Gymnázium Ivana Olbrachta

Prezentace na téma: "Gymnázium Ivana Olbrachta"— Transkript prezentace:

1 Gymnázium Ivana Olbrachta
Hardware Ing. Petr Lešák Gymnázium Ivana Olbrachta Semily Informace byly čerpány z: HARDWARE – učebnice pro pokročilé

2 Skříně počítačů Desktop Minitower Miditower Bigtower
PC je vlastně stavebnicí. Základem je základní deska(mainboard), k níž se připojují ostatní díly. Celá sestava je pak uzavřena do poč. skříně.

3 Desktop Tower

4 Několik rad pro koupi stolu
Na prac. plochu se musí vejít ještě monitor, tiskárna a místo pro poznámky Přístup ke konektorům na zadní části skříně Dobrý odvod tepla Pro klávesnici je dobrý vysunovací pult Počítač postavený přímo na zem nasává prach!

5 Základní deska - mainboard

6 Základní deska – mainboard (2)
Obvody umístěné na desce slouží především mikroprocesoru a sběrnic, konektory propojují jednotky umístěné mimo mainboard (harddisk,…) Baby AT – starší provedení ATX – výhodnější rozmístění prvků na desce, je nutno přizpůsobit skříň.

7 Základní deska – mainboard (3)
deska spojující různé hardwarové komponenty se musí domluvit s operačním systémem. K tomu slouží BIOS BIOS (Basic Input Output Systém) – program umístěný v paměti typu ROM. Program působí jako „tlumočník“ mezi hardwarem a oper. systémem

8 BIOS Díky tomu pracuje operační systém na každém počítači.
Nejznámějšími výrobci BIOSů jsou: AMI – American Megatrens Incorporated, Award, Phoenix Součástí každého BIOSu je program SETUP pomocí kterého nastavujeme parametry podle konkrétní konfigurace počítače.

9 Propojky(jumpery) Nastavení parametrů desky nezávisle na BIOSu

10 Přepínače (switch) Používaly starší desky kromě propojek

11 Mikroprocesory(1) Je mozkem počítače, zpracovává instrukce od programů. Některé zpracovává sám, k provedení ostatních používá různé komponenty (paměť, sběrnici, disky, monitor, tiskárnu,…) což ovlivňuje výkonnost počítače.

12 Mikroprocesory(2) 2 soupeřící koncepce
CISC – Complete Instruction Set Computer mikroprocesor je vybaven tou nejúplnější instrukční sadou RISC – Reduced Instruction Set Computer vychází ze znalosti, že pro vykonání 80% operací je zapotřebí jen asi 20 instrukcí. Mikroprocesor je pak vybaven jen základními mikroinstrukcemi, které jsou jednodušší a tedy i snáze proveditelné. Procesor je jednodušší a tím i levnější. Pokud chceme plně využít rychlosti RISCu, musíme počítač vybavit rychlejšími obvody(paměti, sběrnice…)

13 Mikroprocesory(3) zevnitř
Registry – vnitřní paměťové místo pro momentální uložení zpracovávaných dat. Různé typy procesorů – různý počet registrů. Adresování – mechanismus, kterým procesor specifikuje adresy v paměti, na nichž leží zpracovávaná data. Instrukční sada – pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické instrukce, instrukce pro řízení programu, systémové instrukce. Nový typ procesoru – více instrukcí.

14 Mikroprocesory(4) Systém přerušení – signál, který k procesoru vyšle nějaké hardwarové zařízení nebo program. Mikroprocesor musí svoji činnost zastavit a obsloužit požadavek zařízení, které signál vyslalo, poté se vrátí ke své původní činnosti. Moderní procesory používají vektorový systém přerušení – každé přerušení je identifikováno svým číslem. V operační paměti je uložena tabulka vektorů přerušení. Vektor přerušení ukazuje na adresu v paměti, kde je uložen obslužný program. Před skokem na vektor přerušení uloží procesor svůj momentální stav do zásobníku. To mu umožní vrátit se po zpracování přerušení k původní činnosti.

15 Mikroprocesory(5) Správa paměti – překlad adres, lepší využití operační paměti. „Stojí“ mezi adresami generovanými programem a skutečnými adresami v operační paměti. Jednotka mění adresy tak, jak je to výhodné pro operační systém. Zabezpečení ochrany paměti – druhý úkol jednotky správy paměti. V OS pracuje současně několik programů. Jednotka zabraňuje každému programu v narušení činnosti ostatních programů. Např. dva programy nesmějí využívat stejnou adresu paměti současně.

16 Mikroprocesory(6) Paměť CACHE – účelem je vzájemné přizpůsobení rychlostí mezi různě rychlými komponentami. L1 – First Level Cache – zásobování jednotek procesoru daty ze sběrnice. L2 – Cache druhé úrovně – pro zrychlení instalována u novějších typů, jinak na základní desce.

17 Mikroprocesory(7) Architektura mikroprocesoru – schopnost mikroprocesoru zpracovávat posloupnost instrukcí. Starší řešení (až po 486) – sekvenční zpracovávání. Nové řešení (od Pentií) – superskalárnost a pipeling.

18 Mikroprocesory(8) Superskalární architektura – zpracování více instrukcí najednou. Realizace buď zdvojením některých funkčních celků nebo promyšleným návrhem, kdy mohou jednotlivé celky pracovat nezávisle na sobě. Ale pozor, pokud v programu následují dvě instrukce kdy první připravuje údaje pro druhou, musí jejich zpracování proběhnout sekvenčně.

19 Mikroprocesory(9) Pipeling – zpracování instrukce je rozloženo do několika fází. I nesuperskalární procesor může zpracovávat více instrukcí najednou. T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 PF I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 D1 D2 EX WB

20 Fáze PF (Prefetch): výběr instrukce: další zpracovávaná instrukce se bere buď z paměti RAM, nebo z vyrovnávací cache paměti. D1 (Decode1): dekódování instrukce: určí se délka a typ instrukce D2 (Decode2): výpočet adresy: určí se adresa operandů, se kterými instrukce pracuje EX (Execution): provedení instrukce: vlastní provedení instrukce WB (Write Back): zápis výsledků: zapíší se výsledky zpracované instrukce

21 Mikroprocesory(10) Klasické zpracování instrukcí
PF I1 I2 D1 D2 EX WB

22 Mikroprocesory(11) Superskalární zpracování instrukcí
PF I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 I2 I4 I6 I8 I10 I12 I14 I16 I18 I20 D1 D2 EX WB

23 Mikroprocesory(12) Vnitřní šířka dat – současné zpracování určitého množství bitů. Čím více bitů současně, tím rychlejší je procesor. Pozor –často se používá termín šířka sběrnice– nenechte se zmást! Sběrnice – soustava vodičů jimiž proudí data, adresy nebo řídící signály. Adresová sběrnice – proudí adresy, čím větší šířka, tím větší paměťový prostor může procesor obhospodařovat Datová sběrnice – přenáší data mezi procesorem a okolím. Čím širší tím více dat najednou přenese a stoupá rychlost přenosu dat.

24 Mikroprocesory(13) Takt systémové sběrnice – prostřednictvím systémové sběrnice(FSB – Front Side Bus) komunikuje procesor s okolím na základní desce. Důležitá je rychlost výměny dat s operační pamětí. Vnitřní frekvence – taktovací impulsy, které určují pracovní tempo el. obvodů procesoru. Vnější(externí) frekvence – rytmus práce periferních modulů na základní desce(vně procesoru) Mezi externí sběrnicí a procesorem pracuje tzv. násobička, která převádí pomalejší externí takt na vyšší interní frekvenci procesoru. U moderních desek je možno násobitel nastavit v SETUPu.

25 Mikroprocesory(14) Napájecí napětí – standardně bylo dříve 5V. S rostoucím výkonem se procesory stále více zahřívaly vlivem spotřeby většího množství el. energie. Výrobci řeší snížením napájecího napětí. Tím se sníží příkon procesoru( výhodné pro baterie notebooků) a následné tepelné vyzařování. Výše napájecího napětí není nijak normalizována. Je různá i u stejných řad procesorů stejných výrobců! Dnešní procesory mívají hodnotu napájecího napětí okolo 1,5V. Snižování pokračuje!

26 Komunikace procesoru s okolím

27 Komunikace procesoru s okolím
3 způsoby komunikace procesoru s okolím Pomocí sběrnic Přes přerušení (IRQ) Kanály přímého přístupu do paměti (DMA)

28

29 Komunikace procesoru s okolím
Sběrnice Systémová sběrnice(FSB) – je připojena k mikroprocesoru a je jím řízena. Propojuje procesor s obvody na základní desce. Periferní sběrnice – ta propojuje systémovou sběrnici procesoru s ostatními periferiemi prostřednictvím rozšiřujících karet. Je zakončena normovanými konektory –sloty.

30 Komunikace procesoru s okolím
Parametry sběrnic Prvním hodnotícím kriteriem je typ procesoru pro který je navržena. Ten udává šířku datové a adresové části. Řídící frekvence – určuje rychlost přenášených dat. V jejím rytmu pulsují sběrnicí data. Přenosová rychlost – je dána šířkou sběrnice a rychlostí(frekvencí). Sběrnice se postupně „naučily“ několika režimům: - Multimastering - režim burst

31 Komunikace procesoru s okolím
Multimastering – provoz sběrnice může řídit některá z rozšiřujících karet. Je výhodný v případě, kdy si mezi sebou vyměňují data dvě periferie. Procesor se přenosu dat neúčastní a může vykonávat jinou činnost. Režim burst – přenáší po sobě následující data ve větších skupinách(bez adresy u každého datového bloku). Původně se přenášela data po krátkých blocích s adresou určení.

32 Komunikace procesoru s okolím Typy sběrnic
ISA – Industry Standard Architecture(AT Bus) MCA – architektura Microchannel EISA – Extended ISA VESA VL-Bus – Video Equipment Standards Associations PCI – Peripheral Component Interconnect AGP – Accelerated Graphics Port

33 Komunikace procesoru s okolím ISA

34 Komunikace procesoru s okolím ISA
Předchůdcem byla 8-bitová sběrnice XT-Bus používaná pro PC XT. ISA byla navržena pro procesory řady 286. Pro dnešní procesory je pomalá a „úzká“, přesto se používala dost dlouho. Důvody její dlouhé životnosti jsou: Bylo vyrobeno mnoho rozšiřujících karet, kterých se jejich uživatelé nevzdají najednou Ne každá periferie potřebuje komunikovat s procesorem rychle a tak ji stačí i pomalé ISA

35

36 Komunikace procesoru s okolím MCA
Pro procesory 386 byla ISA pomalá a proto přišli výrobci s rychlejší – MCA. Nerozšířila se. Důvody komerčního neúspěchu: Není kompatibilní s ISA – levné a rozšířené desky pro ISA s ní nespolupracují IBM požadovala za použití MCA licenční poplatky S touto architekturou se dnes můžete setkat u starších počítačů IBM.

37 Komunikace procesoru s okolím EISA
Reakce velkých výrobců na nutnost zvýšení výkonu ISA. Je sice kompatibilní, ale kvůli tomu musela být zachována nízká řídící frekvence ISA. EISA se konfiguruje programově – na deskách nejsou propojky. Slot je dvoupatrový – horní propojky jsou určené pro ISA spodní – rozšiřující pro EISA. Cena EISA je ve srovnání s ISA vysoká. Proto se nerozšířila a dnes je nahrazena PCI

38 Komunikace procesoru s okolím VESA VL-Bus
Vysoká cena EISA a nízký výkon ISA donutily výrobce k vývoji rychlé a levné sběrnice vhodné pro procesor 486. Byla koncipována jako rozšířená ISA. Její karta je delší (slot sběrnice byl umístěn 5mm za ISA). Byla levná a jednoduchá, ale přesto nedokázala nástupu PCI čelit. Najdete ji na deskách určených pro procesory 486

39 Komunikace procesoru s okolím PCI

40 Komunikace procesoru s okolím PCI
Intel – navrhl tuto sběrnici především pro PENTIA. Může však spolupracovat i s jinými procesory, které přišly po Pentiích. Od procesorové sběrnice je oddělena speciálními obvody – mosty(bridges). Výhodou je vysoký taktovací kmitočet.) Napájecí napětí je 3,3V.(předešlé 5V) Novinka -Plug and Play- zasunutí desky do slotu a její automatická konfigurace. 32-bitová, její dvě další nové verze 2.0 a 2.1 jsou 64-bitové a navíc může pracovat až s frekvencí 66MHz

41 Komunikace procesoru s okolím PCI

42 Komunikace procesoru s okolím AGP
Dalším krokem ke zvýšení výkonu PC. Je určena pro přenos dat do zobrazovací soustavy – obraz je kreslen grafickým adaptérem(informace byly do tohoto adapteru přenášeny přes PCI) AGP propojuje graf. adaptér přímo s operační pamětí Po přemístění graf. adaptéru z PCI na AGP došlo k odlehčení sběrnice a současně až k čtyřnásobnému zvýšení rychlosti přenosu dat.

43 Komunikace procesoru s okolím AGP

44 Komunikace procesoru s okolím

45 Komunikace procesoru s okolím
Přetaktování – overclocling Mnoho základních desek umožňuje přetaktování – tj. zvýšení základní frekvence o určitou hodnotu. Můžeme tím zvednout výkon celé počítačové sestavy, ale pozor! Tyto experimenty představují dvě nebezpečí: Při vyšším taktu klesá spolehlivost všech součástek. Pro vyšší frekvenci nebyly navrženy! Stačí aby jedné z komponent kmitočet nevyhovoval a zhroutí se celé PC! Stoupá tepelné zatížení všech součástek a může dojít ke zničení

46 Komunikace procesoru s okolím rozhraní PC

47 Komunikace procesoru s okolím Paralelní rozhraní
Původně určeno pro připojení tiskáren.(Centronicx) Původně byl přenos dat jednosměrný(z PC do tiskárny) Inovace v roce 1994 – obousměrnost přenosu dat Dovoluje konfigurovat tiskárnu přímo z PC.

48 Komunikace procesoru s okolím Sériové rozhraní

49 Komunikace procesoru s okolím Sériové rozhraní
Je nejstarším rozhraním známé také pod označením V24. Sériový přenos bit za bitem jej dělá pomalejším oproti paralelnímu. Je však univerzálnější a pracuje s ním většina periferií. Používá se konektor Canon 25 nebo 9 pólů. Na straně PC má kolíky. Přizpůsobení pomocí redukce. Provoz je řízen obvody UART – Universal Asynchronous Receiver Transceiver. U starších počítačů UART8250 u novějších UART a – dva buffery(vyr. Paměti) jeden pro vstup a druhý pro výstup. Buffery pracují v režimu FIFO – First In – First Out – znak zapsaný do paměti dříve je dříve čten.

50 Komunikace procesoru s okolím PS/2
Konektor PS/2 je konektor použitý u poč. IBM. Bývá vyveden přímo ze základní desky do zadní části PC. U nových počítačů je zásuvkou PS/2 připojena myš a klávesnice. Ušetří se tak jeden sériový port. Zdířka PS/2 potřebuje pro svoji práci IRQ12

51 Komunikace procesoru s okolím Logická jména rozhraní
Počítač používá více vstupně - výstupních konektorů. OS je nutné vyrozumět o tom, jakým konektorem je periferie připojena. Proto mají rozhraní svá logická jména. Nejčastěji je PC vybaveno: 1 konektor paralelního rozhraní – LPT1 2 konektory sériového rozhraní – COM1,2 Tato rozhraní jsou standardním vybavením základní desky. Pro další je nutno použít rozšiřující karty.

52 Komunikace procesoru s okolím Logická jména rozhraní
LPT1(PRN) –první paralelní rozhraní LPT2 – druhé paralelní rozhraní LPT3 – třetí paralelní rozhraní COM1 – první sériové rozhraní COM2 – druhé sériové rozhraní COM3 – třetí sériové rozhraní COM4 – čtvrté sériové rozhraní

53 Komunikace procesoru s okolím PCMCIA
Personal Computer Memory Card Association Sdružení výrobců, kteří definovali standard pro připojování periferií k notebookům. Periferie o velikosti kreditní karty v nichž jsou zabudovány faxmodemy, síťové karty, harddisky, operační paměť. Karta se připojuje přes 68 pólový konektor ke sběrnici ISA(16 bitů) Mají stejnou délku, šířku, ale různou tloušťku.

54 Komunikace procesoru s okolím PCMCIA
Mají hardwarovou i softwarovou normu. To dovoluje připojit kartu k notebooku i za běhu počítače. Nutno použít systém podporující PCMCIA( Windows9x,2000,…)

55 Komunikace procesoru s okolím PC karta
Dokonalejší PCMCIA (verze 2) Nižší napájecí napětí – sníženo z 5V na 3,3V Rozšíření na 32 bitovou dat. bitů Podpora DMA

56 Komunikace procesoru s okolím USB
Universal Seriál Bus - externí sběrnice PC Má topologickou strukturu - pyramida Na vrcholku pyramidy stojí hostitel -„kořen“ vestavěný do základní desky. Od hostitele vede jediný kabel, který se může větvit(buď přímo v periferiích nebo jsou zařazovány HUBy - rozbočovače)

57 Komunikace procesoru s okolím USB
Vlastnosti USB podporuje až 5 úrovní zařízení zařízení může být až 5m od rozbočovače podporuje Plug and Play 3 přenosové rychlosti Low speed, High speed, Full speed podpora více současných operací na několika zařízeních možnost připojení až 127 zařízení za chodu počítače podpora Power managementu (automatické uspávání nepracujících periferií) USB podporují Windows98 a výše.(95 od OSR2.1)

58 Komunikace procesoru s okolím USB

59 Komunikace procesoru s okolím
1 – zdířky PS/2 – zelená myš, fialová klávesnice 2 - zdířky USB 3,4 – 9 pinové zdířky sériového rozhraní COM1 a COM2 5 – zdířka paralelního portu LPT1(PRN) 6 – 15 kolíkový konektor pro joysticku (game port) 7 – otvory(JACK 3,5) pro připojení zvukové karty

60 Jaké rozhraní jsou k dispozici na našem PC
Informace o zařízení získáme pomocí Správce zařízení Ve Windows98 jej otevřeme: 1. klepnutím pravého tlačítka na ikonu „Tento počítač“ 2. Zvolíme „Vlastnosti“ a kartu „Správce zařízení“ Výsledkem je zobrazení hardwarového stromu našeho počítače

61 Hardwarový strom

62 Přerušení IRQ (Interrupt Request Levels)
Periferní zařízení potřebují občas upozornit procesor na to, že s ním chtějí komunikovat Pro zpracování přerušení je určen spec. obvod – řadič přerušení(interrupt controller) – bývá často integrován do jednoho pouzdra s řadičem DMA Zdrojů, žádajících o přerušení je více. Rozlišení pomocí priorit – je stanoveno, které přerušení má přednost.

63 IRQ u sběrnic ISA Jednu linku přerušení může používat pouze jedno zařízení ! Vychází ze standardu IBM PC-XT – osm přerušovacích kanálů IRQ0 – IRQ7 Později rozšířeno(kaskádovitě přes IRQ2) o dalších osm O obsluhu se na základní desce stará obvod – řadič přerušení

64 IRQ u sběrnic ISA, EISA, MCA
Kanály jsou na obrázku řazeny podle priorit (nejvyšší prioritu má IRQ0). Kanály připojené přes IRQ2 mají vyšší prioritu než kanály následující za IRQ2

65 Běžná přiřazení IRQ

66 IRQ u sběrnic PCI Sběrnice používají programovatelný řadič přerušení. (Dynamické přidělování nejenom IRQ, ale také I/O oblastí a DMA) Přidělování je řízeno BIOSem nebo přímo systémem Sběrnice umožňuje sdílení IRQ

67 Sdílení IRQ u sběrnic PCI
Standard PCI používá čtyři linie přerušení INTA# až INTD# - propojené na čtyři vstupy programovatelného řadiče přerušení.(řadič je umístěn na boardu) 1. karta vyvolá přerušení 2. řadič zjistí dotazem na sběrnici, která karta o přerušení žádala a žádosti je vyhověno. Pokud žádá současně několik zařízení najednou, dojde k arbitráži a ta rozhodne, v jakém pořadí budou přerušení vyřízena.

68 Sdílení IRQ u sběrnic PCI
Na obrázcích je princip sdílení IRQ. Na obrázku A dochází často k arbitrážím(první bit přes který je IRQ požadováno je připojen vždy k INT A#. Tento problém nové typy desek řeší připojením prvního bitu(jimiž karty žádají o přerušení) na různá INT #

69 Sdílení IRQ u sběrnic PCI
Podle směrové tabulky (tu zavede BIOS nebo operační systém) a zjištěného zařízení, je kartě dovoleno komunikovat –mikroprocesor se ujme zpracování požadavku. Pokud karta potřebuje sběrnici jen pro sebe a bude komunikovat s jinou kartou - režim Bus Master

70 Sdílení IRQ u sběrnic PCI
Ukázka tabulky z manuálu základní desky –IRQ je sdíleno kartou umístěnou ve slotu 4 a USB kontrolérem a také sdílení přerušení kartou umístěnou ve slotu 3 a integrovanou grafickou kartou. Při potížích s instalací nové karty může pomoci její přemístění do jiného slotu, který je připojen na jiné IRQ(INT#)

71 DMA (Direct Memory Access)
Režim práce, v němž jsou rychle přenášena data mezi operační pamětí a periferií. Přenos řídí řadič DMA bez účasti procesoru 8 kanálů – žádná dvě zařízení nesmí používat jeden kanál současně! Jsou intergrovány do sběrnice

72 DMA (Direct Memory Access)
Obvyklé použití kanálů DMA v počítači

73 DMA (Direct Memory Access)
V PC-XT byly 4 kanály DMA0 – DMA3 V PC-AT rozšířeno o další4 (DMA4-DMA7) První čtyři (DMA0-DMA3 i u PC486!) byly osmibitové další 16-bitové Při volbě je lépe dávat přednost vyšším kanálům(u ISA se provádí jumpery u PCI programově) Moderní desky dokáží sdílet DMA

74 Které kanály IRQ a DMA jsou volné?
Otázka, kterou je nutno si položit před jakýmkoli rozšířením svého počítače. Jak to zjistíme? Snadno: 1. pravým tlačítkem klikneme na „Tento počítač“ 2. zvolíme vlastnosti(levým tl.) a zvolíme kartu „Správce zařízení“ 3. klepneme na „Počítač“ a klepneme na tlačítko „Vlastnosti“ Objeví se přehled systémových prostředků

75

76 Pozor na konfliktní zařízení!
U takového zařízení je vykřičník

77