Architektura komputera PC Cezary Bolek Uniwersytet Łódzki Wydział Zarządzania Katedra Informatyki Komputer osobisty Obudowa Zasilacz Procesor Pamięć Karty rozszerzeń Karta graficzna Karta dźwiękowa Karta sieciowa, etc. Pamięć masowa Twardy dysk Napęd dyskietek DVDROM Płyta główna Płyta główna Motherboard Wielowarstwowa (37 warstw) płytka połączeń układu (PCB) Podstawa mechaniczna do montaŝu elementów komputera Gniazda procesora, kart rozszerzeń, układów pamięci i we/wy Magistrala systemowe, magistrale zewnętrzne Układ scalony (chipset) sprzęgający elementy komputera Pamięć stała ROM z programem startowym (BIOS) Pamięć RAM nieulotna z zapisem parametrów pracy Układ RTC (Real Time Clock) Zakłócenia elektromagnetyczne! bardzo duŝa częstotliwość sygnałów ograniczenia na długość i kształt połączeń ekranowanie fragmentów płytki Płyta główna ewolucja Przed ~19931995: jedynie podstawowe komponenty systemu (chipset+bios): gniazda dla kart rozszerzeń (expansion slots) magistrali ISA gniazdo procesora (bez wspomagania wyjmowania) najstarsze DIL (Dual In Line) współczesne: PGA (Pin Grid Array) gniazdo klawiatury gniazda układów pamięci Po ~19931995: tendencja do integracji dodatkowych elementów systemu (kontrolery we/wy, dysków, grafiki, dźwięku, interfejsów sieci) nowy podstawki pod procesory: ZIP (Zero Insertion Force) zróŝnicowane gniazda dla kart rozszerzeń (ISA, PCI, VLB, AGP) Standardy konfiguracji: (form factor) AT, (babyat), ATX (microatx max:244x244mm) 1
Płyta główna Płyta główna struktura Płyta główna inne rozwiązania BIOS Basic InputOutput System (PC Firmware) Pamięć ROM zawierająca program startowy komputera po włączeniu zasilania ` Sprawdzenie konfiguracji sprzętowej (rodzaj procesora, rozmiar pamięci, karty rozszerzeń, obecność dysków) Testowanie poprawności działania systemu POST (PowerOn Self Test + dźwiękowe sygnały diagnostyczne) Załadowanie systemu operacyjnego z miejsca ustalonego w pamięci CMOS RAM (dysk, CDROM, dyskietka, sieć) Konfiguracje dla nisko profilowych obudów (slimcase) Pamięć BIOS nie moŝe być (w zasadzie) uszkodzona programowo, co zapewnia zawsze moŝliwości startu. Zwykle BIOS realizowany jest jako pamięć Flash, której zawartość moŝna okresowo przeprogramowywać (bios upgrade) www.wimsbios.com 2
BIOS sygnały POST (Power On Self Test) CMOS RAM np. AMI BIOS problem z pamięcią RAM błąd procesora błąd karty graficznej Award BIOS problem z pamięcią RAM _ _ błąd procesora błąd karty graficznej Phoenix BIOS problem z pamięcią RAM błąd procesora błąd karty graficznej Pamięć RAM o bardzo małym poborze mocy (technologia CMOS) podtrzymywana bateryjnie (kilka lat) uŝywana do przechowywania bieŝących parametrów pracy komputera: typ i konfiguracja twardych dysków ustawienia taktowania procesora i pamięci kolejność startu systemu operacyjnego hasła dostępu do modyfikacji ustawień BIOSu bieŝący czas i data (uaktualniany z układu RTC) www.bioscentral.com PnP BIOS (Plug and Play) Mikroprocesory x86 firmy Intel 1/2 Taktowanie Taktowanie Cache L2 Typ Rok MnoŜnik Cache L1 Procesora Pamięci (wbudowany) Przestrzeń adresowa Liczba tranzystorów PnP oznacza automatyczną konfigurację kart rozszerzeń w systemie komputerowym ustalenie obszaru przestrzeni we/wy przydział numeru przerwania 8086 8088 80286 80386DX 80386SX 80486DX 80486SX 80486DX2 1978 1980 1982 1985 1988 1989 1991 1992 4,778 4,778 620 1633 1633 2550 2550 5080 4,778 4,778 620 1633 1633 2550 2550 2540 2 8kB 8kB 8kB 1MB 1MB 16MB 16MB 29 tys. 29 tys. 134 tys. 275 tys. 275 tys. 1,2 mln 1,18 mln 1,2 mln Obszar przestrzeni we/wy umoŝliwia wymianę informacji pomiędzy urządzeniem a procesorem Przerwania są mechanizmem zgłoszenia do procesora pilnej konieczności obsługi urządzenia 80486DX4 Pentium Pentium Pro Pentium MMX Pentium II (Klamath) Pentium II (Deschutes) 1994 1993 1995 1997 1997 1998 75120 60200 166200 166233 233300 266450 2540 6066 6066 66 66 66100 3 13 2,53 2,53,5 3,54,5 3,55 8KB+8KB 8KB+8KB 8KB+8KB 256512KB 512KB (ext) 512KB (ext) 64(4)GB 64(4)GB 64(4) GB 1,6 mln 3,1 mln 22 mln 4,5 mln 7,5 mln 7,5 mln Dla starszych BIOS ów konieczne było ręczne konfigurowanie kart rozszerzeń, tak aby uniknąć konfliktów sprzętowych. Celeron (Covington) (PII) Celeron (Mendocino) (PII) 1998 1998 266300 300533 66 66 44,5 4,58 128KB 64(4) GB 64(4) GB 7,5 mln 19.2 mln 3
Mikroprocesory x86 firmy Intel 2/2 Typ Pentium III (Katmai) Pentium III (Coppermine) Celeron II (Coppermine) Pentium III (Tualatin) Celeron II (Tualatin) Pentium M (Banias) (PIII) Celereon M (Banias) Pentium M (Dothan) (PIII) Pentium M (Yonah) (Dual) Oznaczenie Rdzeń Willamette Taktowanie Taktow. Cache L2 Przestrz. Rok MnoŜnik Cache L1 Procesora Pamięci (wbudowany) adresowa 1999 450600 100133 46 512KB (ext) 6 1999 5001000 100133 47,5 256KB 6 2000 5331300 66100 813 128KB 6 2001 11331400 133 8,510,5 256512KB 6 2001 1G1,4G 100 1014 256KB 6 2003 1G1,7G 100 (400) 32K+ 32K 1MB 2003 1G2,2G 100 (400) 32K+ 32K 512KB 2004 1G2,2G 100 (400) 32K+ 32K 2MB 2006 2,13G 166 (667) 32K+ 32K 2MB Taktowanie FSB Cache Dodatkowe inf. 1.32.0 GHz 100 (400) L1:8KB+12KB L2:256KB P4A Northwood 1.63.0 GHz 100 (400) L1:8KB+12KB L2:512KB P4B Northwood 2.03.06 GHz 133 (533) L1:8KB+12KB L2:512KB Hyperthreading dla 3.06+ GHz P4C Northwood 2.43.4+ GHz 200 (800) L1:8KB+12KB L2:512KB Hyperthreading P4E/5x0 series Prescott 2.83.8 GHz 200 (800) L1:16KB+12 KiB L2:1 MB Hyperthreading, instrukcje SSE3 Liczba tranzystor. 9,5 mln 28,1 mln 28,1 mln 28,1 mln 77 mln Tendencje rozwojowe Zwiększanie szybkości taktowania procesora i pamięci Zwiększanie szerokości magistral danych i adresów Integracja jednostki arytmetyki zmiennoprzecinkowej Zwiększanie pamięci Cache zintegrowanej z procesorem (L1) oraz zewnętrznej (L2 i L3) Zaawansowane rozwiązania architektury: potokowość, superskalarność, wielowątkowość,... Wielordzeniowość Specjalizowane zestawy instrukcji: MMX, SSE, 3DNow,... P4A Prescott 2.42.93 GHz 133 (533) L1:16KB+12 KiB L2:1MB bez Hyperthreading, instrukcje SSE3 Extreme Edition Gallatin 3.23.4 GHz 200 (800) L1: 8KB+12 L2:512KB L3:2MB Hyperthreading, addition of ondie L3 cache P4F/5x1 series 6x0 series Extreme Edition Pentium D Prescott Prescott 2MB Prescott 2MB Smithfield 3.23.8 GHz 2.83.8 GHz 3.73 GHz 2.83.2 GHz 200 (800) 200 (800) 266 (1066) 200 (800) L1:16KB+12 KiB L2:1MB L1:16KB+12 KiB L2:2MB L1:16KB+12 KiB L2:2MB L1:16KB+12KB x2 L2:2MiB EM64T (64bitowe rozszerzenie) EM64T (64bitowe rozszerzenie) Dual Core Processor, EM64T Wprowadzanie tańszych odmian nowych procesorów (SX, Celeron, Duron,...) ZłoŜoność mikroprocesorów Gniazda procesora socket slot http://www.intel.com/technology/timeline.pdf Zapewnienie miejsca na duŝą liczbę końcówek Efektywne odprowadzenie ciepła poprzez radiator Pasywny układ chłodzenia: radiator + wentylator Radiator: podstawa (miedź, aluminium, ceramika) + oŝebrowanie Zaawansowane chłodzenie: wodne, elektryczne (płytka Peltier a), kriogeniczne. 4
Ewolucja gniazd procesora Socket 1 169końcówek Procesory 486 (napięcie zasilania 5V) oraz ich wariacje DX2, DX4, OverDrive Socket 2 238końcówek Modyfikacja Socket 1 dla tych samych typów procesorów Socket 3 237końcówek Ostatnie gniazdo dla 486, napięcie zasilania 5V oraz 3.3V Socket 4 273końcówki Gniazdo dla pierwszych procesorów Pentium 60/66 MHz, 5V Socket 5 320końcówek Gniazdo dla procesorów Pentium 75/133 MHz, 3.3V Socket 6 235końcówek Rozszerzenie Socket 3 dla 486, praktycznie nie uŝywany Socket 7 321końcówek Bardzo powszechne gniazdo dla Pentium MMX i ich klonów, podwójne zasilanie Socket 8 387końcówek Gniazdo dla PentiumPro, bardzo rzadkie Slot 1 242końcówki Dla Pentium II, III i Celeronów montowanych na płytce razem z pamięcią cache Slot 2 330końcówek Dla Pentium II, III i Xeon z większą ilością ilością zewnętrznej pamięci cache Ewolucja gniazd procesora Slot A 242końcówki Mechanicznie identyczny z Slot 1, ale inny elektrycznie, dla procesorów AMD Athlon Socket 370 370końcówek Gniazdo zastępujące Slot 1 dla nowych procesorów Pentium II, III i Celeron Socket 423 423końcówki Dla Pentium 4, ułatwia rozpraszanie ciepła i montaŝ wydajnych radiatorów Socket A 462końcówki Dla nowszych procesorów AMD Athlon, Athlon XP i Duron z większą pam. cache Socket 478 478końcówek Zmniejszona wersja gniazda dla nowszych Pentium 4 Socket 603 603końcówki Dla Pentium 4 Xeon w większą pamięcią cache i pracą w systemie wieloprocesorowym Socket 754 754końcówki Gniazdo dla nowych procesorów Athlon 64 Socket 940,939 939końcówek Socket 775 (LGA775, T) 775końcówki Ulepszone gniazdo dla procesorów Athlon 64, Opteron Gniazdo dla najnowszych procesorów Pentium 4 P4EE, Celeron (rdzeń Prescott i Smithfield), Core2 Magistrale płyty Bridge (fragment chipset u) układ koordynujący transfery pomiędzy procesorem a pamięcią oraz magistralami we/wy (ISA, PCI, USB) Pojedyncza magistrala systemowa dla procesorów starszych od Pentium II, taktowanie magistrali 66, 100MHz. Podwójna magistrala systemowa (back,frontside bus) dla nowszych procesorów, moŝliwość pracy jednoczesnej, zwiększona wydajność, taktowanie 100, 133, 266MHz... Magistrale we/wy Magistrale we/wy stanowią interfejs pomiędzy systemem komputerowym a urządzeniami zewnętrznymi na kartach rozszerzeń. O ile konstrukcja płyt, procesorów i pamięci zmienia się dość często, to interfejs we/wy zmienia się rzadko, umoŝliwiając stosowanie typowych kart rozszerzeń praktycznie we wszystkich komputerach PC ISA (Industry Standard Architecture 1982) najstarsza, taktowanie 4.77 i 8MHz, maks. przepustowość 8MB/s (za mało dla kart graficznych, twardych dysków i sieci) VL BUS (VESA Local Bus) magistrala lokalna, głównie dla kart graficznych i twardych dysków w systemach 386 i 486, taktowanie 33MHz, kłopoty z podłączeniem kilku kart PCI (Peripheral Component Interconnect 1993) uniwersalna i wydajna magistrala, taktowanie 33,66MHz, przepustowość 266MB/s, obsługa PnP, PCIExpress (PCIe, PCIE 2003) uniwersalna i wydajna magistrala szeregowa, taktowanie do 2.5 GHz, przepustowość 250MB/s (na linię) AGP (Accelerated Graphics Port ) wydajna magistrala lokalna dla kart graficznych kontroler, przepustowość nawet GB/s, taktowanie = 1x, 2x, 4x frontside bus, 5
Local Bus vs PCI Magistrala AGP Magistrala PCI jest niezaleŝna od magistrali systemowej w przeciwieństwie do magistral lokalnych. Sterownik magistrali PCI (PCIbridge) pozwala na obsługę do 5 kart System moŝe być wyposaŝony w kilka mostków (PCIbridge) Sterownik magistrali AGP znajduje się na magistrali systemowej, co pozwala na szybki transfer danych pomiędzy: kartą graficzną AGP i procesorem kartą graficzną AGP i pamięcią RAM Magistrala AGP pracuje z częstotliwością magistrali systemowej (frontside bus) Magistrala PCI Express Interfejsy pamięci dyskowych IDE (Integrated Drive Electronics) rozwiązanie sprzętowe transmisji danych z twardego dysku Kontrolery IDE są zintegrowane z napędem dysku (producenci mogą udoskonalać napęd razem ze sterownikiem) duŝa szybkość transferu architektura szeregowa połączenia typu pointtopoint moŝliwość wymiany kart podczas pracy (hot plug/swap) docelowo eliminacja innych magistral we/wy premiera 2003, komputery z PCI Express 2004 PCIe x1 (2004) x2 (2004) x4 (2004) x8 (2004) x16 v. 1.0 (2004) x16 v. 2.0 (2007) x16 v. 3.0 (20011) Szybkość 250 MB/s 500 MB/s 1000 MB/s 2000 MB/s 4 GB/s 8 GB/s 16 GB/s Protokół urządzeń IDE nazwany późnej ATA (AT Attachment) Urządzenia IDE z interfejsem ATA są przyłączone do magistral we/wy: ISA lub PCI Architektura IDE przewidywała obsługę tylko 2 dysków twardych o pojemności maksymalnej 528MB, transfer 3MB/s ograniczenia, które stały się wąskim gardłem pamięci masowych 6
Standard EIDE Enhanced IDE 4 urządzenia IDE: masterslave dwa kanały Zwiększenie szybkości Ultra ATA ATA 3 (1996) usługa SMART (SelfMonitoring Analysis and Reporting Technology) ATA 4 (1997, Ultra ATA) przepustowość do 33MB/s (ATA 33), korekta błędów CRC (Cyclical Redundancy Check), integracja protokołu ATAPI ATA 5 (1999) przepustowość 66MB/s (ATA 66), konieczność stosowania nowych 80przewodowych taśm ATA 6 (2000) przepustowość 100MB/s (ATA 100) (2001) przepustowość 133MB/s (ATA 133) szybszy transfer do 16MB/s (ATA2 1994) pojemność dysku max. 8. i (1998) 137GB obsługa róŝnych urządzeń (CDROM) rozszerzenie ATA o ATAPI obsługa bezpośredniego dostępu d pamięci (DMA) Serial ATA równoległy ATA szeregowy ATA niŝsze napięcia sygnałów (0.5V) węŝsze kable połączeniowe do 1m długości efektywna korekta błędów przepustowość: SATA Revision 1.x: 170MB/s, 1.5Gb/s (I generacja 2002) SATA Revision 2.x: 350MB/s, 3Gb/s SATA Revision 2.x: 700MB/s, 6Gb/s (2009) Interfejs SCSI Interfejs komunikacyjny urządzeń zewnętrznych opracowany dla wydajnych komputerów (1986). Do adaptera SCSI moŝna podłączyć 8 róŝnych urządzeń, a system moŝe posiadać kilka adapterów. Długie kable (do 12m) Zastosowania: serwery (często dyski RAID) DuŜa liczba rozwojowych wersji i odmian: FastSCSI, FastWideSCSI UltraSCSI Ultra2 SCSI Ultra3 SCSI Ultra4 SCSI Ultra 640 SCSI transfer 640MB/s 7
Porty szeregowe i równoległe Legacy ports Standardy niemal bez Ŝadnych zmian od ponad 20 lat!!! Port szeregowy: przepustowość do 115Kb/s (~12kB/s) wystarczające tylko dla najwolniejszych urządzeń: modem, mysz prosty protokół transmisji, znaczna długość kabla (kilka metrów) konieczność przydziału zasobów procesora (nr. przerwania) Port równoległy: przepustowość do ~60KB/s i tak nie wystarczająca dla większości urządzeń multimedialnych kłopoty z podłączeniem kilku urządzeń do jednego portu prosty dwukierunkowy protokół transmisji mała długość kabla (1.5 m) konieczność przydziału zasobów procesora (nr. przerwania) Interfejs USB Universal Serial Bus Uniwersalny standard komunikacyjny dla urządzeń we/wy z obsługą PnP i moŝliwością dołączania/odłączania urządzenia w czasie pracy systemu (hotplug) Obsługa do 127 urządzeń podłączonych szeregowo lub poprzez hub Interfejs USB zawiera napięcia zasilania +5V, które moŝe być wykorzystane do zasilania mniejszych urządzeń (0.5A) Przepustowość: USB 1.1 12Mbit/s (~1.5MB/s) USB 2.0 (HiSpeed) 480Mbit/s USB 3.0 (SuperSpeed) 4.8Gbit/s Zasięg do 5m Interfejs IEEE1394 FireWire Apple Interfejs ukierunkowany na obsługę urządzeń Video podobny w filozofii do USB Długość przewodów do 4.5m, większe odległości wymagają uŝycia repeater a Obsługa do 63 urządzeń podłączonych szeregowo Bardzo duŝa przepustowość 400Mbit/s (~50MB/s) DuŜa elastyczność konfiguracji 8