Rozdělení počítače, CPU, ALU, Motherboard, Řadič...

Rozdělení a vývoj počítačů

Historický vývoj

• 1938 - zosc Z1
• 1943 - MARK I
• 1945 - UNINAC
  • 1948 - tranzistor -> polovodiče
• 1958 - SAPO

Generace počítačů

• IO - Integrované obvody

• (5. generace - umělá inteligence)

Mikroprocesory

• programovatelný log. automat umístěný v jednom IO
• 1971 - Intel I-4004
• 1972 - I8008
• 1974 - I8080 -> mikropočítače
• 1978 - I8086 -> IBM PC/XT -> MSDOS
• 1985 - IBM PC/AT (I80286)
• Pentium
• Apple II - M68000

Rodělení počítačů

• mikropočítače
• minipočítače
• střediskové počítače (mainframe)
• superpočítače
• základní struktura počítačů
• 1945 - John Von Neumann

Von Neumannova koncepce počítače

John Von Neumannův model počítače

Pravidla:

1. Počítač se skládá z řediče, aritmeticko logické jednotky (ALU), paměti, vstupního a výstupního zařízení
2. Struktura počítače je nezávislá na řešeném problému
3. V paměti jsou data uložená společně s instrukcemi programu
4. Paměť je rozdělena na buňky stejné velikosti ke kterým se přistupuje prostřednictvým paměti
5. Program je tvořen posloupností instrukcí
6. Pořadí provádění instrukcí je sekvenční
7. Instrukce, data a adresy jsou kódovány binárně

Harwardská struktura počítače

Harwardská koncepce

• předpokládá existenci dvou oddělených pamětí a sběrnic
• umožňuje paralelní instrukce při běhu programu
• princip pipeline

Základní deska (motherboard, mainboard)

• deska plošných spojů s mnoha elektronickými obvody a konektory pro připojení dalších periferií počítače

Základní deska je určená:

1. Typ mikroprocesoru
2. Typ sběrnice a rychlost (takt)
3. Typ, rychlost a max. velikost paměťových modulů
4. Počet a typ rozšiřujících slotů (PCIExpress, PCIX)
5. Typ BIOSU
6. EIDE, SATA
7. Integrovaná vstupně výstupní rozhraní (V/V, I/O)
8. Integrovaný USB controler
9. Other stuff (další integrované díly)

Chipset

• el obvody sloužící pro komunikaci prvků na základní desce

Mechanická úprava základní desky

1. Propojky (jumpery)
2. Spínače (switche)

Základní typy desek:

1. ATX - AMD, INTEL - více ventilátorů
2. BTX - Pentium - lépe chlazená -> stačí 3 ventilátory

Prvky na základní desce:

1. Patice mikroprocesorů
2. Napájecí konektory ventilátorů mikroprocesorů
3. Patice (banky) po umístění operační paměti
4. Napájecí konektor
5. Konektory integrovaného rozhraní EIDE
6. Přídavný napájecí konektor ATX 12V
7. Sloty PCIExpress
8. Sloty PCIX
9. Blok integrovaných I/O konektorů 2x PS/2, USB, integrovaná zvuk. karta, síť. karta, graf. karta, sériové a paralerní bloky, game port, IEEE...
10. Rozhraní integrované graf. karty pokud je
11. Integrovaný obvod chipsetu
12. Napájecí konektory pro ventilátor chipsetu
13. Konektor integrovaného rozhraní game port
14. Napájecí konektory pro doplňkový ventilátor skříně
15. Konektory integrovaných rozhraní SATA
16. Panel konektorů pro připojení LED diod skříně
17. Konektor integrovaného sériového rozhraní COM1, COM2
18. Obvody integrovaných prvků
19. Konektory integrovaných rozhraní USB
20. Konektor AUX - Power pro dodatečné napájení zákl. desky

BIOS (Basic Input Output System)

• základní I/O systém, který slouží ke komunikaci HW s OS
• program - firmware
• ROM - Read Only Memory
• flash ROM: - AMI, ploemix, AWARD (energeticky nezávislá)
• Setup - CMOS - která je energeticky závislá (baterie)

Procesory CPU

• zákl. jednotka počítače
• log. automat na zpracování informací
• procesor obsahuje - ALU - aritmeticko logickou jednotku
• řadič - řídící část
• registry - rychlé paměti

Rozdělení CPU

1. CISC (Complete instructioon set computer)
   • úplná sada instrukcí
   • univerzální
   • v osobních počítačích
2. RISC (Reduced instruction set computer)
   • omezená sada instrukcí
   • jednodušší konstrukce
   • rychlejší
   • levnější
   • jednoúčelové
   • použití
     • servery
     • laserové tiskárny
     • v osobních počítačích

Parametry procesorů

1. Rychlost
   • taktovací frekvence [Hz] ~ GHz
2. Efektivita mikrokódu
   • Počet kroků potřebných k provedení operace
3. Numerický koprocesor
   • jednotka zajišťující operace v pohyblivé řádové čárce
4. Počet instrukčních kanálů
   • kolik operací se může provést v jednom taktu procesoru
5. Šířka slova
   • maximální počet bitů které může CPU zpracovat během jedné operace
6. Šířka přenosu dat
   • dána počtem bitů datové sběrnice
   • maximální počet bitů, které mohou být přeneseny během jedné operace z nebo do procesoru
7. Interní cache paměť (L2)
   • vyrovnávací paměť
   • paměť mezi operační pamětí a CPU
   • srovnání dat z RAM do CPU, čím větší, tím kratší dobu CPU čeká
8. Velikost adresované paměti
   • maximální velikost operační paměti, která je přístupná procesoru, kterou dokáže adresovat
9. *Počet jader *
   • počet CPU v jednom integrovaném obvodu

Základním úkolem mikroprocesorů je interpretace instrukcí v posloupnosti dané programem
1) Převzetí instrukce z operační paměti
2) Dekódování instrukce
3) Provedení předepsané operace
4) Příprava k převzetí další instrukce

(1-3 -> instrukční cyklus)

Instrukce

• Předpis k provedení nějaké (většinou jednoduché) činnosti realizovatelný přímo technickým vybavením počítače (např. přičtení jedničky, uložení hodnoty do paměti apod.)

Blokové schéma mikroprocesoru

• Přenost veškerých údajů se provádí po vnitřní sběrnici a proto se této struktuře říká sběrnicová

Aritmeticko logická jednotka (ALU)

• provádí veškeré aritmetické a logické operace
• zpracovává se paralelně

Blokové schéma ALU

Střadač (Komutátor) A

• základní registr v procesoru
• provádí se v něm zákl. výpočty
• výsledek ze střadače se uloží do
  1. Operační paměti
  2. Přímo na výstup (monitor)
  3. Do zápisníkové paměto jako mezivýsledek
• operace v ALU se provádí ve dvou taktech
  1. Obsah střadače se přenese do pomocného registru A a do pomocného registru B se z operační paměti přenese pomocný operand
  2. Obsah registru A se sečte s obsahem registru B a výsledek se přenese do střadače

Zápisníková paměť

• uložena přímo v procesoru, tvořena registry a slouží k ukládání mezi výsledků operací
• u některých CPU nahrazena jednoúčelovými nebo univerzálními registry

Zásobníková paměť (stack)

• ukazatel zásobníku SP
• LIFO - (last in first out)
  • zásobník (např u pistole - poslení vevnitř první venku)
• FIFO - (first in first out)
  • fronta (první ve vnitř první venku)

Registr podmínek (podmínkový příznaky) Flags

• příznakové bity
• OV (over flow) - přetečení
• Z (zero) - nulový výsledek
• C (Carry) - přenos do vyššího řádu
• AC (Auxillary carry) - přenos při operaci s BCD čísly
• S (sign) - poznaménkový bit
• P (parity) - parita - počítá sudý, lichý počet jedniček

Řadič

• blokové schéma řadiče

=> = více Bytové

Úkoly řadiče:

1. Dekódování typu instrukce
2. Určení adresní části instrukce a zajištění přenosu operandu
3. Zajištění přenosu dat mezi jednotlivými registry
   • MOV = přesun z C do A přesun z registru A do registru B .. A -> C

faze 1
      ___      ___
 ____|   |____|   |___

faze 2
      ___    ___    ___
 ____|   |__|   |__|   |___

Dělení řadičů:

1. Pevné řadiče - RISC počet omezených instrukcí
2. Mikroprogramovaný řadič = Cis
   • vykonává každou instrukci jako posloupnost jadnodušších mikroinstrukcí
   • mikroprogram

Knihovna mikroprogramů - paměť mikroprogramů
- signál přerušení - interupt
- priorita
- instrukční soubor
- jazyk symbolických aadres (JSA)
- nižší programovací jazyk
- zdrojový kód -> překladač (assembler) -> strojový kód (.exe)

Překladač:

1. Kompilátor - přeloží celý program do stroj. kódu počítače, potom se může spustit
2. Interpreter - překládá program instrukci po instrukci a zároveň je provádí

Typy instrukcí:

1. Aritmetické
2. Logické
3. Posuvy a rotace
4. Přesuny
5. Instrukce skoků
   • nepodmíněný - JMP adresa
   • podmíněný - JNZ adresa
6. Řídící instrukce
7. I/O instrukce