Základní jednotka

1. konzultace
Úvod do IT (kombinované studium)
Technické vybavení počítače
ZÁKLADNÍ JEDNOTKA
Architektura počítače PC
Popis jednotlivých částí základní jednotky
– Procesor
– Paměť
– Sběrnice
– Porty
– Rozšiřující adaptéry
Princip činnosti
Postupné zpracovávání informací na základě instrukcí (posloupnosti povelů).
Vstupní
informace
Zpracování
informace
Program
Výstupní
informace
Hardware
Veškeré technické vybavení počítače.
Fyzická struktura počítače
Zadání
problému
Zpracování
Předání
výsledků
Software
Každé programové vybavení počítače,
které je schopno pracovat
na daném počítači.
Program
– posloupnost instrukcí
– postup (algoritmus) zapsaný
v některém programovacím jazyce
Pojem PC
Historický vývoj VT: sálový počítač, minipočítač, mikropočítač
Dnešní osobní počítač (personal computer)
konstrukčně vychází z minipočítačů konce 70. let
počítač kompatibilní se standardy IBM PC a Apple Macintosh
základní konstrukce – „skládačka“: základní deska s procesorem, pamětí a
přídavnými kartami, vstupní a výstupní zařízení
1981 – IBM PC, procesor 8088 (1987 – konec určování standardů firmou IBM)
– architektura pro sběrnice ISA, sériový a paralelní port, standard VGA a XGA,
rozhraní a řadiče pevných disků, zdroje, rozhraní pro klávesnici a myš …
IBM PC XT (8bitové) -> IBM PC AT (16, 32, dnes 64bitové)
Architektura PC
Von Neumannovo schéma
Základní jednotka
Von Neumanovo schéma
Bylo navrženo 1945 Johnem von Neumannem (maďarský původ).
Podle tohoto schématu se počítač skládá z pěti hlavních modulů:
Operační paměť: slouží k uchování zpracovávaného programu,
zpracovávaných dat a výsledků výpočtu.
ALU – Arithmetic-Logic Unit (aritmetickologická jednotka): jednotka
provádějící veškeré aritmetické výpočty a logické operace. Obsahuje sčítačky,
násobičky (pro aritmetické výpočty) a komparátory (pro porovnávání).
Řadič: řídící jednotka, která řídí činnost všech částí počítače. Toto řízení je
prováděno pomocí řídících signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům.
Reakce na řídící signály, stavy jednotlivých modulů jsou naopak zasílány zpět
řadiči pomocí stavových hlášení.
Vstupní zařízení: zařízení určená pro vstup programu a dat.
Výstupní zařízení: zařízení určená pro výstup výsledků, které program
zpracoval.
Princip činnosti
Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení umístí program
(posloupnost operací – instrukcí), který se bude vykonávat.
Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program
zpracovávat
Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je
v průběhu výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem počítače.
Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti.
Po skončení výpočtu (i dílčího) mohou být výsledky poslány na výstupní
zařízení.
Odlišnosti dnešních počítačů
Podle von Neumannova schématu počítač pracuje vždy nad jedním
programem. Toto vede k velmi špatnému využití strojového času.
Dnešní počítače zpracovávají paralelně více programů najednou – tzv.
multitasking.
Počítač může disponovat i více než jedním procesorem.
Počítač podle von Neumannova schématu pracoval pouze v tzv. diskrétním
režimu (po spuštění programu není možnost komunikace).
Existují vstupní / výstupní zařízení (I/O devices), která umožňují jak vstup, tak
výstup dat (programu).
Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část
a ostatní části zavádět až v případě potřeby.
Hlavní jednotka
Ö Základní deska (MB – motherboard)
Ö Procesor
Ö Vnitřní paměť
ƒ BIOS uložený v ROM (Read Only Memory) nebo flash
ƒ RAM (Random Access Memory)
ƒ CMOS paměť (Complementary Metal Oxide
Semiconductor) – nastavení PC, konfigurace HW
Ö Sběrnice pro přenos dat
Ö Porty
Ö Permanentní paměť
ƒ Pevný disk
ƒ Optické disky, diskety?
Ö Ostatní rozšiřující karty (grafický, síťový, zvukový adaptér, …)
Skříně PC
Obvykle je součástí skříně napájecí zdroj a ventilátor. Napájecí zdroj
usměrňuje a transformuje napětí z elektrické sítě 230 V na potřebná
stejnosměrná napětí ± 5V, ± 12V, (popřípadě + 3.3V), která jsou použita
k napájení základní desky a ostatních zařízení základní jednotky.
Na přední straně má každá skříň ovládací tlačítka a dvířka mechanik pro
vkládání příslušných datových médií. Dále skříň obsahuje pozice pro umístění
několika 3.5” a 5.25” zařízení, a na zadní straně vyvedené konektory portů
(COM, LPT, USB, PS/2, aj.) pro komunikaci základní jednotky s periferiemi.
Velmi užitečné bývá vyvedení některých konektorů na přední stranu skříně.
Velikosti skříní
– Různá provedení a velikosti
– Slimline, microtower – postačují pro běžné kancelář ské počítače, velmi
omezený počet pozic (2 x 3,5”), (1–2 x 5,25”), problém s rozšířením.
– Minitower, Miditower
– Tower, bigtower – (2 až 3 x 3,5”), (4 až 5 x 5,25”), určeno pro servery
a náročné pracovní stanice
Skříně existují ve formátech AT (starší), ATX, BTX a ITX. Tento formát musí
souhlasit s formátem základní desky, která je do skříně namontována.
Základní deska
Základní deska (matiční deska, mainboard, motherboard) je jádrem osobního
počítače. Je tvořena velkou deskou plošného spoje (přibližně 250 x 300 mm,
v závislosti na typu základní desky), který je osazen velkým množstvím
elektronických obvodů a konektorů, které slouží k připojení ostatních komponent
k základní desce. Umožňuje propojit všechny důležité součásti osobního počítače.
Je na ní osazena patice (slot nebo socket) pro zasunutí procesoru, sloty pro
operační paměť, sloty pro rozšiřující adaptéry, konektory pro řadiče disků, BIOS,
CMOS, čipset, propojky a přepínače pro nastavení některých parametrů základní
desky, konektory portů (v případě ATX a BTX) a další subsystémy. Na některých
levnějších základních deskách je integrován jeden nebo i více rozšiřujících
adaptérů (grafika, zvuk, síť).
Čipset
– Určuje charakteristické parametry a funkce základní
desky.
– Určuje, jaký procesor a paměť je možno na základní
desku osadit.
– Zajišťuje komunikaci mezi procesorem, pamětí a ostatními periferiemi.
– Většinou je tvořen dvěmi čipy – Northbridge (komunikace mezi rychlými
částmi – procesor, paměť a grafická karta) a Southbridge (komunikace
PCI, USB a IDE).
– Sada integrovaných obvodů speciálně zkonstruovaná pro práci s konkrétním
typem procesoru.
Obvody čipové sady realizují funkce, jako např.
– řízení činnosti paměti DRAM i SRAM
– řízení činnosti jednotlivých sběrnic
– komunikace mezi sběrnicemi
ISA
PCI
AGP
Paralelní
/ sériový
port
VGA
USB +
LAN
Patice pro
procesor
Chip set
SB + NB
Paměťové
sloty
BIOS
Záloha CMOS
IDE
FD
Napájení
Moderní základní deska názorně
PCI Express
BTX základní deska
Instalace rozšiřujících adaptérů
Procesor (Central Processor Unit)
Ö Architektura (dnes 45 nm)
Ö Sada instrukcí (CISC – Komplex Instruction Set Computer, většina
dnešních PC, rozsáhlá sada složitých instrukcí, které ke svému
provedení potřebují několik taktů procesoru; RISC Reduced
Instruction Set Computer), v praxi něco mezi
Ö Sběrnice – šířka interní sběrnice v bitech (šířka datové sběrnice –
množství najednou přenesených dat, šířka adresové sběrnice –
maximální adresovatelná paměť)
Ö Taktovací frekvence – jedna ze základních charakteristik rychlosti
procesoru, počet operací (!ne instrukcí!) za sekundu –
1MHz=1000000 cyklů, dnes řádově v GHz
Ö Přerušení – jedna z možností komunikace s okolím, dočasné
přerušení právě vykonávaného procesu a obsloužení např.
některé V/V operace
Ö Výrobce pro PC – Intel, AMD, ... dlouho nic ... VIA ad.
Ö Patice – napojení na lokální sběrnici
Ö Chlazení – dnes aktivní pomocí ventilátoru, pasivní omezeně u
velmi starých procesorů a některých procesorů VIA
Ö Přetaktování – provozování procesoru na vyšší frekvenci, než je
oficiálně udaná rychlost, některé procesory toto neumožňují,
procesor - RAM
ztráta záruky
Ö Vyrovnávací paměť (CACHE) L1 (součástí procesoru), L2, L3
Ö Matematický koprocesor – (FPU – Floating Point Unit) dnes
integrovaná součást procesoru, provádí operace v plovoucí
řádové čárce, snížení zátěže CPU
Ö Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie
(http://www.svethardware.cz/art_doc-0153C5141A320803C12571EF003F6BAF.html)
Ö Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka
(http://www.svethardware.cz/art_doc-67186A42FE81D194C12571DF0040BFB6.html)
Vyrovnací paměť (cache)
- Pomalý přístup do hlavní operační paměti
- Nutnost použití rychlejších a dražších vyrovnávacích pamětí
- Latence paměti (reakční doba) – zpoždění, se kterým je paměť schopna dodat
data (udávána v počtu cyklů), záleží na konstrukci a velikosti
- Hierarchické uspořádání paměti
- Registry – nejrychlejší paměť, pouze pro uložení několika málo hodnot
- L1 cache – 8 až 32 kB
- L2 cache – 256 kB až 4 MB (Intel Core 2 Duo)
- L3 cache – pouze některé procesory až 3 MB (Itanium)
- Operační paměť – nejpomalejší, největší, nejlevnější
- Vyšší výkon procesoru ovlivňuje:
- Architektura procesoru
- Množství vyrovnávací paměti
- Rychlost operační paměti (nižší latence, vyšší propustnost)
- Novější čipová sada
- Rychlost FSB – komunikace procesoru s pamětí a periferiemi
- Rychlost a způsob připojení HD
- Frekvence procesoru
Přehled procesorů
AMD K7
AMD Phenom
Historické Pentium 133
Core2Duo
Ö Přehled procesorů Intel (http://www.intel.com/cd/products/services/emea/ces/processors/320895.htm)
Ö Přehled procesorů AMD (http://www.amd.com/gb-uk/Processors/ProductInformation/0,,30_118,00.html)
Z historie procesorů
Dnes je výroba tranzistor ů na hranici fyzikálních možností.
Značení procesorů
Dříve se používala v označení především pracovní frekvence.
AMD (procesory pracují na nižších frekvencích) z marketingových důvodů
přidávaly označení výkonu (např. Athlon XP 3000+ [2167 MHz]).
Současné procesory
Core2Duo
Core2Quad
Core2Extreme
Intel
architektura Core2
Sempron
AMD
Athlon
Phenom
Testovací SW
- CPU Mark
- 3DMark
- Aquamark CPU
- Sandra XII (2008)
(System ANalyser, Diagnostic and
Reporting Assistant)
- PC Mark 05 CPU
- Super PI
V čem se měří:
- Dhrystone ALU udávaný v
MIPS (milionech instrukcí za sekundu, rychlost CPU). Dhrystone ALU index je
jen syntetický test, jenž se používá pouze k porovnání výsledku procesorů
- Whetstone FPU udávaný v MFLOPS (miliony operací v plovoucí desetinné
čárce za sekundu)
Problematika výkonnostních testů
- Záleží na kvalitě testovacího SW (některý SW nedokáže správně využít
dvoujádrových procesorů ani technologie Hyper-Threadingu)
- Záleží na volbě testovacích aplikací (převod video a audio formátů,
renderování náročné scény, náročné výpočty v plovoucí řádové čárce; PC hry –
spíše zatěžují grafický subsystém)
BIOS (Basic Input / Output System)
ROM (Read Only memory), FLASH
Ö Základní programové vybavení každého PC
Ö Neoddělitelně spjato s hardwarem
Ö BIOS, POST, zavaděč a spouštěč OS, SETUP
Ö Program přizpůsobený danému HW konkrétního počítače
Ö Poskytuje jednotné SW rozhraní pro konkrétní počítač a tím
zabezpečuje snadnou přenositelnost ostatního SW
Ö Základní BIOS – umístěn v ROM zákl. desky nebo ve flash
Ö Služby BIOSu, jsou používány OS a programátory aplikací
Ö Po vyvolání přerušení se provede příslušná obslužná rutina
Ö AMI, AWARD, PHOENIX
CMOS (Complementary Metal
Oxide Silicon)
Ö Paměť typu RAM - informace, které nemohou být na disku ani v RAM
Ö Paměť typu RAM
Ö Data o konfiguraci
počítače
Ö Pro editaci slouží
SETUP, umožňující
konfiguraci počítače
Ö Zálohována baterií
Ö Integrace obvodu
hodin reálného času
do CMOS
RAM (Random Acces Memory)
Ö Paměť s náhodným přístupem, umožňuje čtení i zápis
Ö Hlavní paměť počítače (operační paměť)
Ö Nutnost napájení pro udržení informace
Ö Funkce a význam UPS
Ö Snadná výměna nebo doplnění nových modulů
Ö Kapacita dnešních pamětí,
jednotky bit(b), Byte (B, KB, MB, GB, TB)
Ö Rychlost pamětí, vybavovací doba
Ö CACHE a zrychlování přístupu k informacím
Druhy pamětí RAM
ÖDRAM (Dynamic RAM)
- starší PC pro Pentium, dva typy FastPage a EDO (Extended Data Out)
- 60 – 70 ns
ÖSDRAM (Synchronous DRAM), pracují na frekvenci FSB
- P II, P III, AMD – starší procesory
- 8 – 12 ns, 1.04 GB/s pro FSB 133 MHz
ÖRDRAM (Rambus DRAM)
- přenos po obou hranách řídícího impulsu, šířka pouze 2B
- speciální frekvence sběrnice 400, 800 MHZ ==>
- 1.6 GB/s, při použití 2 kanálů 3.2 GB/s
- používáno s porocesory Intel P4 a P3(Xeon), dnes opuštěná
technologie
ÖDDR (Double Data Rate)
- přenos po obou hranách řídícího impulsu
- 2.1 GB/s pro FSB 133 MHz
- označované jako PC266 MHz, PC2100MB/s (PC333, PC400)
- nyní používáno pro procesory Intel i AMD
- dnes hlavní druh pamětí
ÖDDR2, DDR3, DDR4
- rychlejší druh paměti, moduly DDR a DDR2 jsou vzájemně
nekompatibliní
- jiná organizace v modulu
- odlišné napájecí napětí (DDR: 2.5V, DDR2: 1.8V)
- vyšší stabilita, nižší spotřeba a tepelné vyzařování
(z důvodu nižšího napětí)
ÖGDDR - pro grafické karty, stejný princip
Moduly pamětí RAM
Ö SIMM – Single Inline Memody Module (30 pin) [DRAM]
- šířka 8 bitů, kapacity 0.25 – 4 MB
Ö SIMM – Single Inline Memody Module (72 pin) [DRAM]
- šířka 32 bitů, kapacity 4–32 MB
Ö DIMM – Dual Inline Memody Module (168 pin) [SDRAM]
- šířka 64 bitů, kapacity 32–256 MB
Ö RIMM – Rambus Inline Memory Module (184, 232 pin) [RDRAM]
- šířka 16 bitů, kapacity 64 - 512 MB
Ö DDR DIMM – Double Data Rate DIMM (184 pin) [DDR]
- šířka 64 bitů, kapacity 128–1024 MB
Ö DDR2 (DDR-II) – (240 pin) [DDR2]
- šířka 64 bitů, kapacity 512 – 2048 MB,
maximální frekvence 1600 MHz (dnes 667 MHz)
Dnes na trhu ...
Výrobci: SAMSUNG, BUFALLO, KINGSTOM (orient. ceny OK Computers)
DIMM 128 MB, SDRAM, PC 133 370 Kč
DIMM 256 MB, SDRAM, PC 133 510 Kč
DDR 512 MB, PC 3200 (PC 400) 350 Kč
DDR 1024 MB, PC 3200 (PC 400) 680 Kč
Ceny pro pomalejší DDR PC 2700 (PC 333 jsou prakticky totožné)
DDR2 512 MB, (PC 800) 270 Kč
DDR2 1024 MB, (PC 667) 300 Kč
DDR3 512 MB, 1066 MHz, PC 3-8500 550 Kč
DDR3 1024 MB, 1066 MHz, PC 3-8500 1300 Kč
Sběrnice
Ö Skupina vodičů, spojující jednotlivé součásti počítače
Ö Tři podsystémy
ƒ datová sběrnice
ƒ adresní sběrnice
ƒ řídící sběrnice
Ö První počítače byly konstruovány okolo jedné jediné sběrnice
Ö Dnešní hierarchická sběrnicová struktura
ƒ Lokální sběrnice
ƒ Rozšiřovací sběrnice
o ISA (osmibitová a 16 bitová), EISA
o VL-BUS
o PCI, AGP, AMR (Audio Modem Riser)
o ACR (Advanced Communications Riser),
CNR (Communication and Networking Riser)
o SCSI
o USB, IEEE 1394
o PCI Expres
PCI Express x16
(nahoře)
PCI Express x1 (dole)
AGP
Především pro grafické karty přestala brzo stačit přenosová rychlost a celkové
možnosti PCI sběrnice.
Proto firma Intel vytvořila AGP sběrnici (Accelerated Graphics Port), která je
určena právě pro připojení grafické karty (videoakcelerátoru).
Dnes je nahrazena PCI Express 16.
verze
AGP
datová
šířka
takt
přenosová
rychlost
dnešní výskyt
AGP 1x
32 bitů
66 MHz
264 MB/s
ne
AGP 2x
32 bitů
66 MHz x2
528 MB/s
na ústupu
AGP 4x
32 bitů
66 MHz x4
1056 MB/s
ano
2112 MB/s
ano
AGP 8x
PCI
1993 (Intel) – vznik sběrnice PCI (Peripheral
Compinent Interconect), procesorově nezávislá.
Využití: prakticky ve všech stolních počítačích a
serverech s procesory x86, PowerPC, SPARC,
Alpha atd.
přenosová
rychlost
verze PCI
datová
šířka
takt
PCI-32/33
32 bitů
20–33 MHz 132 MB/s
nejběžnější sběrnice
PCI-32/66
32 bitů
66 MHz
264 MB/s
pracovní stanice a servery
PCI-64/33
64 bitů
20–33 MHz 264 MB/s
pracovní stanice a servery
PCI-64/66
64 bitů
66 MHz
pracovní stanice a servery
528 MB/s
dnešní výskyt
PCI Express
- 3GIO = 3rd Generation I/O
- Nová implementace PCI (Intel)
- Založena na sériové rychlejší kominikaci
- Dnes především pro grafické karty
- 1 až 16x – počet komunikačních linek
- rychlost 250 MB/s (na jednu linku pro každý směr)
http://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express
Porty
Rozhraní mezi počítačem a externím zařízením
• Paralelní port (y)...LPT, 130 KB/s, možnost připojení více zařízení
– přenos dat po jednotlivých Bytech (bity jsou přenášeny
paralelně)
– relativně rychlé, vhodné na krátkou vzdálenost
– většinou připojení tiskárny, scanneru, externí mechaniky CD...
• Sériový port (y)...COM
– přenos jednotlivých bitů za sebou, 14 KB/s, délka kabelu 10 m
– kontrola parity
– připojení myši, modemu, komunikace mezi počítači po sériové lince
...
– I/O adresy a přerušovací linka
– Konektory 9 a 25 pinů, redukce
Mnoho současných nových počítačů porty COM a LPT neobsahuje
Další rozhraní
- PS2 – připojení klávesnice, popřípadě myši
- USB – rozhraní pro připojení zařízení ke
sběrnici USB (skener, tiskárna, klávesnice)
- 5 úrovní
- v1.1 – 1.5 Mb/s nebo 12Mb/s,
- v2 – 480 Mb/s
- 127 zařízení
- DNES NEJVYUŽÍVANĚJŠÍ rozhraní
- FireWire – IEEE 1394
- 63 zařízení
- S100 (98 Mb/s), S200 (196 Mb/s), S400 (396 Mb/s)
- SCSI – až 320 MB/s
- 8 nebo 16 zařízení, délka kabelu 7 m
- nikdy se výrazněji neprosadilo mimo serverová řešení, dnes na ústupu
Grafický adaptér
Ö Videokarta – část výstupního zařízení, které se stará o zobrazování
informací na monitoru
Ö Textový a grafický mód
Ö Mono, CGA, VGA, SVGA, XGA
Ö Grafické rozlišení (až 2048 x 1536 x 16 mil. barev)
Ö Obnovovací frekvence
Ö Video paměť
ƒ využívání RAM
ƒ vlastní paměťové čipy
ƒ vliv velikosti paměti na rozlišení a barevnou hloubku
Ö Urychlovače (akcelerátory) zobrazování informací
Ö ASUS, GigaByte, ATI, Matrox, QDI, Saphire, 3DLabs, PNY
Ö grafický čip: ATI Radeon, nVidia GeForce, Matrox
Ö energetická náročnost (výkonný zdroj + chlazení)
Ö 32 MB – 1 GB
Ö 700 Kč – 10 tis. Kč (profi více)
Ö konektory: VGA, Cinch, S-Video (+HDTV), DVI (2x)
Grafický adaptér
Grafický adaptér
http://www.linuxos.cz/sindex.php?akc=clan&clanek=56
TV karta
Televizní tuner je počítačová komponenta, která se stará o dekódování
televizního signálu na počítačový a naopak. Může být nedílnou součástí
grafické karty (jako např. ATI All In Wonder) nebo na zvláštní kartě, která se s
grafickou kartou propojuje daným způsobem – kabelem, sběrnicí apod.
Kromě promítání
televizních kanálů na
počítači se používají
také k digitalizaci
videosignálů (AVI,
MPEG, ...)
Ostatní rozšiřující adaptéry (karty)
• Zvuková karta
– digitalizace hudby, komponování, přehrávání
– základní parametry – mono/stereo, vzorkovací frekvence, bitová
hlouba
– SPDIF
– MIDI (Musical Instrument Digital Interface)
Síťová karta
- umožňuje připojení do sítě, zabezpečuje kódování dat, tak aby
byly schopné přenosu koaxiálním, optickém, nebo jiném kabelu
- dnes většinou PCI
- konektory pro připojení k odpovídající kabeláži
- rychlost sítě (10 M, 100 M, 1G)
BNC
(historie)
RJ45
Síťová karta
Bezdrátové PCI a PCMCIA řešení
• Karta SCSI rozhraní – možnost připojení až sedmi dalších zařízení
– vysoká rychlost
• Přídavná paměťová karta (Smart media, Compact Flash)
• Karta pro digitalizaci videa – HW komprese videa
• Karta pro diskové pole RAID – v případě potřeby přidání dalších
disků, zvýšení kapacity, zvýšení
bezpečnosti
• FireWire adaptér
•…