Cache paměti (1)

*      Cache paměť:

  --   rychlá vyrovnávací paměť mezi rychlým zařízením (např. procesor) a pomalejším zařízením (např.
  operační paměť)

  --   vyrobena z obvodů SRAM s přístupovou dobou 1 - 20 ns

*      V dnešních počítačích se běžně používají dva, popř. tři druhy cache pamětí:

                                          Cache paměti (2)

  --   L2 (externí, sekundární) cache:

    *   umístěna mezi pomalejší operační pamětí a rychlým procesorem

    *   slouží jako vyrovnávací paměť u počítačů s výkon-ným procesorem, které by byly bez ní
    operační pamětí velmi zpomalovány

    *   první L2 cache paměti se objevují u počítačů s pro-cesorem 80386 (o kapacitě 32 kB, 64 kB)

    *   s výkonnějšími procesory se postupně zvyšuje i kapacita (128 kB, 256 kB, 512 kB, 1024 kB a
    více)

    *   řízena řadičem cache paměti (součást čipové sady, popř. čipu procesoru)

                                          Cache paměti (3)

    *   osazena na:

      --   základní desce: 80386 - Pentium (MMX)

      --   v pouzdře procesoru: Pentium Pro - Pentium III

      --   na čipu procesoru: Pentium III, Pentium 4, Pentium D

  --   L1 (interní, primární) cache:

    *   slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných pro-cesorů a pomalejších L2 cache pamětí

    *   integrována přímo na čipu procesoru

    *   poprvé se objevuje u procesoru 80486 (s kapacitou
    8 kB)

    *   řízena řadičem L1 cache paměti, který je integrován na čipu procesoru

                                          Cache paměti (4)

*      Práce cache paměti vychází ze skutečnosti, že program má tendenci se při své práci určitou
dobu zdržovat na určitém místě pa-měti, a to jak při zpracování instrukcí, tak při načítání
(zapisování) dat z (do) paměti - tzv. princip lokality

                                          Cache paměti (5)

*      Pokud dojde k zaplnění cache paměti a je potřeba zavést další blok, je nutné, aby některý z
bloků cache paměť opustil

*      Nejčastěji se k tomuto používá LRU (Least Recently Used) algoritmu, tj. algoritmu, který
vyřadí nejdéle nepoužívaný blok

*      Cache paměť neuchovává souvislý adresový prostor TH bývají organizovány jako tzv. asociativní
paměti

                                          Cache paměti (6)

*      Asociativní paměti jsou tvořeny tabulkou (tabulkami), která obsahuje:

  --   tagy: klíče, podle kterých se v asociativní pa-měti vyhledává

  --   uchovávané informace: data a instrukce

  --   další informace nutné k zajištění správné funk-ce paměti, např. informace:

    *   o platnosti (neplatnosti) uložených dat

    *   pro realizaci LRU algoritmu

    *   protokolu MESI (Modified Exclusive Shared Invalid)

                                          Cache paměti (7)

*      Rozdělení cache pamětí podle stupně aso-ciativity:

  --   plně asociativní:

                                          Cache paměti (8)

  --   n-cestně asociativní (2-cestně asociativní):

                                          Cache paměti (9)

  --   přímo mapované (1-cestně asociativní):

                                         Cache paměti (10)

                                         Cache paměti (11)

*      Podle způsobu práce při zapisování dat lze cache paměti ještě rozdělit do dvou skupin:

  --   write-through:

    *   v případě zápisu procesoru do cache paměti dochází okamžitě i k zápisu do operační paměti

    *   procesor tak obsluhuje jen zápis a o další osud dat se stará cache paměť

  --   write-back:

    *   data jsou zapisována do operační paměti až ve chvíli, kdy je to třeba, a nikoliv okamžitě
    při jejich změně

                                         Cache paměti (12)

    *   k zápisu dat do operační paměti tedy dochází např.
    v okamžiku, kdy je cache paměť zcela zaplněna a je třeba do ní umístit nová data

    *   tento způsob práce cache paměti vykazuje oproti předešlému způsobu vyšší výkon

*      Kromě L1 a L2 cache pamětí je možné se setkat i se specializovanými cache paměťmi umístěnými
mezi operační paměť a některé pomalejší zařízení (pevný disk apod.)

                                      Rozšiřující sběrnice (1)

*      Sběrnice:

  --   soustava vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače

  --   pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data

*      Rozšiřující sběrnice (sběrnice):

  --   sběrnice počítačů umožňující jejich snadné roz-šiřování o další zařízení, např.:

    *   zvukové karty

    *   síťové karty

    *   řadiče disků

                                      Rozšiřující sběrnice (2)

  --   standard, dohoda o tom, jak vyrobit zařízení (rozšiřující karty), která mohou pracovat ve
  standardním počítači

  --   obsahuje konektory (tzv. sloty), pomocí nichž lze připojit rozšiřující karty

*      Typy sběrnic:

  --   synchronní sběrnice:

    *   sběrnice pracující synchronně s procesorem počítače

    *   platnost údajů na sběrnici jednoznačně určuje hodi-nový signál

    *   tímto způsobem dnes pracuje většina sběrnic

                                      Rozšiřující sběrnice (3)

  --   multimaster sběrnice:

    *   dovoluje tzv. busmastering

    *   sběrnice, která může být řízena několika zařízeními, nejen procesorem

    *   je možné, aby některé ze zařízení, které je ke sběrni-ci připojené (např. řadič pevného
    disku), na určitou dobu převzalo její řízení

    *   po dobu, kdy takto řídí celou sběrnici, může toto zařízení rychleji a efektivněji provést
    své operace (např. přenos velkého objemu dat z pevného disku) a potom opět řízení vrátit
    procesoru

                                      Rozšiřující sběrnice (4)

  --   lokální sběrnice:

    *   spočívá ve vytvoření technické podpory toho, že se náročné operace s daty realizují rychlou
    systémovou sběrnicí

    *   systémová sběrnice se prodlouží a umožní se tak přístup na ni i ze zásuvných modulů
    (rozšiřujících karet) dalších zařízení

    *   původně propagované zejména výrobci grafických karet

    *   Příklad: VL bus

    

                                         Parametry sběrnic

*      Šířka přenosu:

  --   počet bitů, které lze zároveň po sběrnici přenést

  --   jednotka: bit

*      Frekvence:

  --   Maximální frekvence, se kterou může sběrnice pracovat

  --   jednotka: Hz

*      Rychlost (propustnost):

  --   počet bytů přenesených za jednotku času

  --   jednotka: B/s

                                        Sběrnice PC bus (1)

*      Navržena a vyrobena firmou IBM pro první počítače IBM PC a IBM PC/XT založené na procesoru
Intel 8088 (Intel 8086)

*      Konstruována tak, aby využívala možností procesoru Intel 8088

*      Napěťové úrovně všech signálů odpovídají logice TTL

*      Poskytuje 62 linek (vodičů), z nichž 8 slou-ží pro přenos dat TH šířka přenosu dat sběrnice
PC bus je 8 bitů

                                        Sběrnice PC bus (2)

*      Pro přenos adresy je na sběrnici PC bus vy-mezeno 20 vodičů (odpovídá 20bitové adre-sové
sběrnici procesoru Intel 8088, resp. Intel 8086)

*      Jedná se o synchronní sběrnici pracující
s maximální frekvencí 8 MHz

*      Jednotlivé sloty jsou zapojeny paralelně, tzn. jsou si navzájem ekvivalentní TH nezáleží na
tom, do kterého slotu je daná karta osazena

                                        Sběrnice PC bus (3)

*      Základní deska se sběrnicí PC bus:

                                        Sběrnice PC bus (4)

*      Rozšiřující karta pro sběrnici PC bus:

                                          Sběrnice ISA (1)

*      ISA (Industry Standard Architecture)

*      Dříve označována také jako AT bus

*      Navržena tak, aby plně odpovídala možnos-tem procesoru 80286

*      Dodržuje plnou zpětnou kompatibilitu s pře-dešlou sběrnicí PC bus

*      Rozšiřující karty určené pro PC bus lze pou-žívat i v počítačích se sběrnicí ISA

                                          Sběrnice ISA (2)

*      Kompatibility je dosaženo rozšířením staré 62vodičové sběrnice o dalších 36 vodičů

*      Odpovídající slot se rozšířil o další konektor umístěný v jedné řadě hned za starším
(8bi-tovým) slotem pro PC bus

*      Takto vznikl nový 16bitový slot, který je umístěn na sběrnici ISA

*      Sběrnice ISA má:

  --   šířku přenosu 16 bitů, tj. během jedné operace je možné přenášet nejvýše 16bitovou informaci

                                          Sběrnice ISA (3)

  --   pro přenos adresy vymezeno 24 vodičů odpoví-dajících 24bitové adresové sběrnici procesoru
  80286

*      Sběrnice ISA pracuje podobně jako PC bus s maximální frekvencí 8 MHz (synchronně
s procesorem)

*      Protože sběrnice ISA i PC bus jsou velmi náchylné na šum, není možné dále zvyšovat jejich
frekvenci

                                          Sběrnice ISA (4)

*      Jestliže procesor pracuje s vyšší frekvencí než 8 MHz, pak sběrnice ISA pracuje se zlomkem
jeho frekvence

*      Používána téměř u všech počítačů s proce-sory 80286, 80386 a u starších počítačů s procesorem
80486

*      Z důvodů zpětné kompatibility byla sběrni-ce ISA integrována (společně s jiným typem
sběrnice) i na základní desky počítačů s pro-cesory 80486 - Pentium II, Celeron

                                          Sběrnice ISA (5)

*      Systém se sběrnicí ISA:

                                          Sběrnice ISA (6)

*      Základní deska se sběrnicí ISA:

                                          Sběrnice ISA (7)

*      Rozšiřující karta pro sběrnici ISA:

                                          Sběrnice MCA (1)

*      MCA (MicroChannel Architecture) byla vy-vinuta firmou IBM pro počítače řady PS/2

*      Není zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA

*      Dovoluje běh s maximální frekvencí 10 MHz

*      Šířka přenosu dat je 16, resp. 32 bitů

*      Podporuje práci i v tzv. proudovém režimu, ve kterém dokáže současně přenášet 64 bitů

*      Šířka adresové části je 24 bitů (pro 80286), resp. 32 bitů (pro 80386 a 80486)

                                          Sběrnice MCA (2)

*      Umožňuje busmastering, tj. sdílené řízení sběrnice

*      Nezaznamenala většího rozšíření

*      Rozšiřující karta pro sběrnici MCA:

                                         Sběrnice EISA (1)

*      EISA (Extended Industry Standard Architec-ture) byla vyrobena 9 firmami jako odpověď na
sběrnici MCA

*      Kompatibilní se sběrnicí ISA

*      Základní vlastnosti sběrnice EISA:

  --   šířka přenosu dat je 32 bitů

  --   šířka adresy je 32 bitů

  --   dovoluje programové nastavování rozšiřujících karet

  --   frekvence 8 MHz (z důvodů kompatibility s ISA)

                                         Sběrnice EISA (2)

*      Slot sběrnice EISA má stejnou velikost jako slot ISA a obsahuje stejné vývody (62 + 36)

*      Kromě těchto vývodů má ještě 59 nových vý-vodů umístěných mezi starými vývody sběr-nice ISA

*      Nové vývody zůstanou v případě zasunutí karty pro ISA sběrnici nezapojeny

*      Sběrnice EISA byla používána zejména u po-čítačů s procesory 80386 a 80486, na které byla
kladena větší zátěž (např. síťové servery)

                                         Sběrnice EISA (3)

*      Vzhledem k příchodu modernějších typů sběrnic se sběrnice EISA dnes již nepoužívá

*      Rozmístění vývodů sběrnice ISA a EISA

                                         Sběrnice EISA (4)

*      Rozšiřující karta pro sběrnici ISA (nahoře)
a EISA (dole):

                                        Sběrnice VL bus (1)

*      VL bus (VESA Local Bus) byla navržena v roce 1992 konsorciem VESA (Video Electro-nic
Standards Association)

*      Jedná se o lokální sběrnici

*      Šířka přenosu dat i adresy je 32 bitů

*      Podporuje maximálně 3 přídavné sloty

*      Teoretická mez VL busu je 50 MHz

*      Prakticky je možné, aby pracovala s frekven-cí 33 MHz (při třech osazených kartách)

                                        Sběrnice VL bus (2)

*      VL bus je zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA

*      Nejvyššího výkonu dosahuje v tzv. burst (souvislém) režimu:

  --   redukuje počet přenášených položek (např. adres)

  --   adresa se v burst režimu vysílá pouze v prvním ze 4 bezprostředně následujících sběrnicových
  cyklů a v následujících třech se přenášejí jen data

  --   burst režim lze tedy použít pouze tehdy, když se čte (zapisuje) do bezprostředně za sebou
  násle-dujících paměťových míst

                                        Sběrnice VL bus (3)

*      Nevýhodou sběrnice VL bus je její silná pro-cesorová závislost způsobená přímým zapoje-ním
slotů VL busu na systémovou sběrnici

*      Tato závislost nedovoluje prakticky použít VL bus v jiném počítači, než je počítač s
proceso-rem Intel nebo kompatibilním

*      Sběrnice VL bus je vyráběna na základní des-ce vždy spolu se sběrnicí ISA, protože při své
práci využívá některých jejích signálů

                                        Sběrnice VL bus (4)

*      Konektor VL busu se nachází v jedné řadě za 16bitovým konektorem ISA a má 2 ´ 58 vývodů

*      Sběrnice VL bus byla používána zejména u počítačů s procesorem 80486 a u prvních počí-tačů
s procesorem Pentium

*      Systém se sběrnicí VL bus:

                                        Sběrnice VL bus (5)

                                        Sběrnice VL bus (6)

*      Základní deska se sběrnicí VL bus:

                                        Sběrnice VL bus (7)

*      Rozšiřující karta pro sběrnici VL bus:

                                          Sběrnice PCI (1)

*      PCI (Peripheral Component Interconnect) je sběrnice, která byla navržena a vyrobena firmou
Intel v roce 1992

*      Původně byla určena pro počítače s proceso-ry Intel Pentium

*      Nejedná se již o "klasickou" lokální sběrnici

*      Využívá tzv. mezisběrnicový můstek (CPU - PCI bridge), jehož prostřednictvím je připo-jena k
systémové sběrnici

                                          Sběrnice PCI (2)

*      Toto řešení přináší následující výhody:

  --   možnost použití sběrnice PCI i v jiných počíta-čích než jsou PC (např. Macintsoh, DEC)

  --   můstek dovoluje provádět přizpůsobování napě-ťových úrovní

*      Sběrnice PCI je časově multiplexována, tj. adresa i data jsou přenášena po stejných vo-dičích
(nejprve adresa, potom data)

*      Šířka přenosu dat i adresy je standardně
32 bitů

                                          Sběrnice PCI (3)

*      Existuje i 64bitová verze PCI, která se pou-žívá zejména pro řadiče diskových polí (RAID) a
síťové karty pro Gigabit Ethernet

*      Příklad: Přenos 128 B (souvislý blok dat)

                                          Sběrnice PCI (4)

*      Maximální frekvence, se kterou může tato sběrnice standardně pracovat:

  --   33 MHz: maximální propustnost sběrnice:

    *   132 MB/s: pro šířku přenosu dat 32 bitů

    *   264 MB/s: pro šířku přenosu dat 64 bitů

  --   66 MHz: maximální propustnost sběrnice:

    *   264 MB/s: pro šířku přenosu dat 32 bitů

    *   528 MB/s: pro šířku přenosu dat 64 bitů

*      Sběrnice PCI 66 MHz a 33 MHz jsou vzájem-ně kompatibilní, tj.:

                                          Sběrnice PCI (5)

  --   lze použít 33 MHz kartu na sběrnici s frekvencí
  66 MHz

  --   lze použít 66 MHz kartu na sběrnici s frekvencí
  33 MHz

  --   v obou případech však bude sběrnice (i karta) pracovat s frekvencí 33 MHz

*      Sběrnice PCI je nezávislá na sběrnici ISA, tzn. že nevyužívá žádných jejích signálů

*      PCI sběrnice tedy může být integrována na základní desce bez sběrnice ISA



                                          Sběrnice PCI (6)

*      Pro dodržení zpětné kompatibility jsou (by-ly) počítače se sběrnicí PCI osazovány i sběrnicí
ISA, popř. EISA

*      PCI umožňuje busmastering

*      Podporuje standard Plug & Play, který do-voluje automatickou konfiguraci rozšiřují-cích karet
(bez zásahu uživatele)

*      Sběrnice PCI je používána u novějších počí-tačů s procesorem 80486 a u počítačů s pro-cesory
Pentium a vyššími

                                          Sběrnice PCI (7)

                                          Sběrnice PCI (8)

*      Konektory karet pro sběrnici PCI:

  --   32bitové:

                                          Sběrnice PCI (9)

  --   64bitové:

                                         Sběrnice PCI (10)

                                         Sběrnice PCI (11)

*      Základní deska se sběrnicemi PCI a ISA:

                                         Sběrnice PCI (12)

*      Základní deska se sběrnicí PCI:

                                         Sběrnice PCI (13)

*      Rozšiřující karta pro sběrnici PCI:

                                         Sběrnice PCI (14)

*      Základní deska s 64bitovou sběrnicí PCI:

                                         Sběrnice PCI-X (1)

*      Sběrnice PCI-X vychází z původního návrhu sběrnice PCI TH používá stejnou architekturu a je
zpětně kompatibilní se sběrnicí PCI

*      Používá stejný konektor jako PCI (64 bitů,
66 MHz, 3,3 V)

*      Šířka přenosu dat je 64 bitů (32 bitů, 16 bitů)

*      Zavádí nový komunikační protokol, který dovoluje efektivnější přenos dat

*      V současné době existuje ve čtyřech různých verzích:

                                         Sběrnice PCI-X (2)

  --   PCI-X 66:

    *   pracuje s frekvencí 66 MHz

  --   PCI-X 133:

    *   pracuje s frekvencí 133 MHz

  --   PCI-X 266:

    *   pracuje s frekvencí 133 MHz

    *   během jednoho taktu umožňuje uskutečnit dva datové přenosy

    *   poskytuje maximální přenosovou rychlost 2,1 GB/s

  --   PCI-X 533:

    *   pracuje s frekvencí 133 MHz

                                         Sběrnice PCI-X (3)

    *   během jednoho taktu umožňuje uskutečnit čtyři dato-vé přenosy

    *   poskytuje maximální přenosovou rychlost 4,2 GB/s

*      Ve vývoji je i verze PCI-X 1066

                                      Sběrnice PCI Express (1)

*      PCI Express (PCIe) je nové označení techno-logie původně známé jako 3GIO

*      Specifikace PCIe byla dokončena v roce 2002

*      Jedná se novou architekturu pro budování rozšiřující sběrnice

*      Dosud používané rozšiřující sběrnice (PC bus -- PCI-X) jsou (byly) budovány jako systémy se
sdílenou sběrnicí

                                      Sběrnice PCI Express (2)

                                      Sběrnice PCI Express (3)

*      Jednotlivá zařízení nemusí sdílet jednu sběr-nici, ale každé z nich má výhradní a přímý
přístup k přepínači

                                      Sběrnice PCI Express (4)

                                      Sběrnice PCI Express (5)

                                      Sběrnice PCI Express (6)

                                      Sběrnice PCI Express (7)

                                      Sběrnice PCI Express (8)

                                      Sběrnice PCI Express (9)

*      Nelze použít např.:

                                     Sběrnice PCI Express (10)

*      Základní deska se sběrnicí PCIe (1x PCIe -- x16 link a 3x PCIe -- x1 link):

                                     Sběrnice PCI Express (11)

*      Karta pro sběrnici PCIe x16: