Hardware počtačů 01

1. Hardware počtačů 01 Milan Randák Aplikace výpočetní techniky

2. Procesor • je synchronní zařízení • provádí operace s daty • je programovatelný pomocí mikroinstrukcí • je více rodin procesorů (jednočipy > 8051, rodina x86, IA64, Sparc, …) • je více výrobců

3. Rychlost procesoru • interní rychlost procesoru je součinem FSB * multiplikátor • celý počítač pracuje synchronně s hodinovým signálem

4. Dvě koncepce procesorů • CISC (CompleteInstruction Set Computer) • vznikla z Neumannovy koncepce • obsahuje plnou sadu instrukcí • RISC (ReducedInstr. Set Comp.) • vznikla z harwardské koncepce • jednoúčelové procesory • dnešní CPU mají prvky obou

5. Instrukční sady • každé vylepšení architektury vyžaduje nové instrukce • např. pro práci s pamětí • multimediální instrukce • MMS • SSE • 3DNow! • KNI, atd.

6. Části procesoru • Jádrem procesoru je ALU, která provádí výpočty. • Procesor obsahuje také ŘADIČ, který na základě instrukcí činnost procesoru řídí • Dále obsahuje BLOK REGISTRŮ (FIFO a LIFO) • REGISTRY UNIVERZÁLNÍ – DATOVÉ • REGISTRY S PEVNĚ STANOVENÝM VÝZNAMEM: • PC – Program Counter (IP – Instruction Pointer) – • F, FL, FLAGS – registr příznaků • SP – Stack Pointer – ukazatel zásobníku, zásobník = zvláštní část paměti

7. Části procesoru 2 • jednotky pro práci s pamětí • koprocesor • další jednotky • např. předvídání skoků • spekulativní provádění • buffery – fronty

8. Výroba procesoru • základ – křemíkový waffer • příprava správné směsi, tavení • tažení ze zárodečného krystalu • řezání, broušení, leštění • 200 mm, 300 mm a 450 mm

9. Fotolitografie • první růst – vrstva oxidu křemičitého • pokrytí fotorezistem • osvícení přes masku • leptání • druhá vrstva SiO2 • vrstva polysilikonu (vodivé spoje a hradla) • pokrytí fotorezistem • atd.

10. Iontová implantace a další postup • obohacování polysilikonu atomy příměsí – změny vodivosti, vznik tranzistorů • vyplnění děr ve vrstvách kovovými mezispoji (měď, hliník) • kontrola wafferu • nakonec je waffer rozřezán diamantovou pilou

11. Dokončení • funkční čipy jsou umístěny do pouzdra (PGA, FPGA, LGA; IHS) • další testování rozhoduje i o označení procesoru – speed binning • balení, distribuce • Další vývoj fotolitografie • EUV – Extreme Ultra Violet • DUV – Deep Ultra Violet

12. Parametry pamětí (1) • Kapacita: • množství informací, které je možné do paměti uložit • Přístupová doba: • doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci • Přenosová rychlost: • množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času

13. Parametry pamětí (2) • Statičnost / dynamičnost: • statické paměti: • uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí • dynamické paměti: • zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení • informace v takových pamětech je tedy nutné neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě

14. Parametry pamětí (3) • Destruktivnost při čtení: • destruktivní při čtení: • přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace • přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána • nedestruktivní při čtení: • přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní

15. Parametry pamětí (4) • Energetická závislost / nezávislost: • energeticky závislé: • paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí • energeticky nezávislé: • paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení

16. Parametry pamětí (5) • Přístup: • sekvenční: • před zpřístupněním informace z paměti je nutné pře-číst všechny předcházející informace • přímý: • je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci • Spolehlivost: • střední doba mezi dvěma poruchami paměti • Cena za bit: • cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti

17. Vnitřní paměti (1) • Zapojeny jako matice paměťových buněk • Každá buňka má kapacitu jeden bit • Jedna paměťová buňka tedy může uchovávat pouze hodnotu logická 1 nebo logická 0 • V případě vnitřních pamětí s menší kapacitou je možné jejich strukturu znázornit následujícím schématem:

18. Paměti (x)ROM (1) • ROM - ReadOnlyMemory • Paměti určené pouze pro čtení uložených informací • Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě • Potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit • Jedná se o statické a energeticky nezávislé paměti • PROM, EPROM, EEPROM, Flash

19. Paměti RAM • RAM - RandomAccess Memory • Paměti určené pro zápis i pro čtení dat • Jedná se o paměti, které jsou energeticky závislé • Podle toho, zda jsou dynamické nebo static-ké, jsou dále rozdělovány na: • DRAM – Dynamické RAM • SRAM – Statické RAM

20. Paměti SRAM (1) • SRAM - Static RandomAccess Memory • Uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení • Paměťová buňka je realizována jako bistabil-ní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0 • Mají nízkou přístupovou dobu (1 – 20 ns)

21. Paměti SRAM (2) • Jejich nevýhodou je naopak vyšší složitosta z toho plynoucí vyšší výrobní náklady • Jsou používány především pro realizaci pa-mětí typu cache(L1,L2i L3) • Paměťová buňka používá dvou datových vodičů: • Data: určený k zápisu do paměti • Data: určený ke čtení z pamětiHodnota na tomto vodiči je vždy opačná než hodnota uložená v paměti

22. Paměti DRAM (1) • DRAM - DynamicRandomAccess Memory • 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 tomuto vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky pro-vádět tzv. refersh, tj. oživování paměťové buňky

23. Paměti DRAM (2) • Buňka paměti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady • Díky těmto vlastnostem je používána k výro-bě operačních pamětí • Její nevýhodou je však vyšší přístupová doba (10 – 70 ns) způsobená nutností provádět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenzátoru

24. Sběrnice • datová • dresová • řídící sériová paralelní kombinovaná (sérioparalelní)

25. Sběrnice 2 • lokální • procesorová • paměťová • sběrnice čipsetu atd. • systémová (vnější)

26. Parametry sběrnic • řídící frekvence (MHz) • šířka (b) /datová, adresová • datová propustnost (B/s, b/s) • režimy práce

27. Vývoj sběrnic pro grafiku • ISA – 16b šířka, takt 8MHz, 16 MB/s propustnost • PCI – 32b, 33 MHz, 133 MB/s • AGP – 32b, 66 MHz, 256 MB/s • AGP 8x – 32b, 66MHz, 2 GB/s • PCIe x16 – číslo označuje počet rychlých sériových linek (má být až x32) – předchozí sběrnice byly paralelní

28. Jde o propustnost • současné čipsety mají šířku pásma ca 5,96 GB/s • AGP 8x dosahuje 1,99 GB/s • PCIe x16 dosahuje až 8 GB/s obousměrně (4GB/s jedním směrem)

29. Jde i o příkon • současné grafické karty mají vysoké nároky na napájení • AGP dodává maximálně 25W, více může jen verze PRO (50/100 W) • PCIe může dodávat až 75W

30. routing • jde o vedení vodičů v PCB (plošném spoji základní desky • u paralelních rozhraní (AGP) musí být vodiče shodné délky, kvůli zpožďování signálu – na deskách to řeší „zatáčky“ • u PCIe musí být shodně vodiče v páru • max. odstup v páru je 0,2 mm • min. vzdálenost od dalšího páru je 0,51 mm • skosení od slotu je 130 stupňů (AGP 90)