1 2 Læringsmål og pensum TDT4105 Informasjonsteknologi grunnkurs: Uke 37b Maskinvare Asbjørn Bløtekjær Thomassen, IDI Læringsmål Forstå oppbygging og samspillet i maskinvaren i en datamaskin Vite om de ulike komponentene og sentrale parametre Kunne selv sette sammen en (multimedia-) datamaskin med riktig ytelse Forstå forskjellen på transistorer, integrerte kretser/chips og mikroprosessorer Forstå hvordan data representeres i en datamaskin og hvordan datamaskinen virker internt med CPU og primærlager Kjenne til viktige sekundærlager, inn/ut enheter og deres egenskaper Utviklingstrender på maskinvare Pensum Using Information Technology, Chapter 4 og Chapter 5 3 ICen basis for en revolusjon Integrerte kretser (IC) Betegner en hel elektronisk krets med tilkoblingspinner Har mange komponenter bygget inn i en enkel blokk Kretsen er basert på elektroner som beveger seg i fast stoff halvlederteknologi (CMOS) Muliggjør miniatyrisering pakke mange (millioner) transistorer sammen i en større krets Bruker transistorer til å sperre/lede strøm være elektronisk svitsj (av/på) Kalles også (mikro)chip eller (mikro)brikke Eksempler på brikker Mikroprosessorer Kontrollere Grafikkprosessorer Minne Matematikk co-prosessorer 4 Hvordan lages en brikke (chip)? Silisium Fotoliografisk prosess Pictures taken from: http://apcmag.com/picture-gallery-how-a-chip-is-made.htm Ubearbeidet rent silisium kuttes CMOS teknologi - angir halve størrelsen på en lagercelle f.eks 65 nm, 45nm, 32nm ->22 nm
5 Hvordan lages en brikke (2)? Ionisering (viser en enkelttransistor på chip) 6 Hvordan lages en brikke (3)? Ferdig transistor Kutting Chipsjekk Chip test Innpakking chip Intel Core i7 Processor Metallisering ( ledningstrekking ) 7 8 Moores lov Antall transistorer i en chip dobler seg hver 18 måned Representasjon av data og program Basis for alle beregninger er av/på som representerer data og instruksjoner (program) Til vanlig anvender vi 10-tallsystemet i beregningssammenheng 10-tallsystemet benytter sifrene 0 9 Sifrenes betydning er posisjonsbestemt ( enere, tiere, hundre,..) 241 = 2 102 + 4 101 + 1 100 Datamaskinen benytter to-tallsystemet i alle sammenhenge To-tallsystemet benytter sifrene 0 og 1 (binærsystemet) E siffer i et binærtall kalles et bit og dets betydning er posisjonsbestemt 241 = 111100012 = 1 27 + 1 26 + 1 25 + 1 24 + 0 23 + 0 22 + 0 21 + 1 20 En byte er 8 bit (Størrelsen på lager for program og data måles i kb (kilobyte), MB (megabyte), TB (Terabyte))
9 10 Aritmetiske operasjoner på binærtall Datamaskinens tegntabell Addisjon av binærtall Alle datamaskiner har en tegntabell som inneholder de tegn datamaskinen kan behandle 111111 8 3 ----11 1000 11 -------1011 Tegnrepresentasjon som tall 123 93 ----216 1111011 1011101 ------------11011000 1 + 1 gir 0 med 1 i mente Ethvert tegn har en tegnkode (desimal / binær) som angir tegnets plass i tegntabellen (A 65 / 1000001) ASCII tabellen ASCII-tabellen benytter 7 bits tegnkode ( A 1000001) Inneholder 128 tegn, ikke æ, ø og å. Multiplikasjon av binærtall 1011 x 111 11 x 7 -------------------1011 1011 1011 -------------------1001101 77 Utvidet ASCII tabell 110 x 101 6 x 5 -------------------110 000 110 -------------------11110 30 Utvidet ASCII tabell benytter 8 bits tegnkode Inneholder 256 tegn deriblant æ, ø og å UNICODE tabell Benytter 16 bits tegnkode (2 byte) 11 12 DIMM-modul RAM Systemenheten Systemenheten (2) Kontroller for ekstern disk grafikkkort
13 14 Hva skjer når CPUen kjører? Hva er inni en CPU? CPU utfører en instruksjon av gangen En instruksjon utføres i fire trinn (se figur nedenfor) Prosessorhastighet oppgis i MHz eller GHz (tikk for systemklokken) for vanlig PC ( f.eks 2.66 Ghz) MIPS (millions of instructions pr sec) for arbeidsstasjoner/hovedmaskiner FLOPS (floating point operations pr. sec) for superdatamaskiner 15 16 Minnebrikker SIMM RAM (Random access memory) ROM (Read Only Memory) Mister data når strømmen slås av PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM) DRAM dynamic RAM - oppfriskes av CPU SDRAM synchronous DRAM CMOS brikker Batteribasert (inneholder startup, dato/tid-klokke etc) hurtigere enn DRAM Oppfriskes av systemklokka (oppgis i MHz i reklamen) Flash SRAM statisk RAM Kan slettes og reprogrammeres flere ganger (120 MB-> 64GB) Inneholder BIOS i nyere maskiner Hurtigere enn DRAM Trenger ikke oppfriskning fra CPU DDR-SDRAM double data rate SDRAM Er dagens standard på hjemmepc Hastighet oppgis i MHz (klokkehastighet) Enda hurtigere versjon i DDR2-SRAM og DDR3-SRAM Minnebrikker (2) DIMM EcoRAM kan erstatte DRAM (hurtigere og mindre strømkrevende) MLC-flash (Multi Level Cell) brukes i SSD-disker (Solid-State-Device)
17 18 Minne - Cache Hovedkort med brikkesett (chipset) - frontside bus Hurtig lager som har klar instruksjoner og data som det er sannsynlig at prosessoren vil bruke ofte Brikkesettet kontrollerer informasjonsflyten mellom CPU og de andre systemkomponentene Level 1 (L1) er del av mikroprosessorbrikken (8 256 kb) Level 2 (L2) ikke del av mikroprosessorbrikken. Bruker SRAM-brikker (64kb 2MB). Kalles også Advanced Transfer Cache av Intel Level 3 (L3) er på hovedkortet (motherboard). Er tilgjengelig bare på high-end maskiner Kan ikke oppgraderes bestemmes ved kjøp av prosessor/type 19 20 Flerkjerneprosessorer - MCP MCP MultiCore Processor En CPU-kjerne er en enhet som leser og utfører programinstruksjoner To eller flere kjerner pakkes i samme brikke (2,4,6..) Eksempler: duo: AMD Phenom II X2, Intel Core Duo, hexacore: AMD Phenom II X6, Intel Core i7 Extreme Edition 980X Greier ofte bare å utnytte en brøkdel av prosessorkapasiteten av en MCP. Programmene må være skrevet for å utnytte prosessorene (parallellisering). Parallellisering er et aktuelt forskningsområde for tiden (egne programmeringsspråk, algoritmer etc.) Tilkobling til PC (porter)
21 22 Utvidelser busser og kort Kort for ulike Inn/Ut-enheter PCIe Busser: PCI (Peripheral component interconnect) Parallell -32 eller 64 bit bred, erstattet av PCIe i dag 133MB/s AGP (Accelrated Graphics Port) Hastighet 2xPCI Grafikk/mulitmedia/video PCI PCI Express (PCIe) Bedre ytelse og mer pålitelig Seriell V2.0 500MB/s V3.0 3GB/s Korttyper Grafiske kort Lydkort Nettverk PC kort: kredittkortstørrelse (PCMCIA, WLAN-kort, etc) 23 24 Sekundærlager Permanent lager for data og program: Floppy disk Harddisker Optiske Disker Magnetisk Tape Smart kort Flash memory Online (Nettlagring) Harddisker Viktige parametre Rotasjonshastighet (5400 rpm 7200 rpm) Kapasitet ( 100MB 4TB) Fysisk størrelse: 2.5 tommer (laptop), 3.5 tommer (tower, etc.) Type kontroller: elektronikk inne i disken eller eget adapterkort på hovedkortet for overføring av data og posisjonering av lese/skrivehodet Kontrolleren bestemmer om og hvordan disken tilkobles og overfører data Overføringshastighet lese/skrive SSD-disk (Solid-State-Device) er MLC-flashbasert -256GB Vanlige kontrollere: USB plug and play, hot pluggable Firewire esata EIDE (Enhanced Intergrated Drive Electronics) kalles også SATA, Fast ATA, Ultra ATA, Fast IDE, ATA-2, ATA/100, Serial ATA Opp til 4 disker med på maks 137 MB pr disk SCSI Hurtigere og mer plass enn EIDE. Typisk på arbeidsstasjoner og servere Fiber Channel (kommende)
25 Ulike porter/busser (2) 26 Ulike porter/busser (2) Firewire 400 27 Skjermer Viktige parametre Oppløsning - bildepunkter (pixel) Pixel består av rød/grønn/blå subpixler XGA 1024x768, SXGA 1280x1025, UXGA 1600x1200, QXA 2048x1536, WXGA og WUXGA Oppfriskningshastighet (50/100 Hz) Interlaced tegner bildet opp som to delbilder (annenhver linje) Progressiv scan hele bildet tegnes opp linje for linje hver gang Displayteknologi: CRT, LCD-aktiv (TFT), LCD-passiv (HPA, STN, DSTN), Plasma, OLED (Organic LED), etc. Kontrast Fargedybde Pixel-avstand (dot-pitch) Skjermkort som skjermen er koblet til er avgjørende for ytelsen (dynamikk/ realisme etc) Grafikkprosessor OpenGL/Direct X etc Pixel/subpixel: