Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

2. Princip činnosti počítače 2.1. Von Neumannova architektura počítače 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz (první mechanické počítací stroje) 19.století-

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "2. Princip činnosti počítače 2.1. Von Neumannova architektura počítače 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz (první mechanické počítací stroje) 19.století-"— Transkript prezentace:

1 2. Princip činnosti počítače 2.1. Von Neumannova architektura počítače 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz (první mechanické počítací stroje) 19.století- profesor matematiky na universitě v Cambridge Charles Babbage (první mechanické zařízení provádějící aritmetické operace s čísly podle zadaného programu na děrných štítcích) První elektronické počítače se objevily těsně před druhou světovou válkou. Nejdříve základním stavebním prvkem elektromagnetické relé (první reléový počítač - Konrad Zuse v Německu), později elektronky (první elektronkový počítač byl ENIAC) Všechny tyto počítače byly založeny na podobném principu (Babbage) (desítková aritmetika, řízení programem, který existoval odděleně od dat) Von Neumann - programování počítače pomocí kabelů a spínačů je pracné, pomalé a náchylné k chybám(programové instrukce mohou být representovány v číslicové formě a mohou být umístěny v paměti počítače spolu s daty, která zpracovávají, místo málo efektivní sériové desítkové aritmetiky rychlejší paralelní binární aritmetika

2 Von Neumannova architektura počítače

3 Data i program se nejdříve přenesou (přepíší, načtou, nahrají ) ze vstupního zařízení do paměti počítače. Program se skládá ze strojových instrukcí, ve kterých uživatel zakódoval jednotlivé dílčí pokyny pro činnost počítače. Řídící jednotka potom postupně čte strojové instrukce a podle pokynů, které jsou v nich zakódovány řídí činnost celého počítače. ALJ podle pokynů řídící jednotky realizuje aritmeticko-logické operace s čísly uloženými v paměti a výsledky ukládá do střadače. Ze střadače může být výsledek buď uložen zpět do paměti nebo zobrazen či vytištěn na výstupním zařízení.

4 Každý počítač má tyto základní části: hlavní paměť, procesor, řadiče přídavných zařízení (adaptéry, I/O procesory ) a k nim připojená přídavná zařízení ( diskové paměti, displeje, tiskárny ). Jednotlivé části jsou propojeny pomocí sběrnic. Takovéto jednoduché uspořádání lze nalézt například u osobních počítačů (PC IBM kompatibilní). video adaptér klávesnice adaptér disketové jednotky adaptér hard disku Procesor Hlavní paměť

5 Osobní počítače Osobní počítač (PC - Personal Computer) vyvinula firma IBM počátkem osmdesátých let. Díky jeho modulární struktuře a obchodní politice IBM (využití jména firmy a zveřejnění kompletní dokumentace) - dnes nejrozšířenější druh počítače - PC IBM kompatibilní Kromě již zmiňovaného světa PC IBM existují další typy osobních počítačů, které zaujímají na trhu s výpočetní technikou menší pozice. Za zmínku stojí zejména počítače Apple Macintosh (Termín PC bude v následujícím textu obecně zahrnovat všechny stroje s procesorem 8086 až po nejnovější procesory, všechny počítače od laptopu po desktop) dvě úrovně kompatibility (programová a technická). Programová kompatibilita je v této kategorii pravidlem. Prakticky existuje určitá závislost aplikací a příslušného operačního systému, což je poněkud jiný okruh problémů. Kompatibilita na technické (hardwarové) úrovni je pro uživatele počítače základním problémem (kompatibilní také jednotlivými díly). Paměťové moduly, diskové jednotky, apod. jsou v podstatě volně zaměnitelné (bez přímé závislosti na výrobci). Uživatel (stejně jako výrobce PC) si proto může vybrat ty komponenty, které považuje za nejlepší (nebo za optimální), z hlediska ceny, výkonu, záruky, servisu, atd. - největší výhoda “kompatibilního PC”.

6 Dělení PC do různých kategorií podle mnoha hledisek. Důležité je zejména členění podle základního uspořádání, případně podle způsobu použití počítače. Základní uspořádání (typ počítače):  klasický osobní počítač (stolní nebo věžová verze)  přenosný počítač do kufříku (notebook)  přenosný počítač na klín (laptop - dnes se již nepoužívá), kromě uvedených typů se lze setkat ještě s dalšími druhy, které jsou kvalitativně částečně omezené, postrádají některé části a jsou určeny pro speciální použití ( palmtop (počítač do dlaně) a pentop (zápisníkový počítač)). Snahou jejich výrobců je, aby se tyto varianty funkčně co nejvíce blížily kategorii osobního počítače. nový typ osobního počítače netbook?. (relativně levná varianta počítače, který je určen a specializován pro provoz na síti Internet. Ze sítě využívá řadu zdrojů, takže jeho sestava je jednodušší a tedy i levnější v porovnání s dnešními požadavky na moderní PC)

7 Základní části osobního počítače Sestavu PC můžeme rozdělit na několik základních částí. Tyto základní části mohou obsahovat řadu dalších důležitých komponent.  skřín počítače,  základní deska s řadou prvků (procesor, operační paměť,...),  přídavné desky (karty),  vnější paměti (disk, disketové jednotky, CD jednotky),  základní vstupní a výstupní zařízení (monitor, klávesnice, myš), ostatní zařízení (modem, skener,...).

8 Skříň počítače skříň (Case) obsahuje zdroj s napájecí kabeláží, vypínač, kontrolky (disk, napájení) a příslušné kabely s konektory pro připojení na základní desku. Podle tvaru skříně se počítače dělí na: stolní uspořádání -- desktop (klasické ploché stolní provedení), -- slimline (malé stolní provedení, též slimcase), -- booksize (minimalizované provedení), věžové uspořádání -- minitower (malé věžové provedení), -- miditower (střední věž), -- tower, bigtower (věž).

9 Desktop Slimline Booksize All in One Typ skříně je důležitý zejména z hlediska počtu komponent, které lze v počítači instalovat. Nejvíce komponent lze samozřejmě umístit do skříně provedení tower, nejméně do provedení slimline a booksize. To se projevuje hlavně při pozdější modernizaci počítače (počet pozic pro zařízení rozměru 5.25" (například disketová jednotka 5.25", výměnný disk, CD jednotka) a počet pozic pro zařízení rozměru 3.5" (například disketová jednotka 3.5", pevné disky))

10 Tower Miditower Minitower Základní deska Základní deska počítače - systémová deska, board, mainboard, motherboard. Je to jedna z nejdůležitějších částí, která podmiňuje charakter sestavy počítače (dán typem základní desky a komponentami, které se na ní nalézají). Parametry základní desky také určují možnosti dalšího rozšiřování konfigurace počítače (počet a typ zásuvek pro rozšiřující karty, počet a typ pozic pro moduly operační paměti,...). dále je pohled na základní desku s obvyklým rozmístěním základních součástí. Konkrétní realizace základní desky (rozmístění jednotlivých komponent, počet a druh zásuvek pro přídavné desky, počet a druh objímek pro moduly operační paměti, apod.) závisí na výrobci. To znamená, že se tedy může u jednotlivých základních desek výrazně lišit.

11 1) Procesor (Processor) 2) PC Chip (Podpora činností CPU a periferních operací) 3) Ovládání klávesnice (Keyboard controller) 4) Pozice pro umístění modulů operační paměti (Memory banks) 5) BIOS (System BIOS) 6) CMOS paměť a hodiny reálého času (Real Time Clock and CMOS RAM) 7) Zásuvky pro rozšiřující desky - 16bitové karty ISA (ISA expansions slots) 8) Zásuvky pro rozšiřující desky - 32bitové karty PCI (PCI expansions slots) 9) Konektor pro připojení napájecích kabelů (Power connector) 10) Konektor pro připojení klávesnice (Keyboard connector) 11) Propojovací konektory (Jumper connectors)

12

13 Procesor Procesor - řídící jednotka (řadič) a aritmeticko-logická jednotka (ALU). Řadič celá řada registrů, nejdůležitější jsou : čítač instrukcí CI ( anglicky program counter PC ), registr instrukcí RI, stavové registry, někdy sloučené do tzv. stavového slova procesoru (anglicky program status word), střadač (akumulátor), ve kterém se ukládají výsledky aritmetických a logických operací. Úlohu střadače u dnešních procesorů přebírá celá řada universálních pracovních registrů. Důležitou vlastností procesoru je velikost jeho pracovních registrů. Dnes bývá typicky 4B. V tomto případě hovoříme o 32 bitových procesorech. Dříve se používaly počítače s procesory 16 bitovými i 8 bitovými. Kromě registrů obsahuje řadič tzv. jádro. Jádro řadiče řídí činnost celého procesoru, čte instrukce programu uloženého v operační paměti, dekóduje je a podle jejich významu generuje signály, kterými řídí činnost procesoru. Aritmeticko-logická jednotka podle pokynů řadiče provádí aritmeticko- logické operace s daty, které byly řadičem načteny do pracovních registrů. Výsledky operací ukládá zpět do pracovních registrů nebo do střadače

14 Činnost procesoru při provádění programu Program je uložen v hlavní paměti. Registr CI (čítač instrukcí) je naplněn adresou první zpracovávané instrukce programu. Tyto akce mohou být provedeny buď ručně z řídícího panelu počítače nebo automaticky po zapnutí počítače, což je dnes obvyklejší. Po spuštění programu procesor postupně zpracovává strojové instrukce. Každá instrukce je zpracována ve dvou fázích: ve fázi výběrové a prováděcí. Výběrová fáze: V této fázi řadič přenese obsah registru CI na adresní sběrnici ( říkáme také, že naadresuje paměť) a prostřednictvím řídícího signálu RD (čtení dat z paměti), který je součástí řídící sběrnice zadá hlavní paměti příkaz k přenesení obsahu buňky dané adresy na datovou sběrnici. Na dané adrese je právě zpracovávaná instrukce. Jakmile je strojová instrukce přenesena na datovou sběrnici, řadič zajistí její přepis do registru instrukcí. Potom zvětší obsah registru CI tak, aby adresoval následující instrukci (v případě výše uvedeného jednoduchého procesoru zvětší obsah CI o 1). Tím je zajištěno postupné provádění instrukcí, tj. instrukce se provádějí v tom pořadí, ve kterém jsou uloženy v hlavní paměti.(skokové instrukce mění posloupnost provádění instrukcí) Prováděcí fáze: Řadič instrukci uloženou v registru instrukcí dekóduje. Potom provede činnost, která je touto instrukcí požadována. Při vykonávání některých instrukcí se provádí čtení operandu z hlavní paměti nebo zápis operandu do hlavní paměti. V tom případě musí řadič opět naadresovat hlavní paměť a vydat řídící signál pro čtení či zápis.

15 Počet instrukcí, které je procesor schopen zpracovat za sekundu je důležitým parametrem procesoru Zpracování instrukcí pro čísla v pohyblivé řádové čárce trvá podstatně déle než zpracování instrukcí pro čísla v pevné řádové čárce. Proto se zvlášť udává rychlost zpracování instrukcí v pevné řádové čárce a sice v jednotkách MIPS (milion instructions per second) - průměrný počet zpracovaných instrukcí v milionech instrukcí za sekundu. Zvlášť se udává rychlost zpracování instrukcí v pohyblivé řádové čárce v jednotkách MFLOPS. Rychlost zpracování 1 MFLOPS - procesor je schopen zpracovat za sekundu průměrně milion instrukcí pro čísla v pohyblivé řádové čárce. Činnost počítače je řízena pulsy konstantní frekvence ( tzv. taktovacími nebo hodinovými pulsy ). Perioda těchto pulsů T definuje tzv. strojový cyklus. Stav počítače se mění z jednoho definovaného stavu na počátku cyklu do druhého definovaného stavu na začátku následujícího cyklu. Z matematického hlediska lze proto na počítač nahlížet jako na sekvenční automat měnící svůj stav vždy po uplynutí strojového cyklu.

16 Zpracování strojových instrukcí trvá určitý počet strojových cyklů, který je pro různé instrukce různý. Pokud známe průměrný počet strojových cyklů nutných ke zpracování instrukcí, lze pro jednoduché procesory odhadnout jejich výkonnost v MIPS. Mají-li hodinové pulsy frekvenci f, pak strojový cyklus T je : T = 1/f. Např je-li hodinová frekvence procesoru 100 MHz, je délka strojového cyklu 10 nanosekund ( 1 nanosekunda (ns) = s ). Trvá-li zpracování strojové instrukce průměrně 4 strojové cykly, procesor bude mít výkon 25 MIPS. Takovéto odhady nutno však brát s velkou reservou a to z těchto důvodů : a) Pokud procesor čte instrukci nebo argument z hlavní paměti, nemůže získat požadovaná data během jednoho taktu ( připomeňme, že vybavovací doba hlavní paměti jsou až stovky ns a strojový cyklus například při hodinové frekvenci 100 MHz je 10 ns ). Procesor musí tedy po dobu čekání na odezvu hlavní paměti vkládat prázdné cykly během nichž jen nečinně čeká. To může podstatně snížit vypočtenou výkonnost v MIPS. b) Naopak je-li procesor modernější koncepce, pracuje s rychlou vyrovnávací pamětí, aby neztrácel čas při čekání na odezvu hlavní paměti a navíc může zpracovávat instrukce alespoň částečně paralelně ( používat tak zvané proudové zpracování instrukcí ) a dosahovat tak větší výkonnosti než je výkonnost odhadnutá výše popsaným způsobem.

17 Uložení čísel v paměti počítače Čísla jsou v paměti počítače uložena : ve vnější reprezentaci (jako sekvence alfanumerických znaků (ASCII kód)) ve vnitřní reprezentaci a to buď v pevné řádové čárce ( celá čísla) v pohyblivé řádové čárce (racionální čísla ) Pro zobrazení čísel v pevné řádové čárce používají dnešní procesory doplňkový kód. Kód čísel v pohyblivé řádové čárce je standardizován jen částečně. Popis kódu, který používá konkrétní procesor lze najít v manuálu strojového kódu procesoru. Strojové instrukce realizující aritmetické operace předpokládají, že jsou čísla uložena ve vnitřní representaci. Instrukce, které pracují s čísly v pevné řádové čárce provádí ALU. Instrukce, které pracují s čísly v pohyblivé řádové čárce provádí k tomu určená samostatná jednotka. Tato jednotka může být součástí procesoru a pak hovoříme o jednotce pro práci s čísly v pohyblivé řádové čárce. Pokud tato jednotka není součástí procesoru - koprocesor Pokud procesor žádnou jednotku pro práci s čísly v pohyblivé řádové čárce nemá, musí být aritmetika těchto čísel realizována softwarově pomocí speciálních podprogramů, které používají jen instrukce pro práci s čísly v pevné řádové čárce a mohou být zpracovány v ALU.

18 Procesor Od typu procesoru se odvozují další kvalitativní parametry celého výpočetního systému (parametry dalších komponent by měly podporovat výkon instalovaného procesoru). Označení procesorů je odvozováno od největšího světového výrobce, jímž je firma Intel. V této souvislosti se mluví o řadě procesorů x86 nebo 80x86, na kterou dnes navazují procesory řady Pentium a nejnověji procesory řady Pentium II a III. Procesory konkurující výrobkům firmy Intel dnes dodává ještě několik málo výrobců, z nichž nejznámější je firma AMD. 16bitové (8086, 80286) a 32bitové (80386, 80486, Pentium a Pentium Pro) schopnost procesoru zpracovat současně 16 bitů a frekvence procesoru od původních 4 MHz až k dnešním maximálně 3500 MHz(příkon až 100W!!!) displej na skříni počítače, u srovnatelných procesorů roste výkon v návaznosti na výši frekvence, ale celkový výkon výpočetního systému je dán ještě celou řadou parametrů dalších komponent, které s procesorem spolupracují (například kvalita systémové sběrnice, apod.). procesor dnes uložen konektoru - umělohmotná destička s otvory pro uložení procesoru s páčkovým mechanismem, který slouží pro přesné a jednoduché vkládání nebo vyjímání procesoru. chlazení procesoru, napájení původně 5 V, dnes napětí 3.3 V a nižší

19 počínaje procesorem jsou základní adresovací schopnosti procesorů, konkrétně jejich jednotek správy paměti (MMU - Management Memory Unit) na úrovni, kterou dnešní výpočetní sestavy nejsou reálně schopny využít. U novějších typů procesorů se tedy tyto parametry nemění, ale dochází k změnám vnitřní struktury a filosofie činnosti procesorů. Procesor typDatová sběrnice Adres. sběrnice Fyzická paměť Virt. paměť bit MBx bit MB1 GB 80386SX 32bit MB1 GB bit GB64 TB 80486SX 32bit GB64 TB bit GB64 TB Pentium 32bit GB64 TB Základní typy procesorů firmy Intel Virtuální paměť je technika správy paměti, která umožňuje modelování pomyslné (virtuální) paměti na disku, virtualizace paměti je členění adresního prostoru na bloky o konstantní délce (např. 4 kB), bloky paměti se nazývají stránky (page) a umísťují se do tzv. stránkových rámů. V případě potřeby jsou stránky přesouvány mezi pamětí a diskovým prostorem, je možné spouštět programy, které svojí velikostí přesahují velikost operační paměti.

20 Procesor Pentium 32bitový procesor (zpětně kompatibilní s řadou x86), který disponuje 64bitovou datovou a 32bitovou adresní sběrnicí. Procesor je vybaven interní pamětí cache o kapacitě 16 kB rozdělenou na cache pro data a cache pro instrukce, každou s kapacitou 8 kB. Datová cache navíc používá tzv. techniku “write-back” a algoritmus nazývaný protokol MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid). Zpožděný zápis (write- back) znamená, že data nejsou z paměti cache přímo zapisována do operační paměti, ale zápis je proveden až při nedostatku místa v cache. Protokol MESI zajišťuje konzistentnost dat v hlavní paměti a paměti cache, což je podstatné například u multiprocesorových systémů, kde se může pracovat se stejnými daty. Novým rysem procesoru Pentium je také schopnost predikce větvení programu a skoků, zajišťovaný prostřednictvím BTB (Branch Target Buffer). Úspěšnost předpovědi je zde uváděna až 90%. Pentium má tzv. superskalární architekturu, která umožňuje nezávislé zpracování ve dvou výpočetních liniích (U-pipe a V-pipe). Výpočetní linie (trasa) U-pipe může zpracovávat kompletní sadu instrukcí, V-pipe potom pouze jednoduché celočíselné instrukce instrukce je prováděna v pěti krocích (výběr instrukce, dekódování první části instrukce, dekódování druhé části, provedení instrukce a zápis výsledku Procesor Pentium původně s frekvencemi 60 a 66 MHz později až 200 MHz

21 Procesor Pentium II, III a IV 32bitový procesor, který je zpětně kompatibilní s řadou x86. Procesor byl nabízen s frekvencemi v rozsahu od 233 MHz do 3,5 GHz, primární cache paměť (L1) má 32 kB děleno na 16 kB pro data a 16 kB pro instrukce, sekundární pamět cache (L2) o kapacitě 256 nebo 512 kB je na poudře procesoru (u předchozích procesorů 486 a Pentium byla sekundární cache realizována mimo procesor). je superskalární procesor se 14 stavy provádění pro zvýšení výkonu používá metodu nazývanou firmou Intel jako dynamické provádění (Dynamic execution). Jejím principem tři základní techniky práce:  Předpověď skoků,  Analýza toku dat,  Spekulativní provádění Předpověď skoků znamená analýzu programu s určením, které skoky s velkou pravděpodobností nastanou (které skupiny instrukcí budou zřejmě zpracovány). Analýza toku dat je následný krok po předpovědi skoků. Spočívá ve zjištění, které instrukce jsou závislé na jiných výsledcích a datech. Dochází k sestavení optimálního časového plánu zpracování povelů. Výsledkem je často nedodržení původního pořadí příkazů (tzv. Out-of-Order-Execution). Spekulativní provádění - na základě předchozích kroků jsou prováděny “potenciální” povely. Díky tomu dochází k maximálnímu paralelismu provádění instrukcí. Provádění instrukcí je řízeno “dostupností” jejich provedení. Dochází také ke stírání rozdílů mezi RISC a CISC architekturou

22 procesory od jiných výrobců se procesorům Pentium svým výkonem vyrovnávaly, ačkoliv pracuvaly na nižších frekvencích. Z těchto důvodů konkurence Intelu zavedla nový testovací systém, který netestuje počítač pouze podle frekvence procesoru, ale provádí testování dle celkového výkonu CPU. ohodnocovací P-systém, který byl vytvořen firmami Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix, IBM Microelectronics a dalšími. pro testování výkonnosti se využívá řada testovacích programů, každý z testů provádí testování z poněkud jiného pohledu (podmínkou je samozřejmě shodný ostatní hardware). Nejčastěji používanými testy jsou například WinBench 96, WinBench 96 CPUmark16, WinBench CPUmark32, WinStone 96, Dhrystone, MIPS (Millions of Instructions Per Second) a MFLOPS (Millions of Floating Point Operations Per Second). kromě vlastních speciálních testů je třeba vzít v úvahu provoz v reálných aplikacích, uvádí se například, že výkon Pentia 200 MHz je v reálných aplikacích pouze o 30 až 35 % vyšší, než je výkon procesoru Pentium 100.

23 Architektura AMD64 duben firma AMD 64-bitový procesor nové generace zvaný Opteron, který je založen na architektuře x86-64, později přejmenované na AMD64. Architektura AMD64 je 64-bitovým rozšířením konceptu ia32 na kterém jsou založeny všechny procesory od 386SX až po nejnovější Athlon XP. na procesoru založeném na této architektuře lze provozovat i starší 32bitové operační systémy a aplikace určené pro procesory x86. Na 64 bitů mohou postupně přejít. Podporuje MMX, 3DNow! Professional, SSE i SSE2 instrukce. Může pracovat v plně 64-bitovém módu (operační systém i aplikace jsou 64- bitové), "kompatibility módu" – 64-bitový operační systém a 32-bitové aplikace nebo v tzv. "legacy módu", kdy procesor pracuje naopak pouze v 32-bitovém režimu. možnost adresovat víc paměti, až 256 terabajtů Reálná použitelnost je ale omezena adresovací schopností paměťového řadiče, kdy jeden řadič (40-bit) zvládne adresovat 1024GB fyzické paměti.

24

25 Worldwide Smartphone Sales to End Users by Operating System in 2009 (Thousands of Units) Company 2009 Units 2009 Market Share (%) 2008 Units 2008 Market Share (%) Symbian 80, , Research In Motion34, , iPhone OS 24, , MS Windows Mobile 15, , Linux 8, , Android 6, WebOS 1, NA NA Other Oss 1, , Total 172, , Source: Gartner (February 2010)

26 Online zjištění typu procesoru

27

28

29

30

31 Hlavní paměť Hlavní (operační) paměť je množina paměťových míst nazývaných buňky. Velikost buňky je 1B nebo několik bytů. Buňky jsou lineárně uspořádané a identifikují se svými pořadovými čísly, adresami. Operační paměť umožňuje přímý (anglicky random tj. náhodný, libovolný) přístup k paměťovým buňkám na základě jejich adres. Proto se také říká, že je typu RAM ( random access memory). Větší část paměti RAM slouží jak ke čtení tak i k zápisu informace. O této části paměti říkáme, že je typu RWM (read-write memory). Někdy do určité části operační paměti nelze psát, lze z ní jen číst. O této části se říká, že je typu ROM (read only memory). V operační paměti jsou uložena jak data, tak i program, který zpracování dat řídí. Program se skládá ze strojových instrukcí, které definují dílčí kroky procesoru. Nejdůležitějšími parametry paměti jsou: velikost v bytech (stovky MB u PC), u pracovních stanic a u serverů stovky MB až jednotky GB přístupová (vybavovací) doba paměti, - doba která uplyne od okamžiku zadání požadavku na poskytnutí informace až do doby, kdy paměť požadovanou informaci poskytne (tj. uloží na datovou sběrnici)- řádově desítky ns.

32 Operační paměť paměť RAM je závislá na napájení, používá se k operativnímu krátkodobému ukládání informací. Pro dlouhodobé ukládání dat se využívají tzv. vnější paměti (disky, diskety,...). Pro realizaci paměti PC se mohou teoreticky využívat dva základní druhy paměti RAM: SRAM (Statická RAM) - data po vložení do této paměti zde zůstávají uložena bez nutnosti jejich průběžného obnovování (pochopitelně pokud nejsou přepsána), pro realizaci bitu tohoto druhu paměti je nutný větší počet tranzistorů. Jedná se o relativně velmi rychlý typ paměti (10 ns), který je ale také podstatně dražší. Tato paměť je využívána především v rychlých vyrovnávacích pamětech (paměti cache), které mají proti operační paměti výrazně menší kapacitu. DRAM (Dynamická RAM) je nejběžnější, levnější, ale bohužel také nejpomalejší druh paměti RAM. Typicky je používána právě jako operační paměť, ale často se s ní lze setkat i na videokartách (videopaměť). Každý bit kapacity DRAM je tvořen jedním tranzistorem a jedním kondenzátorem. Vybavovací doba (čas mezi dvěma po sobě následujícímu přístupy do paměti) tohoto druhu paměti je 60 až 70 ns. Základním problémem DRAM paměti je, že její obsah musí být pravidelně obnovován (2 - 3 ms intervaly), což způsobuje její další zpomalení (refresh).

33 rozdíl mezi rychlostí procesoru a relativně pomalou pamětí RAM se řeší tzv. čekacími stavy procesoru (Wait States). Čekací stavy jsou používány procesorem na vyrovnání těchto rozdílů.To ovšem vede k celkovému snížení výkonu výpočetního systému. Snaha o využití procesoru a minimalizaci čekacích stavů vedla k rozšíření používání vyrovnávacích pamětí (cache) a jiným způsobům práce s pamětí přístup k paměti RAM je organizován tím způsobem, že každý bit je adresován jako tzv. stránka a sloupec. Pomalost přístupu zde vyplývá právě z přístupu k příslušné stránce (často používán i termín řada). Přístup v rámci sloupce je pak již rychlý. Proto je snahou dnešních výrobců maximálně urychlit právě přístup ke stránce (řadě). dnes nejčastěji používané paměti jsou synchronní DRAM (SDRAM), které jsou synchronizovány s hodinami a optimalizovány pro daný procesor. U těchto pamětí se rychlost vyjadřuje pomocí hodnoty kmitočtu a ne v ns, to usnadňuje porovnání rychlosti paměti a sběrnice např. 83 MHz RAM odpovídá hodnotě 12 ns

34 Cache paměť Paměť cache se používá pro zrychlení práce výpočetního systému (IBM 1967). V cache paměti se ukládají data pro následné využití procesorem, čímž se minimalizuje jejich přímé čtení z relativně pomalé operační paměti počítače (procesor má ve většině případů požadovaná data ihned k dispozici). Cache paměť je charakterizována relativně malou kapacitou a větší rychlostí v porovnání s operační pamětí. Z hlediska výkonu dává cache paměť předpoklady zvýšení výkonu až o několik desítek procent (v závislosti na druhu aplikace). Paměť cache může být dvojího druhu (externí a interní cache). Interní cache je také označována jako primární cache (L1 cache), externí pak jako sekundární cache (L2 cache). Interní cache je vždy integrována přímo na procesoru (vestavěná v procesoru). Procesory Pentium II a III mají cache paměť o velikosti 32 kB. Ta je rozdělena na dvě části (16 kB pro instrukce a 16 kB pro data). Toto je nazýváno termínem dvoucestná asociativní paměť cache (two ‑ way associative cache).

35 Externí cache je obecně umístěna přímo na základní desce počítače. Tato cache je realizována na bázi modulů SRAM a dnes má standardně kapacitu 256 nebo 512 KB. Moderní procesory mohou mít také L2 cache integrovánu přímo na čip mikroprocesoru. Konzistenci dat (změny v paměti cache musí být automaticky promítnuty do hlavní paměti) zajišťuje řadič cache. Zde se rozlišují dvě strategie, a to přímý zápis (“write - through”) a zpožděný zápis (“write-back”). Přímý zápis znamená, že čtení probíhá prostřednictvím paměti cache, ale zápis je sice nejprve do cache, ale následně do operační paměti (probíhá vlastně dle rychlosti modulů DRAM). Proto se dnes používá zpožděný zápis, kdy jsou změny ukládány prvotně v cache a zápis do operační paměti je proveden až v případě nutnosti. Z hlediska synchronizace lze dělit cache na synchronní a asynchronní. Asynchronní cache není taktována s procesorem, což znamená, že pracuje na svojí frekvenci a s procesorem komunikuje prostřednictvím potvrzovacích signálů (v případě schopnosti plnění povelu nebo jeho dokončení). Dnes je žádoucí použití synchronní paměti cache, která pracuje synchronizovaně s procesorem s vyšší rychlostí. Moderní modifikací je tzv. synchronní cache paměť s hromadným přístupem (Burst Cache), která po dekódování adresy (což je časově relativně náročné) provede čtení celého následujícího bloku dat (celkem čtyři adresy). Je zde předpoklad, že se bude s těmito daty dále také pracovat a vlastní čtení přitom není tak časově náročné. přitom není tak časově náročné. Délka souvislého přenosu je hardwarově závislá. U procesorů 486 je to 4 x 32 bitů, u procesoru Pentium potom 4 x 64 bitů. Tímto způsobem se dosahuje přístupové doby ns.

36 Právě s pamětí cache souvisí již dříve zmiňovaný protokol MESI (Procesory Pentium a Pentium Pro), který zajišťuje konzistenci dat v případě použití více procesorů (multiprocesorové systémy). Zde je nutné sledovat, jestli daná adresa není obsahem další paměti cache. V této souvislosti má každá položka v cache doplňovánu informaci o jeden ze čtyř možných stavů: Modified - uložení v jediné cache, ale došlo ke změně (bude třeba aktualizace), Exclusive - uložení v jediné cache, ale bez modifikace (stejný obsah cache a RAM), Shared - uložení ve více pamětech cache (nutná automatická aktualizace “write through” ve spojení všech cache pamětí, Invalid - neplatná položka nebo není k dispozici

37 Paměť ROM Read Only Memory (ROM) pamět je určena pouze ke čtení. Její obsah je pevně dán výrobcem a obecně jej nelze měnit. Další důležitou vlastností je nezávislost na napájení (při výpadku napájení nebo po vypnutí počítače zůstane její obsah zachován). Další typy pamětí ROM jsou například PROM a EPROM. PROM (Programmable ROM - programovatelná ROM) znamená, že její obsah je vypálen do "prázdného" čipu pomocí speciálního zařízení. Jakmile jsou ale obvody čipu vypáleny, nelze je změnit a čip je možné pouze číst. EPROM (Erasable PROM - mazatelná PROM) je paměť, jejíž obsah je možné v případě potřeby kdykoliv změnit (pomocí speciálního zařízení). Z hlediska běžného uživatele ale plní také úlohu ROM. Paměti typu ROM jsou běžně využívány pro uložení ROM BIOSu, což je programové vybavení pro ovládání komponent počítače na základní úrovni ( BIOS základní desky, BIOS videokarty, atd. paměť flash. Tento druh paměti uchovává svůj obsah nezávisle na napájení (podobně jako ROM), ale jeho obsah může být přepisován (jako u RAM). Přístupová doba je 80 ns (pomalejší než RAM, ale rychlejší než ROM). Určitým problémem je skutečnost, že obsah nelze měnit po jednotlivých bytech (nutný přepis celé paměti najednou) a zatím omezený počet aktualizací. Tento druh paměti je dnes využíván zejména pro uložení BIOSu počítače, kde dovoluje jeho programovou aktualizaci

38 Konfigurační paměť Konfigurační paměť je běžně nazývána CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), což je ale poněkud nepřesný název, protože většina dnešních čipů je touto technologií vyrobena také (termínem CMOS je ale u počítačových sestav běžně označován pouze tento čip). Jedná se o speciální paměť typu SRAM o malé kapacitě (původně pouze 64 B), jejíž obsah je udržován pomocí vnitřní baterie počítače. Obsah zde uložený je tedy nezávislý na tom, jestli je počítač zapnutý nebo ne. Vzhledem k tomu, že se jedná o paměť typu RAM, je možné její obsah za určitých podmínek měnit. Standardně se k tomu používá speciální program (tzv. Setup). Konfigurační paměť slouží pro uchování informací o základní sestavě počítače a jeho parametrech( např. počet a druh disketových jednotek, počet a druh pevných disků, ale také aktuální hodnota data a času.) Tyto informace mají základní význam pro správnou činnost výpočetního systému, protože jsou využívány při startu počítače jako základní konfigurační parametry. Jestliže bude mít počítač v konfigurační CMOS paměti uloženu informaci, že není instalován pevný disk, nebude moci s diskem v žádném případě pracovat (nebude jej znát), i když disk v počítači instalován bude (včetně operačního systému a dalšího programového vybavení).


Stáhnout ppt "2. Princip činnosti počítače 2.1. Von Neumannova architektura počítače 17.století- Blaise Pascal, G.W.von Leibnitz (první mechanické počítací stroje) 19.století-"

Podobné prezentace


Reklamy Google