1 Zklady informatiky Architektura pota 1999 2002 Michal

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

Von Neumannova koncepce počítače 2 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.

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

Von Neumannova koncepce počítače 4 • 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

Paměť 5 • 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).

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, … 6

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 7

Paměti typu RWM (RAM) 8 • 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)

* Statické RAM (SRAM) 9 • 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)

* 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, … 10

11 Paměťové moduly SIMM (72 -pin) DIMM

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) 12

* Paměti typu ROM 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

Procesor 14 • 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 80386 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

* 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. 15

* CPU – cont'd 16 Source: www. pctechguide. com

Sběrnice procesoru 17 • 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 216 bajtů, tj. 65 536 B = 64 KB, při šířce 40 bitů lze adresovat 240 B = = 1 099 511 627 780 B = 1 TB

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. 18

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) 19

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

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

* Rozdělení instrukcí procesoru 22 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, …)

Instrukční sady 23 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 „Generace procesorů“ Type/Generation Year 8086/First 8088/First 80286/Second 80386 DX/Third 80386 SX/Third 80486 DX/Fourth 80486 SX/Fourth 80486 DX 2/Fourth 80486 DX 4/Fourth Pentium/Fifth Pentium MMX/Fifth Pentium Pro/Sixth Pentium II/Sixth Pentium III/Sixth AMD Athlon/Seventh Pentium 4/Seventh AMD Athlon 64/Eight 1978 1979 1982 1985 1988 1989 1992 1994 1993 1997 1995 1997 1998 1999 2000 2003 Data/ Address Bus 16/20 bit 8/20 bit 16/24 bit 32/32 bit 16/32 bit 32/32 bit 64/32 bit 64/32 bit 64/64 bit L 1 Memory Internal Cache Speed Clock [KB] [MHz] None 4. 77 -8 None 6 -20 None 16 -33 8 25 -50 8 25 -40 50 -80 8+8 25 -40 75 -120 8+8 60 -66 60 -200 16+16 66 166 -233 8+8 66 150 -200 16+16 66 233 -300 16+16 66/100 300 -450 16+16 100 450 -600 64+64 266 500 -2 GHz 12+8 400 1. 4 -3. 6 GHz 64+64 400 2 -2. 4 GHz

25 Procesory firmy AMD Athlon Duron K 6 -2

Vyrovnávací paměť (Cache Memory) 26 • 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

Vyrovnávací paměť (Cache Memory) 27 • podle funkce a umístění se vyrovnávací paměť dělí na § L 1 Cache (1 st Level) – umístěna přímo v procesoru § L 2 Cache (2 nd 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 L 3 Cache (procesor AMD K 6 -III)

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

29 Základní deska Obsahuje (motherboard, mainboard) • procesor • • operační 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.

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 30

Motherboard (mainboard) – cont'd 31

Rozšiřovací (I/O) sběrnice 32 • 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

* Rozšiřovací (I/O) sběrnice Sběrnice ISA (Industry Standard Architecture) • někdy se též označuje jako AT-Bus • navržena procesor 80286 • 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 33

* 34 Blokové schéma sběrnice ISA Procesor Řadič sběrnice ISA Operační paměť Sběrnice procesoru 8 -bitové sloty 16 -bitové sloty Sběrnice ISA (zjednodušeno) L 2 cache

* Rozšiřovací (I/O) sběrnice 35 Sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect) • navržena procesory 80486 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 Pn. P (Plug and Play), který umožňuje snadnou konfiguraci PCI karet (prakticky bez zásahu uživatele)

* 36 Blokové schéma sběrnice PCI (zjednodušeno) Sloty PCI Most PCI/ISA Most CPU/PCI Procesor Sběrnice procesoru Sloty ISA Sběrnice PCI Operační L 2 paměť cache

* 37 PCI Slots ISA Slots Source: www. howstuffworks. com

* Rozšiřovací (I/O) sběrnice Sběrnice AGP (Accelerated Graphics Port) • navržena 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 1 x (přenosová rychlost 264 MB/s), AGP 2 x (528 MB/s) nebo AGP 4 x (1056 MB/s) 38

* 39 Block Diagram of the AGP Architecture Source: www. pctechguide. com

* AGP-based Graphics Card (example) Source: www. howstuffworks. com 40

Paralelní rozhraní (port) 41 • 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

Sériové rozhraní (port) 42 • 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

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 43

44 Základní deska SL-77 KV Specification www. soltek. com. tw Processor: AMD Athlon™ Chipset: VIA APOLLO KX 133, FSB 200 MHz, AGP 4 x Memory: 3 x 168 -pin 3. 3 V DIMM Sockets, Supports 8 MB to 768 MB (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

Základní deska SL-77 KV 45 On-Board Super I/O: 1 x Floppy Port, 2 x serial ports (high-speed 16550 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 (190 mm x 305 mm) BIOS: AWARD Plug-and-Play BIOS Supports Advanced Power Management Function Flash Memory for easy upgrade Other Features: Supports AGP 4 x, PC 133 compliant, Ultra ATA/66, AC'97 Audio Function, H/W Monitor

Základní deska SL-77 KV 46

Základní deska SL-77 KV 47

Napájecí zdroj 48 • 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: www. howstuffworks. com

* 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 PCI card floppy disk drive network interface card 50 x CD-ROM drive RAM 5200 RPM IDE hard disk drive 7200 RPM IDE hard disk drive Motherboard (without CPU or RAM) 550 MHz Pentium III 733 MHz Pentium III 300 MHz Celeron 600 MHz Athlon 20 to 30 W 5 W 5 W 4 W 10 to 25 W 10 W per 128 MB 5 to 11 W 5 to 15 W 20 to 30 W 23. 5 W 18 W 45 W

Správce zařízení v MS Windows 2000 50

Literatura • • • http: //www. zive. cz http: //www. pctechguide. com http: //www. fi. muni. cz/usr/brandejs/AP Vrátil, Z. : Postavte si PC. BEN, Praha 1999. Horák, J. : Učebnice hardware. Computer Press, Praha 1998. • Precht, M. – Meier, N. – Klein, J. : EDV-Grundwissen: Eine Einführung in Theorie und Praxis der modernen EDV. Addison-Wesley, 1996. • Колесниченко, О. – Шишигин, И. : Аппаратные средства РС. «БХВ» , Санкт-Петербург 1999. • Вильховченко, С. : Современный компьютер: устройство, выбор, модернизация. «Питер» , Санкт-Петербург 2000. 51

Kontrolní otázky 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 Procesor 80386 DX 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 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?