Elementy system komputerowego. Autor: Ksawery Piątek

Transkrypt

1 Elementy system komputerowego Autor: Ksawery Piątek

2 Procesor

3 Procesor Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit), GPU (ang. Graphics Processing Unit) sekwencyjne urządzenie cyfrowe, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

4 Historia procesorów W 1947 r. J. Bardeen, W. Brattain oraz W. Shockley stworzyli pierwszy tranzystor, a w 1958 r. J. Kilby zbudował pierwszy układ scalony. Był on powszechnie używany w kalkulatorach. W 1968 r. japońska firma Bushicom zleciła Intelowi wyprodukowanie zestawu mikroukładów mających za zadanie przyspieszyć obliczanie działań na kalkulatorach tej firmy. Efektem pracy kierowanej przez E. Hoffa było stworzenie w 1971 r. pierwszego mikroprocesora oznaczonego symbolem 4004.

5 Budowa procesora Procesory (zwane mikroprocesorami) 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. Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź).

6 Budowa funkcjonalnej struktury procesora W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak: zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie; jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych; układ sterujący przebiegiem wykonywania programu; inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.

7 Schemat budowy strukturalnej procesora

8 Rola procesora w systemie Procesor jest mózgiem komputera. Przetwarza informację wykonując na niej elementarne operacje nazywane instrukcjami lub rozkazami. Ciąg instrukcji nazywany jest programem.

9 Ciąg operacji procesora 1. Pobranie rozkazu z pamięci programu; 2. Dekodowanie rozkazu, odczyt rejestrów; 3. Wykonanie rozkazu; 4. Pobranie argumentów z pamięci danych; 5. Zapisanie wyniku operacji w pamięci.

10 Najważniejsze parametry procesorów

11 Producent Głównymi konkurentami na rynku jest Intel oraz AMD. Każda z firm ma kompletnie inny rodzaj socketu na procesor.

12 Rodzaj socketu Każda generacja oraz mikroarchitektura procesorów ma oddzielny numer gniazda procesora na płycie głównej. Numery socketu na płycie głównej i procesorze muszą do siebie pasować by procesor mógł działać.

13 Rdzenie Jednym z najważniejszych parametrów przypisywanych do procesorów komputerowych jest liczba rdzeni. Jeszcze do niedawna wszystkie procesory posiadały tylko jeden lub dwa rdzenie, co oznacza, że zawierały na jednej kości jedno lub dwa jądra. Dziś najczęściej spotyka się układy dwu- i czterordzeniowe. W parze z taką odmianą procesorów idzie modyfikacja aplikacji komputerowych, które potrafią już wykorzystywać dodatkowe jądra do znacznego przyspieszenia obliczeń.

14 Złącze procesora Złącze procesora, inaczej podstawka, to element, za pomocą którego procesor można zamontować na płycie głównej. Należy wybrać dokładnie taki procesor, którego złącze będzie rozwijane przez producenta. Na przykład, jeśli za rok będziemy chcieli wymienić układ na nowszy, będziemy musieli obok procesora wymienić także samą płytę główną, a to pociągnie za sobą spore koszty. Powodem takiej sytuacji jest to, że wydajniejsze jednostki mogą posiadać zupełnie inne złącze, które nie będzie pasować do płyty głównej.

15 Taktowanie procesora Jedną z najważniejszych cech przypisywanych procesorom, jest taktowanie, czyli prędkość procesora. Jest ono podawane w giga Herzach (GHz) i mówi ile operacji jest w stanie wykonać procesor. Im wyższe taktowanie, tym bardziej wydajny procesor. Ilość pamięci wewnętrznej (L1, L2, L3) zintegrowanej z jądrem procesora, świadczy o szybkości pracy układu.

16 Cache procesora Zwykle procesory posiadają dwa poziomy pamięci cache L1 i L2. Pamięci L1 jest najczęściej niewiele, około kilkudziesięciu kilobajtów (KB), zaś pamięci L2 jest zdecydowanie więcej. W najnowszych procesorach pamięci L2 jest około kilka megabajtów. Nie należy kupować procesorów z pamięcią L2 poniżej 1 MB. Niektóre układy mogą być wyposażone w 3 poziom pamięci, która wpływa na dodatkowe zwiększenie wydajności układu. Proces technologiczny świadczy o tym, w jakim procesie wykonano układ. Parametr ten podawany jest w specyfikacjach najczęściej w Nano metrach i ma wpływ na ilość pobieranej energii przez procesor i wydzielanej temperatury.

17 Odblokowany mnożnik Gdy w modelu procesora widnieje litera k, oznacza to, że można robić na nim tzw. overclocking czyli zwiększanie taktowania.

18 Taktowanie magistrali procesora Obsługa rozkazów 64-biotwych to już standard w nowoczesnych procesorach dostępnych na rynku. Częstotliwość taktowania magistrali podawana jest w MHz i mówi, z jaką częstotliwością procesor jest w stanie komunikować się z innymi podzespołami komputera. Im wyższy będzie ten parametr, tym teoretycznie wyższa wydajność całego systemu.

19 Komunikacja procesora z innymi komponentami systemu Komunikacja procesora z podzespołami jest możliwa dzięki magistralom. Jest ona zestawem ścieżek łączących jednocześnie kilka komponentów oraz umożliwiającym komunikację między nimi. W zależności od zastosowanej technologii, magistrala może przesyłać informację w sposób równoległy lub szeregowy, a w zależności od zastosowanego sposobu kontroli przepływu danych może być asynchroniczna lub synchroniczna.

20 Rodzaje magistrali Magistrala danych Magistrala adresowa Magistrala pamięci Magistrala sterująca

21 Magistrala danych Umożliwia wymianę danych między procesorem, a chipsetem. Jest to najważniejsza magistrala w systemie.

22 Magistrala adresowa Jest to specjalny zestaw ścieżek służący do adresowania pamięci operacyjnej. Znając szerokość magistrali adresowej, możemy określić, z jaką ilością pamięci może współpracować procesor.

23 Magistrala pamięci Łączy procesor z pamięcią operacyjną RAM, umożliwiając wymianę danych. Po zaadresowaniu konkretnych komórek następuje proces zapisu lub odczytu danych przez centralną jednostkę obliczeniową. Procesory ze zintegrowanym kontrolerem pamięci połączone są bezpośrednio z pamięcią operacyjną za pomocą magistrali pamięci, dzięki czemu nie ma potrzeby angażowania chipsetu podczas wymiany danych między procesorem a pamięcią operacyjną. Współczesne magistrale pamięci to rozwiązania równoległe o szerokości 64 bitów, które umożliwiają transfer nawet do 12 GB/s.

24 Magistrala sterująca Odpowiedzialna jest za przesyłanie sygnałów sterujących między procesorem, pamięcią RAM i pozostałymi urządzeniami wejścia/wyjścia. Dzięki niej urządzenia współpracujące z procesorem informowane są o przydzielonych im zadaniach.

25 Charakteryzowanie magistrali Magistrale charakteryzuje poprzez dwa parametry: Szerokości która oznacza liczbę jednocześnie wysłanych bitów w jednostce czasu. Jeżeli magistrala równoległa jednocześnie przesyła np. 32 bity, nazywa się ją magistralą 32 bitową. Szybkości która określa, jak szybko dane są przesyłane przez ścieżki magistrali. Szybkość określana jest w hercach (Hz) lub wielokrotnością tej jednostki (MHz albo GHz)

26 Overclocking (przetaktowywanie) procesora Overclocking polega na zwiększeniu szybkości pracy i wydajności procesora za pomocą zwiększenia taktowania zegara. W przypadku CPU jest to możliwe z poziomu ustawień BIOS. Często potrzebny jest również bardzo wydajny układ chłodzenia, niedołączony do procesora przy zakupie. Do osiągnięcia bardzo wysokich wartości taktowania potrzebne jest chłodzenie za pomocą ciekłego azotu lub suchego lodu.

27 Chłodzenie procesora Współczesne procesory wydzielają duże ilości ciepła i dlatego wymagają intensywnego chłodzenia, czyli procesu odprowadzenia ciepła. W konstrukcjach od połowy lat 90. XX w. najczęściej spotyka się chłodzenie aktywne, rzadziej chłodzenie pasywne i chłodzenie cieczą.

28 Chłodzenie aktywne Chłodzenie aktywne zawiera wentylator wymuszający ruch powietrza w pobliżu powierzchni radiatora, ułatwiając odprowadzanie z niego ciepła. W starszych układach płyt głównych wentylator miał stałą prędkość obrotową, w nowszych prędkość obrotowa wentylatora jest regulowana automatycznie zależnie od temperatury procesora (tzw. wentylatory PWM, podłączane poprzez złącze 4-stykowe), dzięki czemu gdy komputer nie jest obciążony, wentylator kręci się wolniej i ciszej pracuje. Prędkość wentylatora można też regulować manualnie, za pomocą regulatora obrotów lub oprogramowania. Zatrzymanie lub brak wentylatora w układzie aktywnym powoduje przegrzanie procesora i jeśli układ nie ma odpowiednich zabezpieczeń (np. w starszych procesorach lub płytach głównych), może dojść do jego uszkodzenia.

29 Chłodzenie pasywne Chłodzenie pasywne polega na odprowadzaniu ciepła tylko w wyniku konwekcji swobodnej powietrza wokół radiatora i układu lub wymuszenia ruchu powietrza przez wentylator komputera bez dodatkowego wymuszania ruchu powietrza przez układ chłodzenia. Układ taki wymaga wydajnego radiatora.

30 Chłodzenie cieczą Chłodzenie cieczą stosowane przez overclockerów dla których inne metody są za mało wydajne. Składa się z kilku elementów, najprostszy układ to: blok wodny, chłodnica, pompka i rezerwuar (zbiornik wyrównawczy) połączone wężami. Konstruuje się układy w których chłodzenie wodne, oprócz procesora, chłodzi także kartę graficzną, mostek północny i inne silnie grzejące się układy scalone. Ciecz dodana do układu to najczęściej specjalnie przygotowany, zabarwiony liquid.

31 Karta graficzna

32 Karta graficzna Karta graficzna karta rozszerzeń komputera odpowiedzialna za renderowanie grafiki i jej konwersję na sygnał zrozumiały dla wyświetlacza.

33 Historia kart graficznych Pierwsze karty graficzne potrafiły jedynie wyświetlać znaki alfabetu łacińskiego ze zdefiniowanego w pamięci karty generatora znaków tryb tekstowy. Kolejna generacja kart graficznych potrafiła już wyświetlać w odpowiednim kolorze poszczególne punkty (piksele) tryb graficzny. Nowoczesne procesory graficzne udostępniają wiele funkcji ułatwiających i przyśpieszających pracę programów. Możliwe jest narysowanie odcinka, trójkąta, wieloboku, wypełnienie ich zadanym kolorem lub wzorem, tzw. akceleracja 2D. Większość kart na rynku posiada również wbudowane funkcje ułatwiające tworzenie obrazu przestrzeni trójwymiarowej, tzw. akceleracja 3D. Niektóre posiadają zaawansowane algorytmy potrafiące na przykład wybrać tylko widoczne na ekranie elementy z przestrzeni. W nowych układach graficznych zrezygnowano ze sztywnego schematu obliczeń, dając użytkownikowi pewną ilość jednakowych "rdzeni", które może on sobie zaprogramować (przy pomocy shaderów) do wyświetlania dowolnych efektów graficznych. Umożliwia to też wykorzystanie karty graficznej jako procesora ogólnego przeznaczenia (GPGPU), zdolnego do przeliczania dużych zbiorów uporządkowanych danych.

34 Budowa karty graficznej Większość kart graficznych (wszystkie współczesne) składają się z następujących elementów: procesor graficzny (GPU) odpowiedzialny za generowanie obrazu w pamięci obrazu, pamięć obrazu bufor ramki (ang. framebuffer) przechowuje cyfrowe dane o obrazie, tekstury, dane geometrii sceny, etc, Pamięć ROM pamięć przechowująca dane (np. dane generatora znaków), firmware karty graficznej, obecnie realizowana jako pamięć flash, RAMDAC (ang. RAM + Digital-to-Analog Converter) przetwornik cyfrowo-analogowy odpowiedzialny za przekształcenie cyfrowych danych z pamięci obrazu na sygnał sterujący dla monitora analogowego; w przypadku kart wyłącznie z wyjściem cyfrowym RAMDAC nie występuje, złącza do monitorów oraz złącze płyty głównej. Wiele z kart graficznych ma także: framegrabber układ zamieniający zewnętrzny, analogowy sygnał wideo na postać cyfrową (tylko w kartach posiadających przechwytywanie obrazu), procesor wideo układ wspomagający dekodowanie i przetwarzanie strumieniowych danych wideo; w najnowszych konstrukcjach zintegrowany z procesorem graficznym.

35 Komunikacja karty graficznej z płytą główną Interfejs do systemu komputerowego umożliwia wymianę danych i sterowanie kartą graficzną, zmieniał się wraz ze zmianami interfejsów wewnętrznych komputera PC: ISA - obecnie nie stosowany, wyparty przez AGP. PCI - stosowany w prostych kartach. AGP - obecnie nie stosowany, wyparty przez PCI. PCI-Express(x16) - najczęściej stosowany.

36 Komunikacja karty graficznej z urządzeniem wyjścia Interfejs na slocie karty graficznej złącza służące do podłączenia peryferiów i innych kart. Złącza do wyświetlaczy: P&D DFP D-Sub (zwane też VGA) DVI HDMI DisplayPort

37 Złącze Plug&Display (P&D) P&D jest standardem interfejsu stworzonym i promowanym przez organizację VESA (Video Electronics Standards Association). Do jego zalet należy możliwość przesyłania zarówno sygnałów analogowych (a więc podłączenia tradycyjnego monitora ), jak i cyfrowych, w tym także transmisji USB czy FireWire. 30-pinowe złącze P&D, choć drogie, ma największe możliwości. Jego uniwersalność okupiona została jednak wysoką ceną, więc jest ono stosunkowo rzadko stosowane. Maksymalna rozdzielczość wynosi 1280x1024.

38 Złącze Digital Flat Panel (DFP) DFP interfejs video przeznaczony dla urządzeń z wyświetlaczami LCD, plazmowymi, itp. Interfejs mniej skomplikowany, a przy tym znacznie tańszy niż Plug & Display. Opracowany w firmie Compaq, a następnie zaakceptowany przez VESA. Wspierany przez takich producentów, jak Nvidia, ATI czy 3dfx, interfejs ten niewiele różni się od P&D. Zrezygnowano jedynie z drogich funkcji dodatkowych (USB, FireWire, transmisji analogowej). Podobnie jak w przypadku P&D, maksymalna rozdzielczość obrazu ograniczona jest do

39 Złącze D-subminiature (D-sub) D-sub rodzina wtyków i gniazd wykorzystywanych w urządzeniach i zakończeniach przewodów dla potrzeb połączeń w transmisji sygnałów pomiędzy urządzeniami elektronicznymi. Standardowe złącza D-sub mają 9, 15, 25, 37, 50 lub 60 pinów. Standard D-sub jest określeniem sposobu fizycznej budowy złącza, a nie przeznaczeń komunikacyjnych. Maksymalna rozdzielczość obsługiwana to 640x480 w przypadku standardowego DE-9 i DE-15 lub 1600x1200 w wersji DD-50.

40 Złącze Digital Visual Interface (DVI) DVI (ang. Digital Visual Interface) standard złącza pomiędzy kartą graficzną a monitorem komputera. Pojawił się w komputerach w 1999 roku. Do standardu należą: DVI-I (Single Link), DVI-I (Dual Link), DVI-D (Single Link), DVI-D (Dual Link) oraz DVI-A. W przypadku najlepszej wersji DVI-D Dual Link, obsługuje rozdzielczości do 2560x1600 i odświeżanie do 144Hz.

41 Złącze High Definition Multimedia Interface (HDMI) HDMI interfejs służący do przesyłania cyfrowego, nieskompresowanego sygnału audio i wideo. Producenci elektroniki użytkowej zaczęli stosować technologię HDMI w swoich produktach od września 2003 roku. Jako pierwszy format umie przesyłać naraz audio oraz wideo za pomocą technologii TMDS. Maksymalna rozdzielczość do uzyskania to 4096x2160 (4K) o odświeżaniu 60Hz.

42 DisplayPort DisplayPort uniwersalny interfejs cyfrowy (zatwierdzony w maju 2006) opracowany przez VESA (Video Electronics Standards Association). Głównym zamierzeniem nowego standardu jest połączenie komputermonitor lub komputer-system kina domowego (w tym projektory, wielkoformatowe wyświetlacze, telewizory itp.). Maksymalna rozdzielczość jaką może uzyskać to 7680x4320 (8K) o odświeżaniu 240Hz.

43 Komunikacja karty graficznej z inną kartą graficzną Do łączenia kart ze sobą w celu zwiększenia wydajności używa się: CrossFire (do kart RADEON) SLI (do kart GeForce) Typowe karty umożliwiają łączenie ze sobą od 2 do 4 egzemplarzy, które muszą posiadać identyczne GPU. Zazwyczaj karty różnych firm mające to samo GPU współpracują ze sobą. Do działania systemu wymagane jest wsparcie płyty głównej, większość modeli wyposaża się w rozwiązanie 2-Way lub 3-Way (do dwóch lub trzech kart)

44 Rola karty graficznej w systemie Jest to karta rozszerzeń odpowiedzialna za renderowanie grafiki i jej konwersje na sygnał zrozumiały dla człowieka (obraz na urzędzeniu wyjścia).

45 Akcelerator graficzny Wraz z pojawieniem się kart Voodoo firmy 3dfx, które znacznie przyspieszały wyświetlanie grafiki trójwymiarowej, pojawił się termin akcelerator graficzny. Karty te wymagały bowiem obecności w komputerze zwykłej karty graficznej. Pozostali producenci zdecydowali się na integrację akceleratorów grafiki trójwymiarowej z samymi kartami graficznymi, podobnie jak to miało miejsce z akceleratorami grafiki dwuwymiarowej. Później także firma 3dfx zdecydowała się zintegrować swoje akceleratory z kartami graficznymi.

46 Funkcje akceleratorów kart graficznych Najważniejsze funkcje współczesnych akceleratorów graficznych to: Filtrowanie anizotropowe Mapowanie wypukłości Efekty cząsteczkowe Full Scene Anti-Aliasing HDR Pixel Shader Vertex Shader Transform & Lighting GPGPU Poza tym karty graficzne oferują inne sprzętowe efekty, jak mgła, przezroczystość (dodatkowy kanał Alpha). Zasoby kart graficznych mogą być udostępniane innym stacjom roboczym sieci komputerowych. W obecnych topologiach sieciowych istnieje możliwość przesyłania obrazów na monitory innych stacji roboczych.

47 Filtrowanie anizotropowe Poprawa jakości tekstur w 3D stosowana dla obiektów obserwowanych pod małymi kątami.

48 Mapowanie wypukłości Symulacja niewielkich wypukłości bez ingerencji w geometrie obiektu.

49 Efekty cząsteczkowe Symulacja złożonych zjawisk np.: opady śniegu, deszcz, w którym podstawowym obiektem jest duża grupa wirtualnych cząsteczek

50 Full Scene Anti-Aliasing Wygładzanie krawędzi obiektów, zmniejszanie błędów zniekształceniowych.

51 HDR Generowanie scen w 3D, której efektem jest renderowanie obrazu z realistycznym oświetleniem.

52 Pixel Shader Cieniowanie pikseli odpowiada za wyliczanie koloru pikseli.

53 Vertex Shader Cieniowanie wierzchołkowe transformacja położenia wierzchołka w przestrzeni 3D na współrzędne 2D na ekranie.

54 Transform & Lighting Moduł w kartach graficznych, który przyspiesza obliczanie animacji.

55 GPGPU Obliczanie ogólnego przeznaczenia na układach GPU, dzięki któremu GPU może wspomagać CPU w obliczeniach ogólnych, a nie tylko związanych z grafiką komputerową.

56 Zasilanie karty graficznej Karta graficzna zasilana jest z płyty głównej. Wydajniejsze modele potrzebują wsparcia MOLEX albo złącze PCI-E 6-pinowe lub 8pinowe które doprowadzają zasilanie wprost z zasilacza. Karty posiadają także umieszczone złącza do wentylatorów, oświetlenia czy pomp wodnych, jednak są one fabrycznie podłączone.

57 Układ chłodzenia kart graficznych Większość kart graficznych do poprawnego działania potrzebuje układu chłodzenia. Najwięcej ciepła wytwarza GPU, dlatego stosuje się: Chłodzenie pasywne Chłodzenie aktywne powietrzem Chłodzenie cieczą

58 Chłodzenie pasywne Poprzez montaż radiatora, zwykle o dużej powierzchni, w starych kartach nie stosowano dodatkowych radiatorów. Stosowane w prostych kartach.

59 Chłodzenie aktywne powietrzem Poprzez montaż wentylatora(ów) na radiatorze. Dawniej montowano niewielkie i głośne wentylatory, obecnie montuje się szerokie, wolnoobrotowe generujące niewiele hałasu. Obecnie stosuje zazwyczaj się 2 lub 3 wentylatory, a karty umożliwiają regulację ich prędkości.

60 Chłodzenie cieczą W kartach o dużej emisji ciepła montuje się układ chłodzenia cieczą. Producenci wykonują je w identyczny sposób co chłodzenie procesora. W autorskich chłodzeniach wodnych całego komputera, mocuje się blok wodny na sam rdzeń GPU lub całą kartę (RAM i zasilanie).

61 Overclocking (przetaktowywanie) karty graficznej Overclocking polega na zwiększeniu szybkości pracy i wydajności karty graficznej za pomocą zwiększenia taktowania zegara. W przypadku GPU, w przeciwieństwie do CPU, jest to możliwe z poziomu programu komputerowego, dołączonego wraz z kartą graficzną (np.: MSI Afterburner). Potencjał overclockingowi karty (o ile możemy podnieść taktowanie by karta nie gubiła pikseli i tworzyła artefaktów) jest indywidualna dla każdego egzemplarza. Do osiągnięcia bardzo wysokich wartości taktowania potrzebne jest chłodzenie za pomocą ciekłego azotu lub suchego lodu.

62 Najważniejsze parametry kart graficznych Producent chipsetu (np. NVIDIA) Rodzaj chipsetu (np. MSI GTX 970) Ilość pamięci RAM (np. 4GB) Rodzaj pamięci RAM (np. GDDR5) Szyna danych (np. 256) Taktowanie rdzenia[mhz] (np. 1300) Taktowanie pamięci [MHz] (np. 7000)

63 Źródła - Angielska oraz Polska Procesory Grafika Historia procesorów - Mirko Overclocking Historia procesorów Specyfikacje/Parametry Specyfikacje/Parametry Specyfikacje/Parametry Grafika na licencji CC