ZÁKLADNÍ ŠKOLA ČESKÝ KRUMLOV Za Nádražím 222, 381 01 Český Krumlov ABSOLVENTSKÁ PRÁCE POČÍTAČOVÝ HARDWARE A JEHO FUNKCE Autor práce: Antonín Vrba, IX.A Vedoucí práce: Mgr. Jan Kříž Školní rok: 2009 2010 2010 Základní škola Za Nádražím, Český Krumlov info@zsnadrazi.cz
Obsah: ÚVOD 3 1. ZÁKLADNÍ DESKA 3 2. ZDROJ 5 3. PROCESOR 5 4. GRAFICKÁ KARTA 6 5. PEVNÝ DISK 6 6. RAM 7 7. OPTICKÁ MECHANIKA A MÉDIA (CD, DVD, BD) 7 8. VYVÁŽENÁ SESTAVA 8 8.1. ZÁKLADNÍ DESKA 8 8.2. ZDROJ 8 8.3. PROCESOR 8 8.4. GRAFICKÁ KARTA 9 8.5. PEVNÝ DISK 9 8.6. RAM 9 8.7. DOPLŇKY 9 9. SOUHRN 10 10. ZÁVĚR 11 PŘÍLOHY: 12 MĚŘENÍ A PŘETAKTOVÁNÍ 12 PROCESOR 12 GRAFICKÁ KARTA 14 2
Úvod Ve své práci bych se chtěl zabývat problematikou stavby počítače a funkcemi jednotlivých komponentů, které budu v práci postupně uvádět. Mimo jiné bych rád provedl čtenáře některým měřením výkonu modifikovaného hardwaru v mém osobním počítači. Aby tato práce měla větší smysl pro širokou veřejnost, která není o počítačích tolik informována, rád bych na konci práce uvedl návrh optimální sestavy za rozumné peníze. 1. Základní deska Jinak také nazývaná jako motherboard základní deska. Je základní pilíř pro stavbu počítače, jsou na ní osazeny a propojeny všechny komponenty připojenými různými sloty nebo konektory. Je pevně přišroubována do case počítače, aby se zamezilo vibracím, které by ji mohly poškodit. Rozvádí elektrické napájení po celém počítači a zároveň poskytuje ochranu jednotlivých součástí. Zajišťuje také jednotlivý výstup a vstup různých zařízení, jmenovitě: USB, LAN, PS2 myš, klávesnice, 3,5 mm jacky pro zvuk z integrované zvukové karty, popř. HDMI, DVI, RGB z integrované grafické karty, FireWire, esata. Na desce se dále nachází: PCI express 2.0 x16, dnes již zastaralé IDE připojení, samozřejmě rozhraní SATA nyní už třetí generace, několik slotů na RAM moduly typu DDR3 a nejvíce viditelná patice na 64 bitový procesor. Nyní jsem vyjmenoval spoustu různých portů a připojení, které má na starost centrum základní desky, tzv. chipset, který řídí celou desku a můžeme si říci, že rozdává práci. Najdeme ho většinou pod pasivním chladičem propojený headpipe trubičkami třeba s řadičem procesoru nebo integrovanou grafickou kartou. Základní deska má vlastní mini-systém jinak nazývaný BIOS 1. Je to protokol a soupis všech zařízení v počítači, má také svůj vlastní čip na desce. Ten je 1 BIOS Basic Input/Output System 3
napájen baterií, která zálohuje systémový čas a nastavení. Funkce a úlohy BIOSU můžete vidět v následující tabulce. Čas od zapnutí Úkon 0,03 s Kontrola a funkčnost komponent 1,73 s Reset: CPU, klávesnice 2,61 s Test datového bufferu 4,11 s Načtení osobního nastavení BIOSU 4,62 s Komunikace: CPU s GPU a disku 4,82 s Testuje přenos 1 MB dat do RAM 5,02 s Spojení CPU a RAM, Num Lock 7,63 s Poslední test, spuštění bootloaderu 12,43 s Píp, počítač začal bootovat 2 V tabulce, ve které BIOS postupuje v jednotlivých úkonech se objevilo slovo boot, bootování. Bootování je, když se operační systém začne přesouvat z disku do RAM, poté dojde ke spuštění systému. Některé desky mívají BIOS duální, nešikovný uživatel by ho mohl poškodit a počítač by nenaběhl. Existuje mnoho druhů základních desek s různým označením a použitím do různých zařízení, pro nás v normálním desktopu je rozhraní ATX a v menších počítačích na účetnictví používáme micro-atx. Rozdíl je ve velikostech a také ceně. Každá deska má svoji maximální propustnost dat a pokud dáme vedle sebe 3 modely stejného typu desek a otestujeme je na nějakém benchmarku 3 zjistíme že se data liší. To proto, že každá část na desce má nějakou kvalitu a výrobci uvádějí průměrnou propustnost. 2 http://www.chip.cz/clanky/hardware/2010/04/jak-tika-bios 3 Benchmark Určí výkon počítače v bodech, na základě testů. Díky těmto bodům můžeme lépe porovnávat. 4
2. Zdroj Je mostem mezi zásuvkou a základní deskou. Má zabudovaný 80 i 120 mm ventilátor pro chlazení. Vychází z něj několik vývodů: primární, který je vetšinou 24-pinový, napájí celou desku. Poté tam je několik 12, 8,6-pinových konektorů, které jdou třeba do grafických karet. Zdroje mají účinnost 80, 85 a dokonce i 90 procent. Také mají výkon udávaný ve wattech, můj zdroj má výkon 550 wattů. Zdroje musí být dimenzovány na odběr počítače jinak mohou vážně poškodit všechny komponenty. Je to část počítače, na které by se nemělo šetřit. 3. Procesor Srdce počítače, výpočetní jádro, to je to, proč se počítači říká počítač, protože počítá. Procesor je hlavní výpočetní centrum počítače, je to vlastně integrovaný obvod. Vyrábí se 6 měsíců pomocí vrstvení křemíku. Frekvence procesoru se udává v Hz např. 3.0 Ghz. Obsahuje vyrovnávací paměť, tzv. mezipaměť obyčejně nazývanou jako L1, L2, L3 Cache udávanou v KB. Na poli procesorů dominují 2 firmy a to je Intel a AMD. Ve své práci se budu zabývat procesory Intel. Intel má tzv. FSB což znamená Front Side Bus, slouží k oboustranému přenosu dat mezi CPU a deskou, většinou bývá 333 Mhz a pak je zde násobič, který násobí tuto frekvenci např. devětkrát, výsledná frekvence procesoru je tudíž 3,0 Ghz. Procesory se zasazují do patic, Core 2 Duo s paticí LGA 775 je v mém počítači, ale aktuální patice je 1156 pro Core i3, i5 a 1366 pro Core i7 a budoucí Core i9, čísla znamenají počet pinů v patici. U AMD jde pak o AM2 a AM3 patice. Funkle MultiThreading znamená, že u procesoru i5 se dvěma jádry vlastníme 4 jádra, protože každé jádro umí zpracovat najednou 2 vlákna aplikace. Systémová sběrnice je propojení mezi deskou a procesorem, zde o frekvenci 1333 Mhz. Přetaktování procesoru dosáhneme zvětšením násobiče, pokud je otevřený, nebo přímým zvýšením FSB, které je účinnější, ale také má vliv na ostatní hardware v počítači, konkrétně na paměť RAM. 5
Mnoho lidí se ptá kolik mám mít v procesoru jader a využiji to? Na internet a různé účetnictví stačí dvě jádra, ale na hry nebo na střih videa je lepší mít více jader, program ale musí podporovat práci s více jádry. U procesorů by jste se mohli setkat s termínem výrobní architektura. To znamená výrobní proces, kterým se procesory vyrábí, nyní se vyrábí 45 nm nebo 32nm technologií ale už v roce 2011 by se měly testovat procesory s výrobní technologií 20 nm. 4. Grafická karta Je komponenta, která na počítači nejrychleji stárne a zároveň je pro dnešní součásti webu a operačních systémů nepostradatelná. Grafická karta je potřeba vždy když se na monitoru, který je přes ni připojen zobrazí jakékoli barvy a obrázky, zpracovává grafické úkony a odesílá je do monitoru. Rozhodujeme se nejčastěji mezi ATI a nvidia grafikami. Dnes je grafický akcelerátor (GMA4500) obsažen v každém procesoru i3, i5, i7, který svým výkonem dokáže uvést do pohybu i video v plném rozlišení (HD). Externí grafická karta, jakou je třeba ATI 5850, je ale mnohonásobně výkonnější. Externí karta se zapojuje do slotu PCIe x16. U grafických karet hledíme na GPU grafický čip a jeho parametry, paměť, propustnost v GB/s, poté šířku sběrnice, která spojuje kartu se základní deskou. Zmiňovaná karta má 256-bitovou sběrnici a propustnost 128 GB/s, frekvence čipu se pohybuje na hodnotě 725 Mhz. Karta disponuje pamětí 1 až 2 GB GDDR5, záleží na modelu. Každý druh karty má jiný výkon. Abychom si dovedli v žebříčku poskládat karty za sebou, existují grafické benchmarky. Jsou to aplikace, které spustíte a na monitoru vám projíždí 3D efekty a různé graficky náročné hry. Na základě vyměřených údajů dostane karta body. K měření používáme nejčastěji benchmark 3DMARK Vantage. 5. Pevný disk Všichni moc dobře známe starý dobrý harddisk, který má několik ploten s magnetickými vrstvami, na které se zapisují data. Počítač by si bez něj nic 6
nepamatoval a nezapsal. Je to jedna z posledních mechanických součástí počítače kromě ventilátorů a je asi nejvíce náchylná na otřesy a pády. Otáčí se rychlostí 5400 až 15000 ot./min. Disky mají také svou vyrovnávací paměť obvykle 8 64 Mb. Existuje několik typů disků: 2,5 palce a 3,5 palce, ale i 1,8 palce, který se dává například do netbooků. Klasický plotnový disk má svého nástupce SSD Solid State Disk. Je jako velká flash paměť bez pohyblivých částic, takže je mnohem odolnější, rychlejší, méně poruchový, lehký, ale na druhou stranu zatím velmi drahý. Nyní se dává jen do vysoce ultravýkonných a přenosných zařízení. Stačí na SSD se 150 GB nainstalovat systém, který bude rychle komunikovat a pracovat a na druhý 2 TB disk dávat data. K tomuto účelu funguje několik šikovných programů které umí pracovat s RAID 4 oddíly. S touto kombinací dostaneme vysoce flexibilní, rychlé a velké úložiště. Je jen otázka času, kdy se SSD disky budou vyrábět v dostatečných kapacitách a budou cenově přístupnější. 6. RAM RAM je velká mezipaměť, se kterou počítač pracuje, je to taková pracovní plocha, která se hned po startu zaplní systémem a poté jednotlivými aplikacemi, proto do tohoto místa jako první vkročí antivir, aby si koordinoval přístup dat. Ulehčuje významně práci procesoru, pohybuje se také na svých frekvencích, u DDR3 modulů na 1066 až 2500 Mhz. DDR3 moduly mají navíc menší spotřebu a také vetší datovou propustnost. K chodu normálního stolního počítače stačí 4 GB RAM pro optimální chod. 7. Optická mechanika a média (CD, DVD, BD) Mechanika funguje ke čtení médií pomocí laseru. Disk zajede do mechaniky, roztočí se a laser začne číst data, která jsou zapsána od středu média k okraji. Je to 4 RAID Je vícenásobné diskové pole, složené z více disků. 7
nejhlučnější součást počítače, zvlášť pokud z CD, DVD, BD bootujete. Podle mého názoru je to nepraktické, dal bych přednost nějaké High end flashce s 256 GB a s nesrovnatelně vyšší rychlostí čtení a zápisu, která navíc nemá žádné mechanické součásti a nevydává vibrace a snadno se s ní manipuluje. I když BD (Blue Ray) disky budou v budoucnu pobírat až 250 GB dat, bude to pořád mechanická součástka. 8. Vyvážená sestava Počítač bude v normální rodině, ve které si syn občas zahraje nějakou tu hru na monitoru v plném rozlišení, dcera na něm bude 12 hodin chatovat s kamarádkami, mamka bude mít dostatečný prostor na rodinné fotky a táta si chce nastřihat video ze své HD kamerky. To znamená, že to bude docela výkonný stroj, ale také tišší, vhodný třeba do obýváku. Na této sestavě nehledejte žádné zastaralé součásti, je navržen tak, že na něj za 2 roky dokoupíte pár nových součástí a bez problémů ho můžete mít ještě několik let. Na této sestavě budou samozřejmě DDR3 channely, USB 3.0, které jsou dnes již standartem do budoucna. 8.1. Základní deska Zde není co řešit, potřebujeme kvalitní základ, který můžeme snadno updatovat, a zároveň musí být velmi kvalitní a spolehlivý. Pro toto zadání jsem zvolil desku Gigabyte GA-H55M-USB3, která se sem skvěle hodí. 8.2. Zdroj Pro tuto sestavu bude stačit 550W zdroj Arctic Cooling Fusion, který utáhne sestavu v plném vytížení bez jakýchkoli problémů. 8.3. Procesor Volím Intel i3 z důvodu jeho všestrannosti a spotřebě, která je 73W při plném vytížení. Konkrétně jde o Intel Core i3-530 s taktem 2,97 GHz. Je to tedy dvoujádrový procesor který je schopen zpracovávat až 4 thready (vlákna aplikace) najednou, tím 8
pádem ho můžeme chápat jako čtyřjádrový. Vkládá se do patice 1156. Je také vyroben pokročilou technologií 32 nm. Také je zde grafický akcelerátor, který, jak už bylo řečeno, si poradí s videem v plném rozlišení. 8.4. Grafická karta U této položky, která je velmi důležitá pro syna, který hraje hry, ale i pro tátu, který stříhá video, jsem zvolil kartu ATI HD 5770. Dopřeje vám každou grafickou aplikaci ve vysokém rozlišení bez problémů. Pokud by grafický výkon nestačil, jako alternativu bych zvolil HD 5850. Karty disponují samozřejmě DirectX 11 a Shader model 5 (Pixel Shader) a také 1 GB GDDR5 paměti. 8.5. Pevný disk Zvolil jsem klasický disk, který pojme 750 GB dat, jedná se o Seagate Barracuda, se kterým jsem byl vždy spokojený. Disk disponuje 32 MB mezipamětí a točí se rychlostí 7200 ot./min. Připojení je SATA II/300, které u tohoto počítače bude stačit. SATA III/6G je zatím cenově nevýhodné a nedostupné. 8.6. RAM Jednou z nejvíce kvalitních značek je Kingston. Jedná se o čtyřgigový DDR3 kit, 2 2 GB o frekvenci 1333 Mhz. 8.7. Doplňky Skříň bude velmi jednoduchá a levná, naopak chladič na procesor Cooler Master Hyper patří k tomu nejlepšímu, čím můžete na vzduchu chladit. Pokud bude ve skříni místo, můžete přidat doplňkové ventilátory, ale pozor na dobrý směr a proud vzduchu uvnitř case, aby vám neproudil pořád dokola. Dále tu už máme jen mechaniku, zvolil jsem klasickou DVD RW mechaniku. Blu Ray normální rodina nevyužije a Blu Ray média nejsou ještě tolik dostupná a používaná. 9
9. Souhrn Položka Název Cena Základní deska Gigabyte GA-H55M-USB3 (rev.1.0) 2509,- Zdroj Artic Cooling Fusion 550550W Bulk 1411,- Procesor Intel Core i3-530 BOX 2741,- Grafická karta Sapphire ATI Radeon HD 57701GB DDR5 3748,- Pevný disk Seagate Barracuda 7200.123.5" 750GB 1690,- RAM Kingston 4GB (kit 2x 2GB) 1333MHz 2583,- Case Cooler Master Elite 333 871,- Chladič na CPU Cooler Master Hyper 212 Plus 656,- Ventilátory Arctic-Cooling Arctic F12 PWM 122,- Mechanika Samsung SH-S223C černá 494,- Celkem Počítač je bez OS + 3000 (win7hp),- 16953,- Sestava je celkově vyvážená a výkonná. Nikdy nekupujeme žádnou složenou sestavu, která může být ze zastaralých komponentů, nejprve si projdeme několik stránek a hardware počítače důkladně porovnáme, než ho koupíme. Pro získání informací můžeme kontaktovat Živě.cz. Stačí jen napsat kolik peněz do něj chceme investovat a na co ho budete využívat, zkušení lidé nám pak téměř okamžitě odepíšou, popřípadě nabídnou alternativy. 10
10. Závěr Technologie jdou neuvěřitelně rychle dopředu a u počítačů to platí dvojnásob. Celkový výkon počítačů se každé 2 roky zdvojnásobí 5 a s tím přijde celá řada nových technologií a funkcí, které se musí člověk pohybující se ve světě IT neustále učit. V mojí práci jsem vás provedl každou větší součástí počítače. Na poli počítačů prosperuje několik velkých i menších značek, některé jsou lepší, některé horší. Znám případ, kdy do kvalitního počítače dali zdroj, který by ho papírově utáhl, ale jen se počítač zapnul, vše shořelo a to jen díky nekvalitnímu zdroji za 300 slovenských korun. Chtěl bych studovat počítače, skládat je, opravovat, testovat a různě upravovat. Sám jsem velmi zvědavý, kam počítačová technologie dojde za 10 let. Ale mějme na paměti pořád, že náš mozek je rychlejší než nejrychlejší počítače světa. Výkon lidského mozku je 38 petaflops 6, což je 38 biliard operací za sekundu proti nejvýkonnějšímu počítači světa, který má pouze 1 petaflops. V roce 2011 se plánuje stavět počítač s výkonem 20 petaflops no to abychom se více učili. 5 Moorův zákon Zákon který platí přes 40 let. Říká: Výpočetní výkon a počet tranzistorů na jeden CPU chip integrovaného obvodu mikroprocesoru každý jeden až dva roky zdvojnásobí; cena se sníží na polovinu. 6 http://www.zive.cz/bleskovky/lidsky-mozek-ma-vykon-38-petaflops-a-pamet-3-581-tb/sc-4-a- 146110/default.aspx 11
Přílohy Měření a přetaktování Skoro na závěr bych chtěl ukázat, jak je možné různá zařízení naučit pracovat rychleji na úrovni dražších a tím i dokázat že se zvedne výpočetní výkon. Procesor Jako první vezmeme můj procesor Intel Core 2 Duo E8400 se základní taktem 3 Ghz. V měření jsem zvedl frekvenci jen o 0,15 Ghz, tedy na 3,15 Ghz zvýšením FSB. Mohl bych jít i na 3,6 Ghz, ale už po každé desetině bych musel spouštět testy stability. K měření výkonu jsem použil program Super Pi, který počítá Ludolfovo číslo na milion míst. Změřil jsem tedy, za jak dlouho spočítá jeden milion desetinných míst. Takt Čas 3,0 Ghz 17,8 s 3,15 Ghz 16,84 s Vidíte, že i nepatrný posun způsobí rychlejší výpočet zadání. Přidávám ještě snímky z procesoru před a po přetaktování. 12
13
Grafická karta Dále jsem zkoušel přetaktovat grafickou kartu, měl jsem k dispozici dvě karty a to nvidia 9800 GT a nvidia GTS 250. Obě dvě mají stejný grafický chip G92 a jsou postaveny na celkem staré architektuře 65 nm. Při taktování jsem použil program MSI Afterburner, ve kterém jsem zvyšoval frekvenci GPU i paměti, ale i shaderů. Obě karty měly zamčené zvyšování napětí. Nejdříve bych ukázal snímky referenčních údajů a také jejich screenshoty. 9800 GT referenční 14
GTS 250 referenční 15
Teploty karty 9800 GT byly 50 C a u GTS 250 43 C v klidu. V zátěži tyto hodnoty dosahují i 70 C až 80 C stupňů. GTS 250 je o trochu rychlejší, navzdory tomu, že má jen 512 MB paměti. Přetaktováním karet dosáhneme třeba lepší skóre v 3D marku nebo lepší framerate 7 ve hrách. Nejdříve se mi taktování nedařilo a karty byly nestabilní po první fázi. Stáhl jsem tedy aktualizované ovladače a zkusil to znovu. Karty šly taktovat velmi pomalu a musel jsem postupovat po 30 50 MHz. Tady ukazuji maximální stabilní hodnoty, které jsem dosáhl. 9800 GT OC 7 FPS Snímková frekvence na monitoru, za jednu sekundu. 16
GTS 250 OC 17
Jak je vidět, ve výkonu se obě karty zlepšily poměrně stejně; je to asi 15 procent výkonu navíc. V 3D Marku se mi karta GTS 250 zlepšila jen o 500 bodů, kdy na začátku měla 4200 bodů a ve hře se mi zvýšil průměrný framerate o 4 FPS což není k zahození. Teploty karet se zvýšily o 10 C. Fotografie o své práci uvedu ve své prezentaci. 18