Personalni računari - Hardver računara Veljko Stanković
Uvod
1010011 1110100 1100001 1010110
― Arhitektura i organizacija računara Funkcionisanje OS-a je usko povezano pov ezano sa hardverom računara na kome radi. Neophodno je da bude prilagođen onome kako programer vidi računar, njegovim mogućnostima i strukturom. OS upravlja i kontroliše I/O uređaje OS mora da obezbedi ispravno funkcionisanje sistema
Uvod
1010011 1110100 1100001 1010110
― Arhitektura i organizacija računara Funkcionisanje OS-a je usko povezano pov ezano sa hardverom računara na kome radi. Neophodno je da bude prilagođen onome kako programer vidi računar, njegovim mogućnostima i strukturom. OS upravlja i kontroliše I/O uređaje OS mora da obezbedi ispravno funkcionisanje sistema
1010011 1110100 1100001 1010110
Uvod
― Moderni računari se sastoje od CPU i određenog broja kontrolera
povezanih uz pomoć jedne ili više magistrala. ― Svaki kontroler je zadužen da upravlja radom jednom vrstom uređaja.
HDD, audio uređaji, monitori... Monitor
HDD Tastatura
CPU
Memorija
Video kontroler
Kontroler tastature
HDD kontroler
CD/DVD
Kontroler optickog uredjaja
1010011 1110100 1100001 1010110
Uvod ― Na najvišem nivou, računar se sastoji od: Procesora Kontroliše
rad računara i vrši obradu podataka. Obično se koristi naziv centralna procesorska jedinica (CPU – central processing unit)
Glavna memorija Služi
za skladištenje podataka i programa. Može biti
Volatilna »
Gubi sadržaj sa prekidom napajanja
Nevolatilna »
Ne gubi sadržaj sa prestankokm napajanja
1010011 1110100 1100001 1010110
Uvod ― Na najvišem nivou, računar se sastoji od: Ulazno-izlazni uređaji (I/O blok) Posreduju
pri razmeni podataka između računara i njegove okoline.
Sistemska magistrala Povezuje
sistema.
i omogućava razmenu podataka između različitih blokova računarskog
Uvod ― Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Uvod
1010011 1110100 1100001 1010110
― Organizacija računara Jedna od funkcija CPU jeste da razmenjuje podatke sa memorijom. U tu svrhu se koriste dva interna registra: MAR
(memory address register) služi za skladištenje adrese za upis/čitanje podataka MBR (memory buffer register) sliži za smeštanje podataka koji se čitaju/upisuju iz/u memoriju.
Sličnu funkciju za komunikaciju sa I/O uređajima imaju i I/OAR i I/OBR. Memorija se sastoji iz niza sukcesivnih memorijskih lokacija određene dužine u bitima.
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
― CPU predstavlja “mozak” računara ― CPU izvršava instrukcije nad podacima koji su smešteni u memoriji Tipični procesori danas: Opšte namene: Intel i AMD; DSP: TI, Analog devices; FPGA: Xilinx Parametar rada procesora: frekvencija generatora takta Tipične frekvencije danas: 1-3 GHz Svaki CPU ima poseban skup instrukcija koje može da izvršava. Svaki CPU sadrži određeni broj registara u kojima smešta privremene podatke i međurezultate Uobičajeni skup instrukcija uključuje: Instrukciju
za pribavljanje podataka iz glavne memorije u registre CPU-a Instrukciju za smeštanje podataka iz regustra CPU-a u glavnu memoriju Prilikom izvršenja instrukcija kombinuju se podaci iz registara, memorije ili iz registara i memorije kako bi se dobio rezultat.
Organizacija računara ― CPU sadrži: jedan ili više blokova koji izvršavaju operacije, ALU
(arithmetic-logic unit) ili FPU (floating-point unit)
kontrolni blok internu magistralu i skup registara za privremeno skladištenje podataka i instrukcija. Skup
registara se razlikuje kod različitih CPU
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
― Registri CPU se mogu takođe podeliti na: Korisničko vidljive i Omogućavaju
programerima da smanje pristup glavnoj memoriji (GM) ili sekundarnoj memoriji i ubrzaju izvrsenje programa. Neki HLL, kao sto je C, omogucavaju programeru da sugerise kompajleru koje registre da koristi, a kompajler ce pokusati da optimizuje iskorišćenje memorijskih resurs.
Registre nedostupne korisniku. Koristi
ih CPU ili privilegovane rutine operativnog sistema (OS) da kontrolišu rad CPU ili izvršenje programa.
― Ne može se napraviti jasna razlika između ove dve grupe registara,
jer se u zavisnosti od primene i konkretnog slučaja mogu svrstati u jednu ili drugu grupu.
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
― Registri CPU vidljivi programeru CPU obično sadrži određeni broj registara opšte namene Služe
za smeštanje podataka i međurezultata
Adresni registri Indeksni registri Pokazivač
vrha magacina (stack pointer)
Adresa vrha magacina Magacin sadrži deo za svaki program koji se trenutno izvrsava Deo magacina koji pripada nekom programu sadrzi one ulazne, lokalne i pomocne promenljive koje nisu smestene u registrima CPU-a
Segmentni registri
GM je podeljena na blokove promenljive veličine. Segmentni registri omogućavaju ovakav način uprvaljanja glavnom memorijom. Segmentni resitri čuvaju baznu adresu segmenta. Mogu se rezervisati registri za OS i za programe koji se konkurentno izvršavaju.
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
― Kontrolni i statusni registri CPU Određeni skup registara se koristi za urpavljanje i kontrolu rada CPU. Mnogi od njih su nedostupni programeru, dok su neki dostupni samo u kernel modu. Pored MAR, MBR, I/OAR i I/OBR u ovu grupu spadaju i Programski brojač (PC - program counter)
Sadrži adresu sledeće instrukcije koju treba izvršiti
Instrukcioni registar (IR) Programska statusna reč (Program Status Word –
PSW)
Sadrži kontrolne bite koje postavljaju rezultat instrukcija za kontrolu toka programa, mod rada CPU, prioritet izvrsavanja itd.
Ciklus izvršenja instrukcije
1010011 1110100 1100001 1010110
― Program koji se izvršava na CPU se sastoji od niza instrukcija koje
su smeštene u memoriji računara. ― Ciklus izvršenja instrukcije se u najjednostvnijem slučaju sasotji iz sledećih faza:
Pribavljanje instrukcije (IF – Instruction fetch) Dekodiranje instrukcije (ID – Instruction decoding) Pribavljanje operanada (MA – Memory access) Izvršenje operacije (EX – Execute) Skladištenje rezultata (WB – Result write back)
1010011 1110100 1100001 1010110
Ciklus izvršenja instrukcije
― Da bi se ubrzao rad procesora vrši se protočna obrada instrukcija. ― RISC procesori, Pipelining Umesto da čeka da se završi izvršenje jedne instrukcije da bi krenulo sa izvršenjem sledeće, CPU obrađuje više instrukcija istovremeno. Više instrukcija se istovremeno izvršava, ali u različitim fazama ciklusa izvršavanja. Protočna obrada instrukcija nosi mnogo problema za programera koji mora da ih predvidi prilikom pisanja programa. Superskalarni procesor Superprotočni procesor
IF
ID
EX
MA
WB IF
IF
ID
EX
MA
WB
IF
ID
EX
MA
WB
IF
IF
ID
EX
MA
WB
IF
ID
IF
ID
EX
MA
WB
IF
ID
EX
ID
EX
MA
WB
IF
ID
EX
MA
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
― Većina CPU-a, izuzev najjednostavnijih, ima dva moda rada Korisnički mod Zastićeni (supervizorski, kernel) mod ― Mod je naznačen bitom u okviru PSW registra U zastićenom modu, CPU može da izvrši bilo koju instrukciju i pristupi svom raspoloživom hardveru OS se izvršava u zaštićenom modu Korisnički programi se izvršavaju u korisničkom modu Imaju
pristup samo određenim instrukcijama i resursima sistema Sve I/O instrukcije i instrukcije za upravljanje memorijom su zabranjene Pristup mod bitu PSW registra je zabranjen
Organizacija računara ― Matična ploča Štampana ploča na kojoj su sistemom magistrala povezani elementi računarskog sistema.
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara Matična ploča
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara Matična ploča
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
― Čipset (Chipset) predstavlja skup integrisanih kola na matičnoj ploči
određene namene. ―
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Sistem magistrala racunarskog sistema predstavlja skup vise razlicitih magistrala koje se koriste za povezivanje razlicitih komponenti u okviru racunarskog sistema.
Organizacija računara Magistrale Problem dodele i arbitraze na magistrali Asinhrone i sinhrone magistrale
Glavne magistrale koje se mogu sresti u racunarskim sistemima ISA – Industry Standard Architecture PCI – Peripheral Component Interconnect Konvencionalna PCI PCI-X PCI Express
Specijalne magistrale IDE, SATA USB SCSI
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Magistrale Nevidljive su na matičnoj ploči i predstavljaju kod PC-ja ono što kod čoveka predstavlja krvotok. Termin magistrala ili sabirnica potiče od engleske reči bus -> magistrala, autoput. One služe za prenos podataka između CPU i drugih elemenata na ploči i van nje. U zaisnosti od podataka koje prenose, postoje: Sistemska, adresna magistrala, ulazno/izlazna magistrala, memorijska magistrala, lokalna magistrala.
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Magistrale Širina magistrale (16-bitna, 32-bitna, 64-bitna magistrala) određuje propusnu moć magistrale, odnosno broj bajtova u sekundi koje magistrala mo že preneti.
Takt ili brzina magistrale zajedno sa prethodnim parametrom određuje propusni kapacitet magistrale.
Organizacija računara PCI express magistrala Treba da zameni starije PCI, PCI-X i AGP Serijska komunikacija Veza između dva uređaja – link Link se sastoji iz vise staza (lane) x1, x2, x4, x8, x12, x16, x32
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Memorija racunara Registri U okviru CPU, brzi, skupa izrada, mali broj Kapacitet registara je 32× 32 (32b CPU) i 64× 64 (64b CPU).
Kes memorija (cache mempry) Zasnovana na predpostavci vremenskoj i prostornoj lokalnosti izvrsavanja programa Velika verovatnoca da ce program u odredjenom vremenu pristupati odredjenoj grupi podataka ili instrukcija u memoriji
Kada program treba da ucita podatak iz memorije, on prvo proverava da li se on nalazi u kes memoriji. Ako se podatak nalazi u kes memoriji to se naziva kes pogotkom i ne pristupa se glavnoj memoriji. Posebnim algoritmima za pribavljanje podataka, moguce je imati verovatnocu pogotka i do 99% Kes memorija je zbog cene i brzine organizovana u nivoe.
Organizacija računara Memorija racunara Kapacitet memorijskog medijuma: Bit: jedna binarna cifra, promenljiva sa dva stanja (0/1) Bajt: 8-bitna binarna reč, promenljiva sa 2 8 = 256 vrednosti Neimenovani brojevi: 1K = 210 = 1024 1M = 210 K = 220 1G = 210 M = 230
Kapacitet, npr.: 1GB = 2 10MB = 230B
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Memorija racunara Glavna memorija Memorija sa slucajnim pristupom (RAM – Random Access Memory) Znatno većeg kapaciteta od keš memorije i sporija
Čvrsti disk (HDD – Hard disk drive) Veoma veliki kapacitet i znatno jeftinija od glavne memorije. Direktan pristup podacima koji su organizovani u vidu blokova. Mehanicki uredjaj pa je i brzina pristupa podacima znatno manja. Sastoji se iz jedne ili vise metalnih ploca koje rotiraju brzinom od 5400, 7200 ili 10800 obrtaja u minuti. Upisi i citanje podataka se vrsi preko magnetne glave lociranoj na mehanickoj polugi. Prostor na HDD je podeljen na staze, sektore i cilindre.
Read only memory (ROM) EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) Ucitavanje bootstrap loader-a, parametri sistema (CMOS) itd.
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Glavna memorija Mogućnost čitanja i upisa – RAM ( Random Access Memory ) Gubi sadržaj gubitkom napajanja (neperzistentna memorija) Brz i direktana pristup podacima (reda nanosekundi) Tipični kapacitet danas: 128MB, 256MB, 512MB, 1GB Ukupni adresni prostor procesora: 2 32B = 22*230B= 4GB U obliku paketa čipova koji se ugrađuju direktno na matičnu ploču računara
Tvrdi diskovi (hard disk ): Mogućnost čitanja i upisa Ne gubi sadržaj gubitkom napajanja (perzistentna memorija) Relativno brz pristup (reda milisekundi), ali značajno sporiji nego RAM Tipični kapacitet danas: nekoliko desetina do stotina GB Uređaj koji se ugrađuje u kućište računara i priključuje na priključnice na matičnoj ploči
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
CD i DVD diskovi: Mogućnost čitanja, a upis samo sa posebnom vrstom uređaja ( CD/DVD writer) i diskova i samo jednom ili više puta Ne gubi sadržaj gubitkom napajanja (perzistentna memorija) Sporiji nego tvrdi disk, ali brži nego flopi disk Kapacitet: oko 700MB (CD) ili oko 4.7GB (DVD) Uređaj koji se ugrađuje u kućište računara i priključuje na priključnice na matičnoj ploči Diskovi su izmenjivi
Organizacija računara USB Flash memorija: Mogućnost čitanja i upisa Ne gubi sadržaj gubitkom napajanja (perzistentna memorija) Direktan pristup podacima. Sporiji nego operativna memorija, ali brži nego diskovi Tipični kapacitet danas: 128MB, 256MB, 512MB Uređaj koji se priključuje na spoljašnju USB priključnicu
Zip diskovi: Mogućnost čitanja i upisa Ne gubi sadržaj gubitkom napajanja (perzistentna memorija) Sličan po konstrukciji i brzini pristupa kao i flopi diskovi Tipičan kapacitet: 100-250 MB Uređaj koji se priključuje na spoljašnju priključnicu ili ugrađuje u kućište Diskovi su izmenjivi, liče na flopi diskove, neznatno su veći
1010011 1110100 1100001 1010110
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
Memorija utiče na performanse sistema Performanse sistema zavise od politike smestaja i politike zamene podataka u kes memoriji Ako se neki program duze izvrsava stopa pogodaka u kes memoriji ce biti velika Pri cestoj zameni programa koji se izvrsavaju neophodno je unapred pribaviti podatke kako stopa pogodaka ne bila mala
Stanje pri izvrsenju programa je odredjeno stanjem registara MMU Pri promeni programa koji se izvrsavaju (context switch) potrebno je sacuvati sadrzaj ovih registara U praksi ne tako jednostavan problem
Organizacija računara
1010011 1110100 1100001 1010110
I/O uredjaji I/O uredjaji se obicno sastoje iz kontrolera i samog uredjaja Kontroler je cip koji se nalazi na maticnoj ploci i fizicki kontrolise rad I/O uredjaja i prima naredbe od OS-a Upravljanje I/O uredjajem je veoma komplikovano pa I/O kontroler ima zadatak da za OS uredjaj predstavi preko jednostavnog interfejsa
Posto se I/O kontroleri razlikuju, za svaki je potreban drugaciji softver da bi se njime upravljalo Softver koji se koristi za upravljanjem I/O kontrolerom se naziva drajver (device driver) Da bi mogao da se koristi, drajver je potrebno smestiti u OS kako bi mogao da se izvrsava u zasticenom modu
Ostali periferni uređaji Grafička kartica Zvučna kartica Modem Monitor Tastatura Miš Mrežna kartica Štampač
1010011 1110100 1100001 1010110
1010011 1110100 1100001 1010110
Hardver računara Napajanje Tastatura PS/2 USB uredjaj i Monito r (S/VG A) Mreža TV kartica
Miš PS/2 COM 1 Paraleln i port COM 2 Mode m Zvučnici
