STRUCTURA PC

1
STRUCTURA PC

• Organizarea generala
• Placa de baza
• Procesorul
• Memoria cache
• Executia instructiunilor
• Interfatarea procesorului
• Tipuri de RAM
• Interfata grafica
• Subsistemul de I/E
• Bibliografie
• Michael Karbo PC Architecture

2
Organizarea generala PC-urile sunt realizate
pe baza microprocesoarelor, care au evoluat din
anii '70 pana astazi
Nr. biti Procesor Aplicatii
4 biti 4004 Calcule aritmetice
8 biti 8080 Microcalculatoare CP/M
16 biti 8086, 80286 PC-uri IBM cu MS-DOS
32 biti 80386, Pentium 4 Windows 32
64 biti Athlon 64, Pentium 4 Itanium, Intel Core i7 Servere cu Windows, Linux 64biti
3
Un PC este alcatuit dintr-o unitate centrala si
cateva dispozitive externe. Unitatea centrala
este formata dintr-o carcasa (tower, minitower,
desktop) continand electronica calculatorului
(dispozitivele interne)
Dispozitivele interne -placa de baza
(motherboard) CPU, RAM, ROM (BIOS si programele
de startup), chipset (controllere), porturi,
magistrale cu sloturi, interfete EIDE, USB, AGP,
etc -hard disk-uri, unitati optice (CD-ROM,
DVD), unitati de floppy disk -placi diferite
placa video, placa retea, controller SCSI, placa
de sunet Dispozitive externe tastatura, mouse,
monitor, boxe, camera video digitala, imprimanta,
hard disk extern, etc. Dispozitivele externe sunt
conectate la unitatea centrala prin cabluri sau
wireless.
4
Placa de baza Placa de baza (motherboard) este
componenta cea mai importanta, intregul
calculator fiind construit in jurul sau.
5
Comunicatia pe placa de baza
6
Comunicatia cu dispozitivele externe
7
Alimentarea placii de baza
8
Conectorul mai vechi AT
9
Conectorul ATX12V 2.x de 24 pini sau 20 pini
(omite pinii 11, 12, 23, 24)
10
Placa de baza contine de asemenea -cipuri ROM
cu BIOS si alte programe, memoria CMOS cu date
definite de utilizator pentru programul de setup,
chipset (de obicei doua cipuri) continand
diferite controllere
11
-socket-uri CPU, memori a RAM, diferite placi
(PCI, AGP, AMR, etc.), hard disk, unitate CD-ROM,
DVD
12
-conectori pentru dispozitive externe
tastatura, mouse, monitor, USB, audio, etc.
13
-jumper-i utilizati pentru diferite configurari
(tensiuni, selectie viteza,adaptare tip
echipament) -pini pentru conectarea buton
RESET, LED activitate hard disk, difuzor
incorporat, etc.
14
Procesorul Procesorul sau CPU (Central
Processing Unit) poate fi diferit. Anumite
caracteristici sunt importante pentru amplasarea
pe o placa de baza -tip socket -frecventa de
lucru -mod de operare -viteza de transfer pe
magistrala -putere termica. Un exemplu Intel
Core i7 Extreme cu urmatoarele caracterisitici -
tip socket 1366 -frecventa de lucru 3.33
GHz -mod de operare 32/64 biti - viteza de
transfer pe magistrala 6.4 GT/sec (Giga
Transferuri pe secunda) -putere termica 130 W.
15
Pentru a identifica procesorul din sistem se
poate utiliza din Windows Control Panel ?
Performance and Maintenance ? System
16
Puterea termica a procesoarelor actuale este
foarte mare, astfel fiind necesara racirea
("cooler")
17
Schema bloc a unui PC
18
Transferul de date se poate face pe mai multe
magistrale de viteze si rate de transfer
diferite. Magistralele pot fi conectate prin
circuite controller speciale numte
"bridge"-uri. Arhitectura cea mai raspandita de
PC contine doua circuite in chipset numite "north
bridge" si "south bridge" (inclusiv cele mai
populare chipset-uri de la Intel si VIA), fiecare
avand functii specifice. North bridge este un
controller care controleaza fluxul de date intre
CPU, RAM si portul AGP. AGP este de fapt un port
de I/E, utilizat pentru placa grafica si deoarece
trebuie sa fie cat mai aproape de memoria RAM
portul AGP este conectat la "north bridge".
Asemanator portul PCI Express x 16, care este o
solutie alternativa la PC-urile mai noi.
19
South bridge incorporeaza o serie de functii de
control, in primul rand pentru hard disk si
celelalte echipamente I/E. Dezvoltarea
hardware-ului a facut ca producatorii de circuite
sa includa o serie de functii in chipset -placa
grafica ? north bridge -placa sunet ? south
bridge -modem ? south bridge -retea ? south
bridge -Firewire ? south bridge. Astfel
calitatea obtinuta este satisfacatoare pentru
majoritatea aplicatiilor. Insa pentru aplicatii
speciale, placile dedicate permit performante
superioare. Exemplu placa grafica in jocuri 3D
sau ieisre TV.
20
Memoria cache Memoria cache este organizata pe
cel putin doua niveluri
21
Exemplu Intel Celeron D 300 contine doua
memorii cache L1 de 16 KB si o memorie cache L2
de 256 KB. Magistrala dintre cache-urile L1 si L2
trebuie sa dispuna de o viteza (rata) foarte mare
de transfer. Se poate calcula pe baza largimii
magistralei (numar de biti transferati in
paralel) si frecventa ceasului
CPU Largime magistrala Frecventa ceas Rata teoretica
Intel Pentium III 64 bits 1400 MHz 11.2 GB/s
AMD Athlon XP 64 bits 2167 MHz 17.3 GB/s
AMD Athlon 64 64 bits 2200 MHz 17,6 GB/s
AMD Athlon 64 FX 128 bits 2200 MHz 35,2 GB/s
Intel Pentium 4 256 bits 3200 MHz 102 GB/s
22
Capacitatea memoriilor cache variaza in functie
de procesor. In timp ce la AMD se utilizeaza
cache L1 de capacitate mare (128 KB), Intel
utilizeaza cache L1 mai mic (16 KB)dar eficient
(Execution Trace Cache). Capacitatile memoriilor
cache pentru cateva procesoare
CPU L1 cache L2 cache
Athlon XP 128 KB 256 KB
Athlon XP 128 KB 512 KB
Pentium 4 (I) 20 KB 256 KB
Pentium 4 (II) "Northwood" 20 KB 512 KB
Athlon 64 128 KB 512 KB
Athlon 64 FX 128 KB 1024 KB
Pentium 4 (III) 28 KB 1024 KB
23
Executia instructiunilor Setul de instructiuni
executate intr-un PC este de tip CISC ("Complex
Instruction Set Computer"). Instructiunile sunt
complexe si au o lungime variabila intre 8 si 120
de biti. Solutia opusa este setul RISC ("Reduced
Instruction Set Computer"), avand instructiuni
de lungime constanta (ex 32 de biti).
Procesoarele actuale realizeaza un mixaj intre
RISC si CISC. Pentru compatibilitate cu
procesoarele mai vechi (programele mai vechi DOS
/ Windows) procesoarele actuale pot executa
instructiuni CISC, dar fiecare instructiune CISC
este translatata in cate o secventa RISC (2-3
micro-ops) inainte de executie.
24
Fiecare nou procesor introdus a extins setul de
instructiuni al procesorului precedent 80386 a
adaugat 26 noi instructiuni, 80486 a adaugat 6
noi instructiuni, iar Pentium a adaugat 8 noi
instructiuni. In paralel a scazut ciclul
instructiunilor (ex adunarea a doua numere la
80386 necesita 6 cicluri, iar la 80486 necesita
numai doua cicluri). Au fost introduse extensii
cum sunt MMX si SSE (se vor discuta mai
tarziu). O alta imbunatatire importanta
procesoare pe 64 de biti, care pentru
compatibilitate pot executa si programe pe 32 de
biti). Calculele executate intr-un calculator
pot fi impartite in doua categorii cu numere
intregi si cu numere in virgula mobila (in jocuri
3D, prelucrari de sunete, imagini, video).
Initial calculele de v.m. erau executate intr-un
coprocesor aritmetic separat (ex procesorul
80386 coprocesorul de v.m 80387). Incepand cu
80486 coprocesorul aritmetic a fost plasat in
procesor sub forma uneia sau mai multor FPU
("floating point unit"). Pentru cresterea
performantelor s-au adaugat noi registre si noi
instructiuni. Un prim exemplu Pentium MMX
("multimedia extension") care avea un set de
instructiuni MMX si un set de registre MMX. In
vara 1998 AMD a introdus sub denumirea 3DNow! un
grup de 21 instructiuni SIMD pentru imbunatatirea
prelucrarilor 3D, care permitea prelucrarea in
paralel a catorva date cu o singura instructiune
25
In ianuarie 1999 Intel a introdus SSE
("Streaming SIMD Extensions") de asemenea pentru
imbunatatirea performantelor 3D, in cadrul
procesorului Pentium III. SSE reprezenta o
solutie mai performanta decat 3Dnow! -8
registre noi de 128 biti care pot sa contina
patru numere pe 32 de biti -50 noi instructiuni
SIMD -12 noi instructiuni media, special
propiectate, exemplu codificarea si
decodificarea stream-urilor video MPEG-2 -opt
noi instructiuni de streaming la memorie pentru a
imbunatati transferul intre cache-ul L2 si
memoria RAM. Cu Pentium 4 s-a extins SSE la
SSE2, continand 144 noi instructiuni, inclusiv
operatii intregi SIMD pe 128 biti si operatii de
v.m. dubla precizie pe 128 biti. Aplicatii
video, recunoasterea vorbirii, prelucrarea
imaginilor, programe financiar/stiitifice. SSE2 a
fost adoptat si de AMD, care a dublat numarul de
registre SSE2 (in comparatie cu Pentium 4). Mai
tarziu, Intel a introdus SSE3 cu 13 noi
instructiuni (Pentium 4 Prescott). Pentru a
beneficia de aceste facilitati a fost necesara
rescrierea unor programe care sa includa noile
instructiuni.
26
In cadrul procesorului Pentium 4 s-a introdus
tehnologia Hyper-Threading Technology permite
executia in paralel a doua thread-uri (fire de
executie). Astfel un singur procesor fizic
functioneaza ca doua procesoare logice
27
O solutie imbunatatita procesoarele dual-core.
Exemple AMD Opteron, Intel Pentium 4 Smithfield.
Un procesor dual-core Pentium 4 cu
Hyper-Threading Technology functioneaza ca patru
procesoare logice
28
Interfatarea procesorului Cea mai importanta
conexiune este cea dintre procesor si memoria
RAM. Transferul de date se face pe o magistrala
lucrand la o anumita frecventa (deaoarece RAM-ul
este mult mai lent decat procesorul si aceasta
frecventa este mai mica). In PC-ul original (IBM
XT) transferul intre procesor, RAM si I/E se
desfasura sincron la o frecventa comuna.
29
Compaq 1987 ideea separarii magistralei sistem
de magistrala I/E, lucrand la frecvente diferite.
30
Cu introducerea procesorului 80486 s-a trecut la
dublarea (cresterea) frecventei procesorului fata
de frecventa RAM
31
Cu introducerea procesoarelor urmatoare s-a
marit si mai mult frecventa procesorului fata de
frecventa magistralei. Ex Pentium III frecventa
magistralei 133 MHz si frecventa procesorului
1200 MHz (9x).
32
Tipuri de RAM In PC se utilizeaza diferite
tipuri de RAM, cateva fiind date in tabel
Tip RAM Pini Lung. cuvant Utilizare
SD RAM 168 64 biti In PC-uri mai vechi.
Rambus RAM 184 16 biti In unele PC-uri cu Pentium 4 si anumite chipseturi.
DDR RAM 184 64 biti Versiune mai rapida de SD RAM. Utilizat cu Athlon si Pentium 4 la 2.5 V.
DDR2 RAM 240 64 biti Frecventa mai mare de ceas, la 1.8 V.
33
(No Transcript)
34
Interfata grafica Portul AGP este direct
conectat la procesor si la memoria RAM. Interfata
grafica poate fi realizata in doua
moduri -placa "plug-in" -integrata pe placa
de baza. Placa grafica poate fi conectata la
magistrala PCI, magistrala AGP sau la magistrala
PCI Express x16. Initial, interfata grafica era
plasata ca o interfata obisnuita de I/E. Din
cauza cerintelor mari de transfer s-au introdus
solutii mai performante. AGP (Accelerated
Graphics Port) este un port special de I/E
propiectat exclusiv pentru placi grafice. Lansata
initial de Intel, a fost plasata aproape fizic
fata de "north bridge". Magistrala AGP este o
varianta pe 64 biti a magistralei PCI (pana si
conectorul are forma unui conector PCI, dar de
alta culoare si plasat in alta pozitie). Au fost
dezvoltate diferite versiuni 1X (rata de
transfer 254 MB/s), 2X (508 MB/s), 4X,
8X. Texturile corespund fondului in cadrul
jocurilor, acestea se pot incarca direct din
memoria RAM. Sistemul se numeste DIME Direct
Memory Execute, acesta permitand extinderea
memoriei de pe placa video in RAM-ul placii de
baza.
35
In figura apare si RAMDAC care permite
translatarea datelor numerice in semnal analogic
in cazul in care placa grafica este conectata la
un monitor analogic.
36
Ulterior s-a introdus magistrala PCI Express X16,
oferind o rata de 8 GB/s.
37
Subsistemul de I/E Cresterea traficului si
perfectionarea tehnologica au condus la
perfectionarea controller-elor de I/E din south
bridge.
38
(No Transcript)
39
O comparatie intre magistrala sistem si
magistralele de I/E
Magistrala Magistralele north bridge Magistralele I/E
Variante FSB, RAM, AGP, PCI Express X16, CSA ISA, PCI, PCI Express, USB, ATA, SCSI, FireWire
Conecteaza CPU, RAM, Video, Ethernet Toate celelalte dispozitive
Frecventa ceasului 66-1066 MHz 10-33 MHz
Capacitate maxima gt3 GB/s 20-500 MB/s per magistrala
40
Magistralele de I/E conecteaza diferite
echipamente la procesor si memoria RAM
Nume Dispozitive
KBD, PS2, FDC, Game Tastatura, mouse, unitate de floppy disk, joystick, etc
ROM, CMOS BIOS, setup, POST
ATA Hard disk, CD-ROM/RW, DVD, etc.
PCI, PCI Express Placa retea, controller SCSI, video grapper card, placa sunet, etc.
USB Mouse, scanner, imprimanta, modem, hard disk extern, etc.
Firewire Scanner, DV camera, external hard disk
SCSI Hard disk, unitati CD-ROM, scanner, unitati banda magnetica
LPT, COM Dispozitive paralele si seriale (imprimanta, modem, etc)
41
Cateva exemple de magistrale propriu-zise -ISA
mai veche, viteza scazuta -MCI, EISA, VL de
asemenea mai vechi , dar mai rapide -PCI
magistrala foarte generala de I/E -PCI Express
mai recenta. Acestor magistrale le corespund pe
placa de baza conectori in care se pot introduce
diferite placi.
42
Magistrala PCI PCI (Peripheral Component
Interconnect) este o magistrala independenta de
procesor, putand fi utilizata atat in sisteme pe
32 biti cat si in sisteme pe 64 biti. Se poate
calcula rata de transfer a magistralei
Frecventa ceas 33 MHz
Largime magistrala 32 biti
Rata 32 biti x 33 333 333 impulsuri/s 4 B x 33 333 333 impulsuri/s 132 MB/s
Standardul Plug and Play (dezvoltat de Microsoft
si Intel) este parte a specificatiei PCI,
insemnand ca toate interfetele (placile) PCI sunt
auto-configurabile. Conceptul permite ca foarte
simplu o placa se poate introduce in calculator
si aceasta va functiona in realitate este ceva
mai complicat caci este necesar sa se instaleze
un driver software. Acest lucru se face insa
automat prin cooperarea dintre interfata, placa
de baza si sistemul de operare. Pentru a opera pe
magistrala este necesar sa se specifice placii
adresele de I/E, nivelurile de intrerupere (IRQ),
etc
43
(No Transcript)
44
SCSI SCSI (Small Computer System Interface)
este un controller avansat care poate transfera
pana la 160 MB/s (mult mai mult decat magistrala
PCI). Sistemul SCSI este construit in jurul unui
controller central (adaptorul host) care poate
controla un numar de dispozitive SCSI conectate
in lant. Fiecarui dispozitiv i se aloca un numar
de identificare si se plaseaza cate un terminator
la sfarsitul fiecarui capat al lantului SCSI. Un
lant tipic SCSI
Controllerul SCSI gestioneaza o intreaga mica
retea de dispozitive de I/E. Discurile SCSI au o
capacitate sporita de transfer fata de
dispozitivele standard ATA (chiar daca recent
discurile ATA au fost perfectionate devenind
comparabile cu discurile SCSI).
45
RAID RAID (Redundant Array of Inexpensive
Disks) este o tehnologie care conecteaza impreuna
o serie de hard discuri standard pentru a forma
un sistem avansat, corector de erori, utilizat in
servere. Este o extensie a standardului SCSI si a
fost utilizat prima data in 1987, dar ulterior au
fost dezvoltate standardele mai ieftine ATA si
SATA. Avantaje RAID -securitate sporita
(informatiile se gasesc pe mai multe discuri, in
cazul defectarii unui disc, informatia se gaseste
si pe alte discuri -transfer de date mai rapid
(controllerul RAID scrie si citeste in paralel pe
mai multe discuri, astfel viteza de transfer se
poate dubla sau tripla). Categorii RAID
46
Nivel Tehnica
RAID 0 Doua sau mai multe discuri sunt conectate, iar datele sunt impartite intre ele. Creste viteza (acces paralel), dar fara sporirea securitati.
RAID 1 Doua hard discuri, obtinand securitate sporita (scriere normala, scriere pe discul "mirror".
RAID 0/1 Utilizeaza patru discuri si combina cele doua tehnici.
RAID 3 Raspandeste datele pe mai multe discuri si memoreaza informatia de paritate pe unul dintre ele.
RAID 5 Imbunatateste securitatea si performanta. Utilizeaza cel putin trei sau uzual patru discuri, fiind considerata cea mai buna solutie.
47
USB USB (Universal Serial Bus) este o
magistrala seriala ieftina, care unifica
conectorii diferiti pentru tastatura, mouse,
scanner joystick, camera digitala, imprimanta,
etc. pe o magistrala partajata, cu un conector
comun.
Caracteristici -viteza de transfer maxima 12
Mbiti/s (USB 1.1), respectiv 40 MB/s (USB
2.0) -utilizeaza numai patru semnale (in
comparatie cu alte standarde si
magistrale) -cablul USB poate furniza
alimentare catre dispozitivul conectat -se pot
conecta maxim 127 de echipamente USB utilizand
hub-uri USB -dispozitivele USB se pot conecta
din "zbor" fara a restarta calculatorul -a
facut interfetele seriale COM1 si COM2 inutile.
48
IEEE 1394 FireWire FireWire este o extensie
a standardului SCSI furnizand o magistrala
seriala de viteza mare cu rata maxima de 400
Mb/s.
Anumite calculatoare dispun de porturi FireWire
integrate pe placa de baza, altele permit
conectarea unor placi FireWire, astfel se poate
conecta direct o camera video
49
Hard discuri ATA si SATA Un hard disc consta
din unul sau mai multe platane magnetice montate
intr-o cutie metalica. Vitezele de rotatie
standard sunt de 5400 sau 7200 rotatii / minut.
Capul de citire / scriere este un mic
electromagnet care se deplaseaza deasupra
pistelor pe care sunt inregistrati bitii.
Furnizand curent bobinei se poate face scriere,
iar fara curent furnizat bobinei se face citirea.
50
(No Transcript)
51
Fiecare platan de disc este imparit in piste, iar
fiecare pista este impartita in sectoare, un
sector continand normal 512 octeti. Scrierea
fisierelor pe disc se face pe unul sau mai multe
sectoare, iar evidenta este tinuta de sistemul de
fisiere (FAT in Windows 98, respectiv NTFS in
Windows 2000/XP).
52
Toate hard discurile au cate o memorie cache de
2-8 MB, functionand ca un buffer, permitand o
gestionare optima a datelor. Hard discul este
gestionat de un controller plasat chiar in
unitate care comunica cu un controller compatibil
plasat pe placa de baza, cele doua controllere
fiind conectate printr-un cablu. Interfata ATA
(AT Attachement) se bazeaza pe standardul IDE
(Integrated Drive Electronics). Standardul IDE
putea gestiona discuri de maxim 512 MB, astfel ca
pe la mijlocul anilor '90 a fost dezvoltat
standardul ATA (ATA paralel), utilizat pentru
diverse echipamente ca hard discuri, CD-ROM, DVD,
etc.
53
Interfata ATA poate fi vazuta ca o magistrala
gestionata de un controller host, conectand pana
la patru dispozitive, cate doua pe fiecare canal
54
Exista mai multe protocoale ATA, fiecare fiind
compatibil inapoi
Protocol Rata transfer maxima teoretica
PIO3 13.3 MB/s
PIO4 16.6 MB/s
Ultra DMA (ATA/33) 33 MB/s
ATA/66 66 MB/s
ATA/100 100MB/s
ATA/133 133 MB/s
SATA 150 MB/s
Acestea sunt vitezele interfetelor, caci
discurile livreaza date in general la o rata mai
mica.
55
Incepand cu ATA/66 s-a schimbat si tipul de
cablu, fiecare fir fiind dublat cu o linie de
masa.
56
Fiecare dispozitiv ATA contine o mica zona de
jumperi, care permit setarea daca este master sau
slave.
57
Sistemul paralel ATA este inflexibil, iar
cablurile late de conectare a discurilor la placa
de baza ocupa loc si impiedica racirea gt
sistemul Serial ATA, avand cablu cu numai 7 fire.
Caracteristici SATA -rate mari de transfer 150
MB/s (versiunea initiala), apoi 300 MB/s, 600
MB/s -nu este necesara oprirea calculatorului
pentru conectarea / deconectarea unitatilor de
disc -controller mai inteligent (tip
SCSI) -fara jumperi pentru master/slave -cablu
de conectare ingust (8 mm) -cost scazut si
instalare simpla.