Hardware Jiří Zacpal

DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE PALACKÝ UNIVERSITY, OLOMOUC KMI/YUDIT Úvod do informačních technologií

Osnova

  • Kontrolní kódy
  • Hardware
  • Skříň
  • Sběrnice
  • Základní deska
  • Procesor
  • Paměť
  • Vstupní a výstupní zařízení

Literatura

Kontrolní kódy

Kontrolní kódy

  • kódy, které s příslušnou pravděpodobností zajišťují kontrolu přenášených informací
  • metody:
  • Grayův kód
  • Kódy p z n
  • Kontrola paritou

Grayův kód

  • Zrcadlový binární kód, známý také jako Grayův kód podle Franka Graye, je binární číselná soustava, ve

které se každá dvě po sobě jdoucí čísla liší v jediné číslici.

  • Zrcadlový binární kód byl původně navržen pro zabránění rušivého výstupu z elektromechanických přepínačů (hazardy relé).
  • Dnes je Grayův kód používán pro podporu opravy chyb v digitální komunikaci jako je digitální pozemní televize a některé systémy kabelové televize.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

KMI/YUDIT Úvod do informačních technologií

Binárně …0 …1 …10 …11 …100 …101 …110 …111 …1000 …1001 …1010 …1011 …1100 …1101 …1110 …1111

Grayův kód …0 …1 …11 …10 …110 …111 …101 …100 …1100 …1101 …1111 …1110 …1010 …1011 …1001 …1000

6

Kódy p z n

  • mají kódové slovo s délkou n bitů, z nichž p bitů jsou jedničky a je jich konstantní počet, ostatní bity jsou nuly
  • tyto kódy jsou kontrolní, protože je v nich možno detekovat chybu

Kód 2 z 5

8

4

2

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

2

0

0

1

0

1

3

0

0

1

1

0

4

0

1

0

0

1

5

0

1

0

1

0

6

0

1

1

0

0

7

1

0

1

0

0

8

1

0

0

0

1

9

1

0

0

1

0

KMI/YUDIT Úvod do informačních technologií

7

Kontrola paritou

  • Nejpoužívanějším způsobem kontroly správnosti přenášených dat po sběrnici nebo při záznamu a čtení z paměti je kontrola paritou.
  • Při této kontrole se používá detekční kód vytvořený tak, že se k bitům zobrazujícím data připojí další, paritní bit.
  • Když počet jedniček v takto vzniklém kódu je sudý, jde o sudou paritu.
  • Při lichém počtu jedniček jde o lichou paritu.
  • Paritní bit p, označovaný také jako příčná parita (VRC), umožňuje detekovat v každém kódovém slově lichý počet chyb.
  • Při přenosu bloku slov je možno na konci bloku vytvořit další kontrolní znak, znak podélné parity (LRC).
  • V LRC je hodnota každého bitu vypočtena jako parita všech bitů v příslušném sloupci bloku.
  • Kontrola příčnou a podélnou paritou umožňuje lokalizaci a opravu jedné chyby v bloku a detekci všech dvojic a trojic chyb.

Hammingův kód

  • Samoopravný kód
  • Hammingův kód (n,d)
  • n bitů ve slově
  • d bitů nese informace
  • n – d paritních bitů
  • Platí vztahy:
  • Detekce k chyb: d>=k+1
  • Oprava k chyb: d>=2*k+1

d detekce 1 0 2 1 3 2 4 3 5 4

oprava 0 0 1 1 2

Algoritmus Hammingova kódu

  • Algoritmus pro generování Hammingova kódu:

1. Všechny bitové pozice, jejichž číslo je rovné mocnině 2, jsou použity pro paritní bit (1, 2, 4, 8, 16, 32, …). 2. Všechny ostatní bitové pozice náleží kódovanému informačnímu slovu (3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, …). 3. Každý paritní bit je vypočítán z některých bitů informačního slova. Pozice paritního bitu udává sekvenci bitů, které jsou v kódovém slově zjišťovány a které přeskočeny.

  • Pro paritní bit p1 (pozice 1) se ve zbylém kódovém slově 1 bit přeskočí, 1 zkontroluje, 1 bit přeskočí, 1 zkontroluje, atd.
  • Pro paritní bit p2 (pozice 2) se přeskočí první bit, 2 zkontrolují, 2 přeskočí, 2 zkontrolují, atd.
  • Pro p3 (pozice 4) se přeskočí první 3 bity, 4 zkontrolují, 4 přeskočí, 4 zkontrolují, atd.

Složení počítače

Součásti počítače

  • Skříň
  • Zdroj
  • Základní deska
  • Procesor
  • Paměť
  • Sběrnice
  • Periférie
    • Monitor
    • Tiskárna
    • Klávesnice a myš

Skříň

  • provedení: desktop, (mini/midi/big)tower, rackové,
  • laptop/notebook, palmtop, embedded, atd.
  • korespondence s rozměry základní desky (otvory pro zdroj, konektory, lišty pro přídavné karty)
  • šachty pro mechaniky výměnných médií a karet (5,25’’, 3,5’’, PCMCIA) aj., tlačítka pro zapnutí a reset,
  • signalizace a indikátory (detekce otevření, LED), konektory pro USB, audio aj.
  • výrobci: Antec, AOpen, ASUS, Chieftec, Cooler Master, DFI, Ever Case, Foxconn a další

Zdroj napájení

  • zajišťuje el. napájení stejnosměrným proudem všech (vnitřních) součástí počítače
  • typicky +3; 3,+-5,+-12 V, 300-800 W pro osobní počítače, 25-100 W pro laptopy,

více zdrojů (redundantních) pro servery a pracovní stanice, efektivita od 75 do 90 %

  • korespondence s rozměry základní desky (konektory) a skříně, AT nebo ATX
  • výrobci: Antec, Enermax, Foxconn a další

Základní deska

  • základní součást, ke které (na kterou) se připojují další zařízení, které propojuje: procesor(y), paměti,

přídavné karty, disková zařízení, periferie a další

  • vícevrstvý obdélníkový plošný spoj s obvody propojujícími zařízení pomocí vnitřních sběrnic
  • formáty (form factor):
  • PC/XT (IBM) - první pro osobní počítače, de facto standard
  • AT (IBM) – 305x 350 mm, varianta Baby
  • ATX (Intel, 1995) - 244×305 mm, nejpoužívanìjší, varianty micro (244×244 mm), Extended, Flex, Ultra
  • odpovídající skříň, různé konektory pro napájení od zdroje, různě rozmístění konektorů pro periferie
  • výrobci: Aopen, ASRock, ASUS, Biostar, EPoX, Foxconn, Gigabyte Technology, Intel, Jetway, Micro-Star, Palit, Soyo, VIA a další

Sběrnice

  • soustava vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače
  • části sběrnice:
  • Adresová
  • slouží k výběru určité paměťové buňky nebo I/O zařízení
  • většinou má šířku 16 – 40 bitů (určuje velikost paměti, s jakou je procesor schopen pracovat)
  • Datová
  • šířka určuje, kolik bitů lze najednou přenést mezi procesorem a pamětí
  • většinou 8 až 64 bitů
  • obvykle vnitřní i vnější datová sběrnice má stejnou délku
  • podle šířky se mluví o osmibitových procesorech, šestnáctibitových procesorech, …
  • Řídící
  • jejím prostřednictvím předává procesor povely ostatním zařízením a přijímá stavové a řídící informace z okolí
  • počet řídících signálů bývá pro různé procesory různý (10 až 100)

Dělení sběrnic

Dle umístění, funkce, způsobu přenosu.

  • dle umístění:
    • vnitřní: na základní desce (součást jejích obvodů),
    • vnější (rozhraní): k diskovým zařízením a periferiím,
  • dle funkce
    • adresová - výběr adresy v paměti nebo zařízení na sběrnici, šířka 8 až 64 bitů - určuje, s jak velkou

pamětí nebo s kolika zařízeními lze (přímo) pracovat

  • datová - přenos dat po sběrnici, šířka 1 až 128 bitů, udává „bitovost“ sběrnice
  • řídící - řízení zařízení na sběrnici pomocí řídících a stavových informací, šířka 1 až 8 bitù - urèuje poèet řídících signálů a stavů
  • dle způsobu přenosu
  • Paralelní
  • Sériová
  • další dělení
  • Lokální
  • Universální

Standardy sběrnic

  • ISA - starší typ pasivní sběrnice, šířka 8 nebo 16 bitů, přenosová rychlost < 8 MB/s
  • EISA, Microchannel
  • PCI - novější typ „inteligentní“ sběrnice, šířka 32 nebo 64 bitů, burst režim, přenosová rychlost < 130 MB/s (260 MB/s)
  • AGP - jednoúčelová sběrnice určená pro připojeni grafického rozhraní (karty) k systému, přenosová rychlost 260 MB/s - 2 GB/s
  • PCI-Express (PCIe) - nová sériová implementace sběrnice PCI
  • USB - sériová polyfunkční sběrnice
  • 1.1 přenosová rychlost 12 Mb/s (~1,43 MB/s),
  • 2.0 přenosová rychlost 480 Mb/s (~57 MB/s),
  • 3.0 přenosová rychlost 4800 Mb/s (~572 MB/s)
  • FireWire - sériová polyfunkční sběrnice, široké použití, 50 MB/s
  • I2C

Čipová sada (chipset)

  • integrované obvody (s pasivním chladičem) na základní desce pro řízení pamětí a sběrnic, propojení procesoru, sběrnic a připojení dalších zařízení
  • konstruované pro konkrétní typy a počty/množství procesorů a pamětí
  • severní můstek, systémový řadič (north bridge, memory controller hub)
  • propojuje procesorovou sběrnici FSB (procesor, paměti) s vnitřními sběrnicemi (AGP, PCI Express) a jižním můstkem (můstky, interní sběrnice)
  • obsahuje např. řadič operační paměti MMU (dříve, dnes součást procesoru), řadič cache paměti = vyrovnávací paměti mezi různě rychlými zařízeními (na frekvenci rychlejšího), např. procesorem a operační pamětí

Čipová sada (chipset)

  • jižní můstek, vstupně/výstupní řadič (south bridge, I/O controller hub)
  • propojuje severní můstek a vnitřní sběrnice (PCI, PCI Express) s vnějšími, příp. se sběrnicí ISA
  • obsahuje např. řadič diskových zařízení a polí, řadiè DMA (Direct Memory Access, umožnění přímého

přístupu zařízení do operační paměti), řídící obvody vnějších sběrnic a rozhraní a připojení BIOSu

  (sběrnice LPC k čipu Super I/O), integrované karty
* výrobci: Intel, AMD, NVidia, VIA Technologies, SiS a další

BIOS

  • Basic Input Output System
  • program poskytující základní nízkoúrovňové služby: start počítače, vstupní (obsluha klávesnice, myši),

výstupní (text, graka), dále např. datum a čas, správa napájení, síťové

  • rozhraní mezi hardwarem a operačním systémem
  • umožňuje základní konfiguraci hardwaru počítače (tzv. SETUP): zapnutí/vypnutí zařízení, základní nastavení

zařízení (parametrů, přiřazení zdrojů - přerušení, DMA kanály, vstupní/výstupní adresy, přiřazený paměťový

  rozsah aj.), zařízení pro zavedení operačního systému
* firmware uložený v paměti ROM (Flash EEPROM) na základní desce
* konfigurační data v paměti CMOS RAM zálohované baterií
* výrobci: Award, Phoenix, Ami

Mikroprocesor

Registry

  • paměťové buňky, které slouží procesoru pro ukládání mezivýsledků výpočtů
  • druhy registrů:
  • Univerzální registry
  • lze je volně používat pro aritmetické a logické operace
  • Intel 8086: AX, BX, CX, DX
  • Indexové a ukazatelové registry
  • tyto registry se nejčastěji používají pro adresaci dat
  • Intel 8086: SP (ukazatel zásobníku), BP (ukazatel báze), SI (index zdrojové adresy), DI (index cílové adresy)
  • Programový čítač
  • tento registr obsahuje offsetovou část adresy následující programové instrukce
  • Intel 8086: IP (Instruction Pointer)
  • Příznakový registr
  • obsahuje jednobitové indikátory, které určují okamžitý stav mikroprocesoru.

Přerušení

  • metoda pro asynchronní obsluhu událostí, kdy procesor přeruší vykonávání sledu instrukcí, vykoná obsluhu
  • přerušení a pak pokračuje v předchozí činnosti

druhy:

  • Vnější přerušení (též hardwarové přerušení)
  • je označováno podle toho, že přichází ze vstupně-výstupních zařízení (tj. z pohledu procesoru přicházejí z vnějšku).
  • vstupně-výstupní zařízení tak má možnost si asynchronně vyžádat pozornost procesoru a zajistit tak svoji obsluhu ve chvíli,

kdy to právě potřebuje bez ohledu na právě zpracovávanou úlohu.

  • Vnitřní přerušení
  • vyvolává sám procesor, který tak signalizuje problémy při zpracování strojových instrukcí a umožňuje

operačnímu systému na tyto události nejvhodnějším způsobem zareagovat

  • jedná se například o pokus dělení nulou, porušení ochrany paměti, nepřítomnost matematického koprocesoru, výpadek stránky a podobně.
  • Softwarové přerušení
  • je speciální strojová instrukce
  • tento typ přerušení je na rozdíl od druhých dvou typů synchronní, je tedy vyvoláno zcela záměrně

umístěním příslušné strojové instrukce přímo do prováděného programu honza: např. vyvolá syscall

  • instrukce softwarového přerušení se proto využívá pro vyvolání služeb operačního systému z běžícího procesu (tzv. systémové volání).
  • honza: vektor přerušení

Metody zvýšení výkonu procesoru

  • zvýšení taktovacího kmitočtu procesoru,
  • zvýšení bitové šířky dat,
  • zavedení vyrovnávací paměti a front instrukcí,
  • zřetězené zpracování instrukcí (pipelining),

Paměť cache

  • rychlá vyrovnávací paměť
  • slouží k ukládání dat při přesunu mezi různě rychlými částmi počítače
  • druhy:
  • L1 (First Level Cache)
  • je integrována přímo do procesoru
  • slouží k dočasnému ukládání dat ve směru ze sběrnice do procesoru
  • L2 (Second Level Cache)
  • pro zrychlení přesunů mezi mikroprocesorem a operační pamětí
  • zpravidla je uložena na základní desce nebo v pouzdře procesoru

Instrukční sada

  • množina všech instrukcí procesoru, pevně zabudována (dnes upravitelná/rozšiřitelná)
  • CISC (Complete Instruction Set Computer) - tzv. úplná instrukční sada, všechny možné déle trvající

instrukce, u osobních počítačů navenek procesoru, např. Intel, AMD

  • RISC (Reduced ISC) - redukovaná instrukční sada, jen několik základních jednoduchých rychlých instrukcí,

ostatní složitější jsou složeny ze základních, např. IBM Power PC, u osobních počítačů interně u novějších procesorů Intel, AMD

  • instrukce přesunu (mezi registry, operační pamětí), aritmetické, logické (log. operace, posuvy, rotace),

skoku, vstupně/výstupní (pro práci s periferiemi), ostatní (řídící aj.), a další

Procesory Intel

vedoucí výrobce procesorů pro osobní počítače, od 1972 i další (IBM, AMD, Cyrix)

  • 4004 (1971) - první, 4-bitový, 108 kHz, 2 300 tranzistorů
  • 8008 (1972), 8080 (1974), 8088 (1979) - 8-bitové, 2-5 MHz, 6-29 tis. tranzistorů
  • 8086 (1978) - 1. 16-bitový
  • 80286 (1982) - 16-bitový, 24-bitová adresová, až 12 MHz, 130 tis. tranzistorů
  • reálný režim - po inicializaci procesoru, podle 8086
  • chráněný režim - zapnutí instrukcí z reálného (bez možnosti zpět), stránkování paměti (stránky = kusy

fyzické paměti) a virtuální paměť, adresace až 16 MB fyzické operační paměti a 1 GB virtuální, 4 úrovně

  ochrany programu (Ring 0 až 3)

Procesory Intel

  • 80386 (1985) - 1. 32-bitový, vnější 16 MHz, 280 tis. tranzistorů,
  • verze SX (do základních desek pro 16-bitový 80286), DX, segmentace paměti (segmenty = oblasti virtuální

paměti programu s různými právy), 32-64 kB L2 cache na základní desce

  • 8087, 80287, 80387SX, 80487SX - matematické koprocesory, na základní desce vedle procesoru
  • 80486 (1989) - vnější 25 MHz, 1,2 mil. tranzistorů, verze SX (vylepšený 80386, 8 kB L1 cache), DX, DX/2

(dvojnásobná vnitřní frekvence), DX/4 (trojnásobná), integrovaný matematický koprocesor, pipelining =

  více rozpracovaných instrukcí zároveň
* Pentium (1993) - 64-bitový (vnitřně 32!), 32-bitová adresová, vnější 60 MHz, 3.1 mil. tranzistorů, 16 kB L1
  (8 kB pro instrukce, 8 kB pro data, harvardská koncepce), rysy RISC instrukèní sady, superskalární
  architektura = více (2) proudů vykonávání instrukcí, umožňuje provádět více (2) instrukcí současně, 2 ALU,
  „předvídání„ cílové adresy instrukcí podmíněných skoků, klony AMD K5, Cyrix M1

Procesory Intel

  • Pentium MMX (MultiMedia eXtension), MMX2 - až 200 MHz, 57 a 70 instrukcí pro zpracování

multimediálních dat (s opakujícími se smyčkami, paralelní vykonávání, s plovoucí řádovou čárkou, využití

  registrů FPU), architektura SIMD (Single Instruction Multiple Data, paralelní zpracování dat), data
  zpracovávána po 64 bitech
* Pentium Pro (P6, 1995) - 36-bitová adresní část sběrnice, druhý čip v pouzdře pro 256 kB až 1 MB L2
  cache, RISC jádro, 5 paralelních jednotek (2 ALU, 2 sběrnicové, 1 FPU)
* Pentium II (1997) - od 233 MHz, vnější 100 MHz, 7,5 mil. tranzistorů, nové pouzdro (S.E.C.) do slotu Slot 1,
  verze Xeon pro servery a pracovní stanice (vyšší výkon), Mobile (M) pro notebooky (nižší spotřeba)
* Celeron - vnější 66 MHz, bez L2 cache -> pomalý, od verze 300A 128 kB L2 cache, pouzdro (PPGA) do
  patice Socket 370 (existuje redukce na Slot 1)

Procesory Intel

  • Pentium III (1999) - od 400 MHz, vnější až 133 MHz, 9,5 mil. tranzistorů, dvě výrobní technologie (0,25 a

0,18 mikrometru vyšší výkon, nižší spotřeba, 1,6 V místo 2 V), integrovaná 256kB L2 cache na čipu, 70

  nových instrukcí SSE (Streaming SIMD Extensions) pro 3D
* Pentium 4 (2000) - od 1,3 GHz, vnější 400 a 533 MHz (technologie DualBus - dvojice paměťových karet),
* 42 mil. tranzistorů, nové jádro, architektura NetBurst - vyšší frekvence, ale i spotřeba (potřeba zdroje ATXP4 s přídavným konektorem), další cache (např. Execution Trace Cache pro dekódované makroinstrukce),
* dalších 144 instrukcí SSE2 pro plovoucí řádovou čárku, verze HT (HyperThreading) - zdvojené registry, simulace dvou procesorů
* Itanium (2001) - 1. plně 64-bitový, instrukční sada IA-64 (Itanium), pro servery a pracovní stanice
* Core (2006) - vícejádrové, sdílená až 2/6MB L2 cache, verze Solo, Duo (32-bitové), Core 2 (64-bitové), Duo, Quad (2 cache), Extreme, i3/5/7/9 (až 12 MB L3 cache)

Paměť

  • Vnitřní paměť - k uchování informace používají tranzistory a kondenzátory, jedná se tedy o integrované obvody.
  • registry procesoru,
  • vyrovnávací paměť procesoru,
  • operační paměť
  • ROM
  • RAM
  • virtuální paměť
  • Vnější paměti - jsou založeny na magnetickém nebo optickém principu
  • hard disk (HDD)
  • CD, DVD, Blueray disky

Vnitřní paměť

  • typy:
  • ROM
  • pouze pro čtení
  • PROM – prázdné, lze je jednorázově naplnit
  • EPROM – lze je vymazat (např. působením ultrafialového záření)
  • Flash-ROM – programovatelné přímo v PC
  • RAM
  • paměti s náhodným přístupem

Paměti RAM

  • DRAM
  • dynamická paměť RAM
  • konstrukčně je tato paměť velmi jednoduchá, je složena z párů kondenzátor-tranzistor
  • aby nedošlo ke ztrátě informace, musí být náboj periodicky obnovován
  • SRAM
  • statická paměť
  • vzájemného propojení až šesti tranzistorů
  • rychlejší než DRAM, ale dražší

Pevný disk

  • Parametry:
  • Technologie: HDD, SSD
  • Velikost: 2,5‘‘, 3,5‘‘
  • Kapacita
  • Počet otáček
  • Vyrovnávací paměť
  • Rozhraní: SATA, IDE

Geometrie pevných disků

  • disk je rozdělen do soustředných kružnic – stop (track)
  • každá stopa se dělí na sektory
  • množina všech stop na všech discích se stejným číslem se označuje jako válec (cylinder) geometrie disku udává :
    • hlavy disku (heads) – počet čtecích hlav pevného disku
    • stopy disku (tracks) – počet stop na každé aktivní ploše disku
    • cylindry disku (cylinders) – počet cylindrů pevného disku
  • honza: dnes LBA, 4KiB sektory aj.

Řadiče pevných disků

funkce:

  • zajišťuje čtení a zápis dat na pevný disk
  • se sběrnicí zajišťuje přenos dat mezi diskem a procesorem

typy:

  • IDE (PATA)
  • navržen pro sběrnici ISA
  • integrován přímo na mechanice disku
  • spojení se základní deskou pomocí karty ISA
  • na kartu lze připojit dvě zařízení (MASTER-SLAVE)
  • SATA
  • vyšší rychlost oproti IDE
  • možnost připojování disků za chodu systému (tzv. Hot Swap)
  • menší rozměry kabelů

SCSI

  • kvalitnější, ale dražší řešení
  • každá jednotka má vlastni řadič
  • používá se u serverů
  • honza: protokol? iSCSI

Ostatní součásti počítače

Mechaniky

  • CD/DVD:
  • Média: BlueRay, DVD+-, CD
  • Rychlost zápisu a čtení
  • Rozhraní
  • Disketová
  • Čtečka karet
  • Druh karet

Karty

  • Grafická:
  • Rozhraní (AGP, PCIe)
  • Čip
  • Velikost paměti
  • Zvuková
  • Síťová
  • TV

Vstupně výstupní zařízení

Vstupní zařízení

  • polohovací zařízení (počítačová myš)
  • klávesnice
  • scanner

Monitor

  • Parametry
  • Uhlopříčka: 15‘‘-24‘‘
  • Rozlišení
  • Jas a kontrast
  • Odezva
  • Rozhraní (VGA, DVI-I, HDMI, …) honza: DisplayPort

Tiskárna

  • Druh
  • Jehličková
  • Inkoustová
  • multifunkční
  • připojení
  • Laserová
  • barevná, černobílá

Podrobnější informace

Příště

• Operační systém a jeho funkce při ovládání počítače, z uživatelského i administrátorského pohledu. Struktura a funkce operačního systému (správa procesů, paměti a disku) .

YUDIT/yudit_prednaska_02_hardware.txt · Last modified: 2015/01/30 07:11 (external edit)
CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported
www.chimeric.de Valid CSS Driven by DokuWiki do yourself a favour and use a real browser - get firefox!! Recent changes RSS feed Valid XHTML 1.0