Post on 28-Feb-2019
Elementy komputeraProcesor, pamięć, magistrala
Urządzenia pamięciPorty
Era prehistoryczna
Historia komputerów
• Palce u rąk (dlatego mamy system dziesiętny)• Linie na ścianach• Budowle kamienne
Pierwszy „komputer”Liczydło
Historia komputerów
Wynalezione w Chinach około 400 roku przed naszą erą
Pierwszy „prawdziwy” komputerMaszyna licząca Babbage’a
Historia komputerów
1821
Maszyna Jacquard’a
Historia komputerów
Drukowanie powtarzalnych wzorów na
materiałach
Karty drukowane
1863
Elektryczność, wynalezienie lampy elektronowej1945 rok
Wreszcie prawdziwy komputerENIAC
Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer
Historia komputerów
Historia komputerówRozwój mikroelektroniki
• Wynalezienie tranzystora – „zawór” (1947)
• Wynalezienie układu scalonego (1958)
TranzystoryZwyczajny Polowy
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Przełącznik cyfrowyWzmacniacz
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 1 z 9
Historia komputerówKomputer osobisty Altair - 1975
Historia komputerów
Komputer osobisty
Najszybszy komputer świataTianhe-1A (Droga mleczna)
7168 procesorów graficznych Tesla M2050 Nvidia
14336 procesorów Intela Xeon X5670
262 TB pamięci operacyjnej oraz 5 PB przestrzeni dyskowej
A gdzie my jesteśmy?„Klaster „Zeus” z CYFRONETU AGH
Procesory Intela
18 TB pamięci operacyjnej oraz 1,5 PB przestrzeni dyskowej
Co dalej ?
Elektronika organiczna
Komputery kwantowe
Liverpool University
Qbity
Budowa komputera
PamięćProcesor
Magistrala
Układy I/O
• procesor – układ elektroniczny realizującyprzetwarzanie informacji
• pamięć – przechowywanie informacji.
• układy wejścia/wyjścia (I/O)– komunikacja zotoczeniem
Procesor
PROCESOR
CPU- Central Processing Unit (centralna jednostka przetwarzająca). Półprzewodnikowy element w postaci układu scalonego dużej skali integracji (miliony bramek)
1971 - Intel 4004 2300 - tranzystorów60 tys operacji /s
2006 – Dual Core Itanium 2 1720 mln - tranzystorów
2009 – Intel® i7 - 9753.32 GHz, FSB 1600MHz, 758 mln tranzystorów
45nm
90nm
Parametry charakteryzujące procesor
Liczba rdzeni
Szybkość – (częstotliwość taktowania) określana częstotliwościązegara ( mierzona w MHz)
Wielkość magistrali danych (liczba przesyłanych jednocześniebitów), (8, 16, 32, 64 bity)
Częstotliwość taktowania magistrali danych (Szybkośćprzekazywania danych do urządzeń wejściowych i wyjściowych)
Wielkość pamięci CACHE pierwszego poziomu (L1) i drugiego poziomu (L2)
Podstawowymi parametrami wpływającymi na wydajność procesora (szybkość wykonywania operacji przez procesor) są:
Wewnętrzna konstrukcja oraz lista rozpoznawanych i wykonywanych instrukcji elementarnych
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 2 z 9
No i czy na tym już koniec ?Prawo Moor’a – 1972 r.
Moc obliczeniowa układów scalonych podwaja się co półtora roku
http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm
Oryginał 1965
Przetwarzanie potokowe (pipelining)
Technika polegająca na podziale działania procesora na specjalizowane grupy, w taki sposób, aby każda z grup wykonywała część pracy związanej z wykonaniem rozkazu.
[Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz]
Przykładowe etapy wykonania jednego rozkazu:
Przetwarzanie potokowe (pipelining)
Działanie niepotokowe
[Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz]
Cykl 1: [Pobierz rozkaz 1]
Cykl 2: [Dekoduj rozkaz 1]
Cykl 3: [Ładuj dane do rozkazu 1]
Cykl 4: [Wykonaj rozkaz 1]
Cykl 5: [Zapisz wynik wykonania rozkazu 1]
Wykonanie 1 rozkazu zajmuje średnio 5 cykli
Przetwarzanie potokowe (pipelining)Działanie potokowe
[Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz]
[Pobierz rozkaz 1]
[Pobierz rozkaz 2], [Dekoduj rozkaz 1]
[Pobierz rozkaz 3], [Dekoduj dekoduj rozkaz 2], [Ładuj dane do rozkazu 1]
[Pobierz rozkaz 4], [Dekoduj rozkaz 3], [Ładuj dane dorozkazu 2], [Wykonaj rozkaz 1]
[Pobierz rozkaz 5], [Dekoduj rozkaz 4], [Ładuj dane dorozkazu 3], [Wykonaj rozkaz 2], [Zapisz wynik wykonania rozkazu 1]
Wykonanie 1 rozkazu zajmuje średnio 1 cykl
Cykl 5:
Cykl 4:
Cykl 3:
Cykl 2:
Cykl 1:
Superskalarność (superscalar)
Możliwość ukończenia kilku instrukcji na raz, w pojedynczym cyklu zegara, jest możliwa dzięki zwielokrotnieniu jednostek
wykonawczych
Wielowątkowość Wielordzeniowość
Możliwość realizacji kilku wątków (zadań działających
na tym samym obszarze pamięci) na pojedynczym
procesorze (Pentium)
Możliwość realizacji kilku zadań na mnogich
jednostkach obliczeniowych(Pentium DualCore, AMD X2)
Układ DualCore
Rdzeń CPU ipamięć podręczna L1
Rdzeń CPU ipamięć podręczna L1
Szyna danych ipamięć podręczna L2
Obecnie można kupić jednostki sześciordzeniowe
Wielordzeniowość
Układ eksperymentalny
Intel - Teraflops Research ChipUkład posiada 80 rdzeni
www.intel.pl
http://www.cpubenchmark.net/
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 3 z 9
Budowa komputera
PamięćProcesor
Magistrala
Układy I/O
• procesor – układ elektroniczny realizującyprzetwarzanie informacji
• pamięć – przechowywanie informacji
• układy wejścia/wyjścia (I/O)– komunikacja zotoczeniem
Współpraca procesora z pamięcią RAM
PROGRAM
DANE
WOLNE
PROCESOR
3GHz
PAMIĘĆ RAM
Czas dostępu ~ 40 nsBardzo wolne
Magistrala
Takt ~0.3 ns
Dynamiczna (DRAM) – Zespół małych kondensatorów, ładowanych ładunkiem elektrycznym.
Pamięci RAM
Czas dostępu ~50 ns
Należy ją odświeżać
Kondensator
Tranzystorsterujący
Tania pamięć, wymagająca cyklicznego odświeżania (bo kondensatory się rozładowują).
Różne wersje pamięci DDR
DDR 2,5 VDDR2 1,8 VDDR3 1,5 V
Pamięci DDR, DDR2, DDR3
Mniejszy pobór mocy, większa przepustowość
Napięcie zasilania:
PC-1600 - 1,6 GB/s, pracujące z prędkością 200 MHz
PC2-8500 - 8,5 GB/s, pracujące z prędkością 1066 MHz
PC3-12700 - 12,7 GB/s, pracujące z prędkością 1600 MHz
Pamięci nie są kompatybilne
Szybkie pamięciStatyczna – Static RAM (SRAM) zbudowana na 6 tranzystorach CMOS - bardzo szybka, droga
Czas dostępu ~ 8 ns
Nie potrzebuje odświeżania
Pamięć podręczna (cache)Coraz wyższe prędkości pracy procesorów wymagają zwiększenia
prędkości działania układów pamięciowych.
Procesor musi czekać coraz dłużej na kolejną porcję danych
Badania dowiodły, iż większość odwołań do pamięci mieści się w bloku 16 kb
- cena - technologia
Ograniczenia :
Pamięć podręczna (cache)Coraz wyższe prędkości pracy procesorów wymagają zwiększenia
prędkości działania układów pamięciowych
PROCESORPamięćoperacyjna CACHE
Duża taniawolna
dziesiątki ns
Mała, szybkai nie tak bardzo droga
kilka ns
L2 L3L1
CACHE
Kaskada - kolejne poziomyCoraz większe i wolniejsze
PROCESOR
L1
Wielkości:Pentium III - 8 + 8 + 256/512
Pentium IV - 64 + 8 + 256
Pamięć wirtualna
Pamięć wirtualna jest oszustwem
Tak naprawdę dane są zapisywane na dysk
Bardzo wolne działanie
Najpierw sprawdź czy nie masz za mało pamięci
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 4 z 9
Budowa komputera
PamięćProcesor
Magistrala
Układy I/O
• procesor – układ elektroniczny realizujący przetwarzanieinformacji
• pamięć – przechowywanie informacji
• układy wejścia/wyjścia (I/O)– komunikacja z otoczeniem
Typy magistral
ISA - Industry Standard Architecture
Najstarszy typ magistrali. 16 bitowa. Była taktowana z częstotliwością 8 MHz. Szybkość transmisji 8 Mbajtów/s.
PCI - Peripheral Connect Interface
Oryginalna – 32 bity i 132 MB/sec
Teoretyczna – 64 bity i 1066 MB/sec
Częstotliwość taktowania 133 MHz
Szybkość transmisji
Typy magistral
Szybsza wersja magistrali PCIWersje PCI-X
PCI-X 1.0 PCI-X 2.0 PCI-X 3
Rok wprowadzenia 1999 2002 2003
Maksymalna szerokość szyny danych 64 bity 64 bity 64 bity
Maksymalna częstotliwość taktowania 133 MHz 533 MHz 1066 MHz
Maksymalna przepustowość 1066 MB/s 4264 MB/s 7,95 GB/s
Napięcie 3.3 V 3.3 V/1.5 V 3.3 V/1.5 V
Jest kompatybilna z PCI
PCI-X
Typy magistral
PCI-Express (PCIe) jest szeregową magistralą służącą do przyłączania urządzeń do płyty głównej.
Częstotliwość taktowania - 2.5GHz.
x1 250 MB/s
x2 500 MB/s
x4 1000 MB/s
x8 2000 MB/s
X16 8000 MB/s
X16 v3 16000 MB/s
PrzepustowośćLiczba linii
PCI Express
Urządzenia wejścia-wyjścia
Pamięci masowe:
dyski twarde (HDD)dyski optyczne (CD, DVD, BlueRay)napędy taśmowe (streamer’y)pamięci stałe
Klawiatura (przewodowa i bezprzewodowa)Karta graficzna (i monitor)Urządzenie wskazujące (mysz)Karty sieciowe, modemy i in.
Wykład o grafice komputerowej
Wykład o sieciach komputerowych
Wykład o grafice komputerowej
Twardy Dysk - budowa
Tarcze magnetyczne
GłowiceZapisująco-odczytujące
Obudowa
Silnik
Głowice wraz z ramionami są poddawane dużym przeciążeniom - jedno ze źródeł hałasu
Do każdego talerza głowica jest osadzona na ramieniu
Talerze wirują z dużą prędkością
Wszystkie głowice osadzone na tej samej osi
Liczba talerzy zależna od wykonania HD
Prędkość obrotowa 7200 obr/minPojemność: 3 TBInterface: SATA IIISzybkość transmisji danych: 600 MB/s Cena: ok. 900 zł
728,69
Dyski robią się coraz pojemniejsze
Hitachi Deskstar 0S03086 3.5" Hard Drive - 3TB
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 5 z 9
Zbudowany domowym sposobem system 70 TB
728,69
Dyski robią się coraz pojemniejsze
Jak to się zmieniało z czasem?
Wikipedia
i coraz mniejsze
Toshiba CIMG1102Ok. 2 cm 8 GBWaga 2g
oraz coraz tańszeRAMAC – komputer z pierwszym twardym dyskiem
13 IX 1956 rokPojemność dysku 4.4 MB
Obecnie koszt 1MB wynosi około 0.0002 centa
Koszt 1 MB – ~25 000 dolarów
Dyski z prostopadłym zapisem
Większa gęstość upakowania
Granica gęstości upakowania38 Gbit/cm²
Biegun powrotny
Monopolowy element zapisującyMagnetyzacja Obszar przejściowy
Obszar przejściowy
Zapis poziomy
Zapis prostopadły
Pierścieniowy element zapisujący
Formatowanie
Ścieżka – kołowy segment dysku.
Sektor – fragment ścieżki. Typowy sektor może zawierać 512 bitów danych.
Sposób w jaki zapisywane będą pliki określa tzw. system plików.
Formatowanie partycji to podzielenie fizycznego i logicznego obszaru dysku na sektory, nadanie im odpowiednich oznaczeń oraz utworzenie systemu plików.
Jak tworzyć partycje ?
Windows XP, Vista i 7 – Narzędzia administracyjne -> Zarządzanie komputerem -> Zarządzanie dyskami
Wymazują zawartość całego fizycznego dysku
PartitionMagic - dzięki temu narzędziu możemy usuwać, tworzyć i zmieniać rozmiar istniejących partycji bez utraty danych, a nawet bez ich uszkodzenia.
System Windows
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 6 z 9
Tworzenie partycji dyskuTworzenie partycji to sztuka dzielenia dysku na mniejsze części
Czy opłaca się mieć wiele partycji ?
Każda partycja jest widziana przez system jako osobny dysk, czyli w przypadku awarii programu, uszkodzenie krytycznych danych jednej partycji nie narusza integralności drugiej
Tak
Nie
Mamy wiele małych dysków, które się szybko zapełnią
Fragmentacja zbiorów
wolna przestrzeń na dysku jest podzielona na wiele małych kawałków
kawałki pojedynczych plików na dysku nie są położone obok siebie, ale są rozdzielone innymi plikami i dodatkowo rozrzucone na całym dysku
Efekt fragmentacji
dostęp do poszczególnych plików jest wydłużony,
tworzenie nowych plików trwa dłużej
Efekt nadmiernej fragmentacji jest podwójny:
Od czasu do czasu należy przeprowadzić defragmentację dysku (np. Norton Speed Disk lub deftrag dysk: -b )
A co zrobić, gdy system plików został uszkodzony ?
Zapłakać
Istnieje oprogramowanie, które pozwala na odzyskanie plików.
GetDataBack
Co zrobić, aby całkowicie usunąć zbiór ?
Aby całkowicie usunąć zbiór należy się dobrze namęczyć !
Zbiór należy nadpisać przynajmniej 7 razy !
Analiza fourierowska sygnałów elektrycznych.Analiza poziomu tła.
Macierze dyskowe
Pojemność: do 2260 TB (do 1152 dysków)
RAID - Redundant Array of Inexpensive Disks
Dane są zapisywane na kilku dyskach. W razie awarii jednego z nich system może odtworzyć utracone dane czytając je z innych dysków. Liczba kopii jest określona. Więc jeśli coś stanie się z jedną z nich, to tworzona jest dodatkowa kopia.
Virtual Array XP24000
Zespół n sprzężonych dysków
Macierze dyskowe RAID 0 i 1
Dane są przeplecione pomiędzy dyskami.
Zwiększa się szybkość zapisu i odczytu.
Całkowita pojemność = n * pojemność najmniejszego dysku.
Wada – brak odporności na uszkodzenia
RAID 0
RAID 1
Dane są powielone na n dyskach.
Są bezpieczne w razie uszkodzenia n-1 dysków.
Całkowita pojemność = pojemność najmniejszego dysku
Macierze dyskowe RAID 5
Dane są przeplecione na wszystkich dyskach.
Zwiększa się szybkość odczytu.
Całkowita pojemność = (n -1)* pojemność najmniejszego dysku.
Wady:
– zmniejsza się prędkość zapisu (liczenie sum kontrolnych)
– czasochłonne odtwarzanie danych
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 7 z 9
Bardzo szybkieBardziej odporne na uszkodzenia i temperaturę
Stosunkowo niewielka pojemność (1 TB -2010)Drogie (~ 10 zł/GB)
728,69
Dyski SSD (Solid State Drive)
OCZ 3.5'' SSD Collosus 500GB – 7200 zł
A jak to działa ?MOSFET z podwójną bramką
Kasowanie
Vg = - 12 VVs = + 6V
Zapis
Vg = + 12VVd = + 7V
Dyski HDD/SSD – hybrydy
Płyty CD i DVD
poliwęglan
lakier10-30 µm
aluminium50-100 nm 1.2 mm
etykieta
wgłębienie
Początek ścieżki Koniec ścieżki
Odczyt
laserdetektor
laserdetektor
1.6 µm
0.125 µm
0.125 µm = 1/4 długości fali lasera
1.7 µm
800 µm
n=1.55
n=1.0λ=780 nm
λ=500 nm
wgłębienie
wzmocnienie
0.5 µm
wygaszenie
Odczyt
Złącza
Złącze ATA (Advanced Technology Attachment) –magistrala równoległa (40 linii sygnałowych) -standardowo po 2 porty obsługujące do 2 urządzeń (master-slave):
prędkości transmisji: 16, 33, 66, 100, 133 MB/s.
Serial ATA – seryjne ATA – sygnał jest przesyłany szeregowo po czterech liniach (2 linie do i 2 linie od urządzenia).
prędkości transmisji: ok. 150 MB (SATA I), 300 MB/s (SATA II) i 600 MB/s (SATA III).
Seryjne ATA a normalne ATA
Transmisja może być szybsza (brak wymagania synchronizacji sygnału na wielu kablach)
Cienki kabel
Gruby kabel
Mniejszy rozmiar kabla -> łatwiejsze prowadzenie wewnątrz obudowy, kabel może być dłuższy ->
lepsze chłodzenie
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 8 z 9
Złącza
Złącze SCSI (Small Computers System Interface) –standard równoległego przesyłu danych pomiędzy komputerem a jego urządzeniami.
do 7 (a w wersji Wide i Ultra do 15) urządzeń na jednej magistrali,zaawansowane sterowanie transmisją,prędkości transmisji: 10, 20, 40 , 80, 160, 320, (640) MB/s.
CD a DVDCD DVD
λ=780 nm λ=650 nm
Płyty CD i DVDpojemność
• CD-ROM – tylko do odczytu, poj. ok. 700 MB.
• DVD – 4.7 GB/strona/warstwa
• DVD – dwuwarstwowe (9.4 GB),
dwustronne-dwuwarstwowe (17.1 GB)
BlueRay (λ=405 nm) – 25 GB/stronie/warstwie
BlueRay – dwustronny - sześciowarstwowy ~300 GB
Szybkość transmisji
Omówione urządzenia różnią się także szybkościątransmisji danych.
• Dla dysków twardych może wynosić do kilkaset MB/s
• Dla stacji dysków elastycznych - ok. 150 kB/s
• Dla czytników CD określana jest jako wielokrotnośćszybkości transmisji stacji dysków elastycznych czylioznaczenie 24x oznacza szybkość transmisji = 24*150kB/s =3600 kB/s=3,52 MB/s
Szybkość transmisji
Dla czytników DVD – wielokrotność 1350 kB/s
np. 16x -> 16x1350 kB/s ≈ 21600 kB/S (21.09 MB/s)
Dla czytników HD DVD i BlueRay – wielokrotność 4500kB/s
np. 2x -> 2x4500 kB/s ≈ 9000 kB/s (9 MB/s)
Porty
Klawiatura
Port USB
Port szeregowy
Port równoległy
Port monitora
Port do gier
USB
USB 1.1 – szybkość transmisji ok. 1.5 MB/s
USB 2.0 – szybkość transmisji ok. 60 MB/s
Port służy do dwukierunkowej transmisji danych
Urządzenia USB można łączyć w szeregW sumie do komputera można podłączyć do 127 urządzeń
„Hot-swap”
USB 3.0 – szybkość transmisji ok. 600 MB/s
Co za tydzień
Procesor tekstu
czyli
Jak napisać dobrze wyglądającą pracę licencjacką?
WordPerfectOffice
StarOffice
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 9 z 9