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) Informační systémy 2 zařízení pro vstup dat (např. klávesnice, myš, ) a výstup dat (např. monitor, tiskárna, ) Vstupy Paměť Výstupy Procesor ALU ŘADIČ IS2-2014-04 Sběrnice John von Neumann koncepce počítače 14.5.2014 1
Mikropočítač Vstupy Paměť Výstupy řídící sběrnice Procesor Mikroprocesor ALU ŘADIČ adresní sběrnice datová sběrnice 14.5.2014 2
Procesor Řadič Aritmeticko - logická jednotka ALU datová sběrnice adresní sběrnice řídící sběrnice datová sběrnice - přenáší zpracovávaná data adresní sběrnice - zajišťuje vybírání správných adres nebo dat řídící sběrnice - přenos řídících a synchronizačních signálů napájení 14.5.2014 3
Procesor Výkonnost procesoru ovlivňují následující základní faktory: Výkon procesoru parametr MIPS (Mega Instruction per Second) Vykonání instrukce procesoru vyžaduje jednotky až desítky taktů (strojových cyklů) Odpověď na otázku: Kolikabitový je počítač? délka (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 14.5.2014 4
Instrukční sada mikroprocesoru musí obsahovat instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické funkce, instrukce pro řízení programu a několik systémových instrukcí. Součástí instrukční sady mikroprocesorů jsou i instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí a instrukce pro multimediální programy Druhy mikroprocesorů dle 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,..) Další důležité parametry: vnitřní paměť CACHE - tzv. first level cache - velmi rychlá statická paměť RAM, integrovaná přímo do obvodu (někdy se integruje i pomalejší second level cache) Napájecí napětí původně 5 V (problém zahřívání), v současnosti v PC nejčastěji 3,3 V - 2 V pro Palmtopy až 0,95V (Intel Celeron) Vícejádrový procesor je obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení. 14.5.2014 5
Mikroprocesor Systém přerušení: Přerušení - je signál (typicky IRQ), který k řadiči přerušení vyšle vnější zařízení. Signál lze generovat i programem 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 zásobníku - možnost pokračování v činnosti po obsluze přerušení. architektura mikroprocesoru určuje způsob zpracování instrukcí: sekvenčně, tj. jedna za druhou, superskalárně, tzn. nezávisle na sobě. Možnost nastavení vnějších charakteristik motherboardu: Jumpery- propojky - skupina kontaktů, které lze spojit pro nastavení požadovaných parametrů (frekvence, adresace, ) Switche - přepínače - význam popsán v základní dokumentaci desky Setup nastavení dat pro program BIOS 14.5.2014 6
Mikroprocesor Blokové schéma mikroprocesoru (Intel 8080) 14.5.2014 7
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 Neintelovské procesory: podmínka pro PC: Intel compatible 14.5.2014 8
Intel Pentium 4 14.5.2014 9
Vstupy Paměť Výstupy řídící sběrnice Mikroprocesor adresní sběrnice datová sběrnice 14.5.2014 10
Počítačové paměti Charakteristické parametry vybavovací doba přenosová rychlost kapacita paměti zda se paměť po vypnutí počítače vymaže možnost pouze číst nebo také zapisovat 14.5.2014 11
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 14.5.2014 12
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 příslušného média (harddisk, ) do paměti RAM a spustí jej. 14.5.2014 13
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. 14.5.2014 14
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 (Ereasable 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 - viz RAM, ale po odpojení napětí se nevymaže (tisíce cyklů zápisu) 14.5.2014 15
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 14.5.2014 16
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 14.5.2014 17
Fyzická organizace operační paměti ROM základní díl paměti = paměťový modul 3 hlavní typy: - SIMM - DIMM - RIMM RAM datová sběrnice adresní sběrnice řídící sběrnice napájení přidávání devátého (paritního) bitu ECC (Error Chacking and Correcting) - samoopravný kód 14.5.2014 18
SIMM DIMM Single Inline Memory Module nejstarší typ, dnes se již nevyrábí u počítačů 286, 386, 486 32 bitová adresní sběrnice 2 typy: - 30 pinů 256 KB, 1 a 4 MB - 72 pinů 4 až 64 MB přístupová doba (běžná 50 ns) Dual Inline Memory Module 168 pinů 64 bitová komunikace je tedy rychlejší větší kapacita 16 až 512 MB 14.5.2014 19
DDR DIMM RIMM Double Data Rate Dual Inline Memory Module 184 pinů nejsou kompatibilní s DIMM datová šířka 64 bitů nižší spotřeba a tepelné ztráty dvojnásobná rychlost oproti DIMM Rambus In-line Memory Modul 184 pinů velikosti 64, 128, 256, 512,... MB moduly RIMM jsou 16-ti bitové proto se osazují v párech 14.5.2014 20
cena kapacita, vybavovací doba Technické prostředky počítačové techniky Hierarchie pamětí Registry Cache Hlavní paměť Vyrovnávací paměť ROM Vnější paměť Nespřažená vnější paměť 14.5.2014 21
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 14.5.2014 22
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 14.5.2014 23
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 IS2-2014-04 14.5.2014 24