Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Architektura počítačů © 1999 – 2002, Michal Vojkůvka Základy informatiky.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Architektura počítačů © 1999 – 2002, Michal Vojkůvka Základy informatiky."— Transkript prezentace:

1 1 Architektura počítačů © 1999 – 2002, Michal Vojkůvka Základy informatiky

2 2 Von Neumannova koncepce počítače 1.Počítač se skládá z řadiče, aritmeticko-logické jednotky, paměti, vstupních a výstupních zařízení. 2.Struktura počítače je nezávislá na řešeném problému. 3.V paměti jsou data uložena společně s instrukcemi programu. 4.Paměť je rozdělena na buňky stejné velikosti, ke kterým se přistupuje prostřednictvím tzv. adresy. 5.Program je tvořen posloupností instrukcí. 6.Pořadí provádění instrukcí je sekvenční (tj. provádějí se postupně) s výjimkou instrukcí skoku. 7.Instrukce, data a adresy jsou kódovány binárně.

3 3 Von Neumannova koncepce počítače Zjednodušené blokové schéma Aritmeticko-logická jednotka Řídicí jednotka Vstupní zařízení Výstupní zařízení Vnější paměť Operační paměť Procesor

4 4 Von Neumannova koncepce počítače řadič (řídicí jednotka) na základě jednotlivých instrukcí programu řídí činnost celého počítače aritmeticko-logická jednotka (ALU – Arithmetic-Logic Unit) provádí výpočty řadič společně s aritmeticko-logickou jednotkou tvoří procesor (CPU – Central Processing Unit) v dnešní době doznala původní von Neumannova koncepce počítače určitých změn (multitasking, víceprocesorové systémy, …) harvardská koncepce na rozdíl od von Neumannovy předpokládá existenci dvou oddělených pamětí; v jedné paměti jsou uloženy jen instrukce programu a ve druhé paměti pouze data

5 5 Paměť zařízení sloužící k uchovávání informací (konkrétně binárně kódovaných dat) množství informací, které je do paměti možné uložit, se nazývá kapacita paměti a udává se v bajtech paměť je rozdělena na buňky stejné velikosti, z nichž každá je jednoznačně identifikována svým číslem; toto číslo se nazývá adresa paměti a velikost takovéto buňky, která má svou vlastní adresu, se označuje jako nejmenší adresovatelná jednotka paměti je možné rozdělit na  vnitřní (operační),  vnější (periferní).

6 6 Základní rozdělení pamětí Paměť vnitřní (operační) slouží k uchovávání momentálně zpracovávaných dat a programů realizovaná většinou polovodičovými součástkami (integrovanými obvody) Paměť vnější (periferní) slouží k dlouhodobějšímu uchovávání dat a programů realizovaná většinou na principu magnetického (popř. optického) záznamu dat ve srovnání s vnitřní pamětí bývá obvykle paměť vnější pomalejší, ale levnější pevný disk, CD-ROM, DVD-ROM, disketa, …

7 7 Nejdůležitější parametry pamětí přístupová (vybavovací) doba – doba, která uplyne od požadavku na čtení informací z paměti do okamžiku, v němž jsou data z paměti k dispozici přenosová rychlost – množství informací, které lze z paměti přečíst (nebo zapsat) za jednotku času; úzce souvisí se šířkou datové sběrnice kapacita – množství informací, které lze do paměti uložit současně cena za bit – určuje celkovou cenu paměťového systému; obecně platí, že rychlejší paměti mají vyšší cenu za bit uložených informací závislost obsahu paměti na napájecím napětí – zda se informace uložené v paměti po vypnutí napájení ztratí

8 8 Paměti typu RWM (RAM) Read/Write Memory – paměť pro čtení i zápis po vypnutí napájecího napětí se obsah paměti vymaže velice často se nesprávně označují jako RAM (Random Access Memory), tj. paměť s náhodným (přímým) přístupem – my je tak budeme také označovat rozlišujeme dva základní typy pamětí RAM:  statické RAM (SRAM)  dynamické RAM (DRAM)

9 9 Statické RAM (SRAM) informace zapsaná do paměťové buňky zůstane zachována do té doby, než odpojíme napájecí napětí oproti dynamickým RAM mají kratší přístupovou dobu, jsou však dražší a mají vyšší energetickou spotřebu používají se především jako paměti typu cache (vyrovnávací paměť) a jako tzv. „paměť CMOS“ výrobní technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) má v klidovém stavu velmi nízkou spotřebu elektrické energie, a proto se statické RAM CMOS používají pro uchovávání konfigurace počítače a hodin reálného času (paměť je při vypnutém počítači napájena malým akumulátorem nebo baterií) *

10 10 Dynamické RAM (DRAM) informace zapsaná do paměťové buňky zůstává uchována jen po určitou dobu (řádově milisekundy), potom musí dojít k jejímu obnovení (tzv. Refresh) oproti SRAM jsou pomalejší a levnější, mají menší spotřebu a vyšší kapacitu přístupová doba obvykle desítky nanosekund používají se obvykle jako operační paměť počítače existuje několik typů dynamických RAM, které se liší svou rychlostí a činností:  FPM – Fast Page Mode,  EDO – Extended Data Output,  SDRAM – Synchronous DRAM,  ECC – Error Checking and Correcting, … *

11 11 Paměťové moduly SIMM (72-pin) DIMM

12 12 Paměti typu ROM Read Only Memory – paměť pouze pro čtení obsah paměti je u klasické ROM určen již při výrobě po vypnutí napájecího napětí zůstává obsah paměti zachován ve srovnání s RAM je pomalejší, mívá menší kapacitu v osobním počítači paměť typu ROM (dnes většinou Flash-EEPROM) obsahuje tzv. BIOS (Basic Input/Output System), který zabezpečuje nejzákladnější funkce technického vybavení počítače (základní vstupně výstupní systém)

13 13 nemožnost programování je velkou nevýhodou, proto se postupně vyvinulo několik podtypů:  ROM – klasická, obsah určen již při výrobě  PROM (Programmable ROM) – programovatelná, uživatel si ji může sám naprogramovat (jen jednou)  EPROM (Erasable PROM) – lze opakovaně programovat, před každým programováním se však musí obsah paměti vymazat působením ultrafialového záření (asi ½ hodiny)  EEPROM (Electrically EPROM) – maže se elektrickými impulsy, počet programování a mazání však bývá omezen  Flash-EEPROM – rychlejší než předešlé typy, dá se programovat přímo na desce Paměti typu ROM *

14 14 Procesor velmi složitý integrovaný obvod (miliony tranzistorů) řídí činnost celého počítače a zajišťuje většinu výpočtů čím výkonnější je procesor, tím výkonnější je obvykle i celý počítač rychlost procesoru (taktovací frekvence) se udává v Hz; procesor 8086 z konce 70. let měl taktovací frekvenci 4,77 MHz, procesor z poloviny 80. let 33 MHz, dnešní procesory překračují hranici 3 GHz mezi nejznámější výrobce procesorů patří firmy Intel, AMD (a Cyrix) většinou bývá procesor chlazen malým ventilátorem

15 15 CPU – cont'd According to Moore's Law formulated in 1965 by Gordon Moore (co-founder of Intel), the number of transistors per integrated circuit would double every 18 months. Moore predicted that this trend would hold for the next ten years. In fact, as the graph illustrates, Intel has managed to doggedly follow this law for far longer. In 1978 the 8086 ran at 4.77 MHz and had less than 30,000 transistors. By the end of the millennium the Pentium 4 had a staggering 42 million on-chip transistors and ran at 1.5 GHz. *

16 16 CPU – cont'd Source: *

17 17 Sběrnice procesoru skupina vodičů s příbuznými signály slouží ke komunikaci procesoru s okolím rozlišujeme sběrnici adresovou, datovou a řídicí Adresová (část) sběrnice slouží k výběru určité paměťové buňky, popř. určitého vstupně výstupního (I/O – Input/Output) zařízení (někdy se říká též periferní zařízení) většinou má šířku 16 až 40 bitů šířka adresové sběrnice určuje, s jak velkou pamětí je procesor schopen přímo pracovat, např. při šířce 16 bitů lze adresovat 2 16 bajtů, tj B = 64 KB, při šířce 40 bitů lze adresovat 2 40 B = = B = 1 TB

18 18 Sběrnice procesoru Datová (část) sběrnice její šířka je velice důležitá pro výkon celého počítače, neboť určuje kolik bitů lze najednou přenést mezi procesorem a pamětí (resp. I/O zařízením) a kolik bitů lze najednou zpracovat většinou má šířku 8 až 64 bitů obvykle (ale ne vždy) má vnitřní datová sběrnice procesoru stejnou šířku jako datová sběrnice vnější podle šířky vnitřní datové sběrnice potom mluvíme o procesorech osmibitových, šestnáctibitových apod.

19 19 Sběrnice procesoru Řídicí (část) sběrnice jejím prostřednictvím předává procesor povely ostatním zařízením a přijímá stavové a řídicí informace z okolí počet řídicích signálů bývá pro různé procesory různý (10 až 100)

20 20 Sběrnicový model počítače datová řídicí adresová Procesor Operační paměť I/O zařízení SBĚRNICE (zjednodušeno)

21 21 Registry procesoru Řídicí jednotka Aritmeticko-logická jednotka Registry Operační paměť Procesor Instrukce Data

22 22 Rozdělení instrukcí procesoru Instrukce přesunové (pro přesun dat mezi registry procesoru nebo mezi operační pamětí a registry) aritmetické (sčítání, odčítání, …) logické (log. součet, log. součin, rotace a posuvy, …) skoku (při rozhodování, …) vstupně výstupní (pro práci s periferními zařízeními, …) ostatní (řídicí, …) *

23 23 Instrukční sady CISC (Complex Instruction Set Computer) počítač s tzv. kompletní instrukční sadou obsahuje i instrukce, které se používají velice málo s ohledem na velký počet instrukcí pak bývá procesor příliš složitý a tím i dražší RISC (Reduced Instruction Set Computer) počítač s tzv. redukovanou sadou instrukcí obsahuje malý počet instrukcí, které se však provádějí velice rychle Nelze jednoznačně říci, která instrukční sada je lepší, vždy záleží na konkrétním typu řešeného problému.

24 24 „Generace procesorů“ Data/ L1 Memory Internal Type/Generation Year Address CacheSpeed Clock Bus[KB][MHz] [MHz] 8086/First /20 bitNone /First1979 8/20 bitNone /Second198216/24 bitNone DX/Third198532/32 bitNone SX/Third198816/32 bit DX/Fourth198932/32 bit SX/Fourth198932/32 bit DX2/Fourth199232/32 bit DX4/Fourth199432/32 bit Pentium/Fifth199364/32 bit Pentium MMX/Fifth199764/32 bit Pentium Pro/Sixth199564/32 bit Pentium II/Sixth199764/32 bit Pentium II/Sixth199864/32 bit / Pentium III/Sixth199964/32 bit AMD Athlon/Seventh199964/32 bit GHz Pentium 4/Seventh200064/32 bit GHz AMD Athlon 64/Eight200364/64 bit GHz

25 25 Procesory firmy AMD Athlon Duron K6-2

26 26 Vyrovnávací paměť (Cache Memory) velmi rychlá paměť (typu SRAM) zpravidla umístěná mezi procesorem a operační pamětí ve vyrovnávací paměti je uložena ta část operační paměti, která je právě používána a procesoru tak odpadá nutnost přistupovat do paměti operační, která je pomalejší než paměť vyrovnávací při přístupu do operační paměti je zjištěno, zda je požadovaná informace ve vyrovnávací paměti; pokud je, přečte se odtud; pokud není, přečte se z operační paměti a současně se zkopíruje do paměti vyrovnávací pro případné pozdější použití obvykle tvoří kapacita vyrovnávací paměti 1/128 až 1/32 kapacity paměti operační (přibližně) poměrně drahá

27 27 Vyrovnávací paměť (Cache Memory) podle funkce a umístění se vyrovnávací paměť dělí na  L1 Cache (1st Level) – umístěna přímo v procesoru  L2 Cache (2nd Level) – umístěna buď na základní desce nebo přímo v procesoru obecným účelem vyrovnávací paměti je přizpůsobit rychlosti různých zařízení – rychlejší zařízení čte data z vyrovnávací paměti a nemusí čekat na zařízení pomalejší, ze kterého si vyrovnávací paměť požadovaná data načetla již dříve úspěšnost vyrovnávací paměti (Hit Rate) bývá obvykle 80 až 99 % dnes existuje i L3 Cache (procesor AMD K6-III)

28 28 Hierarchie pamětí Optický disk (CD, DVD) Magnetický disk (HDD) Operační paměť Vyrovnávací paměť Registry roste cena za bit roste kapacita (?) roste přístupová doba

29 29 Základní deska Obsahuje procesor operační paměť paměť CMOS (obsahuje informace o konfiguraci systému) BIOS uložený v paměti ROM (obvykle Flash-EEPROM) integrovaný řadič pružných a pevných disků (též pro připojení CD-ROM) sloty rozšiřovací (I/O) sběrnice (ISA, PCI, AGP,...) integrované paralelní a sériové rozhraní, sběrnici USB konektory pro připojení ostatních částí počítače (klávesnice, malého reproduktoru, tlačítka Reset, indikátoru provozu, ventilátoru procesoru apod.)... Výše uvedené může záviset na konkrétním typu základní desky. (motherboard, mainboard)

30 30 Základní deska někdy bývá (zejména u levnějších počítačů) na základní desce integrována i grafická karta, zvuková karta, faxmodem apod. – tzv. desky „All-In-One“, což má určité nevýhody v případě poruchy těchto zařízení podle provedení se základní desky dělí na AT (starší) a ATX (současné) – při stavbě počítače musíme vybrat tomu odpovídající základní jednotku („bednu počítače“); rozdíl spočívá především v umístění konektorů na desce a v napájecím zdroji procesor i operační paměť jsou umístěny v paticích, takže je můžeme v případě poruchy vyměnit nebo modernizovat

31 31 Motherboard (mainboard) – cont'd

32 32 Rozšiřovací (I/O) sběrnice prostřednictvím rozšiřovací sběrnice se k počítači připojují řadiče dalších periferních zařízení (scanneru, pevného disku, …) též se nazývá vstupně výstupní (I/O – Input/Output) je závislá na použitém procesoru důležitým parametrem je taktovací (řídicí, hodinová) frekvence sběrnice přenosová rychlost je potom dána šířkou datové části sběrnice a taktovací frekvencí sběrnice konektory rozšiřovací sběrnice (tzv. sloty) jsou umístěny na základní desce různé typy: ISA, MCA, EISA, VL-Bus, PCI, AGP

33 33 Rozšiřovací (I/O) sběrnice Sběrnice ISA (Industry Standard Architecture) někdy se též označuje jako AT-Bus navržena pro procesor taktovací frekvence 8,33 MHz, šířka datové sběrnice 16 bitů, přenosová rychlost max. 8 MB/s vychází ze sběrnice XT-Bus, která byla 8-bitová dnes se již prakticky nepoužívá každou ISA kartu bylo třeba správně nakonfigurovat propojkami umístěnými přímo na rozšiřovací kartě *

34 34 Blokové schéma sběrnice ISA Procesor L2 cache Řadič sběrnice ISA Operační paměť Sběrnice ISA Sběrnice procesoru 16-bitové sloty 8-bitové sloty (zjednodušeno) *

35 35 Rozšiřovací (I/O) sběrnice Sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect) navržena pro procesory a Pentium taktovací frekvence 33 MHz, šířka datové sběrnice 64 bitů, přenosová rychlost max. 264 MB/s v dnešní době nejpoužívanější umožňuje i 32-bitový přenos dat (80486) na současných základních deskách bývá jak sběrnice PCI, tak sběrnice ISA (z důvodu zpětné kompatibility) podporuje standard PnP (Plug and Play), který umožňuje snadnou konfiguraci PCI karet (prakticky bez zásahu uživatele) *

36 36 Blokové schéma sběrnice PCI Procesor L2 cache Most PCI/ISA Operační paměť Sběrnice ISA Sběrnice procesoru (zjednodušeno) Most CPU/PCI Sloty ISA Sloty PCI Sběrnice PCI *

37 37 PCI Slots Source: ISA Slots *

38 38 Rozšiřovací (I/O) sběrnice Sběrnice AGP (Accelerated Graphics Port) navržena pro procesor Pentium II určena výhradně pro připojení grafických karet umožňuje přímé propojení grafické karty s operační pamětí počítače, tím se odlehčí systémové sběrnici a současně se zvýší rychlost přenosu grafická karta tak může např. přímo přistupovat k texturám uloženým v operační paměti počítače a tím odpadá časově náročná příprava textur pro zobrazení v provedení AGP 1x (přenosová rychlost 264 MB/s), AGP 2x (528 MB/s) nebo AGP 4x (1056 MB/s) *

39 39 Block Diagram of the AGP Architecture Source: *

40 40 AGP-based Graphics Card (example) Source: *

41 41 Paralelní rozhraní (port) slouží především k připojení tiskárny, proto se též někdy označuje jako Centronics dnes bývá přímo integrováno na základní desce, dříve bylo na rozšiřující kartě společně s řadičem pevných disků a disketových mechanik konektor Canon 25 pinů samice, označení LPT či PRN dříve byl přenos dat pouze jednosměrný (z počítače do tiskárny) norma IEEE 1284 zajišťuje obousměrnost a sdružuje následující režimy přenosu dat (možno nastavit v setupu): Compatible Mode (Centronics), Nibble Mode, Byte Mode, EPP (Enhanced Parallel Port) Mode, ECP (Extended Capabilities Port) Mode nejpoužívanější je režim EPP

42 42 Sériové rozhraní (port) slouží především k připojení myši je pomalejší než paralelní rozhraní (data se přenášejí bit za bitem) dnes bývá přímo integrováno na základní desce, dříve bylo na rozšiřující kartě společně s řadičem pevných disků a disketových mechanik konektor Canon 9 nebo 25 pinů samec, označení COM nebo RS 232 slouží též k připojení modemu atd. v současné době se myš (a klávesnice) připojuje prostřednictvím konektoru PS/2 nebo USB

43 43 Univerzální sériová sběrnice (USB) Universal Serial Bus dovoluje připojit až 127 zařízení max. přenosová rychlost 12 Mb/s (USB 1.0) nebo 480 Mb/s (USB 2.0) podpora Plug and Play možnost připojování a odpojování zařízení za chodu počítače musí být podporována operačním systémem dnes je považována za standard

44 44 Základní deska SL-77KV Specification Processor: AMD Athlon™ Chipset: VIA APOLLO KX133, FSB 200 MHz, AGP 4x Memory: 3 x 168-pin 3.3V DIMM Sockets, Supports 8MB to 768MB (maximum) DRAM Size, PC 133 compliant Cache Memory: Built-in to AMD Athlon™ Processor Module On-Board EIDE: 2 x PCI Bus Master UATA 33/66 IDE ports (up to 4 ATAPI Devices) Supports for PIO Mode 3, 4, UATA 33/66 IDE & ATAPI CD-ROM

45 45 On-Board Super I/O: 1 x Floppy Port, 2 x serial ports (high-speed FIFO UART Ports), 1 x Parallel Port with EEP/ECP/SPP Capabilities, PS/2 Mouse connector, Keyboard connector, 4 x USB Ports Expansion Slots: 1 x AGP Slot, 1 x AMR Slot, 5 x 32-bit PCI Bus Master Slots, 1 x 16-bit ISA Slots Form Factor: ATX Form Factor (190mm x 305mm) BIOS: AWARD Plug-and-Play BIOS Supports Advanced Power Management Function Flash Memory for easy upgrade Other Features: Supports AGP4x, PC 133 compliant, Ultra ATA/66, AC'97 Audio Function, H/W Monitor Základní deska SL-77KV

46 46 Základní deska SL-77KV

47 47 Základní deska SL-77KV

48 48 Napájecí zdroj převádí střídavé napětí (230 V) na stejnosměrná napětí (3.3 V, 5 V, 12 V, –5 V, –12 V) napětí 3.3 V a 5 V jsou použita pro napájení číslicových obvodů, 12 V napájí pohonné motory diskových jednotek a ventilátory základním parametrem napájecího zdroje je jeho příkon (obvykle 250 W a více) Source:

49 49 Power Supply – cont'd According to PC Power & Cooling, Inc., some power consumption values (in watts) for common items in a personal computer are: AGP card 20 to 30 W PCI card 5 W floppy disk drive 5 W network interface card 4 W 50x CD-ROM drive 10 to 25 W RAM 10 W per 128 MB 5200 RPM IDE hard disk drive 5 to 11W 7200 RPM IDE hard disk drive 5 to 15W Motherboard (without CPU or RAM) 20 to 30W 550 MHz Pentium III 30W 733 MHz Pentium III 23.5W 300 MHz Celeron 18W 600 MHz Athlon 45W *

50 50 Správce zařízení v MS Windows 2000

51 51 Vrátil, Z.: Postavte si PC. BEN, Praha Horák, J.: Učebnice hardware. Computer Press, Praha Precht, M. – Meier, N. – Kleinlein, J.: EDV-Grundwissen: Eine Einführung in Theorie und Praxis der modernen EDV. Addison-Wesley, Колесниченко, О. – Шишигин, И.: Аппаратные средства РС. «БХВ», Санкт-Петербург Вильховченко, С.: Современный компьютер: устройство, выбор, модернизация. «Питер», Санкт-Петербург Literatura

52 52 Popište von Neumannovu koncepci číslicového počítače. Uveďte hlavní rozdíl mezi von Neumannovou a harvardskou koncepcí číslicového počítače. V čem se odlišují dnešní počítače od původní von Neumannovy koncepce? Jaký je rozdíl mezi pamětí typu RAM (RWM) a ROM? K čemu slouží BIOS osobního počítače? Co je uloženo v paměti „CMOS“ osobního počítače? Z jakých částí se skládá procesor? Uveďte jednotlivé části sběrnice procesoru. Kontrolní otázky

53 53 Procesor 80386DX je 32-bitový. Co to znamená? Jaký je význam vyrovnávací paměti (cache)? Definujte pojem vnitřní a vnější paměti počítače. Co udává přístupová doba paměti? Paměť „CMOS“ osobního počítače je typu RAM. Jak to, že se její obsah po vypnutí počítače nevymaže? Srovnejte kapacitu, přístupovou dobu a cenu za bit operační paměti, registrů procesoru, vyrovnávací paměti, magnetických disků a optických disků. K čemu slouží rozšiřovací sběrnice osobního počítače? Kde jsou umístěny konektory rozšiřovací sběrnice? Kontrolní otázky

54 54 K čemu slouží paralelní rozhraní osobního počítače? Jak se označuje? K čemu slouží sériové rozhraní osobního počítače? Jak se označuje? Co to je USB a jaké má výhody? Vysvětlete rozdíl mezi procesory RISC a CISC. Uveďte, co vše se nachází na základní desce. Jaká bývá řádově kapacita operační paměti současných osobních počítačů? Kontrolní otázky


Stáhnout ppt "1 Architektura počítačů © 1999 – 2002, Michal Vojkůvka Základy informatiky."

Podobné prezentace


Reklamy Google