Sprzęt komputerowy

Co musi być w komputerze:

Zegar: wytwarza prostokątne impulsy synchronizując działanie układów logicznych i pamięci;
częstości 1MHz - 4 GHz, czas cyklu od 0.2 nanosekundy do 1 mikrosekundy (neurony - 1-100 Hz).
Eksperymentalne tranzystory osiągnęły szybkości przełączania bramek 845 GHz w 2007 roku; nadchodzą nanotechnologie oparte na grafenach.

CPU: Centralna Jednostka Przetwarzająca (Central Processing Unit).
Mikroprocesor - procesor wykonany w technologii VLSI.
ALU (Arithmetic Logic Unit), operacje logiczne, przesuwanie bitów, dodawanie.
FPU (Floating Point Unit), czyli jednostka zmiennoprzecinkowa, zwykle (od Pentium) wbudowana w FPU, dawniej osobna.

Pamięć stała ROM, Read Only Memory (pamięć pozwalająca tylko na odczyt)
Pamięć zapisywalna RAM.
„Bufor pamięci” - wydzielony obszar pamięci.
Pamięć cache: L1, L2 cache, czyli pamięć buforowa
L1 - w procesorze, do 512 KB
L2 - zwykle pamięć statyczna SRAM o krótkim czasie dostępu, droga, 0.5-2 MB, nowsze mikroprocesory mają wbudowaną pamięć L2 do 8 MB (4x2MB dla każdego rdzenia).
L3 jest w Itanium 2, od 6-24 MB.

Magistrale (szyny): przysyłanie danych do urządzeń zamontowanych wewnątrz komputera, dysków i kart rozszerzeń.

Szyna adresowa: wysyła informację z CPU do pamięci pozwalając odszukać adres komórki pamięci.

Szyna danych: przesyła dane, znajdujące się w pamięci pod wskazanym adresem do/z CPU.

Adresowanie, przestrzeń adresowa.
Komórki pamięci (memory cells) - najmniejsza bezpośrednio adresowalna grupa bitów pamięci RAM

Adresowanie pamięci = odnajdywanie miejsc, z których chcemy pobrać lub wpisać bajty.
Szerokość = liczba równoległych połączeń w szynie.
Szerokość 8 (szyna 8-bitowa) pozwala rozróżnić 2⁸=256 komórek.
Szerokość 16 (szyna 16-bitowa) daje 65536 czyli 64k możliwości.
Szerokość 20, 1M adresów.
Szerokość 32, 4G adresów.
Szerokość 64, 16 mld mld adresów! Na jakiś czas wystarczy ...

Przestrzeń adresowa rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem szerokości szyny adresów.
Typowe szyny 20, 24, 32, 64-bity, 128 i 256 bitów (karty graficzne).
Oprócz szerokości szyny ważna jest szybkość taktowania.

FSB (Front Side Bus), magistrala danych łącząca pamięć z CPU, zwykle 64-bitowa, wymaga szybkich pamięci:
Szyna taktowana jest zegarem 400 do 1066 MHz (Intel extreme), w realnych testach 1.5-4 GB/s.

Układy I/O (Input/Output), wejścia/wyjścia: komunikacja procesora ze światem zewnętrznym.
Kanały I/O: wyspecjalizowane procesory służące komunikacji.
Kontrolery I/O, graficzne: obsługa komunikacji

Teoretyczna szybkość różnych szyn: PCI-X-1066 do grafiki do 8.5 GB/s, ale wymagane są b. szybkie pamięci RAM.

Koprocesory: graficzne/numeryczne, dodatkowe transformacje danych.

Kanały bezpośredniego dostępu (DMA) pozwalają na omijanie mikroprocesora przy transmisji danych pomiędzy pamięcią a urządzeniami zewnętrznymi.

Łącza (porty) zewnętrzne: dołączone do układów I/O porty, np. szeregowy  (serial port), równoległy (parallel port), PS2, porty USB, Firewire etc.

Układy wspomagające mikroprocesor (chipset): decydują o integracji całości.
Chipset obsługuje pamięć i złącza PCI, AGP, IDE do urządzeń zewnętrznych.
Popularne: Intel serii 800 i 900, np Intel 945PM/GM do płyt dla procesorów Core Duo..

Zasilanie.

Nieco bardziej szczegółowy schemat komputera z dwoma procesorami P3.

Nieco bardziej szczegółowy serwera z procesorami P3 Xeon.

Mikroprocesory

Technologia budowy: starsza 90 nm, teraz 65 i 45 nm, najnowsze 32 nm (czyli 3.2/100 000 mm); im mniejsze struktury tym ich więcej, mniejsze jest też zużycie energii.
Wiele rdzeni w jednym procesorze, duo, quad - powszechne, ale Intel pokazał już w 2007 r. działający mikroprocesor 80-rdzeniowy o szybkości teraflopa!

Mikroprocesory Intela - dokładne informacje.

Mikroprocesor zawiera:

Arytmometr - wykonuje operacje logiczne i arytmetyczne na 4-64 bitach.
Rejestry - podręczne komórki pamięci: licznik rozkazów, rejestr rozkazów, akumulator, rejestry pomocnicze.

Mikroprocesor interpretuje 20 do 200 instrukcji, w zależności od typu:

Architektury mikroprocesorów typu:

RISC (Reduced Instruction Set Computer), 1-5 instrukcji/cykl.
CISC (Complex Instruction Set Computer), 2-10 cykli/instrukcję.

Przerwania (IRQ): system przejmowania kontroli nad czynnościami mikroprocesora.

Jak to działa?

Cykl instrukcji (instruction cycle):

1. Pobierz instrukcje.
2. Pobierz dane z pamięci.
3. Wykonaj instrukcję.
4. Zapisz wynik w pamięci.

Do wykonywania operacji logicznych i arytmetycznych służy arytmometr.
Komórki pamięci procesora nazywają się rejestrami.
Np. licznik rozkazów, który zawiera adres następnego rozkazu do wykonania,
rejestr rozkazów zawierający kod wykonywanego aktualnie rozkazu,
akumulator przechowujący dane,
rejestry pomocnicze.

System komputerowy

Elementy systemu, na które trzeba zwracać uwagę:

• mikroprocesor i płyta główna - różne procesory mają różne podstawki, uwaga przy planach rozbudowy;
• chipset obsługujący płytę główną - decyduje o typie obsługiwanego RAM i szynie do grafiki;
• liczba wolnych gniazd - zależy od typu obudowy i wielkości płyty;
  
• porty, oprócz standardowych ile USB, czy jest i-link, port IrDa (podczerwony);
• pamięć RAM i pamięć podręczna L1 i L2;
  
• dyski twarde, kontrolery dysków;
  
• dyskietki, CD-ROM/DVD i inne napędy wymiennych nośników;
  
• podsystem graficzny;
  
• monitor, ekrany dotykowe;
  
• klawiatura (może być wirtualna na dotykowym ekranie);
  
• wskaźniki: mysz, joystick, tabliczka graficzna;
  
• peryferia: kamery, dodatki.

Wydajny system komputerowy: właściwego dobór wszystkich elementów systemu.
Zaglądać do pism komputerowych!

W komputerach z procesorami Intel Pentium różnice wydajności (średnie dla wielu aplikacji):
z powodu niewłaściwie dobranych kart graficznych > 40% (aplikacje graficzne),
dodanie RAM i pamięci L2 ok. 30%,
szybszy dysk ok. 10%.