Hardware Notes: Computer Components & Technology - PDF

Historie výpočetní techniky pátek 3. ledna 2025 14:36 ZÁKLADEM VÝPOČETNÍ TECHNIKY JSOU MATEMATICKÉ OPERACE Pravěk: Počátky počítání a záznamu informace - Hromadění a výměna předmětů - Kosti a rytiny (počty a záznamy na kalendáři) - Zářezy na klaccích a kamenech - piktogramy a malby Hardware I_ - stránka 1 Kalkulátory úterý 1. října 2024 11:53 Hardware I. Kalkulátor Kalkulátor je zařízení nebo aplikace, které umožňuje provádět aritmetické operace (sčítání, odčítání, násobení, dělení) a i pokročilejší matematické operace. Kalkulačka je tedy kompaktní zařízení s klávesnicí sloužící jako vstup a LCD displejem sloužícím jako výstup. Hardwarově kalkulačka dále obsahuje: - mikroprocesor; provádí výpočty. Obsahuje ALU a řídící jednotku. - Paměť; Ukládá mezi výsledky, konstanty a programu Typy kalkulaček a jejich použití: - základní kalkulačka; aritmetika a procenta - Vědecká kalkulačka; goniometrické funkce (sin, cos, tan) logaritmy, exponenty, rovnice, integrace a derivace, integrály a výpočty fyzikálních či elektrotechnických operací. - Grafické kalkulačky; kreslení grafů a funkcí, řešení rovnic a analýza dat - Programovatelné kalkulačky; vlastní algoritmy - Finanční kalkulačky Hardware I_ - stránka 2 Číselné soustavy pondělí 7. října 2024 10:21 Základem výpočetní techniky jsou matematické operace. VÝPOČETNÍ TECHNIKA Výpočetní technika zahrnuje všechny elektronické zařízení, která jsou schopna zpracovávat data podle předem definovaných instrukcí. Jedná se o širokou škálu zařízení, systémů, a technologií, které jsou schopné zpracovávat, přenášet, zobrazovat a ukládat data. - Počítače a servery - Mobilní zařízení - Síťová zařízení - I/O zařízení - Roboti - Automatizované vozidla - Automaty - Chytré zařízení STROJOVÝ KÓD Strojový kód je nejnižší úroveň programovacího jazyka, který je přímo prováděn procesorem (CPU) počítače. Tento kód se skládá z instrukcí, které jsou reprezentovány čísly a odpovídají specifickým operacím, jež CPU umí vykonat. Každá instrukce strojového kódu obsahuje dvě základní části: - Operace: jakou operaci má procesor vykonat (sčítání, násobení, přesun dat atd.) - Operandy: data nebo adresy paměti, se kterými se má operace provést Proto počítače zpracovávají data ve formě binárních čísel, tedy čísel, která jsou složena pouze z 1 a 0 Příklad strojové funkce: Binární zápis: 10000010 011000001 Může znamenat ulož číslo 97 do registru B ČÍSLENÉ SOUSTAVY Číselná soustava představuje zapisování čísel pomocí znaků, tedy číslic. Každá soustava má svůj základ a zápis. Různé kultury si v dávných dobých osvojili rozmanité metody zápisu čísel. Nicméně většina dnešních numerických systémů je založena na DESÍTKOVÉ SOUSTAVĚ Například staří Mayové, Aztékové a Keltové měli dvacítkovou soustavu (prsty i na nohou) - Nepoziční číselné soustavy: u nepozičních číselných soustav je hodnota číslice dána a nezávisí na jejich pozici. Tyto způsoby zápisu čísel se dnes již aktivně téměř nepoužívají. Například: - Římské číslice IVXLCDM - Egyptské číslice - Řecké číslice - Poziční číselné soustavy: U poziční soustavy hodnotu zapsaného čísla určuje pozice jednotlivých znaků. V těchto soustavách se pracuje se základem. Sumerové a Babyloňané zhruba před 4000 lety používali v běžném životě poziční soustavu. Základem bylo číslo 60 (u nás hodiny) šedesátková soustava Hardware I_ - stránka 3 bylo číslo 60 (u nás hodiny) šedesátková soustava - Jedničková - Dvojková - Osmičková - Desítková - Dvanáctková - Šestnáctková - Šedesátková Zápis čísel Jednotlivé číslice se zapisují za sebe, přičemž se používá tolik různých číslic, kolik odpovídá základu dané soustavy. (u 10kové 10 znaků, u 8kové 8 atd.). Pokud kombinujeme v zápisu různých čísel různé soustavy, dáváme je do závorky a soustavu označíme dolním indexem. Chceme-li znát hodnotu číslice, vynásobíme ji základem, umocněním řádovou pozicí číslice. A = číslo A s indexem i = itého řádu. Přičemž N je rovno nebo větší než i a to je rovno nebo větší než 0 ´´N= Hardware I_ - stránka 4 Algebra pátek 18. října 2024 12:39 Algebra pátek 18. října 2024 11:27 BIT A BAJT Bit (b) je základní jednotka informace - Nejmenší možné, dále nedělitelné množství informace - Informace o velikost jednoho bitu umožňuje zaznamenat 3 stavy: 0/1 High/Low True/False Ano/Ne Enable/Disable. Byte (B) je jednotka složená z 8 bitů. - 1 B = 8b - 8 bitů umožňuje 2 na osmou kombinací, což je celkem 256. SIGNÁL Signál lze definovat jako záměrný jev fyzikální, chemický, biologický (biosignál), ekonomický či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o nějaké události. Signálem je funkce, která převádí nezávislou proměnnou na určitou hodnotu Signálem můžeme myslet: - Elektrický signál - Akustický signál - Optický signál - Elektromagnetický signál - Mechanický signál - Pneumatický signál - Hydraulický signál - EKG (srdíčko) Vysílač ----------------------> Přijímač přenosové médium 011001010100 Signál má 2 základní složky: 1. Přenosové médium (materiální jev) - elektrické napětí či proud, papír, světlo. 2. Nehmotnou informaci o zdrojovém systému Z hlediska analýzy vlastností zdrojového objektu, není materiální složka zas tak důležitá. Zcela podstatná je ale nehmotná složka informační. Jedním ze základních kritérií členění signálů je počet jejich nezávislých proměnných. Podle toho kritéria dělíme signály na: - Jednorozměrné signály = nejčastěji sledují závislost sledované veličiny - Dvourozměrné signály = vyjadřují obrazové signály a nezávislá proměnná je délková veličina (rentgen) - Vícerozměrné signály = popisují trojrozměrnou scénu, vyjadřují časovou dynamiku dvourozměrných obrazů. Signál však definují jeho vlastnosti z hlediska jeho intenzity a trvání. - Energie signálu: míra celkové síly signálu za celou dobu trvání. Energie je relevantní pro signály, které mají omezené trvání (impulsy) Hardware I_ - stránka 5 signály, které mají omezené trvání (impulsy) - Výkon signálu: míra energie přenášené signálem za jednotku času (sinusové signály). Výkon se používá pro signály, které nejsou omezeny v čase (sinusové signály)- Signály mohou být děleny podle různých kritérií, dle kterých se používají v mnoha oblastech, od komunikace, až po automatizaci, zpracování dat či zdravotnictví. DĚLENÍ SIGNÁLŮ Podle způsobu komunikace: - Synchronní = vysílač s přijímačem jsou synchronizovaní - Asynchronní = vysílač vysílá bez ohledu na stav přijímače Podle množství informace: - Sériový přenos = probíhá postupně po jednotlivých bitech - Paralelní přenos = několik bitů odesíláno najednou Podle směru přenosu: - Jednosměrný signál = přenáší informaci pouze jedním směrem, jako například vysílaní televize nebo rádia - Obousměrný signál = přenáší informaci v obou směrech, typickým příkladem je telefonní hovor nebo internetová komunikace Podle opakování: - Periodický signál = opakuje se v pravidelných intervalech - sinusový signál. - Aperiodický signál = nemá pravidelný opakující se vzor. Může jít o jednorázový impuls nebo náhodný signál Podle frekvenčního spektra: - Nízkofrekvenční signál = obsahuje pouze nízké frekvence, obvykle do několika kHz. Příkladem je signál používaný v audiosystémech. - Vysokofrekvenční signál = obsahuje vyšší frekvence, například v radiových nebo mikrovlnných komunikačních systémech. - Širokopásmový signál = má široké frekvenční spektrum. Používá se například v moderních komunikačních technologiích, jako je Wi-Fi nebo LTE. Sinusový signál --------------------------------------------------------------------------------> Pravidelný signál Stochastický signál ---------------------------------------------------------------------------> Nahodilá povaha signálu, např. šum Podle časových charakteristik: - Stacionární signál = je nezávislý na poloze počátku časové osy. Signál má stabilní chování a jeho statické vlastnosti zůstávají konstantní (bílý šum) - Nestacionární signál = je závislý na poloze počátku časové osy. Signál má proměnlivé chování, které může záviset na čase nebo jiných faktorech. Např. EEG Podle charakteru hodnot: Hardware I_ - stránka 6 Nestacionární signál = je závislý na poloze počátku časové osy. Signál má proměnlivé chování, které může záviset na čase nebo jiných faktorech. Např. EEG Podle charakteru hodnot: - Analogový signál = má spojité hodnoty, což znamená že může nabývat jakékoli hodnoty v rámci určitého rozsahu. Například zvukový signál. - Digitální signál = nabývá pouze diskrétních hodnot, obvykle v binární poodobě, tj. logické 0 a 1. Digitální signály se používají v počítačových a komunikačních systémech DIGITALIZACE Digitalizace je proces převodu analogových informací do digitální podoby, což znamená transformaci plynulých signálů na diskrétní číselné formáty Proces přeměny analogového (spojitého) signálu do číslicové formy na signál digitální (nespojitý) pomocí ADC (analog digital converter) a DAC převodníků. Umožňuje přeměnit různé formy informací. Například zvuk, obraz, text nebo měření fyzikálních veličin na sekvenci číslic, které lze dále zpracovávat, ukládat nebo přenášet elektronickými prostředky. PŘENOS INFORMACE - Paralelní přenos informace = využívá více vodičů nebo drah. Které umožňují současné odesílaní několika bitů informace. Každý vodič přenáší jeden bit, což znamená že například 8bitová data mohou být přenesena najednou pomocí 8 vodičů. Tento přenos je rychlejší než sériový, ale vyžaduje více fyzických propojení, což zvyšuje složitost a náklady. Je využíván v krátkých vzdálenostech, jako například uvnitř počítače (přenos mezi CPU a RAM). - Sériový přenos informace = posílá data po jednom bitu za druhým po jedné dráze. Tento typ přenosu je pomalejší než paralelní, ale vyžaduje méně vodičů, což snižuje náklady a složitost. Díky nižším nárokům na fyzickou infrastrukturu je sériový přenos vhodný pro dlouhé vzdálenosti. USB - Sériové paralelní přenos je kombinací sériového a paralelního přenosu. Přenos využívá sériový přenos k odesílání dat na dlouhé vzdálenosti, ale tato data jsou rozdělena do paralelních dat na konci přijímače. Hardware I_ - stránka 7 do paralelních dat na konci přijímače. To umožňuje optimalizovat rychlost a efektivitu přenosu. PŘENOSOVÁ MÉDIA BEZDRÁTOVÁ DRÁTOVÁ METALICKÁ NEBO OPTICKÁ KOAXÁLNÍ KABEL A KROUCENÁ DVOJLINKA SATELITNÍ MIKROVLNNÉ INFRAČERVENÉ RÁDIOVÉ FREE SPACE OPTIKA Hardware I_ - stránka 8 Koncepce Počítače pondělí 21. října 2024 10:24 Architektura počítače hovoří o tom, že PC se skládá z menších částí a teprve jejich vzájemné propojení a soulad vytváří celek. Architektura tedy řeší základní komponenty počítačového systému a způsob, jaký spolu tyto komponenty komunikují a spolupracují. Architekturu moderně tedy chápeme jako pohled na podstatné vlastnosti počítačů. Ty můžeme rozdělit do čtyř základních kategorií: 1. Struktura a uspořádání - popis jednotlivých funkčních částí a jejich propojení. 2. Součinnost a interakce - popis řízení dynamické komunikace mezi funkčními bloky 3. Realizace a provedení - popis vnitřní struktury jednotlivých funkčních bloků. 4. Funkcionalita a činnost - výsledné chování počítače jako celku. VON NEUMANNOVA ARCHITEKRURA Americký matematik maďarského původu John von Neumann definoval v roce 1945 základní koncepci počítače EDVAC. Společně s Univerzitou ve Filadelfii položil základ koncepce počítače řízeného obsahem paměti. Počítače, tak jak je známe v dnešní době, se konstruují podle tohoto modelu. Ve svém projektu von Neumann stanovil určitá kritéria a principy, které musí počítače splňovat, aby byl použitelný univerzálně. Můžeme je ve stručnosti shrnout do následujících bodů: - PC se skládá z paměti, řídící jednotky, aritmetická jednotky + vstupní a výstupní jednotky. - Struktura počítače je nezávislá na typu řešené úlohy, počítač se programuje obsahem paměti. - Následující krok počítače je závislý na kroku předchozím (ERROR) - Instrukce a operandy (data) jsou v téže paměti. - Paměť je rozdělena do buněk stejné velikosti, jejich pořadová čísla se využívají jako adresy - Program je tvořen posloupností instrukcí, ty se vykonávají jednotlivě v pořadí, v jakém jsou zapsány do paměti - Změna pořadí provádění instrukcí se provede instrukcí podmíněného či nepodmíněného skoku - Pro reprezentaci instrukcí, čísel, adres a znaků se používá dvojková číselná soustava Vysvětlení hlavních modulů počítače: - Operační paměť: slouží k uchování zpracovávaného programu, zpracovávání dat a výsledků Hardware I_ - stránka 9 - Operační paměť: slouží k uchování zpracovávaného programu, zpracovávání dat a výsledků počítače - ALU: Aritmeticko logická jednotka provádí veškeré aritmetické výpočty a logické operace. Obsahuje sčítačky, násobičky a komparátory. - Řadič: řídící jednotka, která řídí činnost všech částí počítače pomocí řídících signálů čí stavových hlášení, které jsou zaslány jednotlivým modulům. ŘADIČ + ALU PROCESOR - Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení umístí program, který bude provádět výpočet - Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat - Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu výpočtu jsou ukládány do operační paměti. - Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány na výstupní zařízení. VÝHODY - Rozdělení paměti a pro kód a data určuje programátor - Řídící jednotka procesoru přistupuje do paměti pro data i pro instrukce jednotným způsobem - Jedna sběrnice: jednodušší výroba NEVÝHODY - Společné uložení dat a kódu může mít za následek přepsání vlastního programu - Jediná sběrnice tvoří úzké místo Použití: osobní počítače (PC), všeobecné výpočetní systémy (servery, pracovní stanice, …) herní konzole, a operační systémy jsou navrženy s touto architekturou. Hardware I_ - stránka 10 Harvardská architektura pátek 8. listopadu 2024 12:05 Stejně jako von Neumannova koncepce vznikla i harvardská architektura ve 40. letech 20. století. Jako první ji navrhl Howard Aiken. Společně s vývojovým týmem odborníků z Harvardovy univerzity přišli s vlastní koncepcí počítače, která se však od von Neumannovy příliš nelišila. V podstatě odstraňuje některé její nedostatky. Jde tedy pouze o oddělení paměti pro data a program. Výhody: - Program nemůže přepsat sám sebe - Paměti mohou být vyrobeny jinými technologiemi - Každá paměť může mít jinou velikost nejmenší adresovací jednotky - Lze přistupovat pro instrukce i data současně Nevýhody: - Dvě sběrnice kladou vyšší nároky na vývoj řídící jednotky procesoru a zvyšují i náklady na výrobu výsledného počítače - Nevyužitou část paměti dat nelze požít pro program a obráceně Použití: digitální signálové procesory (mobilní telefony), mikrokontrolery (auta, spotřebiče, lékařské zařízení), speciální výpočetní systémy (průmyslové řídící systémy, automatizace, …) ODLIŠNOSTI OD DNEŠNÍCH POČÍTAČŮ Základním nedostatkem obou koncepcí je sekvenční vykonávání instrukcí, které sice umožňuje snadnou implementaci systému, ale nepovoluje dnes tolik potřebné paralelní zpracovávání. Paralelizmy se tedy musí simulovat na úrovni OS. Paralelismus znamená schopnost vykonávat více operací nebo instrukcí současně, namísto toho, aby byly prováděny sekvenčně, jedna po druhé. OS a programovací jazyky implementují různé techniky pro multithreading (běh více vláken současně) a multiprocessing (využití více procesorových jader současně) což umožňuje zpracovávat části programů paralelně (multitasking). Hardware I_ - stránka 11 Systém pondělí 11. listopadu 2024 10:26 Systém je množina prvků, které mají určité vlastnosti. Mezi těmito prvky existují nějaké vazby/vztahy. Prvky systému jsou jednotlivé části nebo součásti systému, které mohou být fyzické nebo abstraktní. Struktura systému udává uspořádání a vztahy mezi prvky tohoto systému. Určuje, jak jsou prvky uspořádány a jak spolu interagují. Např.: Hierarchie systémů - subsystém, blokové schéma (propojení systémů). 1. Funkce - úkol nebo účel, pro který je systém navržen. Funkce systému určuje, jak systém funguje a jakým způsobem dosahuje svého cíle. 2. Prostředí - vnější podmínky nebo okolnosti, které mohou systém ovlivňovat. Systém může být otevřený (komunikující s prostředím) nebo uzavřený (bez interakce s okolím). 3. Cíl- výsledek nebo účel, ke kterému systém směřuje. Cíl může být konkrétní (produkce zboží) nebo abstraktní (poskytování služeb) Typy systémů: - Technické systémy - Biologické systémy - Ekonomické systémy - Přírodní systémy - Abstraktní systémy - Chaotické systémy AUTOMAT Automat označuje technické zařízení nebo stroj, který samostatně a spolehlivě vykonává předem určené činnosti, a to bez přímého lidského zasahování. Může se jednat i o matematický model, který zpracovává vstupy a na základě předem definovaných pravidel a přechází mezi různými stavy (Turingův stroj) Automat může také označovat jakýkoli proces, který probíhá automaticky podle předem nastavených pravidel, například automatická záloha, odpověď a další. Automatizace: použití řídících systémů k řízení průmyslových zařízení a procesů STROJ Stroj je zařízení, které vykonává určitou práci nebo činnost pomocí mechanických, elektrických, hydraulických, pneumatických nebo jiných fyzikálních principů. Přístroj je zařízení, které se používá k měření, monitorování, analýze nebo specifické manipulaci s daty či hmotou. Turingův stroj je teoretický model výpočtu, který byl navržen britským matematikem Alanem Turingem v roce 1936. model slouží k popisu toho, co může být vypočítáno pomocí algoritmu, a hraje klíčovou roli v základech informatiky. Hardware I_ - stránka 12 klíčovou roli v základech informatiky. Obsahuje 4 klíčové komponenty: - Páska: nekonečně dlouhá paměť. Každé políčko obsahuje symbol pro R/W. - Čtecí/zapisovací hlava: pohybuje se po pásce, čte symboly a zapisuje nové. - Stavový registr: Uchovává aktuální stav stroje z omezené množiny stavů - Tabulka stavů: program, který určuje pohyb hlavy a jaký symbol se upraví. ROBOT Robot je automatizovaný stroj, který je schopen vykonávat různé úkoly, často s určitou úrovní autonomie a schopností interakce s prostředím. Robot (od slova robota) vymyslel Josef Čapek. Slovo bylo poprvé představeno spisovatelem Karlem Čapkem v divadelní hře R.U.R. v roce 1920. Roboti nacházejí uplatnění v mnoha oblastech, od průmyslu přes zdravotnictví až po zábavu. Jejich použití se neustále rozšiřuje díky pokrokům v technologiích, jako je AI a robotika. Typy robotů: - Průmyslový robot - Domácí robot - Mobilní robot - Humanoidní robot - Android: humanoidní robot který se snaží co nejvěrněji simulovat lidskou bytost. Základy robotiky jsou tři základní pravidla, která formuloval spisovatel Isaac Asimov ve své sci-fi literatuře, zejména ve sbírce povídek Já, Robot (1950). Zákony slouží jako teoretický etický rámec pro chování robotů a jejich interakci s lidmi. Jsou formulovány takto: Nultý zákon: robot nesmí ublížit lidstvu, ani svou nečinností dopustit, aby lidstvu bylo ublíženo. 1. Robot nesmí ublížit člověku, ani svou nečinností dopustit, aby člověku bylo ublíženo 2. Robot musí poslechnout příkazy člověka, kromě těch, které by byly v rozporu s Prvním zákonem. 3. Robot musí chránit sám sebe, pokud tato ochrana není v rozporu s prvním nebo druhým zákonem. 4. Robot musí rozpoznat svoji vlastní identitu jako robot, tedy nesmí tvrdit, že je člověk. Turingův test je koncept, který navrhl Alan Turing v roce 1950 jako způsob, jak posoudit schopnosti AI. Turingův test zkoumá, zda stroj (počítač) dokáže vykazovat inteligentní chování nerozeznatelné od lidského. V turingově testu lidský posuzovatel komunikuje prostřednictvím textového rozhraní (chatu) se dvěma stranami. Jedním je člověk a druhým je stroj (počítač s AI). Posuzovatel neví, kde je člověk a kde je stroj. Pokud posuzovatel není schopen rozlišit mezi člověkem a strojem, stroj úspěšně prošel Turingovým testem. Otázkou je jaká míra rozlišitelnosti… ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Hardware I_ - stránka 13 TEST PŘÍŠTÍ TÝDEN Hardware I_ - stránka 14 Základy počítače pondělí 11. listopadu 2024 11:30 Počítač je elektronické zařízení, které slouží k automatizovanému výpočetnímu zpracování informace. Vykonává programové instrukce a zpracovává data. Tyto data zpracovává podle předem určeného postupu, rychle a přesně provádí složité operace a je schopen číst, zpracovávat a ukládat velké množství dat. Počítač se skládá z Hardwaru, který představuje fyzické části počítače a ze softwaru (operační systém a programy). Je ovládán uživatelem, který poskytuje počítači data ke zpracování pomocí vstupních zařízení a výsledky počítač prezentuje pomocí výstupních zařízení (např. monitor nebo tiskárna). HARDWARE POČÍTAČE Počítačový hardware jsou tedy fyzické části počítače. Hardware zahrnuje všechny komponent, sběrnice a rozhraní, které tvoří počítač a umožňují jeho funkci. Zde jsou hlavní součásti počítačového hardwaru: - Skříň (case) = ochranná schránka, ve které jsou umístěny vnitřní komponenty zajišťuje také správné proudění vzduchu pro chlazení. - Chlazení = ventilátory a kapalné chlazení odvádí teplo generované procesorem, grafickou kartou a dalšími součástmi. - Napájecí zdroj (PSU) = zdroj energie pro počítač, který převádí elektrický proud ze zásuvky na potřené napětí pro jednotlivé komponenty. - Základní deska (motherboard) = hlavní obvodová deska, ke které jsou připojené všechny ostatní komponenty. Obsahuje socket, sloty a porty pro připojení periferií, napájecí konektory a další. - Procesor CPU = centrální procesorová jednotka je mozkem počítače. Provádí výpočty a zpracovává instrukce, které řídí chod počítače. - Paměť RAM = operační paměť, slouží k dočasnému ukládání dat, instrukcí, které procesor potřebuje během běhu aplikací. - Úložiště = pevný disk nebo SSD slouží k trvalému ukládáni dat, OS, aplikací a dalších souborů - Grafická karta (GPU/iGPU) = zařízení, které zpracovává grafická data a vytváří obraz na monitoru. Grafická karta může být integrovaná v procesoru nebo samostatná jednotka. - Síťová karta (NIC) = umožňuje připojení počítače k síti, ať už je přes Ethernet kabel nebo bezdrátově přes Wi-Fi - Periferie = externí zařízení, jako jsou klávesnice, myš, monitor, tiskárna, a další zařízení, která jsou připojena k počítači SKŘÍŇ (CASE) Počítačová skříň nebo case, je ochranný obal, který obsahuje a chrání všechny hlavní vnitřní Hardware I_ - stránka 15 Počítačová skříň nebo case, je ochranný obal, který obsahuje a chrání všechny hlavní vnitřní komponenty počítače před fyzickým poškozením. Case zajišťuje cirkulaci vzduchu. Optimální proudění vzduchu je zásadní pro efektivní chlazení důležitých komponent. Skříně jsou obvykle vyrobeny z materiálů jako ocel, hliník, plast a sklo. Tvrzené sklo se často používá pro bočnice, aby byly vidět vnitřní komponenty. Rack je skříň nebo rám používaný k montáži a organizaci serverů, síťových zařízení a dalšího IT vybavení v datových centrech nebo serverovnách. Skříně se vyrábějí v různých velikostech - Big tower (největší skříň, nejlepší na stanice) - Midi tower (nejčastější, na všechno) - Mini tower (menší, vhodné pro menší sestavy) - Desktop - Mini ITX (např Mac Mini) Vnitřní uspořádání skříně se může lišit, avšak moderní skříně mají například ve spodní části, což umožňuje lepší řízení kabeláže a prostor pro chlazení. Skříně také, dle typu a výrobce, nabízejí možnost přesunu nebo odstranění částí, jako jsou koše na disky, pro lepší přizpůsobení sestavy. Také mohou mít v balení přídavné části a kabeláž. Dvojité komory oddělují napájecí zdroj a disky od hlavních komponent pro lepší chlazení a čistší vzhled. Skříně obsahují větrací otvory, ventilátory či prachové filtry. Také mohou mít bez šroubové systémy, skleněné boční panely, kabelové kanály a úchyty. Porty a konektory jsou obvykle umístěné na předním nebo horním panelu skříně. Například USB, audio Jacky či tlačítka napájení. RGB, zámky, odzvučení, gumové podložky, které snižují vibrace či vodní chlazení. CHLAZENÍ Chlazení počítače odvádí pomocí sestavy ventilátorů či jiných chladičů teplo, které produkují všechny PC komponent, hlavně ale procesor a grafická karta. Systém neustále hlídá teplotu těchto komponent. Pokud je teplota překročena nad 90°C aktivuje se ochrana proti přehřátí a PC se vypne, aby nedošlo k poškození komponent. Pokud se PC neustále vypíná, může to být zanesen chladící systém prachem, špatné nanesená teplovodivá pasta mezi procesorem a pasivním chladičem. - Pasivní chlazení: chladič nashromážděné teplo odvádí do žebrování (heat sinks) a tepelných trubic. Teplo jak absorbující a odvádějí z komponent dle cirkulace vzduchu - Aktivní chlazení (air cooling): ventilátory, které nasávají studený vzduch do skříně a odvádějí teplý vzduch ven. Větráky jsou také součástí chladičů procesorů a grafických karet, kde zajišťují přímé ochlazování heat sinků. (otáčky a hlučnost). - Vodní chlazení (liquid cooling): aktivní vodní chlazení využívá čerpadlo k cirkulaci kapaliny (nikoliv vody) přes bloky připevněné na procesor, grafickou kartu nebo jiné komponenty. Tato kapalina pak přenáší teplo do radiátoru, kde je ochlazována ventilátory. Vodní chlazení může být efektivnější než vzdušné. Hardware I_ - stránka 16 PŘI VÝBĚRU SKŘÍNĚ VŽDY ZKONTROLUJTE KOMPATIBILITU ZÁKLADNÍ DESKY A CHLAZENÍ NAPÁJENÍ Počítačový zdroj (power supply unit) slouží ke zpracování vstupního napětí z elektrické sítě, jeho transformaci a rozdělení do napájecích větví. Zdroj je zodpovědný za distribuci správného napětí a proudu do jednotlivých částí počítače, jako jsou základní deska, procesor, pevné disky, grafická karta a další. Výstupem zdroje je několik napěťových úrovní distribuovaných skrze různé konektory. Typy napájecích zdrojů: - ATX PSU: standartní typ napájecího zdroje, který se používá v běžných stolních počítačích. ATX napájecí zdroje mají standardizované rozměry a konektory - SFX PSU: menší formát napájecího zdroje, často používaný v malých skříní Modulární PSU - lze odpojovat nepoužívané kabely. - Semi-modulární PSU: některé kabely jsou napevno, jiné lze odpojit. - Plně modulární PSU: lze odpojit všechny kabely, což poskytuje maximální flexibilitu při instalaci Výkon napájecího zdroje: Wattáž (W) - udává maximální výkon, který může PSU dodat. Výkon napájecího zdroje by měl být dostatečný (kalkulačka) pro napájení všech komponent počítače. Pro běžné systémy se používají zdroje s výkonem od 400 W do 850 W, zatímco výkonné pracovní stanice či servery mohou vyžadovat 1000 W a více. Efektivita: Efektivita PSU je vyjádřena jako procento energie, která je efektivně převedena z AC na DC bez ztráty ve formě tepla. Efektivní zdroje mají certifikaci 80 PLUS, která zaručuje minimální účinnost 80% při různých úrovních zatížení. Například: 80 PLUS bronze, silver, gold, platinum, titanium. Zdroje také zajišťují ochranu proti přepětí, podpětí, proti přetížení či ochranu proti zkratu a další. Konektory na PSU: - 24-pinový ATX konektor = hlavní napájecí konektor pro základní desku - 4/8-pinový konektor = napájení procesoru - PCIe konektory (6/8-pinové) = napájení GPU - SATA konektory = napájení HDD a SSD - Molex konektory = starší typy konektoru, stále používaný u některých zařízení ZÁLOŽNÍ ZDROJ (UPS) Záložní zdroj je zařízení, které poskytuje nouzové napájení počítači a dalším kritickým zařízením v případě výpadku elektřiny. UPS umožňuje bezpečně uložit práci a vypnout počítač, nebo pokračovat v práci po omezenou dobu, dokud UPS bude mít energii. Záložní zdroje obsahují tady baterii, která se nabíjí za normálního provozu ze sítě. Když dojde k výpadku proudu, UPS okamžitě přepne napájení na baterii. Hardware I_ - stránka 17 Hardware I_ - stránka 18 Základní deska pátek 15. listopadu 2024 12:12 Základní deska je centrální součástí počítače, která propojuje všechny ostatní komponenty a umožňuje jejich vzájemnou komunikaci. Hraje zásadní roli v propojení jednotlivých komponent a má řadu parametrů, které jsou rozhodující pro správný chod celého systému. Při výběru MB je důležité vybrat typ socketu, formát, čipovou výbavu a paměť (DDR4 nebo DDR5) c FORMÁT ZÁKLADNÍCH DESEK - Extended ATX (eATX) - větší varianta ATX, používaná v high-end sestavách a pracovních stanicích, s větším počtem slotů a konaktorů - ATX je nejběžnější formát, který nabízí dostatek prostoru pro více rozšiřujících slotů a další funkce. - Micro-ATX (mATX) - menší varianta ATX. Nabízí méně rozšiřujících slotů, ale stále poskytuje dostatek možností pro většinu uživatelů. - Mini-ITX - velmi kompaktní formát, určený pro malé a úsporné systémy. Obvykle nabízí jen jeden rozšiřující slot a méně konektorů (Mac Mini) SOCKET PRO PROCESOR Socket (patice) je konektor, kterým se základní deska počítače připojuje k procesoru. Aby mohla základní deska s procesorem fungovat, musí sdílet stejný typ socketu - rozdílné nejsou vzájemně kompatibilní. - Intel LGA (Land Grid Array) - používá se u procesorů Intel, s piny umístěnými na základní desky - AMD AM4, AM5 (Pin Grid Array ) používá se u procesorů AMD CHIPSET Základní deska obsahuje čipovou sadu (chipset), která určuje, jaké procesory mohou být použity, a jaké funkcy deska podporuje. Čipová sada tedy ovlivňuje počet konektorů pro rozšiřující karty i další periferie, ale i samotný výkon desky a možnosti taktování. Hardware I_ - stránka 19 desky a možnosti taktování. Chipset se tedy stará o komunikaci mezi procesorem, sběrnicemi, sloty, řadiči a dalšími součástmi na základní desce. - Northbridge (historicky) - dříve zajišťoval komunikaci mezi procesorem, paměti RAM a GPU - Southbridge (historicky) - řídil komunikaci mezi pomalejšími periferiemi, jako jsou disky, USB a síťové karty - Moderní čipsety - u moderních desek jsou funkce Northbridge a southbridge sloučeny do jedné čipové sady, přičemž mnoho funkcí northbridge nyní přebírá přímo procesor. PAMĚŤOVÉ SLOTY (DIMM) Základní deska obsahuje sloty pro paměťové moduly (RAM). Počet slotů a podpora různých typů RAM (DDR3, DDR4, DDR5) se liší podle modelu desky. - Dual-channel, Quad-channel - některé desky podporují vícekanálové zapojení RAM, což zvyšuje výkon tím, že umožňuje procesoru přistupovat k paměti prostřednictvím více kanálů současně. Podporu a zapojení těchto modulů je nutné zjistit v přiloženém návodu MB. ROZŠIŘUJÍCÍ SLOTY PCIe sloty Nejnovější a nejrychlejší standart pro připojení grafických karet, síťovích karet, SSD a dalších rozšiřujících karet. - PCIe x16 - největší a nejrychlejší slot, často používaný pro GPU - PCIe x1, x4, x8 - menší sloty zvukové kartynebo rozšiřující USB Starší sloty: některé základní sloty mohou ještě obsahovat starší sloty jako PCI nebo AGP pro kompatibilitu se starším Hardwarem. KONEKTORY PRO ÚLOŽIŠTĚ - SATA (serial ATA) Ports - používá se k připojení disků (HDD), SSD a optických mechanik. Moderní desky podporují SATA III (6 Gbps). - M.2 slots - moderní sloty pro připojení NVMe SSD disků, které jsou mnohem rychlejší než SATA disky. M.2 sloty mohou podporovat různé velikosti modulů a mohou být propojeny přímo s PCIe sběrnicí - U.2 ports - používají se pro připojení enterprise-grade SSD disků INTERNÍ KONEKTORY A PORTY Front panel connectors - pro připojení tlačítek a LED diod na předním panelu skříně (power button, reset button, LED kontrolky). - RGB headers - konektory pro připojení RGB osvětlení a jeho synchronizaci s dalšími komponenty. - USB headers - interní USB konektory pro připojení portů na předním panelu skříně nebo dalších zařízení - Fan headers - konektory pro připojení ventilátorů, včetně podpory regulace otáček (PWM). Základní deska využívá také chladiče (heat sinks) bez aktivních ventilátorů k odvádění tepla z chipsetů Hardware I_ - stránka 20 POPIS ZÁKLADNÍ DESKY - USB porty - HDMI/display port - Audio Jacky - Ethernet port - PS/2 Porty BIOS Výraz BIOS je odvozen z počátečních písmen Basic Input Output System a jedná se i firmware nahraný do speciálního čipu základní desky. BIOS je na každém PC označeném jako IBM kompatibilní. BIOS je tedy uložen v CMOS paměti a zodpovídá za inicializaci hardwaru a přípravu systému pro spuštění operačního systému. Setup je nástroj, kterým lze tento firmware konfigurovat. FUNKCE BIOSU - Inicializace hardwaru - BIOS je první program, který se spustí po zapnutí počítače. Je zodpovědný za základy testování a inicializaci hardwaru, jako je procesor, paměť, grafická karta a další základní komponenty. - POST (Power-on Self-Test) - BIOS provádí sérii diagnostických testů známých jako POST, aby se ujistil, že všechny základní komponenty fungují správně před spuštěním OS. Pokud je detekován problém, BIOS může vydat chybové pípnutí nebo zobrazit chybovou zprávu. - Bootstrap loader - po úspěšném dokončení POST BIOS vyhledá zaváděcí sektor na připojených úložných zařízeních (HDD, SSD, USB), odkud načte a spustí OS. ROZHRANÍ BIOSU Textové rozhraní - BIOS má tradičně jednoduché textové rozhraní ovládané pomocí klávesnice, obvykle bez podpory myši. Možnosti konfigurace zahrnují nastavení hodin, konfiguraci bootovací sekvence, správu nastavení výkonu a další základní parametry. UEFI - Moderní náhrada za BIOS UEFI je modernější verze firmwaru, která nahrazuje tradiční BIOS. UEFI nabízí více funkcí, flexibilitu a lepší bezpečnostní mechanismy než BIOS. - Rychlejší bootování UEFI umožňuje rychlejší spouštění systému díky správě inicializace hardwaru a optimalizovanému procesu zavádění OS. - Podpora pro větší disky UEFI má podporu pro pevné disky větší než 2TB díky použití GPT (GUID Patrition Table), namísto tradičního MBR Hardware I_ - stránka 21 tradičního MBR - Grafické rozhraní UEFI nabízí grafické rozhraní s podporou pro myši, což usnadňuje navigaci a konfiguraci. Toto rozhraní často obsahuje pokročilé nástroje pro diagnostiku a správu systému. - Pokročilé možnosti nastavení UEFI umožňuje detailnější konfiguraci hardwaru, včetně OC procesoru (přetaktování), nastavení paměti Ram, a pokročilých bezpečnostních funkcí. SETUP Setup je nástroj pro konfiguraci BIOSu nebo UEFI, do kterého lze obvykle vstoupit stisknutím určité klávesy (např. F2, Del, Esc) hned po zapnutí počítače, ještě před načtením OS. Hlavní sekce: - Main: základní informace o systému, jako je verze BIOS/UEFI, typ procesoru, množství RAM, systémové hodiny a datum. - Advanced: pokročilá nastavení pro konfiguraci HW, jako je nastavení CPU, paměti, integrovaných periferií a správa úložišť - Boot: nastavení boot sekvence, pořadí zavádění zařízení, možnost aktivovat nebi deaktivovat Secure Boot a další možnosti startu systému. - Security: nastavení hesel pro přístup do Setupu, hesel pro bootování, konfigurace Secure Boot, a dalších bezpečnostních funkcí. - Power management: možnosti pro nastavení chování systému při různých stavech napájení, jako je režim spánku, probuzení přes síť a podobně. - Exit: Možnosti pro uložení změn, resetování na tovární nastavení, a opuštění Setupu. Po ukončení se PC znovu spustí (nebo nespustí). - Overclocking: UEFI obsahuje pokročilé nástroje pro přetaktování CPU, RAM a GPU, umožňující nastavení frekvencí, napětí pro zvýšení výkonu. - HW monitor - sekce pro monitorování teploty CPU, GPU, otáček ventilátorů, napětí a dalších kritických parametrů systému. - RAID configuration: UEFI Setup umožňuje konfiguraci RAID polí por úložiště, což zvyšuje výkon nebo zabezpečení dat kombinací více disků - Fan control: UEFI zahrnuje pokročilá nastavení pro řízení otáček ventilátorů na základě teplotních senzorů. BEZPEČNOSTNÍ FUNKCE V UEFI SETUPu - Secure Boot Funkce UEFI, platné digitální podpisy, dává pozor na rootkit - TPM (trusted platform module) Některé základní desky a firmware UEFI podporují TPM, což je bezpečnostní čip, který ukládá šifrovací Hardware I_ - stránka 22 Některé základní desky a firmware UEFI podporují TPM, což je bezpečnostní čip, který ukládá šifrovací klíče, digitální certifikáty a další bezpečnostní data. TPM je klíčový pro šifrování disku pomocí nástrojů jako je Bitlocker. - Hesla Umožňuje nastavit hesla pro přístup k nastavení UEFI a bootování systému. - Firmware Update Aktualizace mohou přinést podporu pro nové procesory, opravy chyb, nebo nové funkce. Provádí se pomocí nástroje od výrobce základní desky (MB) - Dual BIOS/UEFI Některé MB mají dav BIOS/UEFI čipy, což umožňuje obnovu systému do funkčního stavu, pokud se aktualizace nebo konfigurace nevydaří. Hardware I_ - stránka 23 Mikroprocesory pondělí 20. ledna 2025 10:39 MIKROPROCESOR Mikroprocesor je velice důležitá součást počítačových systémů, která funguje jako mozek celého zařízení. Jedná se o sekvenční logický obvod, který obsahuje miliony, až miliardy tranzistorů, které provádějí výpočty a zpracovávají data podle instrukcí uložených v paměti ve dvojkové soustavě. Mikroprocesor je zodpovědný za provádění všech základních operací, které umožňují běh softwaru a řízení periferií. DRUHY MIKRORPROCESORŮ - CPU (central procesing unit) Nejběžnější typ mikroprocesoru, který se používá v osobních počítačích, noteboocích, serverech a mnoha dalších zařízeních CPU provádí širokou škálu výpočetních úloh a je navržen pro univerzální použití. - GPU (graphics procesing unit) GPU je mikroprocesor navržený pro rychlé zpracování grafických operací, z - APU APU Kombinuje tradiční CPU s integrovaným grafickým procesorem GPU na jednom čipu. Tento typ mikroprocesoru je navržen pro multimediální aplikace a běžné výpočetní úlohy, které vyžadují určitou úroveň grafického zpracování. - DSP Dsp je optimalizován pro zpracování digitálních signálů, jako je zvuk, video, nebo radarové signály. Používá se v mobilních telefonech a dalších zařízeních - Embedded Processors Procesory navržené pro specifická zařízení, jako jsou mikrokontrolery v automobilovém průmyslu, sítích, průmyslové automatizaci či v domácích spotřebičích. Nízká spotřeba. - MCU Mikrořadiče jsou jednodeskové mikroprocesory, které obsahují CPU, paměť a vstupně-výstupní periferie na jednom čipu. Používají se v Embledded systémech, které řídí specifické funkce, jako je ovládání monitorů, snímání senzorů a řízení jednoduchých zařízení. ČÁSTI MIKROPROCESORU - Řadič Základní část mikroprocesoru, které řídí provádění instrukcí. Je zodpovědný za načítání instrukcí z paměti, jejich dekódování a následné vysílaní ostatním částem procesoru. (jako jsou ALU, registry, atd.). Řadič koordinuje operace uvnitř procesoru, zajišťuje, že se instrukce vykonávají správně a v Hardware I_ - stránka 24 Řadič koordinuje operace uvnitř procesoru, zajišťuje, že se instrukce vykonávají správně a v pořadí. Spravuje tok dat mezi různými částmi mikroprocesoru. Také řídí komunikaci a interakci mezi procesorem a specifickými zařízeními. - Power managment - řízení spotřeby energie - ALU ALU je část mikroprocesoru, která provádí aritmetické operace (sčítání, odčítání, násobení, dělení) a logické operace. - FPU (float point unit) FPU je jednotka určená pro provádění výpočtů s plovoucí desetinnou čárkou. - LSU (load store unit) LSU je odpovědná za správu přístupu k paměti, včetně načítání dat z paměti - Registry Registry jsou malé, rychlé paměťové jednotky uvnitř mikroprocesoru, které uchovávají data a instrukce, se kterými procesor aktuálně pracuje. Rychlý přístup k potřebným informacím. - Program counter = uchovává adresu následující instrukce - Accumulator = uchovává výsledky aritmetických/logických operací - Instruction register = uchovává aktuálně vykonávanou instrukci - General purpose register = univerzální registry, které mohou uchovávat jakákoliv data pro operace - CACHE PAMĚŤ Cache paměť je vysokorychlostní paměť, která uchovává často používané instrukce a data aby se mohly rychleji načíst. Snižuje čas načítání a zlepšuje výkon. - L1 cache = nejmenší, ale nejrychlejší - L2 cache = větší, o kousek pomalejší - L3 cache = sdílená mezi jádry, největší, ale nejpomalejší - Sběrnice Sběrnice je komunikační cesta, která propojuje různé části mikroprocesoru mezi sebou a s ostatními komponentami počítače. - Dekodér instrukcí Dekodér instrukcí převádí binární kód instrukcí z paměti na signály, které určují, jaké operace mají být vykonány. - Clock (hodiny) Generují taktovací signály, které synchronizují činnost všech částí procesoru. Taktovací frekvence udává rychlost s jakou procesor vykonává instrukce. INSTRUKČNÍ SADA Instrukční sada je soubor instrukcí, které mikroprocesor dokáže vykonávat. Instrukce definují operace, které procesor může provádět, jako jsou aritmetické a logické operace, přesuny dat a řízení toku programu. Instrukční sada tedy určuje způsob, jakým procesor komunikuje například se softwarem. - CISC Hardware I_ - stránka 25 - CISC Procesory s komplexní instrukční sadou, kde jednotlivé instrukce mohou provádět složité operace, což může zjednodušit psaní SW, ale může být méně efektivní (x86, x64). - RISC Procesory s redukovanou instrukční sadou, kde každá instrukce provádí jednoduchou operaci, což vede k vyšší rychlosti a nízké spotřebě. (ARM, SPARC, MIPS, mobilní telefony). ARCHITEKTURA - x86 32bitová instrukční sada, kterou využívají starší procesory. Zahrnuje registry o 32 bitech. Max paměť 4GB. - x64 Rozšíření x86 na 64 bitů. To umožňuje procesoru pracovat s větší šířkou registrů (64 bitů) a adresovat podstatně více paměti (teoreticky až 18 exabajtů.) Standart u moderních počítačů, 64 bit formát, velká paměť. ARCHITEKTURA APPLE APPLE vyvíjí procesory Apple silicon, jenž jsou integrovány i do zařízení, jako jsou MacBooky, iPady a iMacy. Apple silicon čipy jsou navrženy pro vysoký výkon a energetickou účinnost, což umožňuje plynulý běh náročných aplikací a dlouhou výdrž baterie. OPTIMALIZACE Výkonnostní optimalizace - Přetaktování je proces zvyšování taktovací frekvence procesoru nad jeho standartní hodnoty, což může zvýšit výkon, ale zároveň i spotřeba energie a produkci tepla. - Přetaktování vyžaduje odpovídající chlazení a napájení, aby se zabránilo přehřátí a poškození procesoru. (I) TURBO BOOST je technologie, která umožňuje CPU automaticky zvyšovat taktovací frekvenci nad jeho nominální hodnotu při vysoké zátěži, za předpokladu, že jsou splněny teplotní a energetické limity. (I) Energetická efektivita Procesor mohou dynamicky upravovat taktovací frekvence. MULTIPROCESORY Multiprocesorový systém je počítačová architektura, ve které je přítomno více než jedno výpočetní jádro (procesor) schopné provádět úlohy. Tyto procesory sdílejí společnou paměť a I/O zařízení. Spolupracují na vykonávání úloh paralelně, což zvyšuje celkový výpočetní výkon systému. - Symetrický multiprocesing = všechny procesory jsou považovány za rovnocenné a mohou pracovat na libovolné úloze. Hardware I_ - stránka 26 - Asymetrický multiprocesing = procesory si nejsou rovny. Jeden procesor je hlavní (master) a ostatní jsou pomocné (slave). VÝROBNÍ PROCES Výroba mikroprocesorů je komplexní a vysoce náročný proces, který zahrnuje spoustu postupů. Hlavní technologie používané při výrobě: - Fotolitografie Proces k výrobě složitých obvodů na polovodičových čipech. Světelné vzory na křemíkový plát. Odstranění či zachování materiálu pak závisí na něm. - Nanometrový proces = označuje velikost tranzistorů a dalších prvků na mikroprocesoru. Čím menší je tato velikost, tím více tranzistorů může být na čipu, což zvyšuje výkon a energetickou účinnost. 3nm u např. mobilních zařízeních. - FinFET = typ 3D tranzistoru který se stal standardem v moderních mikroprocesorech. Vyšší výkon a lepší energetická účinnost. Další výrobní procesy: dopování, leptání, metalizace a další. KOMUNIKACE S OKOLÍM Komunikace mikroprocesoru s okolím označuje procesy, které umožňují mikroprocesoru vyměňovat data, příkazy a signály s dalšími komponenty počítačového systému. Mikroprocesor musí být schopen načítat instrukce, číst a zapisovat data, a koordinovat činnost různých součástí systému. Komunikaci umožňují různé druhy sběrnic a controllerů. - Front side bus (FSB) = historický typ sběrnice, který spojoval mCPU s hlavní pamětí RAM a dalšími klíčovými komponentami systému. - Northbridge a soutbridge = dříve samostatné čipy na základní desce, které řídily komunikaci mezi procesorem a GPU (northbridge) a druhá (southbridge) čipová sada řídila komunikaci mezi pomalejšími jednotkami jako jsou pevné disky. - Interrupt request (IRQ) = signály posílané periferiemi nebo zařízeními k mCPU, které požadují přerušení aktuálního zpracování a vykonávání specifické úlohy. (např obsluha klávesnice). - Direct memory access (DMA) = umožňuje periferiím, jako jsou pevné disky nebo grafické karty, přímý přístup k hlavní paměti bez zatěžování procesoru. - HyperTransport = rychlejší a efektivnější komunikace mezi mCPU a ostatními částmi systému, zejména pamětí a dalšími procesory v systémech s více procesory. Hardware I_ - stránka 27 Hardware I_ - stránka 28 Sběrnice pondělí 3. února 2025 11:20 Sběrnice/bus - soustava vodičů přenášející data nebo signál stejného charakteru. Jedná se o sadu fyzických připojení (kabelů či plošných spojů), které slouží k propojení jednotlivých částí počítače mezi sebou. Sběrnice slouží pro přenos informace mezi mikroprocesorem a ostatními částmi PC, ale také mezi částmi uvnitř mikroprocesoru nebo také mezi počítačem a okolím. Řízení přenosu po sběrnici provádí ŘADIČ (chipset, master). Ostatní části mu jsou podřízené (slave). V případě víceprocesorového systému musí mít sběrnice arbitra (přidělovací systém), který určí prioritu při několika současných požadavcích. ŘADIČ A ARBITR SĚRNICE Řadič je elektronická řídící jednotka (sekvenční obvod), sloužící k řízení všech komponentů počítače. Arbitr sběrnice - rozhoduje o tom, kdo se stane aktuálním masterem. Může být centralizovaný či distribuovaný. - Centralizovaný = data a činnosti vykonávány v jednom modulu - Distribuovaný = data a činnosti jsou rozděleny do řady řadičů - Hierarchický = jeden hlavní řadič, ostatní jsou vedlejší - Demokratický = rovnocenné arbitry ROZDĚLENÍ SBĚRNIC - Vnitřní/interní = propojuje mikroprocesor s ostatními prvky počítače a dovoluje tedy vytvoření různých uspořádání PC. (PCIe, SATA, AGPm PATA, socket, NVMe) - Vnější/externí = sběrnice styku s okolím. Propojuje k danému počítači další přídavná zařízení. Také lze připojit další počítač (rozhodování o prioritě podřízených počítačů) - Vnitřní sběrnice mikroprocesoru ROZDĚLENÍ BSĚRNIC DLE FUNKCE Mezi nejčastější účastníky každého přenosu na sběrnici bývá mikroprocesor, který určuje údaje přenosu (např. směr přenosu, účastníky, platnost informace). Proto sběrnice rozdělíme dle funkce na adresovou, řídící a datovou. ADRESOVÁ SBĚRNICE - pokud chce mikroprocesor data číst nebo je zapisovat, musí sdělit paměťovou buňku čtení a zápisu. Tato buňka (místo) je identifikováno adresou, která je přenášena po adresové sběrnici. Počet bitů adresové sběrnice, neboli počet vodičů, odpovídá počtu bitů adresy. Mikroprocesor vytvoří tuto adresu a určí využitelný adresový prostor. Např. 16ti bitová adresová sběrnice bude maximálně adresovat 65 536 adres. Mikroprocesory mívají dva adresové prostory. Jeden pro adresování paměti a druhý pro adresování vstupů a výstupů. ŘÍDÍCÍ SBĚRNICE = souhrn jednotlivých signálů aktivních v různých časových okamžicích v různých časových okamžicích s různým významem, které mívají různé zdroje. Jednoduše řečeno řídící signály předává řídící signály. Signál reset - uvede mikroprocesor do jeho výchozího stavu Signál memory read (MR) - zabezpečuje čtení t pamětí či bloků do procesoru nebo PC Signál memory write (MW) - zabezpečuje zápis do pamětí či bloků z procesoru neo PC Hardware I_ - stránka 29 Signál memory write (MW) - zabezpečuje zápis do pamětí či bloků z procesoru neo PC Signály Input/output read/write -slouří pro čtení nebo zápis z/do zařízení Signál ready - určuje připravenost obvodu Řídící sběrnice může obsahovat i další řídící signály dle potřeby. DATOVÁ SBĚRNICE - slouží pro přenos všech dat v počítači. Data jsou vždy přenášena mezi dvěma bloky PC. Příkladem tohoto přenosu je přenos dat z paměti do mikroprocesoru či přenos dat mezi mikroprocesorem a I/O zařízením. Datová sběrnice bývá obousměrná. Mezi nejdůležitější parametry datové sběrnice patří její šířka neboli počet bitů a časování. Šířka datové sběrnice udává, kolik bitů je schopno se přenést najednou a patří mezi parametry výrazně ovlivňující rychlost komunikace. NAPÁJECÍ SBĚRNICE - zajišťují distribuci elektrické energie do všech komponent. Prostřednictvím adresové sběrnice si mikroprocesor vyžádá určitou paměťovou buňku a pomocí řídící sběrnice přes datovou sběrnici buď z buňky převezme informaci či do buňky informaci předá (Read/Write). Existují různé konstrukce sběrnic, které jsou různě kombinovány a různě využívány: - Systémová sběrnice - Lokální sběrnice - Sběrnice pro připojení periferií. VYSVĚTLENÍ Rozdělení sběrnic dle funkce: Prostřednictvím adresové sběrnice si mikroprocesor vyžádá určitou paměťovou buňku a pomocí řídící sběrnice přes datovou sběrnici buď z buňky převezme informaci či do buňky informaci předá (READ/WRITE) Existují různé konstrukce sběrnic Rozdělení dle směru přenosu: Jednosměrné - přenos v této sběrnici probíhá v jednom směru. Polovodič někdy vede, někdy nevede. Obousměrné - přenos probíhá v obousměrném režimu data jsou tedy posílána oběma směry. Rozdělení dle provozu: Synchronní: po odeslání požadavku je sběrnice uvolněna a buď se čeká nebo je vyžádána odpověď. Asynchronní: po odeslání požadavku je daná sběrnice obsazena tak dlouho, dokud nedojde odpověď. Dle uspořádání: Sériové: přenos postupně po jednotlivých bitech Paralelní: přenos několika bitů najednou pomocí několika paralelními přenosovými vodiči. Sérioparalelní PARAMETRY SBĚRNIC: - Maximální šířka přenosu - Rychlost (propustnost) - počet přenesených b/s - Frekvence - Roztečí kontaktu - Rozměr desek Hardware I_ - stránka 30 - Rozměr desek - Impedance - Maximální počet řadičů Některé sběrnice jsou sdílené a pak se pro určité části adresové a datové sběrnice používají stejné vodiče. V určitý časový okamžik se jeden vodič používá jako adresový a v dalším okamžiku jako vodič datový. Význam signálů je dán protokolem, podle kterého je sběrnice přepínána (multiplexována). Tento časový okamžik, resp. Platnost tohoto signálu se určuje u synchronních sběrnic hodinovými impulsy. Pokud je synchronní sběrnice ještě paralelní, je možné zpozdit přenos - pseudosynchronní sběrnice. U asynchronních sběrnic platnost řídících a stavových signálů určuje jejich posloupnost. Používá se režim kvitovaný nebo systém výzev a odezev (potvrzení). UNIVERZÁLNÍ SBĚRNICE NVMe - rozhraní využívají flash paměti oproti starším mechanickým diskům. Připojení nevolatilních pamětí (SSD) přes PCIe sběrnic. NVMe operuje na ovladači HW, definuje sady příkazů a zařizuje komunikaci mezi externím diskem a interními komponenty. PATA - sběrnice, která sloužila po připojení pevných disků, optických mechanik, disketových jednotek. 40-pinový konektor. SATA: sběrnice využívaná pro připojení vysokokapacitních zařízení jako jsou HDD, SSD disky, a také optické mechaniky. Má pouze 7 žil. Nejnovější generace má rychlost nejnovější III. generace má rychlost +- 600 MB/s. PCIe - je standard inteligentní sběrnice. Slouží pro připojení periferií zařízení na základní desku, je 32 a 64 bitová. Data jsou přenášena bez potřeby adresy. Používá sériový přenos dat pro možnost dále zvyšovat frekvenci (a tím přenosovou rychlost). Základní desky mají různé typy PCIe slotů, které odpovídají různým konfiguracím linek (x1, 4, 8, 16) Nejčastější sloty jsou x16, které se používají pro grafické karty a x1 pro síťové a zvukové karty. PCIe rozhraní je rozděleno do linek (lanes), kde každá linka může přenášet data v obou směrech současně. Každá linka je tvořena dvěma páry vodičů - jeden pro přenos dat a druhý pro příjem dat. PCIe je zpětně kompatibilní. To znamená, že novější karty PCIe mohou být použity ve starších slotech. Budou fungovat na rychlosti odpovídající nejpomalejší komponentě. Např. PCIe x16,běžně používané pro grafické karty, má 16 linek a poskytuje velmi vysokou šířku pásma pro přenos dat. VERZE PCIe: (obousměrně dvojnásob) - PCIe 1.0 (250 mb/s) 2003 - PCIe 2.0 (500 mb/s) - PCIe 3.0 (1 GB/s) - PCIe 4.0 (2 GB/s) - PCIe 5.0 (4GB/s) - PCIe 6.0 (8GB/s) 2024 UNIVERSAL SERIAL BUS (USB) USB - je univerzální sériová sběrnice. USB je sběrnice jen s jedním zařízením typu Master (PC). Používá se pro připojení periferií a doplňků nejen k počítačům, ale i mobilním telefonům, tabletům a dalším zařízením. Standardy: - USB 2.0 - USB 3.0, gen2, gen2x2 - USB-C - USB 4 Hardware I_ - stránka 31 - USB 4 Datový přenos - uskutečněn pomocí dvojice datových vodičů (DATA+ a DATA-). Jedná se kroucené vodiče. Celý kabel je poté stíněný hliníkovou fólií. Napájení - sběrnice USB může sloužit jako napájecí, popřípadě jako napájecí a datová. Připojeným zařízením USB poskytuje i stejnosměrné napájecí napětí 5V. HotPlug Přidání komponent do běžícího počítačového systému bez významného přerušení provozu tohoto systému. Připojení zařízení "za horka" nevyžaduje restart systému. Zapojení HotPlug může zahrnovat nějakou administrativní akci ze strany uživatele. Pokud například uživatel připojí jednotku pevného disku nebo zařízení USB, myši, klávesnice či tiskárny systém může vyžadovat akci nebo aby jej uživatel po instalaci opětovně připojil. K odstranění třeba pevného disku je rovněž vyžadováno jeho vysunutí. To znamená, že je třeba kliknout na možnost "vysunout disk". ROZHRANÍ PRO GARFICKÝ VÝSTUP Grafická karta - součást počítače, jejímž úkolem je přijímat úkoly od procesoru, a ty následně zpracovat a vytvořit tak grafický výstup na monitoru. Také ve spolupráci s CPU provádí obecné výpočty. Hlavní součást grafické karty je grafický procesor GPU, který slouží pro rychlé změny obsahu grafické paměti, tedy změny obrazu viditelného na monitoru. Grafika může být integrovaná nebo dedikovaná. K zobrazení na monitor či projektor je potřeba patřičné rozhraní, kterým disponuje jak zobrazovací zařízení, tak i grafická karta. Přenos dat v tomto rozhraní může být analogový nebo digitální. VGA - analogová standard pro zobrazování grafiky na monitoru (CRT). Vyvinula jej Firma IBM v roce 1987. maximální počet barev v tomto režimu byl 256 (8bitová hloubka) a rozlišení 640 x 480 (4:3). Dnes se ještě využívá jeho vyšší verze SVGA (Super VGA), která má podporu vyššího rozlišení. Utáhne FHD rozlišení při max 75Hz. DVI DVI - digitální rozhraní (1999) pro propojení videozařízení (LCD) s počítačem. Vytvořeno skupinou Digital Display Working a jedná se o nástupce VGA. Je široce kompatibilní, využíval se u celé řady zařízení, nyní je jeho podpora ukončována. Single-link přenáší video v rozlišení 1920 x 1200, 60Hz. Možnost přenášet digitální a analogový signál rozděluje DVI konektory na tři typy: - DVI-A - DVI-D - DVI-I HDMI Nejrozšířenější digitální standartní bylo vyvinuto společnostmi Sony, Sanyo a Toshiba. Rozhraní dokáže přenášet nekomprimované video, audio a ethernet v jednom kabelu. Pomocí HDMI lze připojit televizi, monitor nebo projektor k multimediálnímu zařízení, tedy například herní konzoli, počítači, notebooku, Android/Apple TV nebo Blu-Ray/DVD přehrávač. HDMI je se svojí nejnovější verzí 2.1 nejpoužívanějším rozhraním. Podporuje rozlišení až 10K (4K, 120Hz; 8K, 60Hz), HDR, 3D, Deep Color, propustnost 48 Gb/s, až 32 zvukových kanálů, Dolby TrueHD a DTS-HD master audio. Hardware I_ - stránka 32 HDR, 3D, Deep Color, propustnost 48 Gb/s, až 32 zvukových kanálů, Dolby TrueHD a DTS-HD master audio. - Typ A - klasický konektor, který je na většině zařízení. 19 pinů - Typ B - nevyužívaný. 29 pinů - Typ C - mini verze - Typ D - micro verze HDMI je kompatibilní se signálem DVI bez ztráty kvality obrazu (I/O HDMI/DVI). Opačně kompatibilita fungovat vždy nemusí (I/O DVI/HDMI). Audio data se přenášejí po stejných vodičích jako obraz, je tedy možné, že zařízením se vstupem DVI si se zvukovými daty neporadí a nedokáže obraz zobrazit. DisplayPort Digitální rozhraní navržené organizací VESA. Je podporován firmami jako Intel, AMD, Dell, Nvidia či Phillips. Rozhraní slouží k přenosu obrazu pro monitory, může být použito i pro přenos zvuku, USB a jiných forem dat. Nevyžaduje od výrobce, na rozdíl od HDMI, odvádění licenčních poplatků. Nabízí dvojnásobnou propustnost oproti HDMI. DP zvládne připojení více monitorů najednou. Mini DP - menší verze, podporuje Thunderbolt. THUNDERBOLT Intel a Apple vyvíjeli standard Light Peak. V Roce 2011 uveden s MacBookem Pro pod názvem Thunderbolt. Konektor je založen na tvaru USB-C. to znamená, že Thunderbolt 3, 4 a 5 kabel lze připojit k USB-C a obráceně. V nabíjení zařízení se technologie neliší (100W). V přenosu dat je rychlejší Thunderbolt. Pokud je zapojen do USB-C, rychlost omezena standardem USB. - Thunderbolt 3, 4 a 5 - Thunderbolt 5 - obousměrně až 80 Gb/s s možným zvýšením až na 120 Gb/s (15 GB/s). ---------------------------------------------------- TEST V PÁTEK -------------------------------------------------------------- Hardware I_ - stránka 33 Vnitřní Paměti pátek 4. dubna 2025 10:04 PAMĚŤ POČÍTAČE Paměť počítače je elektronická součástka či zařízení, které slouží k uložení informací. Tyto informace uchovává po požadovanou dobu a znovu je získá pro další použití. Informace je vyjádřena jako číselní hodnota, popř. je nositelem informace modulovaný analogový signál. Číselní hodnota je vyjádřena v binární soustavě. Pro uchování informace tedy stačí signál (např. elektrické napětí), které má dva rozlišitelné stavy. Není třeba přesně znát velikost signálu. Například počítač dostane úkol sečíst čísla 2 a 4. tyto data jsou zadány vstupními zařízeními. ○ Čísla 2 (0010) a 4 (0100) jsou uložena do paměti ○ Dojde k výpočtu (CPU, ALU) ○ Číslo 6 (0110) bude uloženo do paměti PAMĚŤOVÁ BUŇKA Viz. Obrázek ROZDĚLENÍ PAMĚTÍ - Vnitřní/operační/interní paměť ○ Umístěny na základní desce ○ Ukládání dat, která se právě zpracovávají ○ Rychlejší přístup než k vnější paměti ○ Zapojeny jako matice paměťových buněk. - Vnější / externí paměť ○ Zařízení pro dlouhodobější ukládání dat ○ Data se vypnutím napájení neztrácí ○ Přístup k vnější paměti je podstatně pomalejší VYSVĚTLENÍ Data z vnější paměti se pro zpracování musí načíst do vnitřní paměti. Naopak vytvořená data se z vnitřní paměti musí do vnější paměti uložit, zpravidla v podobě souborů v hierarchické struktuře adresářů, kterou si uživatel vytváří dle svých potřeb. ROZDĚLENÍ VNITŘNÍCH PAMĚTÍ Vnitřní paměť lze dělit z mnoha různých hledisek, z nichž nejužívanější jsou kritéria: ○ Přístup k buňkám paměti ○ Možnost změny dat (zápisu) ○ Princip realizace paměťové buňky ▪ Destruktivnost při čtení Energetická závislost Hardware I_ - stránka 34 ○ Energetická závislost ○ Organizace paměti PŘÍSTUP K BUŇKÁM PAMĚTI - Paměti s libovolným přístupem RAM (random access memory) - Paměti se sériovým přístupem SAM (serial access memory) - Sekvenční - před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace (páska). - Přímý - je možné zpřístupnit přímo požadovanou informací (S/DRAM) ZMĚNA DAT (ZÁPIS) - RWM (READ/WRITE MEMORY) - ROM (READ ONLY MEMORY) - PROM (PROGRAMMABLE READ ONLY MEMORY) - EPROM (ERASABLE PROM) - EEPROM (ELECTRIC EPROM) - FLASH REALIZACE PAMĚŤOVÉ BUŇKY - Statické paměti - uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí (bist klopený obvod). - Dynamické paměti - zapsanou informaci mají tendence ztrácet i v době, kde jsou připojeny k napájení. DESTRUKTIVNOST PŘI ČTENÍ - Destruktivní - přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána. - Nedestruktivní - přečtení informace žádným negativní způsobem tuto informaci neovlivní. ENERGETICKY ZÁVISLÉ - Energeticky závislá / Volatelní paměť - k udržení informace vyžaduje neustálé napájení. Většina moderních polovodičových energeticky závislých pamětí je buď statická (SRAM) nebo dynamická (DRAM). To znamená, že ztratí uložené informace po odpojení od zdroje napájení. - Energeticky nezávislá / Nevolatelní paměť - dokáže uchovat uloženou informaci, i když není napájená- mezi příklady nevolatelní paměti patří paměť pouze pro čtení ROM, flash paměť a magnetické paměťové zařízení Uchovávají tedy informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. ROM Paměti ROM jsou paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah měnit. Hardware I_ - stránka 35 Jedná se o statickou, energeticky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení. Dnes už se u PC setkáme s typem ROM velmi ojediněle z důvodu nemožnosti přidání nových vlastností. Při výrobě tohoto typu paměti se používají různé realizace paměťových buněk. Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů: TTL MOS Viz obrázek. PROM Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislá paměti. Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1. RAM (Random Access memory) - SRAM - Static RAM - DRAM - Dynamic RAM SRAM Paměti SRAM uchovávají informaci uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda je v paměti uložena 1 nebo 0. Tato realizace způsobuje mnohem vyšší cenu na bit než u DRAM. Proto se SRAM používají pouze v nasazeních, kdy je požadována nízká přístupová doba (15-20 ns), například paměť cache mezi procesorem a dynamickou pamětí RAM nebo operační paměť výkonných počítačů, kde není cena rozhodující. Paměti SRAM je možné uskutečnit v technologii TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v technologii MOS. Viz. Obrázek. DRAM DRAM je levnější a výrobě mnohem jednodušší než SRAM. Informace je uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k vybití, a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět refresh - oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady. Refresh probíhá hromadně po celých řádcích, takže pokles výkonu paměti, ke kterému dochází, protože při obnově není paměť dostupná, není dramatický. Při čtení dochází k Hardware I_ - stránka 36 dochází, protože při obnově není paměť dostupná, není dramatický. Při čtení dochází k vymazání obsahu buňky, obnova proto musí probíhat také po každém čtení. Uchování informace je založeno na fyzikálním principu nabíjení kondenzátoru, konkrétně na parazitní kapacitě řídícího tranzistoru. Takto vzniklý potenciál, který je ekvivalentní napětí, odpovídá logické 0 nebo 1. jelikož vlivem svodů je tento potenciál vybíjen, je nutno obnovování informace v paměťové buňce často opakovat (několik set krát za sekundu - dle teploty atd.). Refresh probíhá tak, že jsou paralelně sejmuty obsahy paměťových buněk na řádku, v budiči zesíleny a opět zapsány na původní místo. SHRNUTÍ SRAM A DRAM Statické paměti jsou složitější, proto nedosahují takových velikostí jako paměti dynamické. Lze však bez omezení z nich číst nebo do nich zapisovat. Toto není možné u pamětí dynamických, kde je přístup do paměti v době obnovy zakázán. VYROVNÁVACÍ PAMEŤ Vyrovnávací paměť / CACHE je velmi rychlá paměť malé kapacity, která slouží ke zrychlení toku dat mezi CPU a operační pamětí, I/O zařízením, nebo jinými částmi počítače. Je zapojena mezi CPU a operační paměť a to jak uvnitř procesoru, tak vně procesoru. Mikro CPU čte data z CACHE paměti a výsledek se zapisuje rovnou do OP. Přenos mezi mikroprocesorem a CACHE je po slovech (někdy i po dvojitých slovech), mezi CACHE a OP je po blocích. Mezi mikroprocesorem a OP slouží pouze pro čtení z hlediska procesoru. CACHE je známá nejen jako vyrovnávající paměť OS, ale i jako mezi paměť webového prohlížeče. V obou případech se používá pro ukládání nejčastěji používaných dat, čímž dochází ke zrychlení celkové práce. ○ L1 CACHE - součástí čipu CPU a je nejrychlejší a nejmenší mezi pamětí CPU. ○ L2 CACHE - jde o vyrovnávací paměť procesoru. Stojí mezi OP a výpočetními jednotkami procesoru, aby zamezila snižování rychlosti procesoru rychlostí paměti. Každé jádro má samostatnou L2 CACHE. ○ L3 CACHE - tu má procesor jen jednu a sdílí ji všechna jádra. VIRTUÁLNÍ PAMĚŤ Virtuální paměť - systém ke fyzická paměť je řízena OS. Když program potřebuje paměť, vyžádá si j od OS. OS pak rozhodne, na jakém fyzické m místě se bude přidělená paměť nacházet. Využívá se v případě, že vznikne nedostatek RAM paměti. V takovém případě se určitá data Hardware I_ - stránka 37 Využívá se v případě, že vznikne nedostatek RAM paměti. V takovém případě se určitá data spuštěných procesů přesunou z přeplněné RAM paměti do tzv. stránkovacího souboru a místo v RAM se tak uvolní. Fyzicky se vlastně jedná o dočasný přesun dat z RAM na pevný disk. Celý proces řídí CPU či samostatný obvod. Výhoda spočívá v tom, že spuštěný proces řídí procesor či samostatný obvod. Výhoda spočívá v tom, že spuštěný proces není omezen aktuální velikostí RAM paměti. Na druhou stranu tato akce obecně procesy zpomaluje a tím dochází k momentálnímu poklesu výkonu počítače. RAM DISK Disk RAM je virtuální úložiště, ke kterému lze přistupovat stejným způsobem jako k úložišti HDD, SSD nebo Flash. Disky RAM jsou vytvářeny rozdělením kapacity ze systémové paměti RAM pomocí softwaru a poskytují neuvěřitelně rychlé čtení a zápis. Rychlejší než SSD. Použití systémové paměti jako úložiště má své klady a zápory. Jednou z výhod je samozřejmě výkon. Aplikace vázané na úložiště velmi těží z extrémních rychlostí čtení a zápisu. Spuštění aplikace z RAM disku je také rychlejší. Nevýhodou je, že RAM je volatilní. V případě ztráty napájení jsou vymazány všechny soubory či aplikace na disku RAM. Neustálé zálohování j tedy rozhodujíc, stejně jako USP CMOS PAMĚŤ. Paměť s malou kapacitou sloužící k uchování údajů o nastavení počítače a jeho hardwarové konfiguraci. Tato paměť je energeticky závislá, a proto je nutné ji zálohovat pomocí akumulátoru umístěného většinou na základní desce, aby nedošlo ke ztrátě údajů v ní uložených. Špatné nastavení výše zmíněných parametrů může způsobit výrazné snížení výkonu celého počítače, až nefunkčnost některých částí, popř. celého PC. ○ Informace o typech a kapacitách jednotek pružných disků ○ Informace o typech, kapacitách a parametrech pevných disků ○ Typ používané video karty ○ Kapacita operační paměti ○ Nastavení parametrů CACHE pamětí ○ Pořadí jednotek pro zavádění OS ○ Povolení/zakázání různých funkcí MB ○ Nastavení rychlosti repetice klávesnice ○ Nastavení parametrů přenosu informací z pevných disků ○ Nastavení parametrů pro režim s úsporou elektrické energie ○ Nastavení přiřazení IRQ úrovní ○ Nastavení hesla k programu SETUP, popř. k celému počítači ARCHITEKTURA OPERAČNÍ PAMĚTI Architektura paměti je řešena tak, že jednotlivé bity (v buňkách), tedy Bajty (v maticovém systému) ovládány pomocí vodičů (sběrnic), kde se musí do paměti zavést adresa rozdělena na adresu sloupce a adresu řádku. Dvojúrovňový paměťový systém Tento systém obsahuje procesor, OP (vnitřní), a sekundární (vnější) paměť. Problém v tomto systému je s adresací vnější paměti, která vyžaduje čtení dat PO BLOCÍCH, který je nutné nejprve vyhledat. Nejvýhodnější se ukázala koncepce virtuální adresace, jejímž základem je Hardware I_ - stránka 38 nejprve vyhledat. Nejvýhodnější se ukázala koncepce virtuální adresace, jejímž základem je rozčlenění několika nezávislých adresových prostorů, které si jsou navzájem přiřazeny. Uživatel pak datům přiřazuje virtuální adresy. Ty umožní potřebná data kdykoliv adresovat a není třeba se zabývat otázkou fyzického prostoru paměťového systému. Pro každou část paměťového systému je vytvořen reálný adresový prostor, který organizací a velikostí odpovídá vlastnostem paměťového média. Viz obr. Při práci s pevným diskem j třeba přesouvat souvislé celky, a to se z disku přepisují data po blocích. Organizace přesunu dat má velký význam pro efektivitu celého paměťového systému. Překlad se provádí třemi způsoby: ○ STRÁNKOVÁNÍM ○ SEGMNTOVÁNÍM ○ OBOJÍM STRATEGIE PŘESUNU STRÁNEK MEZI OP A EP Při výpadku stránky se využije některá ze strategií k minimalizování časového propadu, tedy k minimalizování zpomalení počítače. ○ LRU (Least recently used) - je vyřazována stránka, která byla nejdéle Nepoužita. ○ FIFO (First in first out) - vyřazuje vždy stránku, která je v OP nejdéle a bude tedy vyřazena jako první ○ Náhodný výběr - využije se generátor pseudonáhodného čísla a vyřazuje se dle této hodnoty ○ LFU (least frequently used) - vyřazuje stránku, která byla volána nejméně. TROJÚROVŇOVÝ PAMĚŤOVÝ SYSTÉM Protože je paměť pro procesory značně pomalá, vkládá se do cesty mezi ní a procesor další paměť vyrovnávací - cache. STRATEGIE VÝMĚNY DAT MEZI OP A CACHE Stejně jako při výměně dat mezi OP a vnější paměťí, tak i zde jde o rychlost: ○ LRU - vyřazení bloku, který má největší hodnotu ○ FIFO - při každé výměně se obsah čítače zvětšuje o 1 a udává číslo bloku určeného k vyřazení ○ Random - použije se generátor pseudonáhodného čísla. Podle hodnoty se vyřadí příslušný blok. Je třeba zajistit, aby změna která proběhla ve vyrovnávací paměti byla bezprostředně zapsána i do paměti operační. Nejjednodušší se jeví současný zápis jak do vyrovnávací, tak i do OP (write through). Tento postup je však nejpomalejší, protože se zápis provádí po dvou po sobě zapisovacích cyklech. Další způsob je ten, že procesor zapíše data do vyrovnávací paměti a změny se přepisují do OP při vyřazování příslušného bloku, čemuž se říká uklízení (write back). Tento způsob má tři varianty: ○ Úklid bloku při každém vyřazení ○ Úklid bloku jen při změně Úklid bloku podle příznaků změny bloku zapsané v pomocné paměti bloku. Hardware I_ - stránka 39 ○ Úklid bloku podle příznaků změny bloku zapsané v pomocné paměti bloku. ORGANIZACE PAMĚTI V POČÍTAČI V osobních počítačích se jako vnitřní paměť používají paměti typu DRAM. Druhy DRAM: ○ DIMM ○ SO-DIMM ○ RIMM SIMM Moduly SIMM jsou starší typy paměti RAM. SIMM jsou první masově vyráběné paměťové jednotky. ○ Přístupová doba: 70-80 ns ○ Verze: 30 pinová s datovou šířkou 8 bitů, 72 pinová s datovou šířkou s datovou šířkou 32 bitů. DIMM DIMM byly dalším významným vylepšením technologie pamětí po technologii SIMM. Jedná se o dva moduly SIMM integrované na jedné desce. Důvodem je obsazení celé šířky sběrnice. ○ DIMM SDR - celkem 168 pinů, 66-133MHz S-DIMM & DDR SO-DIMM je rozměrově menší alternativa paměti DIMM (zhruba poloviční). Používají se v přenosných zařízeních jako NTBKY. DIMM DDR - v jednom taktu přenášejí dvě informace. 184 pinů, pracovní frekvence 200, 266, 333, 400 MHz. DIMM DDR2 - 240 pin, 400, 533, 667, 800 MHz DIMM DDR3 - dvojnásobná rychlost oproti DDR2, 240 pin, 800 - 1600 MHz. DIMM DDR4 - uvedeno 2012, prodej zahájen 2014, frekvence od 1066 do 4800 MHz. DIMM DDR5 - 2020 uvedeno, až 512GB kapacita, rychlost až 8200 Mhz. - Kapacita - udává objem dat - Frekvence - udává takt a tím propustnost - Napětí - udává, kolik paměť potřebuje napětí k práci. ---------------------------------------------Test pátek ----------------------------------------------------- Hardware I_ - stránka 40 Hardware I_ - stránka 41 Vnitřní Paměti I. pondělí 17. března 2025 10:24 PAMĚŤ POČÍTAČE Paměť počítače je elektronická součástka či zařízení, které slouží k uložení informací. Tyto informace uchovává po požadovanou dobu a znovu je získá pro další použití. Informace je vyjádřena jako číselní hodnota, popř. je nositelem informace modulovaný analogový signál. Číselní hodnota je vyjádřena v binární soustavě. Pro uchování informace tedy stačí signál (např. elektrické napětí), které má dva rozlišitelné stavy. Není třeba přesně znát velikost signálu. Například počítač dostane úkol sečíst čísla 2 a 4. tyto data jsou zadány vstupními zařízeními. ○ Čísla 2 (0010) a 4 (0100) jsou uložena do paměti ○ Dojde k výpočtu (CPU, ALU) ○ Číslo 6 (0110) bude uloženo do paměti PAMĚŤOVÁ BUŇKA Viz. Obrázek ROZDĚLENÍ PAMĚTÍ - Vnitřní/operační/interní paměť ○ Umístěny na základní desce ○ Ukládání dat, která se právě zpracovávají ○ Rychlejší přístup než k vnější paměti ○ Zapojeny jako matice paměťových buněk. - Vnější / externí paměť ○ Zařízení pro dlouhodobější ukládání dat ○ Data se vypnutím napájení neztrácí ○ Přístup k vnější paměti je podstatně pomalejší VYSVĚTLENÍ Data z vnější paměti se pro zpracování musí načíst do vnitřní paměti. Naopak vytvořená data se z vnitřní paměti musí do vnější paměti uložit, zpravidla v podobě souborů v hierarchické struktuře adresářů, kterou si uživatel vytváří dle svých potřeb. ROZDĚLENÍ VNITŘNÍCH PAMĚTÍ Vnitřní paměť lze dělit z mnoha různých hledisek, z nichž nejužívanější jsou kritéria: ○ Přístup k buňkám paměti ○ Možnost změny dat (zápisu) ○ Princip realizace paměťové buňky ▪ Destruktivnost při čtení Energetická závislost Hardware I_ - stránka 42 ○ Energetická závislost ○ Organizace paměti PŘÍSTUP K BUŇKÁM PAMĚTI - Paměti s libovolným přístupem RAM (random access memory) - Paměti se sériovým přístupem SAM (serial access memory) - Sekvenční - před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace (páska). - Přímý - je možné zpřístupnit přímo požadovanou informací (S/DRAM) ZMĚNA DAT (ZÁPIS) - RWM (READ/WRITE MEMORY) - ROM (READ ONLY MEMORY) - PROM (PROGRAMMABLE READ ONLY MEMORY) - EPROM (ERASABLE PROM) - EEPROM (ELECTRIC EPROM) - FLASH REALIZACE PAMĚŤOVÉ BUŇKY - Statické paměti - uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí (bist klopený obvod). - Dynamické paměti - zapsanou informaci mají tendence ztrácet i v době, kde jsou připojeny k napájení. DESTRUKTIVNOST PŘI ČTENÍ - Destruktivní - přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána. - Nedestruktivní - přečtení informace žádným negativní způsobem tuto informaci neovlivní. ENERGETICKY ZÁVISLÉ - Energeticky závislá / Volatelní paměť - k udržení informace vyžaduje neustálé napájení. Většina moderních polovodičových energeticky závislých pamětí je buď statická (SRAM) nebo dynamická (DRAM). To znamená, že ztratí uložené informace po odpojení od zdroje napájení. - Energeticky nezávislá / Nevolatelní paměť - dokáže uchovat uloženou informaci, i když není napájená- mezi příklady nevolatelní paměti patří paměť pouze pro čtení ROM, flash paměť a magnetické paměťové zařízení Uchovávají tedy informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. ROM Paměti ROM jsou paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah měnit. Hardware I_ - stránka 43 Jedná se o statickou, energeticky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení. Dnes už se u PC setkáme s typem ROM velmi ojediněle z důvodu nemožnosti přidání nových vlastností. Při výrobě tohoto typu paměti se používají různé realizace paměťových buněk. Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů: TTL MOS Viz obrázek. PROM Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislá paměti. Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1. RAM (Random Access memory) - SRAM - Static RAM - DRAM - Dynamic RAM SRAM Paměti SRAM uchovávají informaci uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda je v paměti uložena 1 nebo 0. Tato realizace způsobuje mnohem vyšší cenu na bit než u DRAM. Proto se SRAM používají pouze v nasazeních, kdy je požadována nízká přístupová doba (15-20 ns), například paměť cache mezi procesorem a dynamickou pamětí RAM nebo operační paměť výkonných počítačů, kde není cena rozhodující. Paměti SRAM je možné uskutečnit v technologii TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v technologii MOS. Viz. Obrázek. DRAM DRAm je levnější a výrobě mnohem jednodušší než SRAM. Informace je uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k vybití, a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět refresh - oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady. Refresh probíhá hromadně po celých řádcích, takže pokles výkonu paměti, ke kterému dochází, protože při obnově není paměť dostupná, není dramatický. Při čtení dochází k Hardware I_ - stránka 44 dochází, protože při obnově není paměť dostupná, není dramatický. Při čtení dochází k vymazání obsahu buňky, obnova proto musí probíhat také po každém čtení. Uchování informace je založeno na fyzikálním principu nabíjení kondenzátoru, konkrétně na parazitní kapacitě řídícího tranzistoru. Takto vzniklý potenciál, který je ekvivalentní napětí, odpovídá logické 0 nebo 1. jelikož vlivem svodů je tento potenciál vybíjen, je nutno obnovování informace v paměťové buňce často opakovat (několik set krát za sekundu - dle teploty atd.). Refresh probíhá tak, že jsou paralelně sejmuty obsahy paměťových buněk na řádku, v budiči zesíleny a opět zapsány na původní místo. SHRNUTÍ SRAM A DRAM Statické paměti jsou složitější, proto nedosahují takových velikostí jako paměti dynamické. Lze však bez omezení z nich číst nebo do nich zapisovat. Toto není možné u pamětí dynamických, kde je přístup do paměti v době obnovy zakázán. Hardware I_ - stránka 45 Vnitřní Paměti II. pondělí 24. března 2025 11:15 VYROVNÁVACÍ PAMEŤ Vyrovnávací paměť / CACHE je velmi rychlá paměť malé kapacity, která slouží ke zrychlení toku dat mezi CPU a operační pamětí, I/O zařízením, nebo jinými částmi počítače. Je zapojena mezi CPU a operační paměť a to jak uvnitř procesoru, tak vně procesoru. Mikro CPU čte data z CACHE paměti a výsledek se zapisuje rovnou do OP. Přenos mezi mikroprocesorem a CACHE je po slovech (někdy i po dvojitých slovech), mezi CACHE a OP je po blocích. Mezi mikroprocesorem a OP slouží pouze pro čtení z hlediska procesoru. CACHE je známá nejen jako vyrovnávající paměť OS, ale i jako mezi paměť webového prohlížeče. V obou případech se používá pro ukládání nejčastěji používaných dat, čímž dochází ke zrychlení celkové práce. ○ L1 CACHE - součástí čipu CPU a je nejrychlejší a nejmenší mezi pamětí CPU. ○ L2 CACHE - jde o vyrovnávací paměť procesoru. Stojí mezi OP a výpočetními jednotkami procesoru, aby zamezila snižování rychlosti procesoru rychlostí paměti. Každé jádro má samostatnou L2 CACHE. ○ L3 CACHE - má procesor jen jednu a sdílí ji všechna jádra. VIRTUÁLNÍ PAMĚŤ Virtuální paměť - systém ke fyzická paměť je řízena OS. Když program potřebuje paměť, vyžádá si j od OS. OS pak rozhodne, na jakém fyzické m místě se bude přidělená paměť nacházet. Využívá se v případě, že vznikne nedostatek RAM paměti. V takovém případě se určitá data spuštěných procesů přesunou z přeplněné RAM paměti do tzv. stránkovacího souboru a místo v RAM se tak uvolní. Fyzicky se vlastně jedná o dočasný přesun dat z RAM na pevný disk. Celý proces řídí CPU či samostatný obvod. Výhoda spočívá v tom, že spuštěný proces řídí procesor či samostatný obvod. Výhoda spočívá v tom, že spuštěný proces není omezen aktuální velikostí RAM paměti. Na druhou stranu tato akce obecně procesy zpomaluje a tím dochází k momentálnímu poklesu výkonu počítače. RAM DISK Disk RAM je virtuální úložiště, ke kterému lze přistupovat stejným způsobem jako k úložišti HDD, SSD nebo Flash. Disky RAM jsou vytvářeny rozdělením kapacity ze systémové paměti RAM pomocí softwaru a poskytují neuvěřitelně rychlé čtení a zápis. Rychlejší než SSD. Použití systémové paměti jako úložiště má své klady a zápory. Jednou z výhod je samozřejmě výkon. Aplikace vázané na úložiště velmi těží z extrémních rychlostí čtení a zápisu. Spuštění aplikace z RAM disku je také rychlejší. Nevýhodou je, že RAM je volatilní. V případě ztráty napájení jsou vymazány všechny soubory či aplikace na disku RAM. Neustálé zálohování j tedy rozhodujíc, stejně jako USP Hardware I_ - stránka 46 CMOS PAMĚŤ. Paměť s malou kapacitou sloužící k uchování údajů o nastavení počítače a jeho hardwarové konfiguraci. Tato paměť je energeticky závislá, a proto je nutné ji zálohovat pomocí akumulátoru umístěného většinou na základní desce, aby nedošlo ke ztrátě údajů v ní uložených. Špatné nastavení výše zmíněných parametrů může způsobit výrazné snížení výkonu celého počítače, až nefunkčnost některých částí, popř. celého PC. ○ Informace o typech a kapacitách jednotek pružných disků ○ Informace o typech, kapacitách a parametrech pevných disků ○ Typ používané video karty ○ Kapacita operační paměti ○ Nastavení parametrů CACHE pamětí ○ Pořadí jednotek pro zavádění OS ○ Povolení/zakázání různých funkcí MB ○ Nastavení rychlosti repetice klávesnice ○ Nastavení parametrů přenosu informací z pevných disků ○ Nastavení parametrů pro režim s úsporou elektrické energie ○ Nastavení přiřazení IRQ úrovní ○ Nastavení hesla k programu SETUP, popř. k celému počítači ARCHITEKTURA OPERAČNÍ PAMĚTI Architektura paměti je řešena tak, že jednotlivé bity (v buňkách), tedy Bajty (v maticovém systému) ovládány pomocí vodičů (sběrnic), kde se musí do paměti zavést adresa rozdělena na adresu sloupce a adresu řádku. Dvojúrovňový paměťový systém Tento systém obsahuje procesor, OP (vnitřní), a sekundární (vnější) paměť. Problém v tomto systému je s adresací vnější paměti, která vyžaduje čtení dat PO BLOCÍCH, který je nutné nejprve vyhledat. Nejvýhodnější se ukázala koncepce virtuální adresace, jejímž základem je rozčlenění několika nezávislých adresových prostorů, které si jsou navzájem přiřazeny. Uživatel pak datům přiřazuje virtuální adresy. Ty umožní potřebná data kdykoliv adresovat a není třeba se zabývat otázkou fyzického prostoru paměťového systému. Pro každou část paměťového systému je vytvořen reálný adresový prostor, který organizací a velikostí odpovídá vlastnostem paměťového média. Viz obr. Při práci s pevným diskem j třeba přesouvat souvislé celky, a to se z disku přepisují data po blocích. Organizace přesunu dat má velký význam pro efektivitu celé

Hardware Notes: Computer Components & Technology - PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript