Jdi na obsah Jdi na menu
 


Maturitní otázka číslo 3: Hardware

(typy PC, motherboard, čipset, sběrnice, CPU)

Typy PC

Rozdělení podle použití:

Notebooky

Přenosné počítače velikosti A4 do hmotnosti 3 kg. Výkonem se blíží stolnímu počítači, pořizovací náklady

jsou však mnohem vyšší. Liší se od stolního počítače typem obrazovky (LCD) a možností pracovat na baterie

(průměrně okolo 3 hodin).

Pracovní stanice

Je to nejvýkonnější skupina osobních počítačů. Mají vysoký výkon, a vysokou cenu. Používají se pro

animace, simulace fyzikálních a chemických jevů atd.

Mainframe (Sálové počítače)

Stále se jich vyrábí a prodává poměrně velké množství, protože centra rozsáhlých podnikových sítí potřebují

vysoký výkon, spolehlivost a obrovské diskové kapacity.

Superpočítače

Jestliže se mainframů prodávají statisíce kusů, tak výroba superpočítačů činí jen stovky kusů ročně. Spojení

řádově stovek až tisíců procesorů dává výborný výpočetní výkon. Jejich využití je pro vojenské )čely, náročné

simulace (např. předpověď počasí) a vědecké výpočty.

Základní deska (mainboard, motherboard)

Fyzicky je reprezentována deskou plošného spoje s mnoha elektronickými obvody a konektory pro připojení

dalších periferií počítače. Většina soudobých základních desek obsahuje tyto důležité součásti:

Patici či konektor pro procesor

Čipovou sadu (sestávající z čipů North a South Bridge či rozbočovačů)

Čip pro vstupy a výstupy (Super I/O)

ROM BIOS (Flash ROM)

Patice pro paměťové moduly DIMM / SIMM / RIMM

Sběrnici ISA / PCI / AGP

Konektor AMR (Audio Modern Riser)

Konektor CNR (Communications and Networking Riser)

Regulátor napětí pro procesor

Baterii

Na některých deskách můžeme také nalézt integrované videokarty, zvukové karty, síťové karty či řadiče SCSI.

BIOS (Basic Input Output System)

je program umístěný v paměti ROM (uchovává informace i po odpojení zdroje)

funguje jako „tlumočník“ mezi hardwarem (různých typů a výrobců) a operačním systémem (dále jen OS

vstupy do BIOSu jsou různé (podle výrobců), výstupy jsou přesně definovány OS

neexistuje univerzální BIOS, většina výrobců instaluje do svých počítačů svůj a každý BIOS obsahuje

„setup“, kterým se přizpůsobuje parametrům konkrétního PC

Propojka (Jumper)

v zájmu maximální univerzálnosti je nutné nastavit některé parametry základní desky nezávisle na BIOSu;

tyto parametry se nastavují pomocí propojek (jumperů)

jumper je skupina kontaktů (pinů), které se dají navzájem propojit

funkce jednotlivých jumperů na konkrétní základní desce je popsáno v dokumentaci k základní desce

Čipová sada (Čipset)

Chceme-li se zabývat základními deskami, musíme se především věnovat čipovým sadám. Čipová sada totiž

je nejdůležitější součástí základní desky a platí, že každé dvě desky se stejnou čipovou sadou jsou funkčně

totožné. Součástí čipové sady je rozhraní pro procesor, řadič pamětí, řadič sběrnice, řadiče vstupu a výstupů a

další. Jestliže procesor počítače je často přirovnáván k motoru osobního automobilu, pak čipová sada v tomto

srovnání odpovídá nosné kostře takového auta. Procesor není schopen komunikovat s pamětí, rozšiřujícími

kartami či různými zařízeními bez čipové sady.

Jestliže tedy čipová sada definuje rozhraní mezi procesorem a ostatními součástmi systému, pak také čipová

sada určuje, jaký procesor můžete ve svém systému použít. Kromě toho určuje, na jaké rychlosti tento

procesor bude možné provozovat, jak rychlé budou sběrnice či jaký typ pamětí budete moci použít. Z toho

plyne, že při úvahách o nákupu či modernizaci systému je vhodné nejprve se zabývat otázkou výběru skutečně

moderní čipové sady.

Vývoj čipové sady

Základní desky prvních PC, vyráběných firmou IBM, obsahovaly kromě procesoru mnoho dalších čipů, které

– z hlediska své funkce – vytvářely čipovou sadu. K těmto obvodům patřil např. Generátor hodin, řadič

sběrnice, systémový časovač, řadič přerušení a řadič přímého přístupu do paměti, řadič klávesnice, CMOS

RAM apod. U počítačů PC AT celou sadu tvořilo celkem devět různých čipů (kromě procesoru a

matematického koprocesoru). V té době byly všechny tyto obvody – až na systémové hodiny – vyráběny

firmou Intel. Celkově základní deska v té době obsahovala až 100 různých obvodů, díky čemuž byla výroba

základní desky poměrně nákladnou záležitostí. Roku 1986 firma Chips and Technologies přišla na trh s

revoluční novinkou: vyvinula čip nazvaný 82C206, který tvořil nejdůležitější část první čipové sady pro PC.

Tento jediný obvod byl schopen zajistit funkce generátoru hodin, řadiče sběrnice, systémového časovače,

dvojitého řadiče přerušení, dvojitého řadiče přímého přístupu do paměti a dokonce paměti CMOS s hodinami.

Čip 82C206 byl na základní desce doplňován ještě čtyřmi dalšími obvody, zajišťujícími funkce řadičů paměti

a zásobníků. Počet nejdůležitějších čipů na základní desce tehdy klesl na pět. Je zřejmé, že díky tomuto

obvodu výrazně klesla cena základních desek. V průběhu dalších let firma Chips and Technologies snížila i

počet čipů podporujících 82C206. Konečným výsledkem takového vývoje pak byla čipová sada 82C836

SCAT (Single Chip AT), tvořená jediným obvodem.

Tento revoluční čip podnítil vznik mnoha firem zabývajících se vývojem a výrobou čipových sad. Až do roku

1993 byl tento trh ovládán v podstatě nezávislými firmami; v té době si však firma Intel uvědomila svou

příležitost, , zahájila masovou výrobu svých vlastních čipových sad a od roku 1994 ovládá trh s čipovými

sadami pro svoje procesory. Máte-li tedy ve svém počítač procesor Intel a je-li tento počítač vyroben po roce

1994, pak s velkou pravděpodobností najdete na základní desce čipovou sadu Intel. Někteří z původních

výrobců čipových sad v důsledku tohoto vývoje zanikli, jiní našli své uplatnění při výrobě čipových sad pro

procesory firmy AMD. Trhu s čipovými sadami pro tyto procesory nyní dominují firmy AMD a VIA

Technologies.

Čipové sady založené na architektuře North / South Bridge

Většina starších čipových sad firmy Intel (a téměř všechny čipové sady jiných výrobců) sestává z několika

součástí označovaných jako North Bridge, South Bridge a Super I/O.

Čip North Bridge je tak nazván proto, že jeho hlavním úkolem je propojení rychlejší procesorové sběrnice

s pomalejšími sběrnicemi pro grafiku (AGP) a pro další součásti systému (PCI). Název celé čipové sady

bývá odvozen od názvu tohoto čipu; např. čipová sada 440BX firmy Intel se tak jmenuje proto, že čip

North Bridge této sady má označení 82443BX.

Název čipu South Bridge je odvozen od jeho úkolu, kterým je spojení sběrnice PCI s ještě pomalejší

sběrnicí ISA.

Super I/O čip je oddělený čip připojený ke sběrnici ISA, který však nebývá považován za součást čipové

sady. Obvykle také bývá vyroben nějakým jiným výrobcem (např. National Semiconductor či Standard

MicroSystems Corp.). Tento čip umožňuje připojení běžných periferií k systému.

Čipové sady založené na architektuře rozbočovačů

Novější čipové sady firmy Intel jsou založeny na rozbočovačích, přičemž čip North Bridge je nazýván

rozbočovačem řadiče paměti a čip South Bridge je označován pojmem rozbočovač řadiče vstupů a výstupů.

Na rozdíl od architektury North / South Bridge jsou tyto dvě základní části čipové sady propojeny speciálním

rozhraním rozbočovače, pracujícím na rychlosti 4x66 Mhz. Toto rozhraní je ve srovnání s PCI sběrnicí

dvakrát rychlejší a navíc tuto sběrnici nevyužívá pro své přenosy. Výsledný datový tok tohoto rozhraní je 266

MB/s, přičemž ostatní zařízení připojená ke sběrnici PCI, pracují také rychleji, neboť přenosy mezi

rozbočovači nejsou prováděny po PCI.

Sběrnice (Bus)

Srdcem každé základní desky jsou sběrnice. Přitom pojmem sběrnice se označuje jakákoliv skupina vodičů,

po které jsou data v systému přenášena z jedné součásti desky do druhé. U většiny moderních PC nalezneme

obvykle 3 sběrnice, u některých systémů však i více. Tyto sběrnice jsou uspořádány hierarchicky, neboť platí,

že pomalejší sběrnice je vždy zapojená do rychlejší, která je v hierarchii postavena o úroveň výše. Každé

zařízení v systému je pak připojeno k jedné z těchto sběrnic, přičemž některá zařízení (především čipová sada)

vykonávají funkci mostů mezi sběrnicemi.

Základní sběrnice moderního PC jsou tyto:

Procesorová sběrnice. Občas se také označuje zkratkou FSB (Front Side Bus). Jedná se o nejrychlejší

sběrnici celého systému, tvořící také jádro základní desky a čipové sady. Sběrnice je využívána především

samotným procesorem k načítání a ukládání informací do (z) pamětí cache, systémové paměti či obvodu

North Bridge čipové sady. U soudobých PC tato sběrnice pracuje na rychlosti okolo 800 Mhz.

Grafická sběrnice AGP (Accelerated Graphics Port). Jde o rychlou, 32bitovou sběrnici, navrženou

speciálně pro grafické karty. Pracuje na rychlosti 66 Mhz (AGP 1x) až 266 Mhz (AGP 8x), z čehož

vyplývá i max. přenosová rychlost 2,133 GB/s. Tato sběrnice je většinou propojena s obvodem North

bridge či rozbočovačem řadiče paměti čipové sady.

Sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect). Tato sběrnice pracuje ve většině případů na rychlosti

33 Mhz a má šířku 32 bitů. Existuje však i její rychlejší varianta (66 Mhz), mající šířku 64 bitů, která se

používá především ve výkonných grafických stanicích a serverech. Sběrnice je generována obvodem North

Bridge či rozbočovačem řadiče paměti čipové sady. Zmíněný obvod je tedy současně řadičem sběrnice

PCI. Obvod South Bridge čipové sady je k této sběrnici připojen a generuje sběrnice IDE a USB.

Sběrnice PCI-Express (známá též jako 3GIO = 3rd Generation I/O) je nová implementace PCI sběrnice,

která používá existující programovací návrhy a komunikační standardy, ale je založena na mnohem

rychlejší sériové komunikaci. PCI-Express je primárně podporována firmou Intel, která na tomto standardu

začala pracovat.

PCI-Express je navržena jen pro použití jako lokální sběrnice. Vyšší rychlosti sběrnice ji předurčují k použití

místo všech existujících interních sběrnic včetně AGP a PCI. Intel si představuje, že jediný řadič PCI-Express

komunikující s všemi externími zařízeními by mohl konkurovat řešení pomocí northbridge a southbridge,

které je používáno dnes.

Momentálně se PCI-Express stává novým standardem pro osobní počítače. High-end grafické karty obou

hlavních výrobců (ATI Technologies a nVidia) byly nedávno předělány z AGP na PCI-Express, což nejspíš

ostatní firmy donutí se přizpůsobit.

Mikroprocesor

mikroprocesor je „mozek“ počítače, zpracovává instrukce od programů, kterými je řízen, a tak vlastně plní

zadané úkoly

jeho kvalita podstatně (ne však úplně) ovlivňuje rychlost a výkonnost počítače

jádrem je logický obvod, který dokáže zpracovat sadu jednoduchých mikroinstrukcí (pouze jednoduché

příkazy)

každý mikroprocesor je však vybaven „programátorsky přívětivější“ sadou instrukcí, určenou pro jeho

praktické programování

převod instrukční sady (pro programátory) na mikroinstrukce (pro mikroprocesor) obstarává program

napsaný v mikroinstrukcích, který je nedílnou součástí každého mikroprocesoru

Koncepce mikroprocesoru

Complete Instruction Set Computer (CISC) je řešením, kdy je mikroprocesor vybaven co nejúplnější

instrukční sadou (např. Intel x86)

Reduced Instruction Set Computer (RISC) vychází ze znalosti, že pro vykonání 80% operací je potřeba jen

asi 20% instrukcí. Mikroprocesor je pak vybaven jen základními mikroinstrukcemi, které jsou jednodušší a

tedy i snadněji proveditelné (např. Power PC)

tato koncepce provede jednu instrukci rychleji, protože CISC potřebuje k vykonání instrukce program

vytvořený z velkého množství mikroinstrukcí

složité instrukce(které provádí pomaleji než CISC) nejsou tak časté, takže ve výsledku pracuje tato

koncepce o něco rychleji

prvky této koncepce se stále častěji objevují i v mikroprocesorech s koncepcí CISC

RISC mikroprocesory jsou jednodušší, a proto i levnější, ale zatím na trhu osobních PC převládá první typ

a druhá varianta se uplatňuje u „velkých“ počítačů nebo jako jednoúčelová (např. pro ovládání laserových

tiskáren)

Mikroprocesor zevnitř

z fyzikální stránky je procesor přesně znečištěný křemík

z elektrotechnické stránky je procesor obrovské množství tranzistorů na velmi malé ploše

z logické stránky :

R egistry: mikroprocesor pracuje s daty, které při momentálním zpracovávání musí

ukládat do svých pamětí, registrů (u každého mikroprocesoru. jiné)

A dresování: mechanismus, kterým mikroprocesor specifikuje adresy v paměti, na nichž

leží zpracovávaná data (opět více způsobů)

I nstrukční sada: musí obsahovat např. instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry,

aritmetické a logické instrukce, instrukce pro řízení programu, několik systémových

instrukcí nebo instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí

S ystém přerušení: přerušení je signál, vyslaný k mikroprocesoru hardwarem či

programem, který zabírá procesor pro svého vysílatele (klasickým příkladem je stisk

klávesy – po stisknutí klávesy odešle klávesnice signál přerušení, který okamžitě přeruší

svou činnost a vykoná povel zadaný klávesou). Procesory mají vektorový systém

přerušení, tzn. že každé přerušení je označeno číslem. Tyto čísla jsou uložena na určitém

místě v operační paměti, v tabulce vektorů přerušení. Před skokem na vektor přerušení

uloží mikroprocesor svůj momentální stav do speciálního registru(zásobníku). To mu

umožní vrátit se po provedení pokynu na místo, kde byl přerušen. Mikroprocesor musí

obsahovat i mechanismus, kterým přerušení dočasně zakáže.

S práva paměti: „stojí“ mezi adresami generovanými programem a skutečnými adresami v

operační paměti (přetváří první adresy na druhé pro lepší využití operační paměti)

Neméně důležitým úkolem je chránit programy (aby souběžně pracující programy

nevyužívaly stejné adresy v operační paměti)

Z abezpečení: v podstatě druhý úkol správy paměti; využívá nejméně dva režimy práce –

systémový (povoleno vše) a uživatelský (povoleno to, co povolil program v systémovém

režimu práce); brání programům v provádění destruktivních akcí

P aměť cache: mezisklad mezi různě rychlými komponentami počítače – z pomalejší se

načtou data do cache a rychlejší komponenta nemusí čekat na pomalejší, ale čerpá data

přímo z cache paměti;

First level cache (L1) – přídavná paměť v mikroprocesoru (načítá data pro mikroprocesoru. ze sběrnic,

které jsou oproti mikroprocesoru. pomalejší; běžná velikost 128kB – 1 MB)

Second level cache (L2) – přídavná paměť na základní desce (načítá data, která proudí do mikroprocesoru.

a skladuje je pro případ, že by je později ještě potřeboval; rychlejší než op. paměť; řadič této paměti je

částečně schopen předpovídat, jaká data bude procesor ještě potřebovat a ty ukládá přednostně; běžná

velikost 512kB – 4 MB)

P ipelined b urst : dnes nejčastější režim využívání cache pamětí – když jedna

instrukce projde jednou fází zpracování a postupuje do druhé, je do první fáze

načítána další instrukce – tzv. „řetězení“ urychluje práci cache pamětí

Architektura mikroprocesoru:

starší mikroprocesory řešily instrukce sekvenčně, tzn. jednu po druhé (což je pomalé)

dnes už pracují superskalárně (zpracovávají více instrukcí najednou); toho lze dosáhnout různě – buď

zdvojením některých funkčních celků (Pentium) nebo jiným návrhem mikroprocesoru, díky kterému

mohou jednotlivé celky pracovat nezávisle na sobě (Power PC)

další metodou je již zmiňovaný pipelining – řetězení zpracování instrukcí ( zpracování několika instrukcí

najednou v různých fázích)

Mikroprocesor zvenku

V nitřní šířka dat - popisuje schopnost procesoru zpracovat najednou určité množství bitů. Čím více tím

lépe.

S běrnice – obecně soustava vodičů, jimiž proudí data, adresy nebo řídící signály mezi komponentami PC.

Veškeré přenášené informace se skládají z nul a jedniček (kombinací). Např. pokud má sběrnice 32

vodičů, z nichž každý přenese jeden bit, jedná se o jednobitovou sběrnici, která dokáže vygenerovat 232

kombinací.

A dresová sběrnice – proudí v ní adresy (čím širší, tím více kombinací a tím je procesor schopen

„obhospodařovat“ větší paměť)

D atová sběrnice – proudí v ní data (čím širší, tím více dat současně přenese a tím stoupne rychlost

přenosu dat)

V nitřní (taktovací) frekvence: elektronické obvody v mikroprocesoru potřebují taktovací impulsy, které

určují jejich „pracovní tempo“. Každá základní deska je vybavena generátorem taktů pro mikroprocesor.

Čím je vnitřní frekvence větší, tím rychleji procesor pracuje, ale tím více se také zahřívá a proto není

možné ji zvyšovat donekonečna.

V nější (externí) frekvence: udává rytmus práce periferních modulů a čipových sad na základní desce. Tyto

obvody pracují pomaleji než procesor, ale každá deska má pouze jeden generátor taktů. Ten udává

frekvenci pro externí frekvenci a procesor funguje na jejím násobku.

N astavení generátoru taktu: nastavuje se pomocí propojek (jumperů) na základní desce

C hlazení: při práci se procesor zahřívá. Tento jev se redukuje buď snižováním napětí v procesoru, nebo

chlazením (instalací chladičů mikroprocesoru) Na procesoru je ve speciálních klipsnách připnut chladič

(žebrovaný, dnes už většinou s malým ventilátorkem pro lepší odvod ohřátého vzduchu a tím lepší

chlazení)

O perace v pevné řádové čárce: provádějí základní výpočty, přesuny dat uvnitř procesoru a datové přesuny

mezi mikroprocesorem a pamětí. Tento ukazatel je důležitý pro kancelářské programy, databázové a

souborové servery

O perace v pohyblivé řádové čárce: slouží k matematickým výpočtům. Tento ukazatel je důležitý pro

programy potřebující mnoho matematických výpočtů, např. CAD, DTP, různé grafické aplikace a v

neposlední řadě hry

Typy mikroprocesorů (vývoj)

Intel

8086, 8088, 80 286 – 16-ti bitové

80 386, 80 486 – 32 bitové ; zde byla číselná řada ukončena, protože nebylo možné takto označené

procesory chránit obchodní značkou

řada Pentiu - přidán mechanismus „předpovídající“ chování procesoru, zvětšená interní paměť cache a

schopnost za určitých okolností zpracovávat dvě informace najednou

Pentium Pro (5,5 mil. tranzistorů, obohaceno o prvky RISC, cache druhé úrovně – L2)

Pentium II (7,5 mil tranzistorů, 0,25 mikronová technologie)

Pentium III ( 70 nových instrukcí, interní frekvence až 1GHz, 0,18 mikronová technologie)

Pentium IV (nejnovější; 0,18 – 0,09 mikronů; přes 42 mil. tranzistorů; nové instrukční sady; frekvence od

1,4 do 3,6 GHz; u vyšších (zhruba od 3 GHz) technologie HT (Hyper Threading) – simulace chování jako

dva procesory (větší výkon v některých aplikacích). Nejnovější verze už i 64 bitů a 0,065 mikronů

ř ada Celeron: vyvinuta pro nasycení trhu levnějšími a méně výkonnými procesory; zpočátku bez L2 cache,

později jen malá (nižší výkon v operacích v pevné řádové čárce, ale nižší cena). V současnosti se vyrábí

procesory Intel Celeron D, které mají větší L2 cache paměť a jsou proto výkonnější než jejich předchůdci.

Interní frekvence do 3 GHz

AMD

K5 (ve své době výhodnější než Pentium)

K6

K7 Athlon (konkurence P III a P IV; jiné označení výkonnosti než Pentia – neoznačuje se kolik procesor

zvládne fyzicky, ale kolik prakticky vykoná; frekvence zhruba od 500 do 1800 MHz, pak Athlon XP –

výkonnější (zhruba 1,8 - 3,3 Ghz)

K7 Duron (slabší verze Athlonu – konkurence Celeronu, výkonnější)

AMD Sempron (konkurence Celeronu D, výkonnější)

Athlon 64 (64-bitový) – nejnovější, přes 3 GHz

Cyrix

6x86

6x86MX neboli MII (měl konkurovat procesoru Pentium II)

MediaGX (levný, obsahuje zvukovou i grafickou kartu)

všechny procesory této firmy velmi málo rozšířené, prakticky se nepoužívají

 
 

 

Portrét



Poslední fotografie




Archiv

Kalendář
<< květen / 2020 >>