Architektura počítačů typu IBM PC PDF

## Architektura počítačů typu IBM PC ### Historický přehled počítačů PC **Generace počítačů** - **Nultá generace (1930-1940)** - Zahrnuje počítače s reléovými obvody. - Hybnou silou vývoje nulté generace se stala 2. světová válka. - Konrad Zuse - počítače Z1 - Z5 pro vědecké a armádn...

## Architektura počítačů typu IBM PC ### Historický přehled počítačů PC **Generace počítačů** - **Nultá generace (1930-1940)** - Zahrnuje počítače s reléovými obvody. - Hybnou silou vývoje nulté generace se stala 2. světová válka. - Konrad Zuse - počítače Z1 - Z5 pro vědecké a armádní účely s 2600relé. - Howard Aiken - Působil na Harvardu, PC Mark I - koncepce Harvardská. - **První generace (1945-1951)** - Využívala elektronek, relé už jen zřídka. - PC byly neefektivní, velmi drahé, vysoký příkon, velká poruchovost a velmi nízkou výpočetní rychlost. - 1946-PC ENIAC - John Von Neumann - přetvořil Eniac na Edvac - použil základy bin soustavy podle Leibnitze a Shannona. - **Druhá generace (1951-1965)** - Charakterizuje ji použití tranzistorů, které dovolily zlepšit všechny parametry PC (zmenšení rozměrů, zvýšení rychlosti a spolehlivosti, snížení energetických nároků). - Bardeen, Brattan, Schockley - Bellovy laboratoře - **Třetí generace (1965-1980)** - Použití integrovaných obvodů. - S postupem času roste počet tranzistorů v integrovaném obvodu (zlepšuje se integrace). - Multitasking proces (vykonávané programy se střídají). - Integrovaný obvod - SSI, MSI, LSI.... - SI=stupeň integrace - S = Small - méně než 10 tranzistorů - M = Medium - 10-1000 tranz. - L = Large - 1000 – 100 000 tranz. - **Čtvrtá generace (od 1981)** - Charakteristická mikroprocesory a osobními počítači. - Mikroprocesory v jednom pouzdře obsahují celý CPU (dřívější procesory se skládaly z více obvodů) a jsou integrované s vysokou integrací, které umožnily snížit počet obvodů na základní desce, zvýšila se spolehlivost, zmenšily rozměry, zvýšila se rychlost a kapacita pamětí. - S rozvojem počítačových sítí vzniká Internet. - VLSI = miliony tranz. ### Form faktory - Skříň rozdělujeme podle: - **orientace:** Desktop(vodorovné), Tower(na výšku) - **Formfaktorů:** XT,AT,ATX - **MBI - nebyl ani pevný disk** - **AT - Zapnutí/vypnutí PC - Připojením/Odpojením zdroje od/k el. přívodu** - **U** | **P** - --- | --- - +12V | 10A 120W - +5V | 8A 40W - -5V | 2A 10W - -12V | 3A 36W - 200W - **ATX - zap./vyp. PC - prostřednictvím řídící elektroniky na zákl. desce** - **U** | **P** - --- | --- - +12V | 12A 144W - +5V | 8A 40W - +3,3V | 6A 19,8W - -5V | 2A 10W - -12V | 3A 36W - 240W - **Zdroje typu AT** - Zapínání na boku zdroje, není možné řídit spotřebu. - Měly zapínací tlačítko napojené přímo do silové části napájecího zdroje. - **Zdroje typu ATX** - Jiný způsob zapínání/vypínání. - U ATX není zdroj spojen přímo se zapínacím tlačítkem. - To umožňuje zapínání počítače i jinými způsoby ( Wake on LAN, Wake on RING , klávesnicí nebo myší). - Přesto má mnoho napájecích zdrojů ATX na své zadní straně klasický vypínač. - Tím se počítač skutečně vypne a softwarové zapnutí pak není možné. - Pokud je tento vypínač zapnutý, počítač stále spotřebovává energii, i když vypadá jako vypnutý. ### Koncepce moderního PC - Současné PC nejsou konstruovány ani podle Von Neumannovy koncepce (používá jednu elektronickou paměť pro program i data) ani podle Harvardské koncepce (používá oddělenou paměť pro data a pro program). - Univerzální PC obsahují jen jednu paměť, do které se umísťují programy i zpracovávaná data, avšak procesor umožňuje paměť obsahující program označit jen pro čtení a naopak část paměti, která obsahuje data označit tak, že nelze vykonávat strojové instrukce, které jsou v ní uloženy. ### Hlavní komponenty, jejich vlastnosti a parametry - **Monitor** - Základní výstupní elektronické zařízení sloužící k zobrazování textových a grafických informací. - Dříve hlavně CRT (vakuová obrazovka) jsou dnes vytlačovány LCD (tekuté krystaly) monitory hlavně kvůli snižující se ceně, nízké spotřebě, rovné zobrazovací ploše, ... - **Základní deska** - **Procesor:** Základní desky většinou dvouprocesorové - **Čipová sada:** Řídí komunikaci mezi procesorem, pamětí, sběrnicemi, grafickou kartou, rozhraním pro disky - **Operační paměť (RAM):** - ROM = stanovena výrobcem - CMOS (konfigurační paměť) = rychlejší výpočty - cache paměť = vyrovnává rychlost předávání informací mezi procesorem a RAM - zásuvky, pro rozšiřující desky, konektory pro připojení kabelu a klávesnice - řadič pružných (dočasná úschova dat – na otevírání stránek na internetu) a pevných disků ( = trvalá úschova dat) - **CPU ** - Základní součást počítače, která vykonává strojový kód spuštěného počítačového programu. - Ten je složen z jednotlivých strojových instrukcí, které jsou uloženy v operační paměti počítače. - Procesor je v současnosti velmi složitý sekvenční integrovaný obvod umístěný na základní desce počítače. - **Základní parametry procesorů** - **Parametr** | **Popis** | **Jednotka** | **Běžný rozsah** - --- | --- | ---| --- - Rychlost jádra | Počet operací provedených za jednu sekundu | MIPS (milion operací za sekundu) | 0-3400 MIPS - Počet jader | Počet a typ jader integrovaných v procesoru | číslo | 1-12 - Šířka slova | Maximální bitová šířka operandů instrukcí | bit | 4-128 - Počet instrukčních kanálů | Maximální počet instrukcí proveditelných jedním jádrem v jednom taktu procesoru | číslo | 1-4 - Výkon FPU | Přítomnost FPU/počet základních operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést jednotka FPU | MFLOPS (megaflops) | až desítky - Šířka externí datové sběrnice | Maximální počet bitů, které je možné během jediné operace přenést z (do) čipu | bit | 8-64 - Interní paměť cache | Maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM | Byte | i několik MB - **ATA konektory** - Standardní počítačová sběrnice pro připojování zařízení k uchovávání dat, jako jsou pevné disky. - **Operační paměť** - Vnitřní elektronická paměť číslicového . - Typ RWM-RAM, určená pro dotačné uložení zpracovávaných dat a spouštěného programového kódu. - Tato paměť má obvykle rychlejší přístup, než vnější . - Strojové instrukce pomocí podpory ve své instrukční síti. - Strojové instrukce pomocí instrukčního a k datům se obvykle pomocí adresace prvku paměti hodnotou uloženou v registru procesoru nebo součástí strojové instrukce. - Operační paměť procesorem sběrnice, obvykle se mezi procesor rychlá . - **Důležité parametry** - **Velikost:** Kolik dat Ize do paměti uložit (běžně GB) - **Rychlost:** komunikovat s ostatním hardware (běžně GB/s) - **Připojení:** patice, do které se paměť připojí (DIP, DIMM, DDR DIMM, ...) - **Rozšiřující sloty** - **Grafická karta** - Součástí a stará se o zobrazení na monitoru, grafické výpočty atd. - Grafický čip nižšího součástí základní desky. - **Důležité parametry** - **Připojení:** kterého se grafická karta připojí (ISA, PCI, AGP, PCI-E) - **Výstup:** obrazových dat (VGA, S-Video, DVI, HDMI, DisplayPort) - **Grafické módy:** je karta schopna zobrazit - **Velikost paměti:** grafické kartě, do které se ukládají zpracovávané data - **Výkon GPU:** shaderů, které je schopna grafická karta vykreslit - **Zdroj** - ke zpracování střídavého napětí dodávaného ze sítě na nízké napětí potřebné na pájení komponent počítače. - Některé zdroje mají přepínač pro změnu vstupního napětí mezi 230V a 115V, ostatní se automaticky přizpůsobí jakémukoli v tomto rozsahu. - dodávané počítačové zdroje standardu ATX. - **Optická mechanika** - na principu laserového světla, nebo elektromagnetických vln blízkých světelnému spektru, jako část procesu čtení a zápisu dat. - Je to periferní zařízení na ukládání dat na optické disky. - Některé mechaniky mohou jen číst z disku., ale většina mechanik umí čtení i zápis. - k archivaci nebo výměně dat. - **Pevný disk** - v počítačích k dočasnému nebo uchovávání většího množství dat pomocí magnetické indukce. - magnetická páska a disketa. - největšími konkurenty SSD disky a USB flash disk, které využívají stálé flash paměti. - **Důležité parametry** - **Velikost:** uložit (běžně stovky GB) - **Rychlost:** ostatním hardware (běžně GB/s) - **Rychlost otáčení ploten:** rotují plotny (5400ot/min, 7200ot/min, 10000ot/min) - **Připojení:** kterého se disk připojí (IDE, SATA, SCSI, USB ) - **Klávesnice** - ke vkládání znaků a ovládání počítače.. - **Myš** - malé polohovací zařízení, které převádí informace o svém pohybu po povrchu plochy (např. desce stolu) do počítače, což se obvykle projevuje na monitoru jako pohyb kurzoru. - **Reproduktor** - signál se na zvukové kartě převede a poté v reproduktoru na akustický. ### Sběrnice - **Sběrnice:** - K propojení zařízení - K přenosu adres, dat a řídících signálů - Je to skupina vodičů - Musí být řízen provoz - **Způsob přenosu:** - **Paralelní** – data jdou vedle sebe (více vodičů přenáší) - **Sériový** - data jdou za sebou (po jednom vodiči) - **Simplex** - jednosměrný ↑ - **Halfduplex** - dva směry pouze 1 směr v 1 okamžik - **Fullduplex** – dva směry najednou ↑↓ - **Adresovací sběrnice (A-BUS):** - Slouží k určení adresy operační paměti, nebo-li se kterou buňkou paměti bude pracovat (ukládat/číst). - Šířka sběrnice (počet vodičů) určuje maximální velikost paměti. - Není nutno zaplnit celou. - **Datová sběrnice (D-BUS):** - Slouží k přenosu informačně hodnotných dat. - Šířka sběrnice určuje velikost přenášených dat (po každém vodiči 1bit). - A-Bus vybere řádek, D-Bus přenese obsah tohoto řádku do CPU. - **Řídící sběrnice(C-BUS):** - Slouží k ovládání ostatních součástí počítače pomocí řídících signálů. - **Konkrétní sběrnice** - **1. generace** - **ISA:** 1982, paralelní, 16b, frekvence 7-12MHz, propustnost=20MB/s, dnes se na zákl. desce nevyskytuje. - **EISA:** 1984, paralelní, 32b, 33MHz - **VLB:** 1990, 32b D-Bus, f=fCPU(vnější frek. CPU), Prop. 160MB/s. Použití: grafíka, pevné disky - **2. generace** - **PCI:** 1992, paralelní, verze 2.0 1996-3.02010, . Podporuje Plug and Play, Bus mastering. Možnost zařízení řídit provoz na sběrnici. - **AGP:** 1997 (není sběrnice, ale grafický port), upravená PCI, a rychlostních variant - **3. generace** - **PCI-E:** 2003, firma INTEL, sériová, f= 2,5GHz(v1.1), 5GHZ(v2.0), prop.=f x 1b x 2 směry[b/s] (PCIE x1) ### Čipové sady (Chipset) - Je jeden nebo více integrovaných obvodů (čipů), které jsou navrženy ke vzájemné spolupráci. - Dříve byly na zákl. desce samostatné integrované obvody - řešící svůj vlastní přidělený problém: - -řadič sběrnice, řadič paměti, řadič DMA, řadič IRQ, časovač, čítač, RTC, BIOS, UART .... - **Dříve**: - 8259 - UART - 8237 - **Dnes**: - **Před r. 2000**: - NB/SB - CPU - AGP - monitor - NB - O.P. - RAM - PCI - 000 - sloty - -disketa - -HDD - SB - 00 - Bios - myš - sloty - tisk - kláv. - **Po r. 2000**: - NB/SB (North bridge/South bridge) ### Druhy polovodičových pamětí používaných v PC a jejich principy - Paměť - schopnost určitého prvku (materiálu) uchovávat data. - **Typy** - **polovodičové:** Pro čtení a zápis (RWM), pouze čtení (ROM) - **mechanické :** Magnetické, Optické, Magneto-optické - **ROM:** Obsah výrobcem, nezávislá na napájení, slouží pro uložení BIOSu ### Realizace operační paměti - **RAM: ** Operační paměť paměťovými moduly (SIMM, DIMM) - V RAM je neustále: část operačního systému, rezidentní programy, ovladače, spuštěný program - Závislá na napájení (volatilní) - **CMOS:** Paměť typu SRAM, obsah udržován pomocí vnitřní baterie PC, informace o zákl. sestavě pc a jeho parametrech - **CACHE:** Malá kapacita, vyšší rychlost než operační , slouží k urychlení komunikace rychlého procesoru . (řešena jako ВКО) - Úrovně: L1 (v procesoru), L2 (mimo procesor), L3 v desce. - **DMA:** Způsob přímého přenosu dat mezi operační pamětí a I/O zařízeními. - Bez účasti CPU = vyšší výkon. - Používá se: Řadiči HDD, graf. kartou, sítovou kartou, zvuk. kartou apod. - **IRQ:** Označuje signál, kterým zařízení CPU o přerušení za účelem provedení akce. - **I/O:** Zařízení kontakt PC s okolím a díky nim můžeme PC ovládat. - **Vstupní:** Odesílaní informace z okolí dovnitř do PC. - **Výstupní:** Informace předávají zevnitř z PC do okolí. ### Disková rozhraní - Pro komunikaci disku se základní deskou, přenos mezi vnější pamětí a operační pamětí, integrovaná disková cache. - **IDE:** na zařízení, dva disky jako Master-Slave. - **ATA:** , přes které se elektronika přidává na desku (např. HDD). - **SATA:** sériové ATA. - Sběrnice, která využívá datové rozhraní pro připojení velkokapacitních paměťových zařízení jako jsou pevné a optické disky. V dnešní na většině PC. ### Charakteristika a parametry procesorové řady Pentium - **Pentium:** super skalární procesor: - Má více Pipeline (jedna se používá přednostně) + má blok k předvídání skoků – prohledává Cache a vhodné seřazuje instrukce = vyloučení , 64 bitová sběrnice. - Má v sobě pararelní instrukcí. - **Pentium Pro:** - Pipeline má 14 fází, výpočty mimo pořadí = 100% výkon, registry. - ne zatížen = dopředu výpočty. - **Pentium Max:** - instrukce s 2D a 3D a se zvukem a - SIMD (Single Instruction with Multimedia Data) - **Pentium II:** - L1 cache – 2x 16 kB a L2 cache 128 – 512 kB - **Celeron:** bez L2 - **Pentium III:** - IST - zpracování multimédií - KNI – pro 3D a zvuk, videa - SSE - Streamig SIMD Extension - **Pentium IV:** - SSE2-144 instrukcí - HTT - Hyper Threating Technology – se střídavě věnuje 2 vláknům = 2 jádrového процессора. ### Paměťový prostor PC - **XMS:** EMS - **F** Systém BIOS - **E** - **D** - **C** UMB - **B** Video ROM BIOS - **A** Video RAM - **HIMEM:** - **Konvenční paměť:** - **PAGE FRAME:** - **Paměťový prostor:** - je oddělená programu a paměť dat. - Přístup paměťových prostorů pomocí instrukcí. - **Paměť programu:** Obsahuje program programové konstanty. - Může na čipu procesoru, mimo něj. - Některé instrukce větvení rozdělení paměti na 2 kB stránky. - **Vnější paměť dat:** - Může být na procesoru (zejména typy ), i mimo . - **Vnitřní paměť dat:** - Je na několik oblastí: - Prostor pro 4 banky registrů, bitově adresovatelný , zbývající , zásobník ### CACHE - Označení pro paměť ve výpočetní technice. - Je s a rychlost k a rychlost k datům na „pomalých“ médiích na média rychlá. - „pomalého“ a rychlého být disk paměťový , v může řády. - Jindy disk tím . „Pomalým“ být získávaný . Cache v polovině . - **2 druhy CACHE paměti:** - **Softwarová CACHE:** programově, určité operační paměti pro potřeby (např. disková v systému) - **Hardwarová CACHE:** paměťovými (např. pro potřeby procesoru). ### Cache v procesoru - v procesoru kopie dat z v operační paměti. - Pokud obsahu z adresy v , je tato nalaza v pamatě, je její z a z paměti (angl. cache hit). - a přenášejí , a pamatě se přenášejí rámce velikosti slova процессора. - 90% je , většinou , je z do , i výpočetního výkonu. - procesoru , (značí se L1). - , , je a (značí se L2). - a s rychlostí (a samozřejmě s ), . a 2009 se použivat L3 i v procesorech (Intel Core i7, AMD Phenom), pro jádra a několik megabajtů. ### Módy činnosti: - **Reálný režim:** - pracovní procesorů . - Typickými režimu reálných adres je paměť s adresací (tedy nanejvýš 1 MiB adresovatelné a přímý do i ke všem perifériím. - podporu pro . - **Chráněný režim:** - systémovým využívat nových ke multitaskingu (zpracování najednou) tak ovládání programů, - stránkování, paměti pro paměť . - **Adresování v realném módu** - Segmentový registr + 0000 + ofset + instrukce - BIU - sběrnicí, instrukce fronty počítá - EU – vykonává instrukce - **Registry:** - AX - akumulátor - BX - báze dat - CX – čítač cyklů - DX - data - SP - ukazatel zásobníků - BP - báze zásobníků - SI - zdrojový index - DI - cílový index - IP - ukazatel instrukcí (nejdůležitější) - **Segmentový registr:** - CS - kód - DS - data - - zásobník - ES - data - CS:IP - instrukce - DS:Ofset - SS:SP - shora dolů - FLAG - příznaky - 1 adresa se vyjádřit mnoha způsoby - **Přerušení:** - (interrupt) je procesoru pravě program a vykonávat . - se začalo implementovat procesorů obsluhy - přesněji V/V . - je mnohem než , by se obsluhou , ve času by v čekáním hardware. - V se využivá při procesů. - **Vnější přerušení:** (hardwarové) - vstupně-výstupních . Vstupně-výstupní možnost asynchronně procesoru zajistit obsluhu chvíli, to , ohledu práve . - **Vnitřní přerušení:** procesorem, signaliezuje při strojových umožňuje systému na události . - **Softwarové přerušení:** typ je od , je . - pro z běžícího . - **Superskalarita:** - (superskalarita) je v jedním zvyšování výkonu . - zpracovat strojových zaroven, některé procesoru , matematický (FPU) aritmeticko-logická (ALU). - Od se superskalarita tím, je zvětšen pouze části procesora. - strojové a její řízeníka, zda možné na strojovou paralelně k právě . - Pokud jejím v nepoužitá procesora (například ). - není , instrukce výsledkem , v je počkat, je . - O efektu se , v poskládá strojové v (reorganizaci může i ) tak, nebylo . - K dochází k na strojových , za nasledující (to je výkonu , zpracovávají instrukce z procesů ). - obvykle , techniky . - **Pipelining** - zřetězené , či strojových . - rozdelení instrukce procesoru a i možnosti instrukce . - zpracování je na 2 úseky: - dekódování - instrukce uložení . - To k složeného ze procesorů ( architektury), kdy realizuje . - Procesor - EU (Execution Unit) BIU ). - zvětšuje se setkat více informací (víc ). - , je , než 1 za 1 (takt ). - **Možnosti zvyšování výkonu**: - , , subprocesoru, instrukční sady ### Paměťový prostor PC - **XMS:** EMS - **F** Systém BIOS - **E** - **D** - **C** UMB - **B** Video ROM BIOS - **A** Video RAM - **HIMEM:** - **Konvenční paměť:** - **PAGE FRAME:** - **Paměťový prostor:** - Hlavním je paměť programu a paměť dat. - Přístup do různých pomocí instrukcí. - **Paměť programu:** Obsahuje program programové konstanty. - Může být na čipu procesoru, mimo něj. - Některé instrukce používají paměti na 2 kB stránky. - **Vnější paměť dat:** - Může na čipu (zejména typy ), i mimo . - **Vnitřní paměť dat:** - Je na několik oblastí: - Prostor pro 4 banky registrů, bitově adresovatelný prostor, paměť, zásobník ### CACHE - Označení pro paměť ve výpočetní technice. - Je s a rychlost k a rychlost k datům na „pomalých“ médiích na média rychlá. - „pomalého“ a rychlého být disk paměťový , v může řády. - Jindy disk tím . „Pomalým“ být získávaný . Cache v polovině . - **2 druhy CACHE paměti:** - **Softwarová CACHE:** programově, určité operační paměti pro potřeby (např. disková v systému) - **Hardwarová CACHE:** paměťovými (např. pro potřeby procesoru). ### Cache v procesoru - v procesoru kopie dat z v operační paměti. - Pokud obsahu z adresy v , je tato nalaza v pamatě, je její z a z paměti (angl. cache hit). - a přenášejí , a pamatě se přenášejí rámce velikosti slova процессора. - 90% je , většinou , je z do , i výpočetního výkonu. - procesoru , (značí se L1). - , , je a (značí se L2). - a s rychlostí (a samozřejmě s ), . a 2009 se použivat L3 i v procesorech (Intel Core i7, AMD Phenom), pro jádra a několik megabajtů. ### Módy činnosti: - **Reálný režim:** - pracovní procesorů . - Typickými režimu reálných adres je paměť s adresací (tedy nanejvýš 1 MiB adresovatelné a přímý do i ke všem perifériím. - podporu pro . - **Chráněný režim:** - systémovým využívat nových ke multitaskingu (zpracování najednou) tak ovládání programů, - stránkování, paměti pro paměť . - **Adresování v realném módu** - Segmentový registr + 0000 + ofset + instrukce - BIU - sběrnicí, instrukce fronty počítá - EU – vykonává instrukce - **Registry:** - AX - akumulátor - BX - báze dat - CX – čítač cyklů - DX - data - SP - ukazatel zásobníků - BP - báze zásobníků - SI - zdrojový index - DI - cílový index - IP - ukazatel instrukcí (nejdůležitější) - **Segmentový registr:** - CS - kód - DS - data - - zásobník - ES - data - CS:IP - instrukce - DS:Ofset - SS:SP - shora dolů - FLAG - příznaky - 1 adresa se vyjádřit mnoha způsoby - **Přerušení:** - (interrupt) je procesoru pravě program a vykonávat . - se začalo implementovat procesorů obsluhy - přesněji V/V . - je mnohem než , by se obsluhou , ve času by v čekáním hardware. - V se využivá při procesů. - **Vnější přerušení:** (