STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY, OSTRAVA ELEKTRONICKÉ POČÍTAČOVÉ SYSTÉMY (studijní text) Počítače třídy PC Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Obsah 1 Úvod - předmluva... 6 2 K počátkům historie počítačů... 7 2.1 Charles Babbage... 7 2.2 Konrad Zuse... 7 2.3 Vývoj za II. sv. války... 8 2.4 Harvard Mark I... 8 2.5 Von Neumann a EDVAC... 8 2.6 ENIAC... 9 2.7 EDSAC... 9 2.8 UNIVAC... 10 2.9 Počátky výpočetní techniky u nás... 10 3 Von Neumannova a Harvard architektura počítače... 13 3.1 Popis von Neumannovy architektury... 13 3.2 Popis Harvard architektury... 14 3.2.1 Otázky k probrané kapitole... 14 4 Základní deska... 15 4.1 Rozložení prvků na desce... 15 4.1.1 Zapojení základní desky... 18 4.2 Informace o základní desce... 18 4.2.1 Programy pro zjišťování informací... 19 4.3 Otázky k probrané kapitole... 19 5 Mikroprocesory... 20 5.1 Úvod k problematice mikroprocesorů... 20 5.1.1 Terminologie procesorů... 21 5.2 Architektury procesorů... 24 5.2.1 Mikroarchitektury procesorů... 25 5.3 Vlastnosti mikroprocesorů... 27 5.3.1 Instrukční sada... 27 5.3.2 Systém přerušení... 28 5.3.3 Paměť Cache... 28 5.3.4 Tepelná ochrana... 29 5.3.5 Napájecí napětí... 29 5.3.6 Chlazení mikroprocesorů... 30 5.3.7 Vnitřní a vnější frekvence... 30 5.3.8 Execute Disable... 31 5.3.9 Počet jader procesorů... 31 5.3.10 Procesory Core řady Intel... 32 5.3.11 A co dál? 32 nm technologie... 35 5.3.12 Procesory AMD... 35 5.3.13 Typy patic procesorů... 37 5.4 Instalace procesoru... 40 5.4.1 Instalace procesoru Intel... 40 5.4.2 Instalace procesoru firmy AMD... 41 6 Technologie výroby... 43 7 Komunikace mikroprocesoru s okolím... 49 7.1 Sběrnice... 49 7.1.1 Systémová sběrnice... 49 7.1.2 Uspořádání Intel... 50 7.1.3 Uspořádání AMD K8... 51 7.2 Periferní (rozšiřující) sběrnice... 52 7.2.1 Sběrnice ISA... 52 7.2.2 Sběrnice PCI... 53 7.2.3 Sběrnice PCI express... 55 7.3 Informace o chipsetu... 56 7.4 Identifikace procesorů... 56 7.4.1 A ještě k tématu... 57 7.5 Otázky k probrané kapitole... 58 8 Úvod do problematiky operační paměti RWM RAM pamětí... 59 8.1 Úvod do problematiky operačních pamětí... 59 2 / 213
8.1.1 Účel operační paměti... 59 8.1.2 Struktura a funkce paměti... 60 8.1.3 Technické parametry DRAM pamětí... 64 8.1.4 Instalace a konfigurace paměťového modulu... 66 8.1.5 Otázky k probrané kapitole... 67 8.2 Paměti RAM (praktické cvičení)... 68 8.2.1 Hardwarová instalace paměťového modulu... 68 8.2.2 Softwarová diagnostika paměti RAM... 69 8.2.3 Testování paměťových modulů... 76 8.2.4 Vyhodnocení vlastností paměťových modulů... 77 8.2.5 Otázky k probrané kapitole... 77 9 Grafické adaptéry... 78 9.1 Úvod do problematiky grafických adaptérů... 78 9.1.1 Účel grafického adaptéru... 78 9.1.2 Struktura a funkce grafického adaptéru... 79 9.1.3 Technické parametry grafických adaptérů... 81 9.1.4 Instalace a konfigurace grafického adaptéru... 82 9.1.5 Otázky k probrané kapitole... 83 10 Pevné disky... 84 10.1 Úvod do problematiky pevných disků... 84 10.1.1 Význam pevných disků... 84 10.1.2 Fyzická struktura disků... 84 10.1.3 Logická struktura disků... 89 10.1.4 RAID... 91 10.1.5 Instalace a konfigurace disku... 92 10.1.6 Otázky k probrané kapitole... 92 10.2 Pevný disk (praktické cvičení)... 93 10.2.1 Hardwarová instalace pevného disku a nastavení BIOS... 93 10.2.2 Příprava logické struktury rozdělení a formátování disků... 96 10.2.3 Testování disků... 97 10.2.4 Vyhodnocení vlastností pevného disku... 98 10.2.5 Otázky k probrané kapitole... 98 11 Síťové adaptéry... 99 11.1 Úvod k síťovým kartám... 99 11.1.1 Vzdálené bootování... 100 11.1.2 Duplexní provoz... 100 11.1.3 MAC adresa... 100 11.1.4 Co se nachází na síťové kartě... 101 11.2 Integrované komponenty základních desek-síťové karty... 102 11.3 Instalace ovladače... 104 11.3.1 Informace o síťové kartě... 105 11.3.2 Otázky k probrané kapitole... 106 12 Zvukové adaptéry... 107 12.1 Úvod do problematiky zvuku... 107 12.1.1 Záznam analogového zvuku... 108 12.2 Co se nachází na zvukové kartě... 109 12.2.1 Zvukový procesor řadič zvuku... 109 12.2.2 Kodeky... 109 Příklady některých komerčních kodeků... 110 12.2.3 Operační zesilovače a výstupní obvody... 110 12.3 Komprese zvuku... 110 12.3.1 Formáty ztrátové komprese... 111 12.3.2 Formáty bezeztrátové komprese... 112 12.4 Zvukové karty používané v současných počítačích... 112 12.4.1 Audio Codec AC 97... 113 12.4.2 Zvuk HD... 114 12.4.3 Zvukové karty s X-Fi... 114 12.4.4 Software pro ovládání zvuku... 115 12.4.5 API... 115 12.4.6 S/PDIF... 115 3 / 213
12.4.7 Konfigurace vícekanálového zvuku... 115 12.5 Instalace zvukové karty... 117 12.5.1 Otázky k probrané kapitole... 117 13 Napájecí zdroje... 118 13.1 Umístění napájecího zdroje... 118 13.2 Základní rozdělení, blokové schéma... 118 13.2.1 Napětí a konektory... 121 13.2.2 Chlazení zdroje... 124 13.2.3 Spotřeba komponent... 125 13.2.4 Otázky k probrané kapitole... 125 14 BIOS... 126 14.1 Základní informace... 126 14.2 Funkce BIOS a jeho vrstvy... 127 14.2.1 Start systému... 128 14.2.2 Setup... 128 14.3 Paměť CMOS... 130 14.4 Chybová hlášení... 131 14.4.1 Otázky k probrané kapitole... 131 15 Zobrazovací jednotky... 132 15.1 Účel zobrazovací jednotky... 132 15.2 Základní dělení zobrazovacích jednotek... 132 15.3 Struktura a funkce zobrazovacích jednotek... 132 15.4 Principy technologií použitých ke konstrukci displejů zobrazovacích jednotek... 133 15.4.1 Princip CRT zobrazovacích zařízení... 133 15.4.2 Princip LCD zobrazovacích zařízení... 133 15.4.3 Princip plazmových zobrazovacích zařízení... 135 15.5 Podrobnější popis funkce vybraných zobrazovacích jednotek... 136 15.5.1 LCD... 136 15.5.2 Plazmové panely... 142 15.5.3 PALCD... 145 15.5.4 OLED... 145 15.6 Technické parametry vybraných zobrazovacích jednotek... 148 15.6.1 Samsung 20" SM 2043WM... 148 15.6.2 HP 20" L2045w... 149 15.6.3 Závěr LCD... 149 15.6.4 SAMSUNG PS 42 C 96 HD... 150 15.6.5 ECG 42 PHD 62... 151 15.6.6 Závěr Plazma... 151 15.7 Instalace a nastavení zobrazovací jednotky... 152 15.7.1 Instalace zobrazovací jednotky... 152 15.7.2 Nastavení zobrazovací jednotky... 152 15.8 Otázky k probrané kapitole... 154 16 Počítačové skříně... 155 16.1 Úvod... 155 16.1.1 Rozdělení skříní... 155 16.1.2 Otázky k probrané kapitole... 159 17 Záložní zdroje UPS... 160 17.1 Základní problémy s napájením... 160 17.1.1 Jak se ochránit před poruchami v elektrické síti... 160 17.2 Jednotky UPS... 160 17.2.1 Základní typy UPS... 161 17.2.2 Technické parametry zdrojů UPS... 163 17.2.3 Otázky k probrané kapitole... 164 18 Virtualizace PC... 165 18.1 Úvod do virtualizace PC... 165 18.2 VMware workstation... 166 18.2.1 Vytvoření virtuálního operačního systému... 166 18.3 Virtual PC... 168 18.3.1 Vytvoření virtuálního počítače s Microsoft Virtual PC... 168 18.4 Některé další produkty pro virtualizaci... 172 4 / 213
18.4.1 Otázky k probrané kapitole... 173 19 Souhrn vybraných cvičení... 174 19.1 Praktické cvičení realizace strukturované kabeláže... 174 19.2 Sestavení PC, instalace operačního systému, testovací programy... 180 19.3 Hardwarová instalace grafického adaptéru... 182 19.4 Zvuková karta praktické cvičení... 192 19.5 Vytvoření malé sítě s operačním systémem Windows... 199 19.6 Základní instalace OS Windows server 2003... 201 19.7 OS Windows 2003-povýšení PC do role řadiče domény... 203 19.8 Instalace XAMPP... 207 19.9 Vytvoření bezdrátové sítě Wi-Fi... 209 20 Příloha... 211 21 Literatura... 212 5 / 213
1 Úvod - předmluva Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost umožňuje rozvíjet vzdělanostní společnost za účelem posílení konkurenceschopnosti ČR prostřednictvím modernizace systémů počátečního, terciárního a dalšího vzdělávání včetně propojení do komplexního systému celoživotního učení. Řešitelem projektu je společnost RPiC-VIP Ostrava, s. r. o., a dále v pozici partnera 14 odborných středních škol z Moravskoslezského kraje. Mezi partnery patří i Střední průmyslová škola elektrotechniky a informatiky, Ostrava. Hlavním cílem, který si řešitel s partnery ze středních škol stanovili, je zlepšení podmínek pro výuku technických oborů včetně motivace žáků k technickému vzdělávání. Projekt je sestaven z několika základních pilířů, mezi které patří i tvorba nových studijních materiálů. Vážený čtenáři, studijní text, který se Vám dostal do rukou, je výstupem projektu Podpora odborného vzdělávání na středních školách Moravskoslezského kraje. Partneři projektu se zavázali vytvořit celkem 28 nových studijních materiálů, které budou implementovány do procesu vzdělávání. V rámci citovaného projektu jsou autory vytvořeny a předloženy studijní opory, které jsou určeny všem studentům, zejména však studentům třetích a čtvrtých ročníků předmětu Elektronické počítače a jsou koncipovány jako materiál pro teoretické hodiny. Druhý díl opory je určen hodinám cvičení a praxe. Poděkování patří všem, kteří se spolupodíleli na tvorbě studijního materiálu, oponentuře obsahu i jazykové korekci, zejména však Ing. Janu Hořínkovi, Ing. Ladislavu Škapovi a Ing. Janu Patschkovi. Ing. Josef Lukosz koordinátor projektu na Střední průmyslové škole elektrotechniky a informatiky, Ostrava Ostrava prosinec 2009 6 / 213
2 K počátkům historie počítačů 2.1 Charles Babbage Za tvůrce prvního počítače je všeobecně pokládán anglický matematik Charles Babbage. V roce 1822 sestrojil diferenciální stroj pro výpočet hodnot kvadratických polynomů; později návrh rozšířil až na výpočet polynomů 10. stupně, ale pro technické problémy nebyl diferenciální stroj nikdy dokončen. V roce 1834 Babbage navrhl programově řízený mechanický číslicový počítač, který nazval analytický stroj. Jeho koncepce již v podstatě odpovídala běžným počítačům měl aritmetickou jednotku, paměť, vstupní jednotku a tiskárnu. Program však nebyl uložen v paměti, ale čten zvláštním snímačem. Přestože nebyl nikdy plně realizován, předběhl tehdejší dobu nejméně o 100 let a je považován za první univerzální počítač. 2.2 Konrad Zuse Ve třicátých a čtyřicátých letech dvacátého století vzniklo v dílně německého leteckého inženýra Konrada Zuse postupně několik počítačů. Nesly označení Z1 (1938, mechanický na horním obrázku spolu se svým konstruktérem), Z2 (1939, reléově-mechanický), Z3 (1941, reléový spodní obrázek) a Z4 (1944, reléově-mechanický). Stroj Z3 byl prvním funkčním reléovým volně programovatelným počítačem vůbec. 7 / 213
2.3 Vývoj za II. sv. války Také počítačům začaly vlády na počátku druhé světové války věnovat nebývalou pozornost. Zvýšená podpora vývoje výpočetní techniky a jejího potenciálního využití podstatným způsobem urychlila technický pokrok. Závod s časem o co nejlepší a nejvšestrannější počítač se odehrával nejenom ve Spojených státech a ve Velké Británii, ale samozřejmě i v nacistickém Německu. Zvláštní skupinou výpočetních systémů té doby byly šifrovací a dešifrovací stroje, které si vynutily válečné okolnosti. 2.4 Harvard Mark I V roce 1943 byl ve vývojových laboratořích IBM dokončen pod vedením Howarda Aikena elektromechanický počítač Mark I. Svým návrhem sice zaostával i za Babbageovým analytickým strojem, nicméně byl sestrojen a fungoval. Za rok byl darován Harvardské univerzitě (odtud jeho jiné označení Harvard Mark I). A jak vypadal a co uměl? Byl dlouhý téměř šestnáct metrů, vážil 5t a celkem obsahoval na tři čtvrtě miliónu součástek a něco málo přes 800 km drátových spojů. Mark I. byl elektronický reléový počítač, to znamená, že používal elektrické impulsy k tomu, aby hýbal s mechanickými částmi. Byl pomalý (tři až pět sekund na početní operaci). Aritmetika pracuje s pevnou desetinnou čárkou, pomocí výměnných desek je možno určovat počet desetinných míst. Příslušenství vstupu a výstupu zahrnuje čtečku a děrovačku děrných štítků, čtečku papírových pásek a několik tiskáren (psacích strojů). Každá ze šedesáti sérií otáčivých přepínačů může být použita jako pevný registr. Mark I. si program načítal z jedné papírové pásky, data potom z papírových pásek, děrných štítků nebo z pevných registrů (nepřipouštěl však podmíněné skoky). Jeho paměť byla založena na využití zbytkového náboje na stínítku CRT po dopadu elektronového paprsku, což je relativně dost nespolehlivé, ale poměrně levné a celistvější než cokoliv předtím. V následujících letech byl Mark I. mírně pozměněn tím, že připouštěl přechod mezi programovými páskami. Realizoval tedy jakýsi druh podmíněného podprogramového volání. Další úprava umožnila přidat podprogramy na výměnných deskách, které byly vyvolatelné z programu na papírové pásce. 2.5 Von Neumann a EDVAC Rok 1945 se stává rokem velkých počítačů" - v červnu maďarsko-americký matematik a chemik John von Neumann navrhl a popsal koncepci prvního počítače s uloženým programem, který byl později postaven pod názvem EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Tím dal základ dnes běžně používanému pojmu počítač s von Neumannovou architekturou". U tohoto přístroje je postup programu, stejně jako data, která mají být zpracována, kódován a uložen do paměti počítače. Program, sestávající ze sledu jednotlivých příkazů, obsahuje podmíněné příkazy, které umožňují zpětná a dopředná rozvětvení. Každý programový příkaz může být strojem změněn jako každý jiný operand. Tímto způsobem práce předstihuje tento stroj všechny dosavadní počítače. 8 / 213
2.6 ENIAC A: Napájení zdroje, B: Hlavní oscilátor (100 khz), C, E: Vychylovací obvody pro obrazovku, D: Obvody výběru adresy, F: Monitor zobrazující obsah paměti, G: Ovládací pult, H: Vysoko napěťový zdroj pro obrazovky, I: Generátor pulsů pro jednotlivá dekadická místa, J: Generátor časovacích signálů, K: Přenosný osciloskop, L: 6 paměťových obrazovek, M: Obvody pro regeneraci paměti, N: Odčítačka, P: Výběrové obvody a hradla, Q: Sčítačka, R: Násobička V roce 1945 byl na Elektrotechnické fakultě Pensylvánské univerzity uveden do provozu ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) první (elektronkový) univerzálně programovatelný stroj na zpracování informací (neboli samočinný počítač). Rodištěm stroje ENIAC se stala Moore School of Electrical Engineering, část univerzity of Pennsylvania ve Filadelfii, kde se realizoval tajný projekt Balistických laboratoří americké armády - ty měly v úmyslu postavit počítač využitelný při sestavování dělostřeleckých zaměřovacích tabulek. Již u tohoto projektu se objevily dva základní problémy, se kterými se jeho tvůrci potýkali i později, a to nesplnění časového plánu a pak překročení rozpočtu. ENIAC nebyl hotov ani do konce druhé světové války, přestože měl být nasazen již v jejím průběhu, a původně plánované náklady byly překročeny o 225 %. ENIAC obsahoval 17 468 elektronek a kolem pěti miliónů pájených spojů, vážil kolem 30 tun a zabíral plochu asi 310 m 2. Jeho spotřeba elektrické energie se pohybovala okolo 140 kw (tolik tehdy potřebovala na své osvětlení značná část Filadelfie). 2.7 EDSAC Během let 1948-1951 vznikl na MIT (Massachusetts Technical Institute) postupně Whirlwind, který pro Úřad amerického námořnictva pro výzkum a vynálezy se svým týmem zkonstruoval Jay W. Forrester. V původní podobě (během uvedených let se neustále zdokonaloval) měl 3 300 elektronek a 8 900 krystalových diod a zabíral plochu o rozloze 775 m 2. CRT paměť (Cathode Ray Tube Memory) a kapacitě 2 048 16bitových slov spotřebovala každý měsíc elektronky v hodnotě 32 tisíc dolarů. Whirlwind prováděl v průměru půl milionu součtů a padesát tisíc součinů za sekundu. Na jaře 1949 Jay W. Forrester zkonstruoval paměť založenou na principu magnetických jader s drátovou mřížkou pro adresaci jádra v podobě, v jaké byly později tyto paměti běžně používány. V letech 1952-1953 tato paměť nahradila u Whirlwidu původní paměť CRT a vyřadila z konkurenčního boje ostatní typy pamětí. 9 / 213
2.8 UNIVAC Eckert a Mauchly dokončili v březnu 1951 UNIVAC - první počítač ve Spojených státech, který si mohl kdokoli (kdo na to měl) zakoupit. Ultrasonická paměť měla kapacitu tisíce dvanácticiferných slov a umožňovala provádění 8 333 součtů či 555 součinů za sekundu. Jako sekundární paměť byly použity magnetické pásky z poniklovaného bronzu o šířce 1,27 cm, které na každých 2,5 cm délky uchovávaly 128 znaků. 2.9 Počátky výpočetní techniky u nás Dnešní uživatelé výpočetní techniky se mohou pousmát nad některými níže prezentovanými obrázky, ale nebýt rozvoje v posledních desítkách let, nesetkávali bychom se s výpočetní technikou na každém kroku: ve škole, v zaměstnání, veřejném životě Počátky výpočetní techniky v bývalém Československu jsou spojeny s pracovištěm, které neslo název Výzkumný ústav matematických strojů. Zde vznikl první československý samočinný počítač (SAPO) i naše další počítače první, druhé i třetí generace. SAPO (samočinný počítač) byl dokončn ve druhé polovině padesátých let jako první reléový počítač nulté generace. Obsahoval celou řadu unikátních prvků, po krátké době havaroval a nevyplatilo se jej opravovat. Dalším úspěšně dokončenčeným počítačem byl EPOS, kdy byly u první verze součástkovou základnou elektronky. Obsahovala také celou řadu unikátních prvků, byl čistě dekadický (12 dekadických číslic na slovo) a multiprogramování bylo řešeno výhradně hardwarovými prostředky, měl důkladné zajistění vůči chybám paměti. 10 / 213
Počítač byl po nějaké době přepracován jako EPOS2 na tranzistorovou verzi a byly provedeny rozsáhlé změny v jeho logice a přepracováno programové vybavení. Po dalších modifikacích byl sériově vyráběn pod názvem ZPA600. Přídavná zařízení k EPOS2 tiskárna a snímač děrných štítků (ke svým zařízením byla vyvíjena i přídavná zařízení). K řadě dalších počítačů náleží i analogový počítač MEDA (malý elektronický diferenciální analyzátor), byl vyráběn sériově Další vyvíjené sálové počítače patřily do řady JSEP (jednotná řada elektronických počítačů), byly vyráběny v zemích sdružených v RVHP a do první řady patřil EC 1021, jednalo se o anologii IBM/360, druhou řadu tvořily počítače modelu EC 1025 (analogie IBM/370). Byl standardně dodáván s vlastním operačním systémem DOS3. 11 / 213
Ovládací konzole a kabeláž EC 1025, kdy pohled na kabeláž představuje zajímavou kombinaci kabelových svazků a vedených drátů. Ve třetí řadě byl počítač EC 1027, tvořený víceprocesorovými systémem a dodávaný s vlastním operačním systémem. Byla vyvinuta také celá řada minipočítačů, kdy mezi nejznámější patří počítače ADT s převzatým programovým vybavením od Hewlett-Packard. Tyto minipočítače kopírovaly řadu HP 2100. Jaký bude další vývoj to lze těžko odhadnout, jelikož není jisté, jakým směrem se budou technologie ve svém zdokonalování ubírat. Možná to budou stroje s umělou inteligencí, kvantové počítače, nebo zcela něco jiného. 12 / 213
3 Von Neumannova a Harvard architektura počítače Klíčové pojmy: řídící sběrnice, adresová sběrnice, datová sběrnice, instrukce. 3.1 Popis von Neumannovy architektury K popisu funkce von Neumannova počítače použijeme blokové schéma. Tento princip práce využívají počítače od roku 1952 (z dnešního pohledu se jedná o klasické zapojení a spolupráci prvků počítače). adresová sběrnice mikroprocesor RI DI IR ACC ALU paměť dat paměť programu datová sběrnice Blokové schéma von Neumannovy architektury Legenda: RI ~ registr instrukcí, DI ~ dekodér instrukcí, IR ~ indexové registry, ACC ~ akumulátor, ALU ~ aritmeticko- logická jednotka. Sběrnice umožňují zlevnit a zjednodušit přenos informací v počítači. Adresová sběrnice určuje (adresuje) buňku, se kterou se bude komunikovat (zapisovat nebo číst) prostřednictvím datové sběrnice. čtení instrukce dekódování instrukce Program je vykonáván po částech (dávkách) a jednotlivé instrukce jsou zpracovávány v cyklu. Instrukce jsou prováděny v průběhu několika fází (čtení, dekódování, provedení). Konfigurace systému může být řešena i tak, že paměť programu a dat tvoří jeden celek. Selekci paměti dat a paměti programu lze provést prostřednictvím řídící sběrnice, nebo adresováním. Nutno dodat, že systém obsahuje ještě další sběrnici určenou k řízení vstupně-výstupních portů (její zapojení je prakticky shodné se sběrnicí adresovou a pro dosažení lepší přehlednosti schématu nebyla zakreslena). provedení instrukce Pracovní cyklus počítače 13 / 213
3.2 Popis Harvard architektury Výpočetní systémy pracující na principech Harvard architektury se od počítačů s von Neumannovou architekturou liší především možností současné práce s instrukcemi a daty. Rozdělení datové sběrnice umožní v době zpracovávání jedné instrukce čtení instrukce jiné. Tím lze dosáhnout vyšší rychlosti běhu programu a tedy vyššího výpočetního výkonu. U Harvard architektury lze snadno dosáhnout překryvného provádění instrukcí. Využívá se zde princip Pipeline. Instrukce musí být k takovému způsobu zpracování rozděleny na kratší části. Princip činnosti bude objasněn na následujícím příkladu. Předpokládejme, že v µ-procesoru existují tří bloky, které jsou schopny realizovat následující operace: Load ~ zavádění instrukcí, Fetch ~ dekódování instrukcí a Execute ~ provádění instrukcí. Je zřejmé, že takto realizovaný µ-procesor umožňuje současně zpracovávat tři instrukce. Následující schéma znázorňuje dosaženou časovou úsporu. periferní obvody CPU MEM instrukce data periferní obvody CPU MEM instrukce MEM data Sběrnice k přenosu instrukcí a dat ve von Neumann-vě architektuře Sběrnice k přenosu instrukcí a dat v Harvard architektuře 1. ins-ce 2. ins-ce 3. ins-ce 4. ins-ce 5. ins-ce L F E L F E L F E L F E L F E L F E L F E 1. ins-ce 2. ins-ce postupné provádění instrukcí L F E 3. ins-ce L F E 4. ins-ce L F E 5. ins-ce zrychlení vlivem pipeline Zrychlení běhu programu vlivem "Pipeline" čas 3.2.1 Otázky k probrané kapitole Popište strukturu von Neumannovy architektury počítače. Uveďte důvody vedoucí k zavedení Harvard architektury počítače. Objasněte funkci Pipeline v mikroprocesoru. 14 / 213
4 Základní deska Klíčové pojmy: chipset, procesor, patice, port, pin, jumper, slot. Mainboard tvoří základ (kostru) každého počítače, je to deska plošného spoje, na níž jsou umístěny elektronické obvody, patice procesorů a konektory pro připojení komponent počítače.mimo to zajišťuje stabilitu celého systému. Elektronické obvody podporují mikroprocesor, sběrnice a přes konektory jednotky umístěné mimo základní desku. Základní desky mají standardizované rozměry a jejich výrobou se zabývá množství firem jako např. Asus, Abit, Biostar, Gigabyte, MSI a spousta dalších. Základní deska ovlivňuje : jaký typ procesoru můžeme používat, to v podstatě určuje patice mikroprocesoru, kterou je deska osazena, maximální velikost paměťových modulů, jejich typ, rychlost, typy a počet rozšiřujících slotů, řadiče pevných disků, rozhraní pro připojení periferních zařízení, další integrované díly (síťová karta, zvuková karta, grafická karta atd.). Chipset umístěný na základní desce realizuje většinu těchto významných vlastností desky a zajišťuje veškerou komunikaci mezi všemi komponentami počítače (procesorem, pamětmi, řadičem disku, sloty, porty a přídavnými zařízeními). Mechanicky je deska upevněna přes montážní otvory. Rozmístění dílů na desce ovlivňuje její rozšiřitelnost. Hlavní rozdíly mezi deskami jsou v jejich velikosti, počtu slotů pro rozšíření desky. Standard ATX má konektory vyvedeny přímo na zadní stranu počítače. Zapínání desky je přes dva vodiče krátkým sepnutím, podobně i vypínání a vypínací impuls může přijít i z operačního systému. Standard microatx je zmenšen pro montáž do menších skříní, grafická karta je většinou integrována na desce. S menšími deskami jako např. Mini ITX se u běžných PC nesetkáme. 4.1 Rozložení prvků na desce Pro náš příklad jsme si vybrali základní desku Intel Desktop Board DG33TL. Je nutno si uvědomit, že rozložení prvků na deskách různých výrobců se může lišit. Základní deska je umístěna a uchycena v počítačové skříni dle obrázku. 15 / 213
Rozmístění prvků na desce a jejich význam. Description T Main power connector (2 x 12 pin) A PCI bus connector 3 U DDR2 DIMM 0 sockets B Auxiliary chassis fan header (4-pin) V DDR2 DIMM 1 sockets C PCI Express x1 connector 3 W Chassis intrusion header D PCI Express x1 connector 2 X Battery E High Definition Audio Link header Y Front chassis fan header (3-pin) F PCI bus connector 2 Z BIOS configuration jumper block G Front panel audio header AA Alternate front panel power LED header H PCI bus connector 1 BB Front panel header I PCI Express x1 connector 1 CC Serial ATA connectors J Speaker DD IDE connector K PCI Express x16 connector EE High-speed USB 2.0 headers L Back panel connectors FF External SATA (esata) connector M 12 V processor core voltage connector (2 x 2 pin) GG IEEE 1394a header N Back panel CIR transmitter (output) header O Rear chassis fan header (3-pin) P Processor socket Q Processor fan header (4-pin) R Serial header S Front panel CIR receiver (input) header 16 / 213
Porty jsou vyvedeny na zadní stranu počítače. Každá základní deska ATX má blok portů pro připojení periferních zařízení. Sériový port V současné době již některé desky nemají tento port vyveden, ale na základní desce může být k dispozici. Port obsahuje 9 pinů, umožňuje přenášení dat rychlostí max.115kb/s, ve Windows jsou pod označením COM1, COM2. Paralelní port Tento port se už také na deskách neobjevuje, má 25pinový konektor, je rychlejší než sériový. Port USB Ten komunikuje sériově s přenosovou rychlostí 1,5Mb/s, 480Mb/s, nebo 12 Mb/s.Umožňuje tzv. řetězení zařízení, můžeme jich připojit až 127, k tomu jsou potřebné rozbočovače. Prostřednictvím USB se připojuje většina zařízení, k dispozici je několik typů konektorů, viz obr. při pohledu zleva: A A dva konektory, využívají se na prodlužování; A B připojování tiskáren; A mini USB, A micro USB pro připojování jiných periférii. IE1394 port Fire Wire využíván pro vysokorychlostní komunikaci s přenosovou rychlostí 100, 200, 400 Mb/s Port PS/2 U desek ATX jsou využívány pro připojení klávesnice a myši, zelený pro myš, fialový pro klávesnici. Konektory zvukové karty A Surround Left and Right, B Center Channel and LFE (Subwoofer), C Side Surround Left and Right/Line, In/Retasking Jack, D Line Out, E Mic In, F S/PDIF Digital Audio Out (Optical). Pozn. Zvukové adaptéry, síťové adaptéry a rozšiřující sloty základní desky tvoří samostatné kapitoly. 17 / 213
4.1.1 Zapojení základní desky Zapojení základní desky je zřejmé z obrázku. Zde je zobrazen význam jednotlivých pinů na základní desce pro další propojení. Pin je vývod ze základní desky ve formě krátkého drátu. K propojení dvou nebo více pinů se používá propojka (jumper), pomocí ní se konfigurují některé základní funkce. 4.2 Informace o základní desce Každá základní deska, kterou zakoupíme, má od výrobce v balení instalační CD nebo DVD a sadu datových kabelů pro propojení přídavných zařízení. Pro vlastní montáž je nezbytný manuál, ten je většinou v obsahu instalačního CD nebo DVD s drivery. Doporučuje se důkladné seznámení s těmito důležitými informacemi o desce, osazení zařízení do slotu (procesory, paměti, grafické adaptéry apod.), před montáží desky do case. 18 / 213
4.2.1 Programy pro zjišťování informací Výrobce základní desky většinou poskytuje ve svých databázích informace k jednotlivým typům desek, můžeme samozřejmě využít i jiných zdrojů prostřednictvím internetu. Pokud potřebujeme zjistit informace o běžící desce, jsou k dispozici různé testovací programy, např. EVEREST, pro zobrazení konfigurace a diagnostiku počítače. Informace o CPU, základní desce, pevných discích, čipsetech, GPU a dalších prvcích je možno zobrazit a vytisknout v různých formátech. Lze uvést také volně šiřitelnou aplikaci AusLogics System Information, kde jsou přehlednou formou prezentovány informace o konfiguraci hardware i software, k dispozici jsou vizuální diagramy a schémata. základní menu programu, následuje prezentace některých informací o základní desce 4.3 Otázky k probrané kapitole Popište prvky na základní desce a vysvětlete jejich význam. Uveďte postup pro získání základních informací o desce. Objasněte napájení a ovládání základní desky, její zapnutí a vypnutí. Jaké jsou hlavní rozhodovací parametry při výběru vhodné základní desky? 19 / 213
5 Mikroprocesory Klíčové pojmy: CPU, ALU, koprocesor, registr, řadič, cache, Cool n Quiet,RISC, CISC, MIPS,EPIC, MMX, SSE, Multicore, HT technology, HyperTransport, instrukční sada, Intel, AMD. 5.1 Úvod k problematice mikroprocesorů Mikroprocesor je mozkem počítače, zpracovává instrukce od programů, kterými je řízen. Je to velice složitý integrovaný obvod s velkou hustotou integrace. Některé instrukce zpracovává sám, k provedení ostatních používá různé komponenty počítače (operační paměť, disky, sběrnice, displej, tiskárny ). Jeho kvalita podstatně ovlivňuje rychlost a výkonnost počítače. V současnosti jsou na trhu s mikroprocesory pro počítače PC dvě nejvýznamnější firmy - Intel a AMD. První mikroprocesor pro IBM vyrobil Intel pod označením 8088, a ten byl pak použit v prvním počítači PC. I jiné firmy vyvíjely mikroprocesory, např. Cyrix, Texas Instruments, AMD. Kromě AMD, ostatní nestačily na konkurenci a rychlost technologického vývoje a byly z trhu postupně vytlačeny. I když mikroprocesor tvoří jednu z hlavních komponent PC, celkový výkon počítače závisí na ostatních součástkách a software, a proto jsou pro výkon PC klíčová tato obecnější kritéria: použitý typ mikroprocesoru, taktovací frekvence mikroprocesoru, základní deska s čipovou sadou, velikost operační paměti, pevný disk (rozhraní, typ, kapacita), grafická karta systému, možnosti nastavení funkcí systému BIOS, použitý operační systém (32/ 64 bitový), používaný aplikační software. Výkonnost procesorů je neustále zvyšována taktovací frekvencí a v současnosti vyššími počty jader. Prudký technologický vývoj je zřejmý i z počtu použitých tranzistorů u vybraných typů (viz níže). mikroprocesor Počty tranzistorů Rok uvedení Intel 8086 29000 1978 Intel 8088 29000 1980 Intel RO386DX 280000 1985 Intel 486DX 1,2 miliony 1989 Intel Pentium 3,2 miliony 1993 Intel Pentium Pro 5 milionů 1995 Intel Pentium II 7,5 milionů 1997 AMD K6 8,8 milionů 1997 Intel Pentium III 9,5 milionů 1999 AMD Athlon (K7) 22 milionů 1999 Intel Pentium 4(Willamette) 42 milionů 2001 Intel Pentium 4E(Prescott) 125 milionů 2003 AMD Athlon 64 105 milionů 2004 Intel Pentium M 140 milionů 2004 Intel Core2 Duo 291 milionů 2006 AM Phenom(Quad Core) 463 milionů 2007 Intel Core i7 920 BOX 731 milionů 2008 AMD Phenom II X4 758 milionů 2009 Je tradicí, že všechny procesory pro PC jsou zpětně kompatibilní, program napsaný pro 8086 by měl fungovat i na vícejádrovém procesoru, následné generace by tedy měly obsahovat všechny funkce předchozích mikroprocesorů. Existuje celá řada architektur a typů mikroprocesoru s různým použitím: procesory určené pro osobní počítače, pro speciální serverové stanice, laboratoře, satelitní zařízení, televizní přijímače, projekční obrazovky, různé dekodéry a přehrávače a podobně. 20 / 213
5.1.1 Terminologie procesorů CPU (Central Processing Unit; český ekvivalent = Centrální výpočetní jednotka) Je to ústřední výkonná jednotka počítače, která čte instrukce z paměti a na jejich základě vykonává program. Různé modely se od sebe liší svojí rychlostí, technologií a velikostí. Procesor je základní hardwarová komponenta každého počítače. ALU (Arithmetic Logic Unit; český ekvivalent = Aritmeticko-logická jednotka) Jde o jednu z nejzákladnějších součástí procesoru. Probíhají v ní všechny logické a aritmetické výpočty, mezi něž patří například sčítání, násobení, negace, bitový posuv a jiné. FPU (Floating-Point Unit; český ekvivalent = numerický koprocesor") Jak již jeho název napovídá (Floating-Point Unit), tento numerický koprocesor operuje s čísly, která mají plovoucí desetinnou čárku (například 1,5e16). U starších procesorů se tento matematický koprocesor vyskytoval ve výpočetních technologiích samostatně. Dnes je již integrovaný do jednotek CPU. Registr (Processor Register; český ekvivalent =:registr) Registr procesoru slouží k ukládání mezivýsledků a dočasných hodnot, které byly vygenerovány, například numerickým koprocesorem (FPU), nebo aritmeticko-logickou jednotkou (ALU). Jeho funkce by se dala přiřadit k jakési rychlé vyrovnávací paměti. Přístupová doba do registru je totiž daleko nižší než do klasické cache. Registr procesoru rozdělujeme na tři základní typy - registry uživatelské, systémové a vnitřní. Control Unit (český ekvivalent=řadič) Řadič spolu s ALU tvoří základní řídící jednotku procesoru. Načítá strojové instrukce, dekóduje je a třídí jednotlivé úlohy mezi další moduly. Multiplier (český ekvivalent= násobič) Násobič je hodnota, která procesoru udává frekvenci, na níž má procovat. Máme-li tedy kupříkladu procesor AMD Athlon XP 3000+, který má 13x násobič a frekvenci sběrnice 166Mhz FSB, znamená to, že jeho frekvence činí 2158 Mhz. Docílili jsme toho tak, že jsme obě výše zmíněné hodnoty vynásobili (166 x13 =2158). Cache (český ekvivalent = vyrovnávací paměť) Cache je pomocná vyrovnávací paměť procesoru. Jejím úkolem je urychlit datový přenos mezi operační pamětí RAM a procesorem samotným. FSB (Front Side Bus; český ekvivalent = systémová sběrnice) Tímto pojmem je nazývána ta část hardware, která zajišťuje obousměrný fyzický tok dat. Děje se tak mezi procesorem a ostatními komponenty (jmenovat můžeme například grafickou kartu, pevný disk, operační paměti a další). Šířka pásma sběrnice se udává v MHz. MultiCore (český ekvivalent = vícejádrový procesor) Procesor označujeme tímto pojmem za předpokladu, že disponuje více než jedním jádrem. Hlavní výhodou je rychlost, dvě jádra se chovají jako dva na sobě nezávislé procesory, jejichž rychlost se může zdvojnásobit. Když máme k dispozici procesor, který disponuje čtyřmi nebo osmi jádry, jeho rychlost se opět násobí počtem jader jimiž je vybaven (4x nebo 8x rychlejší výpočet komplexních operací). 21 / 213
Jak ale podle názvu poznáme, že se jedná o vícejádrový procesor? Co se týká procesorů z dílen společnosti AMD, názvy jejich vícejádrových modelů obsahují hodnotu X (počet jader)". HT technology (Hyper-Threading Technology; český ekvivalent = technologie vícevlákenného zpracování") Jedná se o speciální technologii vyvinutou společností Intel s cílem zvýšit efektivitu a výkon procesoru tím, že umožňuje jedinému fyzickému procesoru, aby se vůči operačnímu systému choval jako dva virtuální procesory. HT využívá plného potenciálu procesoru, neboť při vykonávání jednoho threadu se prakticky vždy objevují okamžiky, kdy nejsou využity všechny výpočetní jednotky procesoru (ALU/FPU). Technologie HT právě tyto nevyužité jednotky vyhledá a umožní jejich využití, tím nám vznikne druhý, fyzicky neexistující procesor. Tato technologie obecně přináší navýšení výkonu až o 40%, ale výhradně u aplikací, které dokáží Hyper- Threading (nebo i obecně více procesorů) využít. HyperTransport Hyper Transport - jedná se o obousměrnou sériovou paralelní sběrnici s velkou šířkou pásma a nízkými latencemi. Hyper Transport v současnosti existuje ve třech verzích (1.0, 2.0 a 3.0), jejichž rychlosti se pohybují v rozmezí 200 až 2 600 MHz. Hyper Transport vznikl jako náhrada FSB a funguje jako vysokorychlostní spojnice mezi procesorem, operační pamětí a chipsetem. V současnosti se s technologií HT setkáme jak u AMD, tak u Intel platformy. Společnost Intel u svých starších modelů používá sběrnici FSB, nová generace procesorů má již technologii QPI, která se HyperTransport podobá. Princip technologie HyperTransport je podobně jako u sítě Ethernet založen na komunikaci paketů. Ve verzi 3.0 je propustnost až 22 / 213
Cool n Quiet Jedná se o funkci, kdy software automaticky řídí rychlost procesoru a k tomu ekvivalentně i rychlost ventilátoru, což ve výsledku přináší jak nižší spotřebu, tak nižší hlučnost. Technologii umožňující změnu násobiče procesoru za chodu počítače vyvinula společnost AMD. Hlavním efektem je velmi rychlá změna frekvence CPU dle aktuálního zatížení. Latence Je to doba,která uplyne od vyvolání požadavku, do jeho splnění(reakční doba), udává se v ns nebo hodinových cyklech (např. 4T), přičemž je požadována co nejnižší hodnota. SIMD (Single Instruction Multiple Data) -jedna instrukce provádí současně výpočet na více datech. Intel Dual - Core Technology Tato technologie zajišťuje spolupráci dvou jader se společnou paměti cache L2 s tím, že jádro,které je více zatíženo může využívat více paměti. Virtualization Technology Technologie VT (Virtualization Technology) podporuje provozování virtuálních počítačů na hardwarové úrovni. Umožňuje jednomu procesoru fungovat jako několik paralelně pracujících procesorů, na jednom počítači tak může běžet současně více operačních systémů a jednotlivé systémy pak pracují na virtuálním procesoru (virtuálním stroji). Virtualizaci na softwarovém základu podporují známé programy, jako VMware nebo Virtual PC. Intel Turbo Boost automatické přetaktování Je to funkce, kdy je při potřebě většího výkonu procesoru čip automaticky přetaktován a výkon je krátkodobě navýšen. Na příklad u procesoru se základní frekvenci 3,33 GHz(Intel Core i5), pokud je zátěž procesoru velká, dojde k automatickému přetaktování na 3,6 Ghz. DTS Digital Thermal Sensor Teplotní senzor měří teplotu každého jádra a v závislosti na naměřených hodnotách přizpůsobuje rychlost otáčení ventilátoru chladiče procesoru. Advanced Smart Cache Zahrnuje sdílenou L2 cache, dovoluje dynamicky alokovat kapacitu pro každé jádro. 23 / 213
5.2 Architektury procesorů Při vývoji mikroprocesorů docházelo postupně k potřebě určité unifikace z důvodů kompatibility vyráběných počítačů. To bylo umožněno zejména nástupem integrovaných obvodů s velkou mírou integrace. Tak postupně vzniklo několik typických konfigurací mikroprocesorů, které nazýváme architekturou. Typickými architekturami mikroprocesorů jsou CISC, RISC, MIPS nebo EPIC. CISC (Complex Instruction Set Computer) Je architekturou používanou u dřívějších ale částečně i současných procesorů. Tyto procesory používají tzv. plnou instrukční sadu, kde instrukce jsou uloženy v mikrokódu (program vložený do paměti procesoru). Instrukcí je velký počet (120-350), jsou složité, existuje velký počet jejich formátů. CISC má instrukční soubor s takovými instrukcemi, které pod jedním operačním kódem vykonají složité operace s variabilitou různých adresovacích módů. Instrukce jsou vykonávány v mnoha strojových cyklech (desítky i stovky), to vede k používání složitého řadiče. RISC (Reduced Instruction Set Computing) Jsou to procesory s redukovanou instrukční sadou. Koncepce je založena na předpokladu, že frekvence používání některých složitých instrukcí je malá a v případě potřeby mohou být nahrazeny posloupností jednoduchých instrukcí. Redukovaná instrukční sada obsahuje jen základní instrukce, je malý počet formátů instrukcí, jednoduchší dékodování, malý počet adresních módů. Pro čtení a zápis do paměti jsou jen dvě instrukce. Instrukce jsou tvořeny obvodově a provádějí se rychleji. Procesor obsahuje velký počet vnitřních registrů, instrukce jsou prováděny většinou v jednom strojovém cyklu. AMD Am29000 - procesor založený na architektuře RISC Obě zmíněné architektury se však vzájemně přibližují,jelikož mnohé procesory mají rysy obou těchto architektur. MIPS (Microprocesor without Interlocked Pipeline Stages) Tato architektura se váže se jménem Johna Henessyho a Standsforské univerzity. Je velmi rozšířena, zejména v oblasti grafických stanic, v tzv. Embedded systémů, nebo malých zařízení, např. PlayStation. Koncepčně vychází z architektury RISC, kdy poměrně jednoduché instrukce ve spojení s pipeliningem a dobrým kompilátorem vedlo k vytvoření rychlého procesoru. V praktickém provedení je to možnost mít celé zařízení na jednom čipu, tzn. propojení jádra mikroprocesoru s dalšími obvody a tím programovat na známé a odladěné architektuře. EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computer) Je novou architekturou používanou u moderních 64bitových mikroprocesorů. Instrukční řadič je podobný redukované instrukční sadě, ale je založen na jiném způsobu řazení instrukcí. Architektura vychází z počítačového modelu EPIC, který byl navržen tak, aby zvýšil schopnost mikroprocesoru vykonávat paralelně více instrukcí. Hardwarový řadič používá přeprogramované situace, které se okamžitě přiřadí k požadované instrukci a tím se zvýší efektivita. 24 / 213
5.2.1 Mikroarchitektury procesorů Mikroarchitektury určují základní vlastnosti procesorů, jejich vnitřní strukturu, na které je následně založena mikroprocesorová řada. Procesory Intel a AMD se výrazně liší svou mikroarchitekturou. Procesory řady Intel a jejich mikroarchitektury: NetBurst Je starší mikroarchitekturou a jejími hlavními rysy byly: Hyperpipelining, nová multimediální instrukční sada SSE2, sběrnice FSB, HyperTreading. Výkonnost procesorů se zvyšovala především navyšováním vnitřní frekvence. Intel Core Microarchitecture Z architektury NetBurst bylo použito to nejlepší a navíc: Advanced Digital Media Boost-zvýšený výkon při zpracování multimedií (video, hudba), Smart Memory Access-těsná spolupráce několika jader procesoru, každé jádro má svou L1 cache, sdílenou L2 cache, funkce snižující napájecí napětí a frekvenci při nižší zátěži, funkce podporující chod 64bitových aplikací (EM64T). Navýšení výkonu procesorů je řešeno vyšším počtem jader. Nehalem Stěžejní záležitostí je: sběrnice QPI, která nahradila pomalejší sběrnici FSB. QPI je vysokorychlostní sériové propojení, skládající se ze dvou 20-bitových spojů (jeden pro každý směr). Z těch je 16 vyhrazeno pro data, zbývající 4 pro detekci chyb a řízení přenosu. To dává propustnost 12.8GB/s v každém směru. integrovaný řadič paměti, tím je propustnost sběrnice celá k dispozici pro periférie, využití paměti DDR3, Turbo Boost zvyšuje výkon procesoru podle okamžité potřeby uživatele a vytížení počítače. Prostřednictvím speciální jednotky, která řídí napájení, a nových power gate tranzistorů dokáže automaticky upravovat pracovní frekvenci, a tedy i rychlost každého procesorového jádra. Procesory řady AMD a jejich mikroarchitektury K8 s okolím komunikuje sběrnici HyperTransport, do procesoru je integrován paměťový řadič, v jádře jsou technologie pro snižování výkonu a antivirovou ochranu. Jádro mikroprocesoru umožňuje pracovat ve třech módech: 64bitový, 64bitový operační systém a 64bitový program, Kompatibility 64bitový OS a 32bitový nebo 16bitový program, Legacy 32bitový OS a 32bitový nebo 16bitový program. 25 / 213
K10 nativní čtyřjádrový CPU, integrovaný paměťový řadič, L3 cache společná pro všechny CPU, vyráběn 65 nm procesem, rychlá sběrnice HyperTransport, nízké latence, různé frekvence jader, Cool n Quit 2.0. K10.5 jádro bylo předěláno, využití pamětí DDR3, L3 cache zvýšena až na 6MB, Výkon se zvednul teoreticky o 30 % navíc, v praxi záleží na dané sestavě a aplikaci. procesor byl umístěn do patice AM3,je zpětně kompatibilní s paticí AM2+, reálná spotřeba procesoru byla snížena,rychlá sběrnice HyperTransport 3.0s frekvencí až 2600 MHz s vyšším výkonem a propustností, vyráběno 45 nm procesem, Cool n Quiet 3.0. Procesor AMD Phenom II a sběrnice HyperTransport Procesory K10.5 a jejich výkon lze rozeznat z jejich modelového označení podle koncového čísla. Značení procesorů AMD Athlon X2 2xx dvě jádra, žádná neaktivní, bez L3 cache, zato s větší L2 cache Phenom X2 5xx dvě jádra aktivní, dvě neaktivní, 6 MB L3 cache Phenom X3 7xx tři jádra aktivní, jedno neaktivní, 6 MB L3 cache Phenom X4 8xx čtyři jádra, 4 MB L3 cache Phenom X4 9x0 čtyři jádra, pouze AM2+, 6 MB L3 cache, nižší takt Northbridge Phenom X4 9x5 čtyři jádra, AM3 (+ zpětně kompatibilní pro AM2+), 6 MB L3 cache 26 / 213
5.3 Vlastnosti mikroprocesorů Mikroarchitektury mikroprocesorů používají různé technologie, z nichž vyplývají vlastnosti mikroprocesorů. Šířka vnitřní sběrnice popisuje schopnost mikroprocesoru zpracovat najednou určité množství bitů. Dnes rozeznáváme mikroprocesory: Jen 32bitové ( starší typy, které pomalu dožívají). Jen 64bitové (používají se především u serverů). 32 i 64bitové (dnešní standard desktopových počítačů). O tom, zda je plně využita vnitřní šířka dat rozhoduje operační systém a aplikační programy: Operační systém Windows (jak XP, tak serverové) jsou 32bitové, ale existují také speciální edice pro 64bitové procesory, rovněž Windows Vista nabízí 32/ 64bitové režimy všech svých verzí. Také aplikační program může být 32/ 64bitový, zatím stále výrazně převládají 32bitové aplikace. Z těchto důvodů je zatím standardem 32/ 64bitový mikroprocesor, který dokáže spolupracovat s 32bitovým i 64 bitovým softwarem. Všechny Mikroprocesory AMD 8. generace dnes pracují v 64 a 32bitovém režimu (v jejich názvu také vždy najdeme číslici 64). Intel přišel s 64bitovým režimem později než AMD, ale dnes již nové mikroprocesory Intel pracují v 64bitovém režimu také. Pro něj Intel zavedl označení EM64T. Velikost použitelného adresového prostoru je u 64bitové architektury 18 miliard GB (2 64 adres), u 32bitové architektury jsou to 4GB. Dnešní trend směřuje k 64bitovým systémům, Linux tuto architekturu podporoval již dříve. V současnosti ještě většina výrobců počítačů instaluje do svých sestav, které obsahují 32/64bitový procesor, klasickou 32bitovou verzi Windows (64bitové ovladače hardwaru mohou být problémem při instalacích). 5.3.1 Instrukční sada Instrukční sada je souborem instrukcí, kterým procesor rozumí a instrukce mu říká, jak provést určitý úkol (t.j.posloupnost kroků). Instrukce je možno specifikovat jako: aritmetické a logické, pro přesuny dat, systémové instrukce, instrukce pro řízení programů, další instrukce pro přehrávání videa, zvuků a grafiky. Některé instrukční sady procesorů Intel a AMD: x86- základní celočíselná sada pro procesory, x87-určená pro matematické koprocesory, od Pentia je koprocesor integrován uvnitř procesorů, MMX-(Multi Media extension)-první celočíselní SIMD sada Intelu pro multimediální aplikace, Enhanced MMX-rozšíření MMX, 3DNow-SIMD sada zavedena AMD,jako konkurenční sada MMX x86- základní celočíselná sada pro procesory, SSE-SIMD sada z procesoru Pentium III, Intelem rozšířena sada o instrukce 3D aplikací(70 nových instrukcí), SSE2-Intelem rozšířena sada pro Pentiu 4(multimediální instrukce). Novější vyráběné procesory obsahují instrukční sady umožňující práci v 64bitovém režimu: pro procesory AMD je to instrukční sada pod označením AMD64, pro procesory Intel pod označením EM64T. 27 / 213
5.3.2 Systém přerušení Přerušení je signál, který k mikroprocesoru vyšle některé hardwarové zařízení nebo program. Vysílatel signálu se tak snaží zabrat mikroprocesor pro sebe. Klasickým příkladem je stisk klávesy na klávesnici. Mikroprocesor musí přerušit svoji činnost a povel daný klávesou zpracovat. Všechny moderní mikroprocesory mají vektorový systém přerušení. To znamená, že každé přerušení je identifikováno svým číslem. Na určitém místě v operační paměti je uložena tabulka vektorů přerušení. Vektor přerušení, identifikován právě číslem přerušení, ukazuje na adresu v paměti, kde je uložen obslužný podprogram přerušení. N-té přerušení tedy spustí (přes n-tý vektor přerušení) n-tý program, který zpracuje požadavek zdroje přerušení. Před skokem na vektor přerušení uloží mikroprocesor svůj momentální stav do speciálního registru-zásobníku. To mu umožní vrátit se po zpracování přerušení k původní činnosti. Výhodou vektorového přerušovacího systému je možnost nahrazení obslužného programu přerušení programem vlastním. Mikroprocesor musí obsahovat i mechanismus, kterým přerušení dočasně zakáže. 5.3.3 Paměť Cache S pamětí cache (česky keš) se v celé počítačové architektuře setkáte velice často. Je to jakýsi mezisklad dat mezi různě rychlými komponentami počítače. Jeho úlohou je vzájemné přizpůsobení rychlostí rychlejší komponenta čte data z cache a nemusí čekat na komponentu pomalejší (z které si paměť cache data načte dopředu). Do všech mikroprocesorů jsou integrovány malé paměti cache první úrovně označované za sběrnice. Funguje to tak, že cache načte ze sběrnice více dat, která pak v tomto meziskladu čekají. Jakmile je mikroprocesor potřebuje, z cache si je načte. Protože cache pracuje rychleji než sběrnice, nemusí mikroprocesor čekat, jak by tomu bylo v případě odebírání dat přímo z pomalejší sběrnice. L1 cache (Level 1 cache) Tento druh vyrovnávací paměti slouží k dočasnému ukládání nejkritičtějších dat pro daný moment. Má velmi malou kapacitu, která ve většině případů nepřesahuje 64kb. Jelikož je L1 cache přímou součástí CPU (je nejblíže výpočetním jednotkám), její rychlost je shodná s výpočetní rychlostí procesoru. Je tedy ze všech tří běžných typů (L1, L2, L3) nejrychlejší. Data obvykle přijímá skrze L2 cache, která data absorbuje z paměti RAM. L2 cache (Level 2 cache) L2 disponuje vyšší kapacitou než výše zmíněná L1, nicméně její rychlost je o hodně nižší. Dříve byla umísťována vně procesoru. Dnes už jí ale nalezneme v pouzdru spolu s procesorem, kde pokaždé slouží pouze jednomu konkrétnímu jádru. L3 cache (Level 3 cache) Od předchozí L2 se liší zejména tím, že je sdílená pro všechna jádra, její kapacita je také o mnoho vyšší. Porovnání všech tří typů vyrovnávacích pamětí cache (64KB řádek = L1, 512KB řádek = L2, 2MB+ řádek = L3) je na následujícím obrázku. 28 / 213
L4 cache (Level 4 cache) Jedná se o nejnovější typ vyrovnávací paměti, která vznikla na základě vzrůstajících počtů jader v nitru procesoru. Vyrovnávací paměť čtvrtého řádu disponuje mimo vyšší kapacity také speciální technologií (QoS-Aware Cache), která dokáže jednotlivým úlohám přiřazovat patřičnou prioritu. 5.3.4 Tepelná ochrana Mikroprocesory produkují při běhu značné množství tepla. Pro správnou funkci je potřeba zabránit jejich přehřátí. Základní odvod tepla zajišťuje aktivní chladič, jehož součásti je ventilátor. Pokud by došlo k poruše chlazení, stoupá teplota mikroprocesoru a může dojít k jeho poškození. Také technologie tepelných ochran procesorů se vyvíjely. Starší procesory byly většinou vybaveny integrovanou tepelnou ochranou. U novějších procesorů se používají dokonalejší technologie tepelné ochrany. U procesoru Intel: Speed Step Technology, kdy procesor mění za běhu dynamicky frekvenci a napájecí napětí. Když je zátěž menší, snižuje se frekvence, případně napájecí napětí, neprodukuje se tolik tepla a tím jsou menší nároky na chlazení. Při nižší frekvenci klesá tepelný výkon a je možné snížit otáčky ventilátoru. Tuto technologii však musí podporovat chipset základní desky. Intelligent Power Capability napomáhá k nízkému výkonu a minimalizaci odvodního tepla. Základem jsou známé funkce pro procesory řady Intel, ale nově je prováděno průběžné vyhodnocování zatížení jednotlivých části procesoru. V případě delšího nevyužívání umí tato funkce jednotlivé části procesoru vypnout a tím snížit spotřebu elektrické energie. U procesorů AMD: Cool n Quiet je obdobou technologie používáné u Intelu, kdy je regulováno napětí a frekvence mikroprocesoru v závislosti na jeho zatížení. Dochází také k úspoře elektrické energie a poklesu otáček ventilátoru. 5.3.5 Napájecí napětí S rostoucím výkonem (a rostoucí hustotou prvků v mikroprocesoru) se mikroprocesory stále více a více zahřívaly vlivem spotřeby většího množství elektrické energie. Výrobci začali řešit tento problém snižováním napájecího napětí. Tím se snížil i příkon mikroprocesoru (což je rovněž výhodné pro baterie notebooků) a následné tepelné vyzařování. Výše napájecího napětí není nijak normalizována, ale každý výrobce se snaží napětí snížit co nejvíce. Hodnota napětí se neliší pouze u různých výrobců mikroprocesorů, ale často se liší i u stejných řad mikroprocesorů jednoho výrobce. Standardním napájecím napětím mikroprocesorů bylo dříve 5V, další používanou velikostí byla napětí okolo 3,3V, dnešní procesory mívají hodnotu napájecího napětí pod 1,5V. 29 / 213