Technické prostředky informačních systémů Kombinované studium – 1. blok

Úvod Garant: Prof. Zdeněk Bohuslávek, CSc. Přednášející: Prof. Zdeněk Bohuslávek, CSc. Ing. Jiří Nesládek Ing. Zdeněk Votruba Podklady (1. blok): http://www.rabaka.net/TPIS

Cíle předmětu Filosofie, vlastnosti Principy činnosti Kritéria posuzování při výběru TP

Předmět zájmu (TP) Počítače I/O zařízení Komunikace Architektura PC (skříň, zdroj, základní deska) Paměti Sběrnice I/O zařízení HMI – rozhraní obluha-počítač Pořizování dat – snímače, senzory, scannery, … Výstup dat – monitory, tiskárny, projektory, … Komunikace Sítě LAN, WLAN, WAN, … Rozhraní a sběrnice

Oblasti nasazení TP obecně SOHO (Small Office or Home) Masová produkce, nízká cena Zn.: „Přívětivé prostředí a služné zacházení podmínkou“

Oblasti nasazení TP obecně Enterprise (profesionální) Rovněž vyžadují čisté prostředí a „pokojovou teplotu“ Poskytují vyšší spolehlivost, propustnost, zatižitelnost Redundance – disková pole, vícenásobné zdroje, ventilátory Zpravidla rackové provedení Např.: servery, záložní zdroje, velkokapacitní tiskárny, …

Oblasti nasazení TP obecně Industrial (průmyslové provedení) Široký rozsah provozních teplot (40  60 ºC) Vyšší stupeň krytí (prachotěsnost, vodotěsnost) Robustní konektory Solid-state – bez pohyblivých částí (ventilátorů, disků, …) Zpravidla napájecí napětí 24V Často v provedení modulu na DIN lištu Embedded (vestavné) Určené pro montáž do dalších zařízení                         

Oblasti nasazení TP obecně Speciální – vysoká spolehlivost a/nebo odolnost Military – ještě vyšší nároky než na průmyslové provedení Life support systems – když nejde o život, jde vcelku o … Řízení kritických procesů – atomové reaktory apod.                                                                                                                         

Informační a řídící systémy Nasazování počítačových systémů na úrovni řízení technologie je motivováno potřebou co nejdokonalejšího dodržování technolických podmínek, maximální využití kapacity technologického zařízení a zajištěním kvality produkce. Cílem je eliminovat nespolehlivý lidský faktor. Moderní řídící systémy jsou budovány jako distribuované. Funkce jsou rozděleny mezi vzájemně propojené počítače. Rozlišujeme procesní počítače, tj. počítače přímo spojené s technologickým procesem, a pracovní stanice, tj. počítače, které nejsou přímo spojeny s technologií. V souvislosti s počítačovými řídícími systémy často hovoříme o hierarchii. Z funkčního hlediska rozlišujeme vzájemně nadřazené a podřazené úrovně řízení

Architektura PC

Moorův zákon V roce 1965 Gordon Moore předpověděl, že se počet tranzistorů na jednom čipu bude s časem exponenciálně narůstat Původní odhad, že se každý rok zdvojnásobí, později korigoval na každé dva roky. Někdy se také uvádí 18 měsíců. Podstatné však je, že se jedná o exponenciální závislost.

Architektura PC První osobní počítač – IBM 5150 – 1981 Nejrozšířenější a stále se vyvíjející architektura Otevřenost  základ úspěchu První PC nebyly ani nejvýkonnější ani nejlépe navržené Procesory Intel x86 nebyly lepší než Motorola 680x0, spíše naopak Přesto licenční, cenová a marketingová politika IBM PC uspěla Specifikace HW jsou otevřené a existuje nesčetně výrobců Konkurence tlačí cenu komponent dolů a žene vývoj kupředu Uživatel z toho profituje Kompatibilita dílů není vždy 100%  problém výběru

Napájecí zdroj Základní deska Procesor Paměti North bridge Chladič North bridge Grafická karta Pevný disk Přídavné karty South bridge SATA IDE

CD/DVD/Blue-Ray Klávesnice, myš Sériový port Zvuková karta USB Ethernet Paměťové karty

Volba typu skříně Podle počtu komponent, které bude obsahovat Podle typu prostředí (nároky na chlazení, rackové provedení, …) Podle výkonu a typu zdroje

Napájecí zdroj PC Zdroje pro základní desky formátu AT Historicky starší a překonaný Mechanický vypínač 230V Zdroje pro základní desky formátu ATX Používá se v součastných počítačích Zdroj je trvale připojen k síti, (de)aktivuje se „softwarově“

Dimenzování napájecího zdroje Příklad 200W zdroje: +5V/20A +12V/8A +3,3V/12A +5V SB/1A –5V/0,5A –12V/1A +5V – napájení elektroniky: napájení některých částí základní desky (klávesnice), napájení sběrnice ISA a starších PCI, napájení elektroniky disků a napájení zdroje napětí 3,3V na základní desce; +12V – napájení mechanických a výkonových částí PC: napájení pro diskové mechaniky, ventilátory. Toto napětí je přivedeno i na sběrnice ISA a PCI a na sériové porty; +3,3V – napájení moderní elektroniky: napájení zejména PCI karet, chip-setů, I/O části procesorů. Je zdrojem napětí pro zdroj, umístěný na základní desce, vyrábějící napětí pro jádra procesoru (1,4  2,0V); +5V SB – pomocné napětí: používá se jako doplňkové napětí, které slouží pro zapínání/uspávání počítače. Toto napětí naměříme také v klidovém režimu zdroje (po elektronickém vypnutí zdroje) – tzv. stand-by režimu. Spotřeba počítače je v tomto režimu asi 5 až 15W; –5V – napětí pro ISA sběrnice: napětí, které je přiváděno na ISA sběrnice a pro starší generátory kmitočtu. Již se téměř nepoužívá; –12V – napětí pro sériový port a sběrnice: - Pro sériový porty a sběrnice ISA a PCI (u PCI pro měřící karty). Již se téměř nepoužívá.

Spotřeba energie v PC Procesor – 1,5  2,8V při odběru 5  30A dle frekvence CPU Grafické karty náročná na odběr elektrické energie dle výkonu některé využívají napětí jak 5V tak i 3,3V „rozpadání“ obrazu bývá příznakem problémů s napájením někdy se uvádí požadavky na napájení, např.: zdroj 500W, 12V se zatížením 36A Rozšiřující karty PCI – častěji napájeny z 5V Přibližné odběry vybraných komponent základní deska: +5V/10A disketová mechanika: +5V/0,5A +12V/1A pevný disk: +5V/0,5A +12V/1A CD mechanika: +5V/1A +12V/1A Maximální odběry rozšiřujících karet PCI: +3,3V/7,6A +5V/5A +12V/0,5A

Základní deska I/O Integrované BAT PCI Expres DUAL Socket 940 OPTERON RWM DDR 400 CHIP SET BIOS/ ROM IDE Ultra ATA SATA DUAL Socket 940 OPTERON BAT PCI Expres

Základní deska

Základní deska Patice nebo slot pro CPU – pozor při výběru, aby odpovídala CPU L2 cache CMOS nastavení desky RTC napájení lithiovým článkem BIOS POST (Power-On Self Test) rutiny BIOSu zavádění operačního systému realizován EEPROM – možnost upgrade

Paměti

Hierarchie pamětí Registry – přímo svázané s činností ALU, rychlý přístup, malé množství L1 cache – rychlá vyrovnávací paměť na čipu mikroprocesoru L2 cache – cache vně procesoru, větší kapacita než L1, může být pomalejší než L1 cache Operační paměť Pevný disk - adresová sběrnice 20bit = 1MB - částečný multiplex s datovou sběrnicí 16bit tj. 0-65635

Technologie pamětí RAM Dynamické (DRAM) Operační paměť Malý rozměr buňky – 1T Princip kapacitoru Potřeba refresh Destruktivní čtení Statické (SRAM) Cache – rychlá vyrovnávací paměť Velký rozměr buňky – 6T Bistabilní KO Statické = nepotřebují refresh Rychlé row line column line - adresová sběrnice 20bit = 1MB - částečný multiplex s datovou sběrnicí 16bit tj. 0-65635

Přístup k datům v DRAM Asynchronní DRAM Synchronní DRAM = SDRAM původní přístupový model, v součastných PC se již nepoužívá adresa se zapisuje „nadvakrát“ – nejdříve řádek, pak sloupec data se na sběrnici objevují asynchronně po zapsání adresy dle vybavovací doby paměti – typicky 5070ns vývojové typy asynchronní DRAM RBC (RAS before CAS) – původní režim přístupu FP (Fast Page) – více CAS přístůpů v rámci jednoho RAS  úspora času EDO (Extended Data Out) - uplatnění jednoduchého principu zřetězení (pipelining), procesor může při čtení dat zároveň adresovat další buňku Synchronní DRAM = SDRAM operace jsou synchronizovány (synchronizace komunikace mezi řadičem paměti a pamětí – synchronizační pulsy – příkazy, data a adresa jsou synchronizovány náběžnou hranou synchronizačního signálu). paměť je řízena příkazy, nikoliv signály jako je tomu u FPM/EDO signály rozhraní (RAS, CAS, WE) se označují stejně jako u asynchronních DRAM, ale mají jinou logiku (význam) Časové relace mezi signály CS, RAS, CAS a WE nehrají roli, důležitý je stav těchto signálů v okamžiku náběžné hrany, to platí i o signálech na datové a adresové sběrnici - adresová sběrnice 20bit = 1MB - částečný multiplex s datovou sběrnicí 16bit tj. 0-65635

Paměti SDRAM SDR (Single Data Rate) – přenosy dat se odehrávají pouze při jednom typu hrany (náběžná) synchronizačního signálu DDR (Double Data Rate) – přenosové děje se odehrávají s náběžnou i sestupnou hranou – je tak ve skutečnosti možné dvakrát zrychlit synchronizaci, aniž by se zvýšil kmitočet synchronizačních pulsů Značení podle generací DDR1 – do kmitočtu 400 MHz DDR2 – 400 MHz (800 MHz) DDR3 – 666 MHz (1333 MHz) Single/Dual Channel - adresová sběrnice 20bit = 1MB - částečný multiplex s datovou sběrnicí 16bit tj. 0-65635

Značení pamětí - adresová sběrnice 20bit = 1MB - částečný multiplex s datovou sběrnicí 16bit tj. 0-65635

Sběrnice

Vývoj sběrnicových systémů XT – 8-mi bitová ISA – 8/16-ti bitová, kompatibilní s XT EISA – 8/16/32-ti bitová, kompatibilní s ISA MCA – 16/32-ti bitová, nekompatibilní s ničím VL-Bus – snaha oddělit rychlá a pomalá data PCI – úspěšná, široce rozšířená rychlá sběrnice AGP – specializovaná sběrnice grafických karet PCI-Express – nová implementace PCI založená na sériové komunikaci, v současnosti nahrazuje klasickou PCI i AGP klasické pojetí sběrnice přímo svázané s procesorem ISA (Industry Standard Architecture) EISA (Extended Industry Standard Architecture) MCA (Micro Channel Architecture) VESA (Video Electronics Standards Association) moderní rychlé sběrnice nezávislé na architektuře procesoru

PCI

PCI Průmyslový standard podporovaný mnoha výrobci Není napojena přímo na procesor  nezávislá na typu procesoru Od začátku navrhnutá jako „Plug and Play“ Dvě varianty napěťových úrovní 3,3 a 5V Sdílení HW přerušení Komplexní protokol, náročná HW implementace  používají se specializované IO tzv. PCI bridge

PCI V PC se vyskytuje nejčastěji varianta 33 MHz  32 bitů  132 MB/s Rychlejší varianty se vyskytují ve specializovaných systémech zpracování videa rychlá disková pole Taktovací frekvence Šířka Max. datový tok 33 MHz 32 bitů 132 MB/s 64 bitů 264 MB/s 66 MHz 532 MB/s 133 MHz 1066 MB/s

PCI

AGP Sběrnice optimalizovaná pro grafické karty Videopaměť na kartě AGP je mapována do paměťového prostoru procesoru a textury se do ní nahrávají bez „meziuložení“ v RAM Několik variant: AGP 1 – 266 MB/s AGP 2 – 533 MB/s AGP 4 – 1066 MB/s AGP 8 – 2133 MB/s

PCI-X Nezaměňovat s PCI-Express! Jde o rozšíření PCI – dvojnásobná šířka (64 b) a čtyřnásobný kmitočet (133 MHz)  1064 MB/s Existují však i jiné varianty: Rev. 1 – 66 a 133 MHz Rev. 2 – 266 a 533 MHz Vyvinuta pro vysokokapacitní přenosy dat Gigabitový ethernet Fibre channel Ultra3 SCSI Přidána možnost odstavení vadné karty od sběrnice Neperspektivní, vytlačuje jí novější PCI-Express šířka sběrnice je vždy 64 bitů

PCI-Express Od PCI se liší zejména na fyzické vrstvě – sériová komunikace Z hlediska přidělování prostředků a komunikace je softwarově kompatibilní s PCI takže adaptovat ovladače z PCI na PCIe není nákladné Nabízí vyšší propustnost než AGP x16 slot může napájet kartu s příkonem až 75W (AGP pouze 25 resp. 42W) Prosazuje se místo PCI a AGP

PCI-Express Lane = dva páry vodičů (rx a tx) Lane se sdružují dle potřeby např.: modem, zvuková karta – obvykle x1 grafická karta – x16