Sprzęt komputerowy 2 Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer
Budowa komputera Magistrala Procesor Pamięć Układy I/O 2
Procesor to CPU (Central Processing Unit) centralny układ elektroniczny realizujący przetwarzanie informacji Zmiana stanu tranzystorów wewnątrz procesora odbywa się w rytm taktów zegara Zegar systemowy wytwarza przebiegi czasowe, taktujące pracę całego systemu wolniejsze składniki korzystają z zegara systemowego poprzez odpowiedni dzielnik częstotliwości układ procesora powiela częstotliwość systemową (mnożnik częstotliwości) 3
Procesory Parametry określające wydajność procesora: wewnętrzna częstotliwość taktowania - liczba cykli realizowanych przez procesor w ciągu sekundy wielkość magistrali danych - liczba przesyłanych jednocześnie bitów (8, 16, 32, 64 b) zewnętrzna częstotliwość taktowania - szybkość z jaką procesor uzyskuje dostęp do danych wielkość pamięci Cache architektura - wewnętrzna konstrukcja oraz lista rozkazów procesora 4
Rozkaz [ instrukcja maszynowa ] to najprostsza operacja, której wykonania programista może zażądać od procesora Lista rozkazów procesora rozkazy przesłań rozkazy arytmetyczno-logiczne rozkazy sterujące inne, charakterystyczne dla danego procesora Lista rozkazów jest niezbędna dla programistów (korzystanie z procesora np. z poziomu asemblera) oraz twórców kompilatorów, debuggerów i innych narzędzi operujących na poziomie kodu maszynowego. 5
Rozkazy są przechowywane w postaci kodów binarnych. Kod rozkazu musi zawierać informacje niezbędne do jego poprawnej realizacji przykładowy format rozkazu kod operacji część adresowa numer polecenia na liście rozkazów procesora adres argumentu wykonywanej operacji, np. adres komórki pamięci, w której jest argument są rozkazy, w których nie ma części adresowej 6
Etapy wykonywania rozkazu (cykle) 7
Architektura procesora 8
Blok wstępnego pobierania i dekodowania instrukcji odpowiada za dostarczenie kolejnych poleceń z pamięci operacyjnej i przekazanie ich do odpowiedniej jednostki wykonawczej Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) przetwarza wszelkie dane stałoprzecinkowe. Jest wyposażona jest w niewielką zintegrowaną pamięć, nazywaną zestawem rejestrów. Każdy rejestr to pojedyncza komórka używana do chwilowego przechowywania danych i wyników Koprocesor (FPU) pozwala na wykonywanie wszelkich operacji zmiennoprzecinkowych Moduł wyjściowy - przekierowuje nadchodzące informacje np. do odpowiedniego adresu w pamięci operacyjnej lub urządzenia wejścia/wyjścia. 9
w chipie procesora maksymalna szybkość z jaką procesor może być taktowany ilość bitów, które może równocześnie przetwarzać jednostka ALU procesora rok, w którym dany procesor został wprowadzony na rynek po raz pierwszy szerokość pojedynczej ścieżki 10
Gordon Moore jeden z założycieli firmy Itnel Prawo Moore a 1965 r. Moc obliczeniowa komputerów podwaja się co 2 lata
Przyspieszanie działania procesora podkręcanie procesora zwiększanie częstotliwości zegara systemowego zwiększanie mnożnika częstotliwości wewnątrz procesora zwiększenie liczby jednostek wykonawczych (superskalarność) wielowątkowość - wykonywanie wielu wątków (zadań działających na tym samym obszarze pamięci) na pojedynczym procesorze (zaimplementowana przez Intela w 2002 r. procesory Xeon i P4 HT z Hiperwatkowością ) wielolordzeniowość realizacja kilku zadań na mnogich jednostkach obliczeniowych (Pentium Dual Core, AMD X2 i nowsze) 12
układ Dual-Core rdzeń CPU i pamięć podręczna L1 rdzeń CPU i pamięć podręczna L1 magistrala danych i pamięć podręczna L2 13
Procesory firmy INTEL (INTEgrated electronics) Celeron < Pentium < Core i3 < Core i5 < Core i7 najwolniejszy najszybszy Celeron Pentium Core i3 6. generacja Core i5 6. generacja Core i7 6. generacja liczba rdzeni /wątków 2/2 lub 4/4 2 / 4 4 / 4 4 / 8 taktowanie 2,2 2,9 GHz Pentium do 3,6 GHz 3,2 3,9 GHz 2,8 3,9 GHz 3,6 4,2 GHz pamięć podręczna 2 3 MB 3 4 MB 6 MB 8 MB
Intel Celeron, Intel Pentium Dla osób potrzebujących komputera: do prac biurowych do mniej wymagających narzędzi profesjonalnych można grać w większość gier (często w niższych ustawieniach szczegółowości obrazu) + bardzo niski pobór energii Intel Core i3 Dla osób potrzebujących komputera: do zadań domowych do pracy można grać w większość gier (często w wysokich lub najwyższych ustawieniach graficznych) 15
Intel Core i5 Dla użytkowników : narzędzi dobrze wykorzystujących wielordzeniowość graczy można grać w każdą grę w najwyższych ustawieniach graficznych Intel Core i7 Dla użytkowników: profesjonalistów miłośników najwyższej wydajności w każdym zastosowaniu graczy w grach są nieco szybsze od Core i5 16
Procesory firmy INTEL Intel Core i7 extreme edition Technologia produkcji: 14 nm Pamięć cache: do 25 MB, Częstotliwość: do 3,5 GHz 10 rdzeni 20 wątków przetwarzania i7-6950x, luty 2016, cena >1700 $ 17
Procesory firmy INTEL Procesory do laptopów Celeron (14 nm, 1,1 2 GHz, 2 MB cache, 2 (4)rdzenie, 2 (4) wątki) Core i3 (6th generation) (14 nm, 2,0 2,7 GHz, 3 MB cache, 2 rdzenie, 4 wątki) Core i5 (6th generation) (14 nm, 2,8 3,5 GHz, 4 6 MB cache, 2 4 rdzenie, 4 wątki) Core i7 (6th generation) (14 nm, 3,1 4,2 GHz, 4 8 MB cache, 2 4 rdzenie, 4 8 wątków) Atom do Smartfonu i Tabletu (14 28 nm, do 2,56 GHz, 1 2 MB cache, 4 rdzenie, 4 wątki) Pojawiły się już pierwsze procesory Core i# 7. generacji 18
Procesory firmy INTEL Procesory do serwerów Xeon z rodziny E7 v4 Xeon z rodziny E5 v4 Technologia produkcji: 14 nm Pamięć cache 25 do 60 MB Częstotliwość: do 3,2 GHz 4 do 24 rdzeni 8 do 48 wątków przetwarzania Technologia produkcji: 14 nm Pamięć cache 10 do 55 MB Częstotliwość: do 3,7 GHz 4 do 22 rdzenie 8 do 44 wątków przetwarzania
Procesory firmy INTEL Procesory do serwerów Xeon z rodziny E3 v5 Itanium processor Technologia produkcji: 14 nm Pamięć cache 8 MB Częstotliwość: do 3,7 GHz 4 rdzeni 4 lub 8 wątków przetwarzania Technologia produkcji: 32 nm Pamięć cache 20 do 32 MB Częstotliwość: do 2,53 GHz 4 do 8 rdzenie 8 do 16 wątków przetwarzania
Procesory firmy AMD (Advanced Micro Devices) AMD Athlon X4 Pamięć cache L2: 4 MB Częstotliwość do 3,7 4,2 GHz 4 rdzenie AMD Athlon APU Pamięć cache L2: 2 MB Częstotliwość do 1,6 2,2 GHz 4 rdzenie CPU 21
Procesory firmy AMD (Advanced Micro Devices) AMD A-Series APUs A10 Pamięć cache L2: 4 MB 12 rdzeni (4 CPU + 8 GPU) 10 rdzeni (4 CPU + 6 GPU) Częstotliwość zegara CPU do 4,1 GHz Częstotliwość zegara GPU do 866 MHz A8 Pamięć cache L2: 4 MB 10 rdzeni (4 CPU + 6 GPU) Częstotliwość zegara CPU do 3,6 GHz Częstotliwość zegara GPU do 757 MHz 22
Procesory firmy AMD (Advanced Micro Devices) AMD A-Series APUs A6 Pamięć cache L2: 1 MB 6 rdzeni (2 CPU + 4 GPU) Częstotliwość zegara CPU do 3,7 GHz Częstotliwość zegara GPU do 800 MHz A4 Pamięć cache L2: 1 MB 5 rdzeni (2 CPU + 3 GPU) Częstotliwość zegara CPU do 3,4 GHz Częstotliwość zegara GPU do 514 MHz 23
AMD FX 8-Core Procesory firmy AMD Pamięć cache L2: 8 MB Pamięć cache L3: 8 MB Częstotliwość do 4,7 GHz 6 lub 8 rdzeni 24
Procesory firmy AMD AMD Sempron APUs Pamięć cache L2: 1 2 MB Częstotliwość do 1,45 GHz 2 lub 4 rdzenie CPU 25
Ranking top 10 processors X.2016 r. 1. Intel Core i7-6950x, cena ok. 8000 zł 2. Intel Core i7-6900k, cena ok. 5100 zł 3. Intel Core i7 6800K, cena ok. 2100 zł 4. Intel Core i7-6700k, cena ok. 1600 zł 5. Intel Core i5-6600k, cena ok. 1100 zł 6. Intel Core i5 5675C 7. Intel Core i3-6100, cena ok. 540 zł 8. AMD A10-7890K, cena ok. 690zł 9. AMD A8-7670K 10. Intel Pentium G4400, cena ok. 250 zł http://www.benchmark.pl 26
monitor zapewnia natychmiastową wizualizację wyników pracy komputera Monitor LCD (Liquid Cristal Diplay) inaczej panel ciekłokrystaliczny 27
własności oka ludzkiego decydujące o możliwości wyświetlania obrazów przez monitory: ograniczona zdolność rozdzielcza oka oko jest w stanie odróżnić szczegóły obrazu tylko z bliska, z daleka plamki obrazu zlewają się jeśli sąsiednie plamki obrazu mają różne kolory, to do oka dociera kolor wypadkowy zdolność rozróżniania barw każdy kolor można otrzymać poprzez odpowiednie zmieszanie barw podstawowych RGB Red + Green + Blue czerwony + zielony + niebieski 28
Ciekłe kryształy (LC) - faza pośrednia między fazą ciekłą i krystaliczną Posiadają one zdolność do płynięcia, charakterystyczną dla cieczy dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek, podobnie jak w kryształach pewne ciekłe kryształy powodują skręcenie płaszczyzny polaryzacji przepuszczonego przez nie światła przy czym kąt o jaki ulega skręceniu ta płaszczyzna możemy regulować za pomocą zmian napięcia przyłożonego do ciekłego kryształu 29
Monitory LCD Filtr polaryzacyjny Ekran jest podświetlany od tyłu przy użyciu np. diod LED promień światła, przechodząc przez specjalny filtr polaryzacyjny ulega polaryzacji w ściśle określonym kierunku Spolaryzowane światło, trafiając następnie na drugi filtr, jest albo Filtr Filtr polaryzacyjny polaryzacyjny wytłumiane (gdy osie polaryzacji obu filtrów są skrzyżowane), albo przechodzi przez niego bez przeszkód (gdy osie polaryzacji obu filtrów są do siebie równolegle). 30
Monitory LCD Między filtrami polaryzacyjnymi znajduje się substancja ciekłokrystaliczna, która może skręcić początkową płaszczyznę polaryzacji światła zanim dotrze ono do drugiego filtra lub pozostawić ją bez zmian Zależy to od orientacji cząsteczek LC leżących na drodze światła. Orientacja ta wynika z przyłożonego napięcia. Zmieniając napięcie zmieniamy ilość światła, które może przedostać się przez dany punkt. 31
Monitory LCD Substancję ciekłokrystaliczną umieszcza się w kilku milionach pojedynczych, niezależnych komórek, tworzących łącznie matrycę pikseli np. o rozmiarach 1920 1080. te liczby określają ROZDZIELCZOŚĆ monitora czyli liczbę pikseli jakie zawiera on w poziomie i pionie Każdy piksel składa się z trzech subpikseli i każdy z nich posiada filtr odpowiedniego koloru (R, G lub B). Te triady RGB są sterowane przez napięcie tranzystora. Z ich pomocą można uzyskać dowolny kolor piksela.
Monitory LCD wybrane parametry Rodzaj matrycy (TN, TN+, MVA lub PVA, IPS) Wielkość ekranu - długość przekątnej ekranu wyrażona w calach, np. 19 itd. Rozdzielczość ekranu - ilość pikseli wyświetlanych na ekranie monitora w poziomie i pionie Czas reakcji piksela - czas jaki upływa od wygaszenia piksela do jego ponownego zapalenia. Decyduje o tym z jaką szybkością ekran monitora reaguje na zmiany obrazu i jest on liczony w milisekundach (ms) Kąt widzenia - określa, pod jakim kątem widzenia obraz nie zmienia swoich właściwości (brak zmiany kolorów i zanikania obrazu). Obecnie standardem jest wartość 160 stopni. Współczynnik kontrastu - (decyduje o ostrości obrazu ), określa różnicę pomiędzy jasnością bieli a ciemnością czerni. Modele ze średniej półki charakteryzują się kontrastem od 700:1 w górę 33
Monitory LCD Matryce VA zapewniają bardzo dobre odwzorowanie barw, szerokie kąty widzenia i wysoki kontrast. Wadą jest długi czas reakcji, więc nie jest to najlepsze rozwiązanie do gier. Matryce IPS mają skrócony czas reakcji, dzięki czemu lepiej wyświetlają ruchomą grafikę. Dzieje się to jednak kosztem kontrastu. Matryce TN są najszybsze, więc najlepiej nadają się do gier. Poza tym są tanie. Wadą jest ograniczona paleta barw, małe kąty widzenia, szczególnie z góry i z dołu, a także niewielki kontrast. popularne marki monitorów Samsung, LG, NEC, Benq, Eizo, Dell 34
karty graficzne to układy elektroniczne, które przetwarzają informacje zapisane w pamięci wideo na sygnały wizyjne przesyłane do monitora 35
Karty graficzne zawierają Procesor graficzny (GPU) - generuje obraz w pamięci obrazu Pamięć obrazu - przechowuje informacje o obrazie, który ma być wyświetlony na ekranie monitora minimalna pojemność pamięci = rozdzielczość pozioma rozdzielczość pionowa liczba bitów określająca piksel / 8 4 bity to 2 4 = 16 kolorów 8 bitów to 2 8 = 256 kolorów 16 bitów to 2 16 = 65,536 kolorów (high color) 24 bity to 2 24 = 16,777,216 kolorów (true color) jeśli kolor + jasność piksela określają 32 bity 1920 1080 32 / 8 = 8,294,400 B ~8 MB 36
Połączenia: Interfejs do podłączenia z płytą główną umożliwia wymianę danych i sterowanie kartą graficzną zazwyczaj PCI, AGP, PCI-Express Interfejs do podłączenia z monitorem (obecnie DVI Digital Visual Interface, HDMI High Definition Multimedia Interface, DisplayPort) 37
Wtyczka DVI -D standard złącza pomiędzy kartą graficzną a monitorem komputera DVI-I przesyła zarówno dane analogowe jak i cyfrowe DVI-D przesyła tylko dane cyfrowe Wtyczka HDMI HDMI to interfejs służący do przesyłania cyfrowego nieskompresowanego sygnału audio i wideo HDMI pozwala łączyć ze sobą urządzenia audio/wideo takie jak odtwarzacze DVD, Blu-ray, konsole gier, komputery, monitory i telewizory cyfrowe 38
DisplayPort to uniwersalny interfejs cyfrowy (zatwierdzony w maju 2006) którego głównym celem jest połączenie komputer-monitor lub komputer-system kina domowego (w tym projektory, wielkoformatowe wyświetlacze, telewizory itp.) 39
Karta graficzna cena ~3500 zł MSI GeForce GTX 1080 Gaming X 8G Ranking kart graficznych: http://www.benchmark.pl top-10 karty graficzne
Karta graficzna cena ~230 zł Gigabyte GeForce GT 730 41
Karta GPGPU Tesla K20 firmy Nvidia cena > 15 000 zł General-Purpose computing on Graphics Processor Units to technika, dzięki której GPU (zwykle zajmujący się tylko obliczeniami związanymi z grafiką komputerową) umożliwia wykonywanie obliczeń ogólnego przeznaczenia, tak jak CPU. Dzięki temu wiele obliczeń można przeprowadzić znacznie szybciej. 42
Terminy graficzne - dodatek grafika rastrowa (grafika bitmapowa) Obraz jest reprezentowany przez zbiór punktów o indywidualnie określonych cechach (kolor, natężenie) grafika wektorowa Poszczególne elementy obrazu są reprezentowane przez wyrażenia matematyczne opisujące położenie punktów tworzących te elementy 43
Cechy grafiki rastrowej można uzyskać bardzo realistyczną kolorystykę poprzez indywidualne określanie barwy każdego elementu na elementach składowych obrazu nie można przeprowadzać transformacji geometrycznych wielkość plików szybko rośnie wraz z liczbą pikseli obrazu gdzie stosujemy grafikę rastrową grafika fotorealistyczna ( tworzenie obrazów o skomplikowanych kolorach, przejściach tonalnych, cieniach, gradacjach barw, itp. ) składanie ilustracji obróbka zdjęć, np. retuszowanie zniszczonych fotografii tworzenie grafiki ekranowej dla aplikacji multimedialnych przygotowanie statycznych efektów specjalnych w filmie kreowanie prostych animacji GIF 44
grafika rastrowa grafika bitmapowa przedstawiona w powiększeniu ujawnia raster 45
Cechy grafiki wektorowej jest zorientowana obiektowo można przeprowadzać płynne transformacje zarówno całego obrazu jak i elementów obrazu bez utraty jakości prezentacji wielkość plików mało zależy od rozdzielczości obrazu, zależy zaś od ilości i złożoności opisu jego elementów składowych gdzie stosujemy grafikę wektorową rysunek techniczny projektowanie wspomagane komputerowo CAD niektóre animacje internetowe w programach rysujących wykresy 46
Powiększenie 7-krotne grafika wektorowa grafika rastrowa 47
Drukowanie przestrzenne (3D printing) proces wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu. Początkowo była to jedynie jedna z metod szybkiego prototypowania używana zarówno do budowania form i samych prototypów. Wraz z postępami dokładności wykonania obiektów przez drukarki 3D, stała się to także metoda wykonywania gotowych obiektów, w tym zabawek, ubrań, czekoladek, a nawet protez. Model kostki Mengera wykonany za pomocą techniki drukowania przestrzennego 48