Informatika 2 Technické prostředky počítačové techniky - 2 Přednáší: doc. Ing. Jan Skrbek, Dr. - KIN Přednášky: středa 14 20 15 55 Spojení: e-mail: jan.skrbek@tul.cz 16 10 17 45 tel.: 48 535 2442 Obsah: Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC ROM RAM Paměti typu CACHE IS2-4 1
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 24.3.2015 IS2-15-04 2
Mikropočítač Vstupy Paměť Výstupy řídící sběrnice Procesor Mikroprocesor ALU ŘADIČ adresní sběrnice datová sběrnice 24.3.2015 IS2-15-04 3
Procesor datová sběrnice - přenáší zpracovávaná data Řadič Aritmeticko - logická jednotka ALU adresní sběrnice - zajišťuje vybírání správných adres nebo dat řídící sběrnice - přenos řídících a synchronizačních signálů datová sběrnice adresní sběrnice řídící sběrnice napájení Výkonný díl počítače Zpracovává a vykonává instrukce zadané programem 24.3.2015 IS2-15-04 4
Mooreův zákon Gordon Moore 1965 24.3.2015 5
Procesor Výkon procesoru parametr MIPS (Mega Instruction per Second) FLOPS (Floating Point Operation Per Second) Odpověď na otázku: Kolikabitový je Výkonnost procesoru ovlivňují následující faktory: počítač? Šířka slova - počet bitů, které může procesor v daném okamžiku zpracovat, často totožná s šířkou datové sběrnice (počet bitů, které mohou být v daném okamžiku předávány mezi komponenty počítače) taktovací frekvence - počet cyklů zpracování, které provede procesor za 1vteřinu soubor instrukcí (efektivita mikrokódu) šířka datové sběrnice procesoru kapacita cache velikost adresovatelné paměti Vykonání instrukce procesoru vyžaduje jednotky až desítky taktů (strojových cyklů) 24.3.2015 6
Mikroinstrukce - elementární operace, kterou je procesor schopen vykonat na jeden takt Instrukční sada mikroprocesoru je soubor instrukcí, které je procesor schopen vykonávat obsahuje instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, instrukce pro aritmetické a logické funkce, instrukce pro řízení programu a systémové instrukce. Dále pak i instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí a instrukce pro multimediální programy Druhy mikroprocesorů dle velikosti instrukční sady: CISC (Complete Instruction Set Computer) - vybavení procesoru co nejúplnější instrukční sadou (převládají u PC) RISC (Reduced Instruction Set Computer) - pouze základní instrukce a instrukce pro konkrétní aplikace (Workstation,..) Hybridní - současné procesory - podporují CISC, ale vnitřní strukturou jsou více podobné typu RISC Další důležité parametry: vnitřní paměť CACHE - tzv. first level cache - velmi rychlá statická paměť RAM, integrovaná do mikroprocesoru co nejblíže ALU second level cache větší, vzdálenější od ALU, pomalejší Vícejádrový procesor je obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení. 24.3.2015 7
Mikroprocesor Chladič používá se ke snížení teploty procesoru Aktivní chladič ventilátor Napájení ventilátoru Pasivní chladič 24.3.2015 8
Mikroprocesor Systém přerušení: Přerušení - je signál řídící sběrnicde, který k mikroprocesoru vyšle (generuje) hardwarové zařízení nebo program Vektor přerušení - každé přerušení je identifikováno svým číslem. Vektor přerušení ukazuje na adresu v paměti, kde je uložen obslužný program přerušení. Před skokem na vektor přerušení uloží mikroprocesor svůj momentální stav do registrů zásobníku - možnost pokračování v činnosti po obsluze přerušení. architektura mikroprocesoru určuje způsob zpracování instrukcí: sekvenčně, tj. jedna za druhou, superskalárně, tzn. nezávisle na sobě. 24.3.2015 9
Mikroprocesor Blokové schéma mikroprocesoru (Intel 8080) 24.3.2015 10
Parametry mikroprocesorů Vývoj procesorů Intel 24.3.2015 11
Parametry mikroprocesorů Intel Pentium 4 Northwood (Intel Pentium uveden na trh v roce 1993, Pentium 4 v 11/2000) 55 milionů tranzistorů (32 nm technologie) 217 mm 2, spotřeba až 80 W interní cache 1. úrovně L1 8 kb zaintegrována i paměť cache L2 512 kb přenosová rychlost system bus: 6.4 GB/s (800 MHz) vnitřní frekvence: až 2,4 GHz napájecí napětí: 1,5 V 24.3.2015 12
Intel Core i7-5960x technologie: Haswell-E Parametry mikroprocesorů 1,17 miliardy tranzistorů (22 nm technologie) 8 fyzických jáder (16 vláken programu) 248 mm2, spotřeba až 140 W 8 x interní cache 1. úrovně - L1 32 kb 8 x cache L2 256 kb, cache L3 20 MB přenosová rychlost system bus: 6.4 GB/s (800 MHz) vnitřní frekvence: 4 GHz napájecí napětí 1,051 V Neintelovské procesory: podmínka pro PC: Intel compatible 24.3.2015 13
Intel Core i7-5960x 24.3.2015 14
Vstupy Paměť Výstupy řídící sběrnice Mikroprocesor adresní sběrnice datová sběrnice 24.3.2015 15
Počítačové paměti Charakteristické parametry vybavovací doba přenosová rychlost kapacita paměti zda se paměť po vypnutí počítače vymaže možnost pouze číst nebo také zapisovat 24.3.2015 16
Vnitřní paměť ROM - Read Only Memory paměť pouze pro čtení uchování dat i po odpojení napájení pro uchování neměnných dat a programů ROM Paměť datová sběrnice adresní sběrnice řídící sběrnice BIOS - základní program pro otestování a nastavení počítače po zapnutí a instrukce pro zavedení operačního systému (Basic Input/Output System) napájení 24.3.2015 17
ROM-BIOS [Basic Input/Output System] Základní program pro otestování a nastavení počítače po zapnutí a instrukce pro zavedení operačního systému. Jde o první program, který se v PC spouští při každém zapnutí. Jakmile se BIOS nastartuje, nejprve určí, které periferie jsou k PC připojené a zda jsou aktivní. Potom načte operační systém z privilegovaného média do paměti RAM a spustí jej. 24.3.2015 18
ROM - Read Only Memory Vnitřní paměť Zaznamenání dat již při výrobě, nelze je již změnit Varianty: PROM (Programable ROM) - paměť lze JEDNOU naprogramovat v programátoru, nelze ji přepsat EPROM (Erasable PROM) - lze působením UV světla smazat a naprogramovat znovu EEPROM (Electrically EPROM) - elektricky mazatelná a přeprogramovatelná (po bytech) doba pamatování omezena na cca 10-20 let Flash-PROM verze EEPROM - viz RAM, ale po odpojení napětí se nevymaže 24.3.2015 19
Základy činnosti programu BIOS: 1. Zapne se přívod napájecího napětí, generuje se signál RESET; do čítače instrukcí se generuje adresa první (startovací) instrukce programu BIOS. 2. Mikroprocesor začíná vykonávat program BIOS. 3. BIOS aktivuje program Power-On Self Test který určí, kolik má počítač k dispozici paměti a zda správně fungují všechny jeho nezbytné hardwarové součásti. 4. BIOS vyhledá jednotku pro zavedení operačního systému nebo pro načtení iniciačního programu (IPL - initial program load). Obvykle je to pevný disk, paměť flash nebo CD/DVD. 5. BIOS startuje program pro zavedení operačního systému. Jestliže z nějaké příčiny standardní IPL nedokáže zavést operační systém, BIOS zkusí aktivovat další jednotku IPL ve svém seznamu. 6. Jednotka IPL zavede operační systém do paměti. 7. BIOS předává řízení operačnímu systému, který může provést přidělení dalších systémových zdrojů. 24.3.2015 20
Vnitřní paměť RAM (Random Access Memory) - paměť s libovolným přístupem umožňují čtení i zápis po odpojení napájení ztráta dat kritický parametr = vybavovací doba ROM RAM datová sběrnice adresní sběrnice řídící sběrnice napájení 24.3.2015 21
Statická RAM uchování dat formou bistabilních klopných obvodů rychlá větší spotřeba dražší paměti typu cache Dynamická RAM Polovodičové paměti RAM bistabilní = obvod, který je schopen setrvávat stabilně v jednom ze dvou stavů, dokud není signálem zvenčí přinucen překlopit se do druhého stavu Hodnota výstupu 0 a 1 v závislosti na hodnotě naposledy přivedeného vstupu Pro každý bit své kapacity klopný obvod plus ovládací logika uchování dat formou vybíjených kondenzátorů nutnost obnovování zapsaných dat (refresh cycle) pomalejší menší spotřeba levnější operační paměti CMOS RAM malá spotřeba zápis parametrů BIOS napájena z baterie integrace hodin reálného času 24.3.2015 22
Fyzická organizace operační paměti základní díl paměti = paměťový modul 3 hlavní typy: - SIMM - DIMM - RIMM - Rambus In-line Memory Module přidávání devátého (paritního) bitu ECC (Error Chacking and Correcting) - samoopravný kód 24.3.2015 23
Fyzická organizace operační paměti - DDR4 moduly až 64 GB double-data-rate synchronous dynamic random access memory k přenosu dat dochází při každé změně hodinového signálu, tedy při jeho nástupné i sestupné hraně 24.3.2015 24
cena kapacita, vybavovací doba Technické prostředky počítačové techniky Hierarchie pamětí Registry Cache Hlavní paměť Vyrovnávací paměť ROM Vnější paměť Nespřažená vnější paměť 24.3.2015 25
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 24.3.2015 26
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 24.3.2015 27
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 24.3.2015 28