845 (SDRAM), Via Apollo P4X266 (společnost VIA Technology), SiS645 (Sillicon Integrated Systems) KIT ČZU 15

16 Čipová sada (chipset) North Bridge zajišťuje rychlé přesuny dat systémovou sběrnicí (Front Side Bus FSB) je spojen s procesorem připojena paměťová sběrnice připojena sběrnice AGP South Bridge zajišťuje připojení pomalejších periférií k základní desce připojeny sloty ISA, EISA, PCI, IO porty (paralelní, sériový, rozhraní USB, Firewire), diskový subsystém KIT ČZU 16

17 Motherboard - Pentium 4 North Bridge South Bridge KIT ČZU 17

18 KIT ČZU 18

19 Procesor je řídícím centrem počítače má sadu instrukcí vyrábí Intel AMD - K5 (ekvivalent Pentia 1996), K6, Athlon K7, Duron, Athlon XP) Motorola+IBM+Apple - POWER PC pro počítače Apple a systémy IBM Apple v roce 2006 přejde na procesory Intel VIA patice na základní desce, do které se zasunuje, se liší podle typu a výrobce ke konkrétní základní desce lze připojit jen určitý procesor Socket 7 (Pentium), Slot 1 (Pentium II a Celeron), Slot A (Athlon) musí se chladit - ventilátorek KIT ČZU 19

20 historické rozdělení (Intel) 4 bitové (4004 rok 1971) 8 bitové (8008 rok pro kalkulačky) 16 bitové (8086, rok 1982) 32 bitové (80386, 80486DX, 486SX, Pentium, ) 64 bitové (Itanium) taktovací frekvence v MHz (megahertz), GHz f (4MHz - 4GHz, v roce GHz) strojový cyklus (takt) - T nejmenšíčasový interval činnosti procesoru T = 1/f šířka sběrnic sběrnice soustava vodičů pro komunikaci s dalšími komponentami zvyšování výkonu vyšší frekvence kvalita dalších komponent (systémová sběrnice aj.) KIT ČZU 20

21 Základní typy procesorů Intel Procesor typ Datová Adresní Fyzická sběrnice sběrnice paměť bit MB Virtuální paměť MB 1 GB 80386DX GB 64 TB 80486DX (FPU) Pentium, Pentium Pro, II, III Celeron II Pentium 4 Itanium, Itanium GB 64 TB GB 64 TB 64 KIT ČZU 21

22 Procesory Intel matematický koprocesor ( ) FPU Floating Point Unit pro operace v pohyblivéřádovéčárce označení: 386DX/33 rychlá vyrovnávací paměť (cache) integrace na čip mikroprocesoru (80486) KIT ČZU 22

23 Jednoduché typy dat Integer celočíselné hodnoty - podmnožina celých čísel např. MS Access 2B rozsah <-32768, 32767> 4B rozsah <-2.1*10 9, 2.1*10 9 > zobrazení kód s posunutou nulou přímý kód se znaménkovým bitem doplňkový kód KIT ČZU 23

24 Jednoduché typy dat Real aproximace reálných čísel např. MS Access 4B nebo 8B max. absolutní hodnota řádově Zobrazení v pohyblivéřádovéčárce m*z n m mantisa z základ číselné soustavy n exponent z -1 <= m <1 nebo m = 0 Př. v desítkové soustavě 573,6 = 0,5736 * 10 3 Způsob uložení v paměti m antisa exponent 1.bit - znaménko čísla KIT ČZU 24

25 Procesor Frekvence MHz L1 kb L2 kb Pentium /8 zpožděný zápis predikce větvení 2 výpočetní linie Pentium MMX instrukcí pro grafiku, zvuk, video Pentium Pro /8 256 L2 na čipu 512 Pentium /16 256, II 512 Celeron 300A / (Mendocino) Pentium III /16 256, 512 Pentium 4 1,3-3,8 512, Hyper- Threading GHz 2MB technologie dynamické provádění Pro+MMX multimédia, Internet 70 nových instrukcí Internet, sítě zpracování dvou vláken paralelně KIT ČZU 25

26 Procesory Intel PC Pentium 4 Extreme Edition with HT Technology, Pentium D, Celeron D laptopy Centrino Mobile Technology, Pentium M, Celeron M servery - Itanium 2, Xeon MP pracovní stanice Xeon, Pentium D, Pentium 4 KIT ČZU 26

27 procesory Intel. Procesor Intel Core 2 Extreme Procesor Intel Core 2 Duo Procesor Intel Core Duo Procesor Intel Pentium Extreme Edition Procesor Intel Pentium D Procesor Intel Pentium 4 s technologií Hyper-Threading¹ Extreme Procesor Intel Pentium 4 s technologií Hyper-Threading¹ Procesor Intel Pentium 4 Procesor Intel Celeron D Procesor Intel Celeron KIT ČZU 27

28 Intel Pentium Extreme Edition procesor se dvěma jádry vyšší výkon v multitaskingu a větší propustnost. Dvoujádrový procesor Intel obsahuje v jednom pouzdru dvě samostatné výpočetní jednotky pracující na stejné frekvenci. Obě jádra využívají při komunikaci s čipovou sadou a pamětí stejné rozhraní. Dvoujádrové procesory Intel prostě přináší větší možnosti a současně efektivnější využití energie. KIT ČZU 28

29 Procesory AMD Advanced Micro Devices PC Athlon 64 FX, Athlon 64, Athlon Sempron mobilní AMD Turion 64 Mobile Technology, Mobile AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 for Notebooks, Mobile AMD Sempron pracovní stanice Opteron for Workstations servery Opteron for Servers KIT ČZU 29

30 Procesor OPTERON Frekvence: 1.4GHz - 2 GHz Počet bitů: 64 Počet tranzistorů: 105,9 milonů Patice: Socket 940 Dvoujádrový procesot Athlon 64 X2 KIT ČZU 30

31 Výroba procesorů Mooreův zákon (1965) Počet tranzistorů na čipu se zdvojnásobí každých 24 až 18 měsíců platí jen rámcově fyzikální limit asi kolem roku 2017 Výroba litografickou metodou z válce čistého krystalického křemíku se řežou tenké plátky na křemíkový plátek se nanese fotocitlivá vrstva, na kterou se promítne elektronický obvod (pro každý čip zvlášť) vlastní součástky vznikají chemickým leptáním hotový procesor má zhruba 20 různých vrstev vodivéčásti čipu tvoří měď nebo dříve hliník (možnosti hliníku dávno vyčerpány) procesory jsou otestovány, pak se čipy řežou, zapouzdří a testují výroba čipu trvá 6 týdnů ve výrobní hale jsou lidé ve speciálních oblecích, 3 hodiny před nástupem na směnu nesmějí kouřit Zdroj: M. Stoklasa, Jak se pečou procesory, CHIP 12/01 KIT ČZU 31

32 Průměr používaných křemíkových plátků se zvyšuje v roce 1970 průměr 50 mm v roce 1990 průměr 150 mm později průměr 200 mm v roce 2000 průměr 300 mm M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04 KIT ČZU 32

33 KIT ČZU 33 Lidský vlas je 100x větší než struktury na čipu M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04

34 Nové materiály a technologie pro Pentia nejdříve 0,35 mikronová technologie (velikost struktur na čipu), nyní 0,18 (Pentium III a 4) a 0,13 (130nm) vývoj 0,09 (90 nanometrové) technologie, po roce 2011 se předpokládá 22 nm (nm=miliontina milimetru) vyšší stupeň integrace a vyšší rychlost, lze použít nižší napájení 100 milionů tranzistorů dnešního procesoru bude možno umístit na menší plochu umístění dalšího procesorového jádra, procesorová cache až 4MB místo viditelného světla (do poloviny 90. let) se křemíkový plátek osvětluje ultrafialovým laserem o délce 248 a 193 nm jemnější zaostřování světelného paprsku nelineární fotolak, obracení fáze v budoucnosti osvětlování extrémním ultrafialovým světlem (11-14 nm) ve vakuu (protože ultrafialové světlo je pohlcováno vzduchem) M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04 KIT ČZU 34

35 Problémy atomy mědi pronikají do podkladového křemíku měděné dráhy se obalují tenkou vrstvou z tantalu čím jemnější elektrické vodiče, tím větší je elektrický odpor křemík se napaří na křemíkogermaniovou podložku, jejíž atomy mají větší vzájemné vzdálenosti v mřížce, což vede k nižšímu elektrickému odporu křemíku drobné nanotranzistory spínají stále nespolehlivěji vývoj dvou a tříbránových tranzistorů, kde napětí dvě nebo tři brány (gate) vodivé dráhy čipů budou mít do dvaceti let velikost molekul kvantové efekty místo zákonů klasické fyziky M.Flohr, Tajné plány výrobců procesorů. CHIP 9/04 KIT ČZU 35

36 Testování výkonnosti procesoru benchmark postup, používající soubor programů a údajů, které slouží k vyhodnocení výkonnosti HW a SW počítače dané konfigurace (pro testy CPU, operační paměti, grafické karty, pevného disku, mechanik HD, CD/DVD-ROM mechanik, vypalovaček) univerzální Sandra 2003 Standard, PCMark 2002 pro CPU a základní desky WCPUID, Motherboard Monitor, HotCPU Tester Lite Aquamark3, PCMark04, 3DMark03 MIPS (Millions of Instructions Per Second) MFLOPS (Millions of Floating Points Operations Per Second ) KIT ČZU 36