PC - Hardware

1. PC - Hardware historie a vývoj do současnosti

2. Tranzistory a co jim předcházelo • Historie tranzistorů začíná již s dramatickými objevy v letech 1800 1900 (Edison, Faraday, Hertz …) • předchůdce tranzistoru – vakuová trubice – původně sloužila pro zesílení rádiového signálu (radiopřijímače) • http://www.lucent.com/ (kompletní historie objevu tranzistoru – Bell Labs – Bellovy laboratoře)

3. Tranzistory – a co jim předcházelo • Vakuové trubice – 1874 Braun objevil, že krystaly mohou vést jednosměrně proud – to se nazývá rektifikace – usměrňování proudu • tento objev se nejprve uplatnil v přijímačích rádiových signálů – problém byl, že takto zachycený signál byl slabý => nutnost zesílení • krystal (jako rektifikant) byl schopen oddělit nosnou vlnu od části signálu nesoucí vlastní informaci

4. Tranzistory – a co jim předcházelo • bylo nutné provést amplifikaci (zesílení) radiového signálu (signál je oslaben vzdáleností, překážkami atd…) • dříve u přijímačů museli sedět lidé se sluchátky, protože signál byl špatně slyšet • Fleming připojil skleněnou kouli se dvěma elektrodami k rádiovému přijímači => vakuová trubice

5. Tranzistory – a co jim předcházelo • za využití Edisonova efektu se ve vakuové trubici elektrony proudí od negativně nabité katody do pozitivně nabité anody – při tomto procesu se oscilace příchozího signálu usměrňuje do detekovatelného přímého proudu

6. Tranzistory – a co jim předcházelo • vakuové trubice sloužily nejenom pro zesílení signálu v rádiích, prvních televizích atd. ale i v prvních počítačích – Eniac • tyto první počítače byly složeny z tisíců vakuových trubic a zabíraly několik místností

7. Tranzistory - historie • výzkumy Bellových laboratoří (1925) byly založeny na „zvláštních“ vlastnostech krystalů – tyto materiály se staly známé pod názvem polovodiče (semikonduktory)

8. Tranzistory - historie • v roce 1945 začal Bell lab zkoumat vlastnosti křemíku jako polovodiče • nakonec se povedlo 3 vědcům (fyzikům) dovést experiment do zdárného konce – při experimentu s germaniem se krystal ke kterému připojili dva vodiče začal chovat jako amplifikátor (zesilovač signálu)

9. Tranzistory - historie • za určitých podmínek tranzistor funguje jako vodič, za jiných jako izolátor • toto je základ využití tranzistorů – jejich schopnost „migrovat“ mezi těmito dvěma stavy, což v důsledku umožňuje dvě základní funkce : • zesilování signálu (rádia) • přepínání (počítače – 0,1 …)

10. Tranzistory - historie • princip fungování kladná voltáž aplikovaná na bázi (B) způsobí že tranzistor je průchozí proudem záporná voltáž aplikovaná na bázi způsobí že tranz. je proudem neprůchozí

11. Tranzistory - využití • dnes prakticky v jakémkoli elektronickém, elektrotechnickém zařízení (mobilní telefony, počítače, kopírky a tisíce dalších ..) • umožnily nám objevování vesmíru …

12. Tranzistory – inovace počítačů • 1954 IBM oznámila, že vyvinula první počítač složený z tranzistorů (obsahoval jich 2000) a zároveň ve stejném roce začala masová distribuce tranzistorů (jako součástky prodávané s rádii – „tranzistoráky“) • rock ‘n roll  • 1959 přišel další velký průlom – podařilo se poskládat tranzistory do integrovaného obvodu na křemíkové destičce – „waffer“, kde

13. Tranzistory - inovace • tranzistory – když jsou vzájemně propojeny vodiči - hovoříme již potom ne o tranzistorech, ale o čipech !!! • pozn.: současný počítač je složen z desítek různých čipů – nejznámější je „procesor“

14. Tranzistory - inovace • nyní obsahují čipy desítky milionů tranzistoru – např. nejnovější GPU grafických karet od nVidia nebo ATI obsahují již přes 100 milionů tranzistorů (srovnejme si oproti prvnímu počítači od IBM, který měl 2000 tranzistorů dohromady ….)

15. Tranzistory - současnost • v r. 2001 se týmu vědců z Bell Labs podařilo sestrojit tranzistor sestávající se z jedné molekuly, základem jsou aromatické thioly • nanotranzistor měří jednu miliardtinu metru

16. HW části PC (pojmy) • bit – b - 1 elektrický puls – je to nejmenší informace se kterou počítač pracuje • tok 8 bitů v řadě – 1 byte (bajt) - B • byte (B) – množství prostoru paměti potřebné pro uložení 1 znaku (znak = 8 bitů – ASCII kód) a je to zároveň nejmenší možný prostor který může procesor v paměti RAM adresovat

17. Pracovní schéma počítače • Von Neumannovo schéma počítače data – adresová sběrnice ROM RAM CPU I/O zařízení I/O zařízení systémová sběrnice HDD motherboard – základní deska

18. CPU (centrall processing unit) • Nejsložitější čip v počítači (dnes to už ale dotahují GPU) • Výkon počítačové sestavy závisí do velké míry na něm, proto je to jedna z nejsledovanějších veličin při koupi počítače právě takt procesoru (Hz) • Moorův zákon: výkon procesorů se každé dva roky zdvojnásobí (zatím to firmy stíhají dodržovat  )

19. CPU • velikost tranzistorů ze kterých vyrábí čipy firma INTEL

20. CPU • ukázka testovací laboratoře ve výrobní fabrice

21. CPU • dva nejvýznamnější výrobci procesorů pro PC platformu dneška : AMD, INTEL • pro serverové platformy kromě AMD a INTEL ještě IBM, HP

22. CPU • spotřeba el. energie (dnešní žrouti  ) • např. Intel Pentium IV. s jádrem Prescott (90nm) 3,4GHz si spotřebuje až 115W • AMD Athlon XP 3200+ (2,2 GHz) 77W

23. CPU • Každé zmenšení tranzistorů => velký technologický skok, protože potom se vždy očekává navýšení frekvence, tedy i výkonu • výkon = počet vykonaných instrukcí za takt (1 vt.) * frekvence procesoru • takt (hrubá síla procesoru) • architektura ( i na ní závisí počet vykonaných instrukcí)

24. CPU - výkon • hrubá výpočetní síla procesoru: taktovací frekvence • architektura procesoru: • počet výpočetních „kanálů“- dnes většinou 4 až 8 kanálů na zpracování instrukcí • šířka slova • šířka přenosu dat

25. CPU - výkon • počet výpočetních „kanálů“- dnes většinou 4 až 8 kanálů na zpracování instrukcí • načtení instrukce (z RAM, nebo CACHE) • dekódování instrukce (např. přesunout – move – co a kam) • provedení instrukce (přesunutí ….) • zápis výsledků (registry – interní pracovní oblast procesoru – L1 CACHE) • šířka slova – je největší číslo, které je procesor schopen zpracovat během 1 operace (dnes 32 nebo 64 bitů)

26. CPU - výkon • šířka přenosu dat – jde o komunikaci mezi CPU a RAM, což významně ovlivňuje výkon procesoru – dnes také 32 nebo 64 bitů – záleží na platformě

27. Sběrnice (bus) • zařízení sloužící k propojení a komunikaci všech jednotlivých komponent v počítači mezi sebou

28. Sběrnice (bus) • např. : v PC v r. 1981 bylo 62 vodičů data-adresové sběrnice vyvedené do slotů pro přídavné desky a do slotu pro CPU a z nich bylo 8 datových a 20 na adresaci paměti => tzn. čip 8088 mohl adresovat jen 1024kB paměti (220 bajtů), což bylo potom i omezení operačního systém MS DOS pro adresaci paměti

29. Sběrnice (bus) - typy • ISA – totéž co PCI, ovšem ve starším provedení a s nižším výkonem ( 16b šířka toku dat, 8MHz komunikační frekvence) • PCI (Peripheral Component Interconnect) – označení sběrnice určené nejen pro grafické karty, ale pro ostatní moduly počítače (TV tunery, zvukové karty atd.), (32b, 33MHz nebo 64b, 66MHz) • AGP (Accelerated Graphics Port) – grafický port, používá se jen pro grafické karty (64b, 133MHz) • PCIe – zkrácené označení pro sběrnici PCI Express (nejnovější technologie, která přichází do výroby (stejně tak i PEG) (32b, 2,5GHz) • PEG – označení slotu pro grafickou kartu na sběrnici PCI Express

30. Sběrnice (bus) • nejnovější typ je tedy PCI Express • na obrázku schéma počítače s využitím PCI Express sběrnice