Elektronické počítače

1. Elektronické počítače • Vnitřní a vnější paměti (EL43) • Ing. Stanislav Hanulík • ELEKTROTECHNIKA

2. Vnitřní paměti počítače

3. Vnitřní paměti – základní informace • V současné době se v počítačích používají tři základní typy fyzické paměti: • ROM (Read-Only Memory) • DRAM (Dynamic RAM) • SRAM (Static RAM) • Paměť je pracovním prostorem procesoru počítače • Jedná se o oblast pro dočasné ukládání dat, ve které musí být uložena všechna data a všechny programy, se kterými procesor pracuje.

4. Vnitřní paměti – základní informace • Paměťové součástky RWM (Read-Write-Memory) jsou takové, u nichž mohou být data uložena na libovolnou specifikovanou adresu a následně mohou být z této adresy přečtena.

5. Vybrané důležité parametry pamětí • Přenosová rychlost • množství informací, které lze z paměti přečíst (nebo do ní zapsat) za jednotku času. Úzce to souvisí s organizací paměti, zejména s šířkou sběrnice, která určuje, kolik bitů lze přečíst nebo zapsat najednou. • Kapacita paměti • množství informací, které mohou být v paměti uloženy současně (B, kB, MB, GB). • Přístupová doba • je to doba, která uplyne od požadavku na čtení informace z paměti do okamžiku, v němž jsou data z paměti k dispozici. • Vybavovací doba • udává rychlost (v ns) s jakou paměť zapíše nebo vyhledá mikroprocesorem zadaná data. • Cena za bit • určuje celkovou cenu paměťového systému. • Technologie používané k výrobě pamětí • např. unipolární technologie, TTL , ECL

6. Dynamická paměŤ RAM (čipy dram) • Výhoda – vysoká hustota paměti a čipy jsou levné • Nevýhoda – velká přístupová doba (jsou podstatně pomalejší než procesor) • Paměťové buňky v čipech DRAM jsou tvořeny dvojicí malého kondenzátoru a tranzistoru – používají se parazitní kapacity mezi hradlem (gate) a kolektorem (drain) MOSFET tranzistoru. Nabití kondenzátoru odpovídá uložení jednoho bitu do paměti.

7. Dynamická paměŤ RAM (čipy dram) • Při zápisu do buňky je na příslušný adresový vodič přivedeno napětí. Tím se tranzistor otevře a v případě, že je na datovém vodiči napětí, se nabije a tím se do buňky zapíše hodnota log. 1, v případě opačném hodnota log. 0. Při čtení je také na adresový vodič přivedeno napětí a případný náboj z kondenzátoru tedy vyvolá napětí na datovém vodiči. Čtení je tak destruktivní a je potřeba přečtenou informaci opět zapsat. Náboj na kondenzátoru v důsledku návrhu paměťových buněk dlouho nevydrží, proto musí být náboj jednotlivých kondenzátorů neustále obnovován (občerstvován – refresh).

8. statická paměŤ RAM (čipy sram) • Výhoda – podstatně rychlejší než čipy DRAM, není nutné periodické obnovování náboje v buňce • Nevýhoda – jsou výrazně dražší než DRAM a vyznačují se menší hustotou(na jednotku plochy) každá paměťová buňka tvořena seskupením šesti tranzistorů, které tvoří klopný obvod. Statická RAM obsahuje pro každý bit své kapacity jeden takový klopný obvod plus ovládací logiku, která vyhodnocuje adresní a datové signály • Využití – paměťové obvody typu CACHE, pracující na rychlosti procesoru

9. paměŤi typu SDRAM • SDRAM jsou synchronní, tj. signály využívané těmito moduly jsou synchronní s kmitočtem základní desky (dříve se používaly paměti nesynchronní – např. typu FPM a typu EDO). Všechny operace jsou vztaženy k vzestupné hraně hodinového vstupu. • SDRAM používá principu podobného diskovým polím – prokládá paměťová pole tak, že zatímco s jedním pracuje (je z něj čteno), druhé se připravuje na následující přístup. • Paměti typu SDRAM se většinou vyráběly jako moduly DIMM, které měly 184 pinů. Napájecí napětí bylo 3,3 Volt. Kapacita se pohybovala od 64 do 512 MB. Propustnost od 533 do 1066 MB/s.

10. paměŤi typu RDRAM (RAMBUS) • RDRAM využívájí speciální paměťové sběrnice, umožňující komunikaci mezi jednotlivými čipy velmi vysokou rychlostí. RDRAM lze označit jako paměti s úzkou sběrnicí. • Šířka sběrnice -16 bitů, taktovací frekvence 800 MHz, přenosová rychlost 1,6 GB/s • Čipy - označeny RIMM • Spotřeba – nízká spotřeba, napájecí napětí 2,5 V • Kapacita pamětí - 64 až 512 MB • Nevýhoda – licencováno firmou Rambus • Využití – především serverové aplikace

11. paměŤi typu DDR SDRAM • DDR SDRAM znamená Double Data Rate tj. dvojnásobná rychlost přenosu dat. Název vystihuje hlavní změnu těchto pamětí - data jsou během jednoho cyklu přenášena dvakrát, jednou na počáteční hraně pulsu a podruhé na koncové hraně pulsu • Napájecí napětí - 3,3V (později 2,5 V) • Modul DIMM - 184 pinů a to jen s jedním zářezem (u pamětí SDRAM dva zářezy jako klíčovací pojistka) • Kapacita - 64 MB až 2 GB • Propustnost - od 1,6 do 3,2 GB/s pro pracovní frekvence od 200 do 400 MHz efektivně

12. paměŤové moduly SIMM a DIMM • SIMM (Single Inline Memory Module) – kontakty s obou stran paměťového modulu, redundantní. • Moduly 8 bitové (30 vývodů) a 32 bitové (72 vývodů) • DIMM (Dual Inline Memory Module) – kontakty z obou stran paměťového modulu různé. • Datová šířka 64 bitů a v první verzi 168 vývodů

13. Vnější paměti počítače

14. Pevné disky (Harddisky) • Pevný disk - utěsněná jednotka nacházející se v PC a používaná pro nepřechodné ukládání dat. (tj. data zůstanou na disku zachována i po vypnutí napájení počítače). • Ukládání dat - základ pevného disku tvoří několik otáčejících se disků (ploten), nad nimiž se pohybují hlavy a ukládají data do jednotlivých stop a sektorů. Hlavy čtou a zapisují data do soustředných prstenců, nazývaných stopy (tracks) a rozdělených na segmenty, označovaných jako sektory (sectors), z nichž každý je schopen pojmout 512 bajtů.

15. Pevné disky (Harddisky) • Cylindry – jsou vytvářeny shodně umístěnými stopami na obou stranách všech ploten dohromady • Alokační jednotka - označuje nejmenší množství diskového prostoru, které je operační systém schopen při zápisu jednomu souboru přidělit. Obvykle bývá alokační jednotka tvořena jedním či více sektory; je-li tvořena více sektory, pak jejich počet je dán mocninou čísla 2 • Čtecí a záznamové hlavy - disk má jednu hlavu pro každou stranu plotny. Všechny hlavy jsou připevněny k jednomu společnému závěsu hlav. Z toho plyne, že hlavy se pohybují společně • Otáčky disku – 5400 ot/min, 7200 ot/min, 10000 ot/min

16. Pevné disky (Harddisky)

17. Formátování Pevných disků • Před zapsáním jakýchkoliv dat na disk je nutné formátovat disk dvěma způsoby: 1) Fyzickým - nízkoúrovňovým (low-level) formátováním 2) Logickým - vysokoúrovňovým (high-level) formátováním • Při formátování pevného disku obě operace provádíme odděleně. Navíc u pevného disku musíme mezi oba druhy formátování vsunout ještě třetí krok, kterým je rozdělení pevného disku a zápis informací o tomto dělení na jednotlivé části. Dělení pevného disku na oddíly (partitioning) je nutné, protože pevný disk je navržen tak, aby na něj bylo možné nainstalovat více operačních systémů.

18. Formátování Pevných disků • Nízkoúrovňové formárování - stopy na disku rozděleny na daný počet sektorů • jsou vytvořeny hlavičky sektorů a jejich zakončení • vznikají také mezery mezi sektory a mezery mezi stopami • Datová oblast každého sektoru je vyplněna nějakou standardní či testovací hodnotou • Zónový záznam – proměnný počet sektorů ve stopách

19. Formátování Pevných disků • Rozdělení disku na oddíly - umožňuje naformátovat každý oddíl jiným souborovým systémem a nainstalovat tak do každého oddílu jiný operační systém. Přitom platí, že na pevném disku musí být vytvořen alespoň jeden oddíl • Souborový systém - je označení pro způsob organizace informací (ve formě souborů) tak, aby bylo možné je snadno najít a přistupovat k nim. Souborový systém slouží k organizaci dat na nejrůznějších paměťových médiích a určuje organizaci dat a jejich správy • Typy běžně používaných souborových systémů - FAT32, NTFS, ISO9660, ext2, ext3, XFS

20. Optické mechaniky a dIskY CD/DVD • Princip činnosti - spočívá ve změně struktury povrchu materiálu optického disku, ovlivňující jeho optické vlastnosti. Záznam i čtení jsou prováděny pomocí laserové techniky. • Parametry: přístupová doba - časový úsek potřebný k tomu, aby se na CD/DVD našla požadovaná data -přenosová rychlost - vychází se z původní hodnoty 150KB/s. Později byla zvyšována násobky – např. 54x • Normy – normy pro konstrukci CD/DVD - tzv. barevné knihy – Red book, Yellow Book, Green Book, Orange Book, White Book • Logická struktura dat na CD/DVD - pravidla pro uspořádání souborů a adresářů – ISO 9660.

21. Fyzikální prIncip CD/DVD • Optický disk – vnější rozměr 120 mm a 15 mm středový otvor. Jedna spirálová stopa, rozdělená na sektory o velikosti 2kB. Při vypalování je laserový paprsek elektronikou modulován (přerušován) podle zapisovaných dat. Jeho intenzita je volena tak, že v povrchu matriálu kotouče vzniknou trvalé změny. Na stopě disku se tedy vyskytují vypálené prohlubně (těmto říkáme pity) a hladké úseky (těmto říkáme landy). Čtecí laserová hlava načítá pity a landy. Zařízení zaměřuje laserový paprsek přes polopropustné zrcadlo na povrch disku. Landy laserový paprsek odrážejí zpět, pity jej rozptylují. Zrcadlo přesměruje vracející se paprsek na fotodiodu. Disk je technologicky vytvořen z průhledné polykarbonátové vrstvy.

22. Fyzikální prIncip CD/DVD • Popis média DVD - jednostranné jednovrstvé médium o kapacitě 4,7 GB, majícího stejný průměr a tloušťku jako stávající CD-ROM. Rozdíl mezi kapacitou CD-ROM a DVD-ROM byl dán následujícími vylepšeními: · Zkrácením délky pitů (zhruba 2,08 krát, a to z 0,972 na 0,4 mikronu). · Zmenšením rozteče mezi jednotlivými závity stopy (zhruba 2,16 krát, a to z 1,6 na 0,74 mikronu). · Zvětšením plochy disku, určené pro data (z 86 na 87,6 cm2). · Účinnější modulací bitů v jednotlivých kanálech. · Účinnějším mechanismem opravy chyb. · Zvětšením využití sektoru pro uživatelská data • Ke čtení dat se využívá laserové světlo kratší vlnové délky.

23. Fyzikální prIncip CD/DVD • Popis média DVD - současné mechaniky DVD umožňují čtení jednostranných dvouvrstvých médií o kapacitě 8,5 GB, dvoustranných jednovrstvých médií o kapacitě 9,4 GB či dvoustranných dvouvrstvých médií o kapacitě 17 GB.

24. Seznam použitých zdrojů • MUELER, Scott. Osobní počítač. 1. Vydání. Praha: Computer Press, 2001. 869 s. ISBN 80-7226-470-2.