Wstęp do informatyki. Chipset. North-South Bridge. Architektura komputera PC cd. Cezary Bolek

Transkrypt

1 Wstęp do informatyki Architektura komputera PC cd. Cezary Bolek Uniwersytet Łódzki Wydział Zarządzania Katedra Informatyki Chipset Układ zarządzający transferami pomiędzy procesorem, pamięcią cache L2, pamięcią główną i kontrolerami magistral Intel Triton 430 FX,VX,TX,HX,TX ( ) płyty główne z pojedynczą magistralą systemową 66MHz, magistrala PCI 2.0, wbudowana obsługa dysków EIDE, pamięci EDO, SDRAM (SIMM, DIMM), kontroler USB, kontroler PS2 klawiatury i myszy Klony: VIA, SiS, Opti, Ali,... Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 2 North-South Bridge North Bridge: zarządzanie szybkim transferem pomiędzy procesorem pamięcią i AGP South Bridge: zarządzanie transferem do urządzeń we/wy Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 3 1

2 Chipset c.d. Intel 440 LX,EX,BX,ZX,GX,NX ( ) płyty główne z magistralą back- i frontside 100MHz, magistrala AGP, obsługa trybów Ultra DMA dysków EIDE, ACPI, czujniki temperatury i obrotów, RAID Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 4 Chipset c.d. Intel 810,820,815,850,845 ( ) płyty główne z magistralą back- i frontside 133,266,400MHz, Accelerated Hub Architecture, AGPx4, pamięci DDR SDRAM, zintegrowany kontroler dźwięku AC97, modem, LAN Accelerated Hub Architecture Memory Controller Hub I/O Controller Hub, and Firmware Hub. Transfery pomiędzy hub ami wykorzystują własną wydajną magistralę Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 5 Chipset c.d. Intel Intel E7205 chipset (2002) magistrala pamięci Dual Channel DDR266 (4.2GB/s) 400/533MHz FrontsideBus (3.2GBps - 4.2GB/s) AGP 8x USB 2.0 Intel 875P chipset (2003) 64-bit 800MHz FSB (6.4GB/s) Dual Channel DDR SDRAM: DDR400, DDR333, DDR266 Serial ATA Intel 865 chipset (2003) Hyper Threading Dual Channel 64-bit DDR Communication Streaming Architecture: gigabit Ethernet Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 6 2

3 Chipset c.d. i865 chipset Wstęp do informatyki Cezary Bolek 7 System pamięci komputerów PC Wstęp do informatyki Cezary Bolek 8 Postęp w wydajności procesorów i pamięci Podwojenie wydajności procesora: Podwojenie wydajności pamięci: 18 miesięcy 7 lat Na szybkość pamięci składają się dwa parametry: Memory access time: czas transferu podstawowej porcji danych pomiędzy procesorem i pamięcią Memory cycle time: minimalny czas pomiędzy dwoma kolejnymi odczytami/zapisami tej samej komórki pamięci Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 9 3

4 Pamięć wąskie gardło systemu Rozwiązanie problemu wolnego dostępu do pamięci: zastosowanie b. szybkich pamięci StaticRAM rozwiązanie bardzo kosztowne i energochłonne, nadające się tylko do specjalnych zastosowań; zastosowanie wolnych pamięci DRAM i metod poprawy transferu: szerokie magistrale, transfery blokowe; kombinacja duŝej i wolnej oraz małej i szybkiej pamięci, zorganizowanej tak aby większość transferów odbywała się z pamięcią szybką (tzw. cache). Wydajny system pamięci musi mieć budowę hierarchiczną! Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 10 Hierarchiczna organizacja pamięci CPU i rejestry wewnętrzne L1 L2... im dalej od procesora tym wolniejsza pamięć Pamięć główna Rozmiar pamięci na kaŝdym poziomie Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 11 Hierarchiczna organizacja pamięci np. DEC Alpha (500MHz) Rejestry procesora Pamięć level 1 (on chip) Pamięć level 2 (on chip) Pamięć level 3 (off chip) Główny system pamięci (DRAM) Pamięć wirtualna (na twardym dysku) czas dostępu 2ns 4ns 5ns 30ns 220ns ms Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 12 4

5 Koncepcja pamięci podręcznej - Pamięć relatywnie mała i szybka pamięć, która powiela fragment głównego systemu pamięci, w taki sposób, aby większość odwołań procesora odnosiła się właśnie do pamięci. Reguły działania: Podczas odczytu danej pamięci: procesor sprawdza czy dana jest w pamięci podręcznej jeśli jest to ładuje ją, jeśli danej nie ma w, procesor pobiera ją z pamięci głównej i umieszcza w rejestrze wewnętrznym, ale równieŝ w pamięci. Podczas zapisu danej do pamięci: procesor zapisuje daną do pamięci i pamięci głównej jednocześnie (write-through) procesor zapisuje daną tylko do pamięci, a zapis do pamięci głównej odbywa się dopiero gdy inna dana ma być zapisana w tym samym miejscu pamięci. Hit rate współczynnik trafień proporcja liczby udanych transferów z pamięci w stosunku do wszystkich transferów pomiędzy procesorem a pamięcią. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 13 Odczyt z pamięci adres dane Procesor Dana jest juŝ w pamięci podczas próby odczytu adres Procesor dane dane Danej nie ma w pamięci podczas próby odczytu inne dane (o ile były zmienione) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 14 Zapis do pamięci adres Procesor Zapis do i pamięci głównej (write-thruogh) dane adres inne dane (o ile były zmienione) Procesor dane Zapis do i w razie potrzeby do pamięci głównej (write-back) inne dane (o ile były zmienione) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 15 5

6 Zasady lokalności programów Dlaczego pamięć istotnie poprawia wydajność skoro obejmuje tylko mały fragment pamięci operacyjnej? Zasada lokalności w przestrzeni: jeśli jakaś instrukcja lub dana była raz odczytana, to inne instrukcje lub dane blisko niej będą równieŝ odczytane. Zasada lokalności w czasie: jeśli jakaś instrukcja lub dana była raz odczytana, to będzie prawdopodobnie odczytana wkrótce jeszcze raz. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 16 Organizacja pamięci Linia 0 Linia 1 Linia 2 Linia 3 etc... Pamięć główna Pamięć składa się z linii, zawierających pewną liczbę bajtów występujących kolejno po sobie w pamięci głównej. Zasada lokalności w czasie i przestrzeni dotyczy programów (instrukcji) i danych, ale nie ma Ŝadnej korelacji pomiędzy instrukcjami i danymi Zalecane jest istnienie oddzielnych pamięci dla instrukcji i danych tzw. architektura typu Harvard. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 17 Pamięć L1 Główny element decydujący od wydajności systemu Zawsze zintegrowana z mikroprocesorem w jednym układzie scalonym, co ogranicza jej rozmiar (4-128kB) Zbudowana jako pamięć Static RAM (przerzutniki) Czas dostępu niemal tak szybki jak do rejestrów procesora Zawsze dwa oddzielne bloki: dla instrukcji i dla danych Strategie: write-back (szybsza) i write-through (wolniejsza) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 18 6

7 Pamięć L2 Wykonywana jako oddzielny układ scalony, montowany na płycie głównej obok procesora na stałe lub w gniazdach Słabsze ograniczenia rozmiaru, typowo od 256kB do 2MB Zbudowana jako pamięć Static RAM (przerzutniki) Czas dostępu znacznie wolniejszy od rejestrów procesora, ale znacznie szybszy od pamięci głównej Strategie write-back (szybsza) i write-through (wolniejsza) Współpraca z procesorem w trybie burst poprzez magistralę backside procesora L3 rozwinięcie koncepcji hierarchii pamięci poprzez dodanie jeszcze jednego poziomu, zwykle o rozmiarze kilku MB, dla wydajnych systemów serwerowych. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 19 Pamięć główna Zawsze wykonywana jako pamięć Dynamic RAM (DRAM), współpracująca z procesorem przez magistralę systemową lub magistralę frontside Wszystkie procesory typu Pentium (po 1993) mają magistralę danych o szerokości 64bity (8 bajtów) DRAM MHz Fast Page Mode DRAM FPM DRAM (16-66MHz) Extended Data Out DRAM EDO DRAM (33-75MHz) Burst Extended Data Out DRAM BEDO DRAM (60-100MHz) Synchronous DRAM SDRAM (100,133MHz) Double Data Rate DRAM DDR DRAM (200, 266, 333MHZ,...) Maksymalna przepustowość pamięci: PC100 SDRAM = 8 * 100MHz = 800MB/s PC133 SDRAM = 8 * 133MHz = 1.1GB/s DDR200 = 8 * 200MHz = 1.6GB/s DDR266 = 8 * 266MHz = 2.1GB/s DDR333 = 8 * 333MHz = 2.7GB/s Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 20 Moduły pamięci (najpopularniejsze) DIP (dual inline package) DRAM, najstarsze typy pamięci do komputerów z procesorami 8086, SIMM (single inline memory module) FPM, EDO do komputerów z procesorami 386 (moduły 30 końcówkowe, 16 bit), 486 (moduły 72 końcówkowe 32 bitowe), Pentium (moduły 72 końcówkowe 32b, stosowane parami) DIMM (dual inline memory module) komputery z procesorami Pentium II i MMX (moduły 100 końcówkowe, FPM, EDO) i nowsze (moduły 168 końcówek, 64 bitowe, SDRAM, DDR RAM) SO-DIMM (Small Outline DIMM) do komputerów typu laptop, 72 lub 144 końcówki (32 lub 64 bitowe) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 21 7

8 Czas opóźnienia pamięci RAM (Latency) Pamięć RAM charakteryzuje się opóźnieniami generowanymi podczas operacji dostępu (odczyt adresu kolumny i wiersza, zatrzaskiwanie adresu, transfer danych) Dla pamięci statycznych SRAM, uŝywanymi w pamięciach L2, czas opóźnienia (latency) jest na poziomie 5-12 ns, co dla zegara 200 MHz magistrali pamięci memory odpowiada 1-2 cykli zegara procesora Dla pamięci dynamicznych DRAM (pamięć główna), czas opóźnienia (latency) wynosi ns, co dla zegara 200 MHz odpowiada 5-10 cyklom zegara procesora. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 22 Odczyt pamięci typu Burst W celu przyspieszenia odczytu danych z pamięci głównej stosuje się odczyt grupowy, tj. przesyła się na raz grupę sąsiadujących bajtów, aby wypełnić całą linię pamięci Podczas transferu grupowego, procesor wysyła na magistralę adres tylko pierwszej grupy (4) bajtów, a następne transfery nie wymagają juŝ podawania adresu, co przyspiesza operację Transfer grupowy dotyczy zwykle 4 grup bajtów mieszczących się jednocześnie na magistrali (8 bajtów). Szybkość pamięci określa się podając (w BIOS-ie) liczbę cykli oczekiwania procesora podczas całego transferu grupowego np Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 23 Przykłady czasów dostępu Burst L , DRAM (no burst) FPM DRAM EDO DRAM SDRAM Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 24 8

9 Cechy modułów pamięci Wykrywanie typu (presence detection) w kaŝdym module pamięci znajduje się zapisana informacja o typie pamięci, parametrach, producencie, etc. (zwykle jako mała dodatkowa pamięć) Bity parzystości (parity bits) moduły o podwyŝszonym stopniu niezawodności posiadają dodatkowy bit parzystości dla kaŝdego bajtu, umoŝliwiający wykrywanie błędów pamięci Korekcja błędów ECC (error check code) moduły z moŝliwością korekcji błędów, poprzez stosowanie kilku dodatkowych bitów dla kaŝdego bajtu oraz wbudowanego algorytmu korekcji danych stosowane tylko do komputerów o wymaganej bardzo wysokiej niezawodności. Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 25 Pamięć typu Flash Pamięć półprzewodnikowa, której zawartość nie zanika po wyłączeniu zasilania (technologie typu EEPROM) Kompromis pomiędzy pamięcią ROM i RAM, idealny dla urządzeń przenośnych typu Palmtop, DigiCam, etc... Znacznie wolniejsza od typowych pamięci komputerowych, (w szczególności wolny zapis), nie nadaje się (na razie) na pamięć główną komputera PC Ograniczona liczba cyklów zapisu (setki tysięcy) Zastosowania: pamięci dla BIOS w komputerach PC, pamięci konfiguracyjne kart rozszerzeń komputera PC, układy pamięci zewnętrznej (PenDrive, karty SmartMedia i CompactFlash,...) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 26 Prawo Moore a Gordon E. Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," Electronics, v.38, no 8 (19 April), Wzrost liczby elementów układów mikroprocesorowych ma charakter wykładniczy Liczba tranzystorów mikroprocesorów podwaja się średnio co 18 miesięcy (1980) Wydajność obliczeniowa mikroprocesorów podwaja się średnio co 18 miesięcy (1990) Wydajność komputerów w odniesieniu do ceny podwaja się średnio co 18 miesięcy (1990) Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 27 9

10 ZłoŜoność mikroprocesorów i pamięci Liczba tranzystorów G G DRAMs 16G G G 256M McKinley 10 8 Itanium (Merced) 64M Pentium IV 16M 10 7 Pentium III 4M Pentium II M PPC 620 Pentium Pro 256k i486 Pentium k 16k k 8086 Intel 1k Motorola Processory T 2020 Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 28 Koszt wydajności komputerów MIPS / $1000 (1997 Dolary) Burroughs Class 16 IBM Tabulator Zuse-1 Monroe Calculator UNIVAC I ENIAC Colossus DEC PDP-10 IBM 1130 IBM 7090 Whirlwind IBM 704 Macintosh-128K Mac II Commodore Apple II 64 IBM PC DG Eclipse Sun-2 CDC 7600 ASCC (Mark 1) Gateway G6-200 PowerMac 8100/80 Gateway-485DX2/55 DEC-KL-10 DG Nova SDS 920 IBM 350/75 IBM 7040 Burroughs 5000 IBM 1620 IBM 650 AT&T Globalyst 600 IBM PS/290 Sun-3 VAX 11/750 DEC VAX 11/780 Power Tower 150e Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 29 Koszt pamięci $ Cena 1 Mbit DRAM Przeszłość Prognoza $ ucia 800 $ 240 $ 60 $ 10 $ 1 $ 26 C 1 guma do Ŝ 5 C elka 1 Ŝ 3 C 1 kartka paieru 1 C 1 naklejka 0,5 C 1 spinacz 0,1 C Wstęp do informatyki Cezary Bolek <cbolek@ki.uni.lodz.pl> 30 10