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