Download
1 / 54
540 likes | 682 Views
Architektura PC. Ing.M.Pfeffer,CSC Katedra fyziky nízkých teplot. Architektura PC. Stovky PC v centrálním výpočetním středisku CERN - Ženeva. Proč nás zajímají právě počítače třídy PC ? Jedním z důvodů je to, že jsou nejrozšířenější
E N D
Architektura PC Ing.M.Pfeffer,CSC Katedra fyziky nízkých teplot
Architektura PC Stovky PC v centrálním výpočetním středisku CERN - Ženeva Proč nás zajímají právě počítače třídy PC ? Jedním z důvodů je to, že jsou nejrozšířenější kategorií osobních počítačů, a to jak doma, tak v celém sektoru IT, včetně vědeckých pracovišť.
Architektura PC Fenomén PC – od 12.8.1981 - sjednotil do té doby chaotický vývoj osobních počítačů Modifikován přetrvává dodnes – zachován instrukční soubor CPU Vývoj počítačů třídy PC O čem bude dnešní přednáška ? Různé náhledy – hw,programátorský atd Vnitřní struktura, komunikace v PC, DMA ,IRQ,řadiče Základní části – sběrnice (časování,ISA,PCI,PCIE,AGP) chipsety,struktura North & South Bridge BIOS,POST CPU ( XT <-> Pentium, Intel<-> AMD) paměti v/v (I/O) zařízení – porty atd. principy adresace, adresový dekodér
Architektura PC Abychom porozuměli koncepci architektury počítačů, věnujme se nejprve krátce architektuře počítačů tzv. Neumannova typu – třídy PC.
Architektura PC Jeden z první generace PC – AT (Intel 80286) – základní deska
Architektura PC Základní deska PC – generace Pentium Centrální řídící procesor Severní můstek Jižní můstek Dnešní stav – snaha o kompletní integraci severního i jižního můstku do CPU – umožňuje rychlejší komunikaci procesoru s můstky . Možným výsledkem může být tzv. jednočipové PC
Architektura PC – DMA , IRQ požadavek v/v zařízení
Architektura PC - sběrnice • V PC může být použito najednou více sběrnic – např.ISA,PCI,AGP. • K ovládání vnitřní sběrnice (sběrnic) slouží tzv. řadič sběrnice,arbitr sběrnice,řadič IRQ,řadič DMA aj.)
Architektura PC – sběrnice ISA • Sběrnice • datová sběrnice • adresová sběrnice • povelová sběrnice • obousměrné <->jednosměrné • V dnešní době se již pozvolna z PC vytrácí.Existuje však mnoho prototypových karet (vesměs drahých),kvůli nimž stojí zato PC s touto sběrnicí stále zachovávat. Zůstává u tzv. průmyslových PC • Tato sběrnice existuje 8-16 bitová • Z didaktických důvodů je vhodné si řadu věcí objasnit právě na této sběrnici
Architektura PC - sběrnice Tzv. „časování sběrnice“ ( protokol sběrnice) je vzájemná časová souvislost impulsů na sběrnici,která je pro chod PC naprosto klíčová. Nedodržení časování obvykle způsobí tzv. „hazardní stavy“, projevující se nereprodukovatelností určitých činností , zatuhnutím či jinými efekty PC.
Architektura PC - sběrnice Pro současné zobrazení mnoha průběhů např. na sběrnici se používají přístroje logické analyzátory, jež obvykle umožní zobrazit 1,2 či 4 slova a vzájemný časový sled jednotlivých bitů (až 32 bitů).
Architektura PC – PnP - PCI • Automatická konfigurace v PCI • V době, kdy v PC kralovala sběrnice ISA, bylo při přidání nové karty do systému nutné, aby její majitel nastavil nejprve kartu a pak stejně i její ovladač. Zároveň bylo nutné, aby žádné dvě karty nebyly v konfliktu (nebyly nastaveny stejně nebo tak, že se jejich nastavení překrývalo). Přidat do počítače kartu tak nebylo vůbec jednoduché. Proto byl vyvinut standard PnP (Plug and Play), který umožňoval, aby karta byla jednoduše zasunuta do slotu a o zbytek se postaral sám počítač a operační systém. Zpočátku nebylo toto rozšíření vždy zcela funkční a jeho podpora ze strany software byla také minimální. PnP bylo firmou Intel zakomponováno přímo do PCI standardu a ve Windows 95 již byla přítomna i její systémová podpora. • Postup automatické konfigurace zařízení v PCI • karta je vsunuta do slotu vypnutého počítače • po zapnutí počítače je aktivována PnP část BIOSu • BIOS postupně vyzve všechna zařízení připojená ke sběrnici k identifikaci • zařízení odesílají své identifikátory a požadavky • BIOS přidělí níže uvedené systémové prostředky mezi připojená zařízení tak, aby nedošlo ke konfliktům: • přerušení • I/O porty • adresový prostor v paměti RAM (pro paměť na kartě) • údaje o konfiguraci jsou umístěna do paměti • je spuštěn operační systém • podle identifikace zařízení operační systém vyhledá ovladače • ovladače si přečtou konfiguraci svých zařízení a začnou je obsluhovat • Konfigurace jednotlivých zařízení je uložena v registrech PCI sběrnice (ESCD – Extended System Configuration Data), která mohou být použita při dalším startu počítače. Uživatel v některých verzích BIOSů může ručně vynutit novou kompletní inicializaci pomocí vymazání ESCD. BIOSy, které podporují ACPI, ukládají do speciálních tabulek mnohem více informací. • Celý proces automatické konfigurace funguje spíše jako černá skříňka, takže uživatel má obvykle minimální možnosti, jak jej ovlivnit. Ze stejného důvodu není výsledek automatické konfigurace předvídatelný ani u podobných zařízení.
Architektura PC – sběrnice PCI(E) Klasická sběrnice PCI je paralelní a polo-duplexní - všechny vodiče slouží pro přenos dat oběma směry, ovšem nikoli oběma směry zároveň.Na rozdíl třeba od sběrnice ISA nemá PCI adresní část oddělenou od části datové - charakteristický počet vodičů (32 nebo 64) slouží pro přenos dat i adres, adresa se posílá na začátku každé transakce. Sběrnice PCI-E je sériová, resp. sério-paralelní, a plně duplexní - základní modul sběrnice má jeden symetrický pár vodičů pro TX a druhý pro RX a sběrnice skutečně běží v plně duplexním režimu, pokud to charakter provozu umožňuje.Základní modul ("x1") sběrnice PCI-Express má v podstatě jediný sériový full duplexní kanál, vyšší násobky (x2..x32) vznikají paralelním spřažením několika těchto základních kanálů. • Signály sběrnice PCI-E • Základem je Line sestavený ze dvou diferenciálních párů a to příjímacího a vysílacího. Sběrnice je poté pochopitelně doplněna o další pomocné a napájecí signály. Popis signálu konektoru PCI x 1 je v následující tabulce. Konektor pro verze x2, x4, x8 a x16 je rozšířen o další nože konektoru - obvykle o čtyři pozice, které obsahují GND a přijímací a vysílací pár. Implementace některých signálů není bezpodmínečně nutná a je pouze doporučena.
Architektura PC – sběrnice PCIE Kapacita PCI-E ve srovnání s PCI Paralelní PCI PCI 32bit @ 33 MHz = 132 MBps - základní "modul"PCI 32bit @ 66 MHz = 266 MBpsPCI 64bit @ 33 MHz = 266 MBpsPCI 64bit @ 66 MHz = 533 MBpsPCI-X 64bit @ 100 MHz = 800 MBpsPCI-X 64bit @ 133 MHz = 1066 MBps PCI-E - teorie: Takt: typicky = 2.5 Gbps = 250 MBps teoreticky = až 10 Gbps = 1 GBpsPCI-E x1 = 250 MBpsPCI-E x2 = 500 MBpsPCI-E x4 = 1 GBpsPCI-E x8 = 2 GBpsPCI-E x16 = 4 GBpsPCI-E x32 = 8 GBps PCI-E - realita: Takt = 2.5 Gbps.PCI-E x1 = 250 MBpsPCI-E x4 = 1 GBpsPCI-E x8 = 2 GBpsPCI-E x16 = 4 GBps
Architektura PC – sběrnice PCIE PCI-Expres – nejnovější architektura grafických karet,dosahující přenosové rychlosti 2,5-10GB/s.Jedná se o sériový přenos dat v kanálech tvořených dvěma páry diferenciálních jednosměrných linek, jež lze řadit v jeden makrokanál. Paket transakční vrstvy Transakční vrstva Nejvyšší vrstvou architektury je transakční vrstva. Tato vrstva je zodpovědná za zpracování (kompozici a dekompozici) paketů transakční vrstvy (Transaction Layer Packet - TLP). Tyto pakety nesou informaci o typu prováděné operace, jako je čtení, zápis, zpráva nebo operace s IO prostorem. Všechny pakety, které výžadují potvrzení jsou implementovány jako dvě transakce (request/completion) a jsou přijímány nebo posílaný do vrstvy core logic. Každý vysílaný paket má svoje identifikační číslo, aby cílové zařízení mohlo poslat completion transakci zdroji. Dále vrstva zajišťuje nastavování atributů, posílaní zpráv, které v podstatě realizují virtruální vodiče přerušení, řízení napájení, jak jsme je znali z jiných typů sběrnic. Vrstvy sběrnice PCI-E PCI-E je jako protokol založený na vrstvách, jejichž uspořádání a názvy jsou v jisté souvislosti se síťovým ISO-OSI (IEEE802 model of networking protocol) modelem známým z prostředí LAN sítí. PCI-E používá následující vrstvy: Transaction Layer (transakční vrstva) Data Link Layer (linková vrstva) Physical Layer (fyzická vrstva)
Architektura PC – sběrnice AGP AGP sběrnice – výhradně pro grafiku Běží na 66 MHz, 32bitová 1x (266MB/s), 2x, 4x, 8x(2144MB/s) rychlosti přenosu Grafický procesor,typy paměti,šíře paměťové sběrnice až 128 bitů,2D – 3D grafika Pozor-různá napájecí napětí 0,75 – 3,3 V Odlišné provedení klíčů slotů odlišuje různé mody a napětí
Architektura PC - Chipset • Chipset - zásadním způsobem určuje vlastnosti základní desky CPUNorth Bridge - Memory Bus,Graphics South Bridge - PCI Bus,ATA,Porty USB, RS232,Centronix,Audio,Keyboard, Mouse,Floppy Vnitřní sběrnice FSB – kmitočet sběrnice mezi CPU a NB (66,100,133,166,200 MHz – až 800 MHz u quad pumped Intel P4) Z FSB odvozeny kmitočty PCI,AGP atd Sběrnice NB-SB „ NB-paměti-synchr./asynchr. U moderních CPU (Athlon64 vnitřní řadič pro přímou komunikaci s pamětí)
Architektura PC - Chipset • Software pro základní řízení chodu základní desky – BIOS (Basic Input Output System) – výrobci AMI,Award,Phoenix • Uložen (zapsán) trvale ve Flash Memory na MB • Možnost přepsání BIOSu – Update – nechtěné přepsání katastrofa • Snadná možnost přepsání - napadení viry • Část průběhu BIOSu – POST (Power On Self Test)-testuje hardwarové komponenty na MB i mimo ní • Možnost monitorování POSTu tzv. POST diagnostickou kartou – na portu 80h – různý význam kódů (hexa) u různých výrobců BIOSu • Data SETUPu uložena v CMOS paměti, která je zálohována baterií (Jumper Clear resetuje tato data a nastaví implicitní)
Architektura PC - CPU • CPU - centrální procesorová jednotka – 8,16,32,64 bit • V roce 1981 existoval jediný CPU 8086 – 8bitový • Strojový kód,strojové cykly,instrukční soubor,zpětná kompatibilita • Aritmetický koprocesor – výpočty • Adresování paměti – 1MB (20bitová adres.sběrnice),extended 16 MB, expanded 4GB • Kmitočty CPU – Intel 8086 / 4,77MHz <-> P4 / 4,5GHz • Souvislost s technologií výroby (dnes 22nm) – omezující faktor příkon • Programátorský model CPU • Sběrnicová ,výkonná ,adresová,instrukční jednotka • Vnitřní rychlá cache paměť (L1,L2)
Procesory ( CPU ) …první CPU „4004“ s 2300 transistory • Vývoj od sedmdesátých let, kdy pan Kilby sestrojil první integrovaný obvod CPU pro první osobní počítač PC „8080“ , 8 bit, 4 MHz , r.1981 CPU „80486“, 32bit,66MHz, 1 milion transistorů , r.1987
Architektura PC - CPU Technologie a výroba masek a vrstev CPU
Architektura PC - CPU hradloTTL
Vývoj a výroba CPU pro PC je dnes v zásadě záležitostí dvou firem - Intelu a AMD • Počáteční honba za výkonem – zvyšování kmitočtu – ale tím potíže s energetickou náročností a odvodem tepla (první CPU příkon řádově jednotek wattů – nepotřebovaly chlazení zrovna jako dnešní Atomy, dnešní CPU příkon až 150W, složité chladiče) se ukazuje jako slepá ulička. • Vývoj CPU pro notebooky – mobilní CPU – až dnešní generace „ Atom“ – zpátky příkon jednotek wattů • Pokroky technologie ve zjemňování struktur masek ( dnes 22 nm ) – s tím související zmenšování příkonu. Snaha umístit do jednoho pouzdra více CPU, více vyrovnávací rychlé „cash“ paměti, řadiče paměti, grafický subsystém atd . To vše přináší enormní zvýšení počtu transistorů – dnes asi 820 milionů pro čtyřjádro , asi polovina pro dvoujádro. Umístěné na ploše asi 100 mm čtverečních. Podpora „dynamického přidělování prostředků“ – tedy aktivování potřebného počtu jader a potřebného taktu (kmitočtu) CPU na základě potřeby požadavku aplikace.(„Turbo Boost“) Přechod na 32 nm architekturu. Za tím vším je třeba hledat snahu o racionální využití CPU s možností aktuálně přizpůsobovat jeho výkon v závislosti na požadavcích aplikace. Dnešní stav – vícejádrové CPU
Architektura PC - paměti Logické obvody,jež umožňují uložení dat (přechodné,trvalé). Třídí se podle toho,zda umožňují zápis i čtení (RAM,DRAM,SRAM,), nebo pouze čtení (ROM,PROM,EPROM,EEPROM). Struktura pamětí – adresovací vstupy (podle struktury adresujeme buď skupinu či jednu buňku) - výstupy (normální nebo třístavové) - pomocné vstupy (ovládání zápisu,čtení atd) Kapacita paměti – podle počtu paměťových buněk v použité paměti dále se uvádí i organizace paměti (např 32x8)
Architektura PC - paměti Organizace 256x1 (8 adresových vstupů, jeden výstup) Organizace 32x8 (5 adresových vstupů, 8 výstupů)
Architektura PC - paměti Realizace jedné buňky SRAM v technologii MOS • Paměti – zařízení pro ukládání dat – mainboard,grafická karta • Polovodičové monolitické integrované obvody • Statické (SRAM) <->dynamické (SDRAM,DDR) - (refresh dělá řadič DMA) • Struktura (topologie) , organizace paměti • Druhy pamětí – ROM,PROM,EPROM,EEROM,RAM,SRAM,DRAM,FLASH – použití podle daného účelu • Adresování pamětí,zápis,čtení,rychlosti • Zvýšení rychlosti – s každou hranou ( náběžná i týlová ) • USB Flash paměti • HDD tvořené polovodičovými pamětmi • Paměťový dekodér • Rychlost <-> příkon <-> technologie Realizace jedné buňky paměti DRAM
Architektura PC - paměti SDRAM,DDR I , II , III
