Procesory, Vnitřní a vnější paměti

1. Procesory, Vnitřní a vnější paměti Případová studie z Operačních systémů Vypracoval: Ondřej Pavelka Martin Štuka

2. Procesory • Historie vývoje • Cyrix • IDT • INTEL • AMD

3. Hluboká historie • 1971 - firma Intel představila svůj první mikroprocesor 4004 (4bitový procesor měl frekvenci 108 kHz a obsahoval 2300 tranzistorů ) • v roce 1972 následoval rychlejší 8bitový procesor 8008 s frekvencí 200 kHz • 8080 byl vyroben poprvé v roce 1974. Pracoval již na frekvenci 2 MHz • 1978 následoval procesor 8086 • 1979 16bitový procesor 8088

4. Když už jsme byli na světě… • V roce 1982 byl uveden na trh procesor 80286 se 134 000 tranzistory a frekvencí od 6 do 12 MHz. • V roce 1985 byl uveden následník procesoru 80286 - 32bitový procesor Intel386 DX s frekvencí od původních 16 MHz až po 33 MHz (adresoval až 4 GB paměti, multitasking ,…) • V roce 1989 uvedla firma Intel na trh procesor Intel486 DX, který byl asi 50krát výkonnější než procesor 8088 a obsahoval už přes milion tranzistorů a také matematický koprocesor

5. Proč Pentium a ne 586, 686, …? • Firma Intel opět nebyla jediná, která vyráběla procesory 486 – stejně označené procesory nabízely také firmy AMD a Cyrix. Aby se společnost Intel mohla odlišit od konkurence, rozhodla se procesor nové generace označit jinak. • Po výběrovém řízením vyhrálo nakonec Pentium.

6. Historie Pentia • Pentium s frekvencí 60 a 66 MHz byly představeny v roce 1993 (již přes 3 miliony tranzistorů a rychlost přes 100 MIPS ) • 1994 následovalo 90MHz a 100MHz Pentium a postupně světlo světa spatřil i 200MHz procesor Pentium • 1997 byly představeny 166MHz a 200MHz procesory Pentium s technologií MMX (instrukční sada byla rozšířena o další instrukce)

7. Pentium II představené v r. 1997 měly frekvence 233 MHz, 266 MHz a 300 MHz a byly tvořeny 7,5 milionu tranzistorů (vybaveny vyrovnávací pamětí druhé úrovně ve velikosti 512 KB) • AMD mezitím konkurenčně procesory do socketu 7 a to levněji se stejným výkonem • Pentium II pro slot 1 • 1998 uvedla na trh procesor Intel Celeron s jádrem Covington • procesor Pentium Pro hlavně pro server • červen 1998 představeno ještě Pentium II Xeon • Pentium III a nyní IV

8. AMD a jejich historie 1969 - vzniká Am9300, 4-bitový MSI posuvný registr 1986 - představena řada 29300 (32-bitové čipy); 1987 - AMD začíná spolupráci se Sony na technologii CMOS. 1991 - AMD mikroprocesory řady Am386. končí monopol firmy Intel v této oblasti 1993 - představeny první mikroprocesory řady Am486 (1 mil. tranzistorů) jaro 1997 - uveden procesor AMD-K6 1998 - uveden procesor AMD-K6-III srpen 1999 - představen procesor AMD Athlon, první procesor sedmé generace; červen 2000 - uveden procesor řady AMD Duron srpen 2000 - uveden procesor AMD Thunderbird září 2001 - nový Duron s jádrem Morgan listopad 2001 - uveden inovovavý Athlon XP s jádrem Thoroughbred červen 2002 - uvedení procesoru AMD Athlon Thoroughbred konec roku 2002 - uvedení procesoru ClawHammer jaro 2003 - procesor AMD Opteron známý pod kódovým označením SledgeHammer NEUSÍNEJTE !!!!

9. CYRIX • První klon procesoru x86 vyrobila v roce 1992 a od té doby je konkurentem firmy Intel. • procesory 486DX2/DX4 s frekvencí od 50 MHz do 100 MHz a také speciální verze těchto procesorů pro notebooky • Podobně jako AMD u procesorů K5 používal i Cyrix hodnocení P-Rate • Kromě procesorů 6x86MX a MII vyráběla společnost Cyrix také procesor MediaGX • Cyrix byl koncem roku 1999 pohlcen firmou VIA Technology.

10. IDT Dalším výrobcem “klonů” procesorů x86 je u nás málo známá společnost IDT (Integrated Device Technology). Výrobou procesorů se zabývá dceřiná společnost této firmy, nazvaná Centaur Technology. Procesory této firmy se k nám dlouhou dobu nedodávaly, ale nyní je do svých počítačů instaluje několik firem.

11. A teď konkrétně……

12. AMD K5 • AMD uvedlo na jaře roku 1996 své ekvivalenty k procesorům Pentium pod označením K5 • Procesory byly označované jako K5-PR133, ale ve skutečnosti procesor běžel na 100 MHz, ale výkonem odpovídal Intelu 133.

13. AMD K6 • má interně mnohé znaky RISCových procesorů, zvládá ale i MMX instrukce a je plnohodnotnou alternativou Pentia MMX • K6 se poměrně dobře přetaktovává

14. AMD K7 • procesor byl vyrobený v roce 1999 • Pouzdro typu SECC do Slotu A, 22 milionů tranzistorů • dvojportová L1 cache má 64kB • K7 komunikuje na FSB 200 MHz (DDR).

15. AMD Athlon Thunderbird • vyrobený v roce 2000 • Narozdíl od původních Athlonů má tzv. cash paměť "on-die", to znamená, že jeho cash běží stejnou rychlosti jako procesor • 37 milionů tranzistorů • Maximální teplota jádra je 90°C • Jeho výkony jsou do 1350 MIPS

16. AMD Athlon XP Palomino • jádro Palomino, QuantiSpeed architektura Socket A 266MHz FSB 3DNow! Professional (podpora SSE) 128KB L1 cache, 256KB L2 cache 0,18 mikronový výrobní proces • Athlon XP procesory dokáží využít i aplikace optimalizované pro Pentium 4

17. AMD Athlon XP Barton • označením Barton přináší oproti svému předchůdci Thoroughbred dvojnásobnou L2 cache, díky čemuž dosahuje vyššího výkonu při stejné reálné frekvenci • Techické parametry • Jádro Barton, QuantiSpeed architektura ,Socket A • 333MHz FSB, 3DNow! Professional (podpora SSE) • 128KB L1 cache, 512KB L2 cache , 0,13 mikronový výrobní proces

18. AMD Athlon XP Thorton • V podstatě se jedná o levnější verzi jádra Barton, z něhož vychází, má poloviční L2 cache a pomalejší sběrnici • také devítistupňová superskalární x86 mikroarchitektura. Ta obsahuje tři out-of-order pipeline pro výpočty s plovoucí desetinnou čárkou, která provádí také MMX a 3DNow

19. AMD Duron Morgan • odvozeno od procesorů Athlon XP s jádrem Palomino (1/4 cache) • jádro Morgan • Socket A • 266MHz FSB • 3DNow! Professional (podpora SSE) • 128KB L1 cache, 64KB L2 cache • 0,18 mikronový výrobní proces

20. AMD Athlon 64 • postaveny na 64bitové architektuře, čímž spadne hranice 4GB adresovatelného prostoru a posune ji tak na 256TB • 128kB L1 cache (64kB+64kB, nyní s ECC) a 1MB L2 cache. Jádro je vyráběno 0,13mikronovou technologií s pomocí technologie SIO (Silicon On Insulator), umístění křemíku na dielektriku (v tomto případě kyslíku) a má velikost 193mm2 (Barton 101mm2) • Jádro má 105,9 milionů tranzistorů oproti 54,3 milionům u Athlonu XP.

21. INTEL Pentium MMX • Vychází z originálního Pentia. Liší se především ve výkonnosti v multimédialních aplikacích, protože obsahuje instrukce MMX • Pentium MMX vyžaduje duální napětí oproti Pentiu • 32 KB L1 cache (16 KB data, 16 KB instrukční cache), bez L2 cache na chipu- ta je na základní desce • určen je pro Socket 7 • 57 nových instrukcí MMX • napětí 2,8 V, I/O interface 3,3 V

22. Pentium II • vyrobeno 0.35 mikronovou technologií , později 0.25 mikronovou s menší spotřebou • Pro Slot 1 Pentium II existují frekvence od 233 do 450 MHz • starší jsou 0.35, 0.25 a novější 0.18 mikronové • procesor má MMX instukce • má 32 KB L1 cache a 256 (512) KB L2 cache • podpora 2 procesorového systému

23. Pentium III Coppermine • Procesor podporuje 133 MHz FSB, 256 KB L2 cache , 0.18 mikronovou technologií • K tomuto procesoru byla i přiřazena nová patice FC-PGA • 32KB L1 cache • 256-512KB L2 cache, pracuje na stejné frekvenci jako procesor • 133MHz sběrnice • MMX, SSE instrukce

24. Pentium III Tualatin • zmenšení výrobního procesu a umožnilo tak dosáhnout vyšších frekvencí a přitom snížit napájecí napětí a spotřebu procesoru • dostupné na frekvencích 1,13GHZ a 1,20GHz • 0,13 mikronová výroba • FC-PGA Socket 370 • 32KB L1 cache • 256-512KB L2 cache, pracuje na stejné frekvenci jako procesor • 133MHz sběrnice • MMX, SSE instrukce

25. Pentium IV Willamette • je vyrobeno 0.18 mikronovou technologií • obsahuje 42 mil. tranzistorů • 8 kB L1 cache pro data + 12 kB L1 cache ETC, 256 kB L2 cache • běží na 400 MHz • je určen pro Socket 423/478

26. Pentium IV Northwood • frekvencemi od 2GHz již používá nové jádro s kódovým názvem Northwood • je vyrobeno 0.13 mikronovou technologií • má 55 mil. tranzistorů • 8 kB L1 cache pro data + 12 kB L1 cache ETC, 512 kB L2 cache • je určen pro Socket 478 • jádro běží na 400 MHz, u nejnovějších modelů běží na 533 MHz

27. Pentium IV Hyper-Threading • Zkratka "HT" v označení procesorů Pentium 4 znamená, že podporují Hyper-Threading technologii. Stručně lze říci, že tato technologie umožňuje procesoru chovat se jako dva logické procesory běžící na stejné frekvenci a sdílející systémové prostředky • Jeden procesor tak může zpracovávat dvě programová vlákna (thready) současně, pokud má v danou chvíli volné prostředky

28. Intel Celeron • Intel Celeron je vlastně "ořezaná verze" Pentia II • 0.25/0.18 mikronová technologie výroby • Socket 370 (PPGA), FC-PGA nebo starší Slot 1 • Celeron instrukce MMX, Celeron II i SIMD • 32 KB L1 cache • 128 KB L2 cache Mendocino a Celeron II

29. Vnitřní a vnější paměti

30. registry: paměťová místa na čipu procesoru, která jsou používaná pro krátkodobé uchování právě zpracovávaných informací vnitřní (interní, operační) paměti: paměti osazené většinou na základní desce. Bývají realizovány pomocí polovodičových součástek. Jsou do nich zaváděny právě spouštěné programy (nebo alespoň jejich části) a data, se kterými pracují. vnější (externí) paměti: paměti realizované většinou za pomoci zařízení používajících výměnná média v podobě disků či magnetofonových pásek. Záznam do externích pamětí se provádí většinou na magnetickém nebo optickém principu. Slouží pro dlouhodobé uchování informací a zálohování dat.

31. Základní parametry pamětí kapacita: množství informací, které je možné do paměti uložit • přístupová doba: doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci • přenosová rychlost: množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času • statičnost / dynamičnost: • statické paměti: uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí • dynamické paměti: zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě. • destruktivnost při čtení: • destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána. • nedestruktivní při čtení: přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní. • energetická závislost: • energeticky závislé: paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí • energeticky nezávislé: paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. • přístup • sekvenční: před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace • přímý: je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci • spolehlivost: střední doba mezi dvěma poruchami paměti • cena za bit: cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti

32. Vnitřní paměti Typy pamětí, paměťové moduly, přenosové rychlosti • Interní paměti jsou zapojeny jako matice paměťových buněk. Každá buňka má kapacitu jeden bit. Takováto buňka tedy může uchovávat pouze hodnotu logická jedna nebo logická 0.

33. Vnitřní paměti je možné rozdělit do následujících základních skupin: • ROM • PROM • EPROM • EEPROM • Flash • RAM • DRAM • SRAM • RIMM

34. Paměti ROM (Read Only Memory) • určeny pouze pro čtení informací • Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit • statická, energeticky nezávislá paměť • může být realizována jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu nebo také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS

35. Paměti PROM (Programable Read Only Memory) • Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislé paměti.

36. Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory) • Paměť EPROM je statická energeticky nezávislá paměť, do které může uživatel provést zápis. Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření. Tyto paměti jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních tranzistorů

37. Paměti EEPROM (Electrically EPROM) • jedná se o statickou energeticky nezávislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že vymazání se provádí elektricky

38. Paměti Flash • Flash paměti jsou obdobou pamětí EEPROM. Jedná se o paměti, které je možné naprogramovat a které jsou statické a energeticky nezávislé. Vymazání se provádí elektrickou cestou, jejich přeprogramování je možné provést přímo v počítači.

39. ROM (Read Only Memory) • Obsah této paměti je určen při výrobě a nelze jej měnit. V počítačích PC paměť ROM obsahuje kód programu na testování počítače při jeho spuštění a BIOS

40. RAM (Random Access Memory) • Takto se označuje libovolná (polovodičová) paměť, do které je možno libovolně přistupovat a cokoli měnit. Po ztrátě napětí (výpadku proudu) se veškeré informace v ní uložené ztratí. V počítači je základní pamětí pro ukládání aktivních programů a dat.

41. Statická a dynamická RAM • Paměti SRAM (Static Random Access Memory) uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení • Dynamická paměť – DRAM nejlevnějším typem paměti, data jsou ukládána jako náboj v kondenzátorech, proto je také nutné je často obnovovat.

42. EDO RAM (Extended Data Out) • vznikla urychlením paměti DRAM. Je rychlejší než obyčejná RAM. Známe je z tzv. SIMM modulů (pamětí). • Paměti SDRAM • Ty postupně vytlačily paměti EDO RAM. Tyto paměti začaly na taktu 66 MHz, jsou označovány jako paměti PC66. Dnes jsou na trhu ještě paměti PC100 (100 MHz) a PC133 (133 MHz). • DDR (Double Data Rate) • Paměť s dvojnásobnou rychlostí přenosu. Ta dokáže pracovat s oběma hranami taktu, proto to vypadá, že DDR paměť pracuje s dvojnásobným taktem. • RDRAM (Rambus DRAM)Paměť vyvinutá společností Rambus. Integruje v sobě DRAM paměťové bloky, řadič paměti a vysokorychlostní RDRAM sběrnici. Tento typ paměti má extrémně vysoký takt a tudíž i rychlost.

43. Přenosové rychlosti pamětí

44. Cache paměti • Cache paměť je rychlá vyrovnávací paměť mezi rychlým zařízením (např. procesor) a pomalejším zařízením (např. operační paměť). V dnešních počítačích se běžně používají dva druhy cache pamětí: • -externí • -interní

45. externí (sekundární, L2) cache: • umístěna mezi pomalejší operační pamětí a rychlým procesorem. Vyrobena jako rychlá paměť SRAM. První externí cache paměti se objevují u počítačů s procesorem 80386. Jejich kapacita je 32 kB popř. 64 kB. S výkonnějšími procesory se postupně zvyšuje i kapacita externích cache pamětí na 128 kB, 256 kB, 512 kB. Externí cache paměť je osazena na základní desce počítače (výjimku tvoří procesory Pentium Pro a Pentium II, které mají externí cache paměť integrovánu v pouzdře procesoru). Její činnost je řízena řadičem cache paměti. • interní (primární, L1) cache: • slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných procesorů a pomalejších pamětí. Tento typ cache paměti je integrován přímo na čipu procesoru a je také realizován pomocí paměti SRAM. Interní cache paměť se objevuje poprvé u procesoru 80486 s kapacitou 8 kB. Takovýto procesor musí mít v sobě integrován také řadič interní cache paměti pro řízení její činnosti.

46. CMOS paměť • Paměť s malou kapacitou sloužící k uchování údajů o nastavení počítače a jeho hardwarové konfiguraci. Tato paměť je energeticky závislá, a proto je nutné ji zálohovat pomocí akumulátoru umístěného většinou na základní desce, aby nedošlo ke ztrátě údajů v ní uložených.

47. Vnější paměti

48. Páskové paměti • Páskové paměti jsou typickým sekvenčním zařízením, to znamená, že pokud je potřeba zpřístupnit libovolnou informaci na pásce, je nutné, aby nejdříve byly přečteny všechny informace předcházející. • Páskové paměti jsou vhodné zejména pro zálohování velkého objemu dat a jeho případné obnovy

49. Kazety 3480, 3490E • Jedná se o kazety s magnetickou páskou, které byly vyvinuty firmou IBM pro velká výpočetní střediska. Na rozdíl od svého předchůdce se již jedná o pásku umístěnou v kazetě, což usnadňuje manipulaci.

50. Streamer • je páskovým médiem s podélným proudovým záznamem, které není již určeno výhradně pro velké sálové počítače • Oproti předešlým páskovým pamětem a kazetám poskytují streamery vyšší přenosovou rychlost (cca 10-15 MB/min) řadiče pružných disků • Připojeno na: paralelní port ,SCSI rozhraní,USB rozhraní, FireWire rozhraní