STRUCTURA PC

1. STRUCTURA PC Organizarea generala Placa de baza Procesorul Memoria cache Executia instructiunilor Interfatarea procesorului Tipuri de RAM Interfata grafica Subsistemul de I/E Bibliografie Michael Karbo –„ PC Architecture”

2. Organizarea generala PC-urile sunt realizate pe baza microprocesoarelor, care au evoluat din anii '70 pana astazi:

3. Un PC este alcatuit dintr-o unitate centrala si cateva dispozitive externe. Unitatea centrala este formata dintr-o carcasa (tower, minitower, desktop) continand electronica calculatorului (dispozitivele interne): Dispozitivele interne: -placa de baza (motherboard): CPU, RAM, ROM (BIOS si programele de startup), chipset (controllere), porturi, magistrale cu sloturi, interfete EIDE, USB, AGP, etc; -hard disk-uri, unitati optice (CD-ROM, DVD), unitati de floppy disk; -placi diferite: placa video, placa retea, controller SCSI, placa de sunet; Dispozitive externe: tastatura, mouse, monitor, boxe, camera video digitala, imprimanta, hard disk extern, etc. Dispozitivele externe sunt conectate la unitatea centrala prin cabluri sau wireless.

4. Placa de baza Placa de baza (motherboard) este componenta cea mai importanta, intregul calculator fiind construit in jurul sau.

5. Comunicatia pe placa de baza:

6. Comunicatia cu dispozitivele externe:

7. Alimentarea placii de baza:

8. Conectorul mai vechi AT:

9. Conectorul ATX12V 2.x de 24 pini sau 20 pini (omite pinii 11, 12, 23, 24):

10. Placa de baza contine de asemenea: -cipuri: ROM cu BIOS si alte programe, memoria CMOS cu date definite de utilizator pentru programul de setup, chipset (de obicei doua cipuri) continand diferite controllere;

11. -socket-uri: CPU, memori a RAM, diferite placi (PCI, AGP, AMR, etc.), hard disk, unitate CD-ROM, DVD;

12. -conectori pentru dispozitive externe: tastatura, mouse, monitor, USB, audio, etc.

13. -jumper-i utilizati pentru diferite configurari (tensiuni, selectie viteza,adaptare tip echipament); -pini pentru conectarea buton RESET, LED activitate hard disk, difuzor incorporat, etc.

14. Procesorul Procesorul sau CPU (Central Processing Unit) poate fi diferit. Anumite caracteristici sunt importante pentru amplasarea pe o placa de baza: -tip socket; -frecventa de lucru; -mod de operare; -viteza de transfer pe magistrala; -putere termica. Un exemplu: Intel Core i7 Extreme cu urmatoarele caracterisitici: -tip socket: 1366; -frecventa de lucru: 3.33 GHz; -mod de operare 32/64 biti; - viteza de transfer pe magistrala: 6.4 GT/sec (Giga Transferuri pe secunda); -putere termica: 130 W.

15. Pentru a identifica procesorul din sistem se poate utiliza din Windows: Control Panel  Performance and Maintenance  System:

16. Puterea termica a procesoarelor actuale este foarte mare, astfel fiind necesara racirea ("cooler"):

17. Schema bloc a unui PC:

18. Transferul de date se poate face pe mai multe magistrale de viteze si rate de transfer diferite. Magistralele pot fi conectate prin circuite controller speciale numte "bridge"-uri. Arhitectura cea mai raspandita de PC contine doua circuite in chipset numite "north bridge" si "south bridge" (inclusiv cele mai populare chipset-uri de la Intel si VIA), fiecare avand functii specifice. North bridge este un controller care controleaza fluxul de date intre CPU, RAM si portul AGP. AGP este de fapt un port de I/E, utilizat pentru placa grafica si deoarece trebuie sa fie cat mai aproape de memoria RAM portul AGP este conectat la "north bridge". Asemanator portul PCI Express x 16, care este o solutie alternativa la PC-urile mai noi.

19. South bridge incorporeaza o serie de functii de control, in primul rand pentru hard disk si celelalte echipamente I/E. Dezvoltarea hardware-ului a facut ca producatorii de circuite sa includa o serie de functii in chipset: -placa grafica  north bridge; -placa sunet  south bridge; -modem  south bridge; -retea  south bridge; -Firewire  south bridge. Astfel calitatea obtinuta este satisfacatoare pentru majoritatea aplicatiilor. Insa pentru aplicatii speciale, placile dedicate permit performante superioare. Exemplu: placa grafica in jocuri 3D sau ieisre TV.

20. Memoria cache Memoria cache este organizata pe cel putin doua niveluri:

21. Exemplu: Intel Celeron D 300 contine doua memorii cache L1 de 16 KB si o memorie cache L2 de 256 KB. Magistrala dintre cache-urile L1 si L2 trebuie sa dispuna de o viteza (rata) foarte mare de transfer. Se poate calcula pe baza largimii magistralei (numar de biti transferati in paralel) si frecventa ceasului:

22. Capacitatea memoriilor cache variaza in functie de procesor. In timp ce la AMD se utilizeaza cache L1 de capacitate mare (128 KB), Intel utilizeaza cache L1 mai mic (16 KB)dar eficient (Execution Trace Cache). Capacitatile memoriilor cache pentru cateva procesoare:

23. Executia instructiunilor Setul de instructiuni executate intr-un PC este de tip CISC ("Complex Instruction Set Computer"). Instructiunile sunt complexe si au o lungime variabila intre 8 si 120 de biti. Solutia opusa este setul RISC ("Reduced Instruction Set Computer"), avand instructiuni de lungime constanta (ex: 32 de biti). Procesoarele actuale realizeaza un mixaj intre RISC si CISC. Pentru compatibilitate cu procesoarele mai vechi (programele mai vechi DOS / Windows) procesoarele actuale pot executa instructiuni CISC, dar fiecare instructiune CISC este translatata in cate o secventa RISC (2-3 micro-ops) inainte de executie.

24. Fiecare nou procesor introdus a extins setul de instructiuni al procesorului precedent: 80386 a adaugat 26 noi instructiuni, 80486 a adaugat 6 noi instructiuni, iar Pentium a adaugat 8 noi instructiuni. In paralel a scazut ciclul instructiunilor (ex: adunarea a doua numere la 80386 necesita 6 cicluri, iar la 80486 necesita numai doua cicluri). Au fost introduse extensii cum sunt MMX si SSE (se vor discuta mai tarziu). O alta imbunatatire importanta: procesoare pe 64 de biti, care pentru compatibilitate pot executa si programe pe 32 de biti). Calculele executate intr-un calculator pot fi impartite in doua categorii: cu numere intregi si cu numere in virgula mobila (in jocuri 3D, prelucrari de sunete, imagini, video). Initial calculele de v.m. erauexecutate intr-un coprocesor aritmetic separat (ex: procesorul 80386 + coprocesorul de v.m 80387). Incepand cu 80486 coprocesorul aritmetic a fost plasat in procesor sub forma uneia sau mai multor FPU ("floating point unit"). Pentru cresterea performantelor s-au adaugat noi registre si noi instructiuni. Un prim exemplu: Pentium MMX ("multimedia extension") care avea un set de instructiuni MMX si un set de registre MMX. In vara 1998 AMD a introdus sub denumirea 3DNow! un grup de 21 instructiuni SIMD pentru imbunatatirea prelucrarilor 3D, care permitea prelucrarea in paralel a catorva date cu o singura instructiune

25. In ianuarie 1999 Intel a introdus SSE ("Streaming SIMD Extensions") de asemenea pentru imbunatatirea performantelor 3D, in cadrul procesorului Pentium III. SSE reprezenta o solutie mai performanta decat 3Dnow!: -8 registre noi de 128 biti care pot sa contina patru numere pe 32 de biti; -50 noi instructiuni SIMD; -12 noi instructiuni media, special propiectate, exemplu: codificarea si decodificarea stream-urilor video MPEG-2; -opt noi instructiuni de streaming la memorie pentru a imbunatati transferul intre cache-ul L2 si memoria RAM. Cu Pentium 4 s-a extins SSE la SSE2, continand 144 noi instructiuni, inclusiv operatii intregi SIMD pe 128 biti si operatii de v.m. dubla precizie pe 128 biti. Aplicatii: video, recunoasterea vorbirii, prelucrarea imaginilor, programe financiar/stiitifice. SSE2 a fost adoptat si de AMD, care a dublat numarul de registreSSE2 (in comparatie cu Pentium 4). Mai tarziu, Intel a introdus SSE3 cu 13 noi instructiuni (Pentium 4 Prescott). Pentru a beneficia de aceste facilitati a fost necesara rescrierea unor programe care sa includa noile instructiuni.

26. In cadrul procesorului Pentium 4 s-a introdus tehnologia Hyper-Threading Technology: permite executia in paralel a doua thread-uri (fire de executie). Astfel un singur procesor fizic functioneaza ca doua procesoare logice:

27. O solutie imbunatatita: procesoarele dual-core. Exemple: AMD Opteron, Intel Pentium 4 Smithfield. Un procesor dual-core Pentium 4 cu Hyper-Threading Technology functioneaza ca patru procesoare logice:

28. Interfatarea procesorului Cea mai importanta conexiune este cea dintre procesor si memoria RAM. Transferul de date se face pe o magistrala lucrand la o anumita frecventa (deaoarece RAM-ul este mult mai lent decat procesorul si aceasta frecventa este mai mica). In PC-ul original (IBM XT) transferul intre procesor, RAM si I/E se desfasura sincron la o frecventa comuna.

29. Compaq 1987: ideea separarii magistralei sistem de magistrala I/E, lucrand la frecvente diferite.

30. Cu introducerea procesorului 80486 s-a trecut la dublarea (cresterea) frecventei procesorului fata de frecventa RAM

31. Cu introducerea procesoarelor urmatoare s-a marit si mai mult frecventa procesorului fata de frecventa magistralei. Ex: Pentium III frecventa magistralei 133 MHz si frecventa procesorului 1200 MHz (9x).

32. Tipuri de RAM In PC se utilizeaza diferite tipuri de RAM, cateva fiind date in tabel:

34. Interfata grafica Portul AGP este direct conectat la procesor si la memoria RAM. Interfata grafica poate fi realizata in doua moduri: -placa "plug-in"; -integrata pe placa de baza. Placa grafica poate fi conectata la magistrala PCI, magistrala AGP sau la magistrala PCI Express x16. Initial, interfata grafica era plasata ca o interfata obisnuita de I/E. Din cauza cerintelor mari de transfer s-au introdus solutii mai performante. AGP (Accelerated Graphics Port) este un port special de I/E propiectat exclusiv pentru placi grafice. Lansata initial de Intel, a fost plasata aproape fizic fata de "north bridge". Magistrala AGP este o varianta pe 64 biti a magistralei PCI (pana si conectorul are forma unui conector PCI, dar de alta culoare si plasat in alta pozitie). Au fost dezvoltate diferite versiuni: 1X (rata de transfer 254 MB/s), 2X (508 MB/s), 4X, 8X. Texturile corespund fondului in cadrul jocurilor, acestea se pot incarca direct din memoria RAM. Sistemul se numeste DIME – Direct Memory Execute, acesta permitand extinderea memoriei de pe placa video in RAM-ul placii de baza.

35. In figura apare si RAMDAC care permite translatarea datelor numerice in semnal analogic in cazul in care placa grafica este conectata la un monitor analogic.

36. Ulterior s-a introdus magistrala PCI Express X16, oferind o rata de 8 GB/s.

37. Subsistemul de I/E Cresterea traficului si perfectionarea tehnologica au condus la perfectionarea controller-elor de I/E din south bridge.

39. O comparatie intre magistrala sistem si magistralele de I/E:

40. Magistralele de I/E conecteaza diferite echipamente la procesor si memoria RAM:

41. Cateva exemple de magistrale propriu-zise: -ISA: mai veche, viteza scazuta; -MCI, EISA, VL: de asemenea mai vechi , darmai rapide; -PCI: magistrala foarte generala de I/E; -PCI Express: mai recenta. Acestor magistrale le corespund pe placa de baza conectori in care se pot introduce diferite placi.

42. Magistrala PCI PCI (Peripheral Component Interconnect) este o magistrala independenta de procesor, putand fi utilizata atat in sisteme pe 32 biti cat si in sisteme pe 64 biti. Se poate calcula rata de transfer a magistralei: Standardul Plug and Play (dezvoltat de Microsoft si Intel) este parte a specificatiei PCI, insemnand ca toate interfetele (placile) PCI sunt auto-configurabile. Conceptul permite ca foarte simplu o placa se poate introduce in calculator si aceasta va functiona: in realitate este ceva mai complicat caci este necesar sa se instaleze un driver software. Acest lucru se face insa automat prin cooperarea dintre interfata, placa de baza si sistemul de operare. Pentru a opera pe magistrala este necesar sa se specifice placii adresele de I/E, nivelurile de intrerupere (IRQ), etc:

44. SCSI SCSI (Small Computer System Interface) este un controller avansat care poate transfera pana la 160 MB/s (mult mai mult decat magistrala PCI). Sistemul SCSI este construit in jurul unui controller central (adaptorul host) care poate controla un numar de dispozitive SCSI conectate in lant. Fiecarui dispozitiv i se aloca un numar de identificare si se plaseaza cate un terminator la sfarsitul fiecarui capat al lantului SCSI. Un lant tipic SCSI: Controllerul SCSI gestioneaza o intreaga mica retea de dispozitive de I/E. Discurile SCSI au o capacitate sporita de transfer fata de dispozitivele standard ATA (chiar daca recent discurile ATA au fost perfectionate devenind comparabile cu discurile SCSI).

45. RAID RAID (RedundantArray of Inexpensive Disks) este o tehnologie care conecteaza impreuna o serie de hard discuri standard pentru a forma un sistem avansat, corector de erori, utilizat in servere. Este o extensie a standardului SCSI si a fost utilizat prima data in 1987, dar ulterior au fost dezvoltate standardele mai ieftine ATA si SATA. Avantaje RAID: -securitate sporita (informatiile se gasesc pe mai multe discuri, in cazul defectarii unui disc, informatia se gaseste si pe alte discuri; -transfer de date mai rapid (controllerul RAID scrie si citeste in paralel pe mai multe discuri, astfel viteza de transfer se poate dubla sau tripla). Categorii RAID:

47. USB USB (Universal Serial Bus) este o magistrala seriala ieftina, care unifica conectorii diferiti pentru tastatura, mouse, scanner joystick, camera digitala, imprimanta, etc. pe o magistrala partajata, cu un conector comun. Caracteristici: -viteza de transfer maxima 12 Mbiti/s (USB 1.1), respectiv 40 MB/s (USB 2.0); -utilizeaza numai patru semnale (in comparatie cu alte standarde si magistrale); -cablul USB poate furniza alimentare catre dispozitivul conectat; -se pot conecta maxim 127 de echipamente USB utilizand hub-uri USB; -dispozitivele USB se pot conecta din "zbor" fara a restarta calculatorul; -a facut interfetele seriale COM1 si COM2 inutile.

48. IEEE 1394 – FireWire FireWire este o extensie a standardului SCSI furnizand o magistrala seriala de viteza mare cu rata maxima de 400 Mb/s. Anumite calculatoare dispun de porturi FireWire integrate pe placa de baza, altele permit conectarea unor placi FireWire, astfel se poate conecta direct o camera video

49. Hard discuri ATA si SATA Un hard disc consta din unul sau mai multe platane magnetice montate intr-o cutie metalica. Vitezele de rotatie standard sunt de 5400 sau 7200 rotatii / minut. Capul de citire / scriere este un mic electromagnet care se deplaseaza deasupra pistelor pe care sunt inregistrati bitii. Furnizand curent bobinei se poate face scriere, iar fara curent furnizat bobinei se face citirea.