Elektronické počítače

1. Elektronické počítače • Základní desky počítačů, sběrnice, mikroprocesory, napájecí zdroje (EL42) • Ing. Stanislav Hanulík • ELEKTROTECHNIKA

2. Základní desky počítačů, sběrnice, mikroprocesory, napájecí zdroje

3. Základní deska počítače • Příklad základní desky - rozložení součástek a konektorů na základní desce (deska GIGABYTE GA-MA69VM-S2)

4. Základní deska počítače • Základní desky obsahují tyto části: • Patici, či konektor pro procesor • Čipovou sadu (sestávající z čipů North a South Bridge či z rozbočovačů) • Čip pro vstupy a výstupy (Super I /O) • ROM BIOS (Flash ROM) • Patice pro paměťové moduly DIMM / SIMM / RIMM (či jiné novější typy paměťových modulů) • Sběrnice s konektory (ISA / PCI / AGP/ PCI express, USB, SATA) • Konektory AMR (Audio Modem Riser) a konektor CNR (Communications and Networking Riser • Regulátor napětí pro procesor a baterie • Na některých deskách můžete také nalézt integrované videokarty, zvukové karty, síťové karty, řadiče SCSI atd.

5. Základní deska počítače • Příklad panelu se vstupními a výstupními konektory (deska GIGABYTE GA-MA69VM-S2). • Vysvětlivky k obrázku: 1 – mini DIN konektory pro připojení klávesnice a myši 2 – CANON konektor 25 pin paralelního portu 3 – CANON konektor 9 pin sériového portu (RS-232) 4 – CANON konektor 15 pin pro připojení VGA monitoru 5 – konektory typu USB 6 – konektor RJ45 pro připojení počítačové sítě standardu ETHERNET 7 – část panelu s konektory typu JACK pro zvuková zařízení (reproduktory – LINE OUT, mikrofon, LINE IN)

6. Základní deska počítače • Popis komponent na základní desce:

7. Čipová sada na základní desce • Čipová sada založená na čipech typu North / SouthBridge • NorthBridge – systémový řadič Jeho hlavním úkolem je propojení rychlejší procesorové sběrnice (např. 200/133/100/66 MHz) s pomalejšími sběrnicemi pro grafiku (např. AGP 66 MHz) a pro další součásti systému (PCI 33 MHz). Frekvence, kterou je taktována sběrnice mezi procesorem a severním mostem je označena FSB (Front Side Bus). Čip NorthBridge bývá také někdy označován jako PAC (PCI / AGP Controller). • SouthBridge – řadič vstupů a výstupů Úkolem je např. spojení sběrnice PCI (33 MHz) s ještě pomalejší sběrnicí ISA (8 MHz). Čip SouthBridge je pomalejší součástí čipové sady. Pokud má základní deska integrovanou zvukovou či síťovou kartu, najdeme ji nejčastěji přímo v jižním mostu (tyto mohou být připojeny i jako přídavné moduly). Dále vytváří rozhraní pro USB, Paralel ATA či Seriál ATA.

8. Čipová sada na základní desce • Blokové schéma staršího typu základní desky

9. Čipová sada na základní desce • Blokové schéma současného typu základní desky (GIGABYTE GA-MA69VM-S2)

10. Sběrnice na základních deskách • Sběrnice pojmem sběrnice se označuje jakákoliv skupina vodičů, po které jsou data v systému přenášena z jedné součásti desky do druhé. Sběrnice v PC jsou uspořádaný hierarchicky podle přenosových rychlostí. Každé zařízení v PC musí být k některé sběrnici připojeno, sběrnice jsou pak propojeny přes mosty (NorthBridge / SouthBridge ), které obsahují řadiče těchto zařízení a vyrovnávají rychlosti různých sběrnic a jejich šířky. • Parametry sběrnic: • Šířka sběrnice – počet bitů současně po sběrnici přenášených (bit) • Frekvence – maximální taktovací frekvence sběrnice (Hz) • Rychlost sběrnice – počet bytů přenášených za sekundu (B/s)

11. Sběrnice připojené k NorthBridge • Procesorová sběrnice: • Tato 64 bitová sběrnice slouží k přenášení dat mezi procesorem a čipovou sadou základní desky, přesněji mezi procesorem a obvodem NorthBridge (či rozbočovačem řadiče paměti čipové sady základní desky). Sběrnice pracuje na plné rychlosti základní desky. U starších základních desek se používala procesorová sběrnice FSB (Front Side Bus), která byla postupně nahrazena novou, vysokorychlostní procesorovou sběrnicí QPI (Intel procesory) nebo HyperTransport (AMD procesory). Samotná sběrnice je tvořena elektrickými vodiči a obvody pro data, adresy (adresová sběrnice) a řízení. • Paměťová sběrnice: • Tato sběrnice se využívá pro přenosy dat mezi procesorem a systémovou pamětí RAM. Sběrnice je připojena k obvodu čipové sady a její rychlost závisí na typu paměťových modulů, které je čipová sada schopna podporovat. Propojuje řadič operační paměti (v současnosti vícekanálový) s DIMM moduly operační paměti. Paměťová sběrnice má vždy stejnou šířku jako procesorová sběrnice. Tím je také definována velikost tzv. banky paměti.

12. Sběrnice připojené k NorthBridge • Sériová sběrnice PCI Express: Sériová sběrnice PCI Express je typu point-to-point a data se přenáší po paketech. Jedná se o obousměrnou sériovou sběrnici spojující vždy pouze dvě zařízení, čímž se zvyšuje propustnost sběrnice i samotného systému. PCI Express používá pro přenos adres, dat i prakticky všech řídicích signálů dva páry vodičů. Každý pár vodičů přitom provádí přenos v jednom směru s rychlostí 2,525 Gb/s (u verze 2 je to dvojnásobek). Všechny čtyři vodiče tvoří dva páry a tyto se nazývají lane (pruh, dráha). • Paralelní grafická sběrnice AGP(Accelerated Graphics Port) Principiálně vychází AGPze sběrnice PCI, avšak je rozšířena o několik doplňků a je fyzicky i elektricky nezávislá na PCI. Důvodem návrhu speciální grafické sběrnice, nebylo jen zvýšení výkonu v oblasti grafiky; velmi významným důvodem byla snaha o umožnění přímého přístupu grafické karty k systémové paměti. Původní verze specifikace obsahovala definici sběrnice AGPpracující na rychlosti 66 MHz a umožňující jeden či dva přenosy dat během jednoho cyklu (označení 1x nebo 2x). Napětí sběrnice bylo 3,3 V. V roce 1998 byla publikována verze 2.0, definující možnost až čtyř přenosů dat během jednoho cyklu. Současně bylo napětí sníženo na 1,5 V.

13. Sběrnice připojené k NorthBridge • Sériová sběrnice PCI Express: Sériová sběrnice PCI Express je typu point-to-point a data se přenáší po paketech. Jedná se o obousměrnou sériovou sběrnici spojující vždy pouze dvě zařízení, čímž se zvyšuje propustnost sběrnice i samotného systému. PCI Express používá pro přenos adres, dat i prakticky všech řídicích signálů dva páry vodičů. Každý pár vodičů přitom provádí přenos v jednom směru s rychlostí 2,525 Gb/s (u verze 2 je to dvojnásobek) což je 250 MB v o. Všechny čtyři vodiče tvoří dva páry a tyto se nazývají lane (pruh, dráha). U karet, které vyžadují větší datové toky (například se jedná o grafické akcelerátory), je možné použít několika drah současně zavedených do jednoho konektoru. Délka konektoru a počet jeho pinů se samozřejmě zvětšuje.

14. Sběrnice připojené k NorthBridge • Paralelní grafická sběrnice AGP(Accelerated Graphics Port) Principiálně vychází AGPze sběrnice PCI, avšak je rozšířena o několik doplňků a je fyzicky i elektricky nezávislá na PCI. Důvodem návrhu speciální grafické sběrnice, nebylo jen zvýšení výkonu v oblasti grafiky; velmi významným důvodem byla snaha o umožnění přímého přístupu grafické karty k systémové paměti. Původní verze specifikace obsahovala definici sběrnice AGPpracující na rychlosti 66 MHz a umožňující jeden či dva přenosy dat během jednoho cyklu (označení 1x nebo 2x). Napětí sběrnice bylo 3,3 V. V roce 1998 byla publikována verze 2.0, definující možnost až čtyř přenosů dat během jednoho cyklu. Současně bylo napětí sníženo na 1,5 V.

15. Sběrnice připojené k Southbridge • Sériová sběrnice USB (Universal Serial Bus) Verze USB 1.1 – přenosová rychlost 12 Mb/s (1,5 MB/s), čtyřvodičový kabel (D+, D-, GND, +5 V), stromová architektura – až 127 zařízení, na základní desce kořenový rozbočovač, data přenášená po sběrnici USB jsou kódována metodou NRZI (Non Return ZeroInvert).Napájení zařízení -100mA (500 mA). Technologie Plug and Play. Verze USB 2.0 – přenosová rychlost 480 Mb/s (60 MB/s). Zpětně kompatibilní s verzí 1.1 Verze USB 3.0 – přenosová rychlost 5Gb/s, zpětně kompatibilní s verzí 2.0, místo 4 vodičů jich má 9.

16. Sběrnice připojené k Southbridge • Paralelní sběrnice PCI (PeripheralComponentInterconnect) Sběrnice PCI poněkud mění koncepci původních PC, neboť mezi procesor a samotnou vstupně/výstupní sběrnici zavádí další sběrnici, a to pomocí mostů. Tyto mosty jsou zároveň řadiči nové sběrnice a jejich hlavním cílem je vyhnout se značným problémům s časováním, se kterými se setkala sběrnice VL-Bus v důsledku svého přímého napojení na procesorovou sběrnici. Sběrnice PCI ke zvýšení své rychlosti využívá systémovou sběrnici. Počítače se sběrnicí PCI začaly být dostupné v roce 1993. Rychlost sběrnice PCI je 33 MHz. Je-li sběrnice PCI využita v počítači s 32bitovým procesorem, je výsledná přenosová rychlost 132 MB/s (33 MHz x 32 bit / 8). Pokud se však tato sběrnice použije v 64bitovém systému, její přenosová rychlost vzroste na dvojnásobek, tj. 264 MB/s. Ke sběrnici jsou připojeny rozšiřující PCI sloty, které jsou určeny pro různé počítačové karty – např. zvuková, síťová, grafická, SCSI atd.

17. Sběrnice připojené k Southbridge • Sériová sběrnice ATA (Serial ATA) Data přenáší (na rozdíl od starší technologie PATA) sériově přenosovou rychlostí 150 MB/s (díky mnohem vyšším pracovním frekvencím – 1500 MHz). Další verze Serial ATA, běžně označovaná jako SATA II má dvojnásobnou maximální propustnost, a to 3 Gb/s. Jelikož se zde (na rozdíl od Paralel ATA) používá jiné kódování přenosu a to 10bitové, proto můžeme přenosové rychlosti vyjádřit jako 150 MB/s (1,5 Gb/s) či 300 MB/s (3 Gb/s). Serial ATA potřebuje k připojení jediného zařízení jeden vodič o sedmi pinech. Tři z nich jsou vyhrazeny pro napájení a čtyři jsou určeny pro sériový datový přenos. Jeden kabel Serial ATA je vyhrazen jen pro jedno zařízení.

18. Sběrnice připojené k obvodu SUPER I/O • Obvod SUPER I/O Tento čip obvykle integruje funkci zařízení, která dříve bývala součástí několika různých rozšiřujících karet (a zařízení, na kterých byl vývoj již zastaven a které v počítačích udržujeme kvůli zpětné kompatibilitě) Tento čip bývá připojen na základní desce k obvodu SouthBridge. Čip Super I/O má přinejmenším tyto funkce: • Řadiče disketové mechaniky • Řadiče dvou sériových portů a řadič paralelního portu • Řadiče klávesnice a elektronické myši

19. Sběrnice připojené k obvodu SUPER I/O • Sériová sběrnice portu COM (typ RS-232C) • Paralelní sběrnice portu LPT (Line PrinterTerminal) • Sériová sběrnice portů pro připojení klávesnice a myši • Paralelní sběrnice pro připojení disketové mechaniky

20. Mikroprocesory • Popis mikroprocesoru Zpracovává instrukce od programů, kterými je řízen a tak vlastně plní zadané úkoly. Některé instrukce zpracovává sám, při provádění jiných spolupracuje s ostatními částmi počítače (operační paměť, disky, sběrnice, monitor, tiskárna atd.). Jeho kvalita podstatně ovlivňuje rychlost a výkonnost počítače. Dnes existují dvě koncepce mikroprocesorů: CISC a RISC (CISC - CompleteInstruction Set Computer - mikroprocesor má co nejúplnější instrukční sadu. RISC - ReducedInstruction Set Computer - redukovaná instrukční sada). Převod těchto instrukcí (používá programátor) na mikroinstrukce (těm rozumí mikroprocesor) obstarává program napsaný v mikroinstrukcích.

21. Mikroprocesory • Důležité části mikroprocesoru: • Aritmeticko-logická jednotka: procesory obsahují jednu nebo více aritmeticko-logických (ALU), které provádí nad daty aritmetické a logické operace. • Matematický koprocesor: procesory obsahují jeden (nebo více) matematických koprocesorů (FPU - Floating Point Unit), které provádějí operace v plovoucí řádové čárce. • Řadič: Řídicí jednotka, která zajišťuje řízení součinnosti jednotlivých částí procesoru dle prováděných strojových instrukcí (dekódování, načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí).

22. Mikroprocesory • Důležité části mikroprocesoru: • Registry: každý mikroprocesor pracuje s daty a programovými instrukcemi uloženými v op. paměti - tedy mimo mikroprocesor. Momentálně zpracovávaná data i instrukce si musí ukládat do svých vnitřních pamětí – registrů. Mikroprocesor disponuje určitým počtem registrů, jejichž velikost, počet a přesné použití se u jednotlivých typů liší. Máme registry pro uchování operandů a mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do operační paměti připojené k procesoru pomocí sběrnice. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální) a řídící (např. čítač instrukcí, stavové registry, registr vrcholu zásobníku, indexregistry). Bitová šířka pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru. • Jednotka správy paměti: Paměť spravuje mikroprocesor pomocí jednotek správy paměti, které v paměti překládají adresy tak, aby to bylo výhodné pro operační systém.

23. Mikroprocesory • Důležité části mikroprocesoru: Paměť CACHE • S tímto typem paměti se u PC setkáváme velice často. Je to vlastně jakýsi mezisklad dat, který je určen pro spolupráci mezi různě rychlými komponentami počítače. Jeho účelem je vzájemné přizpůsobení rychlostí. Rychlejší komponenta čte data z cache (paměti cache patří mezi velmi rychlé – používají se tzv. statické paměti, tvořené bistabilními klopnými obvody) a nemusí čekat na komponentu pomalejší (z které si paměť cache data již dopředu načetla). U novějších mikroprocesorů jsou integrovány přímo na čip malé paměti cache, označované jako L1 - FirstLevelCache. Slouží k zásobování jednotek mikroprocesoru daty ze sběrnice. Funguje to tak, že cache načte ze sběrnice více dat, která pak v tomto meziskladu čekají. Jakmile je mikroprocesor potřebuje, tak si je z cache načte. A protože cache pracuje rychleji než sběrnice, nemusí mikroprocesor čekat, jak by tomu bylo při odebírání dat přímo ze sběrnice. • Pro zrychlení přesunů dat mezi mikroprocesorem a operační pamětí se instaluje v mikroprocesoru další cache paměť (s větší kapacitou než L1) a označuje se jako L2 (druhé úrovně).

24. Napájecí zdroje • Popis napájecích zdrojů: Zdroj napájení je jednou z důležitých částí PC. Je třeba se zabývat důležitějšími parametry zdroje, jakými jsou stabilita výstupního napětí či schopnost odfiltrovat různá přepětí apod. • Základní funkcí zdroje je převod vstupního napětí a proudu na ty hodnoty, které mohou být využity k napájení počítačových obvodů. Zdroj napájení běžného stolního počítače je navržen tak, aby převáděl střídavý proud o napětí 230 V a frekvenci 50 Hz na stejnosměrná napětí +3,3 V, +5 V a +12 V. • Napětí +3,3 a +5 V jsou obvykle využívána pro napájení samotných obvodů a adaptérů, zatímco napětí +12 V se využívá pro napájení různých pohonů a motorů. Jedním ze základních předpokladů úspěšného chodu počítače je stabilita výstupních napětí zdroje napájení. Zdroje napájení používané u počítačů jsou spínané.

25. Napájecí zdroje Popis zdroje ATX • Zdroj ATX řeší několik problémů, které se občas vyskytovaly v souvislosti s používáním předcházejících typu zdrojů. Hlavním problémem bylo to, že starší typy zdrojů měly dva téměř identické konektory pro napájení základní desky. Pokud se tyto konektory zapojily špatně, mohlo dojít až ke spálení obvodů na desce. Konektor pro napájení základní desky je u zdrojů ATX zcela nový. Namísto dvou konektorů je na konci vývodů od zdroje pouze jeden, mající 20 vývodů a klíčování. Později se začalo používat konektoru s 24 vývody. Na vývodech tohoto konektoru také naleznete napětí +3,3 V, která byla v té době nová. V důsledku zavedení tohoto napájecího napětí bylo možné upustit od používání regulátorů napětí. Kromě nového napětí byly pro zdroje ATX definovány také dva nové signály. Jedním z nich je signál PS_ON (Power_0n), druhým je 5V_Standby (5VSB). Oba tyto signály bývají označovány souhrnným pojmem Soft Power.

26. Napájecí zdroje • Parametry napájecích zdrojů: • Střední doba do poruchy • Vstupní rozsah • Špičkový nárazový proud • Časová prodleva po výpadku • Doba potřebná pro stabilizaci výstupu • Přepěťová ochrana • Maximální výstupní proud • Minimální výstupní proud • Regulace výstupního napětí • Regulace vstupu • Účinnost

27. Seznam použitých zdrojů • MUELER, Scott. Osobní počítač. 1. Vydání. Praha: Computer Press, 2001. 869 s. ISBN 80-7226-470-2.