Wstęp do informatyki - Katedra Informatyki > Home

Transkrypt

Wstęp do informatyki
Architektura komputera PC
Cezary Bolek
[email protected]
Uniwersytet Łódzki
Wydział Zarządzania
Katedra Informatyki
Płyta główna
Motherboard
Wielowarstwowa (3-7 warstw) płytka połączeń układu (PCB)
Podstawa mechaniczna do montaŜu elementów komputera
Gniazda procesora, kart rozszerzeń, układów pamięci i we/wy
Magistrala systemowe, magistrale zewnętrzne
Układ scalony (chipset) sprzęgający elementy komputera
Pamięć stała ROM z programem startowym (BIOS)
Pamięć RAM nieulotna z zapisem parametrów pracy
Układ RTC (Real Time Clock)
Zakłócenia elektromagnetyczne !
bardzo duŜa częstotliwość sygnałów
ograniczenia na długość i kształt połączeń
ekranowanie fragmentów płytki
Cezary Bolek <[email protected]>
2
Płyta główna – ewolucja
Przed ~1993-1995:
jedynie podstawowe komponenty systemu (chipset+BIOS):
gniazda dla kart rozszerzeń (expansion slots) magistrali ISA
gniazdo procesora (bez wspomagania wyjmowania)
najstarsze DIL (Dual In Line)
współczesne: PGA (Pin Grid Array)
gniazdo klawiatury
gniazda układów pamięci
Po ~1993-1995:
tendencja do integracji dodatkowych elementów systemu
(kontrolery we/wy, dysków, grafiki, dźwięku, interfejsów sieci)
nowy podstawki pod procesory: ZIP (Zero Insertion Force)
zróŜnicowane gniazda dla kart rozszerzeń (ISA, PCI, VLB, AGP)
Standardy konfiguracji: (form factor)
AT, (babyAT), ATX (microATX max:244x244mm)
3
1
Płyta główna
4
Płyta główna – struktura
5
Płyta główna – inne rozwiązania
Konfiguracje dla nisko
profilowych obudów
(slim-case)
6
2
BIOS
Basic Input-Output System
(PC Firmware)
Pamięć ROM zawierająca program startowy komputera po
włączeniu zasilania
Sprawdzenie konfiguracji sprzętowej (rodzaj procesora, rozmiar
pamięci, karty rozszerzeń, obecność dysków)
Testowanie poprawności działania systemu POST (Power-On Self
Test + dźwiękowe sygnały diagnostyczne)
Załadowanie systemu operacyjnego z miejsca ustalonego w pamięci
CMOS RAM (dysk, CDROM, dyskietka, sieć)
Pamięć BIOS nie moŜe być (w zasadzie) uszkodzona programowo, co
zapewnia zawsze moŜliwości startu.
Zwykle BIOS realizowany jest jako pamięć Flash, której zawartość
moŜna okresowo przeprogramowywać (bios upgrade)
www.wimsbios.com
7
BIOS
sygnały POST (Power On Self Test)
np.
AMI BIOS
•
•••••
– ••
Award BIOS
———
_ –_ –
– ••
Phoenix BIOS
• ••• •
• • ••
••• ••• ••••
problem z pamięcią RAM
błąd procesora
błąd karty graficznej
błąd procesora
błąd procesora
www.bioscentral.com
8
CMOS RAM
Pamięć RAM o bardzo małym poborze mocy
(technologia CMOS) podtrzymywana bateryjnie
(kilka lat) uŜywana do przechowywania bieŜących
parametrów pracy komputera:
• typ i konfiguracja twardych dysków
• ustawienia taktowania procesora i pamięci
• kolejność startu systemu operacyjnego
• hasła dostępu do modyfikacji ustawień BIOSu
• bieŜący czas i data (uaktualniany z układu RTC)
9
3
PnP BIOS
(Plug and Play)
PnP oznacza automatyczną konfigurację kart
rozszerzeń w systemie komputerowym
ustalenie obszaru przestrzeni we/wy
przydział numeru przerwania
Obszar przestrzeni we/wy umoŜliwia wymianę informacji
pomiędzy urządzeniem a procesorem
Przerwania są mechanizmem zgłoszenia do procesora
pilnej konieczności obsługi urządzenia
Dla starszych BIOS’ów konieczne było ręczne konfigurowanie
kart rozszerzeń, tak aby uniknąć konfliktów sprzętowych.
10
Mikroprocesory x86 firmy Intel 1/2
Typ
Rok
8086
1978
Taktowanie
Procesora
Taktowanie
Pamięci
MnoŜnik
4,77-8
4,77-8
-
Cache L2
(wbudowany)
Przestrzeń
adresowa
Liczba
tranzystorów
-
-
1MB
29 tys.
Cache L1
8088
1980
4,77-8
4,77-8
-
-
-
1MB
29 tys.
80286
1982
6-20
6-20
-
-
-
16MB
134 tys.
80386DX
1985
16-33
16-33
-
-
-
4GB
275 tys.
80386SX
1988
16-33
16-33
-
-
-
16MB
275 tys.
80486DX
1989
25-50
25-50
-
8kB
-
4GB
1,2 mln
80486SX
1991
25-50
25-50
-
8kB
-
4GB
1,18 mln
80486DX2
1992
50-80
25-40
2
8kB
-
4GB
1,2 mln
80486DX4
1994
75-120
25-40
3
8KB+8KB
-
4GB
1,6 mln
Pentium
1993
60-200
60-66
1-3
8KB+8KB
-
4GB
3,1 mln
Pentium Pro
1995
166-200
60-66
2,5-3
8KB+8KB
256-512KB
64(4)GB
22 mln
Pentium MMX
1997
166-233
66
2,5-3,5
16KB+16KB
-
4GB
4,5 mln
Pentium II (Klamath)
1997
233-300
66
3,5-4,5
16KB+16KB
512KB (ext)
64(4)GB
7,5 mln
Pentium II (Deschutes)
1998
266-450
66-100
3,5-5
16KB+16KB
512KB (ext)
64(4) GB
7,5 mln
Celeron (Covington) (PII)
1998
266-300
66
4-4,5
16KB+16KB
-
64(4) GB
7,5 mln
Celeron (Mendocino) (PII)
1998
300-533
66
4,5-8
16KB+16KB
128KB
64(4) GB
19.2 mln
11
Mikroprocesory x86 firmy Intel 2/2
Typ
Rok
Pentium III (Katmai)
1999
Taktowanie
Procesora
450-600
Taktow.
Pamięci
100-133
MnoŜnik
4-6
Cache L1
Cache L2
(wbudowany)
Przestrz.
adresowa
16KB+16KB
512KB (ext)
64GB
Liczba
tranzystor.
9,5 mln
Pentium III (Coppermine)
1999
500-1000
100-133
4-7,5
16KB+16KB
256KB
64GB
28,1 mln
Celeron II (Coppermine)
2000
533-1300
66-100
8-13
16KB+16KB
128KB
64GB
28,1 mln
Pentium III (Tualatin)
2001
1133-1400
133
8,5-10,5
16KB+16KB
256-512KB
64GB
Celeron II (Tualatin)
2001
1G-1,4G
100
10-14
16KB+16KB
256KB
64GB
Pentium M (Banias) (PIII)
2003
1G-1,7G
100 (400)
32K+ 32K
1MB
4GB
Celereon M (Banias)
2003
1G-2,2G
100 (400)
32K+ 32K
512KB
4GB
Pentium M (Dothan) (PIII)
2004
1G-2,2G
100 (400)
32K+ 32K
2MB
4GB
Pentium M (Yonah) (Dual)
2006
2,13G
166 (667)
32K+ 32K
2MB
4GB
Oznaczenie
Rdzeń
Taktowanie
FSB
Cache
Willamette
1.3-2.0 GHz
100 (400)
L1:8KB+12KB L2:256KB
28,1 mln
77 mln
Dodatkowe inf.
P4A
Northwood
1.6-3.0 GHz
100 (400)
P4B
Northwood
2.0-3.06 GHz
133 (533)
Hyperthreading dla 3.06+ GHz
P4C
Northwood
2.4-3.4+ GHz
200 (800)
Hyperthreading
P4E/5x0 series
Prescott
2.8-3.8 GHz
200 (800)
L1:16KB+12 KiB L2:1 MB
Hyperthreading, instrukcje SSE3
P4A
Prescott
2.4-2.93 GHz
133 (533)
L1:16KB+12 KiB L2:1MB
bez Hyperthreading, instrukcje SSE3
Extreme Edition
Gallatin
3.2-3.4 GHz
200 (800)
L1: 8KB+12 L2:512KB L3:2MB
Hyperthreading, addition of on-die L3 cache
P4F/5x1 series
Prescott
3.2-3.8 GHz
200 (800)
EM64T (64-bitowe rozszerzenie)
6x0 series
Prescott 2MB
2.8-3.8 GHz
200 (800)
EM64T (64-bitowe rozszerzenie)
Extreme Edition
Prescott 2MB
3.73 GHz
266 (1066)
Pentium D
Smithfield
2.8-3.2 GHz
200 (800)
L1:16KB+12KB x2 L2:2MiB
Dual Core Processor, EM64T
12
4
Tendencje rozwojowe
Zwiększanie szybkości taktowania procesora i pamięci
Zwiększanie szerokości magistral danych i adresów
Integracja jednostki arytmetyki zmiennoprzecinkowej
Wprowadzanie tańszych odmian nowych procesorów
(SX, Celeron, Duron, ...)
Zwiększanie pamięci Cache zintegrowanej z procesorem (L1) oraz
zewnętrznej (L2 i L3)
Zaawansowane rozwiązania architektury: potokowość,
superskalarność, wielowątkowość, ...
Specjalizowane zestawy instrukcji: MMX, SSE, 3DNow,...
13
Gniazda procesora
socket
slot
Zapewnienie miejsca na duŜą liczbę końcówek
Efektywne odprowadzenie ciepła poprzez radiator
Pasywny układ chłodzenia: radiator + wentylator
Radiator: podstawa (miedź, aluminium, ceramika) + oŜebrowanie
Zaawansowane chłodzenie: wodne, elektryczne
(płytka Peltier’a), kriogeniczne.
14
Ewolucja gniazd procesora
Socket 1
169-końcówek
Procesory 486 (napięcie zasilania 5V)
oraz ich wariacje DX2, DX4, OverDrive
Socket 2
238-końcówek
Modyfikacja Socket 1 dla tych samych
typów procesorów
Socket 3
237-końcówek
Ostatnie gniazdo dla 486 , napięcie
zasilania 5V oraz 3.3V
Socket 4
273-końcówki
Gniazdo dla pierwszych procesorów
Pentium 60/66 MHz, 5V
Socket 5
320-końcówek
Gniazdo dla procesorów
Pentium 75/133 MHz, 3.3V
Socket 6
235-końcówek
Rozszerzenie Socket 3 dla 486,
praktycznie nie uŜywany
Socket 7
321-końcówek
Bardzo powszechne gniazdo dla Pentium
MMX i ich klonów, podwójne zasilanie
Socket 8
387-końcówek
Gniazdo dla PentiumPro, bardzo rzadkie
Slot 1
242-końcówki
Dla Pentium II, III i Celeronów montowanych
na płytce razem z pamięcią cache
Slot 2
330-końcówek
Dla Pentium II, III i Xeon z większą ilością
ilością zewnętrznej pamięci cache
15
5
Ewolucja gniazd procesora
Slot A
242-końcówki
Mechanicznie identyczny z Slot 1, ale inny
elektrycznie, dla procesorów AMD Athlon
Socket 370
370-końcówek
Gniazdo zastępujące Slot 1 dla nowych
procesorów Pentium II, III i Celeron
Socket 423
423-końcówki
Dla Pentium 4, ułatwia rozpraszanie
ciepła i montaŜ wydajnych radiatorów
Socket A
462-końcówki
Dla nowszych procesorów AMD Athlon, Athlon XP
i Duron z większą pamięcią cache
Socket 478
478-końcówek
Zmniejszona wersja gniazda dla nowszych
Pentium 4
Socket 603
603-końcówki
Dla Pentium 4 Xeon w większą pamięcią cache
i pracą w systemie wieloprocesorowym
Socket 754
754-końcówki
Gniazdo dla nowych procesorów Athlon 64
Socket 940,939 939-końcówek
Socket 775
(LGA775, T)
775-końcówki
Ulepszone gniazdo dla procesorów Athlon 64,
Opteron
Gniazdo dla najnowszych procesorów Pentium 4
P4EE, Celeron (rdzeń Prescott i Smithfield)
16
Magistrale płyty
Bridge (fragment chipset’u) – układ koordynujący transfery pomiędzy procesorem a
pamięcią oraz magistralami we/wy (ISA, PCI, USB)
Pojedyncza magistrala systemowa – dla procesorów starszych od Pentium II, taktowanie
magistrali 66, 100MHz.
Podwójna magistrala systemowa (back-,frontside bus) – dla nowszych procesorów,
moŜliwość pracy jednoczesnej, zwiększona wydajność, taktowanie 100, 133, 266MHz ...
17
Magistrale we/wy
Magistrale we/wy stanowią interfejs pomiędzy systemem komputerowym a
urządzeniami zewnętrznymi na kartach rozszerzeń.
O ile konstrukcja płyt, procesorów i pamięci zmienia się dość często, to
interfejs we/wy zmienia się rzadko, umoŜliwiając stosowanie typowych kart
rozszerzeń praktycznie we wszystkich komputerach PC
ISA (Industry Standard Architecture 1982) – najstarsza, taktowanie
4.77 i 8MHz, maks. przepustowość 8MB/s (za mało dla kart
graficznych, twardych dysków i sieci)
VL BUS (VESA Local Bus) – magistrala lokalna, głównie dla kart
graficznych i twardych dysków w systemach 386 i 486, taktowanie
33MHz, kłopoty z podłączeniem kilku kart
PCI (Peripheral Component Interconnect 1993) – uniwersalna i
wydajna magistrala, taktowanie 33,66MHz, przepustowość
266MB/s, obsługa PnP,
AGP (Accelerated Graphics Port ) – wydajna magistrala lokalna dla
kart graficznych kontroler, przepustowość nawet GB/s,
taktowanie = 1x, 2x, 4x frontside bus,
18
6
Local Bus vs PCI
Magistrala PCI jest niezaleŜna od magistrali systemowej w
przeciwieństwie do magistral lokalnych.
Sterownik magistrali PCI (PCI-bridge) pozwala na obsługę do 5 kart
System moŜe być wyposaŜony w kilka mostków (PCI-bridge)
19
Magistrala AGP
Sterownik magistrali AGP znajduje się na magistrali systemowej, co pozwala na
szybki transfer danych pomiędzy:
kartą graficzną AGP i procesorem
kartą graficzną AGP i pamięcią RAM
Magistrala AGP pracuje z częstotliwością magistrali systemowej (frontside bus)
20
Magistrala PCI Express
duŜa szybkość transferu – architektura szeregowa
połączenia typu point-to-point
moŜliwość wymiany kart podczas pracy (hot plug/swap)
docelowo eliminacja innych magistral we/wy
premiera 2003, komputery z PCI Express 2004
21
7
Interfejsy pamięci dyskowych
IDE (Integrated Drive Electronics) – rozwiązanie sprzętowe
transmisji danych z twardego dysku
Kontrolery IDE są zintegrowane z napędem dysku (producenci
mogą udoskonalać napęd razem ze sterownikiem)
Protokół urządzeń IDE nazwany późnej ATA (AT Attachment)
Urządzenia IDE z interfejsem ATA są przyłączone do magistral
we/wy: ISA lub PCI
Architektura IDE przewidywała obsługę tylko 2 dysków twardych o
pojemności maksymalnej 528MB, transfer 3MB/s
– ograniczenia, które stały się wąskim gardłem pamięci masowych
22
Standard EIDE
Enhanced IDE
4 urządzenia IDE:
master-slave
dwa kanały
szybszy transfer do 16MB/s (ATA-2 1994)
pojemność dysku max. 8.4GB i (1998) 137GB
obsługa róŜnych urządzeń (CD-ROM) – rozszerzenie ATA o ATAPI
obsługa bezpośredniego dostępu d pamięci (DMA)
23
Zwiększenie szybkości Ultra ATA
ATA 3 (1996) – usługa SMART (Self-Monitoring Analysis and
Reporting Technology)
ATA 4 (1997, Ultra ATA) – przepustowość do 33MB/s (ATA 33),
korekta błędów CRC (Cyclical Redundancy Check), integracja
protokołu ATAPI
ATA 5 (1999) – przepustowość 66MB/s (ATA 66), konieczność
stosowania nowych 80-przewodowych taśm
ATA 6 (2000) – przepustowość 100MB/s (ATA 100)
(2001) – przepustowość 133MB/s (ATA 133)
24
8
Serial ATA
równoległy ATA
szeregowy ATA
niŜsze napięcia sygnałów (0.5V)
węŜsze kable połączeniowe do 1m długości
efektywna korekta błędów
przepustowość 150MB/s (I generacja – 2002)
spodziewana moŜliwa przepustowość do 600MB/s
25
Interfejs SCSI
Interfejs komunikacyjny urządzeń zewnętrznych opracowany
dla wydajnych komputerów (1986).
Do adaptera SCSI moŜna podłączyć 8 róŜnych urządzeń, a
system moŜe posiadać kilka adapterów.
Długie kable (do 12m)
Zastosowania: serwery
(często dyski RAID)
DuŜa liczba rozwojowych wersji
i odmian:
FastSCSI,
FastWideSCSI
UltraSCSI
UltraWideSCSI,
Ultra2
Ultra3
...
26
Porty szeregowe i równoległe
Legacy ports
Standardy niemal bez Ŝadnych zmian od ponad 20 lat !!!
Port szeregowy:
• przepustowość do 115Kb/s (~12kB/s) – wystarczające tylko dla
najwolniejszych urządzeń: modem, mysz
• prosty protokół transmisji, znaczna długość kabla (kilka metrów)
• konieczność przydziału zasobów procesora (nr. przerwania)
Port równoległy:
• przepustowość do ~60KB/s – i tak nie wystarczająca dla
większości urządzeń multimedialnych
• kłopoty z podłączeniem kilku urządzeń do jednego portu
• prosty dwukierunkowy protokół transmisji
• mała długość kabla (1.5 m)
• konieczność przydziału zasobów procesora (nr. przerwania)
27
9
Interfejs USB
Universal Serial Bus
Uniwersalny standard komunikacyjny dla urządzeń we/wy z obsługą PnP i
moŜliwością dołączania/odłączania urządzenia w czasie pracy systemu
(hot-plug)
Obsługa do 127 urządzeń podłączonych szeregowo lub poprzez hub
Interfejs USB zawiera napięcia zasilania +5V, które moŜe być wykorzystane
do zasilania mniejszych urządzeń (0.5A)
Przepustowość 12Mbit/s (~1.5MB/s USB 1.1) i 480Mbit/s (USB 2.0)
Zasięg do 5m
28
Interfejs IEEE1394
FireWire - Apple
Interfejs ukierunkowany na obsługę urządzeń Video
podobny w filozofii do USB
Długość przewodów do 4.5m, większe odległości
wymagają uŜycia repeater’a
Obsługa do 63 urządzeń podłączonych szeregowo
Bardzo duŜa przepustowość
400Mbit/s (~50MB/s)
DuŜa elastyczność konfiguracji
29
10

Wstęp do informatyki - Katedra Informatyki > Home

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wstęp do informatyki - Katedra Informatyki > Home

Ulotka Amol A5 archeo 05.indd

Ekonomia rozwoju – wykład (30h)

prestiżowy certyfikat - Lider Kapitału Ludzkiego

Wstęp do informatyki - Katedra Informatyki > Home