BUDOWA I DZIAŁANIE KOMPUTERA

Transkrypt

1 BUDOWA I DZIAŁANIE KOMPUTERA

2

3

4

5

6

7

8

9 Komputery szybkość przetwarzania informacji MIPS MIPS Million Instructions Per Second - określa liczbę milionów operacji stałoprzecinkowych wykonywanych w ciągu sekundy, przez daną jednostkę obliczeniową.

10 Komputery szybkość przetwarzania informacji HIPS FLOPS FLoating point Operations Per Second określa liczbę operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. Jest jednostką mocy obliczeniowej komputerów, używaną szczególnie w zastosowaniach naukowych. Bardziej uniwersalna od wcześniej używanej jednostki MIPS (instrukcji procesora na sekundę). FLOPS nie jest jednostką SI, ale można go interpretować jako jednostkę o wymiarze 1/s rząd wielkości oznaczenie FLOPS megaflops MFLOPS 10 6 gigaflops GFLOPS 10 9 teraflops TFLOPS petaflops PFLOPS eksaflops EFLOPS zettaflops ZFLOPS jottaflops YFLOPS 10 24

11 Komputery szybkość przetwarzania informacji HIPS 1985 r. Pierwszym komputerem o mocy obliczeniowej powyżej 1 GFLOPS był Cray-2 wyprodukowany przez Cray Research r. Pierwszym komputerem o mocy obliczeniowej powyżej 1 TFLOPS był ASCI Red wyprodukowany przez Intel r. Pierwszym komputerem o mocy obliczeniowej powyżej 1 PFLOPS był RoadRunner wyprodukowany przez IBM. Aktualny rekord należy do chińskiego Tianhe-2-33,86 PFLOPS. Rekord Polski należy do superkomputera Zeus (Cyfronet AGH) TFLOPS.

12 Fragment superkomputera Zeus (Cyfronet AGH).

13

14

15 Założenia von Neumanna ( ) Komputer powinien posiadać pamięć w której przechowywane będą zarówno dane jak i instrukcje z możliwością zapisu i odczytu w dowolnej kolejności. Powinien być wyposażony w jednostkę obliczeniową wykonującą operacje arytmetyczne i logiczne. Powinien posiadać urządzenia wejściowe pozwalające na wprowadzanie danych i urządzenia wyjściowe umożliwiające wyprowadzanie danych. Powinien zawierać takie układy sterujące jego pracą, które pozwalałyby na interpretację rozkazów pobieranych z pamięci oraz wybór alternatywnych działań (zmianę kolejności rozkazów) w zależności od wyniku poprzednich operacji.

16

17 Architektura komputera

18 Cechy komputerów PC Programowalność - możliwość zmiany sposobu działania w zależności od dostarczonego przez użytkownika programu co znacznie rozszerza różnorodność zastosowań. Otwarta architektura - pozwalająca na modyfikację, rozbudowę i rozszerzanie możliwości funkcjonalnych komputera w zależności od potrzeb użytkownika Obszerna dokumentacja oraz standaryzacja elementów konstrukcyjnych

19

20 Chipset Chipset jest to drugi najważniejszy układ - po procesorze. Rządzi on płytą główną. Chipset można "podzielić" na dwie części: tzw. north-bridge (mostek północny) i south-bridge (południowy). Jednak często mianem "chipset" określa się tylko sam mostek północny. Mostek północny odpowiada za komunikacje między procesorem a pamięcią i szyną AGP. Mostek południowy za szyny PCI (i ISA), kontrolery dysków i wszystkie inne urządzenia. Obydwa mostki spełniają role pewnego łącznika i kontrolera zasobów - Procesor aby odwołać się do pamięci "prosi" o to mostek północny.

21 Poziom 3

22 Rodzaje pamięci na płycie głównej RAM Random Access Memory pamięć o dostępie swobodnym pamięć robocza. Przechowuje dane w trakcie pracy komputera i pozwala na zapis oraz odczyt danych. Wielkość: od 1 MB (obecnie najczęściej MB) ROM Read Only Memory pamięć stała tylko do odczytu. Zawiera ona stałe dane potrzebne w pracy urządzenia np. procedury startowe komputera, czy próbki przebiegu w cyfrowym generatorze funkcyjnym. Służy do przechowywania najbardziej podstawowych danych i programów w postaci tzw. BIOS-u komputera. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), jest to układ pamięci BIOS przechowujący informacje o konfiguracji sprzętowej komputera oraz zawierający kalendarz i zegar czasu rzeczywistego (przechowuje dane takie jak: data, czas, rodzaj podłączonych dysków i ustawienia zaprogramowane przez użytkownika np. hasło). Pamięć o niewielkiej pojemności (ok. 256B), której zawartość jest podtrzymywana po wyłączeniu komputera przez napięcie z niewielkiego akumulatorka. CACHE (nazywana kieszeniową) pamięć o pojemności 128KB 16MB pośrednicząca w wymianie danych pomiędzy procesorem a pamięcią RAM przechowując najczęściej używane dane

23 Rodzaje pamięci na płycie głównej BIOS (Basic Input-Output System) - Podstawowy System Wejścia-Wyjścia. To zapisany w pamięci stałej (CMOS) zestaw podstawowych procedur pośredniczących pomiędzy systemem operacyjnym a sprzętem. Posiada on własną pamięć, w której znajdują się informacje dotyczące daty, czasu oraz danych na temat wszystkich urządzeń zainstalowanych na komputerze. Potrzebuje jej np. po to, aby zapamiętać informacje o konfiguracji i wykrytych urządzeniach podczas automatycznego testu przy uruchomieniu komputera. Programy znajdujące się w BIOS-ie dzielą się na dwie grupy: - programy testująco-inicjujące pracę komputera, - programy zawierające procedury sterujące różnymi elementami komputera, jak np.: napędami dyskowymi, urządzeniami wejścia/ wyjścia. UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) to standardowy interfejs oprogramowania układowego komputerów, zaprojektowany w celu zastąpienia systemu BIOS. Standard opracowany przez konsorcjum UEFI obejmujące ponad 140 firm technologicznych, w tym Microsoft. Zaprojektowany dla zapewnienia lepszej współpracy oprogramowania i rozwiązaniu problemów spowodowanych ograniczeniami systemu BIOS.

24 UEFI - zalety Główne zalety oprogramowania układowego UEFI: Większe bezpieczeństwo dzięki łatwiejszej ochronie procesu poprzedzającego uruchomienie (rozruch) przed atakami programów typu bootkit. Szybsze uruchamianie i wznawianie pracy po hibernacji. Obsługa dysków o rozmiarze przekraczającym 2,2 terabajtów (TB). Obsługa nowoczesnych, 64-bitowych sterowników urządzeń w oprogramowaniu układowym, przy użyciu których system może zaadresować ponad 17,2 miliardów gigabajtów (GB) pamięci podczas uruchamiania. Możliwość używania systemu BIOS ze sprzętem UEFI.

25

26 BIOS wygląd

27 UEFI wygląd

28 Pamięć podręczna ang. cache Pamięć podręczna procesora - jest pamięcią typu SRAM (pamięć statyczna) o krótkim czasie dostępu. Zlokalizowana jest często bezpośrednio w jądrze procesora. Używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Współcześnie stosuje się 2 i 3-poziomowe pamięci podręczne. Najważniejszymi parametrami funkcjonalnymi pamięci podręcznych są: - pojemność - czas dostępu.

29 Pamięć podręczna ang. cache L1 (pamięć pierwszego poziomu) Zlokalizowana we wnętrzu procesora pamięć podręczna pierwszego poziomu przyspiesza dostęp do bloków pamięci wyższego poziomu, który stanowi zależnie od konstrukcji pamięć operacyjną lub pamięć podręczną drugiego poziomu (L2). Z uwagi na ograniczenia rozmiarów i mocy procesora zawsze jest najmniejsza. Umieszczona jest najbliżej głównego jądra procesora i umożliwia najszybszą komunikację procesora. Typowe pamięci L1 współczesnych procesorów są 2-drożne, posiadają rozdzieloną pamięć danych i kodu, a długość linii wynosi 64 B.

30 Pamięć podręczna ang. cache L2 (pamięć drugiego poziomu) Pamięć o rozmiarze od 64KB do 12MB, 2,4 lub 8-drożna, o długości linii od 64 do 128 B, jest wykorzystywana jako bufor pomiędzy stosunkowo wolną pamięcią RAM a jądrem procesora i pamięcią cache L1. Ostatnimi procesorami nie posiadającymi pamięci podręcznej drugiego poziomu były pierwsze procesory Celeron (jądro Convington, taktowane MHz). L2 powoduje duży wzrost wydajności w wielu aplikacjach ponieważ dane poddawane obróbce muszą być pobierane z pamięci RAM, która ma opóźnienia rzędu kilkudziesięciu-kilkuset nanosekund. Obecnie procesory są wyposażone w złożone układy przewidywania, jakie dane będą potrzebne - dane te są pobierane z wyprzedzeniem do pamięci cache, która ma opóźnienia rzędu kilku-kilkunastu nanosekund, co znacznie skraca czas oczekiwania procesora na dane do obliczeń.

31 Pamięć podręczna ang. cache L3 (pamięć trzeciego poziomu) Pamięć podręczna procesora trzeciego poziomu jest wykorzystywana, kiedy pamięć L2 jest niewystarczająca aby pomieścić potrzebne dane. Najczęściej spotykana jest w procesorach dedykowanych do zastosowań serwerowych. Obecność cache trzeciego poziomu pozwala na znaczącą poprawę wydajności w stosunku do procesorów o konstrukcji pamięci dwupoziomowej w wielu aplikacjach i programach. Jest "ratunkiem" przed sięgnięciem po dane do powolnej pamięci RAM, aczkolwiek gdy w pamięci L3 brakuje miejsca komputer szuka "pomocy" w powolnej pamięci RAM. W systemach z wieloma procesorami lub rdzeniami, pamięć cache trzeciego poziomu najczęściej jest współdzielona przez wszystkie rdzenie i ma od kilku do kilkunastu megabajtów (co jest niewielką ilością w porównaniu do pamięci RAM której rozmiar w nowszych komputerach oscyluje w granicach kilku gigabajtów). Jej wysoka wydajność wynika z droższych i lepszych komponentów, oraz bliższego fizycznego ulokowania przy procesorze.

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44 Elementy komputera procesor Procesor lub CPU (Central Processing Unit, GPU) urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora. Procesory wykonywane są zwykle jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złocone wyprowadzenia (stosowane ze względu na odporność na utlenianie). Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności od zastosowania, sieć od kilku tysięcy do kilku miliardów tranzystorów.

45 Elementy komputera procesor Podstawowymi parametrami wpływającymi na wydajność procesora (szybkość wykonywania operacji przez procesor) są: - Szybkość (częstotliwość taktowania) określana częstotliwością zegara (mierzona w MHz) - Wielkość magistrali danych (liczba przesyłanych jednocześnie bitów 8,16,32,64 bity) - Częstotliwość taktowania magistrali danych (szybkość przekazywania danych do urządzeń wejściowych i wyjściowych) - Wielkość pamięci CACHE pierwszego poziomu (L1), drugiego poziomu (L2) oraz trzeciego poziomu (L3) - Wewnętrzna konstrukcja oraz lista rozpoznawanych i wykonywanych instrukcji elementarnych

46 Elementy komputera procesor Procesor wielordzeniowy (Multi-core processor) rodzaj procesora CPU posiadający więcej niż jeden rdzeń fizyczny. Technologia ta ma na celu zwiększenie wydajności procesora, zmniejszenie zużycia energii i bardziej efektywnego jednoczesnego przetwarzania wielu zadań CPU mają obecnie rdzenie taktowane zegarem nawet 4,4 GHz (np. AMD A K i i7-4790k), lecz nie występuje już wyraźny wzrost taktowania w kolejnych generacjach procesorów. Szybkość obliczeń jednak wzrasta dzięki zwiększaniu ilości tranzystorów i rdzeni w procesorach. dwurdzeniowe: Intel i3 i AMD Athlon 64 X2 czterordzeniowe: niektóre Core i5 oraz Core i7 Intela i AMD Athlon II X4 oraz Phenom II X4 AMD) sześciordzeniowe (Phenom II X6 oraz Core i7 serii 9x0) przeznaczone do komputerów klasy desktop ośmiordzeniowe AMD (seria FX) Dostępne procesory do zastosowań serwerowych mogą mieć do 10 (Intel Xeon), lub nawet 16 rdzeni (AMD Opteron). Wielowątkowość procesora oznacza możliwość jednoczesnego wykonywania wielu wątków sprzętowych na pojedynczej jednostce wykonawczej rdzeniu (core)

47 Idea zapisu magnetycznego

48 Konstrukcja dyskietki 1. Dyskietka wykonana jest w postaci plastikowego krążka pokrytego obustronnie materiałem magnetycznym o wysokim stopniu rozdrobnienia co pozwala na uzyskanie dużej gęstości zapisu. (im drobniejsze cząstki tym większa gęstość zapisu). 2. Krążek umieszczony jest w obudowie z twardszego materiału zabezpieczającej przed ewentualnymi uszkodzeniami 3. Rysunki poniżej przedstawiają budowę zewnętrzną dyskietki Przesuwka metalowa chroniąca nośnik odsłaniana po włożeniu do stacji plastikowa obudowa przesuwka blokady zapisu otwór identyfikujący dyskietkę 1,44 MB krążek metalowy przesuwka blokady zapisu

49 Zasada działania stacji dyskietek elastycznych Dyskietka obraca się z prędkością 360 obr/min (6 obr/sek) Głowice zapisująco-odczytujące przesuwają się wzdłuż promienia dyskietki Prąd elektryczny doprowadzony do uzwojenia głowicy wytwarza w pobliżu szczeliny głowicy pole magnetyczne namagnesowujące fragment dyskietki znajdujący się pod głowicą. nośnik magnetyczny kierunek przesuwu głowic silnik głowice magn.

50 Organizacja zapisu na dyskietce 3,5 Zapis dokonywany jest po obu stronach dyskietki na współśrodkowych okręgach nazywanych ścieżkami, podzielonych na sektory po 512 B każdy. W przypadku dyskietki o średnicy 3,5 informacja zapisywana jest dwustronnie na 80 ścieżkach po 18 sektorów. Pojemność dyskietki wynosi więc: 2*80*18*512B= B, a po przeliczeniu na MB: /1024=1,44 MB Na każdej ścieżce zapisywane jest B (18 sektorów po 512 B) Ścieżka zewnętrzna ma długość ok. 250mm (promień R=40mm), czyli 1B zapisany jest na wycinku koła o długości ok. 0,027mm, a jeden bit odpowiednio: 0,0035mm przy szerokości ścieżki ok. 0,2mm

51 Jak powstał twardy dysk Nazwa dysk twardy (hard disk) wywodzi się z faktu zastąpienia elastycznego materiału dyskietki tarczą aluminiową pokrytą obustronnie materiałem o właściwościach magnetycznych. Jednocześnie zwiększono liczbę tarcz dysku w celu uzyskania większej pojemności zapisu. W celu poprawienia szybkości transmisji zwiększono prędkość obrotową do: obr/min (60 obr/sek), obr/min (90 obr/sek) a nawet do obr/min (120 obr/sek). Obecnie produkowane dyski osiągają nawet prędkości obrotowe rzędu a nawet obr/min. Było to możliwe także dzięki bardziej stabilnej konstrukcji i umieszczeniu tarcz dysku w hermetycznej obudowie. Pierwsze dyski miały pojemność 5 MB, a obecnie w powszechnym użyciu są dyski o pojemnościach od 500 GB do 4 TB.

52 Historia HDD firma IBM skonstruował pierwszy 24-calowy dysk twardy o nazwie RAMAC 350. Miał on pojemność 5 MB. W 1980 firma Seagate wprowadziła na rynek pierwszy dysk 5.25", ST-506 o pojemności 5 MB. W 1983 pojawiły się komputery IBM PC/XT z dyskami 5 i 10 MB. W 1986 został opracowany kontroler IDE (Integrated Drive Electronics). W 1987 rozpoczęła się era dysków 3,5 cala. W 2003 dysk twardy w typowym stanowisku pracy mógł zgromadzić od 60 do 500 GB danych, obracać się z prędkością 5400 do obrotów na minutę (taka prędkość obrotowa jest możliwa dzięki zastosowaniu łożyskowania FDB). W wydajnych serwerach klasy High-End i stacjach roboczych stosowane były dyski SCSI o prędkości obrotów na minutę. W 2006 dzięki technologii zapisu prostopadłego możliwe jest przetrzymywanie na dysku ponad 1 TB danych. Standardem staje się złącze SATA i SAS oraz technologia optymalizacji odczytu NCQ. W 2008 pojawiły się dyski SSD.

53 Historia HDD Na początku 2009 wyprodukowane zostały dyski o pojemność 2 TB. Pojawiły się wersje dysków Green, czyli ekologicznych o dynamicznej zmianie prędkości obrotowych. Rozwijany jest standard SATA 3 na potrzeby dysków SSD. W październiku 2010 Western Digital wyprodukowała dysk twardy Caviar Green o pojemności 3 TB Pod koniec 2011 Hitachi wyprodukowała dysk twardy o pojemności 4 TB Od marca 2012 roku na rynku pozostało jedynie 3 producentów dysków twardych: Western Digital, Seagate Technology oraz Toshiba. W marcu 2013 Seagate Technology uzyskiwało sprzedaż na poziomie nawet 8 dysków na sekundę i jako pierwsza uzyskała całkowitą sprzedaż dysków przekraczającą 2 mld sztuk. W listopadzie 2013 roku Western Digital pokazał dysk o pojemności 6 TB wypełniony helem, który w porównaniu do dysku wypełnionego powietrzem pobierał o 49% mniej energii, w przeliczeniu na jeden TB pojemności.

54 Jeden z pierwszych modeli twardych dysków IBM

55 Sześć dysków twardych o wymiarach 8, 5.25, 3.5, 2.5, 1.8, i 1

56 Budowa dysku twardego Tarcze magnetyczne Obudowa Silnik Głowice zapisująco-odczytujące

57 Głowice dysku twardego

58 Głowica z bliska

59 Ruch głowicy

60 Pojemność dysku twardego Pojemność dysku twardego jest zależna od jego konstrukcji i wynikającej z tego organizacji zapisu. Podobnie jak na dyskietce informacja zapisywana jest na ścieżkach ale tutaj jest ich od kilkuset do kilku tysięcy. Liczba sektorów na ścieżce może wynosić 16, 32, 64, 128. Kolejny parametr to liczba głowic, która waha się od 2 do 64. Pojemność dysku obliczamy jako iloczyn: Liczba ścieżek * liczba głowic * liczba sektorów*512 B

61 Uszkodzenia głowicy

62 Uszkodzenie dysku po upadku

63 Fragmenty rozbitego talerza 2,5-calowego HDD

64 Dyski SSD (Solid State Drive / Disk) Zasada działania pamięci w urządzeniu SSD jest podobna do tej, jaką stosuje się w pamięciach flash. Podstawowe zalety SSD: - brak ruchomych części, - SSD charakteryzują się zdecydowanie krótszym czasem dostępu do danych (kilkadziesiąt razy), - cichsza praca - o wiele większa odporność na uszkodzenia mechaniczne (powodowane np. wstrząsami w czasie pracy lub upadkiem z wysokości).

65

66

67 Budowa płyty CD Płyty CD (Compact Disc) stały się ostatnio jednym z najpopularniejszych nośników używanych do przechowywania informacji nie tylko audio lecz również programów i danych. Są to jednak nośniki tylko do odczytu. Nośnik ma postać krążka o średnicy 120 mm i grubości ok. 1,5 mm i wykonany jest z poliwęglanu. Informacja zapisywana jest na spiralnej ścieżce o dł. ok. 5,5 km. 0 i 1 informacji cyfrowej przedstawione są w postaci zagłębień (pitów) i wysepek (landów) o rozmiarach jak na rys. obok.

68 Odczyt informacji z płyty CD dysk soczewka Fotodetektor soczewka pryzmat laser Do odczytu wykorzystuje się promień lasera. Jego światło padając na pity i odbijając się ulega skupieniu wracając do detektora, natomiast po trafieniu na land zostaje rozproszone i nie otrzymujemy w związku z tym sygnału na wyjściu fotodetektora.

69 Szybkość transmisji urządzeń zapisu i odczytu informacji Omówione urządzenia różnią się także szybkością transmisji danych. 1. Dla dysków twardych może wynosić do kilku MB/sek. 2. Dla stacji dysków elastycznych - ok. 150 KB/sek. 3. W przypadku czytników CD określana jest jako wielokrotność szybkości transmisji stacji dysków elastycznych czyli oznaczenie 52x oznacza szybkość transmisji: 52*150 KB/sek. = 7200 KB/sek. = 7,2 MB/sek.

70

71

72 Pojemność dysku CD ROM MB DVD 4,7 GB (DVD 5) jednostronny, jednowarstwowy 8,5 GB (DVD 9) jednostronny, dwuwarstwowy 9,4 GB (DVD 10) dwustronny, jednowarstwowy 17 GB (DVD 18) - dwustronny, dwuwarstwowy Średnica dysku 120 mm 120 mm Grubość płyty 1,2 mm 1,2 mm Ilość warstw informacyjnych Długość fali lasera odczytu jedna jedna, dwie lub cztery nm nm

73

74

75 1 warstwa zapisu 25GB 2 warstwy zapisu 50 GB 4 warstwy zapisu 100 GB 8 warstw zapisu 200 GB 16 warstw zapisu 400 GB Dysk Blu-Rray ma dwie warstwy: pierwsza o grubości 1,1 mm, druga zapisywalna o grubości 0,1 mm. Minimalna długość wgłębienia wynosi 0,15 µm. Przerwa między ścieżkami to 0,32 µm, a średnica plamki lasera wynosi 0,48 µm. BD-ROM wymagają specjalnej, mocnej warstwy ochronnej dla ścieżki zapisu, która leży na głębokości zaledwie 0,1 mm. Istnieją wersje BD-ROM (Read Only Memory), BD-R (Recordable) i BD-RE (REwritable, do 1000 zapisów).

76