Technicke´ Vybavenı Osobnıch Pocˇıtacˇu˚

Sˇ a´rka Vavrecˇkova´

Skripta do prˇedmeˇtu Technicke´vybavenı´ osobnı´ch pocˇı´tacˇu˚

U´ stav informatiky Filozoﬁcko-prˇı´rodoveˇdecka´fakulta v Opaveˇ Slezska´univerzita v Opaveˇ

Opava 16. prosince 2015 Anotace: Tato skripta jsou urcˇena pro studenty prˇedmeˇtu Technicke´vybavenıósobnıćh pocˇı´tacˇu˚. Beˇhem studia se sezna´mı´me se strukturou pocˇı´tacˇe, vlastnostmi a funkcemi jednotlivyćh komponent, jejich diagnostikou a u´drzˇbou. Du˚raz je kladen na co nejnoveˇjsˇıínformace, studenti se take´sezna´mı´s mozˇnostmi udrzˇovańıáktua´lnosti svyćh znalostı´.

Technicke´vybavenı´osobnı´chpocˇı´tacˇu˚ RNDr. Sˇ a´rka Vavrecˇkova´, Ph.D.

Dostupne´na: http://elearning.fpf.slu.cz/, http://vavreckova.zam.slu.cz/hw.html

U´ stav informatiky Filozoﬁcko-prˇı´rodoveˇdecka´fakulta v Opaveˇ Slezska´univerzita v Opaveˇ Bezrucˇovo na´m. 13, Opava

Sa´zeno v syste´mu LATEX

Tato inovace prˇedmeˇtu Technicke´ vybavenı´ osobnıćh pocˇı´tacˇu˚ je spolufinancovańa Evropsky´m socia´lnı´m fondem a Sta´tnı´m rozpocˇtem CˇR, projekt cˇı´slo CZ.1.07/2.2.00/28.0014, „Interdisciplina´rnı´ vzdeˇla´vańı´ v ICT s jazykovou kompetencı´“. Prˇedmluva

Co najdeme v teˇchto skriptech

Tato skripta jsou urcˇena pro studenty informatickyćh oboru˚ na U´ stavu informatiky Slezske´ univerzity v Opaveˇ. Obsahujı´la´tku vyucˇovanou v prˇedmeˇtu Technicke´vybavenı´pocˇı´tacˇu˚, ve ktere´m se zaby´va´me prˇede- vsˇı´m hardwarem osobnıćh pocˇı´tacˇu˚(okrajoveˇtakeńotebooku˚a serveru˚cˇi jinyćh zarˇı´zenı´). V prˇedmeˇtu jsou sice jen prˇedna´sˇky, ale z du˚vodu prakticke´ho zameˇrˇenı´prˇedmeˇtu jsou tyto prˇedna´sˇky prokla´dańy prakticky´m vyuzˇitı´m a uka´zkami konkre´tnıćh komponent (za´kladnı´deska, ru˚zne´druhy pameˇ- t’ovyćh modulu˚, vneˇjsˇı´pameˇt’ova´me´dia, kabely s konektory, atd.). Prˇedmeˇt je ukoncˇen u´stnı´zkousˇkou, na ktere´se tyto komponenty take´mohou objevit, proto je „velmi vhodne´“ se prˇedna´sˇek ućˇastnit. Neˇktereóblasti jsou take´„navıć“ (jsou oznacˇeny ikonami fialove´barvy), ty nejsou probı´rańy a ani se neobjevıńa zkousˇce – jejich u´kolem je motivovat k dalsˇı´mu samostatne´mu studiu nebo poma´hat v budoucnu prˇi zı´ska´vańı´dalsˇıćh informacı´dle potrˇeby v zameˇstnańı´. Pokud je fialovaíkona prˇed na´zvem kapitoly (sekce), platı´pro vsˇe, co se v dane´kapitole cˇi sekci nacha´zı´.

Znacˇenı´

Ve skriptech se pouzˇı´vajıńa´sledujıćı´barevneíkony:

• Nove´ pojmy, vysveˇtlenı´vy´znamu neˇktery´ch postupu˚a znacˇenı´, pouzˇı´vane´symboly, postupy, na´- stroje, apod. jsou znacˇeny modry´m symbolem, ktery´vidı´me take´zde vpravo.

• R Neˇkterećˇa´sti textu jsou oznacˇeny fialovou ikonou, cozˇznamena´, zˇe jde o nepovinneú´seky, ktere´ nejsou probı´rańy (veˇtsˇinou; studenti si je mohou podle za´jmu vyzˇa´dat nebo sami prostudovat). Jejich ućˇelem je dobrovolne´ rozsˇı´rˇenı´ znalostı´ studentu˚ o pokrocˇila´ te´mata, na ktera´ obvykle prˇi vyúce nezby´va´moc cˇasu.

• Zˇ lutou ikonou jsou oznacˇeny odkazy, na kteryćh lze zı´skat dalsˇıínformace o te´matu. Nejcˇasteˇji u te´to ikony najdeme weboveódkazy na strańky, kde se dane´te´matice jejich autorˇi veˇnujı´podrobneˇji.

• Cˇervena´ je ikona pro upozorneˇnı´ a pozna´mky.

iii iv

Kazˇdy´semestr se probere odlisˇne´mnozˇstvı´la´tky, proto se prˇi rozlisˇovańı´„povinne´ho“ a „nepovinne´ho“ rˇid’te prˇedevsˇı´m seznamem ota´zek, ktery´takte´zˇnajdete na me´m webu. Opticky jsou odlisˇeny take´rˇesˇene´prˇı´klady a nerˇesˇeneú´lohy. Prˇı´klady jsou cˇı´slovańy, cˇı´sla slouzˇı´k jednoduche´mu odkazovańıńa tyto prˇı´klady.

M Prˇı´klad0.1 Takto vypada´prostrˇedı´s prˇı´kladem, naprˇı´klad neˇjake´ho postupu. Prˇı´klady jsou cˇı´slovane´, na jejich cˇı´sla se v textu mu˚zˇe odkazovat. M

C U´ kol Ota´zky a u´koly, na´meˇty na vyzkousˇenı´, ktere´se doporucˇuje prˇi procvicˇovańıúcˇiva prova´deˇt, jsou uzavrˇeny v tomto prostrˇedı´. Pokud je v prostrˇedı´vıće u´kolu˚, jsou cˇı´slovańy. C Obsah

1 Historie 1 1.1 Praveˇk...... 1 1.1.1 Ucˇı´me se pocˇı´tat...... 1 1.1.2 Mechanicke´pomu˚cky...... 2 1.1.3 Prvnı´stroje...... 2 1.2 Vy´pocˇetnı´technika...... 3 1.2.1 Nulta´generace...... 3 1.2.2 Prvnı´generace...... 5 1.2.3 Druha´generace...... 6 1.2.4 Trˇetı´generace...... 7 1.2.5 Cˇtvrta´generace...... 8 1.3 Analogove´pocˇı´tacˇe...... 8

2 Struktura pocˇı´tacˇe 10 2.1 Za´kladnı´typy pocˇı´tacˇovyćh architektur...... 10 2.1.1 Von Neumannovo sche´ma...... 10 2.1.2 Harvardskaárchitektura...... 12 2.1.3 Data-flow...... 12 2.2 Instrukcˇnıá datove´proudy – Flynnova taxonomie...... 13

3 BIOS a zapnutı´pocˇı´tacˇe 14 3.1 BIOS...... 14 3.2 Zapnutı´pocˇı´tacˇe...... 15 3.3 EFI...... 17 3.3.1 Zarˇı´zenı´...... 18 3.3.2 Ovla´dańıÉFI...... 19 3.3.3 Operacˇnı´syste´my...... 19 3.4 Upgrade firmwaru (BIOSu)...... 20

4 Rozhranı´a konektory 23 4.1 Univerza´lnı´rozhranı´...... 23 4.1.1 USB...... 23 4.1.2 FireWire...... 30 4.1.3 Thunderbolt...... 31

v vi

4.2 Paralelnıá se´riove´porty, PS/2...... 32 4.3 Datove´rozhranı´pevnyćh a optickyćh disku˚...... 34 4.3.1 PATA a SATA...... 34 4.3.2 SCSI a SAS...... 38 4.4 Konektory na grafickyćh kartaćh...... 40 4.4.1 D-SUB...... 40 4.4.2 DVI...... 41 4.4.3 HDMI, DisplayPort...... 42 4.4.4 Dalsˇıánalogova´rozhranı´...... 44 4.5 Dalsˇı´rozhranı´...... 45 4.6 Komunikace se zarˇı´zenı´mi...... 46 4.6.1 IRQ...... 47 4.6.2 DMA...... 49 4.6.3 I/O porty...... 50 4.6.4 Adresa pameˇti pro zarˇı´zenı´...... 50 4.7 Plug & Play a HotPlug...... 51 4.8 Hodiny rea´lne´ho cˇasu...... 52

5 Case a za´kladnı´deska 54 5.1 Skrˇıńˇpocˇı´tacˇe...... 54 5.2 Co je to za´kladnı´deska...... 55 5.2.1 PCB...... 56 5.2.2 Form factor...... 57 5.3 Sbeˇrnice...... 59 5.3.1 ISA, EISA...... 60 5.3.2 PCI a PCI-X...... 60 5.3.3 PCI Express...... 60 5.3.4 AGP...... 62 5.4 Chipset...... 62 5.4.1 North-South bridge design...... 63 5.4.2 One Chip design...... 65 5.4.3 Soucˇasnećhipsety...... 65 5.4.4 SoC cˇipy...... 67 5.5 Integrovana´zarˇı´zenı´...... 68 5.6 Prˇepıńacˇe, propojky...... 69 5.7 Rozvrzˇenı´komponent na za´kladnı´desce...... 70

6 Procesory 72 6.1 Co je to procesor...... 72 6.1.1 Technologie vy´roby...... 72 6.1.2 Matematicky´koprocesor...... 73 6.1.3 Rozdeˇlenı´procesoru˚...... 74 6.2 Logicka´struktura procesoru...... 76 6.3 Registry...... 78 6.3.1 Registry procesoru˚Intel...... 78 6.4 Cache pameˇt’...... 81 6.5 Instrukcˇnı´sada...... 83 6.6 Rezˇimy procesoru...... 84 vii

6.7 Vlastnosti procesoru˚...... 86 6.7.1 Za´kladnı´vlastnosti...... 86 6.7.2 Pipelining a . . . skala´rnıárchitektury...... 87 6.7.3 Out-of-Order Execution...... 87 6.7.4 Register Renaming a prˇedbeˇzˇne´vyhodnocovańı´...... 88 6.7.5 HyperThreading, vıće jader, vıće procesoru˚...... 88 6.7.6 Podpora virtualizace...... 89 6.7.7 Energetickańa´rocˇnost a spra´va energie...... 90 6.7.8 Little a Big Endian...... 92 6.7.9 Vıćevla´knoveáplikace...... 93 6.8 Mooru˚v za´kon...... 95 6.9 Sloty, sockety...... 96 6.10 Prˇehled procesoru˚...... 97 6.10.1 Mikroarchitektura procesoru...... 97 6.10.2 Starsˇı´procesory Intel...... 97 6.10.3 Noveˇjsˇı´procesory Intel...... 100 6.10.4 Starsˇı´procesory AMD...... 107 6.10.5 Noveˇjsˇı´procesory AMD...... 109 6.10.6 PowerPC...... 113 6.10.7 Motorola...... 114 6.10.8 VIA...... 115 6.10.9 Procesory ARM...... 115 6.11 Prˇetaktovańıá podtaktovańı´procesoru...... 117

7 Vnitrˇnı´pameˇti 119 7.1 Druhy a vlastnosti vnitrˇnıćh pameˇtı´...... 119 7.2 Vlastnosti vnitrˇnıćh pameˇtı´...... 120 7.2.1 Obvykla´struktura...... 120 7.2.2 ROM pameˇti...... 121 7.2.3 RAM pameˇti...... 123 7.3 Provedenı´, pameˇti v pouzdrech...... 126 7.4 Jak fungujı´moduly DIMM...... 129 7.4.1 Komunikacˇnı´kana´ly...... 130 7.4.2 Operace a cˇasovańı´DIMM...... 130 7.4.3 Prˇetaktovańı´pameˇtı´...... 132 7.4.4 Dalsˇı´vlastnosti DIMM...... 133 7.5 Testovańı´pameˇtı´...... 134 7.6 Cache pameˇti...... 137

8 Vneˇjsˇı´pameˇti 139 8.1 Za´kladnı´pojmy...... 139 8.2 Magneticke´disky...... 140 8.2.1 Bubnove´pameˇti...... 140 8.2.2 Diskove´pameˇti...... 140 8.2.3 Fyzicka´struktura a geometrie disku...... 141 8.2.4 Modulace prˇi za´pisu...... 144 8.2.5 Cˇtenı´a za´pis...... 145 8.2.6 Technologie...... 148 viii

8.2.7 Nejveˇtsˇıá nejmensˇı´...... 151 8.2.8 Sledovańı´pevnyćh disku˚...... 152 8.2.9 Vybı´ra´me pevny´disk...... 154 8.3 RAID...... 156 8.3.1 Typy RAID...... 156 8.3.2 Nastavenı´RAID pole...... 158 8.3.3 Dynamicke´/virtua´lnı´svazky...... 158 8.4 NAS...... 160 8.5 Magnetoopticke´disky...... 161 8.6 Opticke´pameˇti...... 162 8.6.1 CD...... 162 8.6.2 DVD...... 164 8.6.3 Struktura prˇepisovatelne´ho disku...... 166 8.6.4 Blu-Ray...... 168 8.6.5 Zˇ ivotnost a u´drzˇba optickyćh me´diı´...... 169 8.6.6 Technologie prˇı´me´ho popisku...... 170 8.7 Flash pameˇti...... 171 8.7.1 USB flash disk...... 171 8.7.2 SSD...... 172 8.7.3 Hybridnı´disky...... 175 8.7.4 Pameˇt’ove´karty...... 176 8.8 Za´lohovańıá archivace...... 177 8.8.1 Magneticka´pa´ska...... 177 8.8.2 Pa´sky momenta´lneˇpouzˇı´vane´pro za´lohovańı´...... 178 8.9 Co se chystaú pevnyćh disku˚...... 180

9 Rozsˇirˇujıćı´karty 182 9.1 Co je to rozsˇirˇujıćı´karta...... 182 9.2 Graficka´karta...... 182 9.2.1 Za´kladnı´typy zobrazenıá obsah videopameˇti...... 183 9.2.2 Vy´voj grafickyćh karet...... 185 9.2.3 Struktura graficke´karty...... 186 9.2.4 GrafickeÁPI...... 189 9.2.5 Napa´jenı´karty...... 191 9.2.6 TV tuner...... 192 9.2.7 Paralelnı´zapojenı´karet...... 192 9.3 Zvukova´karta...... 193 9.3.1 Princip...... 193 9.3.2 Vzorkovacı´frekvence...... 194 9.3.3 Synte´za zvuku...... 195 9.3.4 Rozhranı´...... 195 9.4 Sı´t’ova´karta...... 196 9.4.1 Princip...... 196 9.4.2 Souvisejıćı´technologie...... 197

10 Vstupnı´a vy´stupnı´zarˇı´zenı´ 198 10.1 Vstupy a vy´stupy...... 198 10.2 Kla´vesnice...... 198 ix

10.3 Ukazovacı´zarˇı´zenı´...... 202 10.3.1 Mysˇ...... 202 10.3.2 Trackball, Trackpoint, Touchpad, Tablet...... 203 10.3.3 Dotykoveóbrazovky...... 204 10.3.4 Dalsˇı´...... 205 10.3.5 Netradicˇnıóvla´dańı´PC...... 205 10.4 Vnı´mańı´barev...... 207 10.4.1 Lidskeóko vnı´ma´barvy...... 207 10.4.2 Pocˇı´tacˇzpracova´va´barvy...... 207 10.4.3 CIE...... 208 10.4.4 Pojmy z grafiky...... 210 10.5 Scannery...... 210 10.5.1 Snı´macı´technologie...... 210 10.5.2 Opticke´rozpozna´vańı´znaku˚...... 212 10.6 Monitory...... 212 10.6.1 Parametry monitoru...... 212 10.6.2 CRT monitory...... 213 10.6.3 LCD panely...... 215 10.6.4 Dalsˇı´technologie podobne´LCD...... 219 10.7 Tisk...... 221

11 Napa´jenı´a chlazenı´pocˇı´tacˇe 225 11.1 Napa´jenı´...... 225 11.1.1 Jak zdroj funguje...... 225 11.1.2 Standardy...... 226 11.1.3 Vlastnosti zdroje...... 227 11.1.4 Akumula´tor notebooku...... 228 11.2 Chlazenı´...... 230 11.2.1 Princip chlazenı´pocˇı´tacˇe...... 230 11.2.2 Typy chladicˇu˚...... 232 11.2.3 Sledova´nı´teploty...... 233 11.3 Power Management...... 234 11.3.1 APM...... 234 11.3.2 ACPI...... 234 Kapitola 1

Historie

V te´to kapitole se sezna´mı´me s historiı´vy´pocˇetnı´techniky. Je to pouze strucˇny´na´hled, ktery´na´m pomu˚zˇe orientovat se ve vy´voji v te´to oblasti.

1.1 Praveˇk

1.1.1 Ucˇı´mese pocˇı´tat

Vznik cˇı´selnyćh soustav Za´kladem vy´pocˇetnı´techniky jsou samotne´vy´pocˇty. Lide´zacˇali pocˇı´tat takto: • desı´tkova´soustava – prsty na rukou • dvanaćtkova´soustava – pouzˇı´valy se vsˇechny prsty kromeˇpalce, pocˇı´taly se klouby na prstech (trˇi klouby na kazˇde´m ze cˇtyrˇprstu˚= 12), na druhe´ruce pocˇı´tali tucty, zna´meńaprˇı´klad ze stare´ho Sumeru, podobny´syste´m pouzˇı´vali takeÉgypt’ane´ • 3000 prˇ. n. l. – v Cˇıńeˇobjevena dvojkova´soustava Slozˇiteˇjsˇı´pouzˇitı´rukou: V Rˇ ecku vznikl syste´m kombinacı´pozic prstu˚, kazˇda´kombinace znamenala urcˇity´ pocˇet. Pocˇı´tali v peˇtkove´soustaveˇ.

Prˇedmeˇty Do drˇeveˇne´hu˚lky cˇi kosti se deˇlaly za´rˇezy, ktere´mohly by´t sdruzˇene´do skupin. • Prˇed 37 tisıći lety v jizˇnıÁfrice neˇkdo do kosti paviańa vyryl 29 pravidelnyćh znacˇek, zaznamenal si mnozˇstvı´, ktereńedoka´zal slovneˇpojmenovat. • Prˇed 30 tisıći lety v oblasti Dolnıćh Veˇstonic neˇkdo do vlcˇı´kosti vyryl dveˇdlouhe´pode´lnećˇa´ry a od nich na obeˇstrany hodneˇmensˇıćh za´rˇezu˚– na jedne´straneˇ25, na druhe´30. Kost pravdeˇpodobneˇ slouzˇila jako pomu˚cka prˇi vy´meˇnne´m obchodu. • Jesˇteˇneda´vno se v horskyćh oblastech sveˇta pouzˇı´vala tzv. vrubovka, tj. kost s vroubky, na ktere´se zaznamena´valy pocˇty cˇehokoliv. Pouzˇı´valy se take´desky kamenne´, pozdeˇji drˇeveˇne´, pokryte´pı´skem nebo prachem.

1 KAPITOLA 1 HISTORIE 2

1.1.2 Mechanicke´pomu˚cky

Mechanicka´pocˇitadla se pouzˇı´vala v ru˚znyćh cˇa´stech sveˇta. Nejzna´meˇjsˇı´jsou • abakus (Evropa) • suan-pchan (Cˇıńa, 500 prˇ. n. l.) • scˇot (Rusko), pouzˇı´va´se dodnes • saroban (Japonsko) • suan-pchan (Cˇıńa) • soucˇasne´jednoduche´pocˇitadlo Nejcˇasteˇji se setka´va´me pra´veˇs na´zvem ˇ 1 abakus. Prvnı´zmıńky o podobnyćh pocˇi- Obra´zek 1.1: Rı´mskyábakus a japonsky´saroban tadlech jsou stare´3000 let z Cˇıńy a Indie. Logaritmy a logaritmicka´pravı´tka znamenaly velke´zrychlenı´vy´pocˇtu˚. Co je logaritmus? • pouzˇitı´m logaritmu se na´sobenı´prˇeva´dıńa scˇı´tańıá odcˇı´tańı´ • zjednodusˇily na´sobenıá deˇlenı´velmi velkyćh cˇı´sel a cˇı´sel s dlouhy´m desetinny´m rozvojem John Napier vynalezl logaritmy, William Oughtred vynalezl logaritmicke´pravı´tko (1622).

1.1.3 Prvnı´stroje

Antikythe´rsky´mechanismus je 2000 let stary´pocˇetnı´stroj, ktery´byl nalezen v potopene´starorˇecke´ lodi. Mechanika je rˇesˇena ozubeny´mi kolecˇky, je vyroben z bronzu. Nenı´jiste´, k jake´mu u´cˇelu se pouzˇı´val, pravdeˇpodobneˇk astronomicky´m vy´pocˇtu˚m.

Obra´zek 1.2: Antikythe´rsky´mechanismus a Pascalina2

Mechanicke´kalkulacˇky byly rucˇneˇpohańeˇne´. Z nejzna´meˇjsˇıćh: • Pascalina – Blaise Pascal sestrojil funkcˇnı´ mechanickou kalkulacˇku z ozubenyćh kolecˇek pro scˇı´tańı´ a odcˇı´tańı´(pro sve´ho otce, danˇove´ho u´rˇednı´ka)

1Zdroje: http://abakus.navajo.cz/, http://www.ﬁ.muni.cz/usr/jkucera/pv109/xdavidov.html. 2Zdroje: http://wbdno.wordpress.com/2010/02/06/the-antikythera-mechanism-research-project/, http://michele.nireblog.com/ﬁle/237571. KAPITOLA 1 HISTORIE 3

• Krokova´kalkulacˇka – Gottfried Wilhelm Leibnitz sestrojil mechanickou kalkulacˇku zalozˇenou na dvojkove´ soustaveˇ, umeˇla navıć na´sobit, deˇlit a pocˇı´tat druhou mocninu Pozdeˇji vznikaly kalkulacˇky na elektrˇinu, a to • elektromechanicke´– ozubena´kolecˇka pohańeˇnaélektrˇinou • elektronicke´– elektronickeóbvody, existovaly i programovatelne´modely

Programovatelne´prˇı´stroje jsou dalsˇı´generacı´vy´pocˇetnıćh stroju˚. Ovsˇem programovatelnost byla jen na omezeneú´rovni, vpodstateˇsˇlo o mozˇnost praće s variabilnı´mi daty ulozˇeny´mi na neˇcˇem, co se v principu podobalo pozdeˇjsˇı´m deˇrny´m sˇtı´tku˚m. Z nejzna´meˇjsˇıćh: • Joseph Marie Jaquard sestrojil tkalcovsky´stav s tkany´m vzorem ulozˇeny´m na deˇrne´m sˇtı´tku (je po neˇm pojmenovań vzor „zˇaka´r“ (jacquard) • Herman Hollerith – stroj na zpracovańıú´daju˚prˇi scˇı´tańıóbyvatelstva, takte´zˇpomocı´deˇrnyćh sˇtı´tku˚

1.2 Vy´pocˇetnı´technika

V tabulce 1.1 je strucˇny´prˇehled vy´voje vy´pocˇetnı´techniky.

Generace Roky Soucˇa´stky 0 19.–20. stoletı´ Ozubena´kola 40. le´ta Elektromagneticka´rele´ 1 50. le´ta Elektronky 2 50.–60. le´ta Tranzistory 3 konec 60. let Integrovaneóbvody 3½ 1972 (70. le´ta) Integrovaneóbvody (vysokaíntegrace) 4 od roku 1981 do soucˇasnosti Integrovaneóbvody (velmi vysokaíntegrace)

Tabulka 1.1: Souhrn historie vy´pocˇetnı´techniky

1.2.1 Nulta´generace

Charles Babbage byl jednı´m z prvnıćh genia´lnıćh vyna´lezcu˚v oblasti vy´pocˇetnı´techniky. Dva z jeho stroju˚ jsou dodnes zna´meá slouzˇı´dokonce jako inspirace prˇi vy´voji novyćh technologiı´. Jedna´se zatı´m o cˇisteˇ mechanicke´stroje. Diferencia´lnı´stroj (Difference Machine, 1822) • vy´pocˇet hodnot kvadratickyćh polynomu˚ • mechanicky´, ozubena´kola Analyticky´stroj (Analytical Machine) • pouze vytvorˇil na´vrh s prˇesny´mi skicami, ve 20. stoletı´byl na´vrh realizovań KAPITOLA 1 HISTORIE 4

• programoveˇrˇı´zeny´mechanickyćˇı´slicovy´pocˇı´tacˇ(pohańeˇny´pa´rou), meˇl vlastnı´procesor, dva registry, umeˇl i podmıńeˇne´skoky • kromeˇ aritmetickyćh operacı´ take´ rˇesˇenı´ algebraickyćh a numerickyćh rovnice, doka´zal zhodnotit vy´sledky a prˇizpu˚sobit jim pru˚beˇh dalsˇı´ho vy´pocˇtu Analyticky´stroj „prˇedbeˇhl svou dobu“. Charles Babbage nebyl schopen ho dokoncˇit, protozˇe v te´dobeˇ nebylo mozˇne´vyrobit tak prˇesne´soucˇa´stky, jak bylo zapotrˇebı´. Po realizaci ve 20. stoletı´se zjistilo, zˇe jeho na´vrh byl prˇesto zcela bezchybnyá stroj opravdu fungoval podle prˇedpokladu˚. Analyticky´stroj je povazˇovań za prvnı´skutecˇny´pocˇı´tacˇsveˇta.

Obra´zek 1.3: Diferencia´lnı´a analyticky´stroj3

Pozna´mka: Analyticky´stroj nese jesˇteˇjedno prvenstvı´– pra´veˇpro neˇj byly napsańy prvnı´programy na sveˇteˇ. Prvnı´m programa´torem byla zˇena – Augusta Ada King, hrabeˇnka z Lovelace (take´hrabeˇnka Ada Lovelace) rozena´ Augusta Ada Byron (byla dcerou zna´me´ho anglicke´ho ba´snı´ka lorda G. G. Byrona). Po hrabeˇnce Adeˇbyl pojmenovań programovacı´jazyk Ada, cozˇbyl jazyk trochu podobny´Pascalu, ale s vy´razny´mi bezpecˇnostnı´mi mechanismy (tento jazyk vznikl za podpory americkeárma´dy).

Velky´m krokem vprˇed byl vyna´lez elektromagneticke´ho rele´. K pocˇı´tacˇu˚m nulte´generace sestrojeny´m za pouzˇitı´ rele´, patrˇily naprˇı´klad pocˇı´tacˇe neˇmecke´ho vyna´lezce Konra´da Zuseho, ktery´vynalezl v 30.–40. letech 20. stoletı´ postupneˇpocˇı´tacˇe Z1, Z2, Z3 a Z4, od Z2 pouzˇı´val take´rele´. Z nich byl nejprˇıńosneˇjsˇı´prˇedevsˇı´m Z3 z roku 1941, ktery´jako prvnı´fungoval vcelku tak jak meˇl. Byl to prvnıélektronickyćˇı´slicovy´(digita´lnı´) programovatelny´pocˇı´tacˇslozˇeny´z prˇiblizˇneˇ2000 rele´va´zˇıćı´1 tunu. Jeho u´kolem bylo poma´hat prˇi projektovańıńeˇmeckyćh bomb, paradoxneˇjeho konec byl zpu˚soben bombou (ale ne neˇmeckou).

3Zdroje: http://io9.com/381601/the-victorian+era-supercomputer-and-the-genius-who-created-it, http://www.chronarion.org/ada/. KAPITOLA 1 HISTORIE 5

Z dalsˇıćh jmenujme naprˇı´klad americky´pocˇı´tacˇ MARK I od Howarda Aikena (rok 1943, va´zˇil 35 tun), a nebo SAPO (SAmocˇinny´POcˇı´tacˇ), prvnıćˇeskoslovensky´pocˇı´tacˇz roku 1957. Vidı´me je na obra´zku 1.4. SAPO byl postaven z prˇiblizˇneˇ7000 elektromagnetickyćh releá 400 elektronek (nebyl slozˇen pouze z elektronek, proto ho nerˇadı´me do prvnı´generace pocˇı´tacˇu˚). Vznikl v laboratorˇi matematickyćh stroju˚ U´ strˇednı´ho u´stavu matematicke´ho, do provozu byl uveden roku 1958 (uvedenı´do provozu nebylo zrovna okamzˇite´, prˇedevsˇı´m z du˚vodu˚znacˇne´poruchovosti tohoto stroje). Prvnı´funkcˇnıćˇeskoslovensky´pocˇı´tacˇby mozˇna´vznikl mnohem drˇı´v, ale v padesa´tyćh letech (hlavneˇv jejich prvnı´polovineˇ) se tomuto oboru moc neprˇa´lo, kybernetika byla dokonce oznacˇovańa za „burzˇoaznı´paveˇdu“.

Obra´zek 1.4: Pocˇı´tacˇe MARK 1 a SAPO4

1.2.2 Prvnı´generace

Pocˇı´tacˇe prvnı´generace meˇly tyto vlastnosti: • jako svu˚j za´klad pouzˇı´valy elektronky • zˇa´dnyóperacˇnı´syste´m, zˇa´dne´vysˇsˇı´prog. jazyky, kazˇdy´stroj meˇl svu˚j assembler • pocˇı´tacˇzpracova´val vzˇdy jedinou u´lohu, kterou zada´val (zˇivy´) opera´tor Porˇa´d sˇlo vpodstateˇo velke´soustavy skrˇıńı´zabı´rajıćı´hodneˇmı´sta. Potrˇebovaly sice celou mı´stnost, ale narozdı´l od svyćh releóvyćh prˇedchu˚dcu˚ se do te´ mı´stnosti vesˇlo taky neˇco jine´ho (stoly zameˇstnancu˚, apod.). R Elektronka (anglicky vacuum tube, vakuova´trubice) se skla´da´z katody (zˇhavicı´vla´kno), anody (plı´sˇek) a vodivyćh dra´tu˚, to vsˇe je uzavrˇeno ve skleneˇne´trubici s vycˇerpany´m vzduchem (tj. ve vakuu). Kdyzˇje katoda nahrˇa´ta, dojde k emisi elektronu˚, ktere´jsou prˇitahovańy k anodeˇa tedy procha´zı´proud. Obvykla´velikost elektronky vsˇak byla neˇkolik centimetru˚, a tedy sestavit cely´pocˇı´tacˇznamenalo prˇe- devsˇı´m mı´t dostatek mı´sta, pocˇı´tat s vysokou spotrˇebou elektrˇiny a taky du˚kladneˇ chladit (elektronky hodneˇ„topily“. Vzhledem k vysoke´provoznı´teploteˇa celkove´slozˇitosti byly pocˇı´tacˇe prvnı´generace velmi poruchove´.

4Zdroj: http://www.columbia.edu/acis/history/mark1.html, http://www.ceskenoviny.cz/tema/index img.php?id=68769. KAPITOLA 1 HISTORIE 6

Mezi prvnı´mi elektronkovy´mi pocˇı´tacˇi byly • Colossus (1943) – britsky´pocˇı´tacˇ, vypoma´hal v druhe´sveˇtove´va´lce (desˇifroval zachyceneńeˇmecke´ depesˇe) • ENIAC (1946) – prvnı´zcela elektronkovy´stroj (asi 17 500 elektronek), va´zˇil 27 tun • EDVAC (1951) – narozdı´l od ENIACu byl bina´rnı´, s univerza´lneˇjsˇı´m pouzˇitı´m Prvnı´m komercˇneˇu´speˇsˇny´m pocˇı´tacˇem prvnı´generace byl UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer, 1951), stroj prˇı´mo navrzˇeny´pro pouzˇitı´v administrativeˇa obchodu. Byl potomkem ENIACu (sestavili ho titı´zˇ lide´). UNIVAC pu˚vodneˇnebyl vybaven zarˇı´zenı´m pro praći s deˇrny´mi sˇtı´tky, cozˇbyl ze zacˇa´tku jeho velky´ handicap. Postupneˇbyl tento proble´m vyrˇesˇen a take´s UNIVACem bylo toto zarˇı´zenı´doda´vańo. Prvnı´m za´kaznı´kem byl U´ rˇad pro scˇı´tańı´lidu v USA, dalsˇı´za´kaznıći byli prˇedevsˇı´m z okruhu americke´ arma´dy (letectvo, kartografie, na´morˇnictvo apod.), ale take´velkeámericke´firmy (Remington Rand, General Electric, U.S. Steel, atd.). Cena byla pohybliva´(spı´sˇe stoupala), postupneˇprˇekrocˇila milion USD. R UNIVAC obsahoval prˇiblizˇneˇ5200 elektronek, va´zˇil 13 tun. Pracoval na frekvenci 2,25 MHz. Pracoval s cˇı´sly v dekadicke´m (desı´tkove´m) za´pisu, pouzˇı´val take´znameńko. Pameˇt’pracovala na principu zpozˇd’ovacı´ linky na ba´zi rtuti (tj. znacˇneˇneekologicky´vy´robek). VCˇeskoslovensku byl roku 1963 dokoncˇen elektronicky´pocˇı´tacˇ Epos 1 (stejnyú´stav a te´meˇrˇstejny´ty´m jako u pocˇı´tacˇe SAPO). Skla´dal se z 8000 elektronek. Do se´riove´ vy´roby se nedostal, protozˇe byl velmi poruchovy´, ale jeho prˇıńos spocˇı´val prˇedevsˇı´m v ozkousˇenıńeˇkteryćh origina´lnıćh postupu˚.

1.2.3 Druha´generace

Druha´generace je datovańa do 50. a cˇa´tecˇneˇ60. let 20. stoletı´. Ve vy´pocˇetnı´technice je to prˇelomoveóbdobı´, protozˇe pra´veˇtehdy se zacˇaly objevovat prvnıópravdu stolnı´pocˇı´tacˇe, ktere´se dosta´valy i k „obycˇejny´m“ lidem (i kdyzˇv zˇa´dne´m prˇı´padeˇjesˇteˇnesˇlo o stolnıćˇi dokonce domaćı´pocˇı´tacˇe). Pocˇı´tacˇe druhe´generace byly zalozˇeny na tranzistorech. Podı´va´me se na pa´r pojmu˚: Polovodicˇ je pevna´la´tka, jejı´zˇelektricka´vodivost za´visıńa vnitrˇnıćh nebo vneˇjsˇıćh podmıńkaćh, tj. nenı´ sta´laá da´se ovlivnˇovat. R Tranzistor: tranzistorovyéfekt byl objeven roku 1947 v Bellovyćh laboratorˇıćh. Za tento objev jim byla roku 1956 udeˇlena Nobelova cena za fyziku. Tranzistor je polovodicˇova´soucˇa´stka, pouzˇı´vajı´se polovodicˇe typu P a N • P: do cˇtyrˇmocne´ho krˇemı´ku je prˇidań neˇktery´peˇtimocny´prvek, • N: do cˇtyrˇmocne´ho krˇemı´ku je prˇidań neˇktery´trojmocny´prvek, lisˇı´se kromeˇjine´ho smeˇrem pohybu elektronu˚prˇi zahrˇa´tı´ Ma´(nejmeńeˇ) trˇi elektrody – kolektor, ba´ze a emitor (u bipola´rnıćh tranzistoru˚). podle usporˇa´dańı´pouzˇityćh polovodicˇu˚rozlisˇujeme tranzistory PNP a NPN (prostrˇednı´je ba´ze), na ba´zi je prˇipojen proud, jeho velikost ovla´da´proud mezi emitorem a kolektorem. Kromeˇpouzˇı´vańı´tranzistoru˚meˇly pocˇı´tacˇe druhe´generace take´tyto vlastnosti: • da´vkovy´syste´m praće – programy s daty pro zpracovańı´jsou opera´torem naskla´dańy za sebe, kdyzˇje dokoncˇen jeden program, automaticky se zacˇne zpracova´vat dalsˇı´program z da´vky • kromeˇassembleru dalsˇı´ programovacı´jazyky (naprˇı´klad FORTRAN, COBOL) KAPITOLA 1 HISTORIE 7

Jednı´m z prvnıćh tranzistorovyćh pocˇı´tacˇu˚druhe´generace byl PDP-1 firmy DEC. Meˇl prˇiblizˇneˇrozmeˇry skrˇıńeˇa byl urcˇen pro veˇtsˇı´firmy (prodalo se celkem 55 kusu˚, byl to komercˇneˇvelmi u´speˇsˇny´stroj). Prvnı´m komercˇneˇdostupny´m cˇeskoslovensky´m tranzistorovy´m pocˇı´tacˇem byl MSP (Maly´Stolnı´Pocˇı´tacˇ, 1965), da´le pro hromadne´zpracovańı´dat byl vyvinut pocˇı´tacˇDP 100, takte´zˇkomercˇneˇu´speˇsˇny´. Dalsˇıćˇs. pocˇı´tacˇ, Epos 2, pokracˇovatel pocˇı´tacˇe Epos 1 z prvnı´generace, byl take´slozˇen z polovodicˇovyćh soucˇa´stek (diod a tranzistoru˚), jeho se´riova´vy´roba zacˇala roku 1969.

1.2.4 Trˇetı´generace

Pocˇı´tacˇe trˇetı´generace jsou zalozˇeny na integrovanyćh obvodech. Integrovanyóbvod je elektronicka´soucˇa´stka integrujıćı´drobneˇjsˇı´soucˇa´stky (tranzistory, rezistory, kondenza´tory, apod.) na jedne´polovodicˇove´desticˇce (obvykle krˇemı´kove´), v plastove´m pouzdrˇe cˇi jinak chrańeˇna´. Byl vynalezen ve firmeˇTexas Instruments v roce 1958. Mozˇnosti pouzˇitı´: televize, ra´dia, da´lkovaóvla´dańı´, kalkulacˇky, digita´lnı´hodinky, pocˇı´tacˇe, videa, mo- bilnı´telefony, GPS, automobily, atd. Dalsˇı´vlastnosti pocˇı´tacˇu˚trˇetı´generace: • prvnıóperacˇnı´syste´my (CP/M apod.) • vysˇsˇı´programovacı´jazyky (naprˇı´klad ALGOL, LISP, Pascal, BASIC) • disketova´mechanika (8” od IBM, rok 1971) • mozˇnost paralelnı´ho zpracovańı´dat Hlavnı´mi za´stupci te´to generace jsou IBM System 360, Siemens, Tesla 200 a 300. Prˇedevsˇı´m z du˚vodu pomeˇrneˇrychle´ho technicke´ho rozvoje rozli- sˇujeme take´ trˇıápu˚ltou generaci. Ma´tyto vlastnosti: • pouzˇı´vajı´se integrovaneóbvody vysokeíntegrace • mikroprocesory, minipocˇı´tacˇe, termina´ly, obrazovka • prvnı´mikroprocesory firem Intel a Motorola Prvnı´mikroprocesor byl Intel 4004 (vy´voj zacˇal roku 1971). Tento 4bi- tovy´mikroprocesor pu˚vodneˇvznikl na zaka´zku japonske´firmy Bu- Obra´zek 1.5: Pocˇı´tacˇIBM 3605 sicom a byl urcˇen do kalkula´toru. Pozdeˇji si firma Intel uveˇdomila mozˇnosti tohoto sve´ho vy´robku a pokracˇovala v jeho vy´voji. Ryze cˇeskoslovenske´pocˇı´tacˇe uzˇv te´dobeˇnevznikaly, bohuzˇel byla sta´tem uplatnˇovańa politika povinne´ho dovozu pocˇı´tacˇu˚a komponentz vyćhodnı´ho bloku, prˇedevsˇı´m ze Soveˇtske´ho svazu (JSEP – Jednotny´ syste´m elektronickyćh pocˇı´tacˇu˚) a pokud se vyvı´jelo neˇco nove´ho, tak pod taktovkou Soveˇtske´ho svazu. To znamenalo konec samostatne´ho vy´voje na dlouhou dobu. Prˇesto u na´s byly pocˇı´tacˇe vyra´beˇny (naprˇı´klad Tesla 200 z roku 1969). U trˇıápu˚lte´generace sˇlo o projekt JSEP2, u na´s byly v ra´mci tohoto projektu vyvinuty pocˇı´tacˇe EC1025, EC1026 a EC1065. Dalsˇı´spolecˇny´projekt vyćhodnı´ho bloku sta´tu˚byl SMEP (Syste´m malyćh elektronickyćh pocˇı´tacˇu˚), kam lze zarˇadit prvnıćˇeske´klony pocˇı´tacˇu˚IBM PC.

5Zdroj: http://www.plyojump.com/classes/mainframe era.html. KAPITOLA 1 HISTORIE 8

1.2.5 Cˇtvrta´generace

Cˇtvrta´generace trva´prakticky dodnes. Hlavnı´m rysem je pouzˇı´vańı´ integrovanyćh obvodu˚velmi vysokeíntegrace. Objevila se prvnıĆD-ROM (rok 1984). Dostupneósobnı´pocˇı´tacˇe jsou nejdrˇı´v 8bitove´(Altair, IBM, Apple, Commodore, Atari, ZX Sinclair), pozdeˇji 16bitove´(IBM, Apple, . . . ). Objevila se take´prvnıńorma pro napa´jenı´pocˇı´tacˇe – AT (Advanced Technology). Prvnıósobnı´pocˇı´tacˇ, ktery´tuto normu splnˇoval, byl IBM PC AT. Altair 8800 (rok 1975) byl prvnı´m komercˇneˇu´speˇsˇny´m pocˇı´tacˇem Obra´zek 1.6: Pocˇı´tacˇApple II6 urcˇeny´m pro domaćnosti. Neproda´val se vsˇak „vcelku“, za´kaznı´k do- stal komponenty a na´vod a tento pocˇı´tacˇsi vlastnorucˇneˇposkla´dal. Dalsˇı´revoluci v domaćıćh pocˇı´tacˇıćh znamenal vy´sˇe zmıńeˇny´(a zobrazenyńa obr. 1.6) Apple II. Pro na´sledujıćı´vy´voj je take´du˚lezˇity´prˇıćhod IBM PC 5150 (rok 1981) doda´vany´s operacˇnı´m syste´mem MS-DOS. Roku 1982 se objevil prˇedchu˚dce prˇenosnyćh pocˇı´tacˇu˚(notebooku˚), GRiD Compass 1100 (va´zˇil 5 kg, byl vybaven modemem a plochou obrazovkou, ale nemeˇl disk). VCˇeskoslovensku se do sˇkol dostaly cˇeske´stroje PMD (od roku 1985), IQ-151 (rok 1984, meˇl procesor Tesla MHB 8080 a 32 KB operacˇnı´pameˇti), Didaktik (kompatibilnı´s Sinclair ZX Spectrum) a Tesla Ondra. Prˇedevsˇı´m pocˇı´tacˇIQ-151, tzv. „ikvećˇko“, vyuzˇı´vanyńa sˇkolaćh prˇi vyúce programovańı´se vryl do pa- meˇti svyćh uzˇivatelu˚, kromeˇjine´ho taky velmi sˇpatnou kla´vesnicı´(kla´vesy se obtı´zˇneˇmacˇkaly) a tı´m, jak moc „topil“. Z dovozovyćh stroju˚byly oblı´bene´prˇedevsˇı´m Atari ST (16bitovy´pocˇı´tacˇs velmi zajı´mavy´m a inovativnı´m graficky´m rozhranı´m a mysˇı´) a Amiga 500 (takte´zˇgraficke´rozhranı´s multitaskingem).

1.3 Analogove´pocˇı´tacˇe

Pocˇı´tacˇe deˇlı´me na digita´lnı´ (takećˇı´slicove´) a analogove´. U osobnıćh pocˇı´tacˇu˚postupneˇprˇevla´dly digita´lnı´, ale v historii tomu vzˇdy tak nebylo a dodnes existujıóblasti pouzˇitı´, kde je analogove´zpracovańı´vy´hodou. Digita´lnı´pocˇı´tacˇ: digita´lnı´signa´l naby´va´hodnot 0 a 1, nic mezi tı´m, digita´lnı´(cˇı´slicove´) pocˇı´tacˇe zpracova´vajı´digita´lnı´hodnoty, jsou univerza´lneˇjsˇı´. Analogovy´pocˇı´tacˇ: analogovy´signa´l je spojity´, mu˚zˇe probı´hat celou sˇka´lu mezi 0 a 1, analogove´pocˇı´tacˇe zpracova´vajıánalogovy´signa´l (nejen elektricky´), pouzˇı´vajı´se prˇedevsˇı´m v souvislosti s fyzika´lnı´mi pochody. Jaky´je tedy rozdı´l mezi digita´lnı´m a analogovy´m zpracovańı´m dat? • u digita´lnı´ho pocˇı´tacˇe prˇi prˇevodu analogove´hodnoty (trˇeba fyzika´lnı´velicˇiny) docha´zı´k zaokrouh- lovacı´m chyba´m, vy´pocˇet je neprˇesny´(omezenı´datove´ho typu) • u analogove´ho pocˇı´tacˇe hodnota proudu nebo napeˇtı´ urcˇuje momenta´lnı´ hodnotu dane´ fyzika´lnı´ velicˇiny, modelovańı´fyzika´lnıćh deˇju˚je mnohem prˇesneˇjsˇı´

6Zdroj: http://www.edwardsamuels.com/illustratedstory/isc4.htm. KAPITOLA 1 HISTORIE 9

• v jinyćh typech vy´pocˇtu˚je naopak prˇesnost analogove´ho pocˇı´tacˇe horsˇı´, zejmeńa pokud jde o abstraktnı´ matematicke´vy´pocˇty prˇı´mo neodvoditelne´z pouzˇitelnyćh fyzika´lnıćh velicˇin • analogove´pocˇı´tacˇe pracujı´v rea´lne´m cˇase, zpozˇdeˇnı´je te´meˇrˇnulove´(informace defacto „prote´ka´“ syste´mem) Tedy tam, kde nehrozı´zaokrouhlovacıćhyby zpu˚sobene´prˇevodem z pouzˇitelne´fyzika´lnı´velicˇiny a kde spı´sˇe prova´dı´me abstraktnı´ matematicke´vy´pocˇty, vı´teˇzı´digita´lnı´pocˇı´tacˇe. Zna´mı´za´stupci analogovyćh pocˇı´tacˇu˚: • Antikythe´rsky´mechanismus • logaritmicke´pravı´tko • vojenstvı´, prˇedevsˇı´m na´morˇnictvo, pro rˇı´zenı´ zameˇrˇovańı´ (Argo, HACS, Dreyeru˚v zameˇrˇovacı´tabula´tor, Nordenu˚v za- meˇrˇovacˇ) – mechanicke´, elektro-mechanicke´ • Direct Analog Computer (1949) – prvnıélektrickyánalogovy´ pocˇı´tacˇ • MONIAC (1950) – hydraulicky´pocˇı´tacˇsimulujıćıékonomiku Spojene´ho kra´lovstvı´ • ELWAT – Polskyánalogovy´pocˇı´tacˇ • MEDA – analogovy´pocˇı´tacˇvyrobeny´ve Vy´zkumne´m u´stavu matematickyćh stroju˚ Obra´zek 1.7: Cˇeskoslovensky´ analogovy´pocˇı´tacˇMEDA8

Dalsˇı´informace: Koho zaujala historie vy´pocˇetnı´techniky, zajı´mavou „vy´stavku“ najde na adrese http://www.ﬁ.muni.cz/usr/jkucera/pv109/vystavka/.

8Zdroj: http://www.ﬁ.muni.cz/usr/jkucera/pv109/vystavka/xprocha1 index.html. Kapitola 2

Struktura pocˇı´tacˇe

V te´to kapitole se budeme zaby´vat (abstraktnı´) strukturou pocˇı´tacˇe. Probereme postupneˇneˇkolik modelu˚– Von Neu- mannovo sche´ma, Harvardske´sche´ma a Data-ﬂow, vcˇetneˇjejich vztahu k soucˇasny´m vy´pocˇetnı´m architektura´m.

2.1 Za´kladnı´typy pocˇı´tacˇovy´ch architektur

2.1.1 Von Neumannovo sche´ma

John von Neumann, cely´m jmeńem John Ludwig von Neumann, resp. Jańos Neumann, byl americky´ matematik zˇidovske´ho pu˚vodu narozeny´ v Mad’arsku. Od deˇtstvı´ projevoval zna´mky geniality, meˇl vy´bornou pameˇt’, ke ktere´prˇida´val velmi dobrou schopnost logicke´ho mysˇlenı´. V 17 letech publikoval svou prvnı´veˇdeckou praći, ve 22 letech jizˇbyl asistujıćı´m profesorem na Berlıńskeúniverziteˇ(odpovı´da´titulu docenta). Cˇı´m naprˇı´klad byl von Neumann vy´znamny´pro vy´pocˇetnı´techniku: • spolutvu˚rce Teorie her (pouzˇitı´: ekonomika a jake´koliv dalsˇıóbory s projevy chaosu) • podı´lel se na konstrukci neˇkolika nejzna´meˇjsˇıćh pocˇı´tacˇu˚(naprˇı´klad ENIAC) • tvu˚rce operacˇnı´teorie kvantove´mechaniky (Von Neumannova algebra) • jaderna´fyzika, spolupodı´lel se na konstrukci prvnı´jaderne´bomby • r. 1949 vytvorˇena von Neumannova matematicka´pravidla pro konstrukci robotu˚, kterˇı´se budou sami zdo- konalovat a reprodukovat; mozˇnosti vyuzˇitıńasta´vajıázˇnynı´, NASA je chce vyuzˇı´t pro konstrukci robotu˚pro vesmı´r. Roku 1945 navrhl sche´ma samocˇinne´ho pocˇı´tacˇe, po neˇm nazvane´ von Neumannovo sche´ma, jehozˇna´kres vidı´me na obra´zku 2.1.

10 KAPITOLA 2 STRUKTURA POCˇI´TACˇE 11

- data Operacˇnı´pameˇt’ - rˇı´zenı´ - hla´sˇenı´ 6 6 procesor ? ? ALU Rˇ adicˇ - (aritmeticko- (rˇı´dicı´ logicka´ jednotka) jednotka) 6@I@ @ @ @ @ @@R @R Vstup Vy´stup

Obra´zek 2.1: Von Neumannovo sche´ma

K jednotlivy´m cˇa´stem sche´matu: 1. Operacˇnı´pameˇt’ – uchova´vańı´programu, dat, mezivy´sledku˚, vy´sledku˚vy´pocˇtu 2. Rˇ adicˇ (rˇı´dicı´jednotka) – rˇı´dıćˇinnost vsˇech cˇa´stı´pocˇı´tacˇe pomocı´rˇı´dicıćh signa´lu˚ 3. ALU (aritmeticko-logicka´jednotka) – prova´dı´vesˇkereáritmeticke´vy´pocˇty a logickeóperace 4. Vstup (vstupnı´zarˇı´zenı´) – zarˇı´zenı´pro vstup programu˚a dat 5. Vy´stup (vy´stupnı´zarˇı´zenı´) – zarˇı´zenı´pro vy´stup programu˚a dat Hlavnı´mysˇlenkou von Neumanna, ktera´je do urcˇite´mı´ry pouzˇı´vańa i dnes, je umı´steˇnı´programu a dat do te´zˇe pameˇti (tj. do operacˇnı´pameˇti). Program spustı´me, pak je podle tohoto programu vytvorˇen proces, ktery´ cely´pracuje v operacˇnı´pameˇti (nacˇte se tam jeho programovy´ko´d, globa´lnı´promeˇnne´, prˇı´padneˇdynamicke´ knihovny, atd.). Kdyzˇtento program (vlastneˇproces, abychom byli prˇesneˇjsˇı´) otevrˇe neˇktery´soubor, tento soubor se prˇenese (mapuje) opeˇt do operacˇnı´pameˇti. U starsˇıćh pocˇı´tacˇu˚tato vlastnost nebyla splneˇna, obvykle jsme meˇli program na neˇktere´m vneˇjsˇı´m pameˇt’ove´m me´diu, ze ktere´ho se take´spousˇteˇl, a data na jine´m me´diu (naprˇı´klad deˇrnyćh sˇtı´tcıćh). Dalsˇı´du˚lezˇite´vlastnosti: • existuje instrukcˇnı´sada pocˇı´tacˇe, ve ktere´je psań program, tato instrukcˇnı´sada je samozrˇejmeˇzna´ma programa´toru˚m, • protozˇe je program ulozˇen v pameˇti, je mozˇne´ho za beˇhu modifikovat nebo jinak vyuzˇı´vat, s instrukcemi lze zacha´zet jako s daty (mysˇlenkou bylo umozˇnit „samoprogramovańı´“ pocˇı´tacˇu˚, beˇzˇneˇ vyuzˇı´vańo prˇi ladeˇnı´programu˚nebo v prˇekladacˇıćh), • instrukce jsou zpracova´vańy sekvencˇneˇ, • je zpracova´vań pouze jeden program, nikoliv vıće za´rovenˇ. KAPITOLA 2 STRUKTURA POCˇI´TACˇE 12

Vlastnost sekvencˇnı´ho zpracova´vańıínstrukcı´je dnes porusˇovańa neˇktery´mi technologiemi, se ktery´mi se sezna´mı´me v kapitole o procesorech. Pouzˇitı´v soucˇasnosti: • Assembler – podle von Neumannovy architektury, data mohou by´t volneˇsmıćhańa s instrukcemi, • prˇekladacˇprogramovacı´ho jazyka – jeho vy´stupnı´data jsou vlastneˇinstrukcemi jine´ho programu, • veˇtsˇina dnesˇnıćh pocˇı´tacˇu˚ te´meˇrˇ odpovı´da´von Neumannoveˇarchitekturˇe, • proble´m: hu˚rˇe se implementuje paralelismus a vıćerozmeˇrna´data (pouzˇı´va´se jen 2D pameˇt’). Odlisˇnosti soucˇasnyćh pocˇı´tacˇu˚od von Neumanna: • v jednom pocˇı´tacˇi mu˚zˇe by´t vıće nezˇjeden procesor, prˇı´padneˇprocesor s vıće ja´dry, • v jednom okamzˇiku mu˚zˇe by´t spusˇteˇno vıće programu˚, dokonce jich mu˚zˇe vıće beˇzˇet najednou (multitasking, multiprocessing), • existujıÍ/O zarˇı´zenı´, ktera´jsou vstupneˇ-vy´stupnı´(dotykoveóbrazovky, multifunkcˇnı´zarˇı´zenı´, atd.), • nenıńutne´mı´t program v operacˇnı´pameˇti cely´, je mozˇne´zave´st do pameˇti jen potrˇebnou cˇa´st, • virtua´lnı´pameˇt’.

2.1.2 Harvardska´architektura

Dalsˇıárchitekturou , ktera´ma´vztah k dnes beˇzˇny´m pocˇı´tacˇovy´m architektura´m, je Harvardske´sche´ma. Na´zev odvozen od pocˇı´tacˇe Harvard MARK 1, celyńa´zev IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), releóve´ho pocˇı´tacˇe nulte´generace na Harvardskeúniverziteˇ. MARK 1 prˇijı´mal program na deˇrne´ pa´sce a data na elektromechanicke´m me´diu. Rozdı´l oproti von Neumannoveˇarchitekturˇe: • oddeˇlenıínstrukcı´programu od dat (separovane´pameˇti), tj. v ru˚znyćh pameˇt’ovyćh prostorech s od- deˇlenou adresacıá oddeˇleny´mi cestami na sbeˇrnici do CPU • nemozˇnost modifikovat instrukce Harvardsky´koncept prˇina´sˇı´mnohe´vy´hody. Kromeˇveˇtsˇı´bezpecˇnosti to taky znamena´, zˇe procesor mu˚zˇe za´rovenˇnacˇı´tat data i instrukce, protozˇe pro neˇpouzˇı´va´ru˚zne´komunikacˇnı´kana´ly. Od Harvardske´ho sche´matu odvozujeme Modifikovanou Harvardskou architekturu. Oproti pu˚vodnı´je prˇi- dańa mozˇnost zacha´zet s instrukcemi jako s u´daji, tj. prˇene´st cˇa´st ko´du do pameˇti urcˇene´pro data. V soucˇasne´dobeˇse Harvardskaárchitektura (spı´sˇe v modifikovane´podobeˇ) vyuzˇı´vańaprˇı´klad u profesiona´lnıćh stanic pro zpracovańıáudia/videa.

2.1.3 R Data-ﬂow

V soucˇasne´dobeˇexistujıí dalsˇı´koncepce, cˇasto orientovaneńa specializovane´zpracovańı´dat. Z nich mu˚zˇeme jmenovat naprˇı´klad Data-flow. O co jde? • o na´sledujıćıínstrukci rozhoduje nikoliv posloupnost instrukcı´v programu, ale stav prˇipravenosti dat k vykonańı´daneínstrukce KAPITOLA 2 STRUKTURA POCˇI´TACˇE 13

• zmeˇna dat na jednom mı´steˇiniciuje zmeˇnu dat na dalsˇıćh mı´stech, cˇasto rˇeteˇzcovou (za´vislosti buneˇk tabulky nebo za´vislosti pameˇt’ovyćh mı´st) • snadnaímplementace paralelismu Architektura Data-flow se dnes vyuzˇı´vańaprˇı´klad v databa´zovyćh syste´mech.

2.2 Instrukcˇnı´a datove´proudy – Flynnova taxonomie

Instrukcˇnı´proud je proud instrukcı´, ktery´je prˇijı´mań vy´pocˇetnı´jednotkou (procesorem). Datovy´proud neobsahuje instrukce, ale data, jde tedy o proud dat. V souvislosti s pocˇı´tacˇovy´mi architekturami mu˚zˇeme pocˇı´tacˇe rozdeˇlit podle pocˇtu instrukcˇnıćh a dato- vyćh proudu˚do cˇtyrˇskupin: 1. SISD (single instruction, single data) – jednoprocesorove´ 2. SIMD (single instruction, multiple data) – jedna instrukce se prova´dıńa vıće datech za´rovenˇ(vektoru dat), vektorove´pocˇı´tacˇe, zde patrˇıńeˇktere´superpocˇı´tacˇe 3. MISD (multiple instruction, single data) – vıće instrukcıńa stejnyćh datech, rˇeteˇzene´procesory (pipeline processors) 4. MIMD (multiple instruction, multiple data) – vıćeprocesorove´syste´my: • multiprocessors – procesory (nebo ja´dra) sdı´lejı´pameˇt’,nutno rˇesˇit soucˇasne´prˇı´stupy do pameˇti • multicomputers – procesory nesdı´lejı´pameˇt’,spolupracujı´jiny´m zpu˚sobem (naprˇı´klad zası´lańı´m zpra´v), typicky´prˇı´klad jsou distribuovane´syste´my S teˇmito zkratkami se setka´me take´ u procesoru˚, kdyzˇ budeme probı´rat instrukcˇnı´ sady. Multimedia´lnı´ instrukcˇnı´sady soucˇasnyćh procesoru˚jsou typu SIMD, tedy jedna instrukce zpracova´vaćely´vektor dat. Kapitola 3

BIOS a zapnutı´pocˇı´tacˇe

V te´to kapitole se podı´va´me na za´kladnı´software kazˇde´ho osobnı´ho pocˇı´tacˇe – BIOS, a na proces zapnutı´pocˇı´tacˇe.

3.1 BIOS

Firmware je vlastnı´za´kladnı´software (te´meˇrˇ) kazˇde´ho zarˇı´zenı´(za´kladnı´deska, rozsˇirˇujıćı´karty, pevny´ disk, tiska´rna, apod.). Zarˇı´zenı´je firmwarem vybaveno jizˇod vy´robce, nacha´zı´se veˇtsˇinou na pameˇt’ove´m cˇipu (ROM, EPROM, flash nebo podobne´m typu). V neˇkteryćh typech zarˇı´zenı´se firmwaru rˇı´ka´BIOS. Firmware slouzˇı´k identifikaci zarˇı´zenıá umozˇnˇuje toto zarˇı´zenı´spra´vneˇpouzˇı´vat. Je nutny´ke zjisˇteˇnı´ spra´vnyćh ovladacˇu˚, ktere´je trˇeba instalovat, s firmwarem pracujı´takeńa´stroje na diagnostiku hardwaru. Chyby ve firmwaru mohou zpu˚sobit chybovost zarˇı´zenı´, nedostupnost neˇkteryćh funkcıńebo mohou naprˇı´klad zarˇı´zenı´zpomalit cˇi zhorsˇit jeho komunikaci s jiny´mi zarˇı´zenı´mi v pocˇı´tacˇi.

BIOS (Basic Input/Output System) za´kladnı´desky je syste´m, ktery´zajisˇt’uje za´kladnı´funkce pocˇı´tacˇe, obvykle ve vztahu ke komunikaci s perife´riemi. Jedna´ se o za´kladnı´ firmware pocˇı´tacˇe (resp. rozhranı´ k firmaru jednotlivyćh zarˇı´zenı´), jednoduche´softwarove´rozhranı´k hardwaru pocˇı´tacˇe. Firmwaru jinyćh komponent se takeńeˇkdy rˇı´ka´BIOS, mu˚zˇeme naprˇı´klad slysˇet pojem „BIOS graficke´karty“. BIOS je ulozˇen v pameˇti (na cˇipu) typu ROM, EEPROM nebo flash PROM. Pokud se jednaó BIOS za´kladnı´ desky (tj. jejı´ firmware), cˇip s nı´m najdeme na za´kladnı´ desce. Pracuje s konfiguracı´ pocˇı´tacˇe ulozˇenou v CMOS RAM pameˇti napa´jene´z baterie (cˇip i baterie jsou na za´kladnı´desce) nebo flash PROM. BIOS za´kladnı´desky je dnes obvykle pouzˇı´vań prˇi startu pocˇı´tacˇe a inicializaci zarˇı´zenı´, pak je odsta- ven operacˇnı´m syste´mem, protozˇe jeho schopnosti prˇı´stupu k noveˇjsˇı´m zarˇı´zenı´m jsou nedostacˇujıćı´. Ma´ zastaralou architekturu, setka´va´me se s proble´my u prˇı´stupu k zarˇı´zenı´m (naprˇı´klad kapacita), proble´my s distribuovany´mi HW prostrˇedı´mi, a navıć se teˇzˇko rozsˇirˇuje. Nejzna´meˇjsˇı´vy´robci BIOSu: • AMI (American Megatrends) – AMI BIOS • Award-Phoenix – Award BIOS a Phoenix BIOS

14 KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 15

Ovladacˇe komponent

Konﬁgurace za´kladnı´desky (CMOS)

„Holy´“ BIOS, za´kladnı´konﬁgurace

Obra´zek 3.1: Struktura BIOSu

• dalsˇı´– Insyde, General Software • Open BIOS – volneˇsˇirˇitelny´vcˇetneˇzdrojove´ho ko´du (pod GNU GPL), lze volneˇupravovat

BIOS Setup je specia´lnı´program na nastavenı´voleb souvisejıćı´s funkcemi BIOSu, ktery´je mozˇne´spustit v kra´tke´m cˇasove´m okamzˇiku mezi testovańı´m hardwarovyćh komponent po zapnutı´pocˇı´tacˇe a spusˇteˇnı´m operacˇnı´ho syste´mu. V tomto okamzˇiku se dole na obrazovce objevı´vy´zva („Press DEL to enter Setup“, prˇı´padneˇjina´kla´vesa – F2, F1, CTRL+ALT+ESC, CTRL+ESC, atd.). Pracujeme v textove´m, pseudograficke´m rezˇimu, pouzˇı´va´me anglickou kla´vesnici. Mozˇnosti nastavenı´jsou ru˚zne´pro ru˚zne´BIOSy, naprˇı´klad: • nastavenı´data a cˇasu, zobrazenıínformacıó prˇipojene´m hardwaru, • nastavenı´posloupnosti bootovańı´zarˇı´zenı´, nastavenıńeˇkteryćh vlastnostı´zarˇı´zenı´vcˇetneˇprocesoru, • rezˇim ACPI (menu se nejcˇasteˇji jmenuje „Power Management Setup“) • zapnutı´komunikacˇnıćh portu˚(COM, LPT, USB), podpora RAID, IR, nastavenı´hesla, a dalsˇı´

SMBIOS (System Management BIOS) je speciﬁkace pro datove´struktury a prˇı´stupove´metody k nim, ty´kajı´cı´se u´daju˚o pocˇı´tacˇi. Jde o implementaci mozˇnosti softwarove´ho prˇı´stupu aplikacı´k teˇmto informacı´m.

3.2 Zapnutı´pocˇı´tacˇe

Popı´sˇeme si, co se deˇje prˇi zapnutı´pocˇı´tacˇe. Nejdrˇı´v je spusˇteˇn BIOS: 1. vynuluje registry procesoru 2. nastavı´ registr programovy´ cˇı´tacˇ na adresu, na ktere´ se nacha´zı´ BIOS (pro IBM kompatibilnı´ je to obvykle adresa v segmentu zacˇıńajıćı´m na adrese F000h) 3. takto se spustı´BIOS BIOS spustı´test POST (Power-On Self-Test), ktery´postupneˇkontroluje fyzicky´stav a prˇipojenı´jednotlivyćh hardwarovyćh komponent k za´kladnı´desce. 1. nejdrˇı´v je zkontrolovań procesor, protozˇe hraje velkou roli v dalsˇıćh testech (tyto testy jsou slozˇeny z instrukcı´, ktere´prova´dı´procesor) 2. pak je proveˇrˇen samotny´test POST 3. prˇes sbeˇrnici POST kontroluje vesˇkereóbvody a zjisˇt’uje,zda jsou provozuschopne´ 4. kontrola cˇasovacˇe (timeru) KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 16

5. kontrola videopameˇti, pak je videopameˇt’prˇipojena do pameˇt’ove´ho fondu a adresovańa, zacˇıńa´fungovat obrazovka a na ni se vypisujı´hla´sˇenıó vsˇech na´sledujıćıćh testech 6. kontrola pameˇt’ovyćh modulu˚ 7. kontrola kla´vesnice, zacˇıńajı´fungovat kla´vesy a je mozˇne´se naprˇı´klad dostat do BIOS Setup (kla´vesa se lisˇı´podle typu BIOSu) 8. kontrola dalsˇıćh zarˇı´zenı´(ATA, SATA, USB, atd.); pokud zarˇı´zenıóbsahuje vlastnı´BIOS (trˇeba karty rˇadicˇu˚disku˚), je tento BIOS zacˇleneˇn do hlavnı´ho BIOSu Po testu POST je jizˇzjisˇteˇna hardwarova´konfigurace syste´mu. V BIOSu (CMOS pameˇti) je jako soucˇa´st konfigurace ulozˇena posloupnost pameˇt’ovyćh me´diı´, ze kteryćh je povoleno zave´st operacˇnı´syste´m (pevny´ disk, CD, DVD, disketa, flash disk, apod.). Prvnı´me´dium ze seznamu, na ktere´m je funkcˇnıóperacˇnı´syste´m, je pouzˇito pro zavedenıóperacˇnı´ho syste´mu (ovsˇem nemusı´jı´t zrovna o zavadeˇcˇoperacˇnı´ho syste´mu, ale trˇeba jen o boot managera, kteryúmozˇnıúzˇivateli rozhodnout se mezi neˇkolika operacˇnı´mi syste´my). Postup je na´sledujıćı´: 1. BIOS spustı´za´kladnı´zava´deˇcı´program „bootstrap loader“ 2. bootstrap loader postupneˇproveˇrˇuje pameˇt’ova´me´dia z te´to posloupnosti a zvolı´prvnı´, ze ktere´ho lze zave´st syste´m 3. bootstrap loader najde zava´deˇcı´za´znam na tomto me´diu a prˇeda´mu rˇı´zenı´(ntfs loader, LILO, GRUB, atd.) 4. da´le jizˇpracuje zava´deˇcı´za´znam prˇı´slusˇne´ho operacˇnı´ho syste´mu instalovane´ho na pameˇt’ove´m zarˇı´- zenı´ Syste´m mu˚zˇe nastartovat dveˇma zpu˚soby: 1. Studeny´start – po prˇipojenı´pocˇı´tacˇe k elektricke´sı´ti (resp. po prˇivedenıńapeˇtı´k pocˇı´tacˇi), platı´vsˇe vy´sˇe uvedene´ 2. Teply´start – po stisknutıĆTRL+ALT+DEL a potvrzenı´restartu (spra´vneˇji resetu); sˇetrneˇjsˇı´ke komponenta´m pocˇı´tacˇe, POST neprobeˇhne

Dalsˇıínformace: To, ktere´ komponenty pocˇı´tacˇe byly zjisˇteˇny a rozpoznańy, je mozˇne´ zjistit celkem jednodusˇe pomocı´ ru˚znyćh na´stroju˚. Prˇı´mo ve Windows ma´me Syste´move´ informace (mu˚zˇeme spustit prˇı´kazem msinfo32, a nebo se k nim doklikat prˇes tlacˇı´tko Start). Lepsˇı´jsou vsˇak na´stroje trˇetıćh stran, naprˇı´klad velmi oblı´- beny´program HWInfo32 nebo HWInfo64 (podle nasˇı´hardwarove´platformy) zdarma dostupnyńa webu http://www.hwinfo.com/.

KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 17

Obra´zek 3.2: Zjisˇteˇnıínformacıó komponentaćh v HWInfo32

3.3 EFI

EFI (Extensible Firmware Interface) je na´sledovnı´k BIOSu s otevrˇeny´m ko´dem. Z nejdu˚lezˇiteˇjsˇıćh vlastnostı´: • podpora 64bitovyćh syste´mu˚(vznikl pu˚vodneˇpro Itanium) • jednoduchy´, snadno konfigurovatelny´, graficke´rozhranı´, snadne´prˇetaktova´vańı´ • starsˇı´, jizˇda´vno existujıćıÉFI, ma´textove´rozhranı´ve formeˇshellu (EFI shell), pouzˇı´valo se uzˇu prvnıćh Itaniıá v historii u neˇkteryćh sa´lovyćh pocˇı´tacˇu˚a serveru˚ • vlastnı´koncepce ovladacˇu˚ • v noveˇjsˇı´specifikaci obsahuje podporu sˇifrovańıá autentifikace po sı´ti • nevy´hoda: psań v C, proto je velikost ko´du EFI mnohem veˇtsˇıńezˇu BIOSu, na za´kladnı´desce musı´ by´t flash o veˇtsˇı´kapaciteˇ Existuje vıće variant EFI. Nejzna´meˇjsˇı´jsou • EFI (firmy MSI, Intel a dalsˇı´), funguje naprˇı´klad na intelovskyćh pocˇı´tacˇıćh s MacOS X KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 18

• UEFI (Uniﬁed Extensible Firmware Interface) – noveˇjsˇı´varianta EFI, na vy´voji spolupracuje konsorcium ﬁrem (Intel, AMD, Apple, ARM, Phoenix, AMI, atd.), dnes se setka´me veˇtsˇinou pra´veˇs UEFI • Aptio (od American Megatrends, vy´robce AMI BIOSu)

Obra´zek 3.3: EFI od MSI1

Firma Asustek doda´va´s mnoha svy´mi notebooky Asus (se za´kladnı´deskou podporujıćı´technologii SplashTop) obdobu EFI, Express Gate. Ve skutecˇnosti jde o na´stavbu BIOSu (tj. stary´textovy´BIOS existuje) zalozˇenou na Linuxu, do Express Gate se dostaneme stisknutı´m specia´lnı´ho tlacˇı´tka (na notebooku veˇtsˇinou na opacˇne´straneˇnezˇkde je tlacˇı´tko na beˇzˇne´zapnutıńotebooku). Fyzicky je Express Gate ulozˇen ve flash pameˇti na za´kladnı´ desce (by´va´ napevno prˇipa´jen) a je mozˇne´ ho aktualizovat z Windows nebo prˇı´mo z Express Gate, komunikuje prˇes USB rozhranı´. Narozdı´l od nacˇı´tańıćele´ho syste´mu mu˚zˇeme pracovat prˇiblizˇneˇza 8 sekund po stisknutı´prˇı´slusˇne´ho tlacˇı´tka. Je k dispozici prˇı´stup na vy´meˇnna´zarˇı´zenı´(naprˇı´klad USB flash disk), v omezene´mı´rˇe na pevny´ disk, internetovy´prohlı´zˇecˇ, prohlı´zˇecˇobra´zku˚a videa, atd.

3.3.1 Zarˇı´zenı´

Ovladacˇe zarˇı´zenı´ existujıúzˇve vrstveˇEFI, du˚sledkem je lepsˇı´prˇı´stup k zarˇı´zenı´bez asistence operacˇnı´ho syste´mu. Kromeˇbina´rnı´ho ko´du procesoru se pocˇı´ta´s platformneˇneza´vislou kompilacıóvladacˇu˚na zpu˚sob byte code u Javy (EFI Byte Code – EBC), dı´ky ktere´je mozˇne´psa´t ovladacˇe ve vysˇsˇıćh programovacıćh jazycıćh (nejen v Assembleru). Du˚sledkem je take´mozˇnost zabudovat do EFI vzda´lenou spra´vu zarˇı´zenı´ (kvu˚li za´sahu˚m do konfigurace zarˇı´zenıá neˇktery´m dalsˇı´m aktivita´m nenıńutne´vzda´leneˇspousˇteˇt operacˇnı´ syste´m).

1Zdroj: http://www.hexus.net/content/item.php?item=11285. KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 19

Disky – EFI pracuje s rozdeˇlenı´m disku typu GUID Partition Table (GPT) mı´sto zastarale´ho MBR. Du˚sledkem je nemozˇnost pouzˇı´vat EFI na dnes nejbeˇzˇneˇjsˇıćh typech pocˇı´tacˇu˚, ale na druhou stranu odpadajı´proble´my, ktere´meˇl BIOS s veˇtsˇı´mi disky (jako je proble´m 1024 cylindru˚), pouzˇı´va´se 64bitoveádresovańı´.

3.3.2 Ovla´da´nı´EFI

EFI ma´graficke´rozhranı´podobne´Windows, tlacˇı´tka, ovla´dańı´mysˇı´. Sı´t’ove´rozhranı´je dostupneúzˇv ra´mci EFI, proto je mozˇne´prˇı´mo z rozhranı´prova´deˇt po sı´ti aktualizace. Mnoho operacı´lze prova´deˇt v EFI shellu – mj. praće se soubory a adresa´rˇi, prˇı´stup na sı´t’,pouzˇı´vańı´.nsh skriptu˚. Pre-boot aplikace = drobneáplikace spustitelne´prˇı´mo z EFI, nainstalovaneńa za´kladnı´desce nebo na skryte´m oddı´lu pevne´ho disku • diagnosticke´programy, za´lohovańı´, konfigurace BIOSu, zavedenıÓS, u neˇkteryćh vy´robcu˚se pocˇı´ta´ i s drobneˇjsˇı´mi multimedia´lnı´mi programy (prohlı´zˇenıóbra´zku˚, prˇehra´vańı´hudby, omezena´praće s protokolem POP3, apod.)

3.3.3 Operacˇnı´syste´my

Aby na pocˇı´tacˇi mohl by´t pouzˇı´vań EFI, musı´by´t podporovań takeóperacˇnı´m syste´mem. • Windows – pro desktop od Vista SP1, neˇktere´varianty Windows 2000 Server, noveˇjsˇı´verze Windows Server (2003, 2008), Windows XP 64bit • Linux – verze asi od roku 2000, za´lezˇıńa ja´drˇe (u jader 2.6.x obvykle nenı´proble´m) • MacOS X – od prˇechodu na Intel • ostatnıúnixove´syste´my – ru˚zneˇ, veˇtsˇinou podpora zacˇıńa´v letech 2002–2005 R Vyuzˇitı´ EFI prˇi instalaci syste´mu je prakticke´ prˇi cˇastyćh reinstalacıćh (ktere´hokoliv) operacˇnı´ho syste´mu, naprˇı´klad v pocˇı´tacˇovyćh ucˇebnaćh nebo na firemnıćh pocˇı´tacˇıćh: • bez EFI: lze vyuzˇı´t BootROM (na sı´t’ove´karteˇ) nebo prˇedinstalovanyńeˇktery´malyúnixovy´syste´m, take´je tak mozˇneú prodejce oveˇrˇit, zˇe je hardware v porˇa´dku • s EFI: stazˇenıóvladacˇu˚a prˇeinstalovańıńenı´proble´m vcˇetneˇvzda´lene´ho ovla´dańıá automatizace tohoto procesu

Dalsˇıínformace: • http://en.wikipedia.org/wiki/Extensible Firmware Interface • http://www.uefi.org • http://www.intel.com/technology/efi • http://www.ami.com/aptio/ • http://www.virtualization.info/2007/10/bios-leader-phoenix-working-on-its-own.html • http://support.microsoft.com/kb/930061 (Unified Extended Firmware Interface Support in Windows Vista)

KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 20

3.4 R Upgrade ﬁrmwaru (BIOSu)

Mu˚zˇe se sta´t, zˇe BIOS (obecneˇfirmware) je potrˇeba aktualizovat (prove´st upgrage). Du˚vody mohou by´t ru˚zne´ – v lepsˇı´m prˇı´padeˇchceme vylepsˇit komunikaci syste´mu s prˇı´slusˇny´m kusem hardwaru (trˇeba prˇidat nove´ funkce tiska´rneˇ2, prˇidat podporu pro jinyóperacˇnı´syste´m (nebo novou verzi) nebo zrychlit komunikaci se zarˇı´zenı´m), v horsˇı´m prˇı´padeˇje trˇeba odstranit chyby firmwaru. Neˇkterećhyby firmwaru mohou nasˇtvat, jine´dokonce znamenajı´velke´proble´my. Notoricky se chyby objevujıńaprˇı´klad ve firmwaru sı´t’ovyćh zarˇı´zenı´(trˇeba ADSL routeru˚). Zapojı´me a nakonfigurujeme zarˇı´zenı´ a pak zjistı´me, zˇe zrovna s nasˇı´konfiguracıóperacˇnı´ho syste´mu nekomunikuje, zˇe firewall reaguje v neˇkteryćh prˇı´padech naprosto necˇekaneˇa neda´se to zmeˇnit, zˇe router vyda´va´velmi neprˇı´jemny´zvuk cˇi se hodneˇ zahrˇı´va´, zˇe lze pouzˇı´t jen WEP sˇifrovańıá WPA cˇi dokonce WPA2 nenı´dostupne´, atd. U tiska´rny se dveˇma za´sobnı´ky papı´ru mu˚zˇeme naprˇı´klad zjistit, zˇe jeden z nich funguje jen tehdy, kdyzˇdruhyńenı´pra´zdny´, u tiska´rny se taky mu˚zˇe sta´t, zˇe kdyzˇdojde papı´r v za´sobnı´ku, tiska´rna porˇa´d odmı´ta´tisknout i po doplneˇnı´ papı´ru i po restartu tiska´rny (tady obvykle pomu˚zˇe restart cele´ho pocˇı´tacˇe), apod. Nebezpecˇnaćhyba se objevila naprˇı´klad ve firmwaru hybridnıćh automobilu˚Toyota Prius (v letech 2004–05, v modernıćh automobilech totizˇtaky tepe pocˇı´tacˇove´srdce). Prˇi beˇhu na benzinovy´motor se obcˇas stalo, zˇe se motor na´hle zastavil prˇi rychlosti neˇco mezi 50 a 100 km/h. U automobilu BMW 745i (u neˇkteryćh kusu˚) docha´zelo k „na´silne´mu“ zastavenı´vozidla, pokud bylo v na´drzˇi meńeˇnezˇtrˇetina objemu pohonnyćh hmot. Na zacˇa´tku roku 2009 doporucˇila firma Seagate svy´m za´kaznı´ku˚m (pevny´ disk Seagate Barracuda 7200.11), aby provedli upgrade firmwaru tohoto disku. Bohuzˇel tento upgrade obsahoval chybu, ktera´ zpu˚sobila trvale´zablokovańı´prˇı´stupu k disku. Pro firmu Seagate byla tato chyba pomeˇrneˇdraha´(vsˇem postizˇeny´m uzˇivatelu˚m zaplatila odsˇkodne´). Neˇkdy je trˇeba upgradovat firmware (BIOS), ale meˇli bychom veˇdeˇt, zˇe tato operace s sebou nese jiste´ nebezpecˇı´. Prˇi upgradu mu˚zˇe dojı´t k posˇkozenı´ dat, operacˇnı´ho syste´mu, ale v nejhorsˇı´m prˇı´padeˇ i k posˇkozenı´zarˇı´zenı´(jak jsme cˇetli o odstavec vy´sˇe). Tedy postup je takovy´(prˇedpokla´da´me upgrade BIOSu za´kladnı´desky): • za´lohujeme vsˇe, co je na´m drahe´(hlavneˇdata), • zjistı´me prˇesny´typ za´kladnı´desky (idea´lneˇneˇktery´m na´strojem, ktery´doka´zˇe dobrˇe zjistit podrobnosti o nasˇem hardwaru, trˇeba CPU-Z od firmy CPUID3 (vidı´me na obra´zku 3.4), • najdeme strańky vy´robce za´kladnı´desky a tam zada´me takto zjisˇteˇny´typ desky, • na strańkaćh vy´robce si najdeme prˇesny´postup upgradu, tento postup se u ru˚znyćh vy´robcu˚(a taky desek) mu˚zˇe lisˇit, postup je dobre´si neˇkam poznamenat nebo le´pe vytisknout (tento postup taky obvykle najdeme v dokumentaci k za´kladnı´desce),

2Mu˚zˇeme se setkat se zarˇı´zenı´mi, ktera´ jizˇ fyzicky podporujı´ neˇkterou novou funkci, ale protozˇe si vy´robce jesˇteˇ nenı´ jist skutecˇny´m dopadem te´to funkce nebo ji jesˇteˇnema´zahrnutu ve firmwaru zarˇı´zenı´, uzˇivatel se k dane´funkci nedostane. Proto upgrade firmwaru mu˚zˇe neˇkdy znamenat zprˇı´stupneˇnıńovyćh funkcı´zarˇı´zenı´– tato funkce je v zarˇı´zenı´fyzicky implementovańa, upgrade k nı´jen otevrˇe prˇı´stup. 3CPU-Z zı´ska´me naprˇı´klad na http://www.cpuid.com/. Dejte pozor beˇhem instalace, budete prˇesveˇdcˇovańi k prˇesmeˇrovańı´do- movske´strańky v prohlı´zˇecˇi a k instalaci dalsˇı´lisˇty do prohlı´zˇecˇe – obojıódmı´tneˇte (jsou to celkem 3 zasˇkrta´vacı´polıćˇka). KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 21

Obra´zek 3.4: Zjisteˇnı´typu za´kladnı´desky v na´stroji CPU-Z, na 2 ru˚zny´ch strojı´ch

• da´le veˇtsˇinou na´sleduje sta´hnutı´souboru s aktualizacı´(cˇasto mı´va´prˇı´ponu .ROM), ulozˇenı´na USB ﬂash disk a pak dle pokynu˚vy´robce jeho instalace.

M Prˇı´klad3.1 Na obra´zku 3.4 vidı´me u´daje o za´kladnı´desce a BIOSu na trˇech ru˚znyćh pocˇı´tacˇıćh s ru˚zny´mi verzemi Windows. V prvnı´m a trˇetı´m prˇı´padeˇjde o AMI BIOS, v druhe´m prˇı´padeˇPhoenix. V prvnı´m prˇı´padeˇ(stary´levny´pocˇı´tacˇs Windows XP) bychom o upgradu BIOSu rozhodneˇnemeˇli uvazˇovat (teˇzˇko rˇıćt, jestli by to vu˚bec sˇlo), uzˇproto, zˇe jde o „noname“, nezna´me vy´robce. V druhe´m prˇı´padeˇjde o notebook od vy´robce Acer, v trˇetı´m od vy´robce Asustek (znacˇka Asus). Podı´va´me se na upgrade BIOSu pro notebook Asus. Na http://support.asus.com zada´me do vyhleda´vacı´ho pole nalezeny´ typ desky (UL50VT, ale taky mu˚zˇeme postupovat vy´beˇrem v rozbalovacıćh menu). Jsme dota´zańi na operacˇnı´ syste´m (zada´me naprˇı´klad Windows 7 64bit), pak zı´ska´me seznam vsˇech mozˇnyćh upgradu˚ pro tento model za´kladnı´desky. Vybereme to, co potrˇebujeme, sta´hneme. Na obra´zku 3.5 vidı´me strańku s aktua´lnı´m upgradem. Vsˇimneˇte si polozˇky Jak aktualizovat va´sˇBIOS? – tam najdeme vesˇkere´potrˇebneńa´vody. Je mozˇne´, zˇe mezi na´vody nenajdeme na´vod pro nasˇi za´kladnı´desku. Pak zby´va´podı´vat se po dokumentaci, kterou jsme dostali za´rovenˇse za´kladnı´deskou (resp. s pocˇı´tacˇem), tam postup veˇtsˇinou najdeme taky. M

Existujı´za´kladnı´desky, ktere´kromeˇjednoho cˇipu s BIOSem majı´jesˇteˇza´lozˇnı´BIOS (na vedlejsˇı´m cˇipu). Takove´desky jsou velmi prakticke´pro cˇloveˇka, ktery´cˇasto upgraduje BIOS, a samozrˇejmeˇjsou prˇimeˇrˇeneˇ drazˇsˇı´. KAPITOLA 3 BIOS A ZAPNUTI´ POCˇI´TACˇE 22

Obra´zek 3.5: Stazˇenı´upgrade BIOSu na notebooku Asus

Dalsˇı´informace: • Prakticke´rady o upgradu AMI a Award BIOSu http://biosman.com/biosrecovery.html • Seria´l o BIOSu na SveˇtHardware http://www.svethardware.cz/theme doc-E0134E73EE970A4BC125747100209659.html

Kapitola 4

Rozhranı´a konektory

V te´to kapitole se podı´va´me na rozhranı´, se ktery´mi se mu˚zˇeme v pocˇı´tacˇi setkat. Rozhranı´mohou by´t se´riova´ nebo paralelnı´ – se´riove´rozhranı´prˇijı´ma´data sekvencˇneˇ(jeden bit za druhy´m), paralelnı´rozhranı´prˇijı´ma´vzˇdy urcˇity´blok dat o stanovene´velikosti najednou (podle sˇı´rˇky komunikacˇnıćesty). Prˇi jinak stejne´technologii jsou se´riova´rozhranı´ pomalejsˇı´, ale univerza´lneˇjsˇı´, snadneˇji rozsˇirˇitelnaá dobrˇe programovatelna´, proto se v mnoha oblastech prˇecha´zıód paralelnıćh k se´riovy´m rozhranı´m.

4.1 Univerza´lnı´rozhranı´

4.1.1 USB

USB (Universal Serial Bus) je univerza´lnı´ se´riove´ rozhranıúrcˇene´pro prˇipojenıéxternıćh komponent k za´kladnı´desce. Obvykle je realizovańo pomocıíntegrovane´ho rˇadicˇe na za´kladnı´desce. Existuje v neˇkolika verzıćh, ktere´se odlisˇujı´podle prˇenosove´rychlosti (tabulka 4.1 na straneˇ 24). Dalsˇı´(zatı´m ocˇeka´vana´) je verze 3.1, kompatibilnı´zarˇı´zenı´by se meˇla objevit v pru˚beˇhu roku 2014. RozhranıÚSB ma´tyto vlastnosti: • velmi nı´zkaćena rˇadicˇu˚ • za´vislost prˇenosove´rychlosti na rychlosti a vytı´zˇenı´procesorove´jednotky • vysoka´kompatibilita zarˇı´zenı´(obvykle nenı´proble´m s ovladacˇi USB zarˇı´zenı´) • prˇipojovana´zarˇı´zenı´se zapojujı´stylem Plug and Play • kapacita azˇ127 zarˇı´zenı´(ovsˇem vcˇetneˇrozbocˇovacˇu˚) Topologie USB je zalozˇena na USB rozbocˇovacˇıćh (HUB), ktere´za´rovenˇpracujı´jako opakovacˇe (repeater – zesiluje signa´l). V pocˇı´tacˇi je dnes obvykle vıće USB rozbocˇovacˇu˚, aby bylo mozˇne´vyve´st vıće USB konektoru˚ (host controller). Rychlost je za´vislańejen na limitech technologie, ale takeńa mnozˇstvı´rozbocˇovacˇu˚na cesteˇ, de´lce kabelu a takeńa konstrukci samotne´ho zarˇı´zenı´. 1Zdroj: http://www.l-com.com/Content/FAQ.aspx?Type=FAQ&ID=4889

23 KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 24

Ozn. Verze 1.1 Verze 2.0 Verze 3.0 Verze 3.1 propustnost rychlost propustnost rychlost propustnost rychlost propustnost rychlost Low 1.5 Mbit/s 0.18 MB/s 1.5 Mbit/s 0.18 MB/s speed (0.2 MB/s) (0.2 MB/s) Full 12 Mbit/s 1.1 MB/s 12 Mbit/s 1.1 MB/s speed (1.5 MB/s) (1.5 MB/s) High 480 Mbit/s 30 MB/s speed (60 MB/s) Super 4.8 Gbit/s 300 MB/s speed (600 MB/s) Super 10 Gbit/s ? speed+ (1200 MB/s)

Tabulka 4.1: Verze USB – teoreticka´propustnost a rea´lna´rychlost

U specifikace USB 3.0 se pu˚vodneˇpocˇı´talo s propustnostıázˇ5 Gbit/s, ale v praxi se te´to propustnosti nedarˇı´dosahovat, bylo dosazˇeno rychlosti sotva polovicˇnı´. USB ve verzi 3.1 ma´mı´t teoretickou propustnost azˇ10 Gbit/s. Napa´jenıí data jsou vedena spolecˇny´m kabelem (samozrˇejmeˇzvla´sˇt’v ru˚znyćh vodicˇıćh), uvnitrˇjde o krou- cene´dvojlinky (pro redukci prˇeslechu˚), de´lka kabelu max. 5 m. Datove´vodicˇe jsou u USB 2.0 dva, spolecˇneˇ pro vsˇechny rychlosti (i s napa´jecı´mi tedy celkem 4 vodicˇe). U specifikace USB 3.0 je pocˇet datovyćh vodicˇu˚navy´sˇen – z du˚vodu zpeˇtne´kompatibility zu˚sta´vajı´dva pro nizˇsˇı´rychlosti, pro rychlost SuperSpeed byly prˇidańy dalsˇıćˇtyrˇi (takzˇe 6 datovyćh a 2 napa´jecı´). Zarˇı´zenı´s nizˇsˇı´mi na´roky (fotoapara´t, modem apod. – do 100 mA, u noveˇjsˇıćh pocˇı´tacˇu˚azˇ500 mA, USB 3.0 azˇ900 mA) jsou napa´jena prˇı´mo z USB kabelu, zarˇı´zenı´s vysˇsˇı´mi na´roky (scanner) majı´vlastnıńapa´jenı´. Zarˇı´zenıńapa´jena´z USB kabelu vsˇak nemusejı´by´t spra´vneˇrozpoznańa, pokud jsou zcela vybita´(naprˇ. fotoapara´t) – platı´pro USB do verze 2.0 vcˇetneˇ. Od verze 3.0 by meˇl by´t tento proble´m vyrˇesˇen. Pro USB konektory existuje vıće ru˚znyćh standardu˚, viz obr. 4.1. Da´le se mu˚zˇeme setkat s proprieta´lnı´mi rˇesˇenı´mi, ktera´jsou nekompatibilnı´s ostatnı´mi – zrˇejmeˇjde o snahu vy´robcu˚nepousˇteˇt tu cˇa´st trhu, kterou drˇı´ve zı´skali. Existujı´ odlisˇnosti mezi konektory pro ru˚zne´ verze USB, ale je kladen du˚raz na zpeˇtnou kompatibilitu, proto do noveˇjsˇı´ho rozhranı´(trˇeba 3.0) bez proble´mu˚zasuneme starsˇı´zarˇı´zenı´(podle USB 2.0). Nejobvyklejsˇı´je standard A. Setka´va´me se s nı´m u USB pameˇtıá prˇedevsˇı´m tam, kde jde o to spı´sˇe tahat data ze zarˇı´zenı´do pocˇı´tacˇe nebo obeˇma smeˇry (typicky je konektor A na pocˇı´tacˇıćh nebo neˇkteryćh sı´t’ovyćh prvcıćh). Standard B by´va´pouzˇit u zarˇı´zenı´, kde se spı´sˇe pocˇı´ta´s prˇesunem dat smeˇrem z pocˇı´tacˇe

2Zdroje: http://thecoolgadgets.com/usb-3-0-peripheral-dev-kit/, http://www.legitreviews.com/article/1150/1/, http://www.slashgear.com/ces-2008-usb-30-superspeed-connectors-revealed-099539/ KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 25

Obra´zek 4.1: Ru˚zne´typy USB konektoru˚ 1

Obra´zek 4.2: Konektory USB 3.0 typu A a B, za´suvka USB 3.02 do zarˇı´zenı´, trˇeba u USB tiska´ren. Mini a mikro varianty standardu˚jsou beˇzˇneú PDA, mobilnıćh telefonu˚ a neˇkteryćh digita´lnıćh kamer. USB mass storage je standard pro pameˇt’ova´zarˇı´zenı´prˇipojovana´k USB definovany´sdruzˇenı´m USB Implementers Forum. V operacˇnı´m syste´mu, ktery´tento standard podporuje, lze USB zarˇı´zenı´prˇipojit jako diskovou jednotku (diskovyóddı´l). Jde obvykle o USB flash disky, externı´disky s USB rozhranı´m nebo neˇktere´digita´lnı´fotoapara´ty. Rea´lneˇjde o sadu komunikacˇnıćh protokolu˚, ktere´jsou v dane´m operacˇnı´m syste´mu podporovańy. Problematika USB mass storage souvisı´ take´ s mozˇnostı´ bootovatelnosti USB zarˇı´zenı´ (tj. ma´me USB flash disk s operacˇnı´m syste´mem a chceme, aby prˇi startu pocˇı´tacˇe najel OS z tohoto flash disku mı´sto z pevne´ho disku v pocˇı´tacˇi). Aby mohlo by´t USB zarˇı´zenı´pouzˇito tı´mto zpu˚sobem, musı´by´t prˇı´slusˇny´ standard podporovań take´BIOSem, resp. za´kladnı´deskou. Podporu pozna´me snadno v BIOS Setup, podle seznamu mozˇnyćh pameˇt’ovyćh zarˇı´zenı´pro zavedenı´syste´mu. Proble´m by´va´prˇedevsˇı´m s USB 3.0, BIOS zatı´m (alesponˇu veˇtsˇiny za´kladnıćh desek) nepodporuje bootovańı´prˇes rozhranıÚSB 3.0. Rozdı´l mezi verzemi 1.1 a 2.0 je prˇedevsˇı´m v rychlosti (konektory jsou stejne´), ale rozdı´lu˚mezi verzemi 2.0 a 3.0 je vy´razneˇvıće. Kromeˇrychlosti (spra´vneˇji propustnosti) na prvnı´pohled vidı´me takeódlisˇnost KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 26

Konektor 2.0 3.0 Std Std Micro Micro Std Std Micro Micro Za´suvka A B A B A B A B 2.0 Std A ! ! 2.0 Std B ! 2.0 Micro AB ! ! 2.0 Micro B ! 3.0 Std A ! ! 3.0 Std B ! ! 3.0 Micro AB ! ! ! ! 3.0 Micro B ! !

Tabulka 4.2: Kompatibilita verzıÚSB v konstrukci konektoru˚(viz obra´zek 4.2). Obvykle platı´, zˇe konektor zarˇı´zenıÚSB 2.0 lze zasunout do za´suvky 3.0, ale samozrˇejmeˇnemu˚zˇeme ocˇeka´vat propustnost v hodnotaćh SuperSpeed. Naopak uzˇto nemusı´platit (prˇedevsˇı´m konektor 3.0 typu B do za´suvky 2.0 nevmeˇstna´me). Pro verzi 3.0 se obvykle pouzˇı´va´modra´ barva, ale bohuzˇel se neˇkdy setka´me s deskami, kde je vıće modryćh USB za´suvek, ale ne vsˇechny zvla´dajı´ SuperSpeed (to zjistı´me v dokumentaci za´kladnı´desky). Existujıí dalsˇı´rozdı´ly. Prˇedevsˇı´m rˇadicˇUSB 3.0 jizˇdoka´zˇe komunikovat se zarˇı´zenı´mi jednotliveˇ(rˇadicˇ 2.0 nedoka´zal rozlisˇit jednotliva´prˇipojena´zarˇı´zenı´), cozˇznamena´vylepsˇenı´spra´vy napa´jenı´prˇipojenyćh zarˇı´zenı´(nekomunikujıćı´zarˇı´zenı´lze dokonce automaticky odpojit, aby neodebı´ralo zˇa´dny´proud) a dokonce existujı´trˇi u´sporne´rezˇimy. V USB 2.0 se data prˇena´sˇejı´v tzv. polovicˇnı´m duplexu (tj. v jeden okamzˇik lze prˇena´sˇet jen jednı´m smeˇrem), v USB 3.0 jizˇv plne´m duplexu (lze komunikovat v obou smeˇrech soucˇasneˇ).

Pozna´mka: Pokud chceme vyuzˇı´vat zarˇı´zenı´s konektorem USB 3.0 v rychlosti SuperSpeed, ale na´sˇpocˇı´tacˇtoto rozhranı´ nepodporuje, ma´me neˇkolik mozˇnostı´. Existujıńaprˇı´klad rozsˇirˇujıćı´karty do slotu PCIe, to je zrˇejmeˇnejlepsˇı´ rˇesˇenı´(jsme sice omezeni rychlostı´rozhranı´PCIe, ale rozdı´l nenı´tak velky´). Da´le je mozˇne´sehnat PCI karty, ale tam je degradace rychlosti takova´, zˇe to ani nemaćenu. Pro notebooky je mozˇne´porˇı´dit ExpressCard kartu s rozhranı´m USB, kde je degradace rychlosti v uspokojivyćh mezıćh. V tabulce 4.2 najdeme informace o kompatibiliteˇmezi USB za´suvkami (v pocˇı´tacˇi apod. – rˇa´dky) a USB konektory (sloupce) ru˚znyćh verzı´.

Nynı´k verzi 3.1. Zatı´mco na verzi 3.0 jsme cˇekali neu´meˇrneˇdlouho (byla prˇedstavena roku 2008, za´kladnı´ desky s cˇipem implementujıćı´m 3.0 se vsˇak objevily azˇroku 2011, dodnes se neda´rˇıćt, zˇe by tato verze byla dostatecˇneˇrozsˇı´rˇena´), u verze 3.1 by se to sta´t nemeˇlo. Zatı´mco u verze 3.0 jsme se setkali s oznacˇenı´m SuperSpeed, u 3.1 to je SuperSpeed+. Propustnost je dvojna´sobna´z du˚vodu zvy´sˇenı´prˇenosove´frekvence z 5 GHz na 10 GHz, meˇnı´se take´ko´dovańıńa fyzicke´ KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 27 vrstveˇ. Pocˇet vodicˇu˚v kabelu zu˚sta´va´stejny´, ale pozˇadavky na provedenı´kabelu jsou prˇı´sneˇjsˇı´(u´tlum, stıńeˇnı´ vodicˇu˚apod.), prˇesto je kvalita signa´lu garantovańa jen do de´lky 1 m (bez opakovacˇe). Standard USB-AV definuje prˇenos multimedia´lnıćh dat (hudba, video), cozˇbyl logicky´krok, protozˇe propustnost zarˇı´zenı´se blı´zˇı´HDMI 1.4 (ale DisplayPort je na tom mı´rneˇle´pe).

Rozhranı´ Teor. propustnost Max. pocˇet zarˇı´zenı´ Max. de´lka kabelu na zarˇı´zenı´ USB 2.0 azˇ60 MB/s 127 5 m USB 3.0 azˇ600 MB/s 127 3 m USB 3.1 azˇ1200 MB/s 127 1 m FireWire 800 azˇ100 MB/s 63 4,5 m eSATA azˇ300 MB/s 1 1 m Thunderbolt azˇ1200 MB/s 7 3 m Thunderbolt 2 azˇ2400 MB/s 7 3 m Gbit Ethernet azˇ125 MB/s 1 100 m

Tabulka 4.3: Srovnańıńeˇkteryćh parametru˚univerza´lnıćh rozhranı´(Zdroj: Chip 02/2014)

R Zmeˇny jsou take´ve spra´veˇnapa´jenı´. Narozdı´l od prˇedchozıćh verzıéxistuje 5 ru˚znyćh profilu˚: • USB 2.0 – napeˇtı´5 V, proud do 0.5 A, vy´kon 2.5 W • USB 3.0 – napeˇtı´5 V, proud do 0.9 A, vy´kon 4.5 W • USB 3.1 – vıće profilu˚, jejich seznam vidı´me v tabulce 4.4.

USB 3.1 Profil Napeˇtı´ Proud Vy´kon Urcˇenı´ Profil 1 5 V 2.0 A 10 W Smartphony Profil 2 5 V 2.0 A 10 W Tablety 12 V 1.5 A 18 W Profil 3 5 V 2.0 A 10 W Ultrabooky 12 V 3 A 36 W Profil 4 5 V 2.0 A 10 W Notebooky, 12 V 3.0 A 36 W hub 20 V 3.0 A 60 W Profil 5 5 V 2.0 A 10 W Pocˇı´tacˇe, 12 V 5.0 A 60 W dokovacı´ 20 V 5.0 A 100 W stanice

Tabulka 4.4: Proﬁly napa´jenı´v USB 3.1

Dalsˇıínformace: Vcelku podrobnyćˇlańek najdeme v cˇasopise Chip 02/2014 od strany 112 (Mandau, Marcus. USB 3.1 prˇinese jesˇteˇveˇtsˇı´rychlost), a da´le na internetu.

KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 28

RozhranıÚSB ma´vlastnost hot-plug (tj. mu˚zˇe se prˇipojovat za beˇhu pocˇı´tacˇe), prˇitom je napa´jeno ze stejne´ho kabelu, ktery´m se vedou data (jen jiny´mi vodicˇi v tomto kabelu) a za´rovenˇpiny vodicˇu˚v konektoru (to jsou ty pozlacene´ podlouhle´ plosˇky) jsou pomeˇrneˇ blı´zko u sebe. Du˚sledkem je, zˇe bychom si meˇli da´vat pozor prˇi odpojovańı´zarˇı´zenı´. Nejdrˇı´v je trˇeba zarˇı´zenıódpojit softwaroveˇ(vsˇechny operacˇnı´syste´my nabı´zejı´mozˇnost „bezpecˇne´ho odpojenı´“, dokonce i Windows) a pak teprve hardwaroveˇ(vysunout).

Pozna´mka: Jake´mohou by´t du˚sledky, pokud USB flash disk vyta´hneme bez softwarove´ho odpojenı´? • Aby nedocha´zelo ke zbytecˇne´mu opotrˇebova´vańı´flash cˇipu (viz kap. 8.7 o Flash pameˇtech, str. 171), pouzˇı´va´ se cache pameˇt’ (mezipameˇt’). To, co chceme ulozˇit na flash disk, se nejdrˇı´v „kompletuje“ v cache pameˇti a azˇ po urcˇite´ dobeˇ je fyzicky zapsańo na flash disk. Pokud flash disk vysuneme prˇed dokoncˇenı´m fina´lnı´ho za´pisu, prˇijdeme o data. V nejhorsˇı´m prˇı´padeˇmohou by´t data zapsańa jen cˇa´stecˇneˇ, pameˇt’by byla v nekonzistentnı´m stavu. • V USB konektoru jsou piny napa´jecıćh a datovyćh vodicˇu˚velmi blı´zko u sebe (USB 2.0 konektor typu A maćelkem 4 piny – krajnı´dva pro napa´jenı´, kde levy´je pod napeˇtı´m 5 V,pravy´je uzemeˇnı´, prostrˇednı´ vedou data). Pokud vysouva´me flash disk, ktery´je jesˇteˇpod proudem (protozˇe jsme ho softwaroveˇ neodpojili), mu˚zˇe dojı´t ke zkratu mezi napa´jecı´m a datovy´m vodicˇem a hrozı´„usmazˇenı´“ flash cˇipu. Pravdeˇpodobnost neˇcˇeho takove´ho je sice mala´, ale nikoliv nulova´. Z toho vyply´va´, zˇe mozˇnost softwarove´ho bezpecˇne´ho odebrańı´ flash zarˇı´zenı´ bychom rozhodneˇ meˇli pouzˇı´vat.

Pozna´mka: Ve Windows Vista/7/Server 2008 a noveˇjsˇıćh je jesˇteˇjedna zrada, ktera´se ty´ka´pra´veˇproble´mu s napa´jenı´m. Tyto verze Windows totizˇby´vajıćˇasto konfigurovańy tak, zˇe prˇi softwarove´m odpojenıńedojde k odpojenı´ napa´jenı´. Flash disk sice pak nenı´viditelnyáni prˇı´stupny´, ale neusta´le zu˚sta´va´pod proudem. Du˚vodem je u´dajneˇrychlejsˇı´znovuprˇipojenı´pameˇti, ale stojı´za u´vahu, zda je neˇco takove´ho nutne´(kdyzˇneˇco odpoju- jeme, zrˇejmeˇto v nejblizˇsˇıćh minutaćh nebudeme znovu prˇipojovat). To mu˚zˇeme upravit u´pravou v registru (ale pozor, kazˇdou u´pravu v registru bychom si meˇli dvakra´t rozmyslet a vzˇdy postupovat s nejveˇtsˇıópatr- nostı´). Najdeme klıćˇ HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\services\usbhub\hubg, klep- neme pravy´m tlacˇı´tkem mysˇi v prave´m podokneˇ, vytvorˇı´me novou hodnotu typu DWORD (32bit), nazveme DisableOnSoftRemove a nastavı´me na „1“.

USB OTG (USB On-The-Go) je pojem v poslednı´dobeˇhodneˇzminˇovany´prˇedevsˇı´m u mobilnıćh zarˇı´- zenı´. Oficia´lneˇse jednaó dodatek ke standardu USB prˇida´vajıćı´mozˇnost peer-to-peer komunikace mezi perifernı´mi zarˇı´zenı´mi prˇes rozhranıÚSB bez nutnosti intervence pocˇı´tacˇe cˇi jine´ho vy´pocˇetnı´ho syste´mu (Fire-Wire to umozˇnˇuje v za´kladu, ale USB to ve specifikaci prˇı´mo nema´). Ve skutecˇnosti se nejedna´prˇı´mo KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 29 o peer-to-peer komunikaci, ale umozˇnˇuje dotycˇne´mu zarˇı´zenıćhovat se jako Master nebo Slave podle po- trˇeby (jinak by´va´Masterem pocˇı´tacˇs plnohodnotny´m USB rˇadicˇem) – Master iniciuje a rˇı´dı´komunikaci, ma´ hlavnı´rˇı´dicı´roli a naprˇ. take´poskytuje napa´jenı´. V cˇem je prˇıńos OTG pro beˇzˇne´ho uzˇivatele, procˇ je dobre´ tuto vlastnost vyzˇadovat? Beˇzˇna´ mala´ mobilnı´zarˇı´zenı´(smartphony, tablety, MP3 prˇehra´vacˇe, navigace apod.) by´vajı´veˇtsˇinou osazena levny´m maly´m USB mikrorˇadicˇem (USB microcontroller) mı´sto plnohodnotne´ho (ktery´ma´me ve veˇtsˇıćh zarˇı´zenıćh), a mikrorˇadicˇe bez OTG nedoka´zˇou pracovat v rezˇimu Master, mohou by´t jen Slave. V praxi to znamena´, zˇe sice nenı´proble´m prˇipojit mobil k pocˇı´tacˇi (mobil je Slave, pocˇı´tacˇje Master), ale zato je proble´m prˇipojit externı´disk (prˇı´p. s konektorovou redukcıńa Mini USB) k mobilu – externı´disk je vzˇdy Slave, a pokud mobil doka´zˇe by´t jen Slave, kdo bude Master? Proto pokud ma´me mobilnı´zarˇı´zenı´, ktere´podporuje OTG, mu˚zˇeme k neˇmu prˇipojit periferie (ktere´jsou vzˇdy Slave). Naprˇı´klad k mobilu cˇi tabletu s podporou OTG prˇipojı´me externı´disk (samozrˇejmeˇpokud to jde „fyzicky“), fotoapara´t propojı´me s tiska´rnou, apod. R Prˇi pouzˇitıÓTG by teoreticky mohl nastat jeden proble´m – pokud jako Master doka´zˇou pracovat obeˇ propojovana´zarˇı´zenı´(naprˇı´klad pocˇı´tacˇa mobil s OTG), musejı´se dohodnout, kdo bude Master, protozˇe tı´m mu˚zˇe by´t jen jeden. Rˇ esˇı´se to jednodusˇe na „fyzicke´“ u´rovni: musı´by´t pouzˇit „asymetricky´“ kabel, na jednom konci je konektor Mini-A, na druhe´m Mini-B, prˇicˇemzˇobeˇzarˇı´zenı´majı´plug Mini-AB (ktery´ je kompatibilnı´s oba konektory). ⇒ Master je na zacˇa´tku ten, na jehozˇstraneˇje konektor Mini-A. Ale to neznamena´, zˇe bude Masterem po celou dobu prˇipojenı´, to se dohodne pomocı´protokolu HNP – Host Negotiation Protocol.

Dalsˇı´informace: • http://www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/co-se-skryva-pod-komunikaci-oznacenou-jako-usb-otg.html • http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1822

Pozna´mka: Jak je to vlastneˇs tı´m maxima´lnı´m pocˇtem zarˇı´zenı´? Vı´me, zˇe USB huby tvorˇı´strom, v jehozˇkorˇeni je hlavnı´ rˇadicˇ(USB Host Controller). Ke kazˇde´mu rozbocˇovacˇi mohou by´t obvykle prˇipojena dveˇzarˇı´zenı´, z toho jedno mu˚zˇe by´t opeˇt rozbocˇovacˇ. Kazˇde´zarˇı´zenı´, resp. jeho rˇadicˇ(vcˇetneˇrozbocˇovacˇu˚) potrˇebuje adresu, a adresa zabı´ra´ 7 bitu˚ ⇒ 27 = 128 adres (z toho jedna pro hlavnı´rˇadicˇ, takzˇe zby´va´ 127 adres). Rozbocˇovacˇse dveˇma „vy´stupy“ potrˇebuje dva rˇadicˇe, pro kazˇdy´jednu adresu. Tı´m vypotrˇebujeme pomeˇrneˇhodneˇadres (pro cely´strom rozbocˇovacˇu˚), a da´le kazˇde´koncove´zarˇı´zenı´potrˇebuje minima´lneˇ jednu adresu. Pokud ma´koncove´zarˇı´zenı´vıće funkcı´, pro kazˇdou funkci potrˇebuje jednu adresu, navıć i zde ma´me rozbocˇovacˇe. Naprˇı´klad: • multifunkcˇnı´zarˇı´zenı´: rozbocˇovacˇ+ tiska´rna + skener + fax • monitor s kamerou a reproduktory: rozbocˇovacˇ+ webkamera + reproduktory + grafika Je trˇeba bra´t v u´vahu i to, zˇe mnoha´zarˇı´zenı´jsou napa´jena prˇes USB, a take´rozbocˇovacˇe je nutneńapa´jet. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 30

USB je dnes hodneˇpouzˇı´vańo hlavneˇdı´ky sveúniverza´lnosti, dobrećeneˇ, mozˇnosti napa´jenıá celkem slusˇne´ rychlosti, a to pro nejru˚zneˇjsˇı´perifernı´zarˇı´zenı´(prˇedevsˇı´m tiska´rny) a vneˇjsˇı´pameˇti (USB flash disk, externı´ disky, atd.). USB rozhranı´tedy najdeme i u externıćh disku˚, ale vzhledem k tomu, zˇe (do verze 2.0) zarˇı´zenı´ mu˚zˇe posı´lat data azˇpo vyzvańı´rˇadicˇem (du˚sledkem jsou cˇaste´prodlevy snizˇujıćı´rychlost), by´vaú tohoto typu zarˇı´zenı´spı´sˇe meńeˇvy´hodne´. Externı´disky mensˇıćh rozmeˇru˚(2.5”) je obvykle mozˇneńapa´jet prˇı´mo prˇes USB rozhranı´, veˇtsˇı´disky (3.5”) potrˇebujı´vlastnıńapa´jenı´.

Dalsˇı´informace: • http://hw.cz/teorie-a-praxe/art2569-vysla-speciﬁkace-usb-30.html • http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART327-USB—Universal-Serial-Bus—Popis-rozhrani.html • http://www.l-com.com/Content/FAQ.aspx?Type=FAQ&ID=4889

4.1.2 FireWire

FireWire (I.Link, Lynx, IEEE 1394) je univerza´lnı´se´riove´rozhranıúrcˇene´pro prˇipojenıéxternıćh komponent k za´kladnı´desce, prˇı´ma´konkurence USB. Pocha´zıód firmy Apple, asi proto cˇekalo toto rozhranı´velmi dlouho na podporu ve Windows, to je zrˇejmeˇjeden z du˚vodu˚jeho mensˇı´ rozsˇı´rˇenosti. Slouzˇı´k prˇipojenıázˇ63 zarˇı´zenı´, de´lka kabelu je nejvy´sˇe 4,5 m. FireWire pouzˇı´vańeˇkolik typu˚ konektoru˚, ktere´se lisˇı´prˇedevsˇı´m pocˇtem signa´lnıćh okruhu˚(4, 6 nebo 9) a na´sledneˇrozmeˇry. Na obra´zku 4.3 vidı´me prvnı´dva typy a takećˇa´st rozsˇirˇujıćı´karty s 6-okruhovy´mi konektory.

Obra´zek 4.3: FireWire se 4 a 6 signa´lnı´mi okruhy3

Vlastnosti: • vysˇsˇıćena nezˇUSB, ale povazˇovańo za spolehliveˇjsˇı´ ⇒ vybrańo sdruzˇenı´m HANA (High Definition Audio-Video Network Alliance) jako standard pro AV prˇenosy, zvı´teˇzilo jako syste´mova´sbeˇrnice v mnoha vojenskyćh zarˇı´zenıćh (stı´hacˇky F-22 Raptor cˇi F-35 Lightning II) a v automobilove´m pru˚myslu (Customer Convenience Port) • ru˚zne´prˇenosove´rychlosti – podle specifikace S400 dosahuje propustnosti 393 Mbit/s, specifikace S800 azˇ786 Mbit/s (doporucˇenıÍEEE 1394b), nejnoveˇjsˇı´specifikace S3200 propustnosti 3144 Mbit/s v de´lce kabelu azˇ100 m 3Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/FireWire KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 31

Ve specifikaci FireWire je mozˇnost napa´jenı´zarˇı´zenı´s odbeˇrem do 45 mA podobneˇjako u USB, spotrˇeba do 15 W. Konektor FireWire je vizua´lneˇodlisˇitelnyód USB konektoru (typu A) prˇedevsˇı´m svy´m tvarem (USB 2.0 je „hubeneˇjsˇı´“, tlousˇt’ka USB 3.0 je sice podobna´, ale serˇı´znutıá vnitrˇnı´struktura jsou jine´). Jednotlive´ specifikace jsou zpeˇtneˇkompatibilnı´, ale konektory nemusejı´zcela odpovı´dat, neˇkdy je nutne´pouzˇı´t redukci.

Pozna´mka: FireWire se kromeˇuvedene´ho vyuzˇitı´ve vojenske´m letectvı´pouzˇı´va´pro multimedia´lnı´prˇenosy (digita´lnı´ kamery, tiska´rny, scanery), protozˇe je spolehlive´, se spojity´m tokem dat a dostatecˇneˇrychle´. Najdeme je take´ u neˇkteryćh externıćh disku˚. Implementace FireWire se objevujı´take´v neˇkteryćh sı´t’ovyćh zarˇı´zenıćh.

4.1.3 Thunderbolt

V uńoru 2011 prˇedstavila spolecˇnost Intel noveúniverza´lnı´rozhranı´s na´zvem Thunderbolt. Toto rozhranı´bylo vyvı´jeno pod pu˚vodnı´m na´zvem Light Peak (prˇedstaveno v roce 2008, v experimenta´lnı´podobeˇ) coby opticke´rozhranı´, ale Thunderbolt momenta´lneˇexistuje pouze v podobeˇ pro metalicke´(meˇdeˇne´) kabely a optika je zatı´m jen v plańu. Princip je na´sledujıćı´: data jsou napojena na sbeˇrnici PCI Express 4×, je pouzˇit konektor Mini Display- Port. Typickaárchitektura je sbeˇrnicova´(tj. zarˇı´zenı´se zapojujı´za sebe na jedne´„lince“, ale strukturu lze i veˇtvit), maxima´lneˇlze zapojit 7 zarˇı´zenı´za sebou na jeden port. Zrˇejmeˇje zde inspirace strukturou v SCSI. Komunikuje se v plne´m duplexu a zarˇı´zenı´s mensˇı´mi energeticky´mi na´roky lze prˇes konektor takeńapa´jet (do 10 W, cozˇje vıć nezˇUSB a meńeˇnezˇFireWire). Teoreticka´propustnost je azˇ 10 Gb/s, po odecˇtenı´servisnıćh a synchronizacˇnıćh signa´lu˚pak cca 6,25 Gb/s (800 MB/s), rychlost je garantovańa do vzda´lenosti 3 metru˚na metalicke´m kabelu, na optice to bude vıće. Oproti drˇı´ve probı´rany´m univerza´lnı´m rozhranı´m (USB, FireWire) je Thunderbolt rychlejsˇı´. Podobneˇ jako u USB je vy´hodou i cena, protozˇe Intel nevyzˇaduje placenı´licencˇnıćh poplatku˚, ktere´by prodrazˇovaly implementaci. Na vy´voji tohoto rozhranı´spolupracovala spolecˇnost Apple (ostatneˇ, pouzˇity´konektor Mini DisplayPort byl jizˇv minulosti vyvinut Applem), a jako soucˇa´st podı´lu si vymıńila vy´hradnı´pra´va na Thunderbolt po dobu dvou let. Tedy po tuto dobu jsme se s Thunderboltem setka´vali jen na pocˇı´tacˇıćh znacˇky Apple. Po uplynutı´dvou let se toto rozhranı´jizˇzacˇalo objevovat prˇedevsˇı´m na ultraboocıćh ru˚znyćh vy´robcu˚.

Dalsˇı´informace: • http://www.macrumors.com/2011/02/24/thunderbolt-details-emerge-bus-power-mini-displayport-and-more/ • http://www.intel.com/content/www/us/en/io/thunderbolt/thunderbolt-technology-developer.html • http://www.zive.cz/clanky/thunderbolt-jeden-port-ktery-chce-vladnout-vsem/sc-3-a-156032/default.aspx

KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 32

Obra´zek 4.4: Architektura rozhranı´Thunderbolt4

4.2 Paralelnı´a se´riove´porty, PS/2

Paralelnı´rozhranı´ (LPT) se dnes jizˇte´meˇrˇnepouzˇı´va´, u noveˇjsˇıćh pocˇı´tacˇu˚je cˇasto ani nenajdeme. Pu˚vodneˇ bylo urcˇeno pro paralelnı´ jednosmeˇrnou komunikaci s tiska´rnami, pozdeˇji byly prˇidańy dalsˇı´ mozˇnosti vcˇetneˇobousmeˇrne´komunikace (bi-directional). Paralelnı´rozhranı´se dodnes pouzˇı´va´pro prˇipojenı´hodneˇstaryćh tiska´- ren (noveˇjsˇı´se prˇipojujı´prˇes USB), ale lze je take´vyuzˇı´t pro prˇipojenı´pa- meˇt’ovyćh me´diıćˇi za´lohovacıćh jednotek, rychlost je pro tento prˇı´pad zcela dostacˇujıćı´– ovsˇem dnes jen ma´loktery´pocˇı´tacˇje tı´mto rozhranı´m vybaven, tedy se jedna´spı´sˇe o historii. R Pokud na pocˇı´tacˇi ma´me paralelnı´port, ma´me mozˇnost v BIOS Setup urcˇit, v jake´m mo´du bude fungovat. Obvykle´hodnoty jsou EPP (Enhanced Parallel Port, pro pameˇt’ova´zarˇı´zenı´) nebo ECP (Extended Capabilities Port, Obra´zek 4.5: Paralelnıá se´ri- pro tiska´rny a scanery). Prˇedevsˇı´m je nutne´, aby dane´zarˇı´zenı´zvoleny´mo´d ove´rozhranı´ podporovalo.

4Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Thunderbolt %28interface%29, http://www.macrumors.com/2011/ 02/24/thunderbolt-details-emerge-bus-power-mini-displayport-and-more/ KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 33

Se´riovy´port (COM, RS-232, V.24, sluzˇebnı´port) se vyskytuje ve dvou velikostech (mensˇı´ma´9 pinu˚, veˇtsˇı´ 25 stejneˇjako paralelnı´). Drˇı´ve se pouzˇı´val pro prˇipojenı´mysˇi a modemu, v soucˇasne´ dobeˇse s nı´m setka´me spı´sˇe v pru˚myslu a obchodu (tiska´rny etiket a cˇa´rovyćh ko´du˚, meˇrˇicı´syste´my, kontrolnı´mechanismy) a u neˇ- kteryćh dalsˇıćh (veˇtsˇinou sı´t’ovyćh) zarˇı´zenı´, prˇedevsˇı´m z du˚vodu velmi snadne´ho naprogramovańı´. Ve skutecˇnosti jde obvykle o varianty RS-232, a to RS-422 (pro spolehlive´prˇenosy i na veˇtsˇı´vzda´- lenosti v zarusˇene´m prostrˇedı´) a RS-485 (v pru˚myslu). U sı´t’ovyćh zarˇı´zenı´, resp. serveru˚, se pouzˇı´va´ jako sluzˇebnı´ rozhranı´. Tato zarˇı´zenıóbvykle nemajı´kla´vesnici a obrazovku, ale zato majı´9pinovy´port RS-232. Pouzˇı´va´me takto: ma´me notebook Obra´zek 4.6: Console cable – RS-232 na (nebo jine´podobne´zarˇı´zenı´), prˇipojı´me prˇes kabel, na jehozˇjednom RJ-45 konci je RS-232 a na druhe´m typicky RJ-45 (Ethernet) – obra´zek 4.6.

Pozna´mka: 25pinove´se´riove´rozhranı´je velmi podobne´paralelnı´mu. Rozezna´me je od sebe podle orientace – na straneˇ pocˇı´tacˇe ma´se´riove´rozhranı´„kolı´ky“, kdezˇto paralelnı´ma´„dı´rky“, jak vidı´me na obra´zku 4.5. Dalsˇı´mozˇnost za´meˇny je s rozhranı´m D-Sub (uvidı´me da´le).

Rozhranı´PS/2 bylo pu˚vodneˇurcˇeno pro pocˇı´tacˇe firmy IBM, ale rozsˇı´rˇilo se i u dal- sˇıćh vy´robcu˚. U pocˇı´tacˇu˚se jesˇteˇneda´vno pouzˇı´valo pro prˇipojenı´mysˇi a kla´vesnice (na starsˇıćh je jesˇteˇnajdeme). Pro pocˇı´tacˇe bez PS/2 portu, kde chceme pouzˇı´t PS/2 zarˇı´zenı´, jsou k sehnańı´redukce PS/2⇒USB (vidı´me na obra´zku 4.7). Obra´zek 4.7: Redukce Rozhranı´ je typu Mini-DIN (DIN rozhranı´ je kulate´ s piny), ma´ 6 pinu˚ a na PS/2 na USB desktopu je najdeme velmi snadno – barevneˇje vyznacˇeno rozhranı´pro kla´vesnici (fialove´) a mysˇ(zelene´), prˇı´p. plug, ktery´je napu˚l fialovyá napu˚l zeleny´.

Dalsˇı´informace: • http://www.allpinouts.org/index.php/Category:Serial Connectors • http://hw.cz/rs-232 • http://www.geoinformatics.upol.cz/app/prostredkygis/hardware/HW/vnejsi/ konek typy popis.htm • http://web.pcplus.cz/konektory.asp

Pozna´mka: V dalsˇı´m textu budeme nada´le pouzˇı´vat pojmy paralelnı´ rozhranı´ (paralelnı´ prˇenos) a se´riove´ rozhranı´ (se´riovy´prˇenos) v obecneˇjsˇı´m slova smyslu. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 34

Pod pojmem paralelnı´rozhranı´ budeme cha´pat takove´rozhranı´, prˇes ktere´jsou prˇena´sˇena data paralelneˇ (v jednom okamzˇiku vıć bitu˚najednou). To se mu˚zˇe zda´t jako vy´hodneˇjsˇıá rychlejsˇı´, nicmeńeˇje trˇeba si uveˇdomit, zˇe prˇi paralelnı´m prˇenosu je trˇeba neusta´le prova´deˇt synchronizaci prˇena´sˇenyćh dat. Data jsou prˇena´sˇena po da´vkaćh (cela´da´vka bitu˚najednou), je trˇeba du˚sledneˇod sebe jednotlive´da´vky oddeˇlovat a vzˇdy celou da´vku a na´sledneˇposloupnost da´vek seskla´dat do vy´sledne´ho proudu dat. Se´riove´rozhranı´ prˇena´sˇı´data vıćemeńeˇve streamu (proudu), jednotlive´bity (samozrˇejmeˇvhodneˇko´dovane´) na´sledujı´jeden za druhy´m. To vsˇak neznamena´, zˇe by v takove´m kabelu byl pouze jeden vodicˇ– najdeme vodicˇe nejen datove´, ale i servisnı´, zem apod. Jak da´le uvidı´me, veˇtsˇina takovyćh rozhranı´, ktera´drˇı´ve existovala v paralelnı´formeˇ, byla vystrˇı´dańa se´riovou variantou. To platıńaprˇı´klad u rozhranı´pro pevne´disky (PATA → SATA, SCSI → SAS), ale trˇeba i u typu˚sbeˇrnic na za´kladnı´desce a sı´t’ovyćh rozhranı´. Se´riova´rozhranı´totizˇmajı´jednu du˚lezˇitou vy´hodu: nenı´trˇeba neusta´le prova´deˇt synchronizaci prˇena´sˇenyćh dat. Zrychlovat prˇenos se dańaprˇı´klad takto: • volbou jine´ho materia´lu pro vodicˇe, konektor apod., • zmeˇnou ko´dovańı´(tj. zpu˚sobu mapovańı´bitu˚na prˇena´sˇeny´signa´l), • zmeˇnou vysı´lacı´frekvence, apod. V kazˇde´m prˇı´padeˇ u paralelnıćh rozhranı´ nara´zˇı´me na hranici danou potrˇebou neusta´le´ synchronizace. Prˇedevsˇı´m prˇi zvy´sˇenı´ frekvence odesı´lańı´ a prˇı´jmu dat zacˇne docha´zet k prˇenosovy´m chyba´m, zmeˇny v ko´dovańı´mohou zvy´sˇit slozˇitost synchronizace a tı´m paradoxneˇprˇenos zpomalit, atd.

4.3 Datove´rozhranı´pevny´ch a opticky´ch disku˚

4.3.1 PATA a SATA

Rozhranıúrcˇuje, jaky´m zpu˚sobem disk komunikuje, jaky´typ kabelu˚se pouzˇı´va´, atd. R U disku˚na prvnıćh osobnıćh pocˇı´tacˇıćh se pro pevne´disky pouzˇı´vala datova´rozhranı´ ST506 (naćhylne´ na rusˇenı´, kapacita v desı´tkaćh MB) nebo ESDI (obsluha vıće hlav, umozˇnˇuje zjistit geometrii disku, rˇadicˇje prˇı´mo na pouzdrˇe disku). ATA (zkratka z AT Attachment, kde AT znamenaÁdvanced Technology – pro pocˇı´tacˇe PC AT) je standard pro prˇipojenı´pameˇt’ovyćh zarˇı´zenı´. Po zverˇejneˇnı´standardu SATA (Serial ATA) byl pu˚vodnı´standard ATA prˇejmenovań na PATA (Parallel ATA, kolem roku 2003). V dnes vyra´beˇnyćh pocˇı´tacˇıćh najdeme spı´sˇe jen SATA, se´riovy´prˇenos dat se u tohoto typu komunikace vıće osveˇdcˇil; u starsˇıćh pocˇı´tacˇu˚je pouzˇit PATA. Pro stary´standard ATA-1 (1986) se vzˇilo oznacˇenı´rozhranı´ IDE (Integrated Drive Electronics), cozˇje poneˇkud neprˇesnyńa´zev. R Oproti prˇedchozı´m rˇesˇenı´m byl rˇadicˇumı´steˇn prˇı´mo k pevne´mu disku na desku tisˇteˇnyćh spoju˚(do te´ doby byl rˇadicˇna rozsˇirˇujıćı´karteˇv jednom ze slotu˚za´kladnı´desky), cozˇplatı´dodnes. Datove´rozhranı´(v te´ dobeˇ40zˇilovy´kabel) tedy slouzˇilo pouze k propojenı´zarˇı´zenı´se sbeˇrnicı´, nikoliv s rˇadicˇem. ATA-1 obsahoval jednoduchou mnozˇinu prˇı´kazu˚, data jsou organizovańa po 512B blocıćh. Tento standard byl oficia´lneˇurcˇen pouze pro pevne´disky. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 35

Pozna´mka: R Co je to vlastneˇ IDE (Integrated Drive Electronics – v oblasti hardwaru)? Tak se pu˚vodneˇjmenovalo rozhranı´ vyvinute´ spolecˇnostı´ Western Digital a jejı´mi partnery (Control Data Corporation a Compaq), pozdeˇji bylo standardizovańo jako ATA. IDE maúzˇv na´zvu jednu du˚lezˇitou vlastnost, kterou se lisˇilo od prˇedchozıćh rˇesˇenı´(ST06, ESDI) – rˇadicˇdisku byl integrovań na desce umı´steˇne´prˇı´mo na pouzdrˇe disku. U prˇedchozıćh rˇesˇenı´se nacha´zel na rozsˇirˇujıćı´desce urcˇene´do slotu ISA, k te´to desce byl pak specia´lnı´m kabelem prˇipojen samotny´disk. Tedy „IDE kabel“ propojuje rˇadicˇdisku se za´kladnı´deskou, drˇı´ve prˇı´slusˇny´ kabel propojoval disk s rˇadicˇem a ISA slot propojoval rˇadicˇse za´kladnı´deskou.

V prˇı´padeˇPATA mohou by´t na jednom kabelu maxima´lneˇdva disky, na nich musı´by´t propojky nastaveny Primary slave Primary master tak, aby jeden z nich byl master a druhy´ slave. Pokud je prˇipojen jen jeden disk, musı´by´t propojkami ozna- Secondary slave Secondary master cˇen jako single (na mnoha discıćh vsˇak tento stav sa´m o sobeˇneexistoval, disk se nastavoval jako master). Na obra´zku 4.8 je naznacˇen zpu˚sob prˇipojenı´ vıće Obra´zek 4.8: Prˇipojenı´PATA disku˚ disku˚. R Vylepsˇenı´m je ATA-2, takeńazy´vane´ EIDE (Enhanced IDE) nebo Fast IDE, ktere´je rychlejsˇı´, prˇineslo podporu adresovańı´LBA (viz da´le) a navıć lze prˇipojit i jina´perifernı´zarˇı´zenıńezˇjen pevne´disky (naprˇı´klad CD mechaniky). Na jednom kabelu mohou by´t azˇ4 zarˇı´zenı´ru˚zne´ho typu, ale veˇtsˇı´mnozˇstvı´zarˇı´zenıńa jednom kabelu znamena´zpomalenı´komunikace na tomto kabelu. Zarˇı´zenı´komunikujı´v rezˇimu PIO (Programmed Input/Output, vesˇkerou komunikaci rˇı´dı´procesor) stejneˇjako starsˇı´rˇesˇenı´, anebo v rezˇimu DMA (Direct Memory Access). DMA (Direct Memory Access) je noveˇjsˇı´zpu˚sob komunikace, prˇi ktere´m je procesor vyuzˇı´vań pouze na zacˇa´tku, zada´prˇı´kaz k praći s daty a zbytek komunikace (samotny´prˇenos) zajisˇt’uje rˇadicˇpevne´ho disku. O DMA kana´lech se budeme bavit v podkapitole 4.6.2 na straneˇ 49. Dalsˇı´generace standardu ATA vzˇdy neˇjakou vlastnost prˇida´vajı´(ATA-3 zava´dı´monitorovacı´technologii S.M.A.R.T., ATA/ATAPI-4 prˇicha´zı´se standardem ATAPI). Standard ATAPI (ATA Packet Interface) je rozhranı´k ATA na vysˇsˇıú´rovni; beˇzˇıńad ATA, prˇida´vańove´ vlastnosti, usnadnˇuje prˇı´stup k zarˇı´zenı´. ATAPI prˇineslo podporu mechanik pro praći s pameˇt’ovy´mi me´dii (drˇı´ve to bylo rˇesˇeno emulacı´ mechanik jako pevnyćh disku˚), a take´ naprˇı´klad standardizaci logickyćh prˇenosovyćh metod (DMA, Ultra DMA), S.M.A.R.T., karet (compact flash).

Pozna´mka: V soucˇasne´dobeˇse s rozhranı´m PATA setka´va´me spı´sˇe u starsˇı´ch pocˇı´tacˇu˚(vcˇetneˇnotebooku˚). Protozˇe nenı´kompatibilnı´s noveˇjsˇı´m SATA, meˇli bychom si da´t pozor naprˇı´klad tehdy, kdyzˇdo starsˇı´ho pocˇı´tacˇe kupujeme novy´disk. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 36

R PATA v nejnoveˇjsˇıćh verzıćh ma´datovou propustnost jen 1064 Mbit/s (rychlost max. 133 MB/s), cozˇje meńeˇnezˇnejstarsˇı´SATA, prˇi de´lce kabelu meńeˇnezˇpu˚l metru. SATA (Serial ATA) je se´riove´rozhranı´k pameˇt’ovy´m zarˇı´zenı´m (pevny´m disku˚m, CD/DVD mechanika´m a dalsˇı´m mass storage zarˇı´zenı´m). Narozdı´l od PATA umozˇnˇuje prˇipojenı´pouze jednoho zarˇı´zenıńa jedno rozhranı´(nelze prˇipojit zarˇı´zenı´„na sbeˇrnici“), proto obvykle ma´me v pocˇı´tacˇi vıće SATA rozhranıá nenı´trˇeba rozlisˇovat single/master/slave disky. Kabel a konektor SATA je na prvnı´pohled rozeznatelnyód PATA. Je uzˇsˇı´(protozˇe komunikace nenı´ paralelnı´, ale se´riova´), obsahuje jen 7 vodicˇu˚(z toho 4 datove´, prˇenos je plneˇduplexnı´ – obousmeˇrny´), a konektory na kabelu jsou jen na koncıćh (jeden kabel = jedno zarˇı´zenı´). Rozdı´l vidı´me na obra´zku 4.10. Komunikuje se prˇes PIO nebo DMA (resp. rychlejsˇıÚltra DMA). R SATA je vybaveno mnoha pokrocˇily´mi technologiemi, ktere´musı´by´t podporovańy rˇadicˇem umı´steˇny´m v chipsetu – AHCI (Advanced Host Controller Interface – pokrocˇily´rezˇim praće rˇadicˇe), NCQ (technologie optimalizace dra´hy hlavicˇky pevne´ho disku pro dosazˇenıńizˇsˇıćh prˇı´stupovyćh cˇasu a tı´m vysˇsˇı´ho vy´konu), Hot Plug (mozˇnost prˇipojenı´zarˇı´zenı´za chodu).

Pozna´mka: Neˇktereóperacˇnı´syste´my (konkre´tneˇWindows do verze XP vcˇetneˇ) neobsahujıóvladacˇe pro disky SATA. Neˇktere´BIOS Setupy obsahujı´podporu rezˇimu, ve ktere´m se SATA disk jevıóperacˇnı´mu syste´mu jako EIDE (tj. rˇesˇenı´m mu˚zˇe by´t nastavit v BIOSu rˇadicˇSATA disku do rezˇimu „legacy PATA“, vyćhozı´je rezˇim standardnıÁHCI nebo neˇktery´typ RAID, a pak vyhledańı´vhodnyćh ovladacˇu˚na Internetu). Pokud vsˇak ma´me BIOS Setup bez te´to mozˇnosti, musı´me prˇedem (prˇed instalacı´) sehnat ovladacˇ, ulozˇit na disketu a tuto disketu pak pouzˇı´t beˇhem instalace. Ovladacˇobvykle sezˇeneme bud’ na pameˇt’ovyćh me´diıćh doda´vanyćh s pocˇı´tacˇem, a nebo na internetu na strańkaćh vy´robce disku.

V soucˇasne´dobeˇexistuje vıće verzı´SATA: • pu˚vodnı´specifikace (SATA 1) znamena´datovou propustnost te´meˇrˇ1.5 Gb/s (pozor, bity) s rychlostı´ prˇenosu dat cca 150 MB/s, • SATA II by meˇlo mı´t propustnost dvojna´sobnou (3 Gb/s, rychlost prˇenosu dat cca 300 MB/s), • dalsˇı´generace (SATA 3.0) znamena´propustnost azˇ6 Gb/s, rychlost prˇenosu dat 600 MB/s. V obchodech obvykle narazı´me prˇı´mo na u´daj o rychlosti (SATA 3 Gb/s nebo SATA 6 Gb/s). Prˇedpokla´da´se kabel o de´lce max. 1 m a rozhranı´podporuje hot-plugging (prˇida´vańı´za chodu, dı´ky tomu funguje pouzˇı´vańı´ externıćh disku˚s rozhranı´m eSATA). R Prˇı´slusˇnou specifikaci musı´podporovat jak disk, tak i za´kladnı´deska (na ni se prˇipojuje datovy´kabel od disku), ale i kdyzˇma´me „spra´vny´“ disk i desku, nenı´rˇecˇeno, zˇe budou komunikovat danou rychlostı´. Prvnı´ proble´m mu˚zˇe by´t s rychlostı´prˇenosu mezi plotnami disku a jeho vyrovna´vacı´pameˇtı´(obojı´je v pouzdrˇe disku, propojene´vnitrˇnı´m datovy´m kabelem), ktera´mu˚zˇe by´t limitujıćı´. Dalsˇı´proble´m nasta´va´tehdy, kdyzˇje disk z vy´roby nakonfigurovań pro pouzˇitıńizˇsˇı´rychlosti. To se obvykle da´vyrˇesˇit prˇepojenı´m cˇi odstraneˇnı´m KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 37 jedne´propojky vedle datove´ho konektoru na disku, informace najdeme vzˇdy v dokumentaci nebo na sˇtı´tku disku. eSATA je specia´lnı´verze SATA, je to modifikace cˇi rozsˇı´rˇenı´specifikace pro prˇipojenıéxternıćh disku˚. SamotneéSATA je povazˇovańo za rychlejsˇıńezˇUSB 2.0, datova´propustnost a rychlost odpovı´da´SATA II. Externı´disky opatrˇene´rozhranı´m eSATA jsou obvykle drazˇsˇıńezˇty, ktere´lze prˇipojit jen prˇes USB, a taky ne kazˇdy´pocˇı´tacˇtoto rozhranı´ma´ (disky s eSATA obvykle majıí USB konektor). R Specifikace eSATAp umozˇnˇuje takeńapa´jet zarˇı´zenı´s malou spotrˇebou energie, podobneˇjako USB (ovsˇem eSATAp musı´by´t podporovańo obeˇma stranami). R Mu˚zˇeme se setkat se dveˇma provedenı´mi. PlnohodnotneéSATA je reali- zovańo bud’ jako rozsˇirˇujıćı´deska (obra´zek 4.10 dole uprostrˇed) nebo in- tegrovaneˇ, ale existuje i levneˇjsˇı´(neplnohodnotna´) varianta, kdy SATA kabel Obra´zek 4.9: Rozdı´l mezi 6 je vyveden ven a napojen na konektor eSATA (tenty´zˇobra´zek dole vlevo). SATA a eSATA Pokud ma´me mozˇnost videˇt „za za´slepku“, rozdı´l pozna´me (k neplnohod- notne´mu rozhranı´vedou prˇı´mo SATA kabely). V kazˇde´m prˇı´padeˇje lepsˇı´mı´t plnohodnotne´rˇesˇenı´.

Obra´zek 4.10: PATA, SATA a eSATA7

Dalsˇı´rozhranı´, jehozˇza´kladem je SATA, je mSATA (mini-SATA). mSATA se vyznacˇuje prˇedevsˇı´m vysokou propustnostı´(rychlostı´), proto by´va´typicky vyuzˇı´va´no SSD zarˇı´zenı´mi. Vypada´podobneˇjako Mini PCI Express, ale pouzˇı´va´ zcela jinou signalizaci, proto je trˇeba mSATA zarˇı´zenı´ zapojit opravdu do mSATA portu; abychom mohli toto rozhranı´pouzˇı´vat, musı´by´t prˇedneˇna samotne´m zarˇı´zenı´, na za´kladnı´desce musı´me mı´t prˇı´slusˇny´port a neˇkdy mu˚zˇe by´t potrˇeba mSATA aktivovat v BIOSu. Rozhranı´M.2 je noveˇjsˇı´nezˇmSATA, ale v soucˇasne´dobeˇje beˇzˇneˇjsˇı´. Vizua´lneˇje velmi podobne´(azˇna

6Zdroj: http://www.homestead.co.uk 7Zdroj: http://www.cubeternet.com KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 38 klıćˇovańı´– umı´steˇnı´za´rˇezu˚a plastovyćh mu˚stku˚), funkcˇneˇa dalsˇı´mi vlastnostmi take´, je napojeno na PCI Express. Na obra´zku 4.11 je neˇkolik SSD – jeden s mSATA rozhranı´m a trˇi ru˚znyćh velikostı´s rozhranı´m M.2. Vsˇimneˇte si rozdı´lu v klıćˇovańıá usporˇa´dańı´pinu˚.

Obra´zek 4.11: Rozhranı´mSATA (vlevo) a M.2 (trˇi ru˚zne´velikosti)8

Dalsˇı´informace: • http://www.lostcircuits.com/mambo//index.php?option=com content&task=view&id=50&Itemid=46&limit=1& limitstart=0 • http://www.hardwaresecrets.com/article/27 • http://www.sata-io.org/documents/External%20SATA%20WP%2011-09.pdf • http://www.serialata.org/documents/SATA illus guide ﬁnal.pdf • http://pctuning.tyden.cz/hardware/disky-cd-dvd-br/10999-gigabajty na cestach-vyzkousejte esata reseni

4.3.2 SCSI a SAS

SCSI (Small Computer System Interface) je dalsˇı´rozhranı´pevnyćh disku˚(1986), je vsˇak pouzˇı´vane´ i jiny´mi typy zarˇı´zenı´(naprˇı´klad SCSI scanery). Je tedy univerza´lneˇjsˇıńezˇATA. R Dnes existuje vıće standardu˚lisˇıćıćh se sˇı´rˇkou prˇena´sˇenyćh dat, prˇenosovou frekvencı´, rychlostı´ a propustnostı´, postupneˇse rozsˇirˇovala mnozˇina SCSI prˇı´kazu˚. Z pu˚vodnı´ho paralelnı´ho SCSI je nejnoveˇjsˇı´ Ultra-640 SCSI prˇena´sˇejıćı´16bitova´slova, propustnost 640 MB/s (5120 Mbit/s). Lze prˇipojit azˇ8 nebo azˇ16 zarˇı´zenı´, z toho jedno je rˇadicˇ(kazˇde´zarˇı´zenı´ma´svou jednoznacˇnou cˇı´selnou adresu v rozsahu 0–7 nebo 0–15, nejvysˇsˇıádresu ma´rˇadicˇ). Zarˇı´zenı´mohou by´t jak internı´, tak externı´

8Zdroj: , http://german.alibaba.com/product-free-img/msata-to-sata-adapter-109775658.html KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 39

CD mechanika, id=6 terminátor Počítač

terminátor neukončeno HDD, id=0 Externí disk, ID=4

neukončeno neukončeno

SCSI řadič, ID=7 Scanner, ID=5

Obra´zek 4.12: Sı´t’rozhranı´SCSI

(obvykle vede od rˇadicˇe jedna sbeˇrnice dovnitrˇa jedna ven). Pouzˇı´va´se 50vodicˇovy´kabel, u noveˇjsˇıćh 68zˇilovy´(take´konektory jsou ru˚zne´). Sbeˇrnice musı´by´t na „hranicˇnıćh“ zarˇı´zenıćh ukoncˇena termina´tory (zakoncˇovacı´mi odpory), jak vidı´me na obra´zku 4.12. Vy´hodou je vysoka´prˇenosova´rychlost, zapojenı´vıće zarˇı´zenı´rychlost neovlivnı´. Nevy´hodou je vysˇsˇı´ cena (nejen rozhranı´, take´zarˇı´zenı´), a mensˇı´rozsˇı´rˇenost. SAS (Serial Attached SCSI) je se´riove´rozhranı´typu point-to-point, ktere´je povazˇovańo za na´stupce pu˚vodnı´ho paralelnı´ho SCSI. Pouzˇı´va´ stejnou komunikacˇnı´ sadu jako SCSI (SCSI prˇı´kazy). Dı´ky se´riove´formeˇprˇenosu je rychlejsˇı´(v ru˚znyćh verzıćh 3 Gb/s a 6 Gb/s jako SATA). Pro signa´ly se pouzˇı´va´vysˇsˇıńapeˇtıńezˇu SATA, proto kabely mohou by´t delsˇı´(azˇ10 m). Kabely, konektory a plugy jsou ru˚zne´– podle toho, zda majı´by´t internıńebo externı´, taky existuje mini varianta. Na obra´zku 4.13 zcela vpravo vidı´me dva internı´SAS konektory, z nichzˇprvnı´je Mini SAS 36pinovy´, druhy´plny´SAS 32pinovy´. SAS prˇedevsˇı´m ve verzi 2.0 najdeme prˇedevsˇı´m u serverovyćh pevnyćh disku˚, protozˇe je povazˇovańo za sice stejneˇrychle´jako SATA, ale spolehliveˇjsˇı´. Du˚lezˇitou prˇednostı´je take´mozˇnost „exportu“ rozhranı´ ven, take´do sı´teˇ, a zajisˇteˇnı´„vysoke´dostupnosti“.

Obra´zek 4.13: Konektory IDE, SATA, SCSI (rozdı´l mezi IDE/SCSI: dı´rky/kolı´ky), Mini SAS a SAS (internı´)

Pozna´mka: Vsˇimneˇte si – i zde je posun od paralelnı´ho prˇenosu k prˇenosu se´riove´mu (SCSI → SAS). KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 40

Dalsˇı´informace: • http://www.datapro.net/techinfo/scsi doc.html • http://www.vahal.cz/cz/podpora/technicke-okenko/rozhrani-sas.html • http://www.tomshardware.co.uk/sas-6gb-hdd,review-31665.html • http://www.lsi.com/solutions/Pages/SAS.aspx • http://www.storagesearch.com/sas-art2.html

Rozhranı´ Teor. propustnost Rychlost Kabel Thunderbolt 2 20 Gbit/s 2.44 GB/s 3 m (meˇd’), 100 m (optika) SATA 3.2 16 Gbit/s 1.97 GB/s 1 m SAS-3 12 Gbit/s 1.2 GB/s 10 m 10G Fibre Channel 10.52 Gbit/s 1.195 GB/s 2 m–50 km Thunderbolt 1 10 Gbit/s 1.22 GB/s 3 m (meˇd’), 100 m (optika) USB 3.1 10 Gbit/s 1.21 GB/s 3 m SAS-2 6 Gbit/s 600 MB/s 10 m SATA 3.0 6 Gbit/s 600 MB/s 1 m USB 3.0 5 Gbit/s 400 MB/s 3 m FireWire 3200 3.144 Gbit/s 393 MB/s 100 m+ SAS 2.0 3 Gbit/s 300 MB/s 10 m SATA 2.0 3 Gbit/s 300 MB/s 1 m USB 2.0 480 Mbit/s 35 MB/s 5 m

Tabulka 4.5: Srovna´nı´rozhranı´pro mass storage

4.4 Konektory na grafickyćh kartaćh

Na grafickyćh kartaćh by´vajı´prˇedevsˇı´m rozhranı´D-SUB (take´VGA, DE-15) a DVI. Da´le se setka´me s cˇisteˇ digita´lnı´mi rozhranı´mi HDMI a DisplayPort, vy´jimecˇneˇjesˇteˇs dalsˇı´mi.

4.4.1 D-SUB

D-SUB (resp. VGA) je plneˇ analogovy´. Pı´smeno „D“ v na´zvu pocha´zıód typicke´ho „dećˇkove´ho“ tvaru konektoru. Rozhranı´D-SUB vidı´me na obra´zku 4.14. Svy´mi rozmeˇry a usporˇa´- dańı´m se mu˚zˇe zda´t zameˇnitelne´se se´riovy´m rozhranı´m RS-232, ale jak Obra´zek 4.14: Rozhranı´D-SUB vidı´me, D-SUB na straneˇpocˇı´tacˇe je opatrˇeno „dı´rkami“, kdezˇto RS-232 ma´„kolı´ky“ – viz obra´zek 4.5 na straneˇ 32 (na straneˇkabelu je to samozrˇejmeˇnaopak, aby bylo mozˇne´kabel prˇipojit). Dalsˇı´rozdı´l je v usporˇa´dańı´kolı´ku˚/dı´rek – zatı´mco RS-232 ma´dveˇrˇady, D-SUB trˇi. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 41

Pozna´mka: Konektor cˇi plug (za´suvka) mu˚zˇe mı´t „dı´rky“ nebo „kolı´ky“. Prvnı´mozˇnost se beˇzˇneˇoznacˇuje female (samice, cˇteme [ﬁ:meil]), druha´mozˇnost male (samec, cˇteme [meil]). O konektoru D-SUB tedy mluvı´me jako o male (samec) konektoru, D-SUB plug je female (samice). U RS-232 je to naopak – konektor je female a plug male.

D-SUB je urcˇen prˇedevsˇı´m pro CRT monitory (ty pracujıńa analogove´m principu), ale toto rozhranıńeˇkdy najdeme i na (digita´lnıćh) LCD monitorech. U zobrazovacıćh zarˇı´zenı´(naprˇı´klad monitoru˚) zpracova´vajıćıćh digita´lnıóbraz, typicky LCD obrazovek, je obvykle mozˇne´pouzˇı´t i analogovy´D-SUB, ale pak docha´zı´ke zbytecˇne´konverzi digita´lnı´(graficka´karta) → analogovy´(D-SUB) → digita´lnı´(LCD) Du˚sledkem by´va´horsˇıóbraz, nezˇjake´ho lze dosa´hnout s digita´lnı´m rozhranı´m (konverzı´se ztraćıćˇa´st informace), navıć mu˚zˇe dojı´t ke zhorsˇenıódezvy. U kancela´rˇskyćh aplikacı´je to celkem jedno, du˚sledky se projevovujıńaprˇı´klad prˇi hranı´rychlejsˇıćh her.

4.4.2 DVI

DVI (Digital Visual Interface) je rozhranı´cha´pane´spı´sˇe jako digita´lnı´, ale ve skutecˇnosti neˇktere´ jeho typy jsou kombinovane´(doka´zˇou prˇena´sˇet analogovy´signa´l bez konverze, tj. kombinace digita´lnı´ho a analogove´ho rozhranı´).

Obra´zek 4.15: Rozhranı´DVI9

Existuje vıće typu˚DVI konektoru˚: • DVI-A – pouze analogovy´, pouzˇı´vajı´se piny C1–C5 (R, G, B, synchronizace, zemeˇ), pro CRT monitory a neˇktere´TV karty, prova´dı´se konverze D/A na analogovy´vy´stup, • DVI-D – pouzˇı´va´pouze digita´lnı´piny (1–24), ve dvou verzıćh: 1. dual (pouzˇı´va´vsˇechny digita´lnı´piny), 2. single (neˇktere´piny nejsou pouzˇity), • DVI-I (Integrated D/A) – digita´lnıí analogove´piny jsou prˇı´tomny a funkcˇnı´, takeéxistujı´varianty single a dual.

9Zdroj: http://www.deltapage.com/ KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 42

Dual DVI se oznacˇuje jako DVI-DL. Jeho propustnost je vysˇsˇı´(Single ma´4,9 Gb/s, Dual 9,9 Gb/s) a je urcˇeno pro monitory s vysoky´m rozlisˇenı´m a vysokou obnovovacı´frekvencı´, pro kancela´rˇske´pouzˇitı´neprˇina´sˇı´ zˇa´dne´vy´hody.

Dalsˇı´informace: • http://www.hardwarebook.info/Digital Visual Interface (DVI) • http://www.datapro.net/techinfo/dvi info.html

4.4.3 HDMI, DisplayPort

HDMI a DisplayPort jsou narozdı´l od prˇedchozıćh plneˇdigita´lnı´rozhranı´. HDMI (High-Definition Multimedia Interface) prˇedestavuje rozhranı´pro prˇenos digita´l- nı´ho nekomprimovane´ho obrazu a zvuku (narozdı´l od DVI, ktere´prˇena´sˇı´jen obraz). Vy´hodou je, zˇe HDMI pouzˇı´va´stejnou specifikaci pro signa´l s obrazem jako DVI (jen prˇida´va´zvuk), tedy redukce mezi teˇmito dveˇma rozhranı´mi jsou velmi jednoduche´. Existuje neˇkolik typu˚konektoru˚– A (single-link podobneˇjako u DVI), B (dual-link, vysoke´rozlisˇenı´), C (videokamery apod.), setka´me se hlavneˇs typy A a C (vidı´me na obra´zku 4.16). Konektor a cele´rozhranı´je mensˇıńezˇDVI, cozˇje vy´hoda v soucˇasne´dobeˇminiaturizace za´kladnıćh desek a zadnıćh panelu˚pocˇı´tacˇu˚ a televizoru˚, ovsˇem je povazˇovań za krˇehcˇıá meńeˇodolny´. Doporucˇuje se pouzˇı´vat max. 5metrovy´kabel, ale za urcˇityćh okolnostı´je pouzˇitelnyí delsˇı´(kvalitnı´silne´vysı´lacˇe signa´lu v rozhranıćh zarˇı´zenı´). HDMI je urcˇeno prˇedevsˇı´m pro televize (vcˇetneˇprˇenosu HD) a neˇkterou dalsˇı´spotrˇebnıélektroniku, a da´le pro LCD monitory a dalsˇı´zarˇı´zenı´. Jeho propustnost je 10,2 Gb/s.

Pozna´mka: Procˇje du˚lezˇite´, zˇe HDMI (a DisplayPort) prˇedna´sˇı´ nekomprimovany´ multimedia´lnı´signa´l? Protozˇe komprimace sice na jednu stranu snizˇuje mnozˇstvı´dat, ktere´je nutno prˇes rozhranı´prˇene´st, ale na druhou stranu je zbytecˇneˇcˇasoveˇna´rocˇna´. Tato rozhranı´tedy poskytujı´vysokou propustnost, prˇi ktereńenı´komprimace nutna´, du˚sledkem jsou dostacˇujıćı´rychlosti (prˇena´sˇenyóbraz a zvuk lze v rea´lne´m cˇase prˇehra´vat).

DisplayPort je digita´lnı´ rozhranı´ pocha´zejıćı´ (prˇedevsˇı´m) od Applu urcˇene´ pro LCD monitory a jine´zobrazovacı´periferie. Prˇena´sˇıńekomprimovany´digita´lnıóbsah s podporou ochrany se 128bitovy´m sˇifrovańı´m AES, a 8kana´love´ho zvuku. Od HDMI se mimo jine´ odlisˇuje volneˇjsˇı´licencı´(a samozrˇejmeˇtake´tvarem portu – ma´jeden roh „serˇı´znuty´“ a trochu jine´rozmeˇry i vnitrˇnı´ usporˇa´dańı´). KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 43

Pozna´mka: DisplayPort zacha´zı´se signa´lem jinak nezˇDVI a HDMI (VGA, DVI a HDMI prˇena´sˇejı´zvla´sˇt’ v ru˚znyćh dra´tech jednotlive´za´kladnı´barvy, v dalsˇıćh dra´tech synchronizacˇnıínformaci apod., jednotlivećˇa´sti jsou prˇena´sˇeny prakticky ve streamu). Prˇenos u DisplayPortu je podobneˇjsˇı´tomu, co funguje v pocˇı´tacˇovyćh sı´tıćh, nazy´va´se mikro-paketovy´prˇenos. Znamena´to, zˇe vsˇe je prˇena´sˇeno v malyćh datovyćh jednotkaćh (barva se nedeˇlı´do dra´tu˚podle za´kladnıćh barev) bez nutnosti pouzˇitı´zvla´sˇtnı´ho vodicˇe pro hodinovy´ signa´l kvu˚li synchronizaci (cˇasovyú´daj je soucˇa´stı´paketu).

Maxima´lnı´propustnost je 10,8 Gb/s, cozˇje o neˇco vıće nezˇdual-link DVI a mı´rneˇvıće nezˇHDMI. Kabel mu˚zˇe by´t dlouhyázˇ15 metru˚s tı´m, zˇe kratsˇı´de´lka kabelu znamena´mozˇnost prˇena´sˇet vysˇsˇı´rozlisˇenıóbrazu (tj. do 3 metru˚rozlisˇenı´ 2560 × 1600, u delsˇı´ho kabelu o neˇco meńeˇ). DisplayPort ma´konektor prˇiblizˇneˇstejneˇvelky´jako HDMI, ale pu˚sobı´poneˇkud pevneˇjsˇı´m a odolneˇjsˇı´m dojmem. Na obra´zku 4.16 uprostrˇed (strana 43) vidı´me plugy trˇı´rozhranı´– postupneˇDisplayPort, HDMI a DVI-D. Cˇasto narazı´me na zmensˇenou variantu – Mini DisplayPort; kromeˇjine´ho proto, zˇe se pouzˇı´va´ jako fyzicke´rozhranı´pro Thunderbolt (informace o Thunderboltu je na straneˇ 31). Na obra´zku 4.16 vpravo je konektor a plug Mini DisplayPort.

Obra´zek 4.16: HDMI konektory A a C, da´le Display Port a jeho porovna´nı´s HDMI a DVI, vpravo DisplayPort a MiniDisplayPort11

Existujı´ samozrˇejmeˇ redukce DisplayPortu na DVI a HDMI (ale opacˇny´ smeˇr je znacˇneˇ problematicky´), i prˇes rozdı´lny´zpu˚sob prˇenosu signa´lu zpeˇtna´kompatibilita jednı´m smeˇrem existuje, ale prˇedevsˇı´m proto, zˇe neˇktera´ zarˇı´zenı´ mohou by´t oznacˇena jako Dual-mode (prˇı´slusˇne´ logo vidı´me vpravo). Jedna´se o zarˇı´zenı´schopna´komunikovat prˇes DisplayPort signa´lem jak pro DisplayPort, tak i HDMI, prˇı´padneˇDVI (jiny´mi slovy, prˇes DisplayPort doka´zˇou posı´lat DVI nebo HDMI signa´l). Prˇi zapojenı´takove´zarˇı´zenı´(naprˇı´klad graficka´karta) detekuje rozhranı´pouzˇiteńa druhe´straneˇ(prˇes redukci DisplayPort/HDMI nebo DisplayPort/DVI) a podle tohoto zjisˇteˇnı´prˇizpu˚sobı´vysı´lany´signa´l. R Jednoduche´redukce mezi D-SUB a DisplayPort neexistujı´, je potrˇeba vyuzˇı´t elektricky napa´jeny´kon- verter. Podobneˇu konverzı´s DVI a HDMI signa´lem, pokud nasˇe zarˇı´zenıńespadajı´do kategorie popsane´ v prˇedchozı´m odstavci.

Dalsˇı´informace: • http://www.datapro.net/techinfo/hdmi info.html

11Zdroj: http://pcworld.cz/hardware/displayport-zabijak-dvi-3290 KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 44

• http://www.displayport.org/ • http://notebook.cz/clanky/technologie/2008/0518-technologie-displayport • http://www.datapro.net/techinfo/displayport info.html

4.4.4 Dalsˇı´analogova´rozhranı´

R Na grafickyćh kartaćh (prˇı´padneˇna back panelu, pokud je grafika integrovana´) mu˚zˇeme najı´t i dalsˇı´ (analogova´) rozhranı´. Lisˇı´se samozrˇejmeˇzpu˚sobem prˇenosu informace, ale take´kvalitou prˇena´sˇenyćh dat, cˇı´mzˇje dańo typicke´vyuzˇitı´. S-Video (Separate Video) prˇena´sˇıóddeˇleneˇjas a barvu. Mańeˇkolik variant: • MiniDIN-4 – 4pinovy´, pro spotrˇebnıélektroniku (DVD, VCR, TV) • MiniDIN-7 – 7pinovy´, pro pocˇı´tacˇe (cˇasto se takto prˇipojujı´projektory) • dalsˇı´– 3kolı´kovy´, 9kolı´kovyátd. Signa´l nenıńijak zvla´sˇt’kvalitnı´(zˇa´dne´HD). Composite Video je urcˇeno pro TV,bezpecˇnostnı´kamery,neˇktere´monitory.Kvalita signa´lu je hodneˇsˇpatna´. Pouzˇı´va´se obvykle bud’ konektor typu jack (prˇesneˇji RCA jack), prˇı´padneˇu televizı´to mu˚zˇe by´t SCART. Component Video prˇena´sˇı´ zvla´sˇt’ signa´ly pro za´kladnı´ barvy R, G, B (zvla´sˇt’ trˇi kabely). Narozdı´l od prˇedchozı´ho je signa´l pomeˇrneˇkvalitnı´, dodnes se pouzˇı´vańaprˇı´klad ve spotrˇebnıélektronice.

Obra´zek 4.17: 7pinovy´S-Video a Composite Video jack12

Obra´zek 4.18: Component Video13

Z teˇchto analogovyćh rozhranı´se asi nejcˇasteˇji setka´me se 7pinovy´m S-Video, ktery´m mu˚zˇeme prˇipojit pocˇı´tacˇk projektoru (projektory take´lze prˇipojit prˇes D-SUB, ktery´je na nich takeóznacˇovań jako VGA – za´lezˇı´, jaky´ma´me kabel a jake´rozhranı´je k dispozici na obou prˇı´strojıćh). 12http://www.weethet.nl/english/video connect pc2tv.php 13Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Component video KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 45

Na neˇkteryćh grafickyćh kartaćh se take´setka´me s rozhranı´mi TV OUT a neˇkdy i TV IN. Prˇes TV OUT jde vy´stup televiznı´ho signa´lu do televize, videa nebo projektoru, prˇes TV IN vedeme do pocˇı´tacˇe vstup z videa, videokamery nebo digita´lnı´ho fotoapara´tu (i kdyzˇu toho fotoapara´tu by´vaćˇasteˇjsˇıÚSB).

4.5 Dalsˇı´rozhranı´

Sı´t’ova´rozhranı´: RJ-45 a RJ-11 (prˇı´p. RJ-12) jsou rozhranıúmı´steˇnańa za´kladnıćh deskaćh s integrovanou sı´t’ovoukartou cˇi analogovy´m modemem. RJ je zkratka z „Registered Jack“. Tento typ rozhranı´si zrˇejmeˇani nemusı´me prˇedstavovat, zna´me z pocˇı´tacˇovyćh sı´tı´.

Zvuk: Na zvukove´karteˇobvykle najdeme prˇedevsˇı´m „analogove´“ konektory typu stereo cinch nebo 3,5mm stereo jack. Oba typy konektoru˚ jsou opticky podobne´ (se strˇedovy´m vodicˇem/kolı´kem). Cinch konektory se pouzˇı´vajı´ obvykle v sadeˇ pro reproduktory (azˇ 6, pokud chceme prostorovy´ zvuk) a jsou barevneˇodlisˇeny, jack konektor slouzˇı´veˇtsˇinou pro prˇipojenı´mikrofonu nebo slucha´tek. Pro vy´stup zvuku je mozˇne´pouzˇı´t mı´sto sady analogovy´ch cinch konektoru˚take´jediny´digita´lnı´ SPDIF (Sony-Philips Digital Interface), ktery´mu˚zˇe by´t napojen na metalicky´nebo opticky´kabel.

Wireless USB (WUSB): Samotne´ rozhranı´ USB je „dra´tove´“, ale existuje take´ jeho bezdra´tova´varianta – WUSB. Je urcˇeno k prˇipojenı´stejnyćh typu˚zarˇı´zenı´jako klasickeÚSB (kla´vesnice, mysˇ, tiska´rna, externı´disk, digita´lnı´fotoapara´t, apod.), ale bezdra´toveˇ. Parametry odpovı´dajı´ parametru˚m USB 2.0, do vzda´lenosti cca 3 m se to ty´ka´take´rychlosti (prˇenos je mozˇnyí na veˇtsˇı´vzda´lenost – do 10 m, ale s nizˇsˇı´rychlostı´), tedy propustnost je na kra´tkou vzda´lenost 480 Mbit/s (pro srovnańı´– Wi-fi IEEE 802.11g je rychle´54 Mbit/s, IEEE 802.11n teoreticky azˇ600 Mbit/s, prakticky to mu˚zˇe klesnout i na polovinu). Na straneˇprˇipojovanyćh zarˇı´zenı´(klientu˚) je bud’ WUSB prˇı´mo podporovańo, nebo lze vyuzˇı´t DWA (Device Wire Adapter), ktery´je na jedne´straneˇbezdra´toveˇspojen s masterem a na druhe´straneˇklasicky´m dra´tovy´m USB propojen s klienty (ke klientu˚m se chova´jako USB rozbocˇovacˇ). R Architektura vycha´zı´z pu˚vodnıÚSB architektury, tedy uzly komunikujı´v rezˇimu klient–server. Server (master) rˇı´dı´komunikaci, klient odpovı´da´, posı´laá prˇijı´ma´data, apod. Bez kabelu˚nenı´trˇeba rˇesˇit proble´m veˇtvenı´pomocı´rozbocˇovacˇu˚s rˇadicˇi pro kazˇdou klientskou veˇtev, struktura sı´teˇje tedy mnohem jednodusˇsˇı´ a nenı´trˇeba „ply´tvat“ adresami na rˇadicˇe v rozbocˇovacˇıćh (je k dispozici 127 adres stejneˇjako u dra´tove´ho USB). Serverovy´prvek je prˇedstavovań zarˇı´zenı´m WUSB Host (tj. WUSB hostitel, pozor na anglicˇtinu). Pokud nenı´podpora WUSB vestaveˇna prˇı´mo v neˇktere´m cˇipu na za´kladnı´desce (cozˇv soucˇasne´dobeˇneby´va´), plnı´ roli WUSB hostitele (mastera) modul HWA (Host Wire Adapter) prˇipojeny´bud’ interneˇformou karty nebo externeˇprˇes dra´toveÚSB. R WUSB vysı´la´podobny´m zpu˚sobem jako trˇeba WiMAX, tedy vyuzˇı´va´modulaci OFDM, a to na frek- vencıćh 3,1 GHz azˇ10,6 GHz. U bezdra´tovyćh technologiı´je du˚lezˇity´m parametrem prˇenosu zabezpecˇenı´. U WUSB se na zabezpecˇenı´podı´lıúzˇsamotna´mala´provoznı´vzda´lenost mezi uzly (zarˇı´zenıńelze na da´lku odposloucha´vat), a da´le je pouzˇito sˇifrovańıÁES. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 46

Dalsˇıńova´bezdra´tova´rozhranı´: V poslednıćh letech se objevujı´take´bezdra´tova´rozhranı´pro vedenı´ signa´lu s daty. Kromeˇjizˇbeˇzˇne´ho IEEE 802.11n (Wi-Fi) a dalsˇıćh drˇı´ve pouzˇı´vanyćh (BlueTooth) existuje naprˇı´klad • WirelessHD – za tı´mto standardem stojı´vıć nezˇ40 firem prˇeva´zˇneˇz oblasti spotrˇebnıélektroniky, jedna´ se o bezztra´tovy´prˇenos dat (u meńeˇenergeticky na´rocˇnyćh zarˇı´zenı´takeénergie) na frekvenci kolem 60 GHz, je pouzˇitelnyí pro prˇenos HD videa do vzda´lenosti azˇ10 m. • UWB (Ultra-Wide Band) je specifikace fyz. vrstvy pro ra´diovy´prˇenos na frekvenci 3.1–10.6 GHz, dosah je vysˇsˇıńezˇWirelessHD (azˇ50 m), ale prˇenosove´rychlosti nizˇsˇı´, tuto technologii vyuzˇı´vajıńaprˇı´klad IEEE 802.15 (Wireless PAN – Personal Area Network) nebo WirelessUSB. • Intel WiDi (Wireless Display) je technologie firmy Intel dostupnańa neˇkteryćh procesorech te´to firmy. Jde o obdobu WirelessHD, ale pouze od jedne´firmy a dostupnou jen na urcˇityćh procesorech (cˇipovyćh sadaćh), s mı´rneˇnizˇsˇı´propustnostı´. Pokud jde o propojenı´dvou cˇi vıće zarˇı´zenı´s vyuzˇitı´m vy´sˇe zmıńeˇnyćh bezdra´tovyćh technologiıá o prˇe- nos HD videa, obvykle jde o to mı´t v zarˇı´zenı´vestaveˇnou podporu dane´technologie nebo mı´t specia´lnı´ vysı´lacˇ/prˇijı´macˇprˇipojeny´k zarˇı´zenıóbvykle prˇes HDMI.

Pozna´mka: Intel WiDi je cˇı´m da´l rozsˇı´rˇeneˇjsˇı´(dı´ky tomu, zˇe hodneˇprocesoru˚, zejmeńa mobilnıćh, WiDi podporuje), zda´ se, zˇe v segmentu vy´sˇe uvedenyćh vı´teˇzı´. Pokud ma´me naprˇı´klad v notebooku procesor podporujıćı´WiDi, ale nasˇe televize tento standard nepodporuje, lze porˇı´dit WiDi konvertor, ktery´k televizi prˇipojı´me prˇes rozhranı´HDMI, cˇı´mzˇpodporu tohoto standardu doda´me.

Dalsˇı´informace: • http://www.pcplus.cz:8080/konektory.asp • http://www.svethardware.cz/art doc-6833BBB427ADEB69C12575C500323EF3.html • http://www.harmanshop.cz/ako-na-kable • http://hw.cz/teorie-praxe/art2004-wireless-usb-bezdratove-usb.html • http://www.usb.org/developers/wusb/

4.6 Komunikace se zarˇı´zenı´mi

Zarˇı´zenı´mu˚zˇe komunikovat s procesorem nebo s jinou komponentou pomocı´teˇchto zdroju˚: 1. IRQ 2. DMA 3. sdı´lene´I/O porty 4. sdı´lene´adresy v pameˇti ROM/RAM KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 47

4.6.1 IRQ

IRQ (Interrupt Request Line nebo Level) je pozˇadavek prˇerusˇenı´, ktery´vysı´la´zarˇı´zenı´v prˇı´padeˇ, zˇe je trˇeba osˇetrˇit uda´lost se zarˇı´zenı´m souvisejıćı´. Je urcˇen procesoru, ktery´po obdrzˇenıÍRQ prˇerusˇı´svou cˇinnost, aby mohl pozˇadavek obslouzˇit. U´ cˇelem je co neju´sporneˇjsˇı´m zpu˚sobem (defacto prˇedańı´m urcˇite´ho cˇı´sla na urcˇite´mı´sto) informovat procesor, zˇe „se stalo neˇco, co vyzˇaduje pozornost“.

Obra´zek 4.19: Seznam IRQ ve Windows 7

Naprˇı´klad pokud stiskneme kla´vesu na kla´vesnici, pohneme mysˇı´, prˇi zpracova´vańıínstrukce se provede deˇlenı´ nulou, apod., prˇı´slusˇna´ komponenta vygeneruje prˇerusˇenı´ s urcˇity´m IRQ – o vsˇem tom musı´ by´t informovań procesor a take´musı´patrˇicˇneˇreagovat (tj. musı´by´t spusˇteˇna obsluzˇna´rutina prˇerusˇenı´). Zarˇı´zenı´, kterećhce vyuzˇı´vat IRQ k informovańı´procesoru, se prˇedneˇmusı´ registrovat k urcˇite´mu cˇı´slu IRQ a v ra´mci registrace sdeˇluje adresu obsluzˇne´rutiny prˇerusˇenı´, tedy jaky´ko´d se ma´prove´st, pokud procesor dostane IRQ s dany´m cˇı´slem.

Pozna´mka: Je samozrˇejmeˇmozˇne´(a naprosto beˇzˇne´), zˇe k te´muzˇcˇı´slu IRQ se registruje vıće komponent. Pak hovorˇı´me o sdı´lenıÍRQ. Zatı´mco v jednodusˇsˇı´m prˇı´padeˇprocesor prˇi prˇıćhodu IRQ pozˇadavku jednodusˇe prˇejde na obsluzˇnou rutinu, ktera´byla k dane´mu cˇı´slu IRQ registrovańa, prˇi sdı´lenı´je trˇeba nejdrˇı´v urcˇit, ktera´rutina vlastneˇma´by´t provedena (tj. od ktere´komponenty sdı´lejıćı´tote´zˇIRQ vlastneˇpozˇadavek prˇisˇel). Naprˇı´klad na obra´zku 4.19 vidı´me, zˇe prˇerusˇenıćˇı´slo 16 je sdı´leno cˇtyrˇmi zarˇı´zenı´mi. Za urcˇityćh okolnostı´ docha´zı´ mı´sto sdı´lenı´ ke kolizi v IRQ. Tento prˇı´pad nastane, pokud tote´zˇ IRQ registuje vıće zarˇı´zenı´, ale neˇktere´ z nich s tı´m „nepocˇı´ta´“. Du˚sledkem je, zˇe syste´m reaguje poneˇkud KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 48

Obra´zek 4.20: Seznam IRQ v Linuxu (KInfoCenter) neocˇeka´vaneˇ– zarˇı´zenı´s tı´mto IRQ se chovajı´jinak nezˇby meˇla, protozˇe reagujı´na signa´ly, ktere´jsou urcˇeny jine´mu zarˇı´zenı´.

Co se deˇje, kdyzˇje vyvolańo prˇerusˇenı´(naprˇı´klad po stisku kla´vesy): • IRQ je po vygenerovańı´komponentou nejdrˇı´v poslańo do rˇadicˇe prˇerusˇenı´, ktery´tato prˇerusˇenıéviduje • po provedenı´kazˇdeínstrukce procesor kontroluje, zda beˇhem jejı´ho zpracovańıńebylo vygenerovańo neˇktereÍRQ ⇒ nelze prˇerusˇit procesor beˇhem zpracova´vańıńeˇktereínstrukce • procesor si vyzvedne za´znam o prˇerusˇenı´, zjistı´, o jake´prˇerusˇenı´jde, jakaóbsluzˇna´rutina je na neˇ nava´zańa • spustıóbsluzˇnou rutinu dane´ho prˇerusˇenı´ Rˇ adicˇprˇerusˇenı´maómezenou kapacitu pameˇti, do ktereúkla´da´za´znamy o prˇerusˇenı´. Proto pokud procesor dostatecˇneˇrychle „neodebı´ra´“ tyto za´znamy, noveˇjsˇı´prˇerusˇenı´prˇepisujı´ta drˇı´ve ulozˇena´. Du˚sledkem je ztraćenı´prˇerusˇenı´(uzˇivatel ma´pak dojem, zˇe je „ignorovań“). Ovsˇem ne vzˇdy se prˇerusˇenıópravdu ztraćejı´, jejich odebı´rańı´mu˚zˇe by´t pouze zpomaleno. Veˇtsˇinu prˇerusˇenı´lze „maskovat“, tedy v dobeˇmaskovańı´prˇerusˇenı´procesor tato prˇerusˇenıígnoruje. Naprˇı´klad v dobeˇ, kdy procesor zpracova´va´jedno prˇerusˇenı´, by nemeˇlo nastat dalsˇı´, prˇı´p. pokud je zpracova´vań neˇjaky´„citlivy´“ ko´d ja´dra (naprˇı´klad synchronizacˇnıú´lohy), opeˇt by´va´pouzˇito maskovańı´prˇerusˇenı´. Prˇerusˇenı´jsou maskovańa tehdy, kdyzˇprocesor z neˇjake´ho du˚vodu „nechce by´t rusˇen“. Neˇktera´prˇerusˇenı´ nelze maskovat (naprˇ. deˇlenıńulou). KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 49

Pozna´mka: Ko´d, ktery´je obsluzˇnou rutinou prˇerusˇenıńebo vyzˇaduje maskovańı´prˇerusˇenı´, by meˇl by´t co nejkratsˇı´, protozˇe prˇi jeho vyhodnocovańı´syste´m nereaguje na zˇa´dnaÍRQ.

K prˇerusˇenı´m se dostaneme ve Windows v na´stroji Syste´moveínformace (spustı´me prˇı´kazem msinfo32, prˇı´padneˇnajdeme v Syste´movyćh na´strojıćh). Je zde takećˇa´st Konflikty cˇi sdı´lenı´, kde mu˚zˇeme odhalit prˇı´padny´ proble´m s konflikty v IRQ. V unixovyćh syste´mech obvykle najdeme neˇjaky´ na´stroj prˇı´mo v graficke´m prostrˇedı´, prˇı´padneˇsi v textove´m rezˇimu vypı´sˇeme obsah souboru /proc/interrupts. Pokud chceme ve Windows najı´t (vsˇechny) zdroje prˇı´slusˇejıćı´konkre´tnı´mu zarˇı´zenı´, najdeme je prˇes Spra´vce zarˇı´zenı´, v neˇm vybereme dotycˇne´zarˇı´zenı´, zobrazı´me jeho vlastnosti, prˇejdeme na kartu Prostrˇedky. Jestlizˇe dane´zarˇı´zenı´v seznamu nenajdeme, zapneme (v menu okna) zobrazovańı´skrytyćh zarˇı´zenı´.

Obra´zek 4.21: Kde najdeme obecneˇzdroje ve Windows

4.6.2 DMA

DMA (Direct Memory Access) – jedna´se o kana´ly prˇı´me´ho prˇı´stupu do pameˇti. Je to sada dvojic signa´lnıćh linek napojenyćh na tenty´zˇkana´l: 1. DRQ (DMA Request) – DMA zˇa´dost 2. DACK (DMA Acknowledgement) – DMA potvrzenı´ Vy´meˇna dat s pameˇtı´je prˇı´ma´, te´meˇrˇbez za´sahu procesoru (obvykle pro multimedia´lnı´karty nebo pameˇt’ova´ me´dia). Spojenı´prˇes DMA je nava´zańo s asistencı´procesoru, ale samotny´prˇenos dat je plneˇv rezˇii zarˇı´zenı´. U´ cˇelem je odlehcˇit procesoru od rutinnıćh prˇesunu˚dat. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 50

Obra´zek 4.22: Seznam DMA kana´lu˚ve Windows XP

Obvykly´pocˇet DMA kana´lu˚je 4 nebo 8, cˇı´slovaneód [sarka@localhost ˜]$ cd /proc 0. DMA 2 by´va´rezervovań pro disketovou mechaniku, [sarka@localhost proc]$ cat dma ostatnı´lze volneˇprˇideˇlovat. DMA 0 je u starsˇıćh pocˇı´tacˇu˚ 4: cascade interneˇprˇirˇazen za´kladnı´desce pro obnovu pameˇti. Prˇirˇazenı´ DMA kana´lu˚ najdeme ve Windows opeˇt Obra´zek 4.23: Vy´pis se seznamem DMA kana´lu˚ v Syste´movyćh informacıćh, v unixovyćh syste´mech v prˇı´- v Linuxu (konzola) slusˇne´m na´stroji s GUI nebo v souboru /proc/dma.

4.6.3 I/O porty

I/O porty (I/O adresy) jsou cˇı´selne´reprezentace skutecˇnyćh umı´steˇnı´v pameˇti, ktera´jsou pouzˇı´vańa pro nı´zkou´rovnˇovou komunikaci s ru˚zny´mi zarˇı´zenı´mi. Urcˇujıádresu, na kterou lze zapsat data urcˇena´pro dane´ zarˇı´zenı´(resp. cˇı´st data odeslana´dany´m zarˇı´zenı´m) vcˇetneˇrˇı´dicıćh signa´lu˚. Obvykla´velikost teˇchto bloku˚ pameˇti je 16, 32, . . . kB, ale ne vzˇdy. Jedno zarˇı´zenı´mu˚zˇe mı´t i vıće takovyćh adresovyćh bloku˚, nemusejı´ nutneˇna´sledovat za sebou. Velice cˇasto tuto mozˇnost pouzˇı´va´graficka´karta, zvukova´karta, operacˇnı´pameˇt’,reproduktory, cˇasovacˇ, hodiny rea´lne´ho cˇasu (pozor, to nenı´tote´zˇ), sbeˇrnice USB, ru˚zne´dalsˇı´sbeˇrnice a zarˇı´zenıńa neˇprˇipojena´, mechanismus DMA, atd. Seznam I/O portu˚(I/O adres) najdeme na podobnyćh mı´stech jako IRQ a DMA, v textove´m rozhranı´ unixovyćh syste´mu˚jde o soubor /proc/iomem.

4.6.4 Adresa pameˇti pro zarˇı´zenı´

Adresa pameˇti zarˇı´zenı´(resp. rozsah adres) je pameˇt’fyzicky se nacha´zejıćı´jinde nezˇna modulech operacˇnıćh pameˇtı´(naprˇı´klad pameˇt’ovećˇipy pevnyćh disku˚, grafickyćh a jinyćh rozsˇirˇujıćıćh karet, apod.) namapovana´ do adresove´ho prostoru. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 51

Obra´zek 4.24: Seznam I/O portu˚ve Windows 7

[sarka@localhost ˜]$ cd /proc [sarka@localhost ˜]$ cd /proc [sarka@localhost proc]$ cat ioports [sarka@localhost proc]$ cat iomem 0000-001f : dma1 00000000-0009fbff : System RAM 0020-0021 : pic1 00000000-00000000 : Crash Kernel 0040-0043 : timer0 0009fc00-0009ffff : reserved 0050-0053 : timer1 000a0000-000bffff : Video RAM area 0060-006f : keyboard 000c0000-000ccbff : Video ROM 0070-0077 : rtc 000f0000-000fffff : System ROM 0080-008f : dma page reg ... 00a0-00a1 : pic2 d8000000-dfffffff : PCI Bus #1 ......

Obra´zek 4.25: Seznam I/O portu˚a seznam adres zarˇı´zenı´v Linuxu (konzola, cˇa´st vy´pisu˚)

Mnoho zarˇı´zenı´ma´vlastnı´BIOS, ktery´take´musı´by´t prˇı´stupny´v ra´mci spolecˇne´ho adresove´ho prostoru. K zarˇı´zenı´m existujı´dalsˇıóbvody vcˇetneˇpameˇt’ovyćh, ktere´jsou take´mapovańy do adresove´ho prostoru. Fyzicky jsou tato pameˇt’ova´mı´sta na cˇipech (ROM, EEPROM, Flash PROM apod.), ktereńemusı´by´t na za´kladnı´desce (tj. jsou na rozsˇirˇujıćıćh kartaćh).

4.7 Plug & Play a HotPlug

Technologie Plug & Play (autorˇi: spolecˇnosti Intel, Microsoft, Compaq) prˇedstavuje mozˇnost zjednodusˇe- ne´ho rozpoznańıá konfigurace zarˇı´zenı´ prˇi prvnı´m zapojenı´ tohoto zarˇı´zenı´. Vy´robce prˇida´k rozsˇirˇujıćı´karteˇ zarˇı´zenı´(k rˇadicˇi apod.) obvody, ktere´provedou automatickou konfiguraci a ve spolupraći s operacˇnı´m syste´mem umozˇnı´vybrańı´vhodnyćh zdroju˚(IRQ, DMA, I/O porty, adresy BIOSu). U´ cˇelem je usnadnit uzˇivateli instalaci nove´ho zarˇı´zenıá redukovat fyzicke´za´sahy do hardwaru (prˇepı´- nacˇe, propojky apod.), prˇı´padnaúzˇivatelska´konfigurace, pokud je nutna´, probı´ha´softwaroveˇa co nejjedno- dusˇeji. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 52

Obra´zek 4.26: Adresy zarˇı´zenı´ve Windows

HotPlug je neˇco trochu jine´ho – zarˇı´zenı´s podporou HotPlug je mozˇne´prˇipojit a nechat spra´vneˇrozpoznat za beˇhu syste´mu. Tato funkce se vyuzˇı´va´prˇi kazˇde´m, nejen prvnı´m pouzˇitı´. V praxi to znamena´, zˇe naprˇı´klad HotPlug monitor nemusı´me zapıńat jesˇteˇprˇed zapnutı´m pocˇı´tacˇe, ale i kdykoliv pozdeˇji, podobneˇHotPlug USB flash disk lze prˇipojit kdykoliv za beˇhu syste´mu. Takove´zarˇı´zenı´, ktereńenı´HotPlug, musı´by´t prˇipojovańo pouze do vypnute´ho pocˇı´tacˇe nebo je nutne´ pocˇı´tacˇpo jeho prˇipojenı´restartovat – to je typickeńaprˇı´klad pro veˇtsˇinu rozsˇirˇujıćıćh karet. Mnoha´zarˇı´zenı´majıóbeˇtyto vlastnosti (naprˇı´klad zmıńeˇnyÚSB flash disk), neˇktera´jen jednu z nich. U neˇkteryćh zarˇı´zenı´jsou tyto vlastnosti natolik prakticke´, azˇsi cˇasto ani nedoka´zˇeme prˇedstavit, zˇe by nebyly podporovańy, at’uzˇna straneˇzarˇı´zenı´, nebo na straneˇpocˇı´tacˇe cˇi operacˇnı´ho syste´mu. Naprˇı´klad Windows NT v prvnıćh verzıćh (3.x) nepodporovaly vlastnost Plug & Play u zˇa´dne´ho zarˇı´zenı´.

4.8 Hodiny rea´lne´ho cˇasu

Hodiny rea´lne´ho cˇasu (RTC) jsou obvod umı´steˇnyńa za´kladnı´desce nebo integrovany´do jizˇnı´ho mostu v chipsetu, ktery´ udrzˇuje rea´lny´ cˇas. Narozdı´l od timeru hardwarove´ho, ktery´ rˇı´dı´ cˇasovańı´ hardwaru, hodiny rea´lne´ho cˇasu pocˇı´tajı´v „lidskyćh“ jednotkaćh. Hodiny rea´lne´ho cˇasu najdeme nejen v klasickyćh pocˇı´tacˇıćh, ale prakticky v jake´koliv elektronice vcˇetneˇte´„oby´va´kove´“.

Pozna´mka: Jedna´se o CMOS cˇip, ktery´vyzˇaduje neusta´le´napa´jenı´, tedy musı´by´t prˇipojen k baterii na za´kladnı´desce stejneˇjako cˇip s ko´dem BIOSu. KAPITOLA 4 ROZHRANI´ A KONEKTORY 53

Mnohe´(ne vsˇechny) RTC cˇipy vyra´bı´ﬁrma Dallas Semiconductor, proto je cˇasto pozna´me podle na´pisu Dallas.

Dalsˇı´informace: • http://www.extrahardware.cz/forum/viewtopic.php?f=9&t=2070&sid=0bd6562974f925f955a295abc80158c1 • http://hw.cz/novinky/maxim/dallas/art3701-nove-rtc-s-presnosti-5-ppm-aneb-co-budete-delat-v-roce-2100.html

Kapitola 5

Case a za´kladnı´deska

Cela´kapitola je veˇnova´na nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´soucˇa´sti pocˇı´tacˇe, za´kladnı´desce (motherboardu). Probereme fyzickou strukturu za´kladnı´desky, nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´soucˇa´sti, rozhranı´, integrovana´zarˇı´zenı´, chlazenı´a proble´my, ktere´souvisejı´s rozvrzˇenı´m komponent na za´kladnı´desce.

5.1 Skrˇı´nˇpocˇı´tacˇe

Skrˇıńˇpocˇı´tacˇe (case, chassi) nenı´jen estetickou za´lezˇitostı´. Na materia´lu, ze ktere´ho je vyrobena, velikosti, tvaru a vnitrˇnı´m usporˇa´dańı´za´visı´funkcˇnost pocˇı´tacˇe (schopnost uchlazenı´– cirkulace vzduchu, mozˇnosti osazenı´ komponentami vcˇetneˇ vy´beˇru za´kladnı´ desky, atd.). Pokud jsou steˇny skrˇıńeˇ prˇı´lisˇ tenke´ nebo z nevhodne´ho materia´lu, mohou take´prˇena´sˇet vibrace (z veˇtraćˇku˚, z roztocˇene´ho pevne´ho disku cˇi pouzˇı´vane´ opticke´mechaniky) a tı´m se podı´let na zesilovańı´zvuku vyda´vane´ho pocˇı´tacˇem. Rozlisˇujeme ru˚zne´typy skrˇıńı´: • desktop, tower, minitower, big tower, small form factor – pro desktopove´pocˇı´tacˇe • notebookove´sˇasi (spra´vneˇchassi, mnozˇnećˇı´slo chassis) – „skrˇıńˇ“ pro notebook • skrˇıńeˇpro servery – tower – obvykle pro mensˇı´firmy, nena´rocˇne´pouzˇitı´ – server v racku1 (serverove´skrˇıńi, „rack-mount“) – do racku se umı´st’ujeobvykle vıće serverovyćh jednotek s unifikovanou velikostı´, viz da´le – blade server – mainframe (sa´lovy´) • skrˇıńeˇpro HTPC (Home Theatre PC, male´domaćı´servery slouzˇıćıóbvykle jako sklad filmu˚, fotek a jinyćh rodinnyćh souboru˚) – maly´ rozmeˇr, prˇedpokla´da´ se tichy´ chod, tedy du˚raz na cirkulaci vzduchu i v male´m prostoru • embedded, mensˇı´forma´ty

1Rack – cˇti [ræk], s otevrˇeny´m „e“. V anglicˇtineˇto znamena´stojan, rega´l cˇi polici.

54 KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 55

Rack (serverova´skrˇıńˇ) obsahuje tzv. nody („uzly“ – servery, switche, routery, hardwarove´firewally, apod.) s vy´sˇkou v na´sobcıćh 1,75 in = 4,45 cm (oznacˇuje se 1U, 2U, . . . , podle na´sobku uvedene´vy´sˇky), maxima´lnı´vy´sˇka cele´ho racku je 42U (ale obvykle se setka´me se spı´sˇe mensˇı´mi skrˇıńeˇmi). Kazˇdyńode obsahuje za´kladnı´desku, procesory, pameˇti, atd., jedna´se o samostatny´syste´m. Rack vsˇechny nody navza´jem propojuje, zajisˇt’uje spra´vu napa´jenı´, chlazenıá komunikacˇnıćh rozhranı´. To znamena´, zˇe kdyzˇinstalujeme node do racku, prˇipojujeme jej k napa´jecı´mu a chladicı´mu syste´mu racku a samozrˇejmeˇ take´k sı´t’ovy´m rozhranı´m. Aby bylo prˇedevsˇı´m chlazenı´dostatecˇneˇućˇinne´, meˇli bychom jednotliveńody rozmı´stit tak, aby ve skrˇıńi mohl vzduch dobrˇe proudit, tj. „nekumulovat“ je jen v jedneóblasti skrˇıńeˇ. Obra´zek 5.1: Rack (ser- Neˇktere´towery se take´dajı´zapojit do racku. verova´skrˇıńˇ)3 Syste´m Blade prˇedstavuje dalsˇı´stupenˇintegrace. Cely´syste´m je integrovań na jedne´(za´kladnı´) desce uzavrˇene´v pouzdrˇe, uvnitrˇnejsou zˇa´dne´kabely, vıće takovyćh desek by´vaúmı´steˇno v jednom blade chassis, cozˇje cˇasto node do racku, anebo tower. Typickou vlastnostı´bladu˚je nekompatibilita: pokud ma´me blade chassis od konkre´tnı´ho vy´robce, musı´me nakupovat blady od te´hozˇvy´robce. Naopak vy´hodou je urcˇita´kompaktnost a takeóbvykle jednodusˇsˇı´zprovozneˇnıá spra´va, nizˇsˇı´spotrˇeba energie.

Obra´zek 5.2: Blade server – blade v racku (vlevo) a deska se syste´mem (vpravo)4

5.2 Co je to za´kladnı´deska

Za´kladnı´deska je za´kladnı´komponenta osobnı´ho pocˇı´tacˇe. Poskytuje univerza´lnı´datovaá napa´jecı´rozhranı´ a fyzickeúlozˇenı´pro jednotlive´komponenty pocˇı´tacˇe. Fyzicky je realizovana´pomocıńeˇkolikavrstve´desky tisˇteˇnyćh spoju˚osazene´mnoha elektronicky´mi obvody a konektory. Nejzna´meˇjsˇı´vy´robci za´kladnıćh desek jsou Gigabyte, Intel, MSI, Asus, ECS.

3Zdroj: http://www.shaktigroupindia.net/etsi-telecom-server-racks.html 4Zdroj: http://www.supermicro.com/servers/blade/, http://www.oracle.com/us/products/servers- storage/servers/blades/overview/index.html KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 56

5.2.1 PCB

PCB (Printed Circuit Board, deska tisˇteˇnyćh spoju˚) je za´kladnı´soucˇa´stı´kazˇde´za´kladnı´desky. Na PCB se umı´st’ujı´dalsˇıélektronicke´soucˇa´stky a konektory.Podobnou strukturu majı´take´rozsˇirˇujıćı´desky (adapte´ry), naprˇı´klad graficka´karta.

Dalsˇıínformace: Uka´zka sche´matu PCB je naprˇı´klad na http://www.hans-w.com/modular cnc.htm (prˇı´padneˇmu˚zˇeme na Google hledat obra´zky podle klıćˇovyćh slov „PCB schema motherboard“).

PCB ma´tyto funkce: 1. mechanicka´– udrzˇuje vsˇechny komponenty fyzicky pohromadeˇ 2. elektronicka´– poskytuje komunikacˇnı´spojenı´mezi jednotlivy´mi komponentami na nejnizˇsˇı´fyzicke´ u´rovni 3. tepelna´– slouzˇı´k za´kladnı´mu chlazenı´komponent

Povrchovaóchranna´vrstva Signa´lova´vrstva 1 Izolacˇnı´vrstva Napa´jecı´-zemnıćı´vrstva 1 Nosne´ja´dro Napa´jecı´-zemnıćı´vrstva 2 Izolacˇnı´vrstva Signa´lova´vrstva 2 Povrchovaóchranna´vrstva

Obra´zek 5.3: Struktura PCB za´kladnı´desky

R Obvykla´struktura PCB je nastıńeˇna na obra´zku 5.3. PCB tedy cˇlenı´me do vrstev, z nichzˇneˇktere´se ve strukturˇe objevujı´vıćekra´t. Na mnozˇstvı´vrstev, jejichzˇporˇadı´je patrne´z obra´zku, za´visı´tlousˇt’ka desky. Vy´znam jednotlivyćh vrstev je na´sledujıćı´: • Povrchovaóchranna´vrstva – chrańı´desku prˇed vneˇjsˇı´mi vlivy, ochranny´film, na´strˇik • Signa´lova´vrstva – zajisˇt’ujelogickou komunikaci, tvorˇena tenkou vrstvou vodive´ho materia´lu, veˇtsˇinou meˇdi • Izolacˇnı´ vrstva – oddeˇluje signa´lovou a zemnıćı´ vrstvu, veˇtsˇinou z Preprogu (sklo-uhlı´kova´vy´ztuzˇ prosycena´polymernı´matricı´) • Napa´jecı´-zemnıćı´vrstva – zajisˇt’ujezemneˇnı´, napa´jenıá odvod tepla, prˇeva´zˇneˇz meˇdi • Nosne´ja´dro – zajisˇt’ujemechanicke´vlastnosti desky KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 57

5.2.2 Form factor

V soucˇasne´ dobeˇ se pouzˇı´va´ mnoho ru˚znyćh typu˚ za´kladnıćh desek, odlisˇnosti jsou zejmeńa v teˇchto vlastnostech: • rozmeˇry desky • rozmeˇry, zpu˚sob uchycenıá typ napa´jecıćh konektoru˚ • vy´robce • vybavenost rozhranı´mi, paticemi apod., tj. take´jake´procesory podporuje, jakou maćˇipovou sadu, kolik karet lze prˇipojit, atd. • mozˇnosti prˇetaktovańı´(souvisı´take´s vybavenı´m BIOSu za´kladnı´desky) a zpu˚sob chlazenı´komponent Nejobvyklejsˇı´typy za´kladnıćh desek (Form Factor) najdeme v tabulce 5.1. Lisˇı´se prˇedevsˇı´m rozmeˇry, zpu˚- sobem chlazenı´(smeˇrem proudeˇnı´vzduchu), a da´le usporˇa´dańı´m, rozmeˇry a zpu˚sobem uchycenıńapa´jecıćh konektoru˚, patic, cˇipsetu˚, apod. Nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´: • ATX (Intel, 1995, od 1999 standard) – jesˇteˇprˇed neˇkolika lety nejpopula´rneˇjsˇı´, vzduch ve skrˇıńi cirkuluje • micro-ATX – zmensˇenaási o 25 %, meńeˇslotu˚ • BTX (Intel, 2004) – jiny´rozmeˇr, jinak chlazene´komponenty (zmeˇna zpu˚sobu cirkulace vzduchu), neujal se • ITX (VIA, 2001) – mensˇı´rozmeˇr, komponenty spı´sˇe na vy´sˇku, ale prˇı´mo se za´kladnı´m forma´tem se dnes nesetka´me • mini-ITX cˇasto pouzˇı´vańa v netboocıćh a malyćh desktopech ru˚znyćh vy´robcu˚(rozhodneˇnezu˚stalo jen u pu˚vodce – VIA), procesor by´va´prˇiletovań na za´kladnı´desce V soucˇasne´dobeˇnajdeme v pocˇı´tacˇıćh obvykle desky s form factorem ATX nebo micro-ATX. V noteboocıćh vsˇak cˇasto by´vajı´mı´rneˇupravene´proprieta´lnı´forma´ty (na mı´ru).

Standard Rozmeˇr (mm) Standard Rozmeˇr (mm) ATX (Intel) 305×244 mini-ITX (VIA) 170×170 micro-ATX 244×244 nano-ITX 120×120 ﬂex-ATX 229×191 pico-ITX 100×72 mini-ATX 150×150 mobile-ITX 75×45 BTX (Intel) 325×266 DTX (AMD) 244×203 micro-BTX 264×267 mini-DTX 203×170

Tabulka 5.1: Nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´forma´ty za´kladnı´ch desek (Form Factor)

R Pro embedded zarˇı´zenı´ (smartphony, set-top-boxy, ru˚zna´ spotrˇebnı´ elektronika, routery a dalsˇı´ sı´t’ova´ zarˇı´zenı´, bankomaty, pocˇı´tacˇe v automobilech, apod.) se pouzˇı´vajı´bud’ neˇktere´z vy´sˇe zmıńeˇnyćh desek (naprˇı´klad odvozeneód ITX – spı´sˇe pro veˇtsˇıémbedded), nebo form factory specia´lneˇnavrzˇene´pro tyto ućˇely – ETX (95×114), COM Express (neˇkolik variant, varianta Compact ma´rozmeˇr 95×95), PCI/104 (opeˇt neˇkolik variant) a dalsˇı´. KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 58

U serveru˚ se mu˚zˇeme setkat naprˇı´klad s forma´tem EATX (Extended ATX – 305×330) pro servery do racku nebo WTX (355.6×425.4) urcˇeny´m pro tower servery. Obsahujı´vı´ce patic pro procesory, SATA portu˚a slotu˚ pro pameˇti, naopak cˇasto se nesetka´me se sbeˇrnicemi, ktere´se obvykle pouzˇı´vajı´pro graﬁcke´karty.

ATX BTX micro-ATX mini-ATX mini-ITX nano -ITX

Obra´zek 5.4: Srovnańıńeˇkteryćh beˇzˇnyćh form factoru˚

Rozhranı´ (interfaces) majı´rozsˇirˇovat funkce a/nebo vy´kon za´kladnıćh desek o dalsˇı´mozˇnosti (standar- dizovane´konektory prˇipa´jeneńa PCB). U´ cˇelem je jednoznacˇneˇdefinovat zpu˚sob prˇenosu dat a zpu˚sob napa´jenı´mezi za´kladnı´deskou a rozsˇirˇujıćı´kartou. Jako soucˇa´st rozhranı´mu˚zˇeme take´bra´t mozˇnost prˇipo- jenıéxternıćh zarˇı´zenıńaprˇı´klad prˇes I/O back panel cˇi front panel (obra´zek 5.5).

Front panel Konektory k front panelu

I/O back panel

Obra´zek 5.5: Front panel a I/O back panel5

Dalsˇı´informace: • http://www.formfactors.org/formfactor.asp • http://en.wikipedia.org/wiki/Computer form factor (zajı´mave´srovna´nı´rozmeˇru˚) • http://www.tomshardware.com/reviews/best-motherboard-guide,2546-4.html • http://www.tomshardware.com/reviews/sneak-preview,764-2.html • http://www.anandtech.com/show/1157/2

5Zdroj: http://infoarchena.blogspot.com/2011/04/front-panel-ii.html KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 59

• http://www.tomshardware.com/reviews/atx-btx-cases,1187-19.html • http://www.tomshardware.com/reviews/ups-rescue,1669.html

Pozna´mka: Pojem form factor se ve skutecˇnosti pouzˇı´vaí v jinyćh vy´znamech. Naprˇı´klad u pevnyćh disku˚se takto rozlisˇujı´ru˚zne´rozmeˇry – HDD Form Factor 3.5” apod.

5.3 Sbeˇrnice

Du˚lezˇitou soucˇa´stı´za´kladnı´desky jsou sbeˇrnice. Jde o komunikacˇnı´linky, fyzicky realizovane´tisˇteˇny´mi spoji a prˇı´slusˇny´mi napojenı´mi. Na sbeˇrnice se pomocı´ slotu˚ („za´suvek“) napojujı´rozsˇirˇujıćı´karty,ale dalsˇı´sbeˇrnice take´slouzˇı´ke komunikaci mezi procesorem a chipsetem, pameˇtı´(pameˇt’ova´sbeˇrnice) apod., sbeˇrnice jsou takeúvnitrˇprocesoru. Sbeˇrnice majıóbvykle tyto cˇa´sti: • rˇı´dıćı´– zde se posı´lajı´rˇı´dicı´signa´ly, • adresova´– pro prˇenos adres, • datova´– prˇı´mo prˇena´sˇı´data. Du˚lezˇita´je jejich sˇı´rˇka (samozrˇejmeˇi zvla´sˇt’pro vy´sˇe zmıńeˇnećˇa´sti) – obvykle 32 bitu˚, 64 bitu˚apod. R U sbeˇrnic rozlisˇujeme i okruhy: 1. Loka´lnıókruh – spojuje CPU a pameˇt’ 2. Vneˇjsˇıókruh – spojuje CPU s rozsˇirˇujıćı´mi kartami (starsˇı´sbeˇrnice, vcˇetneˇISA: pouze vneˇjsˇıókruh) Sbeˇrnice deˇlı´me do dvou typu˚: • syste´mova´sbeˇrnice (CPU bus) – propojuje procesor, koprocesor, cache pameˇt’, operacˇnı´pameˇt’, rˇadicˇ cache pameˇti a operacˇnı´pameˇti a neˇktera´dalsˇı´zarˇı´zenı´ • rozsˇirˇujıćı´sbeˇrnice – umozˇnˇuje prˇipojovat rozsˇirˇujıćı´karty Podle zpu˚sobu praće a zapojenı´rozlisˇujeme: • synchronnı´sbeˇrnice – pracuje synchronneˇs procesorem pocˇı´tacˇe (zhruba stejna´frekvence). Tı´mto zpu- sobem dnes pracuje veˇtsˇina sbeˇrnic. • pseudosynchronnı´sbeˇrnice – dovoluje zpozdit prˇenos u´daju˚o urcˇity´pocˇet hodinovyćh period. • loka´lnı´sbeˇrnice – na´rocˇneóperace s daty se prova´deˇjı´prˇes rychlou syste´movou sbeˇrnici (mı´sto rozsˇirˇu- jıćı´). O vznik a rozvoj loka´lnıćh sbeˇrnic se zaslouzˇili vy´robci videokaret. Jsou drazˇsˇı´, ale rychlejsˇı´. Jizˇjsme se sezna´mili se sbeˇrnicemi slouzˇıćı´mi prˇı´mo ke komunikaci mezi cˇipy chipsetu nebo mezi chipsetem a procesorem. Jde o syste´move´loka´lnı´sbeˇrnice. KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 60

5.3.1 R ISA, EISA

ISA (Industry Standard Architecture, od IBM) je jizˇspı´sˇe historicka´za´lezˇitost, trˇebazˇe ji jesˇteˇna neˇkteryćh funkcˇnıćh za´kladnıćh deskaćh najdeme. Slouzˇila pro prˇipojenıínternıćh rozsˇirˇujıćıćh karet, a to v rozmezı´ let 1981 a 1993. Je to 8 nebo 16bitova´sbeˇrnice (jde o jejı´sˇı´rˇku – kolik bitu˚lze za´rovenˇprˇene´st) s obnovovacı´ frekvencı´8 MHz a paralelnı´m zpu˚sobem prˇenosu dat. Rychlost prˇenosu je 8 nebo 16 MB/s podle sˇı´rˇky sbeˇrnice. EISA (Extended ISA) je potomek sbeˇrnice ISA, v soucˇasne´dobeˇtake´historicky´. Je to 32bitova´sbeˇrnice, kteraúmozˇnila prˇenosy teoretickou rychlostı´33 MB/s, ale rea´lna´prˇenosova´rychlost se blı´zˇila spı´sˇe 20 MB/s.

5.3.2 PCI a PCI-X

PCI (Peripheral Component Interconnect) je moderneˇjsˇı´rozhranıúvedene´v roce 1993, ktere´v modifikovane´podobeˇprˇetrvalo dodnes. Existuje take´zmensˇena´verze pro prˇenosne´pocˇı´tacˇe. Konektory na kartaćh jsou fyzicky modifikovańy tak, aby se omezila mozˇnost posˇkozenı´rozsˇirˇujıćıćh karet prˇi uzˇitıńespra´vne´ho slotu (tzv. klıćˇovańı´). PCI jako prvnı´sbeˇrnice take´prˇisˇla s podporou technologie Plug & Play. R Dalsˇı´vlastnosti: • 32/64bitova´sˇı´rˇka sbeˇrnice, 33/64 Mhz obnovovacı´frekvence s paralelnı´m zpu˚sobem prˇenosu dat • teoreticka´prˇenosova´rychlost 133 (32bit, 33 Mhz), nebo 266 (64bit, 33 Mhz), nebo 533 (64bit, 66 Mhz) MB/s • napa´jecıńapeˇtı´se pohybuje v rozmezı´3,3–5 V, vysˇsˇı´verze PCI pracuje s nizˇsˇı´m napeˇtı´m • DMA kana´ly prakticky nejsou pouzˇı´vańy PCI ma´vlastnosti loka´lnı´sbeˇrnice, ale k syste´move´sbeˇrnici je prˇipojena prˇes mezisbeˇrnicovy´mu˚stek – vy´hody: 1. mozˇnost pouzˇitı´PCI i v jinyćh pocˇı´tacˇıćh nezˇIBM kompatibilnıćh 2. mu˚stek umozˇnˇuje prˇizpu˚sobovańıńapeˇt’ovyćh u´rovnı´ Se sbeˇrnicı´PCI se na za´kladnıćh deskaćh mu˚zˇeme dodnes setkat (je levna´), a takeéxistujı´PCI rozsˇirˇujıćı´karty, ktere´lze do te´to sbeˇrnice zasunout (typicky zvukoveá sı´t’ove´karty), ale pouzˇı´vaneˇjsˇı´jsou spı´sˇe modifikace sbeˇrnice PCI – PCI-X a PCI Express (znacˇı´se PCI-E nebo PCIe). R PCI-X vznikla v roce 2004 jako modernizace za´kladnı´specifikace PCI, dosˇlo k dramaticke´mu zvy´sˇenı´ frekvence na 133, 266 a na´sledneˇ533 Mhz ⇒ dosa´hlo se prostupnosti 1, 2 respektive 4 GB/s. V soucˇasne´ dobeˇtoto rozhranıńajdeme spı´sˇe u serverovyćh komponent, naprˇı´klad serverovyćh sı´t’ovyćh karet. Rozhranı´PCI-X je cˇa´stecˇneˇzpeˇtneˇkompatibilnı´. Karty PCI-X lze zasunout do PCI slotu, pokud je na desce podporovańo napeˇtı´3,3 V. Naopak PCI karty podporujıćıńapa´jenı´3,3 V (PCI verze 2.1) lze provozovat v PCI-X slotu. Ale pozor, pokud takto kombinujeme PCI kartu a PCI-X slot, vsˇechny PCI-X karty budou pracovat na „pomale´“ frekvenci PCI karty.

5.3.3 PCI Express

PCI Express (PCI-E, PCIe; rok 2004) je momenta´lneˇnejpouzˇı´vaneˇjsˇı´m sbeˇrnicovy´m rozhranı´m pro rozsˇirˇujı´cı´ karty. KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 61

Za´kladnı´ mysˇlenkou je prˇechod od paralelnı´ho prˇe- nosu cele´ho slova (jak je to v PCI, slovo o de´lce 32 nebo 64 vodicˇu˚) k se´riove´komunikaci (vsˇimneˇte si, prˇechod k se´- riove´komunikaci je patrnyú veˇtsˇiny typu˚rozhranı´). Komunikacˇnı´pa´smo je rozdeˇleno do neˇkolika kana´lu˚, ktereóznacˇujeme linky (PCI Express Lines). Fyzicke´roz- hranı´tak mu˚zˇe mı´t k dispozici 1, 4, 8, 16, 32 linek, hovo- rˇı´me pak o rozhranı´rychlosti ×1, ×4, atd. Nejbeˇzˇneˇjsˇı´jsou ×1 urcˇena´zejmeńa pro zvukove´karty, a ×16 pro graficke´ karty. R Jeden kana´l (linka) je tvorˇen celkem cˇtyrˇmi vodicˇi, Obra´zek 5.6: Shora PCIe×4, PCIe×16, PCIe×1, dveˇma pro kazˇdy´smeˇr. V ra´mci kana´lu/linky se komuni- PCIe×16, PCI kuje pouze se´rioveˇ, pokud je kana´lu˚vıće, kazˇdy´z nich prˇe- na´sˇıńeza´visle samostatnou komunikaci (prˇena´sˇene´slovo se nedeˇlı´mezi vıće kana´lu˚a nenıńutno je synchronizovat na u´rovni rozhranı´). Propustnost ve slotu je 250 MB/s na jednu linku, vsˇechna zarˇı´zenı´sdı´lejı´jednu obousmeˇrnou sbeˇrnici s celkovou prostupnostı´32 respektive 64 bit. Maxima´lnı´prostupnost plnohodnotne´PCIe×16 je cca 4 nebo 8 GB/s (PCIe verze 1.1 a verze 2.0). PCIe×32 verze 2.0 mu˚zˇe dosahovat azˇrychlosti 16 GB/s, s tou se vsˇak v desktopech ani noteboocıćh nesetka´me. PCIe sloty s ru˚zny´m pocˇtem linek majı´ odlisˇnou de´lku, obvykle zasazujeme kartu do slotu o takove´de´lce, kterou potrˇebujeme. Nicmeńeˇlze kartu zasadit i do „delsˇı´ho“ slotu, pak jsou aktivovańy pouze ty linky, ktere´karta vyuzˇije, ke ktery´m je prˇipojena. Teoreticky by to mohlo jı´t i naopak (delsˇı´kartu zapo- jı´me do kratsˇı´ho slotu) – to vsˇak jde pouze tehdy, pokud je kra´tky´slot upraven (na konci ma´ry´hu, aby bylo mozˇne´ delsˇı´kartu fyzicky zasunout, pak se aktivuje jen ta cˇa´st pinu˚, ktera´je ve slotu prˇipojena. Tento princip funguje i na logickeú´rovni: neˇktere´sloty ×16 majı´ve skutecˇnosti mı´sto 16 aktivnıćh pouze 8 linek, tedy pokud do takove´ho slotu zasuneme kartu PCIe×16 (cozˇsamozrˇejmeˇjde), komunikuje se pouze po 8 linkaćh a karta pracuje pomaleji nezˇv plnohodnotne´m slotu PCIe×16. Dı´ky flexibiliteˇ je PCIe rozsˇı´rˇeneˇjsˇı´ nezˇ PCI-X, najdeme ji dnes prakticky v kazˇde´m pocˇı´tacˇi. Na obra´zku 5.6 vidı´me jednotlive´PCIe a PCI sloty.

7Zdroj: https://ist94.wikispaces.com/Motherboards

Obra´zek 5.7: Porovna´nı´sbeˇrnic ISA, PCI a AGP7 KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 62

5.3.4 AGP

Sbeˇrnice AGP (Advanced Graphics Port cˇi Accelerated Graphics Port) vznikla roku 1997 jako rozhranı´, ktere´ meˇlo nahradit nedostatky PCI pro graficke´karty (specializovana´modifikace PCI). Proble´mem byla existence vıće variant rozhranıá tedy i slotu˚AGP, ktere´se lisˇily kromeˇjine´ho i klıćˇovańı´m (tj. na kartaćh byly vy´rˇezy a ve slotech mu˚stky u ru˚znyćh variant na ru˚znyćh mı´stech). Uzˇivatel kupujıćı´si novou kartu vzˇdy musel veˇdeˇt, do jake´ho typu AGP slotu ji chce pouzˇı´t. R Pro AGP je charakteristicke´pouzˇitı´stejne´technologie jako PCI pro rozpoznańı´mozˇnyćh napa´jecıćh napeˇtı´. Pro energeticky nejna´rocˇneˇjsˇı´graficke´karty bylo vyvinuto rozsˇı´rˇenı´ AGP Pro. Za´kladnı´frekvence AGP portu je 66 MHz. Ta byla na´sledneˇzvysˇovańa: 2×, 4× a 8×. Od nı´se take´ odvozuje celkovyíndex rychlosti sbeˇrnice. Celkova´sˇı´rˇka sbeˇrnice je 32 bitu˚, cˇı´mzˇAGP 8× dosahuje rychlosti 2 GB/s. Mnoho vy´voja´rˇu˚se snazˇilo toto rozhranı´jesˇteˇozˇivit, prˇesto s prˇıćhodem PCIe docha´zı´k u´tlumu podpory vy´robcu˚a najdeme je pouze ve starsˇıćh pocˇı´tacˇıćh. Na obra´zku 5.7 vidı´me porovnańı´sbeˇrnic ISA, PCI a AGP.

5.4 Chipset

Chipset (cˇipova´sada) je sada integrovanyćh obvodu˚, ktere´zajisˇt’ujı´prˇedevsˇı´m komunikaci mezi jednotlivy´mi komponentami (procesor, pameˇti, rozsˇirˇujıćı´karty,BIOS, nejru˚zneˇjsˇı´rozhranıá konektory), jedna´se o vlastneˇ o jake´si komunikacˇnıćentrum. Takeóbsahujıńeˇktere´rˇadicˇe, naprˇı´klad mohou (nemusejı´) obsahovat rˇadicˇ pameˇt’ovyćh modulu˚. Chipset urcˇuje, jaky´m zpu˚sobem budou jednotlive´komponenty mezi s sebou logicky a na´sledneˇi fyzicky propojeny. Na kvaliteˇchipsetu do znacˇne´mı´ry za´visı´kvalita samotne´za´kladnı´desky, protozˇe pra´veˇtudy vedou hlavnı´komunikacˇnıćesty komponent. R Logicka´struktura chipsetu˚(tj. struktura z hlediska funkcı´) je na´sledujıćı´: • syste´movy´rˇadicˇ – obvod, ktery´rˇı´dı´spolupraći jednotlivyćh obvodu˚za´kladnı´desky a realizuje na´sledu- jıćı´funkce: – generuje hodinove´signa´ly – vytva´rˇıádresy pro pameˇti RAM a generuje rˇı´dıćı´signa´ly pro pameˇt’ovy´subsyste´m – zajisˇt’ujeRESET syste´mu po prˇipojenıélektricke´ho napa´jenıńebo stisku RESET • rˇadicˇsbeˇrnice – zabezpecˇuje komunikaci mezi syste´movou sbeˇrnicıá rozsˇirˇujıćı´sbeˇrnicı´, da´le obsahuje rozhranı´reproduktoru a rozhranı´pameˇti EPROM • buffer dat – obvod, ktery´ slouzˇı´ k zachycovańı´ dat a jejich prˇepıńańı´ mezi jednotlivy´mi datovy´mi sbeˇrnicemi Nejzna´meˇjsˇı´vy´robci chipsetu˚jsou Intel, VIA, SiS, nVidia (chipsety nForce) a ATI (ted’ uzˇAMD). Tyto chipsety jsou pak pouzˇı´vańy tak jak jsou ru˚zny´mi vy´robci za´kladnıćh desek. Dnes se pouzˇı´vajı´dveˇza´kladnı´koncepce – North-South bridge design a One chip design. Rozdı´l mezi nimi je v pocˇtu cˇipu˚, ktere´tvorˇıćhipset. KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 63

5.4.1 North-South bridge design

Chipset by´va´rozdeˇlen do dvou cˇipu˚, ktereóznacˇujeme North Bridge a South bridge (severnıá jizˇnı´most, take´mu˚stek). • North bridge obstara´va´vysokorychlostnı´komunikaci s grafickou kartou, operacˇnı´pameˇtıá procesorem, je blı´zˇe k procesoru. • South bridge obstara´va´komunikaci s relativneˇpomaly´mi rozsˇirˇujıćı´mi kartami, disky, rˇadicˇi externıćh rozhranıá rozlicˇny´mi mechanikami a zprostrˇedkova´va´sluzˇby BIOSu. Urcˇuje maxima´lnı´prˇenosovou rychlost disku˚, USB, atd. By´vaúmı´steˇn blı´zˇe slotu˚m pro rozsˇirˇujıćı´karty. Pro jizˇnı´most se take´pouzˇı´vańa´zev I/O Controller Hub (neprˇesneˇcˇesky vstupneˇ-vy´stupnı´rˇadicˇ).

Procesor

FSB (Operacˇnı´pameˇt’) (Graﬁcka´karta) × PCIe 16 North bridge

PCIe×1 SATA, eSATA PCI South bridge Spra´va napa´jenı´ ISA USB mysˇ, kla´vesnice BIOS Support

Obra´zek 5.8: Obecne´sche´ma chipsetu se sbeˇrnicı´FSB

Koncepce North-South bridge design se dnes pouzˇı´vaú veˇtsˇiny osobnıćh pocˇı´tacˇu˚, laptopu˚a serveru˚. Obecne´sche´ma chipsetu se sbeˇrnicı´FSB je na obra´zku 5.8, na obra´zku 5.9 je jizˇkonkre´tnıćhipset od firmy Intel pro procesor Core 2 Extreme, na obra´zku 5.10 je sche´ma chipsetu pro za´kladnı´desky s procesory do patice AM3 (od AMD). Pokud je do severnı´ho mostu integrovańa grafika (prˇesneˇji graficka´ja´dra), pak by´vaćhipset oznacˇovań take´zkratkou IGP (Integrated Graphics Processor – integrovany´graficky´procesor). Funkce pameˇt’ove´ho rˇadicˇe (tj. komponenty, ktera´zprostrˇedkova´va´komunikaci procesoru s moduly ope- racˇnı´pameˇti), ktera´drˇı´ve beˇzˇneˇby´vala v severnı´m mosteˇ, se postupneˇsteˇhuje do pouzdra procesoru. S tı´mto trendem zacˇala firma AMD u 64bitovyćh procesoru˚, po neˇkolika letech se k tomuto trendu prˇipojila take´ firma Intel.

Pozna´mka: V soucˇasnosti se tedy tento koncept sice pouzˇı´va´, ale postupneˇse promeˇnˇuje. O podobeˇkonceptu severnı´ho a jizˇnı´ho mostu je vıće psańo o neˇkolik strańek da´le, v kapitole 5.4.3 na straneˇ 65. KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 64

Obra´zek 5.9: Sche´ma chipsetu X48 Express pro procesor Core 2 Extreme8

Obra´zek 5.10: Sche´ma chipsetu ﬁrmy AMD pro procesory do patice AM39

8Zdroj: http://ixbtlabs.com/articles3/mainboard/nvidia-nforce-790i-intel-x48-chipsets-p2.html, zajı´mavy´popis najdeme na http://techreport.com/articles.x/14316 9Zdroj: http://www.abclinuxu.cz/blog/virtualizace/2010/8/hardware-3-vyber-chipsetu-a-zakladni-desky KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 65

5.4.2 One Chip design

V konceptu One Chip design jsou oba mosty integrovańy do jednoho cˇipu (nebo je severnı´most integrovań do pouzdra procesoru). Jde o rˇesˇenı´, ktere´se snazˇı´minimalizovat na´klady na vy´robu zarˇı´zenıá je tedy urcˇeno spı´sˇe pro levnaćˇi mensˇı´zarˇı´zenı´.

Obra´zek 5.11: Chipset NVidia GForce 9300 – OneChip design10

Vy´hody: • relativneˇmale´rozmeˇry, • cena i vıće nezˇo polovinu nizˇsˇıńezˇu beˇzˇneˇjsˇı´ho North-South bridge na´vrhu, • vy´razneˇnizˇsˇı´spotrˇeba, atd. Nevy´hody: omezena´modularita a obvykle nizˇsˇı´vy´kon. Lze jej vyuzˇı´t v malyćh osobnıćh pocˇı´tacˇıćh (netbook, PDA, apod.) nebo specializovanyćh pocˇı´tacˇıćh (routery, print servery, atd.). Mohou by´t pouzˇity naprˇı´klad na za´kladnıćh deskaćh s procesorem Atom.

Dalsˇı´informace: Zajı´mavou recenzi za´kladnı´desky s jednocˇipovou sadou NVidia MCP7A (FormFactor Mini-ITX, s integrovanou graﬁkou a procesorem Atom 330 se dveˇma ja´dry) najdeme na adrese http://www.thinkcomputers.org/asrock-a330ion-nvidia-mcp7a-ion-mini-itx-motherboard-review/.

5.4.3 Soucˇasne´chipsety

Poslednı´dobou jsou tendence integrovat neˇktere´funkce severnı´ho mostu, a nebo dokonce cely´severnı´most do cˇipu procesoru, prˇedevsˇı´m z du˚vodu urychlenı´komunikace s operacˇnı´pameˇtı´a loka´lnı´mi sbeˇrnicemi, u´spory mı´sta na za´kladnı´desce a snadneˇjsˇı´ho uchlazenı´.

10Zdroj: http://www.tomshardware.com/reviews/g45-geforce-9400,2263-4.html KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 66

Prˇesto se nejednaó One Chip Design, protozˇe severnıá jizˇnı´most jsou rozdeˇleny. Tendence jsou tedy na´sledujıćı´: 1. integrace pameˇt’ove´ho rˇadicˇe z North bridge do samotne´ho procesoru, 2. navysˇovańı´rychlosti komunikacˇnıćh sbeˇrnic mezi procesorem a North bridgem, 3. integrace cele´ho severnı´ho mostu do pouzdra procesoru – tam se modul plnıćı´roli severnı´ho mostu nazy´va´ System Agent (u Intelu). Procesor Mezi severnı´m a jizˇnı´m mostem existuje spojenı´s vysˇsˇı´rychlostı´prˇenosu. U intelov- skyćh architektur se tato sbeˇrnice oznacˇuje DMI (Direct Media Interface) a obvykle jde o modifikaci sbeˇrnice PCIe×4, prˇı´padneˇzde prˇı´mo najdeme PCIe×4. Obdobneˇu za´- Severnı´most kladnıćh desek AMD se oznacˇuje ALink Express (zalozˇena na PCIe×4) nebo opeˇt prˇı´mo DMI PCIe. Jizˇnı´most Velmi du˚lezˇita´je sbeˇrnice zajisˇt’ujıćı´komunikaci mezi severnı´m mostem a procesorem. Jejı´rychlost ma´za´sadnı´vliv na rychlost cele´ho syste´mu. Mezi chipsetem a procesorem Obra´zek 5.12: se mu˚zˇeme setkat prˇedevsˇı´m s teˇmito sbeˇrnicemi: Sbeˇrnice DMI • FSB (Front Side Bus) je pu˚vodnıóznacˇenı´te´to sbeˇrnice v klasicke´formeˇ, • HT (HyperTransport) – sbeˇrnice na architekturaćh AMD (od architektury K8), rˇadicˇpameˇti byl prˇene- sen ze severnı´ho mostu do procesoru, cozˇznamena´zvy´sˇenı´propustnosti te´to sbeˇrnice (a tı´m i rychlosti) jednodusˇe tı´m, zˇe je po nı´prˇena´sˇeno meńeˇdat, • QPI (QuickPath Interconnect, starsˇıńa´zev CSI) je intelovska´sbeˇrnice pro vy´konneˇjsˇı´varianty architektury Nehalem, rˇadicˇpameˇti byl prˇenesen procesoru (tj. obdoba AMD HT), • DMI – u Intelu v prˇı´padeˇ, zˇe je severnı´most integrovań do procesoru. Ve vsˇech prˇı´padech se vsˇak oznacˇuje jako FSB, jde totizˇtakeó za´kladnıóznacˇenı´sbeˇrnice propojujıćıćhipset a procesor. Na obra´zku 5.13 na straneˇ 66 je vy´voj te´to sbeˇrnice (vcˇetneˇprˇesouvańı´prˇı´slusˇnyćh funkcionalit) na´zorneˇzachycen.

Procesor Procesor + Pam. rˇadicˇ ' Procesor $ FSB HT, QPI FSB − System Agent Severnı´most Sev. most Pam. rˇadicˇ DMI DMI & DMI % Jizˇnı´most Jizˇnı´most I/O Controller Hub Obra´zek 5.13: Sbeˇrnice mezi severnı´m mostem (resp. chipsetem) a procesorem

Vlastnosti chipsetu. Prˇi vy´beˇru za´kladnı´desky bereme v u´vahu naprˇı´klad tyto vlastnosti souvisejı´cı´ s chipsetem: • oznacˇenı´severnı´ho a jizˇnı´ho mostu • podporovane´procesory, podporovane´technologie a vy´robnı´metriky procesoru˚(65, 45, 32,. . . nm), podporovane´patice

11Zdroj: http://www.bit-tech.net/hardware/2013/06/01/intel-core-i7-4770k-cpu-review/2 KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 67

Obra´zek 5.14: North South bridge se severnı´m mostem v procesoru – architektura Haswell11

• podporovane´typy FSB a jejich frekvence • podporovane´pameˇti a jejich max. velikost, pokud je v chipsetu integrovań rˇadicˇpameˇti • integrovane´komponenty (grafika apod.), verze USB a pocˇet portu˚ • podpora virtualizace, kontroly prˇenosu˚od pameˇt’ovyćh modulu˚(parity, ECC), atd.

5.4.4 SoC cˇipy

SoC (System on Chip) je dalsˇı´koncept, kteryúzˇdrˇı´ve zacˇal u embedded zarˇı´zenı´, ale postupneˇse dosta´va´ i do levneˇjsˇıćh beˇzˇnyćh zarˇı´zenı´. V jednom pouzdrˇe cˇipu je procesor, chipset, prˇı´padneˇpameˇti, genera´tor cˇasovyćh impulsu˚, cˇasovacˇe, implementace komunikacˇnıćh rozhranı´(USB, Ethernet, apod.), grafika, apod., tedy jak pu˚vodnıćhipset, tak i dalsˇı´moduly, ktere´bychom jinak nasˇli v samostatnyćh cˇipech na za´kladnı´desce. Tento koncept je, jak bylo vy´sˇe uvedeno, typicky´prˇedevsˇı´m pro embedded zarˇı´zenıá vestaveˇny´procesor by´vaóbvykle typu RISC. SoC drˇı´v vyra´beˇly prˇedevsˇı´m firmy Qualcomm (Snapdragon), Apple (pro sva´mobilnı´zarˇı´zenı´), Broad- com, Samsung, Transmeta, nVidia (procesory Tegra), Atmel, v soucˇasne´dobeˇuzˇexistujı´take´SoC procesory

12Zdroje: http://i48.tinypic.com/o7t3y9.jpg, http://www.xbitlabs.com/news/mobile/display/20080603141353 Nvidia Unleashes Tegra System on Chip for Handheld Devices.html KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 68

Obra´zek 5.15: SoC procesor ARM Cortex A9 a SoC procesor NVidia Tegra s procesorem ARM 1112

ﬁrem AMD (AMD Geode) a Intel.

Pozna´mka: Veˇtsˇina SoC cˇipu˚je typu ARM (z vy´sˇe uvedenyćh opravdu te´meˇrˇvsˇechny). Co to znamena´? Firma ARM Holdings prˇı´mo tyto procesory nevyra´bı´, pouze je vyvı´jı´, a na´sledneˇposkytuje v licenci svy´m partneru˚m specifikaci k jejich vy´robeˇ. Tedy naprˇı´klad procesory Snapdragon, mobilnıÁpple, nVidia Tegra apod. jsou vsˇechny postaveny na architekturˇe ARM.

5.5 Integrovana´zarˇı´zenı´

Integrovana´ zarˇı´zenı´ jsou komponenty obvykle umı´steˇne´ na PCB, za ućˇelem rozsˇı´rˇenı´ funkcionality cˇi zvy´sˇenı´vy´konu. Integrujı´se bud’do samostatne´ho cˇipu (nebo vıće cˇipu˚) nebo do chipsetu. Procˇse pouzˇı´vajı´ integrovana´zarˇı´zenı´: 1. cena komponenty nesmı´vy´razneˇprodrazˇit za´kladnı´desku 2. komponenta musı´by´t uzˇitecˇna´pro veˇtsˇinu uzˇivatelu˚, pro ktere´je dana´deska urcˇena 3. jedna´se o technologii, ktera´mu˚zˇe by´t zdrojem konkurencˇnıćh vy´hod Z toho vyply´vajı´vlastnosti: • nizˇsˇı´vy´kon nezˇneintegrovana´rˇesˇenı´, • uspokojıćo nejveˇtsˇı´pocˇet uzˇivatelu˚s nejnizˇsˇı´mi na´klady. Jak uzˇjsme zjistili v kapitole o chipsetu (str. 63), cˇasto je integrovańa graficka´karta a pameˇt’ovy´rˇadicˇ, z dalsˇıćh naprˇı´klad zvukovaá sı´t’ova´karta a rˇadicˇRAID (pro diskova´pole). KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 69

Mezi nejcˇasteˇjsˇı´vy´robce grafickyćh jader pro integraci patrˇıÁMD (resp. pu˚vodneˇfirma ATI, ktera´je dnes soucˇa´stıÁMD), Intel, nVidia, VIA a SiS. Co se tyćˇe integrovanyćh zvukovyćh cˇipu˚, setka´va´me se cˇasto s vy´robky firem Realtek a C-Media. RAID controller Je specializovany´diskovy´rˇadicˇna za´kladnı´desce, ktery´vyuzˇı´vańeˇkolika disku˚k za- jisˇteˇnı´vysˇsˇı´ho vy´konu, nebo za´lohovańıúlozˇenyćh dat. Na drazˇsˇıćh deskaćh by´va´kromeˇintegrovane´ho RAID umı´steˇn jesˇteˇjeden RAID rˇadicˇnavıć. O RAID je vıće v kapitole 8.3 o vneˇjsˇıćh pameˇtech, strana 156.

5.6 Prˇepı´nacˇe, propojky

Prepıńacˇe (switche) na za´kladnı´desce majı´dveˇpolohy – zapnuto (on) a vypnuto (off). Slouzˇı´k hardwarove´ konfiguraci takovyćh vlastnostı´za´kladnı´desky, ktere´majı´dva stavy. Prˇepıńacˇse vyskytuje ve vıće ru˚znyćh formaćh – jednu z forem mu˚zˇeme videˇt na obra´zku 5.16 vpravo.

Obra´zek 5.16: Propojky a prˇepı´nacˇe13

Propojky (jumpery) narozdı´l od prˇepıńacˇu˚mohou mı´t vıće ru˚znyćh stavu˚. Obvykle jde o blok kolı´ku˚ (pinu˚) usporˇa´danyćh do matice, na ktere´je mozˇneńasunout propojovacı´kloboucˇek s vodivy´m mu˚stkem. Kloboucˇek je obvykle na dva sousednı´kolı´ky, a podle toho, ktere´dva kolı´ky z bloku jsou takto propojeny, je zapnuta´jedna konkre´tnı´z mozˇnyćh voleb. Prˇepıńacˇe a jumpery slouzˇıńa za´kladnıćh deskaćh k du˚lezˇity´m nastavenı´m, ktera´se obvykle za provozu pocˇı´tacˇe nemeˇnı´. Dnes, v dobeˇmechanismu Plug and Play, jsou nahrazovańy daleko pohodlneˇjsˇı´mi nastavenı´mi BIOSu a auto-detekcˇnı´mi algoritmy. Pu˚vodneˇ: Pa´r sekund: Pak: A) B) C) Trˇı´pinovyĆlear CMOS: 1 2 3 1 2 3 1 2 3

A) B) C) Dvoupinovy´Clear CMOS: 1 2 1 2 1 2

Obra´zek 5.17: Reset BIOSu pomocı´propojek

Prˇepı´nacˇem nebo propojkou mu˚zˇe by´t take´ specializovany´ clear CMOS (take´ se vyskytuje ve formeˇ

13Zdroj: http://www.infopackets.com/news/hardware/2004/20041228 install sound card to computer with onboard integrated sound.htm KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 70 tlacˇı´tka). Ma´za u´kol vymazat uzˇivatelskańastavenı´BIOSu a uve´st jej do tova´rnı´ho nastavenı´(reset BIOSu). Tedy stejnyéfekt jako vytazˇenı´za´lozˇnı´baterie udrzˇujıćıńastavenı´BIOSu. U veˇtsˇiny za´kladnıćh desek jde o trˇı´pinovou propojku, kterou vidı´me na obra´zku 5.17. Standardneˇje propojka nastavena na piny 1,2. Po zapojenıńa 2,3 (prˇi vypnute´m pocˇı´tacˇi) se CMOS vymazˇe, pak bychom nemeˇli zapomenout vra´tit propojku na piny 1,2. Postup se mu˚zˇe lisˇit u ru˚znyćh za´kladnıćh desek, konkre´tnı´postup najdeme v dokumentaci k za´kladnı´desce.

5.7 Rozvrzˇenı´komponent na za´kladnı´desce

Urcˇite´proble´my mohou vzniknout sˇpatny´m rozvrzˇenı´m prvku˚na za´kladnı´desce: • chlazenı´– k socketu˚m, konektoru˚m, atd. na za´kladnı´desce se prˇipojujı´ru˚zne´komponenty, ktere´prˇi nevhodne´m rozmı´steˇnı´prˇı´slusˇnyćh prˇipojovacıćh prvku˚mohou prˇeka´zˇet proudeˇnı´vzduchu • sˇpatneósazenıńapa´jecıćh obvodu˚(teplo), nevhodnećhlazenıćˇipovyćh sad (nevhodny´materia´l, chla- dicı´materia´l sˇpatneˇprˇilnul na cˇipy, atd.), umı´steˇnı´datovyćh a napa´jecıćh kabelu˚(hlavneˇdatovyćh, hodneˇprˇeka´zˇejı´proudeˇnı´vzduchu) • prˇipojovane´komponenty si mohou navza´jem prˇeka´zˇet – naprˇı´klad socket pro procesor a patice pro pameˇt’ove´moduly: neˇktere´procesory s chladicˇem po osazenı´„tlacˇı´“ na pameˇt’ove´moduly, neˇkdy je proble´m s umı´steˇnı´m rozsˇirˇujıćıćh karet a ru˚znyćh konektoru˚

Dalsˇı´informace: • Okomentovany´ na´kres za´kladnı´ desky na PCHelpForum, YouGamers,LaptopParts101 (vsˇimneˇte si tvaru desky), HotHardware, YouCanBuildYourOwnComputer, Technet.Idnes: – http://www.pchelpforum.com/hardware-tutorials/17740-whats-my-mainboard.html – http://www.yougamers.com/forum/showthread.php?t=24153 – http://www.laptopparts101.com/system-board-motherboard-mainboard/ – http://hothardware.com/Tags/itx.aspx – http://www.youcanbuildyourowncomputer.com/installmotherboard.html – http://technet.idnes.cz/ktera-zakladni-deska-je-pro-vase-pc-nejlepsi-s-nami-to-poznate-pt1 -/hardware.asp?c=A080409 101120 hardware mbo • Za´kladnı´desky na ExtraHardware http://extrahardware.cnews.cz/zakladni-desky • Jak vybı´rat za´kladnı´desku na Sveˇt Hardware http://www.svethardware.cz/art doc-670D52C33DF691CFC1256E83004CC0B9.html? lotus=1&Highlight=0,jak,vyb%C3%ADrat,z%C3%A1kladn%C3%AD,desku • Apple Power Mac G5 http://www.apple.cz/cze/apple/hardware/powermacg5/architecture.html • Ru˚zne´konektory http://www.tomshardware.com/reviews/pc-interfaces-101,1177-2.html

KAPITOLA 5 CASE A ZA´ KLADNI´ DESKA 71

C U´ koly

1. Zjisteˇte informace o za´kladnı´desce Asus P5N7A-VM. Mu˚zˇete pouzˇı´t naprˇı´klad tyto zdroje (jde o recenze te´to desky): • neˇkteryóbchod s pocˇı´tacˇovy´mi komponentami, strańky vy´robce za´kladnı´desky, • http://www.svethardware.cz/art doc-9EA41992B43428D5C1257509000248A2.html • http://extrahardware.cnews.cz/asus-p5n7a-vm-s-nejrychlejsi-grafikou Vsˇı´mejte si prˇedevsˇı´m Form Factoru, patice procesoru, patic na sbeˇrnicıćh (pameˇti, PCIe, PCI, SATA, atd.), cˇipu BIOSu, apod. 2. Podobneˇzjisteˇte informace o za´kladnıćh deskaćh Gigabyte D425TUD a MSI 890GXM-G65. Zjisteˇte take´ obvyklećeny teˇchto za´kladnıćh desek. 3. P55 (od Intelu) je typicky´m prˇı´kladem chipsetu s jediny´m cˇipem, pouzˇı´va´se hodneˇna za´kladnıćh deskaćh s Core i5 a neˇktery´mi Core i7. Najdeˇte na webu sche´ma tohoto chipsetu (mu˚zˇete pouzˇı´t trˇeba klıćˇovy´vy´raz „P55 schema“, hledejte mezi obra´zky). Vsˇimneˇte si, jak tento chipset komunikuje s procesorem, jake´jsou rychlosti prˇipojenyćh linek a co vsˇe lze prˇipojit. 4. Podobneˇnajdeˇte sche´ma chipsetu X58. Vsˇimneˇte si, zˇe jde o chipset se dveˇma cˇipy – podı´vejte se na jejich na´zvy. Zjisteˇte, jaka´sbeˇrnice je mezi severnı´m a jizˇnı´m mostem, jaka´vede k procesoru, jake´dalsˇı´ sbeˇrnice jsou podporovańy, s jakou propustnostıá takećo vsˇe lze prˇipojit. C Kapitola 6

Procesory

Budeme se zaby´vat nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´komponentou ze za´kladnı´desky, procesorem. Podı´va´me se na strukturu procesoru˚, jejich typy, cˇa´sti a jejich funkce, projdeme take´nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´vlastnosti modernı´ch procesoru˚.

6.1 Co je to procesor

Procesor (CPU, Central Processing Unit) je slozˇityíntegrovanyóbvod (miliońy tranzistoru˚), je to krˇemı´kova´ desticˇka, do ktere´jsou v neˇkolika vrstvaćh vryty spoje obvodu˚fotoelektricky´m procesem. Mikroprocesor je procesor integrovany´do jedine´ho obvodu na jedine´krˇemı´kove´desticˇce; da´le pod pojmem procesor budeme rozumeˇt mikroprocesor. R Fyzicka´struktura procesoru˚a vlastneˇkazˇde´ho cˇipu se blı´zˇı´fyzicke´strukturˇe za´kladnıćh desek, kterou jsme popsali vy´sˇe. Za´kladem je krˇemı´kovy´ wafer („oplatek“), ktery´se vyrobıńarˇezańı´m krˇemı´kovyćh ingotu˚ na velmi tenke´desticˇky, ktere´se musı´dokonale vylesˇtit. Soucˇasne´procesory obvykle majıázˇneˇkolik desı´tek vrstev. Na´sledneˇse fotoelektricky´m procesem nanesou obvody: • pro kazˇdou vrstvu se prˇipravı´ fotolitograficka´maska coby sˇablona sche´matu obvodu˚, masky se vytva´rˇejı´ ve specializovanyćh CAD syste´mech • na wafer se nanesou potrˇebne´vodiveá izolacˇnı´materia´ly • maska se prˇilozˇıá celek se vystavıúltrafialove´mu za´rˇenı´, cˇı´mzˇoblasti nezakryte´maskou zmeˇknou • pouzˇije se chemicke´rozpousˇteˇdlo, ktereńalepta´pouze zmeˇkleóblasti • tote´zˇse prova´dı´pro dalsˇı´vrstvy obvodu˚

6.1.1 Technologie vy´roby

Technologievy´roby (manufacturing process) znamena´, jak vlastneˇjsou tranzistory a jine´soucˇa´stky k waferu prˇipevneˇny, jake´materia´ly jsou pouzˇity, jaka´vlnova´de´lka UV za´rˇenı´je pouzˇita a jaka´je velikost tranzistoru˚. Na konkre´tnı´vlnove´de´lce ultrafialove´ho za´rˇenı´za´visı´, jake´materia´ly mohou by´t pouzˇity, jak „husta´“ mu˚zˇe by´t maska a tedy jak moc mohou by´t vytva´rˇeneóbvody steˇsnańy, ale naprˇı´klad takeńa jak vysoke´frekvenci mu˚zˇe vy´sledny´procesor pracovat.

72 KAPITOLA 6 PROCESORY 73

Pozna´mka: Velikost tranzistoru˚se neusta´le snizˇuje. Naprˇı´klad • pro „prehistoricky´“ procesor i4004 je 10 µm (mikrometru˚), • pro Core 2 je to 65 nebo 45 nm (nanometru˚), • procesory Core i7, i5 a i3 prvnıá druhe´generace a takeńoveˇjsˇı´procesory AMD jsou vyra´beˇny 32nm nebo 45nm technologiı´, • procesory Core i7, i5 a i3 trˇetıá cˇtvrte´generace jsou vyra´beˇny 22nm technologiı´, • experimentuje se s 16nm a 11nm technologiı´. U procesoru˚vyra´beˇnyćh 45nm technologiı´jsou masky osvicovańy UV za´rˇenı´m o vlnove´de´lce 193 nm, pro procesory vyra´beˇne´22nm technologiı´se pouzˇı´va´vlnova´de´lka 13,5 nm.

Dalsˇıínformace: • Vy´roba procesoru˚u Intelu: http://www.intel.com/technology/manufacturing/index.htm • Vy´roba procesoru˚u AMD (video, animace): http://www.youtube.com/watch?v=qLGAoGhoOhU • Prˇehled neˇkteryćh technologiıńajdeme naprˇı´klad na http://www.svethardware.cz/art doc-0153C5141A320803C12571EF003F6BAF.html (cˇlańek je z roku 2006, tedy jizˇne zrovna nejaktua´lneˇjsˇı´). • Vlastnosti procesoru˚Intelu vcˇetneˇpouzˇite´technologie najdeme na http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison of Intel processors.

6.1.2 Matematicky´koprocesor

Matematicky´koprocesor (FPU, floating point unit) je pomocny´procesor urcˇeny´pro vykona´vańıóperacı´ s cˇı´sly s plovoucı´desetinnou cˇa´rkou. Mu˚zˇe to by´t samostatna´jednotka nebo soucˇa´st CPU (dnes beˇzˇne´) a nebo emulovań softwaroveˇjako mikroprogram.

1 8 bitu˚ 23 bitu˚ + /− exponent mantisa 1 11 bitu˚ 52 bitu˚ + /− exponent mantisa 1 15 bitu˚ 64 bitu˚ + /− exponent mantisa

Obra´zek 6.1: Cˇı´slo v plovoucı´rˇa´dove´cˇa´rce o de´lce 32, 64 a 80 bitu˚

R Matematicky´koprocesor pracuje s teˇmito cˇı´sly: KAPITOLA 6 PROCESORY 74

+ exp • normalizovanećˇı´slo – ve tvaru /− 1.mant · 2 , ukla´da´me cˇı´slo mant (ne jednicˇku prˇed des. tecˇkou); pro vsˇechna cˇı´sla kromeˇnuly a maxima´lnı´hodnoty • denormalizovanećˇı´slo – exponent je nula, mantisa jaka´koliv kromeˇnuly, ukla´da´me i cˇı´slici prˇed des. tecˇkou; pro velmi malaćˇı´sla • nula – exponent i mantisa jsou nulove´ • nekonecˇno – nejvysˇsˇı´mozˇnyéxponent a nulova´mantisa; vznikne jako vy´sledek deˇlenıńulou • necˇı´selna´hodnota – nejvysˇsˇı´mozˇnyéxponent a nenulova´mantisa; vznikne naprˇı´klad prˇi deˇlenıńuly nulou

typ cˇı´sla exponent mantisa v pameˇti vy´znam mantisy normalizovane´ 0. . . 255 m je libovolna´ desetinnaćˇa´st skutecˇne´mantisy (tvar 1,m) denormalizovane´ 0 libovolnańenulova´ skutecˇna´mantisa s pevnou desetinnou cˇa´rkou za nejvysˇsˇı´m bitem nula 0 0 0 nekonecˇno 255 0 – necˇı´selna´hodnota 255 libolnańenulova´ –

Tabulka 6.1: Typy cˇı´sel u matematicke´ho koprocesoru

6.1.3 Rozdeˇlenı´procesoru˚

Rozdeˇlenı´podle stupneˇuniverza´lnosti. • MCU (Micro Controller Unit) – pouzˇitı´sˇiroke´, ale vyra´beˇjı´se pro urcˇitou konkre´tnıćˇinnost (specializovane´), nı´zkaćena, male´rozmeˇry, nı´zka´spotrˇeba, mala´vy´konnost, mala´mozˇnost rozsˇı´rˇenı´; pouzˇitı´: jednoduchaélektronika • CPU (Central Processor Unit) – univerza´lnı´, veˇtsˇı´rozmeˇry, spotrˇeba i vy´kon, lepsˇı´rozsˇirˇitelnost • APU (Accelerated Processing Unit) – v jednom pouzdrˇe je integrovań CPU a GPU (graficky´procesor), tedy graficka´karta jizˇnenıíntegrovańa do cˇipsetu (pu˚vodnıáutor: AMD), u Intelu se mu˚zˇeme setkat s oznacˇenı´m IGP (Integrated Processing Unit), cozˇje vlastneˇtote´zˇ • DSP (Digital Signal Processor) – neˇco mezi MCU a CPU, dobre´ hlavneˇ ve zpracovańı´ matematic- kyćh funkcıńa velkyćh objemech dat, soucˇa´stı´by´vajı´take´digita´lneˇ-analogoveá analogoveˇdigita´lnı´ prˇevodnı´ky; pouzˇitı´: pomocne´procesory, naprˇı´klad u zvukovyćh karet

Pozna´mka: Takzˇe v pocˇı´tacˇıćh vlastneˇobvykle ma´me vıće procesoru˚– hlavnıĆPU a pak urcˇiteˇjesˇteˇneˇkolik DSP nebo MCU (zvukova´karta, prˇı´padneˇgrafickaá dalsˇı´, jednoduchy´procesor je trˇeba take´v kla´vesnici). A kam vlastneˇmu˚zˇeme zarˇadit rˇadicˇe (pevnyćh disku˚, RAID, operacˇnıćh pameˇtı´, atd.)? KAPITOLA 6 PROCESORY 75

Rozdeˇlenı´podle instrukcˇnı´sady. De´lka zpracova´nı´programu prˇiblizˇneˇodpovı´da´tomuto vzorci:

de´lka zpracova´nı´ de´lka cyklu pocˇet cyklu˚na pocˇet instrukcı´ ≈ × × programu procesoru instrukci programu

Pozna´mka: Na´sledujıćı´deˇlenı´ma´vliv prˇedevsˇı´m na parametry pocˇet cyklu˚na instrukci a pocˇet instrukcı´programu. Da´le sice budeme hovorˇit o CISC a RISC procesorech, ale prˇesneˇjsˇı´ by bylo hovorˇit o CISC a RISC instrukcˇnıćh sadaćh. V soucˇasne´dobeˇtotizˇprocesory beˇzˇneˇmajı´vıće ru˚znyćh instrukcˇnıćh sad. Tato modula´rnı´strategie je vy´hodna´– umozˇnˇuje do dalsˇıćh generacı´procesoru˚adaptivneˇimplementovat dalsˇı´sady instrukcı´podle potrˇeby.

1. CISC (Complete Instruction Set Computing) CISC procesory se vyznacˇujı´rozsa´hou instrukcˇnı´sadou, pro mnoho nejbeˇzˇneˇjsˇıćh u´loh je stanovena vlastnı´ instrukce. Vlastnosti: • rˇadicˇpracuje s velmi rychlou rˇı´dicı´pameˇtı´, ve ktere´jsou ulozˇeny mikroprogramy pro kazˇdou instrukci sady • promeˇnliva´de´lka instrukcı´(kdybychom trvali na staticke´de´lce reprezentace instrukcı´, bylo by potrˇeba vyhradit pro ulozˇenı´jedneínstrukce zbytecˇneˇmnoho bitu˚), vıće ru˚znyćh adresovyćh mo´du˚ • vy´hoda: redukce velikosti ko´du programu˚ • nevy´hoda: samotnaínstrukce zabere vıće mı´sta v pameˇti a jejı´vyhodnocenı´trva´typicky vıće cyklu˚ CISC sady by´valy drˇı´ve nejpouzˇı´vaneˇjsˇıú beˇzˇnyćh desktopu˚(486, Pentium).

2. RISC (Reduced Instruction Set Computing) Instrukcˇnı´saddy typu RISC obsahujı´jen za´kladnıínstrukce (kolem 30, obecneˇneˇkolik desı´tek), ktere´jsou velmi male´(du˚lezˇiteˇjsˇıńezˇmaly´pocˇet je jednoduchost struktury instrukcı´) a te´meˇrˇvsˇechny stejneˇdlouhe´ (vy´jimkou obvykle by´vajıínstrukce prˇı´stupu do pameˇti). Vlastnosti: • zpracovańı´jedneínstrukce je rychle´, trva´veˇtsˇinou jeden strojovyćyklus (vy´jimkou jsou instrukce pro praći s operacˇnı´pameˇtı´) • mı´sto mikroprogramu˚jen reprezentace v obvodech, ktereńezaberou tolik mı´sta a jejich procha´zenı´je pro procesor rychlejsˇı´ • pocˇet registru˚by´va´vysˇsˇı´(nenı´trˇeba „ply´tvat“ tranzistory na mikroprogramy instrukcı´) • v programu je trˇeba pouzˇı´t mnohem vıće instrukcıńezˇve stejne´m pro procesory CISC, i kdyzˇkratsˇıćh, proto programy pro RISC architektury by´vajı´delsˇı´ RISC sady se objevily v procesorech rˇady PowerPC, da´le u neˇkteryćh serverovyćh platforem, dnes jsou prˇedevsˇı´m cˇisteˇRISC procesory v embedded a malyćh mobilnıćh zarˇı´zenıćh (procesory ARM). KAPITOLA 6 PROCESORY 76

řadič CPU řadič CPU mikroprogramů procesoru

paměť pro cache cache pro cache pro mikroprogramy instrukce data

hlavní hlavní paměť paměť

Obra´zek 6.2: CISC a RISC procesory

3. Kombinace RISC a CISC Dnes jizˇmnohe´pu˚vodneˇCISC procesory nesou rysy RISC procesoru˚, resp. jejich ja´dro se blı´zˇı´typu RISC. Instrukce typu CISC se deko´dujıá vnitrˇneˇprˇeva´deˇjıńa instrukce blı´zke´sadeˇRISC pomocı´modulu Decode unit. Vy´hodou je, zˇe takto zpracovaneínstrukce majı´vsˇechny stejnou de´lku a zaberou veˇtsˇinou jeden strojovy´ cyklus. Porˇa´d je povazˇovańo za du˚lezˇite´, aby procesory byly zpeˇtneˇkompatibilnı´. Proto i kdyzˇby´va´ja´dro hodneˇ blı´zke´typu RISC, doka´zˇe v emulaci zpracova´vat i CISC instrukce, ktere´pouzˇı´valy starsˇı´procesory. O RISC a CISC procesorech a instrukcˇnıćh sadaćh se budeme bavit u konkre´tnıćh procesoru˚(kap. 6.10).

6.2 Logicka´struktura procesoru

Procesor se po logicke´strańce skla´da´z na´sledujıćıćh soucˇa´stı´: • rˇadicˇ (rˇı´dicı´jednotka) – rˇı´zenıćˇinnosti procesoru (nacˇı´tańıínstrukcı´, jejich deko´dovańı´, nacˇı´tańıópe- randu˚instrukcı´, ukla´dańı´vy´sledku˚zpracovańı´) • dekode´r instrukcı´ – prˇeva´dıćˇı´slo ze strojove´ho ko´du na instrukci, ktere´rozumı´procesor • ALU (aritmeticko-logicka´jednotka) – jedna nebo vıće • FPU (matematicky´koprocesor, jednotka pro operace v plovoucı´rˇa´dovećˇa´rce) – jedna nebo vıće • vnitrˇnı´sbeˇrnice – soucˇa´sti procesoru mezi sebou komunikujı´ • registry – pameˇti pro operandy instrukcıá mezivy´sledky • MPX/DMX (multiplexor/demultiplexor) – zajisˇt’ujeprˇipojenı´registru˚na sbeˇrnici • MMU (Memory Management Unit – rˇadicˇpameˇti), integrovana´grafika, atd. Jednotlivećˇa´sti mohou by´t bud’ve stejne´m cˇipu, anebo ve vıće cˇipech uvnitrˇjedine´ho pouzdra procesoru. Tak je tomu naprˇı´klad u procesoru Intel Core i5-661, kde v pouzdrˇe procesoru jsou dva cˇipy – jeden je samotny´ CPU vyrobeny´32nm procesem, druhyćˇip vyra´beˇny´45nm procesem obsahuje integrovanou grafiku, rˇadicˇ PCIe a rˇadicˇpameˇti (obra´zky a dalsˇıínformace najdete na internetu). KAPITOLA 6 PROCESORY 77

Rˇ adicˇv CPU je sekvencˇnıóbvod, ktery´rˇı´dı´(skoro) vsˇechny cˇa´sti pocˇı´tacˇe, a to pomocı´rˇı´dicıćh signa´lu˚ (vysı´la´) a stavovyćh hla´sˇenı´(prˇijı´ma´). Rˇ ı´dı´takećˇinnost ostatnıćh rˇadicˇu˚v pocˇı´tacˇi (rˇadicˇpameˇti, rˇadicˇdisku, atd.). Setkali jsme se s nı´m take´v popisu von Neumannovy architektury. Cˇinnost: instrukci interpretuje – prˇevede na posloupnost rˇı´dicıćh signa´lu˚, ktere´posˇle postupneˇru˚zny´m cˇa´stem procesoru, po odeslańıá vyhodnocenı´vsˇech signa´lu˚je instrukce vykonańa. Rozezna´va´me dva typy rˇadicˇu˚: 1. mikroprogramovy´ – rˇı´zeny´mikroprogramem, je to sekvencˇnıóbvod realizovany´pomocı´pameˇti (CISC procesory) 2. klasicky´ – zˇa´dne´ mikroprogramy, je to klasicky´ sekvencˇnı´ obvod podle stavove´ho automatu (RISC procesory) Aritmeticko-logicka´jednotka prova´dıáritmetickeá logickeóperace s daty. Mańejmeńeˇtyto trˇi cˇa´sti: • cˇa´st pro aritmetickeóperace (pro instrukce ADD, SUB, MUL, DIV), v jednodusˇsˇı´m prˇı´padeˇscˇı´tacˇka s negacı´ • cˇa´st pro logickeóperace (OR, AND, XOR, apod.) • barrel-shifter (va´lcovy´posouvacˇ) – bitove´posuny vpravo a vlevo (SHR, SHL) FSB (Front Side Bus, System Bus, syste´mova´sbeˇrnice) je fyzicka´datovaóbousmeˇrna´sbeˇrnice, ktera´propojuje CPU a North Bridge. Pomala´FSB mu˚zˇe zpoma- lovat cˇinnost procesoru. Prˇed cˇasem AMD nahradila klasickou FSB jinou sbeˇrnicı´, HyperTransport (HT). Hlavnı´rozdı´l mezi FSB a HyperTransport je v tom, zˇe prˇi pouzˇitı´HyperTransport je rˇadicˇpameˇti prˇeveden ze severnı´ho mostu do procesoru. Du˚sledkem je zrychlenı´prˇı´stupu do pameˇti a take´mensˇı´zatı´zˇenı´syste´move´sbeˇrnice, ktera´se takte´zˇzrychlı´. Intel jde take´touto cestou, mı´sto FSB se uzˇmu˚zˇeme setkat s QuickPath Interconnection (QPI), ktera´je zalozˇena na podobne´m principu jako HyperTransport. Pokud je severnı´most integrovań do procesoru, pak je FSB nebo jejıóbdoba (HT, QPI) umı´steˇna samo- zrˇejmeˇtake´v procesoru, i kdyzˇv trochu jine´podobeˇ. Vztah rychlosti FSB a procesoru: Multiplexer (na´sobicˇ) procesoru je nastaven na urcˇitou hodnotu (naprˇı´klad 4, 5.5). Procesor pak pracuje rychlostı´

frekvence procesoru = hodnota na´sobicˇe × frekvence FSB

Pozna´mka: Frekvenci procesoru lze tedy zvy´sˇit dveˇma zpu˚soby – bud’ navy´sˇenı´m hodnoty na´sobicˇe, a nebo zvy´sˇenı´m frekvence FSB (resp. jejıćh noveˇjsˇıćh variant HT a QPI). Za´lezˇı´takeńa propustnosti FSB – pokud v jednom taktu prˇes ni procha´zejı´4 bity, pak naprˇı´klad prˇi (vneˇjsˇı´) frekvenci FSB 475,1 MHz je vy´sledna´(vnitrˇnı´) frekvence procesoru cˇtyrˇna´sobna´, tedy 1900,4 MHz. Procesor pracuje rychleji nezˇ sbeˇrnice, prˇes kterou komunikuje s okolı´m. KAPITOLA 6 PROCESORY 78

Vsˇechny potrˇebne´ u´daje – tedy rychlost procesoru (kazˇde´ho ja´dra), hodnotu multiplexeru (anglicky multiplier), frekvenci FSB a rychlost te´to sbeˇrnice mu˚zˇeme zjistit naprˇı´klad pomocı´ na´stroje CPU-Z, se ktery´m jsme se uzˇsetkali v kapitole o upgrade BIOSu. Prˇetaktovańıá podtaktovańı´procesoru se veˇnujeme v kapitole 6.11 na straneˇ 117.

6.3 Registry

Registry jsou mala´velmi rychla´pameˇt’ova´mı´sta nacha´zejıćı´se v procesoru, slouzˇıóbvykle k ulozˇenıádres, mezivy´sledku˚vy´pocˇtu a operandu˚instrukcı´. Deˇlı´me na viditelne´ (softwaroveˇprˇı´stupne´) a neviditelne´ (soft- waroveˇneprˇı´stupne´), mohou by´t takećˇa´stecˇneˇviditelne´. Velikost registru˚je na´sobek velikosti slova procesoru, obvykle 16, 32, 64, 128, prˇı´p. 256 bitu˚. Rozdeˇlenı´registru˚podle jejich urcˇenı´: • datove´ – pro data, naprˇı´klad cˇı´slo, ktere´ma´by´t na´sobeno, u Intelu spı´sˇe brańy jako obecne´ • adresove´ – pro adresy nebo indexy polı´ • rˇı´dicı´ – obsahujı´rˇı´dicı´(stavove´) informace (naprˇı´klad stavovy´registr FLAGS)

6.3.1 Registry procesoru˚Intel

Obecne´registry procesoru˚Intel jsou • RAX, EAX, AX, AH, AL – pouzˇı´va´se pro na´sobenıá deˇlenı´, a take´pro I/O operace (akumula´tor) • RBX, EBX, BX, BH, BL – pouzˇı´va´se pro neprˇı´mou adresaci pameˇti (k promeˇnny´m) (base) • RCX, ECX, CX, CH, CL – pouzˇı´va´se jako cˇı´tacˇprˇi cyklech, posuvech a rotacıćh (counter) • RDX, EDX, DX, DH, DL – pouzˇı´va´se pro neprˇı´mou adresaci I/O (data) Dajı´se cha´pat jako datove´registry, ale neˇktere´lze pouzˇı´t i pro jineúćˇely vcˇetneˇukla´dańıádres, proto je nazy´va´me spı´sˇe obecne´.

EAX AX AH AL

EBX BX BH BL

ECX CX CH CL

EDX ⇒ DX ⇒ DH DL 32 16 8 0 EAX

AH AL

Obra´zek 6.3: Vztah mezi registry Intelu o ru˚zny´ch sˇı´rˇka´ch

Vy´znam oznacˇenı´je na obra´zku 6.3 (kromeˇnejsˇirsˇıćh forem zacˇıńajıćıćh pı´smenem R). Nejstarsˇıínte- lovske´procesory meˇly pouze registry s dvoupı´smenny´m oznacˇenı´m. Poslednı´pı´smeno oznacˇenı´je bud’ L (Lower, nizˇsˇı´byte), H (Higher, vysˇsˇı´byte) nebo X (zahrnuje nizˇsˇı´byte vpravo i vysˇsˇı´byte vlevo). Prˇedposlednı´ pı´smeno (A, B, C, D) uda´va´konkre´tnı´typ registru. Tyto registry meˇly tedy jen dva Byte (16 bitu˚), z nichzˇ KAPITOLA 6 PROCESORY 79 nizˇsˇı´Byte byl prˇı´stupny´prˇes oznacˇenı´koncˇıćı´pı´smenem L, vysˇsˇı´Byte pak prˇes oznacˇenı´koncˇıćı´pı´smenem H, a pokud programa´tor chteˇl vyuzˇı´vat 16bitovy´datovy´prostor, pouzˇil oznacˇenı´koncˇıćı´pı´smenem X. 16 bitu˚vsˇak brzy prˇestalo stacˇit, tak byly registry rozsˇı´rˇeny nejdrˇı´v na dvojna´sobek (32 bitu˚, trˇı´znakove´ oznacˇenı´, na zacˇa´tku E), pozdeˇji znovu na dvojna´sobek (64 bitu˚, na zacˇa´tku R) s tı´m, zˇe pu˚vodnıóznacˇenı´ lze da´le pouzˇı´vat pro prˇı´stup k nizˇsˇı´m oblastem te´hozˇregistru. Adresove´registry procesoru˚Intel se pouzˇı´vajı´k ulozˇenıádres. Na teˇchto adresaćh mohou by´t naprˇı´klad promeˇnne´ (tedy data), ale take´ mu˚zˇe jı´t o adresy instrukcı´ nebo specia´lnıćh datovyćh struktur (typicky za´sobnı´k). Jizˇneˇkolik desı´tek let se prˇi spra´veˇpameˇti pouzˇı´vajı´tzv. segmenty. Kazˇdy´proces ma´k dispozici neˇkolik segmentu˚pameˇti, kazˇdy´z nich k urcˇite´mu konkre´tnı´mu ućˇelu. Obvykle je jeden segment pro ko´d programu (tam se nacˇte obsah spustitelne´ho souboru, ze ktere´ho proces vznikl), da´le jeden nebo dva segmenty pro globa´lnı´data, jeden cˇi dva segmenty pro za´sobnı´k (tam se ukla´dajı´loka´lnı´promeˇnneá cokoliv, co souvisı´se spousˇteˇny´mi funkcemi). Vy´hodou je, zˇe kdyzˇje zna´ma adresa zacˇa´tku segmentu, mu˚zˇeme pro adresu konkre´tnı´ho mı´sta v dane´m segmentu (trˇeba adresu pra´veˇzpracova´vaneínstrukce, ktera´je rozhodneˇv segmentu s ko´dem a nikde jinde) pouzˇı´vat kratsˇı´loka´lnı´(relativnı´) adresu (tzv. offset) – tyto adresy zacˇıńajıćˇı´slem 0 na zacˇa´tku segmentu a pro jejich ulozˇenı´stacˇı´meńeˇbitu˚, nezˇkdybychom je ukla´dali jako absolutnıádresy (zacˇıńajıćıńa samotne´m zacˇa´tku cele´ho pameˇt’ove´ho prostoru). Podrobneˇjsˇıínformace najdeme v kapitole 6.6 na straneˇ 84. Ke kazˇde´mu segmentu je trˇeba si zapamatovat adresu jeho zacˇa´tku, k tomu slouzˇı´ segmentove´registry. 16bitove´segmentove´registry: • CS – segment s ko´dem programu (Code Segment) • DS – prvnı´segment pro data (Data Segment) • ES – pomocny´segment pro data (Extended Data Segment) • SS – segment pro za´sobnı´k programu • FS, GS – noveˇjsˇı´segmentove´registry Dalsˇıádresove´registry (v porˇadı´16bitove´, 32bitoveá 64bitove´) jsou na´sledujıćı´: • IP, EIP, RIP – cˇı´tacˇinstrukcı´(Instruction Pointer), ukazuje na instrukci v ko´du, ktera´je pra´veˇzpraco- va´vańa • BP, EBP, RBP – ba´zovy´registr (loka´lnı´promeˇnne´) • SP, ESP, RSP – ukazatel vrcholu za´sobnı´ku (Stack Pointer) • SI, ESI, RSI – index v poli pouzˇite´m jako zdroj dat (Source Index) • DI, EDI, RDI – index v poli pouzˇite´m jako cı´l dat (Destination Index)

M Prˇı´klad6.1 R Podı´va´me se na neˇkolik prˇı´kladu˚pro obsah a pouzˇı´vańı´registru˚. Tyto prˇı´klady jsou vesmeˇs pouzˇitelne´ prˇi programovańı´v Assembleru. • CS:IP – plnaádresa instrukce v ko´du, ktera´je momenta´lneˇvykona´vańa • SS:SP – plnaádresa vrcholu za´sobnı´ku KAPITOLA 6 PROCESORY 80

• ES:[$15A0] – adresa v segmentu ES • DS:[BX][$20D8] – adresa v segmentu DS, relativnı´je obsah BX plus cˇı´slo • MOV AX, [BX][SI] – adresu pole jsme prˇedem nacˇetli do BX, do registru AX nacˇteme dany´prvek pole • DS:SI – tato absolutnıádresa se pouzˇije, kdyzˇvyuzˇı´va´me registr SI v rˇeteˇzcovyćh instrukcıćh • ES:DI – tato absolutnıádresa se pouzˇije, kdyzˇvyuzˇı´va´me registr DI v rˇeteˇzcovyćh instrukcıćh M

Registr eFlags (take´registr prˇı´znaku˚) je specia´lnı´typ registru, ve ktere´m narozdı´l od ostatnıćh ma´me prˇistup k jeho jednotlivy´m bitu˚m (tzv. prˇı´znaku˚m). Kazˇdy´vy´znamovy´bit ma´sve´vlastnıóznacˇenı´. Prˇı´znaky na´m veˇtsˇinou indikujı´stav ukoncˇenı´pra´veˇzpracovaneínstrukce. Naprˇı´klad u aritmetickeínstrukce (scˇı´tańı´, na´sobenıápod.) mu˚zˇeme zjistit, zda jejı´vy´sledek je cˇi nenıńula, jestli je vy´sledek kladneńebo za´pornećˇı´slo, apod. Prˇı´znaky se pouzˇı´vajı´prˇedevsˇı´m u porovna´vańı´hodnot. Procesoroveínstrukce pro porovna´vańıóbvykle pracujı´tak, zˇe dveˇporovna´vanaćˇı´sla (nebo indexy znaku˚v ASCII tabulce) od sebe odecˇtou a podle toho, zda je vy´sledek odcˇı´tańıńulovy´, kladnyńebo za´porny´, je mozˇne´poznat, ktera´hodnota byla veˇtsˇı´. R V rezˇimu se zapnutou ochranou pameˇti jsou v registru prˇı´znaku˚k dispozici tyto prˇı´znaky: • ZF (Zero Flag) – nastaven na 1, pokud je vy´sledek operace nula • SF (Sign Flag) – nastaven na 1, pokud je vy´sledek za´porny´ • OF (Overflow Flag) – nastaven na 1, jestlizˇe dosˇlo k prˇetecˇenı´vy´sledku • CF (Carry Flag) – nastaven na 1, pokud prˇi pra´veˇdokoncˇeneóperaci dosˇlo k prˇenosu 1 do vysˇsˇı´ho rˇa´du • IF (Interrupt Flag) – procesor smı´vykona´vat prˇerusˇenı´ • DF (Direction Flag) – rˇı´dı´smeˇr zpracovańı´prˇi rˇeteˇzcovyćh operacıćh • PF (Parity Flag) – nastaven na 1, pokud dolnıćh 8 bitu˚vy´sledku obsahuje sudy´pocˇet jednicˇek • AF (Auxiliary CF) – nastaven na 1 prˇi prˇenosu 1 ze spodnı´poloviny nizˇsˇı´slabiky (1 B) do vysˇsˇı´ • VM (Virtual 8086 Mode) – pokud je v chrańeˇne´m rezˇimu nastaven na 1, proces beˇzˇı´v rezˇimu V86 (virtualizace) • IOPL (IO Priority Level) – dvoubitove´pole, uda´va´prioritu potrˇebnou k prova´deˇnıÍ/O. Pokud je priorita programu vysˇsˇı´(tj. s nizˇsˇı´m cˇı´slem) nezˇobsah tohoto pole, operace I/O se neprovede a vyvola´ se vy´jimka GPF (General Protection Fault) Noveˇjsˇıíntelovske´procesory majı´jesˇteˇdalsˇı´prˇı´znaky: • rˇı´dicı´32bitovy´registr prˇı´znaku˚CR0, funkce jako eFlags – du˚lezˇite´prˇı´znaky: – PG – nastaven na 1, kdyzˇje zapnuto strańkovańı´ – PE – nastaven na 1, kdyzˇje zapnut chrańeˇny´mo´d • registry CR2 a CR3 pro spra´vu strańkovańı´ • ladicı´registry DR0, DR1, DR2, DR3, DR6, DR7 jsou pouzˇı´vańy prˇi ladeˇnı´(debugging) programu˚ • registry tabulek deskriptoru˚ GDTR (adresa globa´lnı´ tabulky deskriptoru˚), LDTR (loka´lnı´), IDTR (deskriptory prˇerusˇenı´), o deskriptorech se budeme ucˇit v prˇedmeˇtu Operacˇnı´syste´my prˇi spra´veˇ pameˇti KAPITOLA 6 PROCESORY 81

• registr u´lohy TR • registry pro testova´nı´TR3, TR4, TR5, TR6, TR7

M Prˇı´klad6.2 R Na´sleduje kra´tky´ko´d assembleru vlozˇeny´do pascalovske´ho souboru: ... asm mov ax,[x1] { do registru AX nacˇteme hodnotu promeˇnne´x1 } mov bx,[x2] { do registru BX nacˇteme hodnotu promeˇnne´x2 } add bx,255 { k˜tomu, co je v˜registru BX, prˇicˇteme cˇı´slo255 } cmp ax,bx { porovna´meobsah registru˚AX a˜BX, vy´sledek je v˜eFlags } jnz @neni_nula { pracujeme s˜prˇı´znakemZF, Jump if not zero } jmp @je_nula { kdyzˇse nerovnajı´,odskocˇı´me(jump) na na´veˇsˇtı´@je_nula } ... @neni_nula: { na toto na´veˇjsˇı´jsme odskocˇili, pokud ax nenı´rovno bx } sub bx,ax { odecˇteme BX = BX - AX } mov ax,[prom] { do registru AX nacˇteme hodnotu promeˇnne´prom } div bx { deˇlı´meAX = AX / BX } mul ax { na´sobı´meAX = AX * AX } jo @preteceni { jestlizˇedosˇlok˜prˇetecˇenı´dostupne´hopameˇt’ove´homı´staprˇi} ... { prˇedchozı´operaci, odskocˇı´mena @preteceni (jump if odd, } end; { prˇı´znakOF) } M

Pozna´mka: U zkousˇky nenı´trˇeba umeˇt odrˇı´kat na´zvy vsˇech registru˚, stacˇı´mı´t prˇedstavu, jake´typy registru˚existujı´, vysveˇtlit, k cˇemu slouzˇı´, umeˇt jmenovat pa´r registru˚ke kazˇde´mu typu (resp. prˇı´znaku˚u rˇı´dicı´ch registru˚) a strucˇneˇjmenovane´charakterizovat.

6.4 Cache pameˇt’

Cache [kesˇ] je vyrovna´vacı´ pameˇt’. Obecneˇ slouzˇı´ jako „mezisklad“ prˇi komunikaci mezi dveˇma ru˚zneˇ rychly´mi komponentami, v prˇı´padeˇprocesorovećache jde o (rychly´) procesor a (pomalou) operacˇnı´pameˇt’. Do cache se prˇednacˇı´tajı´data a instrukce z operacˇnı´pameˇti, o kteryćh se prˇedpokla´da´, zˇe je procesor bude v na´sledujıćıćh krocıćh potrˇebovat. Cache pameˇti jsou vy´razneˇrychlejsˇıńezˇbeˇzˇne´moduly pro operacˇnı´pameˇti, a to prˇedevsˇı´m z du˚vodu pouzˇite´technologie a vnitrˇnı´struktury. Jsou bohuzˇel take´vy´razneˇdrazˇsˇı´, proto velikost cache ma´velky´vliv na cenu procesoru a logicky z financˇnıćh du˚vodu˚bude cache pameˇtı´mnohem meńeˇnezˇoperacˇnı´pameˇti. KAPITOLA 6 PROCESORY 82

Rozlisˇujeme L1 (level 1), L2 (level 2) a L3 (level 3) cache, pak mluvı´me o cache u´rovneˇ1, 2 nebo 3. Prvnı´ a prˇı´padneˇi druhaú´rovenˇcache obvykle by´vajı´rozdeˇleny na dveˇcˇa´sti – cache pro data (D-cache) a cache pro instrukce (I-cache), pak se take´kapacita obou cˇa´stı´mu˚zˇe zapisovat zvla´sˇt’. L1 cache je umı´steˇna prˇı´mo v procesoru, ve vıćeja´drovyćh procesorech ma´ kazˇde´ ja´dro svou vlastnı´ L1 cache. Je nejrychlejsˇıá ma´(logicky) nejmensˇı´kapacitu ze vsˇech trˇıú´rovnıćache (u desktopu˚veˇtsˇinou v desı´tkaćh kB). L1 cache obsahuje data a instrukce, ktere´procesor potrˇebuje okamzˇiteˇ. Svu˚j obsah nacˇı´ta´ obvykle z L2 cache. Nenı´prˇı´stupna´v uzˇivatelske´m rezˇimu. L2 cache je take´ v pouzdrˇe procesoru, mu˚zˇe by´t spolecˇna´ pro vsˇechna ja´dra (taky typicky by´va´). Je prostrˇednı´k mezi L1 cache a operacˇnı´pameˇtı´(nebo L3 cache, pokud ji procesor ma´) a pra´veˇjejı´velikost je velmi du˚lezˇita´pro rychlost cele´ho syste´mu. By´va´veˇtsˇıńezˇL1, obvykla´velikost je ve stovkaćh azˇtisıćıćh kB (pokud se nepouzˇı´va´L3 cache, pak v jednotkaćh MB), ale by´vaó neˇco pomalejsˇıńezˇL1 (zvla´sˇteˇpokud L2 zı´ska´va´data prˇı´mo z operacˇnı´pameˇti, by´va´taktovańa na frekvenci sbeˇrnice slouzˇıćı´ke komunikaci s pameˇt’mi). L3 cache se drˇı´ve objevovala jen sporadicky (v neˇkteryćh Applech a neˇkteryćh serverovyćh rˇesˇenıćh), dnes se s nı´setka´me beˇzˇneˇji. By´va´spolecˇna´pro vsˇechna ja´dra (resp. u vıćeja´drovyćh procesoru˚mu˚zˇe by´t spolecˇna´pro vsˇechny procesory), kapacita v jednotkaćh MB. Obecneˇplatı´, zˇe do L3 mu˚zˇe zapisovat v jeden okamzˇik jen jeden procesor (ja´dro), ale cˇı´st jich mu˚zˇe vıće za´rovenˇ. Dalsˇı´podrobnosti o organizaci cache pameˇtı´se dovı´me v kapitole o vnitrˇnıćh pameˇtech. 6 @Registry L1 cache

Cena @ @ L2 cache @ @ @ L3 cache @ @ @ @ @ @ Operacˇnı´pameˇt’ @ @ @ @ @ - Kapacita

Obra´zek 6.4: Pameˇt’ova´pyramida – drazˇsˇı´typy pameˇtı´majı´mensˇı´kapacitu

Pozna´mka: Velikost cache nejvysˇsˇı´pouzˇiteú´rovneˇma´velky´dopad na rychlost cele´ho syste´mu. Zvla´sˇteˇu u´spornyćh procesoru˚bychom si na velikost L2 (nebo L3) cache meˇli da´vat velky´pozor. Na obra´zku 6.4 je zna´zorneˇna tzv. pameˇt’ova´pyramida, kde vidı´me, zˇe cˇı´m drazˇsˇı´pameˇt’,tı´m je jı´meńeˇ(a tı´m blı´zˇe by´va´ja´dru˚m procesoru). KAPITOLA 6 PROCESORY 83

Dalsˇı´informace: • http://www.tomshardware.com/reviews/cache-size-matter,1709.html • http://www.root.cz/clanky/vyrovnavaci-pameti-cache/

6.5 Instrukcˇnı´sada

Instrukcˇnı´sada je sada instrukcı´procesoru. Instrukce je cˇı´slo slozˇene´z teˇchto informacı´: • identifikace instrukce (operacˇnı´znak) • typ operandu˚(urcˇenı´jejich de´lky) • dalsˇıínformace, naprˇı´klad kteryímplicitnı´registr se ma´pouzˇı´t • samotneóperandy R Naprˇı´klad pro assemblerovou instrukci MOV AX, 0x1234 je prˇı´slusˇna´strojovaínstrukce na 32bitove´m syste´mu 0xB8 0x34 0x12, bina´rneˇ1011 1 000 110100 10010. Strojovy´ko´d je posloupnost instrukcı´v cˇı´selne´formeˇ. Strojovy´ko´d je samozrˇejmeˇcharakteristicky´pro dany´procesor (resp. hardwarovou architekturu), ale pokud ma´me v operacˇnı´m syste´mu spustitelny´soubor (trˇeba .exe ve Windows), nejedna´se cˇisteˇo strojovy´ko´d – je tam i spousta informacıúrcˇenyćh operacˇnı´mu syste´mu. Operacˇnı´syste´m zde vlastneˇfunguje jako interpretacˇnı´prˇekladacˇ, ktery´postupneˇnacˇı´taú´daje ze spustitelne´ho souboru, a to, co je prˇı´mo strojovy´m ko´dem procesoru, posı´la´samotne´mu procesoru. Procesor zpracuje beˇhem jedine´ho taktu urcˇite´mnozˇstvıínstrukcı´. Toto mnozˇstvıńeza´visı´pouze na typu procesoru, ale na konkre´tnı´m typu teˇch instrukcı´, ktere´v dane´m taktu zpracova´va´(neˇktereínstrukce jsou na´rocˇneˇjsˇı´, jine´se hu˚rˇe kombinujı´). Naprˇı´klad staryÍntel Pentium 4 pracujıćıńa frekvenci 2,4 GHz na FSB 800 MHz zpracoval pru˚meˇrneˇ4 instrukce za takt, Intel Core i7 Extreme 965 pracujıćıńa frekvenci 3,2 GHz zpracuje pru˚meˇrneˇ23,9 instrukcı´za takt.

Prˇı´davneínstrukcˇnı´sady. Procesory podporujı´vıće ru˚znyćh instrukcˇnıćh sad, naprˇı´klad • internı´sada instrukcı´ typu RISC a externı´typu CISC, mu˚zˇe by´t emulovana´(AMD pouzˇı´va´sadu AMD64, Intel takte´zˇsadu 64bitovyćh instrukcıÉM64T). • MMX (MultiMedia Extension, 1995) – multimedia´lnı´sada podle principu SIMD (57 instrukcı´, 4 nove´ datove´typy), poprve´byla pouzˇita u Pentiı´. Implementuje celocˇı´selne´64bitove´registry MM0..MM7, ktere´se fyzicky kryjı´s registry pro cˇı´sla v plovoucı´rˇa´dovećˇa´rce ST0..ST7; pracuje s cely´mi cˇı´sly. • 3DNow! – konkurencˇnı´multimedia´lnı´technologie od firmy AMD (1998), pracuje take´s cˇı´sly v plovoucı´ rˇa´dovećˇa´rce, pozdeˇji byla zverˇejneˇna nova´varianta – Enhanced 3DNow!. • SSE (Streaming SIMD Extensions, 1999, pro Pentium III) – pu˚vodneˇse oznacˇovala jako MMX2, jde o vylepsˇenı´MMX, byly prˇidańy noveínstrukce (70) a dalsˇı´128bitove´registry XMM0..XMM7, z nichzˇ kazˇdyóbsahoval cˇtyrˇi 32bitove´registry pro cˇı´sla v plovoucı´desetinnećˇa´rce. • 3DNow! Professional – opeˇt odpoveˇd’ AMD, a to pro ja´dra Palomino. Obsahovala sadu 3DNow! a intelovskou SSE. KAPITOLA 6 PROCESORY 84

• SSE2 (Pentium 4 s ja´drem Northwood), SSE3 (Pentium 4 s ja´drem Prescott), SSE4 (Core 2 Duo s ja´drem Conroe). • SSE5 (2007) – prˇedstavena firmou AMD pro 64bitovy´procesor Buldozer (2009). • AVX (Advanced Vector Extensions, vznik 2008/09, nasazenı´2010–2011). • AVX 2.0 – druha´verze, dnes jizˇbeˇzˇna´. Multimedia´lnıínstrukcˇnı´sady jsou typicky SIMD (Single Instruction Multiple Data, vektorove´sady). R Nejnoveˇjsˇı´z teˇchto instrukcˇnıćh sad, AVX od Intelu, je urcˇena pro operace na vektorech dat (sˇı´rˇka azˇ 256 bitu˚), ktera´mj. zava´dıńovy´prvek – nedestruktivnı´vy´pocˇty (prˇi pokusu o prˇepis registru pouzˇite´ho prˇi vy´pocˇtu se vy´sledek ve skutecˇnosti ulozˇı´jinam a neprˇepı´sˇe tento registr). U´ cˇelem je akcelerace vy´po- cˇtu˚s multime´dii, 3D modelovańı´, financˇnı´vy´pocˇty, veˇdecke´simulace apod., tyto instrukce prova´dı´FPU (matematicky´koprocesor).

6.6 Rezˇimy procesoru

Soucˇasne´procesory mohou pracovat minima´lneˇv teˇchto dvou rezˇimech: 1. rea´lny´ – procesor se chova´jako i8086, pouzˇı´va´jen 20 bitu˚na adresove´sbeˇrnici (1 MB), nelze pouzˇı´t ochranu pameˇti a tedy ani multitasking, veˇtsˇinou existuje podpora segmentace pameˇti 2. chrańeˇny´ (privilegovany´) – procesor pouzˇı´vaćely´rozsah adresove´sbeˇrnice, vyuzˇı´va´podpu˚rneób- vody pro tento rezˇim vcˇetneˇdalsˇıćh registru˚(prˇı´stupnyćh jen v chrańeˇne´m rezˇimu), implementace ochrany pameˇti, prˇedpoklad multitaskingu, dovoluje prˇepıńat mezi rezˇimem ja´dra (privilegovany´m) a uzˇivatelsky´m rezˇimem R Rea´lny´rezˇim procesoru Omezenıádresace na 1 MB pameˇti se obcha´zı´takto: • spusˇteˇny´proces (program) ma´prˇideˇleny segmenty pameˇti pro konkre´tnıúćˇely (naprˇı´klad u Intelu ko´d, data, dalsˇı´data, za´sobnı´k, halda) • absolutnıádresy zacˇa´tku segmentu˚zacˇıńajı´vzˇdy na adrese, ktera´je dvojkoveˇzaokrouhlenańejmeńeˇ na 4 bity (tj. adresa v bina´rnı´podobeˇkoncˇıńejmeńeˇcˇtyrˇmi nulami) • v segmentovyćh registrech se ukla´daúpravenaábsolutnıádresa zacˇa´tku segmentu posunutaó 4 bity doprava bina´rneˇ hex. absolutnıádresa segmentu: 1001101100100000 9B20 v segmentove´m registru: 100110110010 9B2 • pouzˇı´va´me relativnıádresy uvnitrˇsegmentu (offset), ty se ukla´dajı´do ostatnıćh adresovyćh a univerza´lnıćh registru˚ Soucˇasneóperacˇnı´syste´my tento rezˇim prˇı´mo nevyuzˇı´vajı´, setka´me se s nı´m v BIOSu, v neˇkteryćh diagnos- tickyćh bootovacıćh programech apod. Chrańeˇny´ (privilegovany´) rezˇim znamena´ prˇedevsˇı´m mozˇnost (ne nutnost) hardwarove´ ochrany pameˇti. Od prˇedchozı´ho se lisˇı´ prˇidańı´m neˇkteryćh soucˇa´stı´ (jsou prˇidańy neˇktere´ registry a prˇı´znaky) a odlisˇny´m zpracovańı´m adres. KAPITOLA 6 PROCESORY 85

Na procesorech rodiny x86 existujı´pro chrańeˇny´rezˇim celkem cˇtyrˇi Ring 3 okruhy (ring) – Ring 0, Ring 1, Ring 2 a Ring 3. Prvnı´z nich (Ring 0) Ring 2 je nejle´pe zabezpecˇeny´, v neˇm obvykle beˇzˇı´ja´dro operacˇnı´ho syste´mu, Ring 1 kdezˇto procesy beˇzˇıćı´v jinyćh okruzıćh nemajı´do tohoto okruhu prˇı´my´ prˇı´stup. Obvykle platı´, zˇe v Ring 3 beˇzˇı´vsˇe kromeˇja´dra (tj. beˇzˇne´pro- Ring 0 cesy). R Ring 1 a Ring 2 veˇtsˇinou nejsou pouzˇı´vańy. Prˇesto je lze vyuzˇı´t pro dalsˇı´rozsˇka´lovańı´prˇı´stupovyćh opra´vneˇnıá naprˇı´klad s Ring 1 se setka´me u neˇkteryćh virtualizacˇnıćh technik, zejmeńa na serverech. Adresace probı´haódlisˇneˇv privilegovane´m rezˇimu (Ring 0) a v uzˇi- vatelske´m rezˇimu (Ring 3). V privilegovane´m rezˇimu jsou v segmento- vyćh registrech prˇı´mo adresy segmentu˚, kdezˇto v uzˇivatelske´m rezˇimu Obra´zek 6.5: Hardwarovaóchrana najdeme v teˇchto registrech selektory. prostrˇedku˚– okruhy

M Prˇı´klad6.3 R Adresace ve Windows v chra´neˇne´m rezˇimu funguje takto: • pro ru˚zne´objekty vcˇetneˇbloku˚(segmentu˚) pameˇti se pouzˇı´vajı´ deskriptory (popisovacˇe), kazˇdy´deskriptor obsahuje GDT Proces ABCD ... LDT deskriptor (ABCD) - ...... deskriptor (promeˇnne´) ... 6

Operacˇnı´syste´m Promeˇnne´ - prom selektor offset ......

Instrukce ... read prom ...

Obra´zek 6.6: Tabulky deskriptoru˚ve Windows

– data souvisejıćı´s pouzˇı´vańı´m objektu (naprˇ. u segmentu pameˇti umı´steˇnı´, velikost, typ, apod., u zarˇı´zenı´jeho identifikaci, popis, pozˇadavky na zdroje, atd.) – prˇı´stupovaópra´vneˇnı´(SID s jejich prˇı´padny´mi opra´vneˇnı´mi) • mı´sto prˇı´myćh adres segmentu˚se pouzˇı´vajı´selektory; selektor je ukazatel na deskriptor (popisovacˇ) KAPITOLA 6 PROCESORY 86

• kazˇdy´proces (vcˇetneˇsyste´movyćh) ma´svou vlastnı´LDT (Local Descriptor Table) s deskriptory vlast- nıćh objektu˚ • existuje tabulka GDT (Global Descriptor Table) vedena´syste´mem, ve ktere´jsou deskriptory tabulek LDT vsˇech procesu˚ • selektor je ukazatel do tabulky deskriptoru˚, obsahuje – index rˇa´dku v dane´tabulce LDT nebo GDT (u pameˇti jde o deskriptor dane´ho segmentu), – informaci, zda jde o index v GDT (bit je nastaven na hodnotu 0) nebo LDT (nastaven na 1), – dva bity pro u´rovenˇopra´vneˇnı´(u Windows je to 00 pro ring0 nebo 11 pro ring3) • v uzˇivatelske´m rezˇimu jsou v segmentovyćh registrech selektory, tj. adresujeme dvojicı´ selektor:offset • segmenty jsou da´le deˇleny na strańky, tj. prˇeklad virtua´lnıádresy ve tvaru selektor:offset na fyzickou je vıćeu´rovnˇovy´ M

U noveˇjsˇıćh procesoru˚se objevila ochrana proti spousˇteˇnı´ko´du na pameˇt’ovyćh strańkaćh s daty. U procesoru˚AMD jde o NX bit (Non-Executive), u Intelu XD bit (Execute Disable). Pokud ma´strańka nastaven tento bit na 1, je povazˇovańa za datovou a prˇi pokusu o zacha´zenı´s obsahem strańky jako s ko´dem (spusˇteˇnı´ instrukcı´zde ulozˇenyćh) je vyvolańa vy´jimka, ktera´veˇtsˇinou koncˇıúkoncˇenı´m procesu, ktery´se o to pokusil. U´ cˇelem je zabrańit u´toku˚m typu prˇetecˇenı´pameˇti.

6.7 Vlastnosti procesoru˚

6.7.1 Za´kladnı´vlastnosti

U procesoru˚na´s zajı´majı´tyto vlastnosti: • pracovnı´frekvence (MHz, GHz) – kolik instrukcˇnıćh cyklu˚procesor vykona´za vterˇinu – vnitrˇnı´– jak rychle pracuje procesor – vneˇjsˇı´– jak rychle komunikuje se svy´m okolı´m • MIPS (milion integer operations per second, celocˇı´selnyćh operacı´za sekundu) – nenı´prˇı´lisˇvypovı´da- jıćı´, protozˇe procesory s ru˚zny´mi typy instrukcˇnıćh sad jsou takto nesrovnatelne´ • MFLOPS (milion floating-point operations per second) – tote´zˇ, ale pro cˇı´sla v plovoucı´rˇa´dovećˇa´rce • ekologie – materia´ly, vy´roba, recyklace • technologie vy´roby • pocˇet jader, velikost cache, podporovaneínstrukce, jak ho lze uchladit, apod. • vlastnosti souvisejıćı´s kompatibilitou – patice, do ktere´patrˇı´, se ktery´mi cˇipovy´mi sadami spolupracuje, atd. KAPITOLA 6 PROCESORY 87

6.7.2 Pipelining a . . . skala´rnı´architektury

Pipelining (zrˇeteˇzene´zpracovańı´, prˇekry´vańıínstrukcı´) je rozdeˇlenı´zpracovańı´jedneínstrukce mezi ru˚zne´ cˇa´sti procesoru, zpracova´va´se vıće instrukcıńajednou. Mu˚zˇe vypadat takto:

1. nacˇtenıínstrukce 1. nacˇtenıá deko´dovańıínstrukce 2. deko´dovańıá nacˇtenıóbsahu registru˚ 2. provedenıínstrukce a ulozˇenı´ 3. vyhodnocenıínstrukce vy´sledku 4. prˇı´stup do pameˇti 5. ulozˇenı´vy´sledku do registru˚

⇒ procesor je slozˇen z nejmeńeˇdvou spolupracujıćıćh soucˇa´stı´(skala´rnıárchitektura) ⇒ cˇı´m vıće cˇa´stı´(rˇeteˇz, pipeline), tı´m vıće instrukcı´je zpracova´vańo najednou, lze prove´st vıće nezˇjednu instrukci za jeden cyklus procesoru (ovsˇem vsˇechno ma´sve´meze, i efektivita zvysˇovańı´pocˇtu pipelines) Rozlisˇujeme: • Skala´rnı´ (pipelining) – jednu instrukci zpracova´vajı´postupneˇru˚znećˇa´sti procesoru, ktere´jsou navza´jem zrˇeteˇzeny (fronta) • Superskala´rnı´ – takovyćh zrˇeteˇzenıéxistuje vıće nezˇjedno (vıće front) • Hyperskala´rnı´ – prodluzˇovańı´front

6.7.3 Out-of-Order Execution

Out-of-Order Execution (vyhodnocovańı´mimo porˇadı´) znamena´prova´deˇnıínstrukcı´mimo porˇadı´, tj. instrukce mohou by´t vyhodnocovańy v jine´m porˇadı´, nezˇv jake´m prˇicha´zejı´do procesoru (rˇadicˇsi je prˇeuspo- rˇa´da´va´). Vy´robci procesoru˚zde byli inspirovańi architekturou data-flow. Nelze-li neˇkterou instrukci prove´st (potrˇebuje data, ktera´jesˇteˇnebyla nacˇtena), odlozˇı´ji a prova´dı´jinou, pokud to logika programu dovoluje. Prvnı´pokusy s prova´deˇnı´m instrukcı´mimo porˇadı´byly jizˇv roce 1964, prvnı´mikroprocesor pouzˇı´vajıćı´ Out-of-Order byl Power1 od IBM (pouze pro operace s cˇı´sly v pohyblive´rˇa´dovećˇa´rce), pozdeˇji se tento mechanismus sta´va´beˇzˇny´m.

Pozna´mka: Procesory Intel Atom od zacˇa´tku nebyly vybaveny podporou Out-of-Order. Du˚sledkem byly sˇpatne´vy´sledky ve vy´konnostnıćh testech (a obecneˇsˇpatny´vy´kon) i prˇi pomeˇrneˇvysoke´m taktovańıá vıće ja´drech. Tato funkce tedy dost ovlivnˇuje vy´kon procesoru. V Atomech nebyla implementovańa, protozˇe vyzˇaduje mı´sto pro umı´steˇnı´prˇı´slusˇnyćh integrovanyćh obvodu˚(Atomy majı´by´t co nejmensˇı´) a procesor se vıće zahrˇı´va´ (cozˇby taky vadilo). KAPITOLA 6 PROCESORY 88

6.7.4 Register Renaming a prˇedbeˇzˇne´vyhodnocova´nı´

Register Renaming (prˇejmenova´vańı´ registru˚): Procesor ma´ vıće fyzickyćh nezˇ logickyćh registru˚, a proto mu˚zˇe pouzˇı´t tenty´zˇ logicky´ na´zev pro dva fyzicke´ registry. Ty registry, ktere´ jsou „navıć“, jsou softwaroveˇneviditelne´.

Speculative Execution (spekulativnı´vyhodnocovańı´) znamena´spekulativnı´vyhodnocovańı´toho ko´du, ktery´forma´lneˇnenıńutne´vyhodnocovat, ale v blı´zke´budoucnosti by to mohlo by´t uzˇitecˇne´. Pouzˇı´va´se cˇasto prˇi predikci skoku˚u veˇtvenı´v ko´du (Branch Prediction), ktere´jsou proble´mem zvla´sˇteˇprˇi pouzˇı´vańı´ pipeliningu.

Branch Prediction je predikce skoku˚prˇi veˇtvenı´v ko´du (odhad, kterou veˇtvı´se bude pokracˇovat), branch = veˇtev. Modul procesoru, ktery´prova´dı´Branch Prediction, se nazy´va´BPU (Branch Prediction Unit). BPU mu˚zˇe pu˚sobit drobne´proble´my zejme´na prˇi kombinaci s pipeliningem.

R Loop Stream Detector (LSD) detekuje, kdy procesor prova´dı´smycˇku (loop). Pokud zjistı´, zˇe se procesor opakovaneˇvracı´v ko´du, vypne predikci smycˇek. To znamenaú´sporu energie prˇi cˇasto se opakujıćıćh u´lohaćh (predikce veˇtvenı´take´spotrˇebova´vaénergii).

6.7.5 HyperThreading, vı´cejader, vı´ceprocesoru˚

HyperThreading: Jeden fyzicky´procesor se hla´sı´syste´mu jako dva logicke´se sdı´leny´mi prostrˇedky. Logicke´procesory majı´veˇtsˇinu prostrˇedku˚spolecˇnyćh, ale neˇktere´vlastnı´– naprˇı´klad rˇadicˇe prˇerusˇenı´. U´ cˇe- lem je vyrˇesˇit propast mezi frekvencı´procesoru a frekvencemi pameˇtı´, na´ru˚st vy´konu je uda´vań prˇedevsˇı´m u vıćevla´knovyćh aplikacı´v desı´tkaćh procent. V rea´lu jde o soucˇasny´beˇh dvou „jader“ uvnitrˇjedine´ho – ALU pro celocˇı´selneóperace a FPU pro operace v plovoucı´rˇa´dovećˇa´rce. Pokud dany´procesor podporuje HyperThreading, operacˇnı´syste´m „vidı´“ virtua´lnı´procesory stejneˇ jako rea´lne´, tedy hla´sı´dvojna´sobny´pocˇet nezˇve skutecˇnosti. Je trˇeba upozornit, zˇe tato technologie je pouze na procesorech Intelu.

Vıćejader: Ja´dro procesoru je tvorˇeno prˇedevsˇı´m ALU, FPU, rˇadicˇem, registry a dalsˇı´mi du˚lezˇity´mi podpu˚rny´mi soucˇa´stmi. Vıćeja´drovy´procesor je procesor, kteryóbsahuje vıće jader integrovanyćh v jedine´m cˇipu a da´le logiku urcˇenou k jejich propojenı´. Vyuzˇı´va´se toho, zˇe vıće jednoduchyćh jader ma´vysˇsˇı´vy´pocˇetnı´vy´kon s nizˇsˇı´mi na´klady na stejne´plosˇe krˇemı´kove´desticˇky nezˇjedno slozˇiteńa te´zˇe plosˇe se stejnou vy´robnı´technologiı´.

Pozna´mka: Soucˇasne´procesory by´vajı´beˇzˇneˇvıćeja´drove´. Obvykle se jednaó pocˇty jader, ktere´jsou mocninou cˇı´sla 2 (2, 4, 8 apod.), ale mu˚zˇeme se setkat dokonce i s lichy´m pocˇtem (prˇedevsˇı´m u procesoru˚firmy AMD), naprˇı´klad 3 (AMD Phenom II X3). Pu˚vodneˇsˇlo o procesory s neˇktery´m ja´drem (ja´dry) vadny´m a tedy deaktivovany´m KAPITOLA 6 PROCESORY 89

(naprˇı´klad 3ja´drovy´procesor byl vlastneˇ4ja´drovy´procesor s jednı´m ja´drem deaktivovany´m), oﬁcia´lneˇse u AMD pocˇı´ta´s vy´robou „na zaka´zku“ – za´kaznı´k bude mı´t tolik jader, kolik bude chtı´t.

R U procesoru˚se 4 nebo vıće ja´dry se take´mu˚zˇeme setkat se „skla´dańı´m“ meńeˇja´drovyćh procesoru˚do jednoho vıćeja´drove´ho. Naprˇı´klad cˇtyrˇja´drovyĆore 2 Quad byl v prvnıćh edicıćh slozˇenı´m dvou dvouja´d- rovyćh procesoru˚Core 2 Duo. Oba „podprocesory“ jsou na jednom cˇipu, ale majıóddeˇlenou L2 cache. Dalsˇı´veˇc, se kterou se dnes cˇasto setka´va´me u vıćeja´drovyćh procesoru˚Intel, je kombinace s funkcı´ HyperThreading. Proto naprˇı´klad 2ja´drovy´procesor podporujıćı´tuto technologii se mu˚zˇe jevit jako 4ja´drovy´. Vıćeprocesoru˚: Multiprocessing znamena´vıće procesoru˚v jednom syste´mu. Vıće procesoru˚na jedne´ za´kladnı´desce je obvyklyćh spı´sˇe u serverovyćh platforem, na desktopech se setka´va´me s jednı´m vıćeja´drovy´m procesorem. Vıće procesoru˚(a vlastneˇtake´jader) by meˇlo by´t podporovańo operacˇnı´m syste´mem, aby vu˚bec mohly by´t vyuzˇity: • jednoprocesorove´ (monoprocesorove´) – Windows s DOS ja´drem (verze 9x, ME), • vıćeprocesorove´ (multiprocesorove´) – unixove´syste´my vcˇetneˇLinuxu, Windows s NT ja´drem (NT, 2000, XP, Vista), doka´zˇou rozplańovat alesponˇ neˇktere´ u´lohy tak, aby mohly by´t zpracova´vańy na vıće procesorech za´rovenˇ. Rozlisˇujeme dva typy multiprocessingu podle toho, zda jednotlive´procesory jsou/nejsou vyuzˇı´vańy univerza´lneˇktery´mkoliv procesem: • asymetricky´(ASMP) – jeden procesor je vyhrazen pro procesy syste´mu a uzˇivatelske´procesy beˇzˇıńa ostatnıćh procesorech, • symetricky´(SMP) – ktery´koliv proces mu˚zˇe beˇzˇet na ktere´mkoliv procesoru, dnes beˇzˇna´forma.

6.7.6 Podpora virtualizace

Virtua´lnı´stroj je soucˇa´st syste´mu, ktera´ma´prˇideˇlenu cˇa´st zdroju˚syste´mu (pameˇt’, cˇas procesoru apod.), slouzˇı´k izolovańı´procesu˚od syste´mu (proces beˇzˇıćı´ve virtua´lnı´m stroji vidı´jen tento virtua´lnı´stroj a nic jine´ho vcˇetneˇskutecˇne´ho syste´mu). Virtualizace si postupneˇnasˇla cestu i k procesoru˚m. Pokud procesor podporuje virtualizaci, pak virtua´lnı´ stroj beˇzˇı´ mnohem efektivneˇji a bezpecˇneˇji, rychlost beˇhu virtualizovane´ho syste´mu se prakticky rovna´ rychlosti beˇhu nativnıćh nevirtualizovanyćh procesu˚ (instrukce virtualizovane´ho syste´mu nejsou pouze simulovańy, ale vyhodnocuje je prˇı´mo procesor). Podpora v procesorech: • AMD: technologie Pacifica (AMD-V), dostupne´v AMD Athlon 64, Athlon 64 X2, Turion 64 X2, Opteron 2. a 3. generace, Phenom • Intel: technologie Vanderpool (Intel VT), dostupne´v Core, neˇkteryćh Core 2 Duo, Core Solo a noveˇjsˇıćh, ale v zˇa´dnyćh variantaćh Celeronu nebo Pentium M • VIA: podporu virtualizace najdeme v procesoru VIA Nano KAPITOLA 6 PROCESORY 90

Kromeˇza´kladnı´hardwarove´virtualizace mohou procesory podporovat prˇı´davne´virtualizacˇnı´funkce, na- prˇı´klad k intelovske´technologii VT (u desktopu˚cˇasto oznacˇovane´jako VT-x, pro severove´procesory Itanium VT-i) se u drazˇsˇı´ch modelu˚prˇida´va´VT-d, cozˇje virtualizace komunikace s I/O zarˇı´zenı´mi.

Pozna´mka: Kromeˇprocesoru musı´hardwarovou virtualizaci podporovat BIOS (tj. za´kladnı´deska) a chipset. V BIOSu je virtualizace mnohdy vypnuta, protozˇe ji zneuzˇı´val rootkit Blue Pill.

Aby mohla hardwarova´virtualizace fungovat, musı´by´t podporovańa takeú softwarovyćh virtualizacˇnıćh na´stroju˚(jinak tyto na´stroje sice fungujı´, ale pomaleji), podporuje naprˇı´klad VMWare, KVM, Xen. Funkcˇnı´hardwarovou virtualizaci (u procesoru, BIOSu, za´kladnı´desky a chipsetu) vyzˇaduje take´technologie XP mode v drazˇsˇıćh variantaćh Windows 7, urcˇena´pro bezproble´movy´beˇh starsˇıćh aplikacı´.

Dalsˇıínformace: Pod Windows potrˇebujeme pro zjisˇteˇnı´virtualizace naprˇı´klad CPU-Z nebo jiny´podobnyńa´stroj, v Linuxu se obvykle stacˇı´podı´vat do neˇkteryćh souboru˚. Souhrn o detekci hardwarove´virtualizace v Linuxu je na http://www.cyberciti.biz/faq/linux-xen-vmware-kvm-intel-vt-amd-v-support/

6.7.7 Energeticka´na´rocˇnost a spra´va energie

V soucˇasne´dobeˇje jednı´m z nejdu˚lezˇiteˇjsˇıćh parametru˚mnozˇstvı´spotrˇebovaneénergie a prakticky vsˇichni vy´robci procesoru˚nabı´zejıékologicke´varianty svyćh procesoru˚s nı´zkou spotrˇebou. Hodnota, podle ktere´se posuzuje energetickańa´rocˇnost procesoru, se oznacˇuje TDP (Thermal Design Power) – u Intelu, resp. Wattage – u AMD. Uda´va´se ve Watech. Uvedena´hodnota je du˚lezˇitańejen pro odhad energeticke´spotrˇeby procesoru, ale prˇedevsˇı´m pro urcˇenı´vhodneú´rovneˇchlazenı´(protozˇe se vzru˚stajıćı´ spotrˇebou roste mnozˇstvı´produkovane´ho tepla, ktere´je nutno od procesoru odve´st), takzˇe je tı´m urcˇeno, jakyćhladicˇvlastneˇpotrˇebujeme. U obou firem je tı´m mıńeˇno neˇco podobne´ho, ale kazˇda´firma „svu˚j“ pojem definuje trochu jinak (zjednodusˇeno): • Intel: TDP odpovı´da´ mnozˇstvı´ energie vyza´rˇene´ ve formeˇ tepla, ktere´ je nutno odve´st chlazenı´m. Skutecˇna´definice se lisˇı´pro ru˚zne´generace pocˇı´tacˇu˚Intel. • AMD: Wattage je maxima´lnı´mnozˇstvıénergie, ktere´procesor odebı´ra´ve vyćhozı´m nastavenı´.

Pozna´mka: Vzhledem k tomu, zˇe Intel a AMD tento pojem definujıódlisˇneˇ, nelze podle tohoto parametru jejich produkty srovna´vat. Navıć takove´procesory mı´vajı´ru˚zneˇimplementovańy i technologie rˇı´zenı´spotrˇeby,tedy spotrˇeba a vyzarˇovańı´tepla za beˇzˇne´ho provozu (kdy procesor nenıńeusta´le plneˇvyteˇzˇovań) bude odlisˇna´. KAPITOLA 6 PROCESORY 91

Ovsˇem abychom to prˇı´lisˇnekomplikovali, budeme u obou vy´robcu˚pouzˇı´vat souhrnneˇpojem „TDP“, trˇebazˇe to nenı´zcela spra´vneˇ. Zatı´mco beˇzˇne´procesory majı´TDP beˇzˇneˇv desı´tkaćh W (i prˇes 100), tak naprˇı´klad u procesoru˚Atom cˇi jinyćh urcˇenyćh pro netbooky (VIA Nano) to je obvykle kolem 10 W nebo v jednotkaćh Wattu˚. Procesory oznacˇene´jako ULV (Ultra Low Voltage) majı´take´TDP nı´zke´, jsou urcˇeny do notebooku˚, ktere´majı´dlouho vydrzˇet prˇi beˇhu na baterii.

M Prˇı´klad6.4 Jak zjistit TDP a dalsˇı´vlastnosti procesoru: A) Procesory Intel: 1. najdeme strańky http://ark.intel.com/ 2. zada´me typ procesoru, kteryńa´s zajı´ma´(nebo ho najdeme v seznamu) Naprˇı´klad pro Intel Core i7-4770K zı´ska´me kromeˇjine´ho tyto u´daje: • TDP je 84 W, • 64bitovy´procesor se 4 fyzicky´mi ja´dry podporujıćı´Hyperthreading, na frekvenci azˇ3,9 GHz, vyroben 22nm technologiı´, • L3 cache je 8 MB (je zde nazy´vańa Smart Cache), socket LGA 1150, • podporuje virtualizaci, XD bit a monitorovańı´teploty procesoru. Da´le vyzkousˇı´me Atom D2550: • TDP je 10 W, • je to dvouja´drovy´procesor, ale protozˇe podporuje HyperThreading, jevı´se syste´mu jako cˇtyrˇja´drovy´, • je 64bitovy´, ale ma´pouze 32bitovou adresovou sbeˇrnici (tj. adresuje max. 4 GB pameˇti), je vyroben 32nm technologiı´, L2 cache je pouze 1 MB, • mnozˇina podporovanyćh funkcı´je pomeˇrneˇmala´(ani virtualizace). B) Procesory AMD: 1. najdeme strańky http://products.amd.com/en-us 2. vybereme procesor, kteryńa´s zajı´ma´ Naprˇı´klad pro AMD FX-8350 zı´ska´me kromeˇjine´ho tyto informace: • TDP (Wattage) je 125 W, • 64bitovy´procesor vyrobeny´32nm technologiı´, pro socket AM3+, • frekvence 4 GHz, 8 jader, L2 cache je 1024 kB, kazˇde´ja´dro ma´vlastnı´L2 cache, velikost L3 cache je nezna´ma´, • podpora virtualizace. Najdeme jesˇteˇinformace o procesoru A10-7850K: • TDP je pouze 25 W, • 64bitovy´procesor vyrobeny´32nm technologiı´, pro socket FP2 (je notebookovy´, takzˇe tato informace nenıázˇtak du˚lezˇita´), • 4ja´drovy´, frekvence 2 GHz. M KAPITOLA 6 PROCESORY 92

Jak bylo vy´sˇe zmı´neˇno, existujı´ru˚zne´technologie spra´vy energie. Na nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´se nynı´podı´va´me.

Intel SpeedStep, AMD PowerNow! jsou technologie spra´vy energie urcˇene´ pro notebooky. Jsou zalo- zˇeny na principu dynamicke´zmeˇny taktovacı´frekvence procesoru podle momenta´lnı´ho vytı´zˇenı´jader. Za norma´lnı´ch okolnostı´procesor pracuje na nı´zke´frekvenci (nı´zka´spotrˇeba energie), ale prˇi na´ru˚stu za´teˇzˇe se postupneˇzvy´sˇı´frekvence.

AMD Cool’n’Quiet je adaptace PowerNow! na desktopech a serverech, funguje podobneˇ(take´prˇi zvy´sˇenı´za´teˇzˇe navysˇuje frekvenci), take´prova´dı´dynamickye´zmeˇny napeˇtı´procesoru (o vy´znamu zmeˇn napeˇtı´najdete informace v sekci o prˇetaktova´nı´, strana 117).

Intel Turbo Boost, AMD Turbo Core jsou urcˇeny pro desktopy. Prˇedstavujı´mozˇnost kra´tkodobe´ho (cca 25 s) neˇkolikana´sobne´ho navy´sˇenı´frekvence jader prˇi za´teˇzˇi. Narozdı´l od prˇedchozıćh se jednaó vy´razneˇjsˇı´, ale zato kra´tkodobeńavy´sˇenı´frekvence. Frekvence nesmı´by´t vysoka´moc dlouho, protozˇe procesor zacˇne vyzarˇovat vıće tepla a prˇi prˇekrocˇenı´hranice stanovene´hodnotou TDP by nebylo mozˇne´procesor uchladit (du˚sledkem by byla nestabilita ve vy´pocˇtech, pa´d syste´mu, v horsˇı´m prˇı´padeˇ„uvarˇenı´“ procesoru), proto se po kra´tkodobe´m navy´sˇenı´frekvence postupneˇsnizˇuje tak, aby chlazenı´porˇa´d zu˚stalo pod hranicı´danou TDP (teplota roste postupneˇ, tedy i frekvence klesa´„synchronizovaneˇ“). Tato technologie je prˇıńosna´take´tehdy, kdyzˇje jedno ja´dro vytı´zˇeno vıće nezˇostatnı´ja´dra (je zvy´sˇena jeho frekvence) – technologii lze uplatnˇovat zvla´sˇt’na jednotliva´ja´dra.

C U´ koly

1. Na strańce http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm si vyberte ktery´koliv procesor firmy Intel a zjisteˇte jeho vlastnosti vcˇetneˇhodnoty TDP a podpory technologiı´spra´vy energie. Pak najdeˇte dalsˇı´ informace o tomto procesoru podle na´vodu v prˇı´kladu 6.7.7 (zacˇıńańa straneˇ 91). 2. Vyberte si ktery´koliv procesor firmy AMD a podle na´vodu v prˇı´kladu 6.7.7 zjisteˇte jeho vlastnosti vcˇetneˇhodnoty TDP a podpory technologiı´spra´vy energie. 3. Adresy http://ark.intel.com/ a http://products.amd.com/en-us si velmi dobrˇe zapamatujte, pra´veˇtam najdete informace o procesorech teˇchto firem. Nicmeńeˇ, firma AMD zjevneˇdo u´drzˇby svyćh strańek mnoho cˇasu neinvestuje. C

6.7.8 R Little a Big Endian

Prˇedpokla´dejme, zˇe ukla´da´me velkećˇı´slo (vıće B) do pameˇti. V jake´m porˇadı´ se jednotlive´ Byty cele´ho datove´ho typu ukla´dajı´? Existujı´tyto trˇi za´kladnı´postupy: • Little Endian – nejnizˇsˇı´Byte se zapisuje na nizˇsˇıádresu (procesory Intel, DEC Alpha) • Big Endian – nejvysˇsˇı´Byte se zapisuje na nizˇsˇıádresu (procesory Motorola, SPARC) • Mixed Endian – pomıćhaneˇ(procesor PDP) KAPITOLA 6 PROCESORY 93

Power PC od IBM doka´zˇe pracovat obeˇma postupy. Rozlisˇuje dva mo´dy: big a little, mezi nimi se prˇepı´na´ podle momenta´lnı´ho nastavenı´.

M Prˇı´klad6.5 Na adresu 400 (hexadecima´lneˇ) ulozˇı´me hexadecima´lnı´cˇı´slo 1234ABCD: mov EAX, 1234ABCDh mov [400h], EAX ; EAX je 32-bitovy´

Little Endian: Big Endian: • adresa 400h = CDh • adresa 400h = 12h • adresa 401h = ABh • adresa 401h = 34h • adresa 402h = 34h • adresa 402h = ABh • adresa 403h = 12h • adresa 403h = CDh

400 401 402 403 400 401 402 403 ... CD AB 34 12 ...... 12 34 AB CD ... M

Proble´my s endians mohou nastat prˇi komunikaci s jiny´m pocˇı´tacˇem v sı´ti, ktery´pouzˇı´va´jine´porˇadı´, a nebo prˇi komunikaci se zarˇı´zenı´m, ktere´pouzˇı´va´jine´porˇadı´(ovladacˇe). Rˇ esˇenı´v unixovyćh syste´mech: • „rucˇnı´“ konverze, • veˇtsˇina zarˇı´zenı´je Little Endian, I/O funkce operacˇnıćh syste´mu˚s tı´m pocˇı´tajıá Big Endian syste´m automaticky prova´dı´konverze, • v unixovyćh syste´mech existujı´Big Endian varianty I/O funkcı´pro prˇı´pad komunikace s takovy´mi zarˇı´zenı´mi.

6.7.9 Vı´cevla´knove´aplikace

R Vla´kno je vlastneˇpodproces. Ve ve vıćevla´knovyćh syste´mech se kazˇdy´proces skla´dańejmeńeˇz jednoho vla´kna. Kazˇde´vla´kno ma´svu˚j vlastnı´programovy´ko´d a dalsˇı´prostrˇedky, vla´kna te´hozˇprocesu jsou navza´- jem te´meˇrˇneza´visla´. Podle typu operacˇnı´ho syste´mu se obvykle procesor prˇideˇluje jednotlivy´m vla´knu˚m, nikoliv procesu˚m. Rozlisˇujeme vla´kna aplikacˇnı´, syste´movaá hardwarova´. 1. Aplikacˇnı´vla´kna jsou vla´kna beˇzˇıćı´v uzˇivatelske´m rezˇimu • kazˇdy´proces mańejmeńeˇjedno takove´vla´kno (hlavnı´vla´kno) a pak prˇı´padneˇdalsˇı´ • kazˇde´vla´kno ma´sveídentifikacˇnıú´daje, ko´d, programove´za´sobnı´ky a datovy´prostor 2. Syste´mova´vla´kna jsou vla´kna operacˇnı´ho syste´mu (ja´dra) • ja´dro mu˚zˇe mı´t vlastnı´ vla´kna pro svou potrˇebu, a da´le vla´kna vyuzˇı´vana´ aplikacˇnı´mi vla´kny prˇi syste´movyćh volańıćh (aplikacˇnı´ vla´kno se napojı´ na syste´move´ vla´kno a prˇes neˇ vyuzˇı´va´ sluzˇby operacˇnı´ho syste´mu) KAPITOLA 6 PROCESORY 94

3. Hardwarova´vla´kna jsou vla´kna vykona´vanańeˇktery´m ja´drem procesoru • kazˇde´vy´pocˇetnı´ja´dro procesoru mu˚zˇe zpracova´vat ko´d neza´visle na ostatnıćh • hardwarova´vla´kna odpovı´dajı´pocˇtu jader procesoru (vcˇetneˇvirtualizovanyćh pomocı´technologie HyperThreading) • OS plańuje (prˇideˇluje) hardwarova´vla´kna jednotlivy´m syste´movy´m a aplikacˇnı´m vla´knu˚m

Jak programovat vıćevla´knove´ aplikace. Prˇi programovańı´ vıćevla´knovyćh aplikacı´ dodrzˇujeme tato pravidla: • je trˇeba co nejvıće snı´zˇit vza´jemnou za´vislost mezi ko´dy ru˚znyćh vla´ken; prˇı´klad za´vislosti: vla´kno 1 pocˇı´ta´hodnotu promeˇnne´ X vla´kno 2 vyuzˇı´va´hodnotu promeˇnne´ X pro vy´pocˇet promeˇnne´ Y vla´kno 3 vypisuje hodnotu promeˇnne´ Y • program nenı´pouhou sekvencı´prˇı´kazu˚, ale sadou u´loh, ktere´lze prova´deˇt relativneˇneza´visle • sˇpatneˇnavrzˇeny´vıćevla´knovy´program se na vıćeja´drove´m syste´mu chova´stejneˇjako na jednoja´drove´m syste´mu

Mozˇnosti programovańı´vıćevla´ken: • vyuzˇı´va´me prostrˇedky, ktereńabı´zejıóperacˇnı´syste´my, programovacı´jazyky nebo vy´vojova´prostrˇedı´, sami urcˇujeme, co bude v jednotlivyćh vla´knech:

– v kazˇde´m beˇzˇne´m OS jsou API funkce pro programova´nı´ vla´ken (Windows rˇady NT, Linux, MacOS, jine´Unixy), veˇtsˇinou jde o funkce pro vytvorˇenı´, spra´vu, synchronizaci a ukoncˇenı´vla´ken – neˇktere´programovacı´jazyky obsahujı´vlastnı´podporu vla´ken, ktera´je bud’napojena na prˇı´slusˇne´ API funkce nebo jde o vlastnı´rˇesˇenı´(varianty C++ a C#, Delphi, Java, Ruby, Lua)

• specia´lnı´ API pro podporu paralelizace od trˇetı´ch stran – OpenMP, Microsoft Parallel Extensions, RapidMind, Intel Parallelism Exploration Compiler)

Dalsˇı´informace: • http://www.ﬁ.muni.cz/xbarnat/IB109/2007-jaro/˜ • http://openmp.org • http://software.intel.com/en-us/articles/intel-c-parallelism-exploration-compiler-prototype-edition • http://connect.microsoft.com/site/sitehome.aspx?SiteID=516 • http://blogs.techrepublic.com.com/programming-and-development/?p=657 • http://www.rapidmind.net/ • http://www.ki.fpv.ukf.sk/materialy public/Principy%20vystavby%20operacnich%20systemu/ 08%20-%20Vlakna • http://www.linuxzone.cz/index.phtml?idc=1012&ids=2

KAPITOLA 6 PROCESORY 95

6.8 Mooru˚v za´kon

Mooru˚v za´kon (Moore’s Law): Kazˇde´dva roky se pocˇet tranzistoru˚v procesorech zdvojna´sobı´a cena klesne na polovinu. (Gordon E. Moore, 1965, revize 1975) Graﬁcke´zna´zorneˇnı´Moorova za´kona vidı´me na obra´zku 6.7.

Obra´zek 6.7: Mooru˚v za´kon1

Pozna´mka: Mooru˚v za´kon nerˇı´ka´nic o vy´pocˇetnı´m vy´konu, nenı´rˇecˇeno, zˇe kdyzˇse zdvojna´sobı´pocˇet tranzistoru˚, tak se zdvojna´sobı´vy´kon. Ve skutecˇnosti se vy´kon zvysˇuje rychleji: • Intel i80286 (rok 1982, 134 tis. tranzistoru˚, frekvence 6–12 MHz) meˇl vy´kon cca 2 MIPS prˇi vysˇsˇı´ frekvenci • Intel Core i7-2600K (rok 2011, 995 mil. tranzistoru˚, frekvence 3,4 GHz na ja´dro) ma´vy´kon 128 300 MIPS (kdyby se vy´kon zdvojna´sobil co dva roky, byly by v r. 2011 procesory s vy´konem 215 = 32 768 MIPS).

1Zdroj: http://mrsec.wisc.edu/Edetc/SlideShow/slides/computer/Moores Law.html KAPITOLA 6 PROCESORY 96

6.9 Sloty, sockety

Sloty a sockety jsou prvky na desce (at’ uzˇza´kladnıńebo rozsˇirˇujıćı´) urcˇene´pro zasunutıćˇipu˚nebo jejich bloku˚. Zatı´mco sloty jsou podlouhle´(dnes se pouzˇı´vajıńa bloky operacˇnıćh pameˇtı´, a jako plugy ke sbeˇrnicı´m, drˇı´ve takeńa procesory), sockety jsou obvykle cˇtvercoveńebo obde´lnı´kove´s maticı´pinu˚. R U socektu˚se mu˚zˇeme setkat se teˇmito typy provedenı´: 1. PGA (Pin Grid Array) – piny na procesoru jsou usporˇa´dańy v matici, jim odpovı´dajı´prohlubneˇna socketu; existuje vıće variant: PPGA (Plastic pin grid array), FCPGA (flip-chip pin grid array), CPGA (Ceramic pin grid array), OPGA (Organic pin grid array). 2. ZIF (Zero Insertion Force) – socket je opatrˇen paćˇkou, ktera´slouzˇı´k prˇipevneˇnıćˇipu procesoru, ućˇelem je minimalizovat sˇkody pu˚sobene´zasouvańı´m a vynda´vańı´m cˇipu˚ze socketu; v neˇkteryćh provedenıćh jsou piny sice v mrˇı´zˇce, ale otocˇeneó 45 stupnˇu˚, prˇı´p. jsou kombinovańa dveˇru˚znańatocˇenı´. 3. BGA (Ball Grid Array) – mı´sto pinu˚jsou na procesoru napa´jene´„kulicˇky“, prohlubneˇ(spı´sˇe meˇdeˇne´ plosˇky) na socketu jsou rozmı´steˇny v matici podle kulicˇek na procesoru, vy´hodou je lepsˇıódvod tepla, vysˇsˇı´hustota „kulicˇek“, mensˇıél. odpor; nevy´hody jsou spı´sˇe mechanicke´ho ra´zu a souvisejı´s nutnostı´ du˚kladneˇjsˇı´ho prˇipevneˇnı´procesoru. 4. LGA (Land Grid Array) – na procesoru jsou plosˇky (napa´jena´meˇd’, obvykle pozlacena´), na socketu jsou piny. AMD toto rˇesˇenı´pouzˇila u Socketu F. Desktopove´procesory (vy´hradneˇLGA) vyra´beˇneÍntelem patrˇı´do teˇchto patic: • LGA 775 – pro procesory Core 2, dnes se s nimi setka´me jen na staryćh za´kladnıćh deskaćh. • LGA 1156 (Core i prvnı´generace), LGA 1155 (Core i druheá trˇetı´generace, tedy Sandy Bridge a Ivy Bridge) – dnes pomeˇrneˇbeˇzˇne´. • LGA 1150 – pro procesory Core i cˇtvrte´generace (Haswell), a pa´te´(Broadwell). • LGA 1151 – pro procesory Core i sˇeste´generace (Skylake). • LGA 1366, LGA 2011, LGA 2011-v3 – patice pro extended procesory (vysˇsˇı´trˇı´da, vy´konnostnı´sˇpicˇka pro danou generaci), z toho LGA 1366 je pro prvnı´generaci Core i, LGA 2011 pro dalsˇı´generace (vpodstateˇobdoba LGA 1156, 1155, 1150 a 1151 urcˇena´pro vysˇsˇı´trˇı´du procesoru˚). Mu˚zˇeme tedy rozlisˇit dveˇza´kladnı´trˇı´dy procesoru˚Intel: procesory nizˇsˇıá strˇednı´trˇı´dy (do patic LGA 1151, 1150, 1155, 1156) a sˇpicˇkove´procesory – high end (do patic LGA 2011 a 1366).

Desktopove´procesory (typ PGA-ZIF) vyra´beˇne´firmou AMD patrˇı´do teˇchto patic: • AM2, AM2+, AM3, AM3+ – do teˇchto patic patrˇı´procesory bez integrovane´grafiky (FX a Athlony), • FM1, FM2, FM2+ – pro procesory s integrovanou grafikou, rˇady „A“. AM2+ je do urcˇite´mı´ry zpeˇtneˇkompatibilnı´s AM2, podobneˇAM3+ s AM3.

Monta´zˇprocesoru. Monta´zˇprocesoru do slotu nebo socketu probı´ha´na´sledovneˇ: 1. patice typu Slot – dnes se uzˇprakticky nepouzˇı´vajı´(Celeron, Pentium III), majı´tvar podobny´jako sloty pro rozsˇirˇujı´cı´karty s vy´vody v jedne´rˇadeˇ KAPITOLA 6 PROCESORY 97

Obra´zek 6.8: Sockety Intel LGA 1150 a AMD AM3+

Monta´zˇ: pokud nenı´prˇipojen chladicˇ, nejdrˇı´v ho prˇipojı´me (na zadnı´straneˇprocesoru ma´by´t drzˇa´k chladicˇe, na prˇednı´straneˇsamotnyćhladicˇ) a pak teprve zastrcˇı´me procesor do patice a potom prˇipojı´me napa´jecı´kabel k za´kladnı´desce. 2. patice typu Socket – dnes beˇzˇne´, obvykle cˇtvercove´ho nebo obde´lnı´kove´ho tvaru; instalace: • na patici je upevnˇovacı´paćˇka, kterou odklopı´me (kolmo k desce) • procesor zasuneme do patice (spra´vneˇnatocˇeny´) a paćˇku zaklapneme • procesor nebo chladicˇ mu˚zˇeme potrˇı´t silikonovou teplovodivou pastou (vyrovna´ nerovnosti, le´pe je odva´deˇno teplo) stacˇı´kapka doprostrˇed procesoru, po prˇilozˇenıćhladicˇe se rovnomeˇrneˇ rozprostrˇe (prˇı´lisˇmnoho pasty mu˚zˇe mı´t prˇesneˇopacˇnyéfekt) • prˇipevnı´me chladicˇa konektor napa´jenı´veˇtraćˇku prˇipojı´me k za´kladnı´desce U neˇkteryćh za´kladnıćh desek je nutne´prove´st nastavenı´propojek a prˇepıńacˇu˚(to si oveˇrˇı´me v manua´lu za´kladnı´desky).

6.10 Prˇehled procesoru˚

6.10.1 Mikroarchitektura procesoru

Mikroarchitektura procesoru je dańa teˇmito parametry: • architektura: co a na kteryćh mı´stech je v procesoru zahrnuto (komponenty), jak co s cˇı´m komunikuje (na´vrh internıćh datovyćh, adresovyćh a rˇı´dicıćh sbeˇrnic), koncept ALU a FPU, struktura jader, pipelines, registry, adresovańı´ pameˇti, prˇı´stup do cache, spra´va napa´jenı´, instrukcˇnı´ sady, skala´rnı´ architektury, podpora dalsˇıćh technologiı´ • vy´robnı´proces (64nm, 45nm, 32nm, 22nm, atd.)

6.10.2 R Starsˇı´procesory Intel

Prvnı´etapa intelovsky´ch procesoru˚zacˇala jednoduchy´mi 4bitovy´mi „kalkulacˇkovy´mi“ procesory a skoncˇila 16bitovy´mi procesory: KAPITOLA 6 PROCESORY 98

• i4004 – rok 1971, 4bitovy´, doka´zal adresovat 4 kB pameˇti • i8008 – 16 kB pameˇti • i8080 – rok 1974, 8bitovy´, 64 kB pameˇti, 5 000 tranzistoru˚ • i8086 – rok 1978, 16bitovy´, adresoval azˇ1 MB pameˇti, 29 000 tranzistoru˚, prvnı´procesor se´rie x86 • i8088 – stejny´jako i8086, ale externeˇ8bitovy´z du˚vodu zpeˇtne´kompatibility se starsˇı´mi deskami • iAPX-432 – 1981, sˇpicˇkovy´32bitovy´procesor, ktery´se vsˇak neujal, ale stal se za´kladem pro pozdeˇjsˇı´ 32bitove´procesory • i80186 – rok 1982, 16bitovy´, zrychleneóperace s adresami, neˇkolik novyćh instrukcı´, vhodny´spı´sˇe pro jednodusˇsˇı´zarˇı´zenıńezˇosobnı´pocˇı´tacˇe i80286 (iAPX-286, rok 1982) byl 16bitovy´procesor. Jako prvnıíntelovsky´procesor podporoval chrańeˇny´ rezˇim (s proble´my prˇi prˇechodu z chrańeˇne´ho do rea´lne´ho rezˇimu, prova´deˇlo se resetem procesoru), tento rezˇim vsˇak jesˇteˇnebyl v plneˇpouzˇitelne´m stavu. Pracoval na frekvenci 6–25 MHz, adresova´sbeˇrnice byla 24bitova´(adresace 16 MB, virtua´lneˇmnohem vıće, ale operacˇnı´syste´my to nepodporovaly), datova´sbeˇrnice 16bitova´. i80386 (nebo takeí80386DX, rok 1985) byl 32bitovy´procesor. Kromeˇrea´lne´ho a chrańeˇne´ho rezˇimu take´ podporoval virtualizaci (V86) pro simulaci HW prostrˇedıí8086, v chrańeˇne´m rezˇimu existovaly okruhy Ring 0, 1, 2, 3, chrańeˇny´rezˇim je jizˇplneˇpouzˇitelny´. Dalsˇı´vlastnosti: • adresova´sbeˇrnice 32bitova´, datova´dto., adresoval azˇ4 GB rea´lne´pameˇti a 64 TB virtua´lnı´pameˇti, frekvence azˇ33 MHz, 275 000 tranzistoru˚ • prˇi spra´veˇpameˇti se pouzˇı´va´kombinace segmentovańıá strańkovańı´(prvnıÍntel se strańkovańı´m) • doplneˇn matematicky´m koprocesorem i80387 Procesor i80386 meˇl takeódlehcˇenou variantu i80386SX s nizˇsˇı´frekvencı´(do 20 MHz). Jeho datova´sbeˇrnice byla pouze 16bitovaá adresova´24bitova´z du˚vodu zpeˇtne´kompatibility se starsˇı´mi deskami. Tento procesor byl take´levneˇjsˇıńezˇplnohodnotnyí80386DX. i80486 (i80486DX, rok 1989) byl pokracˇovatelem i80386DX, navıć meˇl integrovań matematicky´koprocesor a optimalizovanou prˇenosovou rychlost mezi procesorem a ostatnı´mi komponentami. Pouzˇı´val 3stupnˇovou pipeline, tedy pocˇa´tky skala´rnıárchitektury. Dalsˇı´vlastnosti: • 1, 3 miliońu tranzistoru˚ • neˇkolik variant s ru˚zny´mi frekvencemi, azˇ100 MHz • L1 cache 8 kB Intel opeˇt prˇisˇel s odlehcˇenou levneˇjsˇı´ variantou i80486SX. Tento procesor meˇl oproti plnohodnotne´mu i80486DX kromeˇjine´ho zneaktivneˇny´matematicky´koprocesor. Intel Pentium (na´zev z rˇecke´ho „pente“ – peˇt) – rok 1993. Sˇlo o prvnı´procesor s necˇı´selny´m na´zvem, aby bylo mozˇne´tento na´zev patentovat, pak pouzˇı´vań v logu „Pentium inside“. Pentia prˇisˇla se superskala´rnıárchitekturou – dva kana´ly pro instrukce (jeden pro jake´koliv, druhy´pro jednodusˇsˇı´typy instrukcı´). Zcela nova´je takeínstrukcˇnı´sada, ktera´se jizˇblı´zˇı´typu RISC, je odlisˇnaód prˇedchozıćh, ale z du˚vodu˚zpeˇtne´kompatibility doka´zˇe emulovat instrukcˇnı´sady prˇedchozıćh intelovskyćh procesoru˚. Dalsˇı´vlastnosti: KAPITOLA 6 PROCESORY 99

• 64bitova´datova´sbeˇrnice (ale datove´registry zu˚sta´vajı´32bitove´) • Pentium Overdrive (P24T) – rok 1995, mezistupenˇurcˇeny´pro patice na za´kladnıćh deskaćh navrzˇene´ pro i80486 (upravene´vy´robcem pro tento ućˇel), umozˇnˇujıćıńa teˇchto upravenyćh deskaćh pouzˇı´vat Pentium, neu´speˇsˇny´ • model P5 (pozor, to nenı´Pentium 5) – 60 nebo 66 MHz, 3,1 miliońu tranzistoru˚, chyba v FPU (matematicke´m koprocesoru), proto se neujal • P54C – u´speˇsˇneázˇod Pentium 75 MHz (da´le 90, 100, 120) • P54CS – 133–200 MHz, 3,3 miliońu tranzistoru˚, L1 cache 16 kB (polovina pro data a polovina pro instrukce), datova´sbeˇrnice ma´sˇı´rˇku 64 bitu˚, adresova´32 bitu˚ • Pentium MMX (P55C) – rok 1995–1997, prˇidańa sada instrukcı´MMX pro zvy´sˇenı´vy´konu multimedi- a´lnıćh aplikacı´, frekvence azˇ233 MHz, zdvojna´sobena L1 cache (32 kB), prˇidańo 8 registru˚pro MMX instrukce (MM0..MM7) • Tillamook Pentium Mobile MMX – rok 1997

Intel Pentium Pro prˇisˇlo s cache druhe´ u´rovneˇ (L2 cache), ktera´ je v tomto typu procesoru zatı´m na samostatne´m cˇipu, i kdyzˇuvnitrˇpouzdra procesoru. Novinkou byla take´podpora instrukcı´mimo porˇadı´ (Out-of-Order Execution). Dalsˇı´vlastnosti: • oznacˇenı´P6, rok 1995 • podporuje symetricky´multiprocessing s maxima´lneˇ4 procesory • ja´dro je typu RISC, optimalizace pro 32bitoveáplikace (rychlost vysˇsˇıási o 30 % nezˇstarsˇı´Pentia o stejne´frekvenci), u 16bitovyćh aplikacı´je na´ru˚st mensˇı´(asi 20 %) • 5,5 miliońu tranzistoru˚, L1 cache 8+8 kB (tj. 8 pro data, 8 pro instrukce) • adresova´sbeˇrnice je 32bitova´, externı´datova´sbeˇrnice 64bitova´

Intel Pentium II (rok 1997) znamenal vylepsˇenı´drˇı´ve pouzˇı´vanyćh technologiıá prˇidal neˇco nove´ho. Setka´- va´me se s 12u´rovnˇovy´m pipeliningem, superskala´rnıárchitekturou, instrukcemi mimo porˇadı´, prˇedvı´dańı´m instrukcı´kolem 90 %, prˇejmenovańı´m registru˚. Dalsˇı´vlastnosti: = Pentium Pro + MMX instrukce, L1 cache 16+16 kB, 7,5 miliońu tranzistoru˚ • ru˚zne´varianty vcˇetneˇmobilnıćh, podle variant L2 cache je bud’ externıńebo pozdeˇji integrovana´, frekvence 233–500 MHz Pentium II bylo dostupne´take´v low-endove´(levneˇjsˇı´) verzi Celeron a high-endove´verzi Xeon (pro servery).

Intel Pentium III (rok 1999) bylo obohaceno o instrukcˇnı´sady MMX a SSE. Existovaly ru˚zne´varianty s ru˚zny´mi pracovnı´mi frekvencemi v rozmezı´450–1400 MHz. Opeˇt se proda´valy jeho low-endove´a high-endove´varianty Celeron a Xeon. Celerony se pouzˇı´valy take´pro mobilnı´pocˇı´tacˇe. Xeony byly navrzˇeny pro symetricky´multiprocessing s azˇ8 procesory. Jednı´m z nejzna´meˇjsˇı´ch pokracˇovatelu˚tohoto procesoru je Intel Pentium M pro mobilnı´pocˇı´tacˇe. KAPITOLA 6 PROCESORY 100

Intel Pentium M (rok 2003) vzniklo u´pravou Pentia III varianty Tualatin, obvykla´frekvence je 1,6 GHz. Byl prima´rneˇurcˇen pro mobilnı´zarˇı´zenı´(notebooky), proto ma´mensˇı´spotrˇebu energie a me´neˇse zahrˇı´va´ nezˇjine´beˇzˇne´procesory te´doby. Pentium M existovalo ve stejne´dobeˇjako Pentium 4, ale oproti neˇmu dosahovalo srovnatelne´ho vy´konu prˇi nizˇsˇı´frekvenci.

Intel Pentium 4 se vyznacˇovalo kompletneˇzmeˇneˇnou architekturou nazvanou NetBurst. Tato architektura byla optimalizovańa k dosahovańı´vysˇsˇıćh frekvencı´(cozˇale neznamenalo nutneˇvysˇsˇı´vy´kon, cˇasto pra´veˇ naopak), podporovala Out-of-Order Execution, prˇedvı´dańıínstrukcı´, hyperskala´rnıárchitekturu, sadu in- strukcı´SSE2, FPU meˇla 128bitove´registry, atd. V pozdeˇjsˇıćh variantaćh se objevil HyperThreading. Hlavnı´ nevy´hodou tohoto procesoru bylo velke´mnozˇstvı´zbytkove´ho tepla (hodneˇse zahrˇı´val). Existovalo vıće variant s ru˚zny´mi ja´dry: Willamette (2000), Northwood (2001), Gallatin (2004), Prescott (2004), Cedar Mill (2006, oproti prˇedchozı´m jizˇbyla le´pe zvla´dnuta´teplota). Opeˇt se objevily varianty Celeron 4 (varianty Celeron E1xxx jsou dvouja´drove´) a Xeon 4. Pentium 4 Prescott (2004) prˇedstavoval velkou zmeˇnu architektury oproti prˇedchozı´m ja´dru˚m ze skupiny Pentium 4. pouzˇı´val XD bit, 31u´rovnˇovou pipeline, bohuzˇel se hodneˇzahrˇı´val a jeho TDP bylo hodneˇvysoke´. Na trhu se objevily dveˇvarianty: • E-series (lepsˇı´) – vcˇetneˇhyperthreadingu (tj. oznacˇenı´se´rie zacˇıńalo pı´smenem „E“) • A-series (levneˇjsˇı´) – hyperthreading deaktivovań, meńeˇvy´konny´

Dalsˇı´Pentia • Pentium E2180, Pentium E2200 – varianty Pentia 4 s ja´drem Conroe-L, dveˇja´dra • noveĆelerony – odlehcˇena´Pentia, tote´zˇja´dro, jedno nebo dveˇ, mensˇı´L2 cache, nizˇsˇı´frekvence • procesory pro notebooky Core Duo (ne 2 Duo!), Core Solo jsou upravene´Pentium M • Pentium D, Pentium Dual-Core, Celeron Dual-Core – dvouja´drove´ V soucˇasne´dobeˇse z vy´sˇe uvedenyćh setka´va´me take´s procesory Pentium Dual-Core (P2D). Prˇestozˇe patrˇı´do rˇady Pentium, je postaven na technologii Intel Core a je povazˇovań za nizˇsˇı´trˇı´du Core.

Pozna´mka: IA-64 je narozdı´l od drˇı´veˇjsˇı´(zpeˇtneˇoznacˇovane´jako IA-32) plneˇ64bitova´platforma (64bitoveínstrukce EM64T), ale pozor, nejde o obecneóznacˇenı´64bitovyćh procesoru˚Intelu. Je vyvı´jena na za´kladeˇproce- soru˚Pentium 4 Prescott, revize E, noveˇjsˇı´jizˇna za´kladeˇna´stupnickyćh technologiı´. Do rodiny IA-64 patrˇı´ serverove´procesory Itanium (Itania byla vyvinuta ve spolupraći s firmou Hewlett-Packard).

6.10.3 Noveˇjsˇı´procesory Intel

U Intelu se v poslednıćh letech prosazuje syste´m „Tick-Tock“: stejnaárchitektura se nejdrˇı´v implementuje pomocı´„oveˇrˇene´“ technologie, pak pomocıńove´technologie vy´roby; na te´to nove´technologii vy´roby, ktera´ KAPITOLA 6 PROCESORY 101

Core Nehalem Sandy Bridge Haswell Skylake 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm 14 nm 10 nm Tick Tock Tick Tock Tick Tock Tick Tock Tick Tock Tick Tock ? Penryn Merom Skylake Haswell NetBurst Nehalem Westmere Broadwell Ivy Bridge Cannonlake Sandy Bridge

2005–2006 2007–2008 2009–2010 2011–2012 2014–2015 2017–2018

Tabulka 6.2: Tick-Tock u procesoru˚Intel (shora architektura, vy´robnı´proces, mikroarchitektura) se tak stane oveˇrˇenou, se potom postavıńovaárchitektura, atd. Postup pro architektury pouzˇı´vaneód roku 2005 je v tabulce 6.2. Na´zvy uvedene´v tabulce – Penryn, Nehalem, atd. jsou mikroarchitektury. Naprˇı´klad mikroarchitektury Nehalem a Westmere patrˇı´k architekturˇe Nehalem, na´sledujıćı´dveˇmikroarchitektury patrˇı´k architekturˇe Sandy Bridge.

R Intel Core (rok 2006) je architektura procesoru˚(a za´rovenˇmikroarchitektura) postavenańa Pentiu M. Oproti architekturˇe NetBurst z Pentia 4 je vy´razneˇkratsˇıínstrukcˇnı´pipeline, ale prˇesto je dosazˇeno vysˇsˇı´ho vy´konu. Pracujıńa nizˇsˇı´frekvenci, majıńizˇsˇı´spotrˇebu, meńeˇse zahrˇı´vajı´, majı´vysˇsˇı´kapacitu cache, instrukce jsou zpracova´vańy efektivneˇji. Ko´dove´jmeńo ja´dra je Yonah, 65nm vy´robnı´technologie. Za´stupci: • Core Duo – dvouja´drove´ • Core Solo – jednoja´drove´

Intel Core 2 je dalsˇı´mikroarchitekturou procesoru˚Core (Core druhe´generace, take´se mu˚zˇeme setkat s oznacˇenı´m Penryn podle jednoho z jader te´to mikroarchitektury). Pipeline doka´zˇe zpracovat azˇ4 instrukce na jeden cyklus procesoru (pu˚vodnıĆore jen 3), projevuje se prˇedevsˇı´m u procesu˚s velky´m pocˇtem SSE instrukcı´(video apod.). Objevily se nove´zabezpecˇovacı´mechanismy (LaGrande – zabezpecˇenı´beˇzˇıćıćh programu˚, Trusted Execution Technology, podpora virtualizace, atd.). Dalsˇı´vlastnosti: • XD bit – znemozˇnˇuje spusˇteˇnı´ko´du v cˇa´sti pameˇti s povoleny´m za´pisem • SpeedStep – dynamicka´zmeˇna taktu procesoru • frekvence se mohou pohybovat azˇk 3200 MHz, u notebooku˚k 2800 MHz DesktopoveĆore 2 patrˇily veˇtsˇinou do patice LGA 775. Varianty: • Core 2 Duo – dvouja´drove´, • Core 2 Quad – cˇtyrˇja´drove´, • Core 2 Extreme – dvou- (modeloveóznacˇenı´zacˇıńa´X) nebo cˇtyrˇja´drove´(modeloveóznacˇenı´zacˇıńa´ QX), majıótevrˇenyńa´sobicˇ(multiplexer) a je tedy mozˇne´je tı´mto zpu˚sobem prˇetaktova´vat. R Prvnı´pouzˇı´vana´ja´dra pro Core 2 nesla oznacˇenıĆonroe (do roku 2006) a Kentsfield (do roku 2007), levneˇjsˇı´varianty ja´dro Conroe-L (u procesoru˚Pentium Dual-Core, Celeron), v soucˇasne´dobeˇse setka´me KAPITOLA 6 PROCESORY 102 s ja´dry Wolfdale (u desktopovyćh procesoru˚Core 2 Duo), Yorkfield (desktopoveĆore 2 Quad a Extreme) nebo u´sporneˇjsˇı´mi Penryn (notebookove´). Hodnota TDP je obvykle na 65–95 W na desktopech, 10-45 W na noteboocıćh (podle pracovnı´frekvence a pocˇtu jader).

Dalsˇıínformace: Peˇknyćˇlańek o prˇetaktovańıĆore 2 Duo: http://pctuning.tyden.cz/component/content/7412?task=view&start=3.

Nehalem – tato architektura je podobna´ architekturˇe Core, ale je kladen du˚raz na sˇka´lovatelnost (mozˇnosti snadne´ho rozsˇı´rˇenıńebo naopak „osekańı´“). Je mozˇneúrcˇovat nejen vybavenost komponentami (ja´dry), ale take´lze snadno rˇı´dit vy´kon a tı´m i spotrˇebu procesoru (je mozˇne´dynamicky zvysˇovat frekvenci jednotlivyćh jader podle potrˇeby – Turbo Boost). Nehalem je postaven na 45nm technologii. Ja´dra obsahujı´ L1 a L2 cache, komunikujı´prˇes sdı´lenou L3 cache. Procesor obsahuje rˇadicˇpameˇti.

Dalsˇıínformace: Zajı´mavyćˇlańek o Nehalemu: http://www.svethardware.cz/art doc-65AD83200555825EC12574CB0057B038.html.

R Mikroarchitektura Nehalem, 45nm vy´robnı´technologie: • Core i7 nebo i5 pro desktopy s ja´dry Lynnfield vyra´beˇne´45nm technologiı´patrˇı´ke strˇednı´mu proudu, patice LGA 1156, sbeˇrnice DMI. • Core i7, i5 a i3 pro notebooky pouzˇı´vajı´ja´dra Clarksfield, sbeˇrnice DMI. • Core i7 pro desktopy s ja´dry Bloomfield jsou vyra´beˇny 45nm technologiı´, patrˇı´k nejvy´konneˇjsˇı´m (High- endove´procesory) s touto mikroarchitekturou, patice LGA 1366 (sbeˇrnice QPI). TDP je obvykle na hodnoteˇ130 W.

Westmere je varianta (mikroarchitektura) Nehalemu vyra´beˇna´32nm technologiı´. Obsahuje vpodstateˇ tyte´zˇtechnologie jako pu˚vodnıŃehalem (Turbo Boost pro zvy´sˇenı´vy´konu, cozˇje to vy´sˇe zmıńeˇne´dynamicke´ vypıńańı´jader, HyperThreading, integrovany´pameˇt’ovy´rˇadicˇ, atd.), jen technologie je jina´. Soucˇa´st, ktera´ rˇı´dı´spotrˇebu jader (vypıńa´, zapıńa´, apod.), se oznacˇuje PCU (Power Controller Unit). Desktopove´procesory rˇady Nehalem a Westmere patrˇily do patice LGA 1156 (nizˇsˇıá strˇednı´proud) nebo LGA 1366 (vysˇsˇı´trˇı´da). R Je zajı´mave´, zˇe v procesoru s technologiı´Westmere, kde ja´dra procesoru jsou vyrobena 32nm technologiı´, je integrovańo graficke´ja´dro (tj. IGP, integrovana´grafika) vyrobene´45nm technologiı´. PCU mu˚zˇe ovlivnˇovat vy´kon IGP pouze v notebookovyćh procesorech. R Mikroarchitektura Westmere, 32nm vy´robnı´technologie: • Core i5 nebo i3 pro desktopy s ja´dry Clarkdale patrˇı´k levneˇjsˇı´m, patrˇı´do patice LGA 1156, sbeˇrnice DMI. KAPITOLA 6 PROCESORY 103

• Core i7, i5 a i3 pro notebooky pouzˇı´vajı´ja´dra Arrandale, sbeˇrnice DMI. • Core i7 pro desktopy s ja´dry Gulftown (6 jader) jsou high-endove´procesory vyra´beˇne´32nm technologiı´, jsou v patici LGA 1366 a komunikujı´s cˇipovou sadou X58 prˇes sbeˇrnici QPI. Sandy Bridge je na´stupce Westmere. Je vyra´beˇn take´32nm technologiı´, ale funkcˇnost byla znacˇneˇ vylepsˇena. Ja´dra opeˇt komunikujı´prˇes sdı´lenou L3 cache, je zde integrovańo graficke´ja´dro (IGP) vyra´beˇne´ 32nm technologiı´, je take´ prˇipojeno k L3 cache. U prˇedchozı´ mikroarchitektury bylo sice graficke´ ja´dro integrovańo do pouzdra procesoru, ale nacha´zelo se na samostatne´m cˇipu vyra´beˇne´m odlisˇnou technologiı´ (45nm). Na sche´matu2 je videˇt takeóblast cˇipu oznacˇena´„Sandy Bridge System Agent“ – vpodstateˇjde o integrovany´severnı´most cˇipsetu. Inovace se ty´ka´prˇedevsˇı´m jader, jejichzˇvy´kon byl zvy´sˇen (vysˇsˇı´frekvence). Integrovane´graficke´ja´dro ma´take´velmi slusˇny´vy´kon. Zatı´mco u drˇı´veˇjsˇıćh architektur existovalo vzˇdy neˇkolik verzı´ja´dra (naprˇı´klad u mikroarchitektury Westmere existovala ja´dra Clarkdale, Arrandale a Gulftown s rozdı´lny´mi vlastnostmi i cenou), v te´to mikroarchitekturˇe existuje uzˇjen ja´dro prˇı´mo nazy´vane´Sandy Bridge. R Mikroarchitektura Sandy Bridge (Core i 2nd generation), 32nm vy´robnı´technologie: • Ja´dro pro Core i7, i5 a i3 patrˇıćı´do te´to mikroarchitektury je zjednodusˇene´, pouzˇı´va´se unifikovane´ oznacˇenı´ja´dra Sandy Bridge. U desktopu˚patrˇı´do patice LGA 1155. Komunikuje prˇes sbeˇrnici DMI, cely´severnı´most je tedy integrovań v procesoru. • Pro high-end sektor je urcˇen procesor Core i7 E-Series do patice LGA 2011, prˇicha´zı´pozdeˇji nezˇSandy Bridge nizˇsˇıćh cenovyćh hladin. Ivy Bridge je mikroarchitektura nastupujıćı´po Sandy Bridge. Oproti Sandy Bridge se zmeˇnil vy´robnı´ proces (na 22 nm). Protozˇe pu˚vodnı´ koncepce tranzistoru˚ prˇesta´va´ by´t pouzˇitelna´ (soucˇa´sti tranzistoru zacˇıńajı´by´t tak tenke´, zˇe se elektrony zacˇıńajı´dosta´vat i tam, kde nemajıćo deˇlat), bylo nutno ve vy´robnı´ technologii prove´st i jineú´pravy nezˇjen zmeˇnu vlnove´de´lky a zmensˇenı´matrice pro tranzistory. Intel prˇicha´zı´s tzv. 3D tranzistory, ve kteryćh je brańa vyzdvizˇena nad pu˚vodnı´„rovinu“ (proto 3D) – nazy´va´je tri-gate. Desktopove´procesory Sandy Bridge a Ivy Bridge patrˇı´do patice LGA 1155, resp. LGA 2011 pro vysˇsˇı´ trˇı´du.

Dalsˇı´informace: Vy´roba teˇchto procesoru˚je naznacˇena na videu http://www.youtube.com/watch?v=d9SWNLZvA8g.

R Mikroarchitektura Ivy Bridge (Core i 3nd generation), 22nm vy´robnı´technologie: • Architektura cˇipu je te´meˇrˇstejna´jako u Sandy Bridge, meˇnı´se prˇedevsˇı´m vy´robnı´technologie. Du˚- sledkem je snı´zˇenı´spotrˇeby prˇi stejne´m vy´konu, resp. zvy´sˇenı´vy´konu prˇi stejne´spotrˇebeˇ. Patrˇı´do te´zˇe patice jako Ivy Bridge (tj. LGA 1055 pro beˇzˇne´procesory, LGA 2011 pro high-end procesory). S prˇe- chodem na 22nm vy´robnı´technologii meˇl Intel velke´proble´my, bylo trˇeba vymyslet novy´koncept tranzistoru˚, tzv. Tri-Gate. 2Viz naprˇı´klad http://techreport.com/articles.x/20188 KAPITOLA 6 PROCESORY 104

Haswell je dalsˇı´mikroarchitekturou, od prˇedchozı´se odlisˇuje zmeˇnou architektury (vy´robnı´proces je stejny´, 22nm). Tyto procesory jsou v prodeji od roku 2013. U Haswellu˚je zajı´mave´prˇedevsˇı´m snı´zˇenı´TDP prˇi stejne´m vy´konu oproti prˇedchozı´mikroarchitekturˇe, resp. vysˇsˇı´m vy´konem prˇi stejne´m TDP. Kromeˇjine´ho se objevily noveú´sporne´rezˇimy, prˇi kteryćh se zapıńajıá vypıńajı´ru˚znećˇa´sti procesoru podle potrˇeby. Lepsˇı´ je takeíntegrovana´grafika. Haswell patrˇı´do patice LGA 1150, resp. LGA 2011. R Mikroarchitektura Haswell (Core i 4nd generation), 22nm vy´robnı´technologie: • Vy´robnı´proces zu˚sta´va´, ale zcela se meˇnı´vnitrˇnıárchitektura (usporˇa´dańı´) jednotlivyćh komponent procesoru. Je zajı´mave´, zˇe du˚sledeku te´to zmeˇny (snı´zˇenı´TDP prˇi te´zˇe spotrˇebeˇ) se obvykle dosahuje spı´sˇe zmeˇnou vy´robnı´technologie, zde stacˇila zmeˇna architektury.

Broadwell pouzˇı´va´ vıćemeńeˇ stejnou architekturu jako Haswell, ale prˇecha´zı´ se na 14nm vy´robnı´ proces. Navıć byly prˇidańy neˇktereńoveínstrukce (naprˇı´klad instrukce vylepsˇujıćı´mechanismus generovańı´ na´hodnyćh cˇı´sel pro ućˇely sˇifrovańı´).

Skylake zu˚staly na 14nm vy´robnı´m procesu, ale prˇicha´zejı´s novou architekturou. Hlavnı´zmeˇnou je optimalizace rˇı´zenıńapa´jenı´. Du˚sledkem je, zˇe tyto procesory majı´prˇi stejne´m vy´konu nizˇsˇı´spotrˇebu. Byla prˇidańa plna´podpora pameˇtı´DDR4 (sice se objevila uzˇu neˇkteryćh Haswellu˚, ale pouze noveˇjsˇıćh nejvysˇsˇı´ trˇı´dy), dokonce je kombinovana´podpora DDR3L a DDR4.

Dosud jsme se bavili o mikroarchitektura´ch, da´le se podı´va´me na konkre´tnı´typy produktu˚, ve ktery´ch se tyto mikroarchitektury vyskytujı´.

Core i je nejbeˇzˇneˇjsˇı´soucˇasny´typ procesoru˚Intel. Rozlisˇujeme Core i3 (nejnizˇsˇı´trˇı´da), Core i5 (strˇednı´ trˇı´da) a Core i7 (vysˇsˇı´trˇı´da a high end). Core i3, i5 a neˇktereí7 patrˇıńa desktopu do patic LGA 1156, 1155, 1150 nebo 1151 a majıóbvykle integrovanou grafiku, highendoveĆore i7 pak do patic LGA 1366, 2011 nebo 2011-v3 a nemajıíntegrovanou grafiku.

Generace Mikroarchitektura Litograﬁe Patice na desktopu 1. generace Nehalem 45 nm LGA 1156, LGA 1366 Westmere 32 nm 2. generace Sandy Bridge 32 nm LGA 1155, LGA 2011 3. generace Ivy Bridge 22 nm LGA 1155, LGA 2011, LGA 2011-1 4. generace Haswell 22 nm LGA 1150, LGA 2011-v3 5. generace Broadwell 14 nm LGA 1150, LGA 2011-v3 6. generace Skylake 14 nm LGA 1151

Tabulka 6.3: Generace Core i

Jako ja´dra se v Core i pouzˇı´vajı´vy´sˇe zmı´neˇne´mikroarchitektury, a podle toho urcˇujeme generaci – podle tabulky 6.3. Zatı´mco do prvnı´generace rˇadı´me dveˇmikroarchitektury, da´le se vzˇdy s novou mikroarchitekturou navysˇovala i generace. KAPITOLA 6 PROCESORY 105

Patice LGA 1156, 1156, 1150, 1151 jsou urcˇeny pro procesory, ktere´majıíntegrovany´severnı´most (jako System Agent), tedy s okolı´m komunikujı´ prˇes sbeˇrnici DMI. Procesory v teˇchto paticıćh majı´ obvykle integrovań i grafickyćˇip a jde o typy Core i3, i5 a neˇktereí7. Patice LGA 1366, 2011, 2011-v3 majı´ ze severnı´ho mostu integrovań pouze pameˇt’ovy´ rˇadicˇ, tedy s okolı´m komunikujı´prˇes sbeˇrnici QPI. Jde o high-endove´procesory Core i7, ktereńemajıíntegrovane´graficke´ ja´dro (prˇedpokla´da´se, zˇe si uzˇivatel koupı´dedikovanou grafickou kartu, kdyzˇuzˇinvestoval do drahe´ho procesoru).

M Prˇı´klad6.6 Naprˇı´klad: • Intel Core i5-655K ma´ja´dro Clarkdale, je vyroben 32nm technologiı´, ale Sandy Bridge to nenı´, protozˇe v oznacˇenı´vidı´me pouze trˇi cˇı´slice (mikroarchitektura Westmere). Pı´smeno „K“ na konci znamena´, zˇe maódemcˇenyńa´sobicˇ, a tedy je urcˇen pro pokrocˇilejsˇı´prˇetaktovańı´. • Intel Core i7-920 ma´ja´dro Bloomfield, jde o high-end s mikroarchitekturou Nehalem, opeˇt pouze trˇi cˇı´slice (tj. prvnı´generace Core i). • Intel Core i7-990X XE (XE na konci znamenaÉxtreme Edition, jde opeˇt o high-end procesor) – trˇi cˇı´slice, 32nm vy´robnı´proces, mikroarchitektura Westmere (tj. prvnı´generace). • Intel Core i5-2400 obsahuje cˇtyrˇi cˇı´slice, tedy mikroarchitektura Sandy Bridge (a samozrˇejmeˇ32nm technologie). Nemaódemcˇenyńa´sobicˇ, jde o procesor strˇednı´trˇı´dy. • Intel Core i7-2600 patrˇı´do mikroarchitektury Sandy Bridge (druha´generace Core i, to pozna´me podle cˇı´slice za pomlcˇkou), prˇed na´stupem high-end procesoru˚Sandy Bridge je te´meˇrˇnejrychlejsˇı´z deskto- povyćh procesoru˚Intelu (Core i7-990X XE je o neˇco rychlejsˇı´, ale zato neˇkolikra´t drazˇsˇı´). • Core i7-3770 patrˇı´do trˇetı´generace (tj. mikroarchitektura Ivy Bridge, 22nm vy´robnı´proces). • Core i7-4770 jizˇpatrˇı´do cˇtvrte´generace, mikroarchitektura Haswell. Specifikace je te´meˇrˇstejna´jako u prˇedchozı´ho, ale tento procesor ma´vy´konneˇjsˇı´grafiku a je v neˇm zabudovańa podpora neˇkteryćh technologiı´, ktere´v prˇedchozı´m nenajdeme. Proto nenı´jeho TDP nizˇsˇı´, naopak mı´rneˇvysˇsˇı´. M

M Prˇı´klad6.7 Pokud chceme vcelku dobry´procesor pro desktopy, volı´me Core i5 s tou mikroarchitekturou, ktera´je pra´veˇ nejnoveˇjsˇı´, ale vybı´ra´me pecˇliveˇ– ne vsˇechny i5 jsou stejne´. Naprˇı´klad Core i5-3570 je slusˇny´procesor se 4 ja´dry, ktery´sice nepodporuje HyperThreading, ale se 4 ja´dry to vu˚bec nevadı´. Je slusˇneˇtaktovań (navıć podporuje Turbo Boost verze 2.0), velikost L3 cache je 6 MB (taky du˚lezˇite´ pro vy´kon), ma´ dostacˇujıćı´ integrovany´grafickyćˇip, podporuje hardwarovou virtualizaci, TDP je 77 W. Naproti tomu i5-3570S a i5-3570T majı´prakticky stejne´parametry kromeˇdvou – frekvence a TDP. Jde o podtaktovane´procesory (vnitrˇnıí vneˇjsˇı´pracovnı´frekvence je snı´zˇena), cˇı´mzˇse snı´zˇilo i TDP. Cena je prakticky stejna´jako u pu˚vodnı´ho. KAPITOLA 6 PROCESORY 106

Kdyzˇse podı´va´me na „druhou stranu“, najdeme i5-3570K. Tady jsou vsˇak trochu jineódlisˇnosti. Frek- vence je stejna´, TDP taky, ale varianta „K“ ma´mnohem lepsˇı´graficke´ja´dro (HD Graphics 4000 mı´sto HD Graphics 2500), pouze za´kladnı´podporu virtualizace a chybı´dodatecˇne´bezpecˇnostnı´technologie (Intel V-Pro, Intel Trusted Execution). Podı´vejme se vsˇak na notebookove´(mobilnı´) procesory. Ze sfe´ry i5 tady ma´me Core i5-3427U a Core i5-3360M. Vsˇechny Core i5 pro notebooky majı´pouze 2 ja´dra. Sice podporujı´HyperThreading, ale 4 logicka´ ja´dra jsou porˇa´d meńeˇnezˇ4 fyzicka´, ktera´ma´me u desktopu˚. Dalsˇı´rozdı´ly? O dost nizˇsˇı´pracovnı´frekvence a tı´m i TDP, polovicˇnı´L3 cache (cozˇje sˇpatne´), naproti tomu lepsˇı´grafika, podpora bezdra´tovyćh sı´tı´(Wi-Fi a WiMAX), ovsˇem vysˇsˇıćena. M

Pozna´mka: Co z toho vyply´va´? Pokud u pocˇı´tacˇe/notebooku vidı´me, zˇe ma´ procesor Core i3/i5/i7, moc jsme se nedoveˇdeˇli. Meˇli bychom si zjistit podrobneˇjsˇı´informace.

Dalsˇı´informace: • http://swfan.com/reviews/processors/inside-nehalem-intels-new-core-i7-micro-architecture?aid=608 • http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleID=2370 • http://extrahardware.cnews.cz/westmere-32nm-dvoujadra-pro-kazdeho • http://extrahardware.cnews.cz/westmere-h57-clarkdale-ii-architektura-novinky • http://extrahardware.cnews.cz/sandy-bridge-llano-od-intelu-32nm-igp-2011 • http://extrahardware.cnews.cz/sandy-bridge-32nm-ctyrjadro-s-igp-v-roce-2011 • http://www.intel.com/products/embedded/processors/corei7/desktop/overview.htm (Core i7 pro desktopy) • http://www.intel.com/cd/products/services/emea/eng/desktop/319976.htm (prˇehled vsˇech Core i7 pro desktopy)

Core M se poprveóbjevujı´simultańneˇs pa´tou generacıĆore i, tedy u mikroarchitektury Broadwell. U´ cˇelem bylo vyrobit velmi u´sporne´, male´, ticheá prˇitom vcelku vy´konne´procesory do mobilnıćh zarˇı´zenı´ (jsou urcˇeny pro notebooky a tablety). Jejich TDP je na 4,5 W, jejich vy´bava je zhruba odpovı´dajıćıĆore i (ostatneˇ– jedna´se o tata´zˇja´dra, jen jinak nakonfigurovana´), beˇzˇıńa nizˇsˇı´frekvenci a napeˇtı´, meˇla by by´t uchladitelna´pasivneˇ(bez veˇtraćˇku). Od sˇeste´generace (Skylake) se take´podle vy´konu rozlisˇujıĆore M3, M5 a M7. Atom (od roku 2008) je konstruovań pro velmi nı´zkyódbeˇr energie (subnotebooky, PDA, smartphony, apod.), ma´velmi male´rozmeˇry,nena´rocˇnyńa za´kladnı´desky.Sice pouzˇı´va´HyperThreading, ale nepodporuje dalsˇı´modernı´technologie (Out-of-Order, Speculative Execution ani prˇejmenovańı´registru˚), cozˇvelmi snizˇuje vy´kon. KAPITOLA 6 PROCESORY 107

Atomy jsou vyra´beˇny 45nm nebo 32nm technologiı´, prˇesto majı´velmi nı´zke´TDP, a tedy jejich spotrˇeba je velmi pozoruhodna´– obvykle do 10 W (mobilnı´jesˇteˇmeńeˇ), zatı´mco Celeron ULV (Ultra Low Voltage) kolem 30 W, Core 2 Duo 8200 ma´TDP 65 W. Z toho du˚vodu je procesor Atom hromadneˇnasazovań v netboocıćh (levnyćh noteboocıćh s nı´zkou spotrˇebou) a nettopech (tote´zˇ, ale pro desktopy). Vzpomenˇme si, co znamena´ hodnota TDP. Nejblizˇsˇı´konkurence je VIA nano (obvykle takeńa stejne´m typu desky – miniITX).

Pozna´mka: Procesory Atom jsou 64bitove´, ale veˇtsˇina z nich podporuje pouze 32bitovou adresaci, tj. lze prˇistupovat pouze k 4 GB operacˇnı´pameˇti.

Dalsˇıínformace: • http://www.svethardware.cz/art doc-D40FCC727CF84FE9C12574B100601A99.html • http://extrahardware.cnews.cz/intel-moorestown-s-atomem-do-boje-proti-arm • http://extrahardware.cnews.cz/intel-pine-trail-nova-generace-atomu-je-tady • http://ark.intel.com/ProductCollection.aspx?familyID=29035 • http://www.intel.com/design/intarch/atom/specifications.htm • http://www.intel.com/cd/products/services/emea/eng/processors/atom/specifications/418312.htm

Dalsˇı´soucˇasne´levne´procesory jsou procesory rˇady Pentium a Celeron. Jejich vy´voj vpodstateˇkopı´ruje vy´voj generacıĆore i, jen beˇzˇıńa nizˇsˇı´frekvenci, majı´meńeˇjader, meńeˇcache pameˇti, nepodporujıńeˇktere´ technologie. Typickeńasazenı´teˇchto procesoru˚je do kancela´rˇıńebo do u´spornyćh domaćıćh pocˇı´tacˇu˚(jejich TDP je nı´zke´, vy´kon ovsˇem take´).

Intel Centrino (noveˇji Centrino Wireless) nenı´procesor, ale hardwarova´mobilnıárchitektura. Zahrnuje mobilnı´procesor + cˇipset + integrovana´zarˇı´zenı´(Wi-fi sı´t’ova´karta a graficka´karta). Poskytuje mozˇnost prˇepıńat mezi integrovanou grafikou a kartou, podporuje technologie WiFi a WiMAX. Pu˚vodneˇ byla tato platforma zalozˇena na procesoru Pentium M, pozdeˇji byly vyuzˇı´vańy procesory Core 2, v soucˇasne´dobeˇse setka´va´me s Centrino platformami zalozˇeny´mi na Core i (i3, i5 nebo i7, platforma Calpella) nebo Atom (platforma Menlow).

6.10.4 R Starsˇı´procesory AMD

Firma AMD vyra´bı´kromeˇjine´ho procesory x86 kompatibilnı´, tj. kompatibilnı´s Intelem. Roku 1982 firmy Intel a AMD uzavrˇely smlouvu o poskytnutı´licencıńa procesory, zejmeńa i8086 a i8088. Firma Intel byla k te´to smlouveˇvıćemeńeˇdotlacˇena svy´m odbeˇratelem, firmou IBM, kteraćhteˇla mı´t pro sve´pocˇı´tacˇe alesponˇ dva ekonomicky neza´visle´dodavatele procesoru˚. KAPITOLA 6 PROCESORY 108

AMD vsˇak pokracˇovala ve sve´rˇadeˇprocesoru˚i za pu˚vodneˇocˇeka´vaneí808x. Pote´, co AMD vydala svu˚j procesor AM286, ktery´byl klonem intelovske´ho i80286, se Intel pokusil smlouvu zrusˇit, ale neu´speˇsˇneˇ. Na´sledovaly dalsˇı´klony, jejichzˇpodobnost s intelovsky´mi procesory se postupneˇsnizˇovala s tı´m, jak AMD postupneˇprˇida´vala sve´vlastnı´technologie prˇi zachovańı´kompatibility. Postupneˇbylo zavedeno oznacˇenı´ PR Rating (oznacˇujıćıékvivalentnost k procesoru˚m Intelu na za´kladeˇza´teˇzˇovyćh testu˚(naprˇı´klad AM5x86 odpovı´dal zhruba Pentiu 75, proto byl oznacˇen AM5x86-P75). • AM386 – klon i80386 (1991), da´le AM486, nada´le AMD nevyzˇadoval specifikaci procesoru˚od Intelu, ale z velkećˇa´sti pouzˇı´val zpeˇtneínzˇeny´rstvı´(reverse engeneering) pro zjisˇt’ovańı´technickyćh u´daju˚. • AM5x86 (1995) odstartoval popularitu AMD coby vy´robce levneˇjsˇıálternativy intelovskyćh procesoru˚. • AMD K5 – prvnı´ procesor zcela vlastnı´ vy´roby (1996, K od „Kryptonite“ ze Supermana, nara´zˇka na „supermanovske´“ chovańıÍntelu), RISC architektura s rozhranı´m pro x86, pipelining, speculative execution, atd., konkurent Pentiı´. • AMD K6 (1997) – konkurent Pentia II, zakoupena novaárchitektura NexGen (RISC architektura inter- pretujıćı´x86, ale nebyla klonem): superskala´rnıárchitektura, Out-of-Order zpracovańıínstrukcı´, MMX (3DNow!), instrukce x86 prˇekla´dal na sve´RISC instrukce. V 64bitovyćh procesorech se jizˇpouzˇı´val NX bit.

AMD K7 je generace procesoru˚, ve ktere´ vznikaly mnohe´ soucˇasne´ technologie. AMD Athlon je rˇada popula´rnıćh procesoru˚ z rodiny K7 pro desktopy. Uzˇ prvnı´ verze Athlonu podporovaly superskala´rnı´ architekturu, Out-of-Order Execution, Enhanced 3DNow! (kompatibilita s MMX a dalsˇıńoveínstrukce). Je hlavnı´m za´stupcem AMD K7 (1999), vedoucı´m vy´vojove´ho ty´mu byl jeden z vy´voja´rˇu˚DEC Alpha. Athlony jsou procesory s hlavnıínstrukcˇnı´sadou typu RISC. Zpeˇtna´kompatibilita je velmi du˚lezˇita´, proto doka´zˇou zpracova´vat i instrukce x86 (deko´dujı´je do internıćh RISC instrukcı´). • prvnı´varianta, Athlon Classic, byla vy´konoveˇsrovnatelna´s Pentiem III, ale levneˇjsˇı´, meˇla velkyú´speˇch, na´sledujıćı´varianta, Thunderbird, dto. (2000) • Athlon XP (Palomino, eXtreme Performance) – frekvence 1333–1533 MHz, sady 3DNow! a SSE, varianty Mobile Athlon (notebooky) a Athlon MP (dual processing) Du˚lezˇitou vlastnostı´je technologie u´spory energie PowerNow! (Cool’n’Quiet), ktera´se poprveóbjevila v procesorech Athlon XP.

Dalsˇı´AMD K7 jsou • Duron (2000) – konkurence prvnı´ch Pentiı´4, jde o slabsˇı´verzi Athlonu (obdoba Celeronu˚od Intelu) • Mobile Duron (2002) • Sempron (2004), Mobile Sempron (2005)

AMD K8 prˇisˇla s 64bitovou architekturou a sbeˇrnicı´ HyperTransport. Za´stupci: • Opteron (2003) – servery • Athlon 64 (2004) – konkurence Pentia 4 Gallatin, • Mobile Athlon 64 (2004) KAPITOLA 6 PROCESORY 109

• Turion 64 (2005) – porovnatelne´s Intel Pentium M a Core 2 procesory, technologie PowerNow!, Enhan- ced 3DNow!, MMX, SSE, atd.

AMD K9 se vyznacˇovala integracı´severnı´ho mostu chipsetu do procesoru (vcˇetneˇrˇadicˇe pameˇti), proto naprˇı´klad pameˇti komunikujı´prˇı´mo s CPU po pameˇt’ove´sbeˇrnici (Memory Bus). Nejzna´meˇjsˇı´za´stupci jsou Athlon 64 X2 a Phenom X4 (4 ja´dra).

Dalsˇı´informace: Zajı´mavosti najdeme na http://www.hardwaresecrets.com/article/324.

6.10.5 Noveˇjsˇı´procesory AMD

AMD postupneˇprˇecha´zı´na obdobu toho, co u Intelu zna´me jako princip Tick-Tock, jen tento princip tak du˚sledneˇnedodrzˇuje. Po (mikro)architekturˇe K10 prˇicha´zı´mikroarchitektura K10.5, ktera´se mimo jine´lisˇı´ prˇedevsˇı´m vy´robnı´m procesem (prˇechod z 65 nm na 45 nm). Nejnoveˇjsˇı´procesory AMD jsou jizˇvyra´beˇny 32nm vy´robnı´technologiı´.

AMD K10 prˇisˇla se zcela novy´m konceptem procesoru, prvnı´m za´stupcem byl procesor s ko´dovy´m na´zvem Barcelona. Pouzˇı´va´vy´robnı´proces na 65 nm. Tato generace prˇisˇla s pomeˇrneˇmnoha novinkami, naprˇı´klad obsahuje dva navza´jem neza´visle´rˇadicˇe pameˇti, kazˇdy´z nich ma´vlastnı´fyzickyádresovy´prostor. Barcelona (rok 2007) byl cˇtyrˇja´drovy´procesor (ve skutecˇnosti dveˇspojena´dvouja´dra) se sdı´lenou L3 cache, a to pro rodinu Opteron (to jsou serverove´procesory). Podporoval instrukce MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64 (x86-64), SSSE3. Bohuzˇel se objevily chyby prˇi zpracovańı´, naprˇı´klad chyba v TLB (Tranlation Lookside Buffer), ktera´zpu˚sobuje obcˇasne´zamrznutı´(pro Linux se objevila za´plata, ktera´du˚- sledky te´to chyby obcha´zıá vıćemeńeˇrˇesˇı´, ale pro jisty´majoritnıóperacˇnı´syste´m nic takove´ho nevzniklo, tedy vy´robce tyto produkty musel sta´hnout). Na´stupcem Barcelony pro Opterony byly procesory Budapest, takte´zˇv architekturˇe K10 (oproti Barceloneˇ se zasazovaly do patice AM2, vnitrˇnı´struktura byla prˇepracovana´). K10 prˇisˇla, jako obvykle, s neˇkolika ru˚zny´mi typy procesoru˚: • Opteron – pro servery, • Phenom – pro high-end desktopy, patice AM2+, • Athlon, Athlon X2 (prvnı´je jednoja´drovy´, druhy´dvouja´drovy´) – pro meńeˇna´rocˇne´desktopy, • Sempron – pro nena´rocˇne´pouzˇitı´, typicky v kancela´rˇi. K10 Phenom je postaven na architekturˇe K8 se zmeˇnami v instrukcˇnı´sadeˇ– prˇidańo neˇkolik instrukcı´do za´kladnı´sady a da´le nova´sada SSE4a (SSE4 rozsˇı´rˇenaó dalsˇıínstrukce). Obsahuje cˇtyrˇi samostatna´ja´dra, jde o prvnı´skutecˇnyćˇtyrˇja´drovy´procesor od AMD. Mezi nadsˇenci je zna´ma varianta (nejen) Phenomu Black Edition, ktera´maódemcˇenyńa´sobicˇa tedy je mozˇne´tento procesor volneˇprˇetaktova´vat. R Dalsˇı´vlastnosti Phenomu: KAPITOLA 6 PROCESORY 110

• vylepsˇena´spra´va napa´jenı´vcˇetneˇEnhanced PowerNow!, Cool’n’Quiet (vylepsˇenećhlazenı´) • neˇktere´varianty dovolujı´softwaroveˇrˇı´dit napa´jenı´procesoru a dalsˇı´funkce (na´stroj AMD OverDrive) • L3 cache nejmeńeˇ2 MB sdı´lena´vsˇemi cˇtyrˇmi ja´dry, kazˇde´ja´dro ma´vlastnı´L1 a L2 • technologie Dual Dynamic Power Management – integrovane´rˇadicˇe pameˇti a ja´dra CPU jsou napa´jena samostatneˇ, tj. vy´kon pameˇti je zachovań i tehdy, kdyzˇja´dra CPU jsou v rezˇimu se snı´zˇeny´m vy´konem • AMD Digital Media Express 2.0 – technologie pro zˇiveˇjsˇı´3D grafiku

Pozna´mka: Tak trochu u´div vyvolalo uvedenı´3ja´drovy´ch procesoru˚Phenom X3, ktery´vsˇak opadl po zjisˇteˇnı´, zˇe jde vlastneˇo 4ja´drove´procesory s jednı´m ja´drem zneaktivneˇny´m („recyklace“ cˇtyrˇja´drovy´ch procesoru˚, kde dosˇlo k vy´robnı´vadeˇna jednom ja´drˇe).

AMD K10.5 je mikroarchitektura, ktera´vznikla z K10 zmeˇnou vy´robnı´ho procesu – procesory K10.5 jsou vyra´beˇny 45nm technologiıá prˇecha´zı´se k patici AM3. Je zrˇejme´, zˇe AMD se pomalu klonı´k obdobeˇTick- Tock principu, ktery´zna´me od Intelu – v jednom kroku zmeˇna architektury, v druhe´m kroku implementace existujıćıóveˇrˇeneárchitektury do nove´ho vy´robnı´ho procesu, v na´sledujıćı´m kroku pouzˇitı´tohoto vy´robnı´ho procesu na zcela novou architekturu, atd. K10.5 je mysˇlena jako konkurence procesoru˚Intel architektury Nehalem. Najdeme zde obvykle´ rodiny procesoru˚– oproti K10 se oznacˇujı´Phenom II (velmi vy´konne´), Athlon II (strˇednı´trˇı´da), Sempron (kancela´rˇ- ske´), Turion II (pro notebooky), protozˇe jde vlastneˇo druhou generaci K10. Novinkou je rodina Llano, ktera´ se od odstatnıćh vy´razneˇlisˇı´. R V generaci K10.5 se setka´me s teˇmito ja´dry: • u vy´konnyćh Phenomu˚ pro desktop najdeme ja´dra Thuban (6ja´drove´ procesory – Phenom II X6) a Deneb (4 ja´dra, Phenom II X4), hodnota TDP mu˚zˇe jı´t i prˇes 100 W (65–125 W), • u (meńeˇvy´konnyćh levneˇjsˇıćh) Athlonu˚pro desktop to jsou ja´dra Propus (4 ja´dra do procesoru, Athlon II X4), Rana (3 ja´dra, Athlon II X3) a Regor (2 ja´dra, Athlon II X2), TDP je 45–125 W, • u (nejlevneˇjsˇıćh) Sempronu˚pro desktop se setka´me s ja´drem Sargas (pouze jedno ja´dro), TDP je mezi 45 a 62 W, • u vy´konneˇjsˇıćh Phenomu˚pro notebooky se setka´me s ja´drem Danube (3 nebo 4 ja´dra, Phenom II X3 nebo X4), TDP je obvykle 25 nebo 35 W, • procesory Turion nebo Athlon pro notebooky s ja´dry Griffin (obvykle 2 ja´dra), TDP je obvykle 35 W, • AMD Athlon II Neo jsou procesory s jednı´m nebo dveˇma ja´dry s nı´zkou hodnotou TDP (pod 20 W).

Pozna´mka: Jak bylo vy´sˇe uvedeno, novinkou v te´to generaci je rodina Llano. Zatı´mco prˇedchozı´jsou vyra´beˇny 45nm technologiı´, u Llana je experimenta´lneˇpouzˇita 32nm technologie. Dalsˇıódlisˇnostı´je integrace graficke´ho ja´dra, takzˇe se jednaó APU. KAPITOLA 6 PROCESORY 111

Veˇtsˇina procesoru˚generace K10.5 patrˇı´do patice AM3+ (ale je mozˇne´pouzˇı´t i starsˇı´AM3). Llano patrˇı´ do nove´patice FM1.

AMD – globa´lnı´rozdeˇlenı´ • Opteron – prˇedevsˇı´m pro servery • Phenom – pro vy´konneˇjsˇı´osobnı´pocˇı´tacˇe • Athlon – pro osobnı´pocˇı´tacˇe nebo levneˇjsˇı´servery • Turion – pro notebooky • Sempron – na´hrada Duronu˚, pro kancela´rˇske´pocˇı´tacˇe

Soucˇasneárchitektury: AMD prˇesta´va´pouzˇı´vat cˇı´selneóznacˇenıá prˇecha´zıńa 32nm (a neˇkde 40nm) technologii vy´roby. Existujı´dveˇza´kladnı´vy´robnı´rˇady, ktere´se „ta´hnou“ prˇes ru˚zne´generace – AMD FX a A-Series (a pak dalsˇıódvozene´), je to obdoba intelovske´ho cˇleneˇnıńa Core i7, i5, i3 apod. AMD FX jsou vy´konne´ (high-end) procesory, ktere´ by meˇly konkurovat procesoru˚m Core i strˇednı´ a vysˇsˇı´trˇı´dy, jsou vyrobeny 32nm vy´robnı´m procesem. Tyto procesory se vyznacˇujı´modula´rnı´strukturou, kdy vy´sledny´procesor se skla´da´z modulu˚obsahujıćıćh vzˇdy dvojici jader pro celocˇı´selne´vy´pocˇty a jednu sdı´lenou FPU pro vy´pocˇty v pohyblive´rˇa´dovećˇa´rce, kazˇde´ja´dro ma´vlastnı´L1 cache, ja´dra v ra´mci jednoho modulu sdı´lejı´spolecˇnou L2 cache a da´le existuje L3 cache sdı´lena´ja´dry prˇes vsˇechny moduly procesoru. Ja´dra v jednom modulu sdı´lejı´take´dekode´r instrukcı´. Odlehcˇenou variantou AMD FX jsou procesory Athlon, ktere´si svu˚j vy´znam zachovaly z prˇedchozıćh generacı´(tj. nizˇsˇı´strˇednı´trˇı´da). Patrˇı´take´do stejne´patice jako FX. Procesory rˇady A-Series jsou potomky rodiny Llano. V soucˇasne´dobeˇobsahujı´slabsˇı´variantu jader v modulech prakticky stejne´ architektury jako u AMD FX (nizˇsˇı´ frekvence, meńeˇ cache pameˇti, apod.). Oproti FX majı´jednu velkou vy´hodu – celkem kvalitnıíntegrovane´graficke´ja´dro Radeon (hlavneˇv drazˇsˇıćh modelech). AMD tyto procesory nazy´vaÁPU (cozˇje kombinace vy´pocˇetnı´ho ja´dra CPU a graficke´ho ja´dra). R AMD FX pouzˇı´vajıárchitekturu Bulldozer (starsˇı´, ja´dra se nazy´vajı´Zambezi a Interlagos) nebo Piledriver (noveˇjsˇı´, ja´dra se nazy´vajı´Vishera, Delhi, Trinity, Richland). V prˇı´padeˇAPU rˇady A-Series to je architektura Steamroller (starsˇı´, ja´dra Kaveri a Berlin) a Excavator (noveˇjsˇı´, ja´dro Carrizo). Procesory AMD FX patrˇı´do patice AM3+ (ale je mozˇne´pouzˇı´t i AM3), APU A-Series patrˇı´do patice FM2 nebo FM2+ (podle konkre´tnı´rodiny).

Dalsˇı´informace: • http://www.amd.com/US/PRODUCTS/Pages/products.aspx • http://products.amd.com/en-us/ • http://www.notebookcheck.net/ • http://extrahardware.cnews.cz/bulldozer-bobcat-dve-nove-architektury-amd • http://extrahardware.cnews.cz/nvidia-ion-nova-generace-se-predstavuje • http://extrahardware.cnews.cz/amd-llano-32nm-ctyrjadro-s-igp-v-roce-2011

KAPITOLA 6 PROCESORY 112

AMD Mobile Platform je konkurent Centrina. Podobneˇjako u Centrina, i zde jde o kombinaci procesoru, chipsetu vcˇetneˇintegrovane´grafiky a sı´t’ove´ho rˇesˇenı´. Zde AMD vyuzˇı´vaákvizice s firmou ATI. R O te´to architekturˇe se zacˇalo mluvit prˇedevsˇı´m s uvedenı´m mobilnı´platformy Puma (2008), i kdyzˇzde patrˇil uzˇjejı´prˇedchu˚dce Kite. Na´sledovnıći Pumy se (stejneˇjako v prˇı´padeˇIntel Centrino) odlisˇujı´pouzˇity´mi procesory, graficky´mi procesory, cˇipovy´mi sadami a bezdra´tovy´mi rˇesˇenı´mi. V roce 2009 to byla postupneˇ platforma Yukon, Congo a Tigris, v roce 2010 se objevily platformy Danube a Nile. Mobilnı´platformy od AMD podporujı´technologii PowerExpress – mozˇnost vypıńat externı´grafiku bez restartu pocˇı´tacˇe (tj. prˇepıńańı´mezi integrovanou grafikou a kartou). Prˇi napa´jenı´ze sı´teˇmohou obeˇgrafiky beˇzˇet propojene´(Cross Fire, podrobneˇji v kapitole o grafickyćh kartaćh). AMD Fusion je kombinace CPU a GPU (od ATI) v jednom pouzdrˇe. Opeˇt existuje vıće ru˚znyćh platforem, ktere´se lisˇı´pouzˇity´mi komponentami, vy´konem, urcˇenı´m, a samozrˇejmeˇtakećˇasem zverˇejneˇnı´, hodnota TDP teˇchto sad by meˇla by´t spı´sˇe nı´zka´. Pra´veˇv souvislosti s AMD Fusion prˇisˇla firma AMD s pojmem APU (Accelerated Processing Unit) a postupneˇse posunula k dalsˇı´meteˇ– SoC cˇipu. Nynı´si shrnˇme, jake´patice se pouzˇı´vajı´pro desktopove´procesory AMD: • AM2 (rok 2006), AM2+ (rok 2007) – Phenom, Athlon • AM3 (rok 2009) – Athlon II, Phenom II, Sempron • AM3+ (rok 2011) – procesory FX a Athlon, patice je kompatibilnı´s AM3 • FM1 (rok 2011) – AMD Fusion, Llano • FM2 (rok 2012), FM2+ (rok 2013) – APU A-Series Patice FM1, FM2, FM2+ jsou urcˇeny pro APU, tedy procesory integrujıćı´graficke´ja´dro.

M Prˇı´klad6.8 Na http://amd.com/us/products si u desktopovyćh procesoru˚vsˇimneˇte, zˇe se rozlisˇujı´„Desktop processors“ a „Desktop APUs“. APU je taky procesor, ale maíntegrovane´ja´dro. • AMD FX jsou momenta´lneˇnejvy´konneˇjsˇı´procesory pro desktopy od AMD urcˇene´do patice AM3+. Jsou vyra´beˇny 32nm vy´robnı´m procesem, TDP je kolem 100 W, pracujıńa vysˇsˇıćh frekvencıćh a velikost L2 a L3 je vıće nezˇdostacˇujıćı´(ale pozor, mezi jednotlivy´mi modely jsou rozdı´ly). AMD3+ se napojuje sbeˇrnicı´HT. Prˇı´klad: AMD FX 6200 (6 fyzickyćh jader, tj. 3 Bulldozer modules, TDP 125 W, Turbo Core, 6 MB L2 cache – 2 MB pro kazˇde´dvouja´dro, 8 MB L3 cache) • AMD A-Series jsou APU (tj. majıíntegrovańo graficke´ja´dro AMD Radeon) majı´2 nebo 4 vy´pocˇetnı´ ja´dra a kvalitnıíntegrovany´grafickyćˇip. TDP je mezi 65 a 100 W, cache pouze druheú´rovneˇ(1 nebo 4 MB L2 cache). Samotny´procesor je spı´sˇe meńeˇvy´konny´, ale tyto procesory jsou vy´hodne´v prˇı´padeˇ, zˇe potrˇebujeme prˇedevsˇı´m graficky´vy´kon (video, u´pravy obra´zku˚, prohlı´zˇenı´webu, apod.). A-Series se momenta´lneˇvyskytujı´ve dvou generacıćh – prvnı´generace (Llano) patrˇı´do patice FM1, druha´ generace (Trinity) patrˇı´do patice FM2. Prˇı´klad: AMD A8-5500 (Trinity, patice FM2, 4 ja´dra, 4 MB L2 cache, TDP 65 W, 32nm vy´robnı´proces) AMD A8-3850 (Llano, patice FM1, 4 ja´dra, 4 MB L2 cache, TDP 100 W, 32nm vy´robnı´proces) KAPITOLA 6 PROCESORY 113

• AMD E-Series jsou ma´lo vy´konneÁPU, ktere´byly plańovańy zejmeńa do All-in-one pocˇı´tacˇu˚. Majı´jen 2 ja´dra, pouze 1 MB L2 cache, slabsˇı´grafiku nezˇA-Series a velmi nı´zke´TDP.Samostatneˇse neproda´vajı´. Prˇı´klad: AMD E2-1800: 32nm litography, 2 cores, TDP 18 W, • AMD Phenom II je vyra´beˇn 45nm technologiı´. Je pomeˇrneˇvysoce taktovań, L2 a L3 cache jsou dostatecˇneˇ velke´, TDP kolem 100 W. Tyto procesory patrˇı´do patice AM3. Neobsahujı´graficke´ja´dro. Prˇı´klad: AMD Phenom II X4 965 (4 ja´dra – pozna´me podle „X4“, 2 MB L2 cache, 6 MB L3 cache, TDP 125 W) • AMD Athlon II je vyra´beˇn 45nm nebo 32nm technologiı´. Procesory vyra´beˇne´ 45nm technologiı´ se osazujı´do patice FM3, procesory vyra´beˇne´32nm technologiı´da´va´me do patice FM1 nebo FM2 (Athlon II Trinity patrˇı´do FM2). Majı´pouze cache 2. u´rovneˇ, obvykle 1,5 azˇ4 MB L2 cache. TDP je mezi 45 a 100 W. Zˇ a´dna´grafika. Prˇı´klad: AMD Trinity Athlon II X4 740 (4 ja´dra, do patice FM2, 32nm vy´robnı´proces, 4 MB L2 cache, TDP 65 W). • AMD Sempron jsou slabe´procesory bez graficke´ho cˇipu (obdoba Intel Celeron). Momenta´lneˇse vyra´beˇjı´ 45nm technologiı´, pracujıńa nı´zke´frekvenci a majı´pouze 1 MB L2 cache. Patrˇı´do patice AM3. Prˇı´klad: AMD Sempron X2 190 (dveˇja´dra, do patice AM3, 1 MB L2 cache, TDP 45 W. FX jsou sice velmi vy´konne´, ale nelze je srovna´vat se stejneˇtaktovany´mi procesory od Intelu. Vlastneˇse na AMD snesla vlna kritiky za na´vrh teˇchto procesoru˚, protozˇe ja´dra jsou azˇmoc jednoduchaá prˇı´lisˇmnoho soucˇa´stı´je sdı´lenyćh,3 takzˇe rea´lny´vy´kon je nizˇsˇıńezˇbyl ocˇeka´vań. M

Dalsˇı´informace: • http://extrahardware.cnews.cz/amd-fx-8150-6100-bulldozer-zambezi-recenze-test • http://pctuning.tyden.cz/hardware/procesory-pameti/24112-taktujeme-bulldozer-navod-a-praxe-pro-hodnoty -nad-5-ghz • http://wccftech.com/amd-kaveri-apus-compatible-socket-fm2-roadmap-conﬁrms-launch-late-2013/

6.10.6 R PowerPC

Vlastnosti: • 1991, zalozˇen na starsˇı´m IBM POWER • Architektura typu RISC vytvorˇena´ve spolupra´ci Apple + IBM + Motorola, vlastnı´instrukcˇnı´sada PowerPC 3AMD skla´da´procesory rˇady FX z „dvouja´der“. Kazˇde´takove´dvouja´dro (tzv. module) ma´sice dveˇALU (pro kazˇde´jednoduche´ ja´dro jednu), ale zato jediny´dekode´r instrukcı´, jediny´prediktor veˇtvenı´ko´du a skoku˚, jedinou FPU a spolecˇnou L2 cache. Je zrˇejme´, zˇe ja´dro, ktere´musı´sdı´let takove´to za´kladnı´veˇci, nenı´srovnatelne´s plnohodnotny´m ja´drem procesoru˚Intel. KAPITOLA 6 PROCESORY 114

• Altivec – SIMD instrukcˇnı´sada zejmeńa pro multime´dia • pouzˇitı´: prˇedevsˇı´m v pocˇı´tacˇıćh Apple v letech 1994–2006 a v platformeˇPegasos (dnes volneˇsˇirˇitelna´ platforma), urcˇena pu˚vodneˇpro desktopy, ale existujı´take´varianty pro mala´mobilnı´zarˇı´zenı´ • kratsˇı´ pipeline, postaveno na filozofii, zˇe kdyzˇ jsou pipelines prˇı´lisˇ dlouhe´, pak kvu˚li za´vislostem instrukcı´(zejmeńa datovy´m) vznikajı´prˇi zpracovańı´prˇı´lisˇvelke´„bubliny“ – pra´zdne´fa´ze v pipeline, ve kteryćh procesor nemaćo zpracova´vat (pak vznika´paradox ve vztahu frekvence×vy´kon) Na na´sledujıćı´m obra´zku je srovnańı´vy´konu 32bitovyćh procesoru˚se SIMD instrukcemi (Altivec u PowerPC, MMX/SSE kompatibilnıćh u ostatnıćh) prˇi pouzˇitı´programu pro desˇifrovańı´zpra´vy zako´dovane´72bitovy´m klıćˇem (tj. prˇi paralelnı´m zpracovańı´dat, typickaú´loha pro SIMD instrukce), na vy´sledky je aplikovańa linea´rnı´regrese.

Obra´zek 6.9: Procesor se SIMD instrukcemi, srovna´nı´

6.10.7 R Motorola

Procesory Motorola byly dlouho pouzˇı´vańy v pocˇı´tacˇıćh Apple MacIntosh, pak i v prvnıćh pocˇı´tacˇıćh NeXT. Jejich instrukcˇnı´sada je typu CISC. Procesory byly uzˇod zacˇa´tku navrhovańy tak, aby byly snadno rozsˇirˇitelne´. V soucˇasne´dobeˇse s teˇmito procesory setka´va´me hlavneˇv mensˇıćh mobilnıćh zarˇı´zenıćh. Nejzna´meˇjsˇı´za´stupci: • po 8bitove´m Motorola 6800 (jako prvnı´procesor vybaven vektorovy´m syste´mem prˇerusˇenı´) prˇisˇel 16bitovy´Motorola 68000 (1981, vnitrˇneˇ32bitovy´) • 68020 jizˇplneˇ32bitovy´, L1 cache, mozˇnost pouzˇitı´L2, da´le 68030 (navıć integrovańa jednotka rˇı´zenı´ pameˇti • 68040 – integrovany´koprocesor, pouzˇitelnyí ve vıćeprocesorovyćh syste´mech • 68060 (1994) – dveˇcelocˇı´selne´pipelines, velmi vy´konna´FPU KAPITOLA 6 PROCESORY 115

6.10.8 R VIA

Tato firma je zna´mańejen jako vy´robce chipsetu˚, ale take´jako vy´robce pomeˇrneˇenergeticky u´spornyćh procesoru˚. V soucˇasne´dobeˇse setka´va´me prˇedevsˇı´m s procesory VIA C7 a jejich odnozˇemi a potomky. Jedna´ se o procesory kompatibilnı´s x86, se superskala´rnıárchitekturou, instrukcˇnı´mi sadami SSE, SSE2, SSE3, MMX, Altivec, je pouzˇı´vań NX bit, atd. Zajı´mavou technologiı´je PadLock. Jde o velmi silnou podporu sˇifrovańıÁES prˇı´mo v procesoru zalozˇenou na kvalitnı´m genera´toru pseudona´hodnyćh cˇı´sel. Dı´ky tomu je sˇifrovańı´ velmi rychle´ a efektivnı´. Tyto procesory jsou urcˇeny do zarˇı´zenı´, ktera´se prima´rneˇzaby´vajı´sˇifrovańı´m, a nebo do beˇzˇnyćh pocˇı´tacˇu˚, kde sˇifrovańı´take´vyuzˇijeme (naprˇı´klad bezdra´tova´komunikace je obvykle sˇifrovańa). Mobilnı´variantou procesoru VIA C7 je VIA C7-M. Jeho na´stupcem je pak dnes jizˇvelmi zna´my´procesor VIA Nano, ktery´je va´zˇnou konkurencı´procesoru Intel Atom. VIA Nano je plneˇ64bitovy´procesor s podporou Out-of-Order Execution, multimedia´lnı´mi instrukcemi (SSE3) a podporou virtualizace. Vzhledem ke svy´m prˇedchu˚dcu˚m takeóbsahuje sˇifrovacı´jednotku. V testech poda´va´VIA Nano obvykle vysˇsˇı´vy´kon nezˇIntel Atom, prˇekvapiveˇi v multimedia´lnıćh aplikacıćh, ale ma´ (v pru˚meˇru) mı´rneˇvysˇsˇı´spotrˇebu. Je to zejmeńa proto, zˇe Atomy jsou vyra´beˇny 45nm technologiı´, kdezˇto VIA Nano 65nm technologiı´. Mu˚zˇeme se setkat naprˇı´klad s procesorem VIA Nano U2250 s ja´drem Isiah (jedno ja´dro), jehozˇTDP je 5 W. Oproti srovnatelne´mu jednoja´drove´mu Atomu N450 s ja´drem Pineview je o neˇco drazˇsˇı´, TDP jsou prˇiblizˇneˇ stejne´(N450 ma´TDP 5.5 W) a ma´vysˇsˇı´L2 cache (VIA ma´1024 kB, Atom pouze polovicˇnı´). Oproti tomu jiny´ model, Atom N270, ma´TDP pouze 2.5 W a naproti tomu o dost horsˇı´vy´sledky v testech vy´konnosti nezˇ VIA Nano U2250.

Dalsˇı´informace: • http://www.via.com.tw/en/products/processors/nano/ • http://arstechnica.com/hardware/reviews/2008/07/atom-nano-review.ars • http://extrahardware.cnews.cz/forum/viewtopic.php?f=38&t=5912 • http://ixbtlabs.com/articles3/cpu/via-nano-cpuid-fake-p1.html

Vy´drzˇprocesoru na baterii: V souvislosti s hodnotami TDP a vy´drzˇı´notebooku prˇi beˇhu na baterii se setka´va´me se zkratkou ULV (Ultra Low Voltage) nebo CULV (to je u Intelu, „C“ na zacˇa´tku je oznacˇenı´ hlavnı´architektury „Core“). Pokud vybı´ra´me notebook a chceme, aby meˇl vysokou vy´drzˇna baterii, volı´me pra´veˇtakto oznacˇene´procesory. Jejich TDP je obvykle na hodnoteˇkolem 10 W nebo u netbooku˚jesˇteˇnı´zˇe.

6.10.9 Procesory ARM

Instrukcˇnı´ sada procesoru˚ ARM je typicka´ RISC sada. Instrukce majı´ pevnou de´lku (32 nebo 64 bitu˚), v ja´drech jsou kra´tke´pipelines. Tyto procesory majı´prˇedevsˇı´m velmi nı´zkou spotrˇebu, proto je dnes najdeme prˇedevsˇı´m v mobilnı´ch a jiny´ch embedded zarˇı´zenı´. KAPITOLA 6 PROCESORY 116

Je zajı´mave´, zˇe pro ARM procesory nenı´jen jediny´vy´robce, ale licence na jednotlive´generace ARM (v soucˇasne´dobeˇARM7, ARM9, ARM11, ARM Cortex A9, ARM Cortex A15) byly proda´ny vı´ce ru˚zny´m vy´robcu˚m. Tedy vy´vojem se zaby´va´spolecˇnost ARM Holdings, vy´robou pak jine´spolecˇnosti.

nVidia Tegra jsou procesory vyra´beˇne´spolecˇnostıńVidia. Jedna´se prˇedevsˇı´m o SoC cˇipy do smartphonu˚, multimedia´lnıćh zarˇı´zenıápod. Pu˚vodneˇse pouzˇı´val 40nm vy´robnı´proces, v noveˇjsˇıćh jizˇ28nm technologie. Veˇtsˇinou se jednaó upravenyÁRM Cortex-A9, v generaci Tegra 9 najdeme ARM Cortex-A15.

Qualcomm Snapdragon jsou dalsˇı´zna´me´procesory ARM, vyra´beˇne´tentokra´t spolecˇnostı´Qualcomm. Opeˇt je najdeme ve smartphonech a tabletech.

Broadcom vyra´bı´ARM procesory urcˇene´zejme´na pro sı´t’ova´zarˇı´zenı´.

Atmel kromeˇvlastnı´ch rˇesˇenı´vyra´bı´procesory zalozˇene´na ARM (zejm. Cortex), cˇasto ve formeˇMCU cˇi SoC do embedded zarˇı´zenı´.

Marvel opeˇt vyra´bı´SoC zalozˇene´na ARM, ve smartphonech a embedded syste´mech, cˇasto se jedna´ o sı´t’ova´zarˇı´zenı´. Je zajı´mave´, zˇe prvnı´licenci na ARM procesory koupil Marvel od Microsoftu.

Dalsˇı´informace: • RISC procesory of ﬁrmy ATMEL: http://avr.hw.cz/index2.html • http://notebook.cz/clanky/technologie/2010/arm-architektura • http://notebook.cz/clanky/technologie/2010/tegra-next-generation

Dalsˇı´vy´robci procesoru˚(nejen ARM): Transmeta, IBM PowerPC, Motorola, MIPS, Alpha, Cyrix, SPARC, UltraSPARC, DEC (Digital Equipment Corporation), NEC (Nippon Electronic Company), atd.

Dalsˇıínformace: Odkazy na dalsˇı´strańky o procesorech: • http://www.root.cz/serialy/co-se-deje-v-pocitaci/ • Sˇimkova´, D.: Hardware pro zacˇa´tecˇnı´ky (Google Books): http://books.google.cz/books?id=JxWPzriNJ9cC&printsec=frontcover&source=gbs summary r&cad=0 • Procesory s desı´tkami jader, vy´zkumnećentrum Intelu: http://old.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2010/chip-03-2010/procesory-10jader.html • Cˇlańek o procesoru Intel Core i7-980X „Gulftown“: http://www.chip.cz/novinky/hardware/2010/03/nejrychlejsi-desktopovy-procesor-ma-sest-jader • Sveˇt hardware, Prˇehled desktopovyćh procesoru˚ http://www.svethardware.cz/art doc-D7DC723F2D235629C12573F40046AD49.html

KAPITOLA 6 PROCESORY 117

C U´ kol Na strańce http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2010/procesor-02-10.html se podı´vejte, jak vznika´procesor (na strańce je odkaz na PDF s cely´m cˇlańkem). C

6.11 R Prˇetaktovańıá podtaktovańı´procesoru

Procesor prˇetaktova´va´me, pokud ho chceme zrychlit (ale musı´me pocˇı´tat s tı´m, zˇe se zvy´sˇı´jeho spotrˇeba a bude se vıć zahrˇı´vat), naopak ho podtaktova´va´me, kdyzˇchceme, aby se tolik nezahrˇı´val a spotrˇeboval meńeˇenergie. Prˇetaktovańıćˇi podtaktovańı´lze prova´deˇt neˇktery´m z teˇchto zpu˚sobu˚: 1. zmeˇna frekvence FSB 2. zmeˇna hodnoty na´sobicˇe, ale pouze u procesoru˚s odemcˇeny´m na´sobicˇem • Intel: edice „K Series“, naprˇı´klad Core i7 875K • AMD: edice „Black Edition“, naprˇı´klad AMD Phenom II X6 Black 3. zmeˇna napeˇtı´(volta´zˇ) jader procesoru Jako prvnı´z vy´sˇe uvedenyćh vy´robcu˚prˇisˇla s procesory s odemcˇeny´m na´sobicˇem firma AMD. Intel dlouho tuto mozˇnost odmı´tal, prˇedevsˇı´m z bezpecˇnostnıćh du˚vodu˚(hra´tky s na´sobicˇem mohou mı´t za na´sledek znicˇenı´procesoru), ale po u´speˇchu u konkurence se prˇece jen objevily procesory edice „K Series“. Neˇkdy je trˇeba prove´st i dalsˇıú´pravy, naprˇ. frekvenci pameˇtı´, protozˇe pokud mezi frekvencı´procesoru a frekvencı´pameˇtıńenı´vhodnaú´meˇrnost (rovnajı´se nebo jsou jedna na´sobkem druhe´), docha´zı´ke zbytecˇny´m prodleva´m v komunikaci s pameˇt’mia prˇı´padneˇi k nestabilita´m v prˇenosu dat. Meˇli bychom mı´t na pameˇti, zˇe pokud opravdu chceme prove´st prˇetaktovańıćˇi podtaktovańı´procesoru, prˇı´slusˇne´hodnoty meˇnı´me po malyćh krocıćh (at’ uzˇfrekvenci, na´sobicˇnebo volta´zˇ), a po kazˇde´m kroku otestujeme. Procesor prˇetaktovanyńa prˇı´lisˇvysoke´hodnoty se prˇehrˇı´va´, sta´va´se nestabilnı´m (objevujı´se chyby ve vy´pocˇtu, obvykle na´hodne´, tedy teˇzˇko detekovatelne´) a snizˇuje se jeho zˇivotnost. Je velmi du˚lezˇite´ si prˇedem vyrˇesˇit dobrećhlazenıá take´bychom meˇli mı´t kvalitnı´zdroj. Prˇetaktovańı´se obvykle prova´dı´v BIOS Setup, ale neˇkterˇı´vy´robci (naprˇı´klad Asus) da´vajı´k dispozici programy, ktereúmozˇnˇujı´prˇetaktova´vat i z prostrˇedıóperacˇnı´ho syste´mu. Takeéxistujı´„obecne´“ na´stroje, ktere´lze pouzˇı´t, kdyzˇnema´me k dispozici nic jine´ho, naprˇı´klad urcˇite´mozˇnosti ma´me v CrystalCPUID4 nebo v RightMark CPU Clock Utility.5 Pokud tedy ma´me procesor, ktery´ lze na´mi zvolenou metodou prˇetaktovat, prˇi pouzˇitı´ BIOS Setup postupujeme takto: 1. Oveˇrˇı´me si u´daje o momenta´lnı´m nastavenı´procesoru v neˇktere´m vhodne´m na´stroji, naprˇı´klad CPU-Z nebo CrystalCPUID – hodnotu na´sobicˇe a momenta´lnıńomina´lnı´pracovnı´frekvenci (vyna´sobenı´m teˇchto u´daju˚zı´ska´me frekvenci procesoru). 4http://crystalmark.info/software/CrystalCPUID/index-e.html 5http://cpu.rightmark.org/download.shtml, ale nenı´moc cˇasto aktualizovań. KAPITOLA 6 PROCESORY 118

2. V BIOS Setup nebo v EFI (viz kapitolu 3.1 o BIOSu) si najdeme mı´sto, kde jsou nastavenı´ty´kajıćı´se prˇetaktovańı´. 3. Pokud je nastavena funkce Turbo Boost (Intel) nebo Turbo Core (AMD), vypneme ji (to lze obvykle na tomte´zˇmı´steˇv BIOS Setup, kde se prova´dı´prˇetaktovańı´). 4. Provedeme drobnou zmeˇnu (postupujeme po malyćh krocıćh, naprˇı´klad u frekvence po 10 cˇi 20 MHz). 5. Otestujeme, zda procesor pracuje stabilneˇ– mu˚zˇeme pouzˇı´t naprˇı´klad Prime95 (Windows, MacOS X) nebo MPrime (Linux, FreeBSD)6 v tzv. „Torture“ rezˇimu po dobu neˇkolika hodin (doporucˇuje se cca 6 hodin). 6. Pokud se objevujı´mı´rneńestability v beˇhu procesoru, mu˚zˇe pomoci zvy´sˇenıńapeˇtı´jader procesoru. Prˇi nı´zke´m napeˇtı´se totizˇmu˚zˇe sta´t, zˇe se tranzistory v ja´drech „nestı´hajı´“ prˇepıńat takovou rychlostı´, jaka´je urcˇena´zvy´sˇenou frekvencı´, cozˇvede k nestabiliteˇjader. 7. Mu˚zˇeme se vra´tit k bodu 4. Prˇı´padneˇbude nutne´prˇetaktovat take´pameˇti (opeˇt v BIOSu). Prˇi podtaktovańı´ nepracujeme jen s nomina´lnı´ frekvencı´, ale prˇedevsˇı´m s napeˇtı´m jader – platı´, zˇe spotrˇeba ja´dra je exponencia´lneˇza´vislańa jeho napeˇtı´, tj. naprˇı´klad prˇi snı´zˇenıńapeˇtıó 20 % se spotrˇeba snı´zˇıó cca 36 % (u´daj z cˇlańku na chip.cz, viz odkazy na dalsˇıínformace nı´zˇe).

Dalsˇıínformace: • http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2011/chip-09-11/cpu-takt.html (na konci strańky je odkaz na PDF obsahujıćı´kromeˇtextu i obra´zky) • http://pretaktovani.cz/ • http://extrahardware.cnews.cz/pretaktovani-procesoru-pro-zacatecniky

6Prime95 a MPrime je na http://cpu.rightmark.org/download.shtml Kapitola 7

Vnitrˇnı´pameˇti

V te´to kapitole se budeme zaby´vat vnitrˇnı´mi pameˇt’mi – jejich typy a vlastnostmi. Zameˇrˇı´me se na mechanismus, na ktere´m pracujı´, ru˚zna´provedenı´(pouzdra), se ktery´mi se mu˚zˇeme setkat, mozˇnosti jejich testova´nı´a ovlivneˇnı´jejich vlastnostı´.

7.1 Druhy a vlastnosti vnitrˇnı´chpameˇtı´

U vnitrˇnıćh pameˇtı´platı´ • cˇı´m vysˇsˇı´prˇı´stupove´rychlosti (uda´vańo v MHz), tı´m drazˇsˇı´ • cˇı´m drazˇsˇı´, tı´m mensˇı´mnozˇstvı´(kapacita) ⇒ nejrychlejsˇı´pameˇti se pouzˇı´vajı´pro registry v procesoru (je jich pouzˇito nejmeńeˇ, navıć jsou nejspoleh- liveˇjsˇı´), trochu meńeˇrychle´pro cache pameˇti a jesˇteˇpomalejsˇı´pro beˇzˇnou operacˇnı´pameˇt’. Za´kladnıćharakteristiky, ktereńa´s mohou zajı´mat: • kapacita – kolik dat je mozˇne´do pameˇti ulozˇit • prˇı´stupova´doba (latence, cˇasovańı´) – doba cˇekańıńa splneˇnı´pozˇadavku (rozlisˇujeme pro cˇtenı´/za´pis) • prˇenosova´rychlost – kolik dat je mozˇne´prˇecˇı´st (zapsat) za danou cˇasovou jednotku • spolehlivost – strˇednı´doba mezi dveˇma poruchami • cena/bit, prˇı´padneˇ cena/byte K ulozˇeny´m datu˚m lze prˇistupovat dveˇma zpu˚soby: • sekvencˇnı´ prˇı´stup – data v pameˇti jsou zprˇı´stupnˇovańa linea´rneˇ, nelze je „prˇeskakovat“, typicke´pro neˇktere´vneˇjsˇı´pameˇti • prˇı´my´ prˇı´stup – data lze cˇı´st prˇı´mo z daneádresy bez ohledu na prˇedchozı´, naprˇ. polovodicˇove´pameˇti

Pozna´mka: Sekvencˇneˇtedy cˇteme naprˇı´klad ze za´lohovacıćh pa´sek a urcˇita´forma sekvencˇnosti je takeú klasickyćh pevnyćh disku˚(obojı´jsou vneˇjsˇı´pameˇti), i kdyzˇu pevnyćh disku˚prˇevla´dajı´vlastnosti prˇı´me´ho prˇı´stupu

119 KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 120 do te´to pameˇti. Procˇ? Cˇtecı´hlava se sice mu˚zˇe volneˇpohybovat pomeˇrneˇrychle a te´meˇrˇprˇı´mo (po urcˇite´ dra´ze) mezi ru˚zny´mi mı´sty na plotneˇdisku, ale rychlost, s jakou se dostane na zadane´mı´sto, je ovlivneˇna jejı´m pu˚vodnı´m umı´steˇnı´m. Pouzˇı´vajı´se techniky, ktere´majı´pohyb cˇtecıćh/za´pisovyćh hlav optimalizovat, kromeˇjine´ho i prˇeusporˇa´dańı´m dat, ktera´jsou cˇtena (pokud ma´by´t prˇecˇtena zadana´sekvence dat, hlava je necˇte v dane´m porˇadı´, ale v tom porˇadı´, jake´ma´„po cesteˇ“ – NCQ).

Pameˇti takećˇlenı´me podle energeticke´za´vislosti: • energeticky neza´visle´ (nevolatilnı´) – obsah pameˇti se uchova´vaí po odpojenıód zdroje • energeticky za´visle´ (volatilnı´) – obsah pameˇti se po odpojenıód zdroje energie ztratı´, da´le cˇlenı´me podle doby uchovańı´dat: – staticke´– data jsou v pameˇti uchova´vańa po celou dobu prˇipojenı´ke zdroji, nenı´trˇeba je obnovovat – dynamicke´ – ulozˇena´ data se ztraćejı´ i v dobeˇ, kdy je pameˇt’ prˇipojena ke zdroji, je nutne´ je periodicky obnovovat Typicky´prˇı´klad energeticky za´vislyćh pameˇtı´jsou moduly operacˇnıćh pameˇtı´, cache, registry. Veˇtsˇina vnitrˇ- nıćh pameˇtı´je energeticky za´visla´. Vy´jimkou jsou naprˇı´klad flash pameˇti dnes beˇzˇneˇpouzˇı´vane´pro BIOS. Zajı´mańa´s take´destruktivnost prˇi cˇtenı´: • nedestruktivnı´prˇi cˇtenı´ • destruktivnı´prˇi cˇtenı´– proces cˇtenı´dat zpu˚sobı´smazańı´teˇchto dat, tedy prˇecˇtena´data musı´by´t znovu zapsańa Pameˇti destruktivnı´prˇi cˇtenıńajdeme jak u starsˇıćh typu˚vnitrˇnıćh pameˇtı´(bublinkove´pameˇti), tak i u no- veˇjsˇıćh typu˚(DRAM a jejı´potomci, cozˇdnes znamenaóperacˇnı´pameˇti).

7.2 Vlastnosti vnitrˇnı´chpameˇtı´

7.2.1 Obvykla´struktura

Vnitrˇnı´pameˇti se skla´dajı´z pameˇt’ovyćh buneˇk. Pameˇt’ova´bunˇka je mı´sto pro ulozˇenı´jednoho bitu, tedy uchova´va´hodnotu 0 nebo 1. Da´le obsahujı´ dekode´r, ktery´prova´dı´prˇeklad mezi adresou v pameˇti (tu znaóperacˇnı´syste´m) a fyzicky´m umı´steˇnı´m dat z te´to adresy v pameˇt’ovyćh modulech, tedy urcˇuje, se ktery´mi pameˇt’ovy´mi bunˇkami se vlastneˇma´pracovat. Mezi dekode´rem a pameˇt’ovy´mi bunˇkami vedou vodicˇe pro adresy a data. Adresove´vodicˇe urcˇujı´, se ktery´mi pameˇt’ovy´mi bunˇkami se pracuje (na tom, ktery´ma´by´t pouzˇit prˇi daneóperaci cˇtenı´/za´pis, je nastavena 1), datove´vodicˇe slouzˇı´k prˇenosu dat: • cˇtenı´z pameˇti: k datovy´m vodicˇu˚m jde signa´l od adresove´ho vodicˇe prˇes pameˇt’ove´bunˇky; pokud 1 projde k datove´mu vodicˇi, je na vy´stupu 1 a naopak

• za´pis do pameˇti: nastavı´se bity bx na hodnoty, ktere´majı´by´t ulozˇeny, pak prˇes neˇjde/nejde signa´l po datovy´ch vodicˇı´ch k pameˇt’ovy´m bunˇka´m Sche´ma vidı´me na obra´zku 7.1. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 121

q q q q Adresa Adresovy´vodicˇ ⇒ q q q q q q q q Datovy´vodicˇ Dekode´r

q q q q q q q q J J J J Zesilovacˇ

d1 d2 d3 d4

Obra´zek 7.1: Sche´ma vnitrˇnı´ch pameˇtı´

7.2.2 ROM pameˇti

Zkratka ROM sice znamena´ Read Only Memory (pouze pro cˇtenı´), ale ve skutecˇnosti se z pu˚vodnıćh nezapisovatelnyćh druhu˚cˇasem vyvinuly pameˇti podobnyćh vlastnostıá struktury, ale jizˇzapisovatelne´. Velmi du˚lezˇitou vlastnostı´ROM pameˇtı´je energetickańeza´vislost – pokud je prˇerusˇeno napa´jenı´(vypneme pocˇı´tacˇ, dojde ke zkratu nebo vy´padku proudu apod.), obsah pameˇti nenı´smazań. Vsˇechny zde popsane´pameˇti jsou energeticky neza´visle´(nevolatilnı´).

ROM (Read Only Memory) je nejstarsˇı´z pameˇtıúvedenyćh v te´to sekci. Je urcˇena pouze pro cˇtenı´ (permanentnı´), data jsou zapsańa prˇı´mo prˇi vy´robeˇ a nelze je zmeˇnit. Jedna´ se o kolmou sı´t’ vodivyćh cest (ve vıće vrstvaćh) propojenyćh obvykle pojistkami cˇi tranzistory. Tranzistor je bud’ otevrˇen (logicka´1, „prˇepa´lena´“ pojistka) nebo uzavrˇen (logicka´0). ROM pameˇti se pouzˇı´valy jako permanentnı´pameˇt’ v nejru˚zneˇjsˇıćh zarˇı´zenıćh, naprˇı´klad pro ulozˇenı´ BIOSu. Jejich vy´hodou je velmi nı´zkaćena a vysoka´hustota zapsanyćh dat (dı´ky tomu, zˇe nemohou by´t prˇepisovańa a zapisujı´se jizˇprˇi vy´robeˇcˇipu).

PROM (Programmable ROM) je dalsˇı´generace ROM pameˇtı´. Jak na´zev napovı´da´, je programovatelna´, tedy jednou je mozˇne´prove´st za´pis (ve specia´lnı´m zarˇı´zenı´– tedy neprova´dı´se prˇi vy´robeˇv tova´rneˇ), pak jizˇjen cˇtenı´, tedy po prvnı´m za´pisu funguje jako ROM pameˇt’. Prˇi vy´robeˇ jsou vsˇechny pameˇt’ove´ bunˇky nastaveny na 1, oproti ROM je mezi diodou a datovy´m vodicˇem pojistka, ktera´je prˇi za´pisu hodnoty 0 prˇepa´lı´, cˇı´mzˇje zajisˇteˇna mozˇnost odlisˇenı´hodnot 0 a 1. Stejneˇjako ROM, i PROM uchova´va´data neomezeneˇdlouho.

EPROM (Eraseable PROM) lze kdykoliv vymazat (cˇip je obvykle nutne´vyjmout z desky) a znovu zapsat. Je realizovańa pomocıúnipola´rnıćh tranzistoru˚a doka´zˇe uchovat data i neˇkolik desı´tek let (uda´va´ se 10 azˇ20 let). Vymazańı´prova´dı´me UV za´rˇenı´m (asi pu˚l hodiny prˇes maleókeńko v pouzdrˇe obvodu, pro ochranu prˇed na´hodny´m vymazańı´m by´va´prˇelepeno), v slunecˇne´m dni neˇkdy stacˇı´vystavit cˇip na dostatecˇneˇdlouhou dobu prˇı´me´mu slunci. Mazańı´lze prova´deˇt i opakovaneˇ, ale tı´m se zhorsˇujı´vlastnosti teˇchto pameˇtı´. Po vymazańı´jsou vsˇechny pameˇt’ove´bunˇky vybite´(to zde znamena´logickou hodnotu 1) a lze zapisovat (meˇnit jejich hodnotu na 0) pomocı´silneˇjsˇı´ho elektricke´ho impulsu. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 122

EEPROM (Electrically Eraseable PROM) narozdı´l od prˇedchozı´je smazatelnaélektricky´m impulsem (navıć te´meˇrˇokamzˇiteˇ). Je realizovana´pomocı´tranzistoru˚, na jejichzˇrˇı´dicıélektrodeˇje nanesena vrstva nitridu krˇemı´ku (Si3N4) a pod nı´tenka´vrstva oxidu krˇemicˇite´ho (SiO2) → technologie MNOS (Metal Nitrid Oxid Semiconductor). U starsˇıćh cˇipu˚bylo nutne´prˇi mazańı´pouzˇı´t vysˇsˇıńapeˇtı´, pozdeˇji byl cˇip vybaven na´bojovou pumpou, tedy doka´zal sa´m napeˇtı´zvy´sˇit.

Flash PROM (mzˇikova´pameˇt’) je vylepsˇenaÉEPROM. Ma´podobne´vlastnosti jako RAM pameˇti, ale je energeticky neza´visla´. Rozdı´l oproti jejı´mu prˇedchu˚dci – EEPROM – je v tom, zˇe mazańıí na´sledny´za´pis se prova´deˇjı´ po blocıćh, to je du˚vod velke´ho zrychlenı´. Mazańı´m a za´pisem se pameˇt’ove´bunˇky bohuzˇel postupneˇnicˇı´(navıć je vzˇdy takto ovlivneˇn cely´blok pameˇt’ovyćh buneˇk najednou), proto je mnozˇstvı´teˇchto operacı´limitovańo, u kvalitneˇjsˇıćh cˇipu˚jde o desı´tky azˇstovky tisıć za´pisu˚a mazańı´(u meńeˇkvalitnıćh kolem tisıće mazańı´). S flash technologiı´se setka´va´me jak u vnitrˇnıćh (flash PROM), tak i u vneˇjsˇıćh pameˇtı´(naprˇı´klad USB flash disk nebo SSD). Zatı´mco u vnitrˇnıćh pameˇtı´je obvykle pouzˇita technologie NOR, u vneˇjsˇıćh pameˇtı´ technologie NAND.

Pozna´mka: Flash PROM cˇipy se dnes pouzˇı´vajı´naprˇı´klad pro cˇipy s ko´dem BIOSu. Je to prˇedevsˇı´m z toho du˚vodu, aby bylo mozˇne´prova´deˇt upgrade BIOSu, je tedy vy´hodne´, kdyzˇje ko´d BIOSu v zapisovatelne´permanentnı´ pameˇti.

R Magneticka´ bublinkova´ pameˇt’ byla vynalezena v roce 1966. Na krˇemı´kove´ desticˇce je nanesena tenka´grana´tova´vrstva, zmagnetizovane´mı´sto („bublinka“) odpovı´da´logicke´1, nezmagnetizovane´mı´sto odpovı´da´logicke´0. Pu˚sobenı´m magneticke´ho pole je mozˇno bublinky velmi rychle prˇesouvat nebo zdvojovat a takto pracovat s informacemi. Stejneˇjako prˇedchozı´pameˇti, i tento typ pameˇti je nevolatilnı´(prˇi odpojenıód zdroje se informace nesmazˇe), ale narozdı´l od prˇedchozıćh je destruktivnı´prˇi cˇtenı´; proto je bublinka prˇed cˇtenı´m vzˇdy zdvojena, cˇı´mzˇzu˚sta´va´prˇecˇtenaínformace zachovańa. Velkou vy´hodou jsou velmi male´rozmeˇry a dı´ky unika´tnı´technologii velka´rychlost cˇtenıí za´pisu. Prˇesto byla postupneˇnahrazena RAM cˇipy vyra´beˇny´mi CMOS technologiı´, ktere´majı´podobne´vlastnosti.

Dalsˇı´informace: Podrobnosti o nevolatilnı´ch pameˇtech (cely´seria´l o pameˇtech) najdeme naprˇı´klad na webu http://www.root.cz/clanky/nevolatilni-pameti/.

1Zdroj: http://www.gitam.edu/eresource/Engg Phys/semester 2/magnetic/magbubble.htm KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 123

Obra´zek 7.2: Magneticka´bublinkova´pameˇt’1

7.2.3 RAM pameˇti

RAM je zkratka z Random Access Momory, tedy „Pameˇt’s na´hodny´m prˇı´stupem“. Veˇtsˇinou se jednaó energeticky za´visle´pameˇti (statickeńebo dynamicke´) umozˇnˇujıćıćˇtenıí za´pis.

RAM (Random Access Memory) – tak je oznacˇova´na obecneˇ tato skupina pameˇtı´ a take´ nejstarsˇı´ pameˇt’ove´cˇipy pouzˇı´vane´pro operacˇnı´pameˇti. Postupneˇse vyvinuly ru˚zne´formy.

SRAM (Static Random Access Memory) je staticka´ volatilnı´ pameˇt’. Data se uchova´vajı´ po celou dobu prˇipojenı´k napa´jenı´bez nutnosti obnovy (proto staticka´), ale po odpojenıńapa´jenı´se vymazˇe (proto volatilnı´). Vy´hodou je prˇedevsˇı´m velka´rychlost (velmi nı´zke´prˇı´stupove´doby – do 20 ns), slozˇiteˇjsˇı´vy´robnı´postup a proto drazˇsˇı´, obvykle je pouzˇı´vańa pro cache (vyrovna´vacı´pameˇti). Prˇi pouzˇitı´vy´robnı´technologie CMOS ma´velmi maly´prˇı´kon, pouzˇı´va´se proto take´pro ulozˇenı´konfigurace PC (tj. do tohoto cˇipu si BIOS ukla´da´ konfiguraci prˇedevsˇı´m za´kladnı´desky), prˇicˇemzˇje napa´jena z baterie umı´steˇneńa za´kladnı´desce – viz nı´zˇe. R Je realizovańa pomocı´bistabilnıćh klopnyćh obvodu˚(tj. obvod, ktery´se nacha´zı´vzˇdy v jednom ze dvou urcˇenyćh stavu˚– dva spojene´tranzistory), stavy jsou interpretovańy jako 0 nebo 1. Pouzˇı´vajı´se dva datove´ vodicˇe – jeden pro za´pis a jeden pro cˇtenı´(na tom je vy´stup opacˇnyńezˇv pameˇt’ovyćh bunˇkaćh, musı´se negovat).

DRAM (Dynamic Random Access Memory) je dynamickaóbdoba prˇedchozı´ho typu. Je realizovańa pomocı´ elektricke´ho na´boje na kondenza´toru, ktery´ ma´ tendenci se vybı´jet i pokud je pameˇt’ prˇipojena ke zdroji (dynamicka´). Proto se periodicky prova´dı´ refresh (obnovenı´, ozˇivenı´pameˇt’ovyćh buneˇk), aby se obsazˇena´data nesmazala. Refresh je prova´deˇn rˇadicˇem pameˇti (tedy obvykle ze severnı´ho mostu, pokud je pouzˇita sbeˇrnice FSB, nebo z prˇı´slusˇne´ho modulu v pouzdrˇe procesoru prˇi pouzˇitı´QPI cˇi HT). Prˇi cˇtenı´dat je vzˇdy vybit prˇı´slusˇny´kondenza´tor, tj. jde o destruktivnıćˇtenı´. Pameˇt’ove´bunˇky jsou velmi jednoduche´(vy´razneˇjednodusˇsˇıńezˇpameˇt’ove´bunˇky SRAM), umozˇnˇujı´ KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 124 vysokou integraci a tyto obvody jsou proto levne´. Oproti SRAM je horsˇı´prˇı´stupova´doba. Obvykle se vyuzˇı´va´ (spı´sˇe vyuzˇı´vala) jako operacˇnı´pameˇt’.

CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Silicon RAM) je vyrobena technologiı´ CMOS, ktera´ prˇedevsˇı´m znamena´velmi malou spotrˇebu. Stejneˇjako jine´RAM je volatilnı´, a tedy pro zachovańı´sve´ho obsahu vyzˇaduje neusta´ly´prˇı´sun energie, ovsˇem jen maly´, proto vystacˇıńapa´jenı´z baterie (na neˇkolik let azˇ neˇkolik desı´tek let). Obvykle se pouzˇı´va´pro ulozˇenı´konfigurace pocˇı´tacˇe (k nı´se dostaneme prˇes BIOS Setup) a pro obvod hodin rea´lne´ho cˇasu. Proto tyto cˇipy veˇtsˇinou najdeme na za´kladnı´desce v blı´zkosti baterie.

R FPM RAM (Fast Page Mode RAM) je na´stupce DRAM, kde bunˇky jsou v matici (page), adresuje se zvla´sˇt’rˇa´dek (signa´l RAS) a sloupec (signa´l CAS). Takte´zˇse jednaó dynamickou volatilnı´pameˇt’. Prˇı´stupove´doby jsou nizˇsˇı´, obvykle 60–70 ns. Vyuzˇı´va´se prˇedpokladu, zˇe na´sledujıćı´data se budou cˇı´st na stejne´m rˇa´dku, tedy jedna z adres se meˇnı´s mensˇı´pravdobnostı´. FPM RAM se sama o sobeˇjizˇdnes nepouzˇı´va´, ale pro na´s du˚lezˇita´prˇedevsˇı´m proto, zˇe se s nıóbjevily technologie a metody, ktere´se u pameˇtı´pouzˇı´vajı´dodnes (naprˇı´klad zpu˚sob adresace).

R EDO RAM (Extended Data Output RAM) je vylepsˇena´FPM RAM s rychlejsˇı´m obnovovańı´m dat – kazˇde´2 hodinovećykly (u FPM 3 cykly). Umozˇnˇuje delsˇı´prˇidrzˇenı´dat na vy´stupu, tedy je lepsˇı´mozˇnost synchronizace s procesorem a je mozˇne´prˇekry´vańıćˇtecıćh impulsu˚(tj. beˇhem cˇtenıóbsahu jedneádresy se prˇipravuje dalsˇıádresa). Du˚sledkem teˇchto zmeˇn je zrychlenı´prˇı´stupu azˇo 20 %. Ve varianteˇ BEDO RAM (Burst EDO RAM) jsou navıć data cˇtena po da´vkaćh.

SDRAM (Synchronous Dynamic RAM, SDR) je jizˇprˇed- Na´beˇzˇna´hrana zveˇstı´dnes pouzˇı´vany´ch pameˇtı´. Je to dynamicka´volatilnı´pameˇt’, B Sestupna´hrana B a synchronnı´se nazy´va´proto, zˇe pracuje synchronizovaneˇse sys- BN © te´movy´mi hodinami (stejny´takt jako pameˇt’ova´sbeˇrnice, beˇhem jednoho taktu provede pra´veˇjednu operaci). Prˇena´sˇı´data pouze po na´beˇzˇne´hraneˇrˇı´dicı´ho signa´lu syste´move´ho cˇasovacˇe. Obra´zek 7.3: Na´beˇzˇna´a sestupna´hrana Prˇı´stupove´ doby za´visejı´ na rychlosti sbeˇrnice, mohou by´t rˇı´dicı´ho signa´lu i pod 10 ns (obvykle 8, 10 nebo 12 ns).

Pozna´mka: Poprve´se objevuje znacˇenı´podle organizace JEDEC (Join Electron Device Engeneering Council): PCxxx, kde xxx je frekvence v MHz (naprˇı´klad PC100, PC133).

Od frekvence se samozrˇejmeˇodvı´jı´take´prˇenosova´rychlost. Ta se vypocˇı´ta´podle vzorce rychlost = frekvence × sˇı´rˇka sbeˇrnice Naprˇ. prˇi frekvenci 133 MHz a sˇı´rˇce sbeˇrnice 32 bitu˚je 133 × 32 = 4 256 Mb/s = 532 MB/s. SDRAM dnes najdeme jen na staryćh pocˇı´tacˇıćh, zvla´sˇteˇu za´kladnıćh desek pro procesory AMD byla velmi brzy nahrazena na´sledujıćı´m typem pameˇtı´. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 125

DDR SDRAM (Double Data Rating SDRAM) je konstrukcˇneˇpodobna´SDRAM, ale narozdı´l od nı´ je schopna´prˇena´sˇet data na na´beˇzˇneí sestupne´hraneˇsigna´lu generovane´ho syste´movy´m cˇasovacˇem, cˇı´mzˇ zdvojna´sobuje datovou propustnost (pouze data, nikoliv ostatnı´signa´ly), beˇhem jednoho taktu sbeˇrnice provede dveˇoperace. Rychlosti a oznacˇenı´jsou opeˇt standardizovańy mezina´rodnıórganizacı´ JEDEC. Tyto pameˇti se oznacˇujı´PCyyyy, kde yyyy je prˇenosova´rychlost v MB/s (naprˇı´klad PC2100, PC3200, apod.). Take´se beˇzˇneˇpouzˇı´vaóznacˇenı´DDRxxx, kde xxx je dvojna´sobek frekvence (naprˇ. DDR400 jede na frekvenci 200 MHz). Naprˇı´klad: PC1600 (DDR200), PC2700 (DDR266), PC3200 (DDR400).

DDR2 jsou noveˇjsˇı´generace s vysˇsˇı´frekvencı´, dnes jsou tyto pameˇti nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´. Oproti DDR SDRAM majı´vnitrˇnı´frekvenci polovicˇnıóproti vneˇjsˇı´vedoucı´ke sbeˇrnici (neboli vneˇjsˇı´sbeˇrnice je taktovańa na dvojna´sobnou frekvenci nezˇvnitrˇnı´) prˇi nizˇsˇı´m napeˇtı´, tj. prˇi stejne´frekvenci jako DDR se meńeˇzahrˇı´vajı´. Dvojna´sobna´rychlost zmıńeˇnaú DDR platıńejen data, ale take´pro vsˇechny signa´ly. Podle konsorcia JEDEC pouzˇı´va´me oznacˇenı´PC2-yyyy, kde yyyy je prˇenosova´ rychlost v MB/s (propustnost) stejneˇjako u pu˚vodnıćh DDR. Setka´va´me se take´s oznacˇenı´m DDR2-xxx, kde xxx je dvojna´sobek taktu sbeˇrnice. Naprˇı´klad: PC2-4200 (DDR2-533), PC2-6400 (DDR2-800), PC2-8500 (DDR2-1066).

DDR3 je momenta´lneˇnejnoveˇjsˇı´generace, musı´by´t podporovańa cˇipsetem (tj. za´kladnı´deskou) a procesorem. Ma´vlastnosti podobne´jako DDR2, navıć potrˇebuje jesˇteˇnizˇsˇıńapeˇtı´pro stejne´frekvence (napeˇtı´ pod 1,8 V, obvykle 1,5 V). Oznacˇujı´se PC3-yyyy, kde yyyy je prˇenosova´rychlost v MB/s, resp. DDR3-xxx. Naprˇı´klad: PC3-6400 (DDR3-800), PC3-8500 (DDR3-1066), PC3-10600 (DDR3-1333).

DDR4 uzˇjsou dlouho slibovańy, ale v praxi je zbrzdila prˇedevsˇı´m chybeˇjıćı´podpora v cˇipovyćh sadaćh, na trhu by se meˇly objevit v roce 2014. U DDR4 pameˇtı´se meˇnı´vy´robnı´proces (na 20nm litografii), snı´zˇilo se provoznıńapeˇtı´(na max. 1,2 V), zvy´sˇily se pracovnı´frekvence a tı´m i prˇenosove´rychlosti, negativnı´ zmeˇnou je zvy´sˇenıćˇasovańıńa CL12 (budeme probı´rat pozdeˇji). Je zajı´mave´, zˇe dı´ky teˇmto zmeˇna´m se snı´zˇila spotrˇeba energie azˇo 40 %.

R RD RAM (Rambus DRAM) jsou moduly od firmy Rambus. Podobneˇjako prˇedchozı´se data prˇena´sˇejı´po na´beˇzˇneí sestupne´hraneˇsigna´lu, ale sˇı´rˇka sbeˇrnice je pouze 16 bitu˚. Technicke´rˇesˇenı´je jineńezˇu prˇedchozıćh pameˇtıá take´z du˚vodu jine´sˇı´rˇky sbeˇrnice je RD RAM s nimi nekompatibilnı´(pameˇti musı´by´t samozrˇejmeˇ podporovańy za´kladnı´deskou a prˇedevsˇı´m rˇadicˇem pameˇti). Vy´hodou je (dı´ky u´zke´ sbeˇrnici) mozˇnost umı´stit vıće komunikacˇnıćh kana´lu˚ a tı´m zvy´sˇit datovou propustnost. Nevy´hodou je vysˇsˇıćena, cozˇkromeˇjine´ho zaprˇıćˇinilo jen male´rozsˇı´rˇenı´teˇchto pameˇt’ovyćh modulu˚. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 126

7.3 Provedenı´,pameˇti v pouzdrech

R Pameˇti v DIP pouzdrˇe – DIP (Dual In-Line Package) je beˇzˇnyíntegrovanyóbvod SRAM nebo DRAM pameˇtı´v DIP pouzdrˇe, sˇı´rˇka prˇenosu 1 nebo 4 bity. Kapacita je veˇtsˇinou 256 kb nebo 256 knibbles (1 nibble = 4 bity, prˇedpona „k“ znamena´„kilo“), obvykle pro 8bitoveńebo 16bitove´datove´sbeˇrnice, od toho se odvı´jı´ mnozˇstvı´teˇchto cˇipu˚na za´kladnı´desce (naprˇ. pro 8bitovou sbeˇrnici je 8 cˇipu˚po 256 kb nebo 2 cˇipy po 256 knibbles). Prˇı´stupova´doba je 120–250 ns. Dnes se s nimi uzˇprakticky nesetka´me, pouzˇı´valy se u pocˇı´tacˇu˚do i286. Hlavnı´ nevy´hodou bylo mnozˇstvı´mı´sta na za´kladnı´desce, ktere´tyto cˇipy zabı´raly – takovou Obra´zek 7.4: Pameˇt’ desku pozna´me na prvnı´pohled podle „matice cˇernyćh hrobecˇku˚“. v DIP pouzdrˇe

Dalsˇı´informace: Zajı´mave´obra´zky z historie najdeme na http://redhill.net.au/b/b-92.html.

R SIPP (Single Inline Pin Package) obsahuje pameˇt’oveóbvody (typu FPM RAM), ale narozdı´l od DIP pouzdra jsou vsˇechny inte- grovaneńa jedinou desku, ktera´se zasouva´do slotu na za´kladnı´ desce. Ovsˇem vy´vody (piny) jsou stejne´jako u DIP – u´zke´tenke´ plı´sˇky, ktere´se cˇasto ohy´baly a la´maly. Prˇıńosem byla tedy integrace na jednu desku (pameˇt’ovy´modul), ale vzhledem k vy´sˇe uvedeneńevy´hodeˇse moc nepouzˇı´valy.

SIMM (Single Inline Memory Module) zachovaly koncepci pameˇt’ove´ho modulu zasouvane´ho do slotu (podobneˇjako SIPP), ale jizˇprakticˇteˇjsˇı´kontakty (plosˇky na cˇa´sti modulu zasouvane´do Obra´zek 7.5: SIPP pouzdra2 slotu), ktera´zˇto za´kladnı´koncepce se pouzˇı´va´dodnes. SIMM moduly byly ve dvou de´lkaćh – 30pinoveńebo 72pinove´. 30pinoveóbsahovaly obvody FPM RAM, 72pinove´pak obvody EDO RAM. Sˇı´rˇka prˇenosu je 8/32 bitu˚(prˇı´padneˇparitnı´bity), kapacita 256 kB– 4 MB (30pinove´) nebo 4–32 MB (72pinove´). 72pinove´SIMM mohly by´t azˇdo i486 pouzˇı´vańy jednotliveˇ(jeden modul na za´kladnı´desce, prˇı´padneˇ vıće), ale u Pentiı´jen v pa´ru (pouzˇı´vala se sˇirsˇı´sbeˇrnice) – 2 nebo 4 moduly na za´kladnı´desce. Se SIMM moduly se setka´me u starsˇıćh pocˇı´tacˇu˚s procesory rˇady Pentium.

DIMM (Dual In-line Memory Module) jsou dnes beˇzˇneˇpouzˇı´vane´. By´vajı´osazeny pameˇt’miEDO RAM, SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, atd. Podle toho take´mohou by´t moduly oznacˇeny, naprˇı´klad DDR II DIMM, DDR III DIMM. Na jednom modulu mohou by´t bud’ 4 cˇipy (nejlevneˇjsˇı´), nebo 8 cˇipu˚a nebo dokonce 16 cˇipu˚(v tom prˇı´padeˇjsou na obou strana´ch modulu, na kazˇde´straneˇ8).

2Zdroj: http://www.hd.cz/rady/jak-vybirat-operacni-pamet.php KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 127

Obra´zek 7.6: SIMM moduly (nahorˇe 30pinove´, dole 72pinove´)

Obra´zek 7.7: SDDR DIMM (desktop a notebook SO-DIMM)

Obra´zek 7.8: DDR DIMM (desktop a notebook)

DIMM moduly s ru˚zny´mi typy pameˇtı´se samozrˇejmeˇnelisˇı´jen oznacˇenı´m, ale take´dalsˇı´mi vlastnostmi. Prˇedevsˇı´m majı´ru˚zny´pocˇet pinu˚(DDR DIMM ma´184 pinu˚, DDR II DIMM ma´240 pinu˚), jinou sˇı´rˇku a take´ KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 128 odlisˇne´klıćˇovańı´(vy´rˇezy na spodnıćˇa´sti modulu, ktera´se zasouva´do slotu) a tedy obvykle nenı´mozˇne´ zasunout modul do slotu, do ktere´ho nepatrˇı´. Dalsˇıódlisˇnost je v napa´jecı´m napeˇtı´(DDR DIMM pouzˇı´va´ 2,5 V, DDR II DIMM 1,8 V).

Obra´zek 7.9: DDR II DIMM

Obra´zek 7.10: DDR III DIMM (desktop a notebook)

Existujı´takeódlisˇne´varianty pro notebooky (notebookove´moduly – SO-DIMM, Small Outline DIMM – jsou vy´razneˇkratsˇı´). Notebookove´moduly mohou by´t zasunuty do slotu podobneˇjako u desktopu˚, ale mu˚zˇeme se setkat take´s napevno prˇipa´jeny´mi moduly z du˚vodu usˇetrˇenı´mı´sta. Kdyzˇkupujeme pameˇt’ovy´modul, musı´me si zjistit, ktery´typ podporuje za´kladnı´deska. Struktura DIMM modulu je na´sledujıćı´: • deska, piny • pameˇt’ovećˇipy (obvykle 8 nebo 16) • SPD cˇip SPD cˇip (Serial Presence Detect) obsahuje informace o pameˇti ulozˇene´vy´robcem (vy´robce, datum vy´roby, pracovnı´frekvence, cˇasovańı´, pracovnıńapeˇtı´, latence pro urcˇitou pracovnı´frekvenci pameˇti, atd.) o de´lce 128 B. Tyto polozˇky obvykle lze nastavit v BIOSu, ale nastavenıód vy´robce obvykle znamenaóptima´lnı´ volby pro veˇtsˇinu pocˇı´tacˇu˚. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 129

SPD cˇip je obvykle permanentnı´zapisovatelna´pameˇt’(EEPROM) zasazena´v pameˇt’ove´m modulu. Jedna´ se o jeden ze standardu˚JEDEC.

EPP (Enhanced Performance Profiles) je rozsˇı´rˇenı´SPD o cˇtyrˇi dalsˇı´profily (nastavenı´frekvence, cˇasovańı´ a napeˇtı´), s touto technologiı´prˇisˇla jako prvnıńVidia. EPP se pouzˇı´vajı´pro snadneˇjsˇı´prˇetaktovańı´pameˇtı´, stacˇı´zvolit jeden z prˇeddefinovanyćh profilu˚. XMP (eXtreme Memory Profile) je tote´zˇjako EPP, ale od Intelu (od DDR3). R Na DIMM modulu je tedy vıće pameˇt’ovyćh cˇipu˚. Jejich vza´jemne´propojenı´se lisˇıú ru˚znyćh generacı´ pouzˇityćh pameˇtı´. Zatı´mco u DDR a DDR2 je vıćemeńeˇzachovańa veˇtvena´struktura, u DDR3 jsou cˇipy usporˇa´dańy na jedine´komunikacˇnı´sbeˇrnici prˇes cely´modul. DIMM moduly by´vajıćˇasto opatrˇovańy pasivnı´m chlazenı´m (hlinı´kovyćhladicˇprˇekry´vajıćıćˇipy).

R RIMM (Rambus In-line Memory Module) jsou vzhledoveˇpodobne´modulu˚m DIMM, ale najdeme na nich RD RAM cˇipy. Majı´stejny´pocˇet pinu˚(a tedy i sˇı´rˇku) jako DDR DIMM, lisˇı´se vsˇak klıćˇovańı´m (proto nehrozı´, zˇe se povede zasunout RIMM modul do DIMM slotu). Narozdı´l od DIMM musı´by´t neobsazene´sloty opatrˇeny pomocny´mi propojovacı´mi moduly, aby se signa´l mohl dostat azˇdo poslednı´ho slotu se zakoncˇovacı´mi odpory (princip je stejny´jako naprˇı´klad u stare´ho koaxia´lnı´ho ethernetu – na konci cesty (sbeˇrnice) musı´by´t odpor, aby se komunikace „neztraćela“).

Obra´zek 7.11: RIMM modul

7.4 Jak fungujı´moduly DIMM

Slot pro DIMM moduly by´vaópatrˇen za´klopkami (za´mky) pro upevneˇnı´modulu. Kazˇdy´slot je prˇipojen na pameˇt’ovou sbeˇrnici (Memory Bus) vedoucı´k rˇadicˇi pameˇtı´. Frekvence pameˇt’ove´sbeˇrnice na´m za´rovenˇ da´va´limit pro frekvenci, na ktere´budou pracovat pameˇt’ove´moduly. R Bank je souhrn pameˇt’ovyćh slotu˚, ktere´jsou spolecˇneˇhardwaroveˇadresovańy (2D adresa ve smyslu rˇa´dek a sloupec), naprˇı´klad 4 sloty mohou by´t ve 2 bancıćh. Neˇktery´z banku˚obsahujıćıćh pameˇt’ovy´modul na stejne´sbeˇrnici je aktivnı´, tj. lze s nı´m pra´veˇpracovat. Jak bylo vy´sˇe uvedeno, pameˇt’v DIMM modulech je organizovańa v mrˇı´zˇce adresovyćh vodicˇu˚(u pu˚- vodnıćh RAM byla struktura jednodusˇsˇı´, adresove´vodicˇe nebyly v mrˇı´zˇce), v pru˚secˇıćıćh rˇa´dku˚a sloupcu˚ mrˇı´zˇky jsou pameˇt’ove´bunˇky. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 130

7.4.1 Komunikacˇnı´kana´ly

Mu˚zˇeme se setkat s pojmem Dual channel, Triple channel, prˇı´padneˇ Quad channel – dvoukana´lovy´, trˇı´kana´- lovyćˇi cˇtyrˇkana´lovy´rˇadicˇpameˇti. Znamena´to, zˇe rˇadicˇpameˇti (v severnı´m mosteˇnebo procesoru) doka´zˇe komunikovat dveˇma pameˇt’ovy´mi sbeˇrnicemi najednou (resp. se trˇemi nebo cˇtyrˇmi), tedy sˇı´rˇka pameˇt’ove´ sbeˇrnice na straneˇrˇadicˇe je dvojna´sobna´(trojna´sobna´, cˇtyrˇna´sobna´). Jednokana´lovy´rˇadicˇpameˇti se oznacˇuje Single channel. Na kazˇdou pameˇt’ovousbeˇrnici (resp. na kazˇdou z jejıćh dvou cˇa´stı´) s podporou Dual channel je napojen jeden bank, takzˇe naprˇı´klad pokud ma´me u Dual Channel celkem cˇtyrˇi sloty na za´kladnı´ desce, jsou v kazˇde´m banku dva sloty a s kazˇdou dvojicı´slotu˚mu˚zˇe pameˇt’ovy´rˇadicˇkomunikovat zvla´sˇt’. Na za´kladnı´ desce by´va´veˇtsˇinou barevneˇvyznacˇeno, ktere´banky jsou na stejne´sbeˇrnici, ale zpu˚sob znacˇenı´musı´me vyhledat v dokumentaci – neˇkterˇı´vy´robci oznacˇujı´stejnou barvou banky na stejne´sbeˇrnici, jinı´zase stejnou barvou banky na odlisˇnyćh sbeˇrnicıćh.

Pozna´mka: Procˇje to du˚lezˇite´? Pokud chceme vyuzˇı´t dva DIMM moduly, meˇli bychom je zasunout do slotu˚na ru˚znyćh sbeˇrnicıćh, aby byly v ru˚znyćh bancıćh. Kdybychom meˇli oba moduly na stejne´pameˇt’ove´sbeˇrnici, nebylo by mozˇnećˇı´st z obou modulu˚za´rovenˇ(situace by byla podobna´jako v prˇı´padeˇjedine´ho dvojna´sobneˇvelke´ho modulu v jednom slotu), pameˇti by meˇly horsˇı´latenci (odezvu, o te´se vıće dozvı´me da´le). Take´je nutne´, aby oba takto pouzˇite´moduly byly stejne´ho typu (identicke´vcˇetneˇfrekvence) a opravdu musı´by´t jen pa´r nebo dva pa´ry (kdyzˇpouzˇijeme lichy´pocˇet nebo jinak nedodrzˇı´me stanovene´podmıńky, nebude dual channel funkcˇnı´). Abychom mohli plneˇvyuzˇı´t vlastnosti Quad channel, museli bychom samo- zrˇejmeˇmı´t cˇtyrˇi identickeá stejneˇnakonfigurovane´moduly.

Nejlepsˇı´je pro dual/triple/quad channel nakupovat pameˇti v kitu (sadeˇ) – naprˇı´klad mı´sto jednoho modulu o kapaciteˇ4 GB lze sehnat kit 2 × 2 GB.

7.4.2 Operace a cˇasova´nı´DIMM

Funkcˇnost modulu je dańa dobou potrˇebnou pro jednotlive´ dı´lcˇı´ operace, ktere´ je nutno prove´st prˇi cˇtenı´/za´pisu. Tyto operace jsou prˇedevsˇı´m urcˇenı´banku s prˇı´slusˇny´m modulem, stanovenı´rˇa´dku a sloupce pro danou pameˇt’ovou bunˇku, obnovenıóbsahu bunˇky po cˇtenı´(jde o destruktivnıćˇtenı´), apod. Kazˇda´ z operacı´trvaúrcˇitou dobu odvozenou z frekvence pameˇti/pameˇt’ove´sbeˇrnice, tedy naprˇı´klad u´daj 2 nebo 2T znamena´trvańıóperace po dva hodinovećykly. R Prˇı´kazypro moduly DIMM • RRD (Row Active to Row Active Delay) – vybere se bank, se ktery´m se pracuje, prˇedpokladem je, zˇe vybı´rany´bank je aktivnı´(rˇadicˇudrzˇuje vzˇdy neˇkolik banku˚aktivnıćh, ostatnı´jsou vypnuteá je trˇeba je zaktivnit) • RAS (Row Address Strobe) – najdi rˇa´dek KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 131

• RCD (RAS to CAS Delay) – rozmezı´mezi hledańı´m rˇa´dku a sloupce • CAS (Column ...) – najdi sloupec na rˇa´dku • operace read nebo write na daneádrese • RP (Row Precharge) – obnovenı´dat v bunˇkaćh Pokud se cˇte ve stejne´m banku na tomte´zˇrˇa´dku, nenıńutne´znovu prova´deˇt RRD, RAS ani RCD. Doba provedenı´jednotlivyćh prˇı´kazu˚ • tRAS – jak dlouho trvańalezenı´rˇa´dku • tRCD (RAS to CAS Delay) – jak dlouho trva´, nezˇje po vyhledańı´rˇa´dku spusˇteˇno hledańı´sloupce • tCL (Column Address Strobe Latency, CAS Latency) – jak dlouho trva´, nezˇje nalezen sloupec na rˇa´dku • tRP – doba obnovenı´dat v bunˇkaćh • RFC (Row Refresh Cycle Time) – beˇhem obnovovańıóbsahu (Refresh) musı´by´t modul oznacˇen jako neaktivnıá azˇpo obnovenı´je oznacˇen jako aktivnı´; tRFC je doba od tREF do zaktivneˇnı´modulu • REF (Refresh) se prova´dı´pravidelneˇpostupneˇu vsˇech pameˇt’ovyćh modulu˚v intervalech o de´lce mikrosekund, jde o pravidelneóbnovovańıóbsahu (pouzˇite´kondenza´tory se vybı´jejıá bez te´to operace by neudrzˇely ulozˇena´data), u´daj oznacˇujeme tREF Pokud se cˇte ve stejne´m banku na tomte´zˇrˇa´dku (a to je velmi cˇasty´prˇı´pad), nenıńutne´znovu prova´deˇt RAS ani RCD. Vzhledem k tomu, zˇe obeˇtyto operace trvajı´de´le nezˇdva cykly, jsou pro rychlost modulu urcˇujıćı´ spı´sˇe ostatnıóperace, prˇedevsˇı´m operace CL (vy´beˇr sloupce na rˇa´dku). Uvedene´hodnoty se pouzˇı´vajı´prˇi znacˇenı´modulu˚. Najdeme je neˇkdy uzˇv katalogu (vcˇetneˇinterne- tovyćh obchodu˚), ale urcˇiteˇby meˇly by´t uvedeny na balenıńebo samotne´m modulu. Zde hodneˇza´lezˇıńa vy´robci, ktereínformace uvolnı´pro prodejce v elektronicke´formeˇ. Nejdu˚lezˇiteˇjsˇıú´daj je latence (cˇasovańı´) – CL (tCL), naprˇı´klad CL4. Jestlizˇe jsou uvedeny i dalsˇıú´daje, najdeme je ve formeˇrˇeteˇzce tCL-tRCD-tRP-tRAS/CM RATE.

M Prˇı´klad7.1 Na´sledujı´trˇi mozˇne´rˇeteˇzce u´daju˚:

tCL–tRCD–tRP–tRAS / CM RATE 3 – 3 – 2 – 6 / 1T 8 – 7 – 6 – 19 / 2T 5 – 5 – 5 – 16 / 2T

1. tCL – od okamzˇiku vyslańı´signa´lu CAS k okamzˇiku, kdy jsou data prˇı´stupna´, u dat na stejne´m rˇa´dku matice se blı´zˇıćelkove´dobeˇzprˇı´stupneˇnı´teˇchto dat 2. tRCD – od aktivace rˇa´dku do vyslańı´signa´lu CAS 3. tRP – od deaktivace prˇedchozı´ho rˇa´dku po aktivaci nove´ho 4. tRAS – od okamzˇiku vyslańı´RAS signa´lu k okamzˇiku aktivace rˇa´dku; nema´velky´vy´znam, ale pokud se sˇpatneˇnastavı´, zpu˚sobuje nestabilitu pameˇti KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 132

5.CM RATE (Command Rate) – od vybrańı´signa´lu k vyslańıá cˇipu, ktere´mu je urcˇen (CS – Chip Select) po jeho prˇedańı´pameˇt’ove´mu cˇipu (obvykle 1 nebo 2), takto je stanovena prodleva pro komunikaci mezi rˇadicˇem pameˇti a modulem (tento u´daj neby´vaóbvykle u modulu˚uveden) M

S vy´vojem pameˇtı´pro DIMM moduly se tCL (latence) postupneˇzvysˇuje. Zatı´mco u DDR byl mezi 2 a 3, u DDR2 se zvysˇuje na hodnoty mezi 3 a 6 a DDR3 to je obvykle neˇkde mezi 5–10 (cˇasto 9). Jak vidı´me, se zvysˇujı´cı´mi se frekvencemi se zhorsˇuje odezva.

Pozna´mka: Ovsˇem uzˇdlouho se vedou spory o skutecˇne´m vy´znamu co nejnizˇsˇı´latence. Prˇedpokla´da´se, zˇe potrˇeba nı´zke´latence je du˚lezˇita´hlavneˇve spolupra´ci s procesorem s nizˇsˇı´velikostı´L2 cache, kdezˇto u procesoru s velkou L2 cache nema´moc vy´znam.

Obecneˇplatı´, zˇe prˇi vy´beˇru pameˇt’ovyćh modulu˚se vyplaćıńejen vybı´rat podle CL (latence), ale take´tak, aby frekvence pameˇtıá procesoru byly synchronizovańy (tj. stejneńebo na´sobek), v tom prˇı´padeˇtake´za´lezˇı´, kde je pameˇt’ovy´rˇadicˇa tedy zda bude procesor komunikovat s pameˇt’miprˇes severnı´most.

Dalsˇıínformace: Zajı´mave´porovnańı´DDR, DDR2 a DDR3 (strańka 4 z celkovyćh 9) najdeme na http://www.bit-tech.net/hardware/memory/2007/11/15/the secrets of pc memory part 1/4.

7.4.3 R Prˇetaktova´nı´pameˇtı´

Prˇetaktovańı´se prova´dı´v BIOSU, vpodstateˇmeˇnı´me nastavenı´stanovena´vy´robcem v SPD cˇipu. V BIOSu najdeme potrˇebne´hodnoty bud’ v samostatne´sekci Memory Timing Setting nebo v Advanced Settings (kazˇdy´ BIOS je trochu jiny´). Kazˇdy´BIOS takeńabı´zı´ru˚zne´mnozˇstvıú´daju˚, ktere´lze konfigurovat. Veˇtsˇinou urcˇiteˇnajdeme tCL (CAS Latency) – kdyzˇnastavı´me prˇı´lisˇnı´zkou hodnotu, tak sice zlepsˇı´me odezvu pameˇtı´, ale zvy´sˇı´se pravdeˇpo- dobnost chyb (obsah pameˇt’ovyćh buneˇk se „nestihne“ prˇene´st v prˇı´lisˇkra´tke´m cˇasove´m okamzˇiku). Da´le se obvykle setka´me s polozˇkami odpovı´dajıćı´mi zbytku rˇeteˇzce – tRCD (RAS to CAS Delay), tRP (RAS Precharge), tRAS (RAS, Active to Precharge). U neˇkteryćh BIOSu˚mu˚zˇeme takeńarazit na mozˇnost nastavenı´ agresivnı´ho nebo konzervativnı´ho cˇasovańı´. Polozˇka CM RATE (take´jako CMD) ovlivnˇuje celkovou rychlost pameˇtı´. Obvykle by´va´1T nebo 2T. Kdyzˇhodnotu snı´zˇı´me z 2T na 1T, rychlost pameˇtı´se hodneˇzvy´sˇı´, ale mohou se sta´t nestabilnı´mi. Obvykle platı´, zˇe pokud ma´me jen jeden modul, tak hodnota 1T je akceptovatelna´, u vıće modulu˚na za´kladnı´desce (zvla´sˇteˇdual/triple/quad channel) je lepsˇıńechat tuto hodnotu na 2T. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 133

Dalsˇıínformace: Zajı´mavyćˇlańek o cˇasovańıńajdeme na http://pctuning.tyden.cz/navody/upravy-pretaktovani/15013-jak-na -pretaktovani-uvod-a-vysvetleni-zakladnich-pojmu?start=6.

7.4.4 R Dalsˇı´vlastnosti DIMM

DIMM moduly mohou mı´t vlastnost oznacˇovanou jako ECC (Error Checking and Correcting). Je obvyklejsˇı´ spı´sˇe u modulu˚pro servery a znamena´, zˇe modul pouzˇı´va´samoopravitelny´ko´d, ktery´doka´zˇe zjistit a opravit jednobitovou nebo u neˇkteryćh typu˚i dvoubitovou chybu v pameˇti (pomocı´kontrolnıćh soucˇtu˚). Abychom mohli DIMM modul s ECC pouzˇı´vat, musı´by´t podporovań take´za´kladnı´deskou. U parametru˚modulu najdeme rˇeteˇzec ECC nebo non-ECC. Dalsˇı´vlastnostı´, se kterou se mu˚zˇeme setkat, je Registered (take´Buffered). Tyto moduly obsahujıńavıć specia´lnı´vstupneˇ/vy´stupnı´buffery (registry), prˇes ktere´jdou cˇtena´/zapisovana´data. U´ cˇelem je zvy´sˇenı´ spolehlivosti prˇenosu dat, ale na druhou stranu je tCL o neˇco veˇtsˇı´. Opeˇt platı´, zˇe moduly s touto vlastnostı´ musı´podporovat za´kladnı´deska. Moduly,ktereńemajı´vlastnost Registered, by´vajıóznacˇeny jako Unbuffered. Obeˇuvedene´vlastnosti (ECC a Registered) se u noveˇjsˇıćh modulu˚vyskytujı´vzˇdy za´rovenˇ, ale nemusı´ to platit o za´kladnıćh deskaćh – tedy kdyzˇchceme koupit modul ECC Registered, musı´me si u za´kladnı´ desky oveˇrˇit podporu obou teˇchto vlastnostı´. Neˇktere´moduly mohou by´t takeóznacˇeny jako Fully-Buffered (FB-DIMM). Tyto pameˇti obsahujıćˇip AMB (Advanced Memory Buffer), vylepsˇenıóbvodu˚pro buffered pameˇti, ktery´je jaky´msi bezpecˇnostnı´m a stabilizacˇnı´m rozhranı´m. Mezi AMB a pameˇt’mi na modulu se data prˇena´sˇejı´se´rioveˇ, kdezˇto mezi AMB a pameˇt’ovou sbeˇrnicı´paralelneˇ. FM-DIMM moduly jsou mnohem drazˇsˇıńezˇmoduly bez te´to vlastnosti, a navıć jsou nekompatibilnı´ s beˇzˇneˇ proda´vany´mi za´kladnı´mi deskami do desktopu˚ a notebooku˚ (jsou urcˇeny pro servery).

M Prˇı´klad7.2 1. ECC Registered DIMM modul s pameˇt’miDDR o velikosti 1 GB, frekvenci 333 MHz, hodnota CL je 2.5, napa´jenı´2.5 V, 184 pinu˚, od firmy Kingston (napa´jenıí pocˇet pinu˚odpovı´dajı´DDR pameˇtem): 1GB 333MHz DDR ECC Registered CL2.5 DIMM Dual Rank, x8, Standard 128M X 72 ECC 333MHz 184-pin Registered DIMM (SDRAM-DDR, 2.5V, CL2.5, Double-Sided, Gold) 2. Non-ECC Unbuffered (to znamenańeregistrovy´) DIMM modul s pameˇt’mi DDR2 o velikosti 512 MB, frekvenci 667 MHz, oznacˇenı´PC2-5300, cˇasovańıĆL5, od stejne´firmy (napa´jenıí pocˇet pinu˚opeˇt odpovı´dajı´specifikaci DDR2): 512MB 667MHz DDR2 PC2-5300 Non-ECC DIMM, Standard 64M X 64 Non-ECC 667MHz 240-pin Unbu- ffered DIMM (SDRAM-DDR2, 1.8V, CL5) 3. ECC pameˇt’,zrˇejmeˇRegistered, o kapaciteˇ2 GB (na jednom modulu) typu DDR3, frekvence 1333 MHz, od firmy Hewlett Packard: HP 2GB(1x2GB)DDR3-1333 ECC Memory KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 134

4. Oznacˇenı´SO-DIMM znamenańotebookovy´modul, a to o kapaciteˇ2 GB, jde o DDR2 pameˇti o frekvenci 533 MHz s latencıĆL4, od firmy Kingston, u notebook; se ani neprˇedpokla´da´podpora ECC ani bufferu˚: 2GB 533MHz DDR2 Non-ECC CL4 SODIMM, Standard 256M X 64 Non-ECC 533MHz 200-pin Unbuffered SODIMM (SDRAM-DDR2, 1.8V, CL4) M

7.5 Testova´nı´pameˇtı´

Pokud chceme jen zjistit, jak si stojıńasˇe pameˇt’ove´moduly z hlediska rychlosti, latence a dalsˇıćh vlastnostı´, mu˚zˇeme pouzˇı´t v jednodusˇsˇı´m prˇı´padeˇna´stroje doda´vane´s operacˇnı´m syste´mem (kdyzˇna´m stacˇıínformace o velikosti pameˇti), ale samozrˇejmeˇexistujı´mnohem lepsˇıńa´stroje. Veˇtsˇinou najdeme jejich volneˇsˇirˇitelne´ verze na porta´lech http://www.slunecnice.cz, http://www.instaluj.cz apod. K nejzna´meˇjsˇı´m patrˇı´ • SiSoftware Sandra Lite (http://www.sisoftware.net/, existujı´varianty volneˇke stazˇenı´), • Everest Ultimate (http://www.lavalys.com) coby pokracˇovatel velmi zna´me´ho programu AIDA32 uzˇbo- huzˇel nenı´freeware, ale trial verze se daópeˇt sta´hnout z mnoha serveru˚, pu˚vodnı´program AIDA32 je volneˇke stazˇenı´, ale bohuzˇel jizˇdlouho nenıáktualizovań, • CPU-Z (http://www.cpuid.org je freeware zjisˇt’ujıćıínformace o procesoru a pameˇtech, • HWInfo (http://www.hwinfo.com) je velmi zajı´mavy´freeware s podrobny´mi vy´pisy, takeéxistuje jeho portable (prˇenosna´) verze (da´se spustit naprˇı´klad z USB Flash disku). Pro bezpecˇnostnı´testovańı´pameˇtı´(jejich funkcˇnosti, ne vy´konu) se pouzˇı´vajı´prˇedevsˇı´m tyto programy: • MemTest86+ (freeware, http://www.memtest86.com) • GoldMemory (shareware, http://www.goldmemory.cz) • Windows Memory Diagnostic (http://oca.microsoft.com/en/windiag.asp)

Zpu˚sob testovańı´ Chybovost pameˇtı´mu˚zˇeme testovat bud’ prˇı´mo v operacˇnı´m syste´mu (spustı´me aplikaci naprˇı´klad ve Windows), ale tento postup nenı´moc prˇıńosny´, protozˇe data jdou prˇes operacˇnı´syste´m a nelze testovat celou pameˇt’.Lepsˇı´mozˇnostı´je bootovańı´z CD/diskety, kde ma´me nainstalovany´testovacı´ program (sta´hneme a vypa´lı´me ISO/ulozˇı´me disketu a nabootujeme, dnes je spı´sˇe typicˇteˇjsˇı´ pouzˇı´vańı´ ISO obrazu˚CD). Naprˇı´klad program MemTest je dostupny´ve dvou formaćh – odlehcˇena´varianta beˇzˇı´ve Windows, varianta MemTest86+ je bootovacı´. Neˇktereóperacˇnı´syste´my (typicky Linux) na´m v tomto ulehcˇujı´praći; v startovacıńabı´dce syste´mu se kromeˇjednotlivyćh operacˇnıćh syste´mu˚takeóbvykle objevı´polozˇka MemTest86+ (nebo podobna´), po jejı´m vybrańı´se provede test pameˇti bez startu operacˇnı´ho syste´mu. Pokud neˇktery´z vy´sˇe uvedenyćh programu˚nahla´sıćhybu, meˇli bychom zjistit, co konkre´tneˇchybu zpu˚sobuje. Na vineˇmu˚zˇe by´t vadny´hardware (pameˇt’ovy´modul, slot, rˇadicˇpameˇti, prˇı´padneˇza´kladnı´ deska cˇi procesor), ale take´mu˚zˇe jı´t o sˇpatneńastavenıćˇasovańı´pameˇtı´, ktere´zpu˚sobuje nestabilitu, nebo KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 135

Obra´zek 7.12: GoldMemory nedostatecˇneńapa´jenı´(zdroj nestacˇı´). Jestlizˇe tedy je hla´sˇena chyba a ma´me vıć nezˇjeden pameˇt’ovy´modul, prˇehodı´me moduly navza´jem, prˇı´padneˇmu˚zˇeme vyzkousˇet jiny´slot, a spustı´me test znovu. Typy chyb: • chyba se objevuje na´hodneˇ(v cˇase i mı´steˇ) – obvykle je proble´m v za´kladnı´desce nebo procesoru, je ma´lo vy´konny´zdroj, moduly jsou navza´jem nekompatibilnıńebo je modul nekompatibilnı´s deskou • chyba se po prˇehozenı´modulu˚objevuje u stejne´ho modulu – vadny´je tento modul • chyba se po prˇehozenı´modulu˚objevuje na sta´le stejneádrese – moduly jsou OK, ale slot je vadnyńebo zapra´sˇeny´

M Prˇı´klad7.3 Prˇedpokla´dejme, zˇe shańı´me pameˇt’ove´moduly pro za´kladnı´desku GIGABYTE X58A-UD3R. Najdeme si specifikaci na internetu (to by nemeˇl by´t proble´m, umı´me prˇece pouzˇı´vat Google, ten na´s nasmeˇruje na prˇı´slusˇne´strańky vy´robce Gigabyte). V za´kladnı´specifikaci desky se dozvı´me hodneˇuzˇitecˇnyćh veˇcı´– kromeˇpatice procesoru (LGA 1366) prˇedevsˇı´m zjistı´me, zˇe deska podporuje pameˇti DDR3, a to dual nebo triple channel (tj. podporuje dvou- nebo trˇı´kana´lovy´pameˇt’ovy´rˇadicˇ). Na desce je celkem 6 slotu˚pro tyto pameˇt’ove´moduly,napeˇtı´1.5 V.Du˚lezˇity´je rˇeteˇzec „DDR3 2200/1333/ 1066/800 MHz“, kteryńa´m rˇı´ka´, jake´frekvence pameˇtı´jsou podporovańy. R Da´le si mu˚zˇeme vsˇimnout u´daje non-ECC (ten taky zna´me), a take´„support for XMP modules“. XMP (Extreme Memory Profile) je intelovska´specifikace pro DDR3, kde v hlavicˇce specifikace JEDEC pro SPD cˇip na modulu jsou neˇktere´bity vyhrazeny pro dodatecˇneínformace vyuzˇı´vane´prˇi prˇetaktovańı´pameˇtı´ k vysˇsˇı´mu vy´konu. M KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 136

Obra´zek 7.13: Memtest86+

Pozna´mka: Vy´beˇr konkre´tnıćh pameˇtı´pro danou za´kladnı´desku by´vańeˇkdy dost osˇidna´veˇc, obcˇas nasta´vajı´proble´my s kompatibilitou. Nestacˇı´totizˇvybrat konkre´tnı´typ pameˇtı´(DDR2 nebo DDR3) s vhodnou frekvencı´. O kompatibiliteˇdane´ho modulu s deskou se neˇkdy teˇzˇkeńajı´t informaci. Pokud meˇnı´me pameˇti, pak je vhodne´ po vy´meˇneˇ spustit testovańı´ (naprˇı´klad Memtest). Du˚sledky nekompatibility mohou by´t ru˚zneńaprˇı´klad se pocˇı´tacˇmu˚zˇe rozjet a zdańliveˇbezproble´moveˇfungovat, ale sem tam „spadne“ operacˇnı´syste´m (u Windows zna´ma´modraóbrazovka – BSOD), a to zdańliveˇbez souvislosti s neda´vnou vy´meˇnou pameˇtı´.

C U´ kol Zjisteˇte vlastnosti pameˇt’ove´ho kitu KINGSTON 4GB KIT DDR3 1333MHz HyperX – pocˇet modulu˚v kitu, typ (vcˇetneˇpocˇtu pinu˚), max. pracovnı´frekvence, napeˇtı´, latence, prˇı´padneˇmozˇnosti prˇetaktova´nı´v BIOSu. Podobneˇzpracujte modul PATRIOT 2GB SO-DIMM DDR2 667 MHz CL5. C KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 137

7.6 R Cache pameˇti

Cache pameˇti jsou vyrovna´vacı´pameˇti (uzˇjsme se o nich ucˇili u procesoru˚), obvykle jde o drazˇsˇı´typy operacˇnıćh pameˇtı´s mensˇı´kapacitou, veˇtsˇinou staticke´. Hlavnı´m du˚vodem jejich pouzˇı´vańı´je urychlenı´transferu dat mezi rychlejsˇı´m a pomalejsˇı´m zarˇı´zenı´m (naprˇı´klad procesor×operacˇnı´pameˇt’,cache take´by´vaú pevnyćh disku˚, kdy naopak tı´m rychlejsˇı´m zarˇı´zenı´m je operacˇnı´pameˇt’).Data jsou do cache prˇednacˇı´tańa podle urcˇite´ho algoritmu preempce (prˇedvı´dańı´). Druhy cache pameˇtı´: • rychlećache typu SRAM u procesoru˚(mezi CPU a operacˇnı´pameˇtı´) uzˇzna´me, pro prˇipomenutı´: – L1 (Level 1) – prima´rnıćache, internıćache procesoru; prvnıú i486, vzˇdy integrovana´v pouzdrˇe procesoru – L2 (Level 2) – sekunda´rnıćache, externı´; prvnıú i386 – L3 (Level 3) – tercia´lnıćache • cache pro ru˚zna´zarˇı´zenı´, zejmeńa pevny´disk U´ cˇel cache pro operacˇnı´pameˇt’:instrukce jsou hledańy nejdrˇı´v v L1, kdyzˇtam nejsou, tak v L2, potom v L3, a teprve kdyzˇnejsou nalezeny v cache, hleda´se v pomaleóperacˇnı´pameˇti. Jak urcˇit, co bude/nebude v cache? Algoritmus „hledańıóbeˇti“ se pouzˇı´va´, kdyzˇje nutne´do cache neˇco ulozˇit, ale nenı´dostatek mı´sta, tedy urcˇujeme, co z pu˚vodnı´ho obsahu cache bude prˇepsańo (smazańo). Postupu˚je vıće, nejbeˇzˇneˇjsˇı´jsou • LRU (Last Recently Used) – nejde´le nepouzˇı´vane´polozˇky jsou z cache odstraneˇny, kazˇda´polozˇka ma´ urcˇitou formu cˇasove´ho razı´tka (to se obnovuje vzˇdy, kdyzˇje polozˇka pouzˇita) • dalsˇıálgoritmy zalozˇeneńa podobne´m principu, hodneˇse pouzˇı´va´pseudo-LRU (zjednodusˇena´forma LRU, nenı´trˇeba uchova´vat pomeˇrneˇdlouhyá slozˇityú´daj cˇasove´ho razı´tka) Pameˇti deˇlı´me podle zpu˚sobu prˇı´stupu k datu˚m (reprezentace mı´sta v pameˇti) na 1. adresovatelne´ – data jsou urcˇena jejich cˇı´selnou nebo slovnıádresou, pouzˇı´va´se u operacˇnı´pameˇti a registru˚ 2. asociativnı´ – pouzˇı´va´se u cache, data jsou prˇı´stupna´prˇes klıćˇe (tagy), nikoliv pouze adresy (tag je soucˇa´stıádresy), v pameˇti je ulozˇeno: • seznam tagu˚(klıćˇu˚) • ke kazˇde´mu tagu souvisejıćı´data • ke kazˇde´mu tagu dalsˇı´potrˇebneínformace (souvisejıćı´s LRU algoritmem, informace o platnosti dat, synchronizacˇnıínformace pro prˇı´pad, zˇe je vıće cache stejneú´rovneˇ– protokol MESI, atd.) Existuje vıće typu˚asociativnıćh pameˇtı´. Za´kladnı´deˇlenı´je na plneˇasociativnıá n-cestneˇasociativnı´. Plneˇasociativnı´pameˇti: Celaádresa je povazˇovańa za tag. Sche´ma plneˇasociativnı´pameˇti vidı´me na obra´zku 7.14. n-cestneˇasociativnı´pameˇti: Adresa se skla´da´ze dvou cˇa´stı´– tagu a adresy trˇı´dy. Adresa trˇı´dy je prˇivedena na n dekode´ru˚, kazˇdy´z nich podle sve´ho vstupu vybere jeden adresovy´vodicˇ(odpovı´da´rˇa´dku tabulky), tagy z n vybranyćh rˇa´dku˚se porovnajı´se zadany´m tagem. V soucˇasne´dobeˇse setka´me prˇedevsˇı´m s tı´mto typem cache pameˇtı´. Uka´zka dvoucestneˇasociativnı´pameˇti je na obra´zku 7.15. KAPITOLA 7 VNITRˇ NI´ PAMEˇ TI 138

Obra´zek 7.14: Plneˇasociativnı´pameˇti

Obra´zek 7.15: n-cestneˇasociativnı´pameˇti (pro n = 2) Kapitola 8

Vneˇjsˇı´pameˇti

Podı´va´me se na vneˇjsˇı´pameˇti. Budeme se zaby´vat prˇedevsˇı´m pevny´mi disky, ale takeóstatnı´mi magneticky´mi pameˇt’o- vy´mi me´dii, magnetoopticky´mi, opticky´mi a flash me´dii. Soucˇa´stı´kapitoly jsou sekce o za´lohovańıá archivaci, RAID polıćh a NAS discıćh.

8.1 Za´kladnı´pojmy

Pameˇt’ove´me´dium (nebo take´vneˇjsˇı´pameˇt’)je perifernı´zarˇı´zenı´slouzˇıćı´k ukla´dańı´dat. Pokud lze pameˇt’ove´ me´dium zasunout a vyjmout prˇi beˇhu syste´mu, hovorˇı´me o vy´meˇnne´m pameˇt’ove´m me´diu. U´ lozˇisˇteˇ je hardwarove´rozhranı´, prˇes ktere´je pameˇt’ove´me´dium prˇipojeno k pocˇı´tacˇi. V prˇı´padeˇdisku˚ a pa´sek (pevnyćh disku˚, CD, disket, za´lohovacıćh pa´sek, apod.) je to mechanika tohoto disku cˇi pa´sky, pro USB flash disky je to USB rozhranı´(konkre´tneˇimplementace USB Mass Storage), sveú´lozˇisˇteˇmajı´take´ pameˇt’ove´karty.

Podle sta´losti prˇipojenı´ rozlisˇujeme pameˇt’ova´me´dia • rezidentnı´ – z u´lozˇisˇteˇje beˇzˇny´m zpu˚sobem nelze vyjmout a u´lozˇisˇteˇje uvnitrˇskrˇı´neˇpocˇı´tacˇe (naprˇı´klad beˇzˇny´pevny´disk) • vymeˇnitelna´ – u´lozˇisˇteˇtohoto me´dia se prˇipojuje vneˇskrˇı´neˇpocˇı´tacˇe nebo je sice uvnitrˇ, ale me´dium lze snadno vyjmout (naprˇı´klad CD mechanika).

Podle zpu˚sobu prˇı´stupuk me´diu rozlisˇujeme pameˇt’ova´me´dia • sekvencˇnı´ – prˇı´stup je prova´deˇn sekvencˇneˇ(abychom mohli prˇecˇı´st konkre´tnı´data, musı´me prˇecˇı´st vsˇechna data prˇedcha´zejıćı´), typicke´pro za´lohovacı´me´dia (pa´sky) • s prˇı´my´m prˇı´stupem – podle adresy, adresa mu˚zˇe by´t – linea´rnı´ – jednoducha´linea´rnıádresa, veˇtsˇinou cˇı´selna´, pocˇı´ta´me obvykle od nuly – vıćerozmeˇrna´ – adresa je slozˇena z vıće cˇa´stı´(podobneˇjako rˇa´dek a sloupec tabulky)

139 KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 140

Podle principu cˇtenı´/za´pisu rozlisˇujeme • papı´rova´me´dia (deˇrne´sˇtı´tky, deˇrne´pa´sky), dnes uzˇnejsou moc pouzˇı´vańa • magnetickaá magnetoopticka´me´dia – na principu magnetismu (pevny´disk, disketa, magnetoopticky´disk, magneticka´pa´ska) • opticka´me´dia – vyuzˇı´vajıóbvykle vlastnostı´sveˇtla s urcˇitou vlnovou de´lkou (CD, DVD, Blue-ray, HD DVD) • elektronicka´me´dia – obsahujıélektrickeóbvody,obvykle energeticky neza´visla´vneˇjsˇıélektronicka´pameˇt’ (USB flash disky, karty apod.)

Dalsˇıínformace: Peˇknećˇlańky o historii a soucˇasnosti pameˇt’ovyćh me´diıńajdeme na • http://www.svethardware.cz/art doc-1353E9CA90DE55D4C125748A00258FD4.html • http://www.root.cz/clanky/pametova-media-pouzivana-u-osmibitovych-mikropocitacu/

8.2 Magneticke´disky

8.2.1 R Bubnove´pameˇti

Bubnove´pameˇti jsou jedny z nejstarsˇıćh magnetickyćh pameˇtı´. Za´kladem je „buben“ z nevodive´ho materia´lu potazˇeny´feromagnetickou vrstvou. Na jednom bubnu obvykle tolik stop, jaka´byla sˇı´rˇka slova na dane´m pocˇı´tacˇi, kazˇda´stopa meˇla vlastnıćˇtecı´/za´pisovou hlavu. Hlavy se nepohybovaly, kazˇda´byla urcˇena jen pro jednu stopu. Vy´hodou bylo, zˇe vsˇechny hlavy cˇetly paralelneˇ, nevy´hodou byla prˇedevsˇı´m omezena´kapacita.

8.2.2 Diskove´pameˇti

Za´kladem magnetickyćh diskovyćh pameˇtı´je pevny´(hard) nebo pruzˇny´(floppy) disk, na ktery´je nanesena magneticka´vrstva, ve ktere´jsou kromeˇmagnetickyćh cˇa´stic dalsˇı´slozˇky (ovlivnˇujı´take´fyzika´lnı´vlastnosti disku). Disk nenı´sekvencˇnı´(i kdyzˇlogickaádresace by´va´sekvencˇnı´), umozˇnˇuje prˇı´my´prˇı´stup do pameˇti, data jsou organizovańa na soustrˇednyćh kruzˇnicıćh nebo spira´le. Magneticke´diskove´pameˇti (jak pevne´disky, tak i diskety a dalsˇı´) majıóbvykle neˇktery´z pru˚meˇru˚, ktere´ najdeme v tabulce 8.1. Tyto hodnoty jsou pomeˇrneˇuniverza´lnıá cˇasto platıí pro dalsˇı´komponenty, naprˇı´klad 1 opticke´mechaniky do desktopovyćh pocˇı´tacˇu˚obvykle mı´vajı´stejny´rozmeˇr jako pouzdra 5 4 disku˚. Kazˇda´pameˇt’potrˇebuje rˇadicˇ (ty´ka´se to i vnitrˇnıćh pameˇtı´), tedy soucˇa´stku, ktera´fyzicky zajisˇt’ujeprˇı´stup k pameˇti a komunikaci mezi pameˇtıá procesorem nebo cˇipsetem (podle toho, kam je prˇipojena). KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 141

palce mm Pouzˇitı´ 8 203 u starsˇıćh pevnyćh disku˚a velmi staryćh disket 1 5 4 133 dto. 1 3 2 88 dnes pro pevne´disky, diskety, ZIP apod. 1 2 2 neˇktere´pevne´disky, prˇedevsˇı´m do notebooku˚

Tabulka 8.1: Typicke´pru˚meˇry (form factor) magneticky´ch diskovy´ch pameˇtı´

Pozna´mka: Z magnetickyćh diskovyćh pameˇtı´se dnes setka´va´me prakticky vy´hradneˇs pevny´mi disky (Hard Disk, cela´ mechanika vcˇetneˇpouzdra se znacˇı´HDD – Hard Disk Drive), proto na´sledujıćı´text v te´to podkapitole se bude ty´kat prakticky vy´hradneˇpevnyćh disku˚.

8.2.3 Fyzicka´struktura a geometrie disku

Nosnaćˇa´st disku je obvykle vyrobena z materia´lu, kteryńenı´magneticky´(kombinace keramiky, skla, plastu apod.). Starsˇı´disky meˇly tento nemagneticky´za´klad potazˇeny´vrstvou oxidu zˇeleza, noveˇjsˇı´majı´slozˇiteˇjsˇı´ strukturu. Na vrstveˇpro data je vrstvicˇka uhlı´ku s neˇktery´mi vlastnostmi diamantu (velmi tvrda´). Na uhlı´kove´vrstveˇje meˇkcˇı´hladka´vrstva Ochranna´meˇkka´vrstva chrańıćı´hlavu prˇi dopadu. Fyzickou strukturu pevne´ho disku vi- Ochrannaúhlı´kova´vrstva dı´me na obra´zku 8.1. Magneticka´datova´vrstva Prˇedevsˇı´m je du˚lezˇite´, aby disk byl dostatecˇneˇtvrdy´pro odol- Pomocne´vrstvy nost proti chyba´m, ale za´rovenˇmeˇkcˇı´, aby prˇi pa´du hlavy tuto Nosnaćˇa´st hlavu neposˇkodil. Tepelna´roztazˇnost sousedıćıćh vrstev se nesmı´ Obra´zek 8.1: Povrch pevne´ho disku prˇı´lisˇlisˇit. Slozˇenı´pevne´ho disku: • plotny, kazˇda´ma´dva povrchy, jsou na spolecˇneóse, • cˇtecı´/za´pisove´hlavy na spolecˇne´m rameni, • mechanika pro pohyb hlav, • elektromotor pro roztaćˇenı´ploten, • deska s tisˇteˇny´mi spoji, rˇadicˇ, vyrovna´vacı´pameˇt’(buffer), • u´zky´datovy´kabel propojujıćı´rˇadicˇs mechanismem rˇı´zenı´hlav, • konektory (napa´jecı´, datovy´), prˇı´p. prˇepıńacˇe a pro- Obra´zek 8.2: Vnitrˇek pevne´ho disku1 pojky.

1Zdroj: http://rayer.ic.cz/hardware/hddtech.htm KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 142

Du˚lezˇitou soucˇa´stı´je elektromotor, ktery´roztaćˇı´plotny disku. Rychlost elektromotoru se uda´va´v RPM (Revolutions Per Minute nebo Rotations per Minute), pocˇtu otaćˇek za minutu. U veˇtsˇıćh pevnyćh disku˚pro desktopy to by´va´7200 rpm (azˇ10 000 rpm), u notebookovyćh s mensˇı´m pru˚meˇrem pak 5400 rpm. Rychlejsˇı´ (15 000 rpm), obvykle s rozhranı´m SAS, jsou urcˇeny pro servery.

Obra´zek 8.3: Geometrie pevne´ho disku2

Geometrie disku. Pevny´disk se skla´da´z neˇkolika kotoucˇu˚, kazˇdy´ma´dva povrchy (plotny). Data jsou na plotneˇukla´dańa ve stopaćh a sektorech: • stopa = soustrˇedna´kruzˇnice na povrchu 1 • sektor = vy´sek na te´to kruzˇnici, 1 sektor obvykle obsahuje 512 B dat (tj. 2 kB), nejmensˇı´jednotka na disku, se kterou doka´zˇe disk pracovat • cylindr = souhrn vsˇech stop se stejny´m pru˚meˇrem prˇes vsˇechny povrchy, „duty´“ va´lec zahrnujıćı´stopy se stejny´m pru˚meˇrem prˇes vsˇechny povrchy • cluster (ve Windows), blok (v Linuxu) = nejmensˇı´jednotka na pevne´m disku, se kterou doka´zˇe pracovat operacˇnı´syste´m (neˇkolik sektoru˚, typicky mocnina dvou, veˇtsˇinou 8, 16 nebo 32)

Pozna´mka: Rˇ adicˇdisku doka´zˇe pracovat vzˇdy s cely´mi sektory, kdezˇto operacˇnı´syste´m doka´zˇe pracovat vzˇdy s cely´mi clustery (v Linuxu bloky). Jeden cluster/blok je obvykle 8, 16 nebo 32 sektoru˚(mocniny cˇı´sla 2).

Jak bylo vy´sˇe rˇecˇeno, jeden sektor obsahuje obvykle 512 B dat. Ale to neplatıó vsˇech discıćh. Disky oznacˇene´„Advanced Format“ (standard z roku 2010) majı´ve svyćh sektorech vzˇdy 4 KB dat (tj. 4096 B). U´ cˇelem je prˇedevsˇı´m navy´sˇit mnozˇstvı´dat, ktere´se vejde na jednu plotnu.

2Zdroj: http://www.ﬁ.muni.cz/usr/pelikan/ARCHIT/TEXTY/GEOMHD.HTML KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 143

Disk typu „Advanced Format“ lze pouzˇı´vat pouze na pocˇı´tacˇi s operacˇnı´m syste´mem, ktery´tento typ podporuje. Rˇ adicˇe teˇchto disku˚pracujı´v jednom ze dvou mozˇnyćh rezˇimu˚– emulace 512e nebo nativnı´ 4K; prvnı´mozˇnost je podporovańa ve veˇtsˇineˇsoucˇasnyćh operacˇnıćh syste´mu˚(Windows od verze Vista, Linux, MacOS X, ostatnıúnixove´syste´my), tato emulace spocˇı´va´v tom, zˇe dlouhy´4KB sektor se „tva´rˇı´“ jako osm kra´tkyćh 512B sektoru˚. Nenı´to na za´vadu funkcˇnosti, protozˇe operacˇnı´syste´my stejneˇneprˇistupujı´ k sektoru˚m jednotliveˇ, ale podle nastavenı´souborove´ho syste´mu veˇtsˇinou k 8 nebo 16 sektoru˚m jako celku. Kazˇdy´ pouzˇı´vany´ povrch ma´ svou vlastnı´ cˇtecı´/za´pisovou hlavu. Proto pokud jsou vsˇechny povrchy pouzˇı´vańy, najdeme v disku dvojna´sobny´pocˇet hlav, nezˇkolik je kotoucˇu˚. Ne kazˇdy´povrch musıńutneˇby´t pouzˇı´vań – je mozˇne´, aby „krajnı´“ povrchy nebyly pouzˇı´vańy,naprˇı´klad hornı´povrch nejvrchneˇjsˇı´plotny. Pu˚vodneˇbyl na vsˇech stopaćh stejny´pocˇet sektoru˚(tj. vy´seku˚na stopeˇ), ale se zvysˇujıćı´se kapacitou disku a pocˇtem stop na povrchu se projevil velky´rozdı´l mezi de´lkou sektoru˚na vneˇjsˇıćh a vnitrˇnıćh stopaćh (stopy blı´zˇe strˇedu disku jsou logicky vy´razneˇ kratsˇı´ nezˇ stopy blı´zˇe okraji disku), prˇicˇemzˇ pocˇet bitu˚ ulozˇenyćh v jednom sektoru musel by´t stejny´. V sektorech u okraje disku se ply´tvalo mı´stem, v sektorech u strˇedu disku zase prˇi vysˇsˇı´hustoteˇsigna´lu˚hrozilo riziko chybne´ho cˇtenı´. V soucˇasne´dobeˇse tento proble´m rˇesˇı´prˇedevsˇı´m dveˇma vylepsˇenı´mi (obeˇma najednou) – prekompenzacı´ za´pisu (pocˇı´ta´se s prˇı´padny´mi chybami za´pisu na „huste´m“ vnitrˇnı´m sektoru) a zońovy´m za´znamem (na ru˚znyćh stopaćh je ru˚zny´pocˇet sektoru˚), prˇicˇemzˇvsˇechny sektory i nada´le nesou stejne´mnozˇstvı´dat. Obeˇ technologie jsou popsańy da´le.

Zpu˚soby adresovańı´ stanovı´, jak se urcˇuje fyzickeúmı´steˇnı´konkre´tnıćh dat na disku. Cylinder–Head–Sector (CHS) je starsˇı´zpu˚sob adresace pouzˇı´vanyú staryćh IDE disku˚. Jeho vy´hodou je zohledneˇnı´ geometrie disku. Umı´steˇnı´ dat je urcˇeno trˇemi u´daji (tedy jde o nelinea´rnı´, vıćeu´rovnˇove´ adresovańı´), a to cylindrem (va´lcem), hlavou (ta urcˇuje povrch, na ktere´m se bude zapisovat, pru˚nik se zadany´m va´lcem je stopa) a sektorem. Nejkrajneˇjsˇıćylindr (a tedy i stopa) maćˇı´slo 0. R Hlavnıńevy´hodou te´to metody jsou prˇedevsˇı´m omezenı´vyply´vajıćı´z pocˇtu bitu˚, ktere´rˇadicˇe, BIOSy, kabely atd. pouzˇı´vajı´pro ulozˇenı´teˇchto trˇıú´daju˚, to jest 512 MB na disk. EIDE tyto hodnoty rozsˇı´rˇilo, ale BIOSem nastaveny´strop zu˚stal (10 bitu˚na cylindr, tedy 210 = 1024 cylindru˚), proto citelneómezenı´kapacity disku˚se sice zmı´rnilo, ale zu˚stalo (teˇsneˇpod 8 GB). Proto se u soucˇasnyćh disku˚CHS nepouzˇı´va´. Co se BIOSu tyćˇe, u disku˚s veˇtsˇı´m pocˇtem cylindru˚proble´m rˇesˇı´tak, zˇe hla´sıńizˇsˇı´pocˇet cylindru˚nezˇ ve skutecˇnosti (tolik, jaka´je jeho vlastnı´hranice), ale naopak veˇtsˇı´pocˇet ploten nezˇve skutecˇnosti.

M Prˇı´klad8.1 R BIOS pouzˇı´val pro ulozˇenı´hodnoty cylindru 10 bitu˚, pro adresu hlavy 8 bitu˚a 6 pro adresu sektoru, samotne´rozhranı´IDE pro tyto u´daje rezervovalo 16/4/8. Je samozrˇejmeˇtrˇeba, aby se tyto strany domluvily, proto je nutne´ve vsˇech trˇech prˇı´padech vybrat tu nizˇsˇı´hodnotu. Dosta´va´me 10 bitu˚pro cylindr, 4 bity pro hlavu a 6 bitu˚pro sektor: 210 × 24 × 26 = 1048576 mozˇny´ch adres; prˇi 512 B na sektor dostaneme 1048576 × 512 = 536870912 B, cozˇje 512 MB. K te´to hodnoteˇjsme dospeˇli tak, zˇe jsme cˇı´slo dvakra´t vydeˇlili cˇı´slem 210 = 1024. M KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 144

Logical Block Addressing (LBA) je druhy´zpu˚sob adresovańı´, ktery´se pouzˇı´va´dodnes. LBA bylo pu˚vodneˇ urcˇeno pro SCSI disky, pozdeˇji je prˇevzal standard ATAPI v noveˇjsˇıćh verzıćh. LBA je linea´rnıádresovańı´ na logickeú´rovni, geometrii disku nezohlednˇuje. Sektory jsou cˇı´slovańy od 0, zacˇıńa´se na prvnı´m (vneˇjsˇı´m) cylindru, prˇes vsˇechny povrchy, pak druhyćylindr, atd.

Pozna´mka: To znamena´, zˇe data jsou ukla´da´na po cylindrech, nikoliv po povrsˇı´ch.

Pro adresy jsou opeˇt stanoveny limity – pu˚vodneˇto bylo 28 bitu˚na adresu, pozdeˇji byl urcˇen vysˇsˇı´limit, 48 bitu˚na adresu, ktery´je zcela dostacˇujıćıí pro soucˇasne´terrabytove´disky. Parkovańı´hlav je vhodneúmı´st’ovańı´hlav, ktere´ma´zabrańit posˇkozenı´disku prˇi na´hodne´m na´razu. Prˇi vypnutıńapa´jenı´disku nebo prˇi na´razu dojde ke „spadnutı´“ hlav na disky (vzduchovy´polsˇta´rˇprˇestane existovat), cˇı´mzˇse mohou posˇkodit data. Autopark (automaticke´zaparkovańı´hlav po vypnutı´pocˇı´tacˇe) je zalozˇen na tom, zˇe po vypnutı´se disk chvı´li otaćˇı´setrvacˇnostı´, tı´m se vyrobı´dostatek energie pro prˇemı´steˇnı´hlav do parkovacıóblasti (vyuzˇı´va´se princip rekuperace). U starsˇıćh disku˚ byl vyhrazen sektor, nad ktery´ se prˇed vypnutı´m disku prˇesunuly hlavy (obvykle neˇktery´vnitrˇnı´sektor disku). U noveˇjsˇıćh disku˚s linea´rnı´m motorem umı´steˇnı´parkovacıóblasti pro hlavy za´visı´ na rozhodnutı´vy´robce (mu˚zˇe to by´t neˇktery´sektor, a nebo mı´sto mimo povrchy disku, neˇktere´disky dokonce parkujı´kdekoliv na povrchu). Z bezpecˇnostnıćh du˚vodu˚(pro prˇı´pad poruchy cˇi otrˇesu) jsou plotny pokryty tenkou meˇkkou ochrannou vrstvou, ktera´ma´zmı´rnit na´sledky necˇekane´ho dopadu. Zvla´sˇteˇu notebooku˚se parkovańı´prova´dı´velmi cˇasto (i neˇkolikra´t za minutu, jsou vybaveny pohybo- vy´m cˇidlem), cozˇsnizˇuje zˇivotnost disku.

8.2.4 R Modulace prˇi za´pisu

Modulace dat prˇi za´pisu na magneticka´me´dia je proces, ktery´zajisˇt’ujetechnicky bezpecˇny´za´pis a na´sledne´ cˇtenı´dat. Data jsou na disk ukla´dańa pomocı´zmeˇn magneticke´ho toku, kazˇda´zmeˇna se prˇi cˇtenı´projevı´ jako impuls, tyto impulsy za´rovenˇslouzˇı´k synchronizaci procesu cˇtenı´dat s rˇadicˇem. Pokud oznacˇı´me P = impuls, N = mezera, pak signa´l P (impuls) prˇedstavuje zmeˇnu magnetizace, signa´l N zmeˇnu magnetizace nezpu˚sobı´. Bez modulace zı´ska´me naprˇı´klad z rˇeteˇzce bitu˚ 110010 rˇeteˇzec signa´lu˚ PPNNPN. Delsˇı´posloupnost nul by tvorˇila velmi dlouhou mezeru, mohlo by dojı´t ke ztra´teˇsynchronizace rˇadicˇe disku, proto je nutne´data ko´dovat jiny´m zpu˚sobem. Hlavnı´m proble´mem jsou dlouhe´sekvence signa´lu˚„N“, ućˇelem modulace je zajistit, aby se prˇedevsˇı´m nevyskytovaly dlouhe´rˇeteˇzce signa´lu˚„N“. Existuje vıće rˇesˇenı´(typu˚modulacı´). FM (Frequency Modulation, frekvencˇnı´modulace) je nejjednodusˇsˇı´, kazˇdy´bit ko´duje do dvou signa´lu˚: 0 ...... PN 1 ...... PP KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 145

Naprˇı´klad rˇeteˇzec bitu˚ 110010 je zako´dovań jako PPPPPNPNPPPN. De´lka rˇeteˇzce (pocˇtu signa´lu˚) je dvojna´- sobkem pocˇtu bitu˚, pocˇet impulsu˚(signa´lu˚„P“) je ovsˇem pomeˇrneˇvysoky´, je jich 9. Kromeˇtoho, zˇe kazˇdy´bit je reprezentovań prˇı´slusˇny´m signa´lem, jesˇteˇnavıć jsou tyto signa´ly oddeˇleny signa´lem „P“ (slouzˇı´jako reprezentace „1“ a jako oddeˇlovacˇbitu˚).

MFM (Modified Frequency Modulation) mańavıć snı´zˇit pocˇet impulsu˚: 0 ...... v rˇeteˇzci 00 (prˇed nı´je 0): PN ...... v rˇeteˇzci 10 (prˇed nı´je 1): NN 1 ...... NP Naprˇı´klad rˇeteˇzec bitu˚ 110010 (tenty´zˇjako u prˇedchozı´modulace) je zako´dovań jako posloupnost impulsu˚ NPNPNNPNNPNN. Pocˇet signa´lu˚je stejny´, ale impulsu˚ma´me meńeˇ, jen 4, prˇicˇemzˇdlouhe´sekvence signa´lu˚ „N“ nehrozı´. Modulace MFM byla pouzˇı´vańa pouze u starsˇıćh disku˚, dnes se s nı´ setka´me jen u disket. Hlavnı´ nevy´hodou je omezenı´kapacity disku na pouhyćh 136MB (1024 stop, 16 hlav, 17 sektoru˚na stopu) a take´ omezenı´prˇenosove´rychlosti (je za´vislańa cˇasovacˇi).

RLL (Run Length Limited) ve formeˇ2,7 neko´duje jednotlive´bity, ale jejich skupiny (dvojice azˇcˇtverˇice) podle dane´ho sche´matu (tabulky lze najı´t na internetu). Prˇedpis (ko´dovacı´tabulka) je formulovań tak, aby mezi dveˇma impulsy byly nejmeńeˇdveˇa nejvıće sedm mezer. RLL je vy´razneˇu´sporneˇjsˇıńezˇMFM, neomezuje kapacitu disku ani prˇenosove´rychlosti. Dodnes se variace RLL pouzˇı´vajı´pro pevne´disky.

PRML (Partial Response Maximum Likehood) umozˇnˇuje zvy´sˇit hustotu za´pisu. Signa´ly jsou prˇi cˇtenı´zpracovańy pomocny´m procesorem typu DSP (viz kapitolu 6.1.3, str. 74). Zvy´sˇenı´hustoty za´pisu s sebou prˇina´sˇı´mnohe´ teˇzˇkosti vcˇetneˇzhorsˇene´ho rozpozna´vańı´jednotlivyćh bitu˚. DSP vsˇak doka´zˇe podle vzoru˚rozpoznat spra´vne´ posloupnosti signa´lu˚urcˇujıćı´bity a prˇı´padneˇopravit drobnećhyby zpu˚sobeneńeprˇesny´m cˇtenı´m husteˇ ulozˇenyćh dat.

8.2.5 Cˇtenı´a za´pis

Typy za´pisu: u starsˇıćh disku˚se pouzˇı´val pode´lny´za´pis, u novyćh kolmy´za´pis. Pode´lny´za´pis (Longitudinal Magnetic Recording – LMR) znamena´, zˇe bity (opacˇneˇorientovana´magneticka´ pole) jsou zapisovańy vodorovneˇs povrchem disku. Mozˇna´hustota za´pisu jen asi do 150 GB/inch2, protozˇe prˇi vysˇsˇı´hustoteˇdocha´zı´k jevu zvane´mu paramagnetismus, jehozˇdu˚sledkem je samovolna´ztra´ta ulozˇenyćh dat (magneticka´pole pro ru˚zne´bity se navza´jem ovlivnˇujı´). Kolmy´za´pis (Perpendicular Magnetic Recording – PMR) se komercˇneˇpouzˇı´vaód roku 2005 (firma Toshiba). Vektory matematickeíndukce nejsou orientovańy pode´lneˇs povrchem, ale kolmo na neˇj a diskova´hlava pro za´pis ma´jinou konstrukci, aby doka´zala takto orientovana´magneticka´pole prˇecˇı´st. Metoda je zalozˇena na prˇidańıńove´vrstvy pod vrstvu s ulozˇeny´mi daty, nova´vrstva je z magneticke´ho materia´lu.

3Zdroj: http://notebook.cz/clanky/technologie/2006/kolmy-zapis KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 146

Obra´zek 8.4: Porovna´nı´pode´lne´ho a kolme´ho za´pisu3

R Vrstveny´za´pis (Shingle Magnetic Recording – SMR) je momenta´lneˇnejnoveˇjsˇı´m pocˇinem firmy Seagate („a shingle“ je v prˇekladu „sˇindel“), jedna´se o vylepsˇenı´technologie kolme´ho za´pisu. Vylepsˇenı´spocˇı´va´ v tom, zˇe zatı´mco drˇı´v se zvysˇovala hustota zapisovanyćh bitu˚ na stopeˇ, ted’ se zvysˇuje hustota stop. Jednotlive´stopy na povrchu se posunuly k sobeˇa dokonce se „sˇindelovou“ metodou prˇekry´vajı´(nejdrˇı´v je zapsańa stopa blı´zˇe okraje kotoucˇe, pak stopa o neˇco da´l smeˇrem ke strˇedu tak, zˇe tu prˇedchozıćˇa´stecˇneˇ prˇekry´va´, na´sleduje dalsˇı´, atd.).

Pozna´mka: Uveˇdomme si, co to znamena´, kdyzˇjedna stopa cˇa´stecˇneˇprˇekry´va´sousednı´stopu – z toho vyply´va´, zˇe pokud chceme prove´st za´pis do neˇktere´stopy, nutneˇprˇepı´sˇeme i obsah sousednı´stopy, ktera´je blı´zˇe strˇedu. To znamena´, zˇe v za´kladu je tato metoda urcˇena spı´sˇe pro sekvencˇnı´za´pis, kdy zapisujeme jednotlive´stopy ve smeˇru od okraje kotoucˇe smeˇrem doprostrˇed.

Aby bylo mozˇne´zapisovat i jinak nezˇsekvencˇneˇ, budou stopy sdruzˇeny do tzv. zoń. Stopy v ra´mci te´zˇe zońy se (cˇa´stecˇneˇ) prˇekry´vajı´, stopy na rozhranı´mezi zońami se neprˇekry´vajı´. Tı´m byl pozˇadavek pouzˇı´vat sekvencˇnı´za´pis zmı´rneˇn a omezen na za´pisy uvnitrˇte´zˇe zońy. V kazˇde´zońeˇje definovań za´pisovyúkazatel (kurzor), kteryúrcˇuje, kde byl naposledy ukoncˇen za´pis a tedy od ktere´ho mı´sta je povoleno zapisovat. Tedy od rˇadicˇe se vyzˇaduje poneˇkud vıće inteligence nezˇu technologie PMR. Dalsˇı´modifikace: na disku existujı´zońy se SMR za´pisem a zońy s PMR za´pisem, SMR zońy jsou urcˇeny pro sekvencˇnı´za´pis velkyćh souboru˚, PMR pro beˇzˇne´pouzˇitı´. Prˇı´padneˇse SMR zońami se da´zacha´zet podobneˇjako u SSD – v bufferu se zkompletuje obsah cele´zońy, ta se pak (sekvencˇneˇ) z tohoto bufferu KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 147 zkopı´ruje na disk. Hlavnı´m ućˇelem te´to technologie je zvy´sˇit celkovou hustotu za´znamu, trˇeba i na u´kor propustnosti datove´ho rozhranı´(tj. pocˇı´ta´se s tı´m, zˇe za´pis asi bude pomalejsˇı´).

Dalsˇıínformace: • http://www.seagate.com/tech-insights/breaking-areal-density-barriers-with-seagate-smr-master-ti/ (na strańce je i odkaz na video demonstrujıćı´SMR za´znam) • http://www.networkcomputing.com/tapes-and-disks/shingled-magnetic-recording-part-1-how-s/240165231 (prv- nı´ze dvou dı´lu˚o SMR) • http://www.networkcomputing.com/tapes-and-disks/shingled-magnetic-recording-part-2-using/240165307

Cˇ tecıá za´pisova´hlava jsou sice dveˇru˚zne´komponenty,ale najdeme je na jedine´m rameni a proto spı´sˇe hovorˇı´me o cˇtecı´/za´pisove´hlaveˇ. Kazˇdy´ povrch, ktery´je pouzˇı´vań pro za´znam, ma´vlastnı´hlavu. Jde o cı´vky navi- nuteńa ja´drech. Pevny´disk neusta´le rotuje a hlava je nadna´sˇena ve vy´sˇce mensˇıńezˇ 1 µm nad povrchem (vzduchovy´polsˇta´rˇ). Cˇı´m mensˇı´je vzda´lenost hlavy a povrchu, tı´m husteˇji lze zapisovat. Za´pis probı´hańa´sledovneˇ: • pokud hlavou procha´zıél. proud, vytvorˇı´se magneticky´tok, ktery´ se uzavı´ra´v mezerˇe mezi hlavou a povrchem disku, cˇı´mzˇovlivnˇuje Obra´zek 8.5: Rameno s cˇtecıá za´- magnetickou vrstvu na disku, pisovou hlavou disku5 • podle toho, ktery´m smeˇrem v cı´vce tecˇe proud, se vytva´rˇejı´ru˚zneˇzmagnetizovana´mı´sta na povrchu, • vznikajı´ magneticke´reverzace (mı´sta zmeˇny magnetizace).

Cˇtenı´ je vıćemeńeˇ opacˇny´ proces – hlavy reagujı´ na magneticke´ reverzace, ktere´ vyvolajı´ v ja´dru cı´vky magneticky´tok magneticky´tok je zpracovań jako el. impuls.

Vystavovańı´ hlav: vystavovacı´ mechanismus je zarˇı´zenı´, ktere´ vystavuje cˇtecı´/za´pisove´ hlavy na spra´vne´mı´sto nad povrchem disku. Starsˇı´disky pouzˇı´valy krokovy´motor, noveˇjsˇı´disky vyuzˇı´vajı´ linea´rnı´ motor pouzˇı´vajıćıélektromagnet – hlavy se vystavujı´podle elektricke´ho proudu prote´kajıćı´ho elektromag- netem s nı´m spojeny´m, tento elektromagnet je ulozˇen v silne´m magneticke´m poli jine´ho permanentnı´ho magnetu.

R Mechanismus hlav Cˇtecı´a za´pisove´hlavy musejı´fungovat rychle a prˇesneˇ. Mu˚zˇeme se setkat s teˇmito mechanismy konstrukce hlav – magnetorezistentnı´mi hlavami a obrˇı´magnetorezistencı´. Magnetorezistentnı´hlavy (MR): magnetorezistence je za´vislost elektricke´ho odporu materia´lu na smeˇru a intenziteˇ vneˇjsˇı´ho magneticke´ho pole. Pokud ma´ vodicˇ magneticke´ vlastnosti, mu˚zˇe smeˇr a intenzita

5Zdroj: http://notebook.cz/clanky/technologie/2007/HDD-technologie KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 148 magneticke´ho pole ovlivnit jeho el. odpor, ktery´je meˇrˇitelny´(resp. velikost proudu prote´kajıćı´ho hlavou). TakeÁMR (Anisotropic MR). Jestlizˇe je orientace magneticke´ho pole na povrchu soubeˇzˇna´se smeˇrem toku elektronu˚v hlaveˇ, je vysˇsˇı´ pravdeˇpodobnost kolize elektronu˚s atomy vodicˇe a roste elektrickyódpor magnetorezistentnı´ho materia´lu, ale pokud se magneticke´pole natocˇıó 90°, odpor se naopak snı´zˇı´.

Obra´zek 8.6: Magnetorezistentnı´hlavy6

Obrˇı´magnetorezistence – Giant Magnetoresistive (GMR) byla objevena roku 1997. Podobnost s prˇedchozı´ metodou je pouze v na´zvu; inspirace byla spı´sˇe na poli kvantove´teorie, je to jedna z prvnıćh aplikacı´spinove´ elektroniky. Metoda pracuje s orientacı´spinu elektronu. Spocˇı´va´v ovlivneˇnıélektricke´ho odporu materia´lu interakcı´ spinu elektronu s magnetizacı´. Vy´hodou je podstatneˇmensˇıćhybovost.

Dalsˇı´informace: • http://www.root.cz/clanky/soucasnost-a-budoucnost-pevnych-disku/ • http://www.tretipol.cz/800-spintronika-a%C2%A0magneticke-pameti-ram • http://www.wdc.com/en/library/other/2579-850121.pdf

8.2.6 Technologie

AHCI (Advanced Host Controller Interface) je rozhranı´pro komunikaci s SATA rˇadicˇem, a to neza´visle´ na hardwaru (tj. lze takto komunikovat s rˇadicˇem disku˚ru˚znyćh vy´robcu˚podporujıćıćh AHCI). Aby bylo mozˇneÁHCI pouzˇı´vat, musı´by´t podporovań: • koncovy´m pameˇt’ovy´m zarˇı´zenı´m (veˇtsˇinou pevny´m diskem), • cˇipsetem (resp. za´kladnı´deskou), • operacˇnı´m syste´mem, prˇı´padneˇi dalsˇı´m softwarem podle potrˇeby. K cˇemu mu˚zˇe by´t zapnutıÁHCI dobre´: • podpora NCQ (viz da´le), • podpora Hot Plug (mozˇnost prˇipojovat a odpojovat SATA zarˇı´zenı´za beˇhu),

6Zdroj: http://www.root.cz/clanky/soucasnost-a-budoucnost-pevnych-disku/ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 149

• eSATA (souvisıí s prˇedchozı´mozˇnostı´), • podpora SATA II (rychlost azˇ3 Gb/s), • vylepsˇena´spra´va napa´jenı´, mozˇnost slucˇovańı´prˇı´kazu˚do shluku˚a tı´m snizˇovańı´rezˇie vykona´vańı´ prˇı´kazu˚, atd. Tato specifikace byla vytvorˇena firmou Intel a v soucˇasne´dobeˇje podporovańa ve vsˇech nejnoveˇjsˇıćh verzıćh beˇzˇnyćh operacˇnıćh syste´mu˚. AHCI podporujı´vsˇechna noveˇjsˇı´ja´dra Linuxu od 2.6.19, FreeBSD a take´komercˇnıćh unixovyćh syste´mu˚. V prˇı´padeˇWindows je situace znacˇneˇslozˇiteˇjsˇı´, podpora je vestaveˇna azˇod Windows Vista a Server 2008, v prˇı´padeˇVisty je mozˇne´, zˇe AHCI mo´d bude po instalaci vypnuty´. U starsˇıćh verzı´(vcˇetneˇWindows XP) je potrˇeba prˇed jejich instalacı´v BIOSu nastavit tzv. Legacy rezˇim mı´sto plne´ho AHCI/SATA (take´se nazy´va´ Emulated IDE), cozˇvsˇak samo o sobeˇnebude stacˇit. R Pokud chceme AHCI (take´SATA a dalsˇıńoveˇjsˇı´technologie) opravdu pouzˇı´vat i ve Windows XP,musı´me beˇhem instalace syste´mu dodat ovladacˇ. Tedy je trˇeba prˇedem najı´t na strańce vy´robce pocˇı´tacˇe, notebooku apod. (jde veˇtsˇinou o jizˇnı´most cˇipsetu) prˇı´slusˇnyóvladacˇ(hledejte s rˇeteˇzcem AHCI), ulozˇit na disketu (!!!) a tuto disketu pouzˇı´t beˇhem instalace Windows XP (beˇhem instalace se objevıúpozorneˇnı´, zˇe pokud chceme prˇidat jesˇteˇdalsˇıóvladacˇe, ma´me stisknout F6 , tudı´zˇvlozˇı´me disketu a stiskneme F6 ). Proble´m nasta´va´tehdy, kdyzˇpocˇı´tacˇ(hlavneˇnotebook) nema´disketovou mechaniku. Rˇ esˇenıńajdeme obvykle v diskusıćh na webu, spocˇı´va´v instalovańı´v Legacy mo´du (emulace IDE) a instalaci ovladacˇu˚ AHCI/SADA azˇpo instalaci. Prˇesun do AHCI mo´du se nemusı´pove´st. V tom prˇı´padeˇale stacˇı´v BIOSu prˇepnout zpeˇt na emulaci IDE a syste´m by meˇl fungovat.

Dalsˇı´informace: • http://forum.notebookreview.com/windows-os-software/217456-how-enable-ahci-after-xp-installation-guide.html • http://forum.notebookreview.com/acer/186471-enabling-sata-mode-ahci-after-xp-install-applicable-most -laptops-systems.html • http://answers.microsoft.com/en-us/windows/forum/windows xp-system/xp-pro-sp3-recovery-console-ahci /03e8995d-ab19-4972-9d2e-ea75ef799aca

R Pokud instalujeme Windows Vista/7 na disk SATA, ktery´ma´v BIOSu nastaven rezˇim emulace IDE (naprˇı´klad tehdy, kdyzˇchceme mı´t na disku za´rovenˇXP i noveˇjsˇı´syste´m), tak je ovladacˇAHCI automaticky zaka´za´n. Kdyzˇpak v BIOSu chceme prˇehodit rezˇim na AHCI nebo jiny´, je nutne´postupovat takto: • Rucˇneˇpovolı´me ovladacˇAHCI: v registru (spustı´me prˇı´kazem regedit) najdeme veˇtev prˇı´slusˇne´ho ovladacˇe HKEY_LOCAL_Machine_\System\CurrentControlSet\services\msahci a tam najdeme za´znam Start. Je nastaven na hodnotu 3, cozˇ znamena´ „zaka´za´no“. Poklepeme, nastavı´me na 0 (tj. „povoleno“). Zavrˇeme regedit. • Restartujeme pocˇı´tacˇa prˇejdeme do BIOSu. V BIOSu prˇepneme rezˇim z emulace IDE na AHCI. • Zavedeme operacˇnı´syste´m. Ted’ uzˇby meˇl vyuzˇı´vat AHCI. KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 150

Zatı´mco v rezˇimu emulace IDE je pouzˇı´va´n ovladacˇ pciide.sys, v rezˇimu AHCI je pouzˇı´va´n ovladacˇ msahci.sys.

Pozna´mka: Pokud pouzˇı´va´me mı´sto klasicke´ho pevne´ho disku SSD (at’uzˇprˇes jake´koliv datove´rozhranı´– SATA, M.2, PCIe), veˇtsˇinou se pro komunikaci vyuzˇı´va´take´komunikacˇnı´rozhranıÁHCI. U´ zky´m hrdlem (tedy tı´m, co zpomaluje) by´va´SATA (je pomalejsˇıńezˇM.2 nebo PCIe), ale bohuzˇel takeÁHCI. Proto se u datovyćh rozhranı´M.2 a PCIe pomalu zacˇıńa´prosazovat jeho na´stupce, ktery´jizˇ„pocˇı´ta´“ s neˇcˇı´m tak rychly´m jako SSD – NVMe.

Prokla´dańı´ (interleave factor): disk se otaćˇı´velmi rychle, proto pokud data na´sledujı´fyzicky hned za sebou, dostane se k na´sledujıćı´m azˇpo dalsˇıótocˇce. To by prˇi zvysˇovańı´hotnoty RPM (otaćˇek za minutu) fakticky znamenalo zpomalenı´mı´sto zrychlenı´.

Obra´zek 8.7: Prokla´da´nı´1:1, 1:3, 1:67

Prˇi vyuzˇitı´prokla´dańı´data nejsou zapisovańa do sektoru˚prˇı´mo za sebou, ale do kazˇde´ho n-te´ho sektoru – potom je faktor prokla´dańı´1:n.

NCQ (Native Command Queuing) je prˇirozene´ rˇazenı´ prˇı´kazu˚ke cˇtenı´/za´pisu dat. Jedna´se o vylepsˇenı´technologie prokla´dańı´, kdy jsou prˇı´kazy k praći s jednotlivy´mi oblastmi na disku serˇazeny tak, aby le´pe odpovı´daly skutecˇne´dra´ze hlav nad diskem a je mozˇne´prove´st i vıće prˇı´kazu˚beˇhem jedine´ otocˇky disku. Fronta ma´de´lku max. 32 polozˇek.

Prekompenzace za´pisu (Write Precompensation) pocˇı´ta´ s tı´m, zˇe prˇi velmi huste´m za´pisu se jednotlive´dipo´ly (zmagnetizovana´mı´sta, miniaturnı´magneticke´cˇa´stice) mohou vza´- Obra´zek 8.8: Disk bez NCQ a s NCQ8 jemneˇovlivnˇovat, protozˇe jsou moc blı´zko sebe. Prˇi prekom- penzaci se tedy dipo´ly za´meˇrneˇumı´stı´posunuteˇ(sˇikmo) a pocˇı´ta´se se vza´jemny´m ovlivneˇnı´m dipo´lu˚, ktere´ se tak samy posunou do spra´vne´pozice.

7Zdroj: http://www.ﬁ.muni.cz/usr/pelikan/ARCHIT/TEXTY/GEOMHD.HTML 8Zdroj: http://expertester.wordpress.com/2008/07/19/how-to-enable-ahci-without-reformating/ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 151

Prekompenzace se prova´dı´jen na stopa´ch (cylindrech) blı´zˇe ose disku, stopa, od ktere´se ma´zacˇı´t, je nastavena v BIOSu. Najdeme ji obvykle pod zkratkou CPZ.

Zone Bit Recording (ZBR) rˇesˇı´proble´m ru˚zne´de´lky sektoru˚na stopaćh ru˚zneˇvzda´lenyćh od osy disku. Prˇi ZBR je disk rozdeˇlen do zoń podle vzda´lenosti cylindru˚od strˇedu disku. V zońaćh blı´zˇe strˇedu je meńeˇ sektoru˚, v zońaćh blı´zˇe okraji disku je vıće sektoru˚.

R Teplotnı´kalibrace (Thermal Calibration, TCAL) je technologie prˇizpu˚sobenıćˇinnosti disku momenta´lnı´mu ohrˇevu disku. Prˇi velke´hustoteˇstop je nutne´zachovat prˇesnost vystavenı´hlavy nad stopu, cozˇ je pra´veˇprˇi ohrˇı´vańı´disku proble´m. Proto je pravidelneˇkontrolovańa prˇesnost polohy hlavy nad stopou a korigujı´se prˇı´padneódchylky zpu˚sobene´zvy´sˇenı´m provoznı´teploty. TCAL se prova´dıńejen u pevnyćh disku˚, ale takeńaprˇı´klad u optickyćh me´diı´. U starsˇıćh disku˚se beˇhem kalibrace na chvı´li prˇerusˇıćˇtenı´/za´pis, cozˇmu˚zˇe znamenat selhańı´za´pisu naprˇı´klad na CD. Noveˇjsˇı´mechaniky (obecneˇ, nejen u optickyćh me´diı´) jizˇzvla´dajı´kalibraci za beˇhu.

R IntelliSeek (inteligentnı´vystavovańı´hlav) znamena´, zˇe pohyb ramene hlavy je rˇı´zen tak, aby se hlava dostala na na´sledujıćı´ cı´lovy´ sektor pra´veˇ ve chvı´li, kdy ma´ cˇı´st dalsˇı´ informaci, mı´sto toho, aby se co nejrychleji prˇesunula na stopu a pak cˇekala na natocˇenı´ke spra´vne´mu sektoru. Jde vpodstateˇo vylepsˇenı´ vlastnosti NCQ a du˚sledkem je prˇedevsˇı´m snı´zˇenı´spotrˇeby (kdyzˇse rameno hlavy pohybuje uzˇbeˇhem vyhleda´vańı´stopy, nemusı´se pohybovat tak rychle).

R AFC (Antiferomagnetically Coupled) je vylepsˇenı´technologie kolme´ho za´pisu. Na povrchu disku jsou trˇi vrstvy, z nichzˇdveˇjsou feromagneticke´, vrstva mezi nimi je z ruthenia. Tato prostrˇednı´vrstva zpu˚sobuje vza´jemneóvlivnˇovańı´krajnıćh magnetickyćh vrstev v opacˇne´m smeˇru magnetizace, tı´m je umozˇneˇn za´pis „do hloubky“ ⇒ vysˇsˇı´hustota za´znamu.

R Stable Trac znamena´upevneˇnı´hrˇı´dele motoru na obou koncı´ch, cozˇsnizˇuje vibrace a zvysˇuje stabilitu.

U speciﬁkacı´disku˚se setka´me i s dalsˇı´mi technologiemi, nama´tkou SilentSeek pro co nejveˇtsˇı´ztisˇenı´ pohybu hlavicˇek nad povrchy, a dalsˇı´ch.

8.2.7 R Nejveˇtsˇı´a nejmensˇı´

RAMAC 305 byl v r. 1956 vyroben ﬁrmou IBM, va´zˇil asi 1 tunu a meˇl kapacitu 5 MB. Sˇlo o skrˇı´nˇs 50 disky pru˚meˇru automobilove´ho kola. Magneticka´za´znamova´vrstva byla tvorˇena oxidem zˇeleza rozpra´sˇeny´m v plastu, vy´sledna´barva byla stejna´jako u Golden Gate. Jeho rychlost byla pomeˇrneˇvysoka´– 1200 RPM.

Prvnı´Winchester byl vyroben firmou IBM jako model IBM 3340 v roce 1970 pro pocˇı´tacˇSystem 370. Skla´dal se ze dvou cˇa´stı´– pevny´disk bez mozˇnosti vy´meˇny (30 MB) a na stejneóse vy´meˇnny´pevny´ disk (take´ 30 MB). Vy´sledna´ kapacita se proto zapisovala dveˇma u´daji, 30-30 (tento za´pis je podobny´ Winchestrovce kalibru 30 oznacˇovane´30-30, od te´doby se pevne´disky oznacˇujıńa´zvem Winchester).

10Zdroj: http://www.pcworld.com/article/127105/timeline 50 years of hard drives.html KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 152

IBM Microdrive je pro zmeˇnu miniaturnı´produkt ﬁrmy IBM z roku 1998. Jeho rozmeˇry jsou pouze 1, 4 × 1, 7 × 0, 2 palce, kapacita azˇ340 MB prˇi pouzˇitı´ obou povrchu˚disku.

8.2.8 Sledova´nı´pevny´ch disku˚

U disku˚se hovorˇıó vlastnosti Strˇednı´doba mezi chybami (MTBF – Mean Time Between Failures). Jedna´se o statistickyú´daj, kteryńaznacˇuje, jak je to se spolehlivostı´dane´ho disku. Obra´zek 8.9: IBM Micro- drive10 Pozna´mka: K posˇkozenı´pevne´ho disku mu˚zˇe dojı´t ru˚zny´mi zpu˚soby,naprˇı´klad opotrˇebenı´, na´raz hlavy na povrch disku, cˇaste´vy´kyvy teplot, zadrˇena´lozˇiska, nefunkcˇnı´motorky, posˇkozenaélektronika, atd., narusˇenaíntegrita. Neˇktere´typy posˇkozenı´se dajıópravit (narusˇenaíntegrita, drobne´posˇkozenı´povrchu, jehozˇdu˚sledkem je posˇkozenı´dat na tomto mı´steˇzapsanyćh), jineńe, ale obvykle by´va´mozˇneálesponˇzachrańit data (ne vzˇdy).

Uzˇivatele´se nejcˇasteˇji setka´vajı´s vadny´mi sektory. Ty se veˇtsˇinou projevı´spı´sˇe prˇi cˇtenı´, bohuzˇel se sta´va´, zˇe za´pis se bez chybovyćh hla´sˇenı´provede do vadne´ho sektoru. Obcˇas je trˇeba zkontrolovat disk vhodny´m programem (scandisk, chkdsk a spol., prˇı´padneˇMHDD11 a dalsˇı´specializovane´programy, nejle´pe neza´visleńa operacˇnı´m syste´mu). Nalezeny´vadny´sektor je „prˇe- mosteˇn“ – program se pokusı´z neˇj zachrańit data a pote´jej oznacˇı´jako vadny´(aby jizˇnemohl by´t pouzˇı´vań). Prˇemost’ovańı´vadnyćh sektoru˚je sice uzˇitecˇne´, ale kdyzˇje hla´sˇeno mnoho chyb, pak je lepsˇıúvazˇovat o nove´m disku, i kdyzˇstarsˇı´jesˇteˇfunguje.

S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) je mechanismus pro monitorovańı´, analyzovańıá hla´sˇenıćhyb pevne´ho disku neza´visle na operacˇnı´m syste´mu. Tento mechanismus je integro- vań v noveˇjsˇıćh discıćh (asi tak od druhe´poloviny 90. let). Ru˚zne´disky poskytujı´ru˚zny´pocˇet informacı´(cˇı´m noveˇjsˇı´disk, tı´m vıće informacı´). Rˇ adicˇdisku neusta´le sleduje stanovene´hodnoty (pocˇet chybnyćh cˇtenı´, pocˇet chyb prˇi za´pisu, zmeˇny rychlosti roztocˇenı´disku, pocˇet prˇemapovanyćh sektoru˚, pocˇet „odpracovanyćh“ hodin, teplota disku, atd.) a zapisuje je na stanovene´ mı´sto, odkud si tyto hodnoty doka´zˇe vyta´hnout specializovany´program a prˇı´padneˇ„vyvolat poplach“. Neˇktereóbvykle´parametry (je jich mnohem vıće): • Raw_Read_Error_Rate – pocˇet chyb prˇi cˇtenı´, • Spin_Up_Time – doba, po kterou trva´roztocˇenı´ploten do potrˇebne´rychlosti, pokud nenıÓK, znamena´ to obvykle posˇkozeny´motorek, • Reallocated_Sector_Count – prˇi nalezenı´posˇkozene´ho sektoru se provede jeho prˇemapovańı´, na- hrazenı´rezervnı´m sektorem; tato hodnota ukazuje mnozˇstvı´takovyćhto prˇemapovańı´, kdyzˇroste, disk brzy doslouzˇı´(tj. sledujeme cˇetnost zmeˇn),

11MHDD se da´sta´hnout naprˇı´klad na http://www.softpedia.com/get/System/Hard-Disk-Utils/MHDD.shtml. KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 153

• Seek_Error_Rate – pocˇet chybnyćh vystavenı´hlavicˇek, naru˚stajıćıćhyby znamenajı´, zˇe mechanismus posunu hlavicˇek nenıú´plneˇvporˇa´dku, • Spin_Retry_Count – pocˇet nepovedenyćh startu˚motorku pro roztocˇenı´ploten, prˇi chybaćh bychom meˇli za´lohovat a porˇı´dit novy´disk, • Temperature_Celsius – teplota disku, je to spı´sˇe informacˇnıú´daj (obvykle by nemeˇla prˇekrocˇit cca 60 °C). Kromeˇkonkre´tnı´hodnoty (raw value) zı´ska´me odpovı´dajıćı´„index rizika“ – value, cozˇje hodnota v rozmezı´ 0–100 (cˇı´slo 0 obvykle znamena´maxima´lnı´riziko, 100 je OK), a k tomu take´hodnotu thresh (takte´zˇ0–100) prˇedstavujıćı´hranici mezi rizikem a dobry´m stavem. Tedy cˇı´m nizˇsˇı´hodnota value, tı´m hu˚rˇe! V prˇı´slusˇnyćh na´strojıćh lze obvykle zı´skat vsˇechny tyto hodnoty v tabulce, jejı´zˇrˇa´dek mu˚zˇe vypadat naprˇı´klad takto:

ID# Attribute Flag Value Worst Thresh ... 3 Spin_Up_Time 0x0007 079 079 011 ... 7 Seek_Error_Rate 0x000f 061 058 051 ... 194 Temperature_Celsius 0x0022 074 067 000 ...

... Type Updated When_failed Raw_Value ... Pre-fail Always - 6260 ... Pre-fail Always - 7863642 ... Old_age Always - 28 (Lifetime)

Tabulka 8.2: Uka´zka tabulky s parametry S.M.A.R.T., vybrane´trˇi rˇa´dky

V tabulce 8.2 vidı´me, zˇe testovany´disk ma´zatı´m dobrou dobu roztocˇenı´ploten, ale pocˇet chybnyćh vystavenı´hlavicˇek nebezpecˇneˇnaru˚staá blı´zˇı´se (shora) k hodnoteˇthresh, teplota je ucha´zejıćı´. K nastavenı´ S.M.A.R.T. se cˇa´stecˇneˇ dostaneme v BIOSu, ale jde pouze o za´kladnı´ nastavenı´ (prˇede- vsˇı´m povolenı´samotne´ho mechanismu). Abychom mohli s tı´mto mechanismem le´pe pracovat, potrˇebujeme k tomu specializovanou aplikaci: • ve Windows: HDDScan, CrystalDiskInfo, SpeedFan, HDD Health, SiS Sandra, atd., vy´robci disku˚take´ cˇasto poskytujı´vlastnıńa´stroje • v Linuxu: balıćˇek smartmontools, k nalezenı´ve vsˇech repozita´rˇıćh, obvykle je jizˇnainstalovań Na´stroje pro u´drzˇbu a sledovańı´disku˚cˇasto najdeme i u jejich vy´robcu˚(stacˇı´hledat na strańkaćh vy´robcu˚, naprˇı´klad pro Seagate, Samsung, Western Digital, Hitachi). V teˇchto prˇı´padech samozrˇejmeˇ pouzˇı´va´me dotycˇnyńa´stroj pouze u disku od dane´ho vy´robce. Existuje urcˇita´mozˇnost, zˇe S.M.A.R.T. nefunguje, i kdyzˇby teoreticky meˇl, pak bychom meˇli v BIOSu zkontrolovat, jestli na´hodou nenı´zaka´zań.

Dalsˇı´informace: Podrobneˇji o S.M.A.R.T. na http://www.svethardware.cz/art doc-550EF2B6631B2E21C1256F60006766C8.html.

KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 154

C U´ kol Vyberte si neˇktery´z programu˚pro cˇtenı´S.M.A.R.T. u´daju˚(naprˇı´klad pro Windows existujı´volneˇsˇirˇitelne´ na´stroje HDDHealth, HDDScan, CrystalDiskInfo) – neˇktere´z nich jsme videˇli na prˇedna´sˇce. Vyzkousˇejte, zjisteˇte s jejich pomocı´tyto u´daje: • rozhranı´disku, podporovane´technologie, teplotu disku • pocˇet zapnutı´(pokud jej doka´zˇe vybranyńa´stroj zjistit) • S.M.A.R.T. hodnoty pro pocˇet chyb cˇtenı´, pocˇet prˇemapovanyćh sektoru˚, pocˇet opakovanyćh pokusu˚ o roztocˇenı´disku, pocˇet chyb prˇi za´pisu sektoru˚ C

8.2.9 Vybı´ra´me pevny´disk

Du˚lezˇite´vlastnosti pevnyćh disku˚: • rozmeˇry, podpora noveˇjsˇıćh technologiı´, • doba vystavenı´ (seek time, track-to-track seek) – cˇas nutny´k vystavenı´hlavy, tj. k jejı´mu prˇesunutıńa zˇa´dane´mı´sto s daty, urcˇena jako jedna trˇetina cˇasu potrˇebne´ho pro pohyb prˇes cely´polomeˇr disku, obvykle neˇkolik ms. Vy´robci se dobu vystavenı´snazˇıćo nejvıć minimalizovat, proto za´pis dat obvykle probı´ha´po cylindrech (s vyuzˇitı´m vhodne´ho rˇeteˇzenıínstrukcı´) • doba cˇekańı´ (rotary latency period) – kdyzˇse hlava dostane nad spra´vnou stopu, musı´pocˇkat, azˇbude nad spra´vny´m sektorem, urcˇuje se veˇtsˇinou jako doba poloviny otaćˇky disku • prˇı´stupova´ doba (access time) – rychlost vyhleda´vańı´ dat na disku (doba vystavenı´ + doba cˇekańı´), obvykle kolem 10 ms • rychlost otaćˇenı´disku (RPM) – dnes beˇzˇneˇ4200, 5400, 7200 otaćˇek/min, od 10 000 otaćˇek/min je nutne´ disk chladit prˇı´davny´m chladicˇem a stroj s tı´mto diskem by meˇl by´t za chodu stabilneˇusazen (tyto disky jsou veˇtsˇinou urcˇeny pro servery nebo pro velmi vy´konne´pracovnı´stanice). Disk mı´vaóbvykle jednu azˇcˇtyrˇi plotny, a odpovı´dajıćı´pocˇet hlavicˇek (pro kazˇdy´zapisovatelny´povrch jednu). Tyto u´daje se ne vzˇdy prˇi koupi dovı´me, zvla´sˇteˇu znacˇky Western Digital je proble´m se jich dopa´trat. Cˇasto se k podobny´m u´daju˚m dostaneme na strańkaćh vy´robce v souborech s technicky´mi specifikacemi disku˚. U Western Digital se setka´me s pojmem IntelliPower, ktery´by´va´mylneˇinterpretovań jako mozˇnost rˇı´dit otaćˇky disku podle vyzˇadovane´spotrˇeby, ale ve skutecˇnosti jsou tyto otaćˇky nastaveny jizˇz vy´roby a nelze je modifikovat. Platı´, zˇe cˇı´m meńeˇje ploten, tı´m je disk tisˇsˇıá tı´m meńeˇtepla produkuje. To bychom meˇli zva´zˇit zvla´sˇteˇ tehdy, kdyzˇpotrˇebujeme co nejtizˇsˇı´pocˇı´tacˇ(naprˇı´klad HTPC).

Pozna´mka: V soucˇasne´dobeˇse mu˚zˇeme beˇzˇneˇsetkat s hybridnı´mi disky (obvykle se oznacˇujı´SSHD), ktere´v jednom pouzdrˇe kombinujı´ klasicky´ pevny´ disk s plotnami a da´le flash cˇip. Jedna´ se o dobrou koupi, protozˇe KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 155 vy´konnostı´, spotrˇebou i dalsˇı´mi vlastnostmi (i cenou) jsou tyto komponenty neˇkde mezi klasicky´mi pevny´mi disky a SSD (budeme probı´rat v cˇa´sti te´to kapitoly o flash pameˇtech), tj. vysˇsˇı´propustnost vcˇetneˇrychlostı´ cˇtenıá za´pisu, dobra´zˇivotnost, vysoka´kapacita, apod.

R U neˇkteryćh typu˚disku˚(konkre´tneˇSeagate Barracuda LP s kapacitou 1.5 TB) se setka´va´me se zajı´mavy´m zpu˚sobem zvy´sˇenı´prˇı´stupovyćh dob. Tento disk by si kapacitneˇvystacˇil se trˇemi plotnami po 500 GB, ale ve skutecˇnosti maćˇtyrˇi plotny, ktere´se vyuzˇı´vajı´pouze ze trˇıćˇtvrtin. Vyuzˇı´va´se tady faktu, zˇe prˇı´stupove´ doby k cylindru˚m blı´zko strˇedu disku jsou vy´razneˇvysˇsˇıńezˇk ostatnı´m, a tedy „pomale´“ cylindry se prosteˇ nepouzˇı´vajı´. Toto vylepsˇenı´je pouze u zmıńeˇne´kapacity, disky o kapaciteˇ1 TB a 2 TB jizˇvyuzˇı´vajı´sve´plotny plneˇ.

Dalsˇıínformace: • http://www.tomshardware.com/reviews/msata-ssd-flash,2948-3.html • http://www.svethardware.cz/art doc-D35E78C6C3B894FFC125727F005BE243.html • http://assembler.cz/carch/rok2004-2005/lekce14.pdf • http://pctuning.tyden.cz/hardware/disky-cd-dvd-br/18863-definitivni-pruvodce-optimalizaci-diskoveho-prostoru • http://www.fccps.cz/download/adv/frr/hdd/hdd.html

C U´ koly

1. Zjisteˇte informace o disku Samsung SpinPoint F3. Zajı´mańa´s datove´rozhranı´, kapacita (je mozˇne´, zˇe je dostupny´ve vıće ru˚znyćh kapacitaćh), otaćˇky, vyrovna´vacı´pameˇt’(buffer nebo cache), rozmeˇry ploten (v palcıćh), zda je internıćˇi externı´, prˇı´padneˇdalsˇı´– zda podporuje technologii NCQ, jaka´je pru˚meˇrna´ vyhleda´vacı´doba, kolik ma´ploten a hlavicˇek, hlucˇnost, spotrˇeba, apod. 2. Podobneú´daje zjisteˇte o disku Hitachi Travelstar 7K500. 3. K neˇktere´mu z disku˚z prˇedchozıćh u´kolu˚se pokuste najı´t neˇjakou recenzi cˇi srovna´vacı´test. 4. Vyberte si jaky´koliv veˇtsˇıínternetovyóbchod s pocˇı´tacˇovy´mi komponentami a vyhledejte jaky´koliv pevny´disk splnˇujıćı´tyto parametry: • internı´3,5 palce, rozhranı´SATA II (Serial ATA II), • kapacita alesponˇ500 GB, • rychlost otaćˇenı´ploten 7200 rpm, • nejmeńeˇ16 MB cache, • podpora NCQ. Prostudujte parametry vybrane´ho disku a poohle´dneˇte se na webu po recenzıćh cˇi srovna´vacıćh testech tohoto disku. C KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 156

8.3 RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks) znamena´vyuzˇitı´pole disku˚(tj. vıće nezˇjeden disk). Jde tedy o rozdeˇlenı´dat na vıće disku˚. U´ cˇelem je zvy´sˇenı´zabezpecˇenı´dat (proti ztra´teˇ) a prˇı´padneˇrychlosti (zejmeńa cˇtenı´). Rozlisˇujeme neˇkolik typu˚RAID podle zpu˚sobu vyuzˇı´vańı´jednotlivyćh disku˚. Mezi teˇmito typy jsou rozdı´ly take´v minima´lnı´m pocˇtu vyzˇadovanyćh disku˚.

8.3.1 Typy RAID

RAID 0 je rozdeˇlenı´dat mezi dva nebo vıće disku˚, kazˇdaínformace je ulozˇena jen na jednom mı´steˇ. Rozlisˇujeme dva typy: • zrˇeteˇzenı´ (nepouzˇı´va´se) – po zaplneˇnı´prvnı´ho disku se pouzˇije druhy´, po jeho zaplneˇnı´trˇetı´, atd., zrˇeteˇzujeme disky a stı´ra´me fyzicke´hranice mezi nimi, • prokla´dańı´ (stripping) – data se prˇi za´pisu rozdeˇlıá jednotlivećˇa´sti jsou ulozˇeny na ru˚zne´disky (mu˚zˇe se rozdeˇlit i jeden soubor na vıće disku˚), dovoluje paralelnı´praći vıće procesu˚(vla´ken) s tı´mte´zˇsouborem (na cˇa´stech ulozˇenyćh na ru˚znyćh fyz. discıćh). Vy´hodou je, zˇe ma´me sice dva mensˇı´disky, ale logicky jeden velky´, da´le rychlost paralelnı´praće se souborem by´va´vysˇsˇı´(u druhe´ho typu). Nevy´hodou RAID 0 je absence odolnosti proti chyba´m, data nejsou redundantnı´, prˇi porusˇe vzˇdy cˇa´st (ale cˇasto vsˇe) ztratı´me. Take´mu˚zˇe nastat proble´m s prˇı´padnou obnovou posˇkozenyćh dat.

JBOD (Just a Bunch of Disks) se podoba´RAID 0 v podobeˇzrˇeteˇzenı´. Pokud ma´me vı´ce disku˚zapojeny´ch do JBOD, nejdrˇı´v se zaplnˇuje prvnı´, kdyzˇje zaplneˇn, prˇijde na rˇadu druhy´, atd.

RAID 1 je implementace zrcadlenı´ (mirroring). Zapisovana´data se zaznamena´vajıńa oba disky za´rovenˇ, kazˇdaínformace je ulozˇena na obou (resp. vsˇech) discıćh za´rovenˇ. Oproti prˇedchozı´mu typu je hlavnı´vy´hodou bezpecˇnost – v prˇı´padeˇvy´padku jednoho disku ma´me data za´lohovanańa druhe´m, dalsˇı´vy´hodou je zvy´sˇenı´rychlosti cˇtenı´(cˇte se paralelneˇz obou disku˚). Nevy´hodou je nutnost dvojna´sobne´diskove´kapacity oproti skutecˇne´potrˇebeˇ(prˇedpokla´da´me, zˇe oba disky majı´stejnou kapacitu). Za´pis je pomalejsˇı´, je trˇeba data zapsat na oba disky v RAIDu.

RAID 0 RAID 1 disk A disk B disk A disk B 1 2 1 1 3 4 2 2 5 6 3 3 7 8 4 4 ......

Obra´zek 8.10: RAID 0 a 1 KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 157

Kombinace RAID 0 a 1 je dvoustupnˇovy´RAID, metoda se nazy´va´ stripovańı´ („prouzˇkovańı´“). Rozli- sˇujeme dva typy stripovańı´podle zpu˚sobu kombinace typu 0 a 1: 1. RAID 0+1 (take´RAID 01) – data ukla´da´me prokla´daneˇna dva disky – A, B, oba pak zrcadlı´me na dalsˇı´ dva disky – C, D (tj. 4 disky A, B, C, D, prˇi za´pisu nejdrˇı´v data deˇlı´me a pak zrcadlı´me) 2. RAID 1+0 (take´RAID 10) – prvnıćˇa´st ulozˇı´me za´rovenˇna disky A, B, druhou na disky C, D, trˇetıńa A, B, atd. (tj. taky 4 disky, ale zrcadlenı´prova´dı´me prˇed deˇlenı´m, resp. v ra´mci deˇlenı´)

RAID 01 RAID 10 disk A disk B disk C disk D disk A disk B disk C disk D 1 2 1 2 1 1 2 2 3 4 3 4 3 3 4 4 5 6 5 6 5 5 6 6 7 8 7 8 7 7 8 8 ......

Obra´zek 8.11: RAID 01 a 10

RAID 3 vyuzˇı´va´paritnı´disk. Pouzˇijeme N + 1 stejnyćh disku˚, z nichzˇ N je urcˇeno pro ukla´dańı´dat, na poslednı´(paritnı´) disk je ulozˇen kontrolnı´soucˇet XOR teˇchto dat. Pokud vypadne paritnı´disk, data zu˚stanou netknuta´. Jestlizˇe vypadne neˇktery´z datovyćh disku˚, je mozˇne´jeho obsah zrekonstruovat (podle stejnyćh pozic vsˇech ostatnıćh disku˚vcˇetneˇparitnı´ho). Bezpecˇnost dat je pomeˇrneˇvelka´. „U´ zky´m hrdlem“ je vsˇak paritnı´disk – na neˇj se zapisuje prˇi kazˇde´m za´pisu na ktery´koliv jiny´disk, cˇı´mzˇje za´pis zpomalovań, a navıć se tı´m snizˇuje jeho zˇivotnost. Selhańı´ paritnı´ho disku je statisticky vy´razneˇpravdeˇpodobneˇjsˇıńezˇselhańıóstatnıćh disku˚.

R Varianty RAID 3 jsou RAID 2 a RAID 4: • RAID 2 – oproti RAID 3 se navıć na N disku˚data stripujı´(deˇlı´) mezi jednotlive´disky a da´le mı´sto proste´parity jsou data chrańeˇna Hammingovy´m ko´dem • RAID 4 – oproti RAID 3 se parita na paritnı´disk vytva´rˇı´po blocıćh a prova´dı´se stripovańı´mezi disky

RAID 5 je funkcˇneˇpodobny´RAIDu 4, ale jde o pokus eliminace zvy´sˇene´ho zatı´zˇenı´jednoho paritnı´ho disku. Bloky dat se stripujı´ na ru˚zne´ disky a neˇktery´ z N + 1 disku˚ je pouzˇit jako paritnı´, ale u kazˇde´ (N + 1)tice bloku˚jde o jiny´disk.

RAID 3 RAID 5 disk A disk B disk C disk D disk A disk B disk C disk D 1 2 3 P(1–3) 1 2 3 P(1–3) 4 5 6 P(4–6) 4 5 P(4–6) 6 7 8 9 P(7–9) 7 P(7–9) 8 9 ......

Obra´zek 8.12: RAID 3 a 5 KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 158

8.3.2 Nastavenı´RAID pole

Rˇ adicˇRAID (fyzicky to je cˇip na za´kladnı´desce nebo je integrovań do cˇipsetu) se musıáktivovat v BIOSu. Da´le je pole obsluhovańo bud’ na straneˇoperacˇnı´ho syste´mu (softwaroveˇ) a nebo rˇadicˇem disku. Pokud ma´me za´kladnı´desku s podporou RAID a samozrˇejmeˇvıće fyzickyćh disku˚k nı´prˇipojenyćh (pokud mozˇno se stejny´mi parametry), musı´me nejdrˇı´v aktivovat diskove´pole. Typ RAID za´visıńa za´kladnı´ desce a prˇı´padneˇoperacˇnı´m syste´mu, rozhodneˇnenı´beˇzˇne´, abychom si mohli vybı´rat ktery´koliv z vy´sˇe uvedenyćh. Obvykle je k dispozici neˇkolik z RAID 0, 1, 10, JBOD, 3 a 5. Zacˇneme v BIOS Setup. Aktivace rˇadicˇe RAID se prova´dıóbvykle v cˇa´sti Advanced, polozˇka OnBoard Device Configuration (ovsˇem v kazˇde´m BIOSu mu˚zˇe by´t jinde, za´lezˇı´ na jeho vy´robci, take´ to mu˚zˇe by´t Integrated Peripherals, polozˇka OnBoard SATA/IDE Ctrl Mode). Najdeme polozˇku pro RAID (opeˇt se mu˚zˇe jmenovat ru˚zneˇ, podle vy´robce). Vzˇdy je trˇeba nastavit mo´d podle typu disku˚a prˇı´padneˇtakeńastavit polozˇku Enabled. Da´le je nutneńakonfigurovat samotny´ rˇadicˇRAID (zatı´m jsme ho jenom aktivovali). Jeho konfigurace se prova´dı´ specializovany´m programem, ktery´ jizˇ nenı´ soucˇa´stı´ BIOS Setupu. Do ovla´dacı´ho programu se dostaneme podobneˇjako do BIOS Setupu beˇhem startu pocˇı´tacˇe po provedenı´testu POST stisknutı´m urcˇite´kla´vesove´zkratky. Ta se lisˇı´podle vy´robce, naprˇı´klad Ctrl+I (Intel), Tab (VIA), F10 (nVidia), Ctrl+A (Adaptec), Ctrl+F4 (Silicon), Ctrl+F (Promise), atd. V tomto programu (s podobny´m rozhranı´m jako ma´BIOS Setup) vytvorˇı´me RAID pole (urcˇı´me, ktere´disky do neˇj majı´patrˇit), urcˇı´me jeho typ a potrˇebne´parametry.

Pozna´mka: Vytvorˇenı´diskove´ho pole je nejjednodusˇsˇı´, pokud jsou prˇı´slusˇne´disky pra´zdne´(budou teprve forma´tovańy). Ovla´dacı´programy pro ten prˇı´pad nabı´zejıáutomatizovane´vytvorˇenı´pole. Za urcˇityćh okolnostı´je mozˇne´ vytvorˇit RAID 1 (zrcadlenı´) na jednom disku s daty a druhe´m pra´zdne´m, pak jsou data beˇhem vytvorˇenı´ pole zkopı´rovańa na druhy´disk. I prˇesto je vytvorˇenı´RAIDu z disku s daty poneˇkud riskantnıá u jinyćh typu˚polı´jsou data ztracena.

Dalsˇı´informace: • http://forums.pcper.com/showthread.php?t=444831 (o konﬁguraci RAID vcˇetneˇnastavenı´ve Windows)

8.3.3 R Dynamicke´/virtua´lnı´svazky

Dynamicke´svazky ve Windows umozˇnˇujıńa softwaroveú´rovni pracovat s RAID polem nebo prosteˇ na logickeú´rovni spojit vıće oddı´lu˚jednoho disku. Nastavenı´se prova´dı´v konzole Spra´va pocˇı´tacˇe, polozˇka Spra´va disku˚ 12. Zvolı´me disk, se ktery´m chceme pracovat, vyvola´me kontextove´menu na za´hlavı´tohoto disku

12Vyvola´me kontextove´menu ikony Tento pocˇı´tacˇ, zvolı´me Spravovat, pak Spra´va disku˚. Prˇı´padneˇmu˚zˇeme spustit ze souboru diskmgmt.msc (pozor, je nutneúve´st vcˇetneˇprˇı´pony). KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 159 a zvolı´me Prˇeve´st na dynamicky´disk. Ve spusˇteˇne´m pru˚vodci pak zada´va´me potrˇebneínformace. Postup je uka´zań na obra´zku 8.13 nahorˇe. Dalsˇı´mozˇnostı´pro nastavenı´dynamicke´ho svazku je program diskpart pracujıćıńa Prˇı´kazove´m rˇa´dku. Po spusˇteˇnı´programu pouzˇijeme prˇı´kaz list disk, vybereme cˇı´slo disku, se ktery´m chceme pracovat, pak prˇı´kaz select disk a convert dynamic. S programem diskpart se setka´me v prˇedmeˇtu Operacˇnı´syste´my.

Obra´zek 8.13: Dynamicke´svazky ve Windows

LVM (Logical Volume Manager) v Linuxu je podobnou mozˇnostı´pouzˇı´vanou v operacˇnı´m syste´mu Linux. Pouzˇı´va´se veˇtsˇinou s RAID 0 nebo 1. LVM je spra´vce virtua´lnıćh svazku˚; v jednom virtua´lnı´m svazku by´va´vıće logickyćh jednotek (oddı´lu˚, physical volume). Jedna´se o jake´si rozhranı´mezi disky a procesy,procesy „vidı´“ virtua´lnı´svazky,ne skutecˇne´ oddı´ly. Velikost virtua´lnı´ho svazku je mozˇne´libovolneˇmeˇnit (tj. prˇida´vat dalsˇıóddı´ly). KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 160

Dalsˇı´informace: • Dynamicke´disky a svazky ve Windows: http://technet2.microsoft.com/windowsserver/cs/library /354e5163-f388-4354-984c-ea4e4206694c1029.mspx?mfr=true • U´ vod do LVM v Linuxu: http://www.root.cz/clanky/uvod-do-lvm/ • LVM v Linuxu – prakticke´uka´zky: http://www.root.cz/clanky/lvm-prakticke-ukazky/ • http://en.wikipedia.org/wiki/Logical Volume Manager (Linux)

8.4 NAS

NAS (Network Access Storage) jsou sı´t’ove´disky. Vlastneˇjde o jake´si male´servery, ktere´majı´prˇedevsˇı´m slouzˇit jako u´lozˇisˇteˇdat. Narozdı´l od „obycˇejnyćh“ externıćh disku˚majıóperacˇnı´syste´m a prˇistupuje se k nim pomocı´SFTP (veˇtsˇinou) nebo SHTTP (podporuje jen ma´lo NAS disku˚), konfigurace se prova´dı´prˇes webove´ rozhranı´. Obvykly´m rozhranı´m je Ethernet (RJ-45, veˇtsˇinou alesponˇdva konektory), USB, prˇı´padneˇeSATA nebo jine´. NAS se obvykle zapojujı´prˇes sı´t’ove´rozhranı´k neˇktere´mu sı´t’ove´mu prvku, jako je naprˇı´klad router cˇi switch. V operacˇnı´m syste´mu na zarˇı´zenıŃAS (cˇasto jde o Linux a souborovy´syste´m ext3fs) jsou nainstalovańy ru˚zne´(softwarove´) servery. Nutnostı´je souborovy´server s podporou protokolu SMB, ale mohou by´t i dalsˇı´. Dokonce existujıŃAS s tiskovy´m rozhranı´m s nainstalovany´m print serverem, tedy mu˚zˇeme k nim prˇipojit sı´t’ovoutiska´rnu (ne vzˇdy to funguje). NAS veˇtsˇinou prˇi koupi neobsahuje pevne´disky (ale mu˚zˇe), tedy dokupujeme jeden nebo vıće pevnyćh disku˚podle vlastnıćh potrˇeb. Vıće disku˚v NAS mu˚zˇe spolupracovat v RAID, cˇasto je pouzˇı´vańo zrcadlenı´. NAS by´vajı´(naprˇı´klad v internetovyćh obchodech) rˇazeny bud’ do kategorie pevnyćh disku˚nebo do kategorie sı´t’ovyćh zarˇı´zenı´. Podle cˇeho vybı´ra´me: • vneˇjsˇı´sı´t’ove´rozhranı´ – ethernet RJ-45 (zde take´za´lezˇıńa rychlosti, i pro domaćnost se hodı´1Gb porty, oznacˇuje se take´jako LAN nebo GLAN), • prˇı´padna´vneˇjsˇı´sı´t’ova´ bezdra´tova´rozhranı´ – Wi-fi podle neˇktere´ho vhodne´ho standardu, ale i dalsˇı´, naprˇı´klad pro spolupraći se spotrˇebnıélektronikou (jako je DLNA), • vneˇjsˇı´loka´lnı´rozhranı´ pro prˇipojenıéxternıćh disku˚cˇi jinyćh pameˇtı´, a take´tiska´ren, pokud NAS ma´ fungovat jako tiskovy´server (USB konkre´tnı´verze, eSATA, apod.), • vnitrˇnı´rozhranı´ pro prˇipojenıínternıćh disku˚– obvykle SATA konkre´tnı´verze, • dalsˇı´komponenty – vnitrˇnı´pameˇt’,procesor, atd., • forma´t internıćh disku˚ – 3.5 palce nebo 2.5 palce, veˇtsˇı´disky majı´veˇtsˇı´kapacitu a rychlost, mensˇı´disky jsou tisˇsˇıá majı´mensˇı´spotrˇebu, • jsou/nejsou internı´disky v ceneˇ – cˇasto je trˇeba disky koupit zvla´sˇt’, • podporovane´ funkce – kromeˇfunkce souborove´ho (file) serveru mu˚zˇe by´t podporovańa funkce FTP server, databa´zovy´(DB) server, tiskovy´(print) server, web server, obvykla´je podpora RAID, take´lze neˇkdy pouzˇı´t pro napojenı´bezpecˇnostnı´ho syste´mu (IP kamer), KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 161

• podporovane´ prˇenosove´techniky – obvykle FTP a HTTP, da´le je velmi vhodna´podpora sˇifrovańıá za- bezpecˇene´ho prˇenosu, • operacˇnı´syste´m, mozˇnosti konfigurace, vybavenost a prˇehlednost konfiguracˇnı´ho rozhranı´. Ceny NAS zacˇıńajıńeˇkde mezi 1 a 2 tisıći, nejdrazˇsˇı´stojıńeˇkolik desı´tek tisıć korun.

Dalsˇıínformace: Zajı´mavyćˇlańek o NAS najdeme naprˇı´klad na http://www.svethardware.cz/art doc-38BF655343D6BDB5C125734B002D5401.html.

C U´ kol Najdeˇte informace o teˇchto zarˇı´zenıćh: • D-Link DNS-313 • QNAP TS-559 Pro Porovnejte je podle vy´sˇe jmenovanyćh parametru˚(pokud sezˇenete potrˇebneínformace). C

8.5 Magnetoopticke´disky

U magnetickoopticke´ho disku (MO) se kombinuje vyuzˇitı´magnetismu a laseru. Informace jsou zaznamenańy formou magnetizace, ale za´pis a cˇtenı´dat jsou prova´deˇny laserovy´m paprskem. Za´kladem je pru˚hledny´ polykarbona´t, na neˇm jsou naneseny ostatnı´vrstvy.V polykarbona´tove´vrstveˇjsou dra´zˇky slouzˇıćı´k nava´deˇnı´ hlavy. Cˇtenıá za´pis probı´hajıńa´sledovneˇ: • prˇi za´pisu laser slouzˇı´ ke zvy´sˇenı´ teploty nad tzv. Courieru˚v bod, prˇi te´to teploteˇse z feromagneticke´ho povrchu sta´va´paramagnetickyá pro za´pis jizˇnenı´trˇeba tak silne´magneticke´pole, • prˇi cˇtenı´ se vyuzˇı´va´jevu, kdy laserovy´paprsek je vlivem magnetizace prˇi dopadu pootocˇen doprava nebo doleva (u´hel je velmi maly´, mensˇıńezˇjeden stupenˇ, ale detekovatelny´), laser je pouzˇit s vy´razneˇslabsˇı´m vy´konem nezˇ Obra´zek 8.14: Magneto- prˇi za´pisu, magneticka´hlava se nepouzˇı´va´. opticke´disky Urcˇitou nevy´hodou je cena teˇchto datovyćh nosicˇu˚a fakt, zˇe je trˇeba mı´t kompatibilnı´mechaniku. Na trhu sezˇeneme obvykle vy´robky firem Sony, HP a Verbatim, s form factorem 5,25”.

Pozna´mka: Magnetoopticke´disky se vyznacˇujı´velkou mı´rou spolehlivosti. Vydrzˇı´bez vad beˇzˇneˇneˇkolik desı´tek let KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 162

(dokonce existujıí MO se za´rukou 100 let), proto se dodnes pouzˇı´vajıńaprˇı´klad k archivaci. Nicmeńeˇ, tato me´dia jsou z trhu postupneˇvytlacˇovańa jiny´mi archivacˇnı´mi technologiemi, vcˇetneˇvyuzˇı´vańıćloudu.

8.6 Opticke´pameˇti

8.6.1 CD

CD (Compact Disc) je opticke´me´dium (tj. pro cˇtenıá za´znam se pouzˇı´va´laser), jednostranne´(za´znam na spodnı´straneˇdisku). Pru˚meˇr je veˇtsˇinou 12 cm, ale existuje i mensˇı´varianta (8 cm). Otvor pro osu je vzˇdy stejny´, 15 mm. CD (stejneˇjako jednovrstva´DVD) vkla´da´me do mechaniky potisˇteˇnou stranou nahoru. CD mechanika ma´prˇiblizˇneˇrozmeˇry velke´ho pevne´ho disku. Stejneˇjako pevny´disk, i na CD (DVD) mechaniku je nutne´prˇipojit napa´jecı´kabel a datovy´kabel (IDE 40zˇilovyńebo stıńeˇny´80zˇilovy´, a nebo SATA, podle typu mechaniky), ale navıć je nutne´propojit CD/DVD mechaniku se zvukovou kartou. Zadnı´strana IDE mechaniky s konektory je na obra´zku 8.15. Ve smeˇru zleva vidı´me konektory ke zvukove´karteˇ(digita´lnı´ a analogovy´), pak blok propojek (u IDE mechaniky je nutneúrcˇit, zda je master, slave nebo single), na´sleduje konektor pro datovy´kabel a konektor napa´jenı´.

Obra´zek 8.15: Zadnı´strana IDE CD mechaniky s konektory

Narozdı´l od magnetickyćh me´diı´jsou zde data ulozˇena na spira´le, nikoliv na soustrˇednyćh stopaćh (zacˇa´- tek je u strˇedu disku, cozˇje take´rozdı´l oproti magneticky´m me´diı´m). Za´znam je proveden pomocı´ru˚zneˇdlou- hyćh prohlubnı´(pits) oddeˇlenyćh mezerami (lands). Prˇechod prohlubenˇ/mezera nebo mezera/prohlubenˇje logicka´1, dlouha´mezera nebo prohlubenˇje logicka´0, dı´ky pouzˇite´mu ko´dovańı´(8 bitu˚na 14, obdoba RLL) nikdy nena´sledujı´dveˇjednicˇky za sebou.

Standardy pro CD: pod tı´mto pojmem mu˚zˇeme cha´pat ru˚zne´formy CD nosicˇu˚. • cˇervena´kniha (red book) – Audio CD (CD DA – Digital Audio); prvnıĆD norma, zameˇrˇena na za´znam zvuku • zˇluta´kniha (yellow book) – CD-ROM, pouze pro cˇtenı´, narozdı´l od cˇervene´knihy se zameˇrˇila na data, byla prˇidańa mozˇnost korekce chyb • zelena´kniha (green book) – CD-I, interaktivnıĆD, prˇidańa podpora interaktivnıćh operacı´, lze pouzˇı´t i pro filmy • oranzˇova´kniha (orange book) – CD-R (jeden za´pis) a CD-RW (opakovany´za´pis) • bı´la´kniha (white book) – Video CD, pouzˇitelne´pro filmy • modra´kniha (blue book) – Enhanced CD, CD plus a CD-G KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 163

• be´zˇova´kniha (beige book) – PhotoCD od firmy Kodak, pro evidenci a prohlı´zˇenı´fotografiı´ • sˇarlatova´kniha (scarlet book) – SACD Prˇenosove´rychlosti se uda´vajı´jako na´sobek rychlosti 150 kB/s (ta je typicka´pro cˇervenou knihu – Audio CD), naprˇı´klad 16× znamena´sˇestnaćtina´sobek te´to rychlosti.

CD-ROM (podle zˇlute´knihy) je pouze pro cˇtenı´. Jeho fyzicka´struktura je na´sledujıćı´: • za´kladem je disk ze smeˇsi polykarbona´tu a polymetylmetakryla´tu, ve ktere´m je vytlacˇena spira´la s prohlubneˇmi • na´sledujıćı´vrstva je reflexnı´, dobrˇe odra´zˇı´sveˇtlo laseru (vlnova´de´lka 780 nm) • trˇetı´vrstva je ochranna´, mu˚zˇe by´t vyrobena z laku opatrˇene´ho potiskem Cˇtenı´ probı´ha´pomocı´prvku citlive´ho na sveˇtlo (fotodioda, fototranzistor apod.), ktery´detekuje odrazˇeny´ laserovy´paprsek. Reflexnı´vrstva na datove´m me´diu odra´zˇı´laserovy´paprsek v plneíntenziteˇ, ale v mı´steˇ prohlubneˇv reflexnı´vrstveˇje odrazˇeno meńeˇenergie. Zmeˇna intenzity laseru je interpretovańa jako logicka´1. Rychlost otaćˇenı´disku prˇi cˇtenı´mu˚zˇe by´t bud’ konstantnı´pro vsˇechny pozice cˇtecı´hlavy a nebo se mu˚zˇe meˇnit se vzda´lenostıćˇtecı´hlavy od osy disku, prˇı´padneˇlze oba postupy kombinovat. Z tohoto hlediska rozlisˇujeme neˇkolik metod pro konstrukci CD mechanik: • CLV (Constant Linear Velocity) – prˇi cˇtenı´jsou otaćˇky pru˚beˇzˇneˇ(plynule) meˇneˇny podle vzda´lenosti od strˇedu (u strˇedu pomaleji, u okraje rychleji), aby byl datovy´tok konstantnı´– tato metoda je idea´lnı´ pro za´znam zvuku, tedy CD DA a starsˇıĆD-ROM • CAV (Constant Angular Velocity) – tato metoda jizˇ zohlednˇuje cˇtenı´ dat. U hudebnıćh souboru˚ je vyuzˇita metoda CLV, ale prˇi cˇtenı´dat se disk otaćˇı´konstantnı´rychlostı´, konstantnost datove´ho toku je zajisˇt’ovańa logikou podle vzda´lenosti od strˇedu, tyto mechaniky jsou tisˇsˇıá de´le vydrzˇı´ • P-CAV (Partial Constant Angular Velocity) – kombinace obou prˇedchozıćh, blı´zˇe strˇedu se pouzˇije CAV a da´le od strˇedu CLV • Multibeam – cˇtecı´hlava cˇte sedm stop najednou; kolem hlavnı´ho laserove´ho paprsku jsou po obou stranaćh jesˇteˇdalsˇı´trˇi, ktere´snı´majıókolnı´stopy, ućˇelem je zvy´sˇit prˇenosovou rychlost bez nutnosti zvysˇovańıótaćˇek CD-ROM se vyra´beˇjı´ lisovańı´m podle prˇedem vytvorˇene´matrice (ta stanovuje pozice pitu˚), vylisovany´disk se zalije do ochranne´ho plastu. Proto nelze na CD-ROM zapisovat v beˇzˇne´mechanice, museli bychom mı´t matrici a specializovane´zarˇı´zenı´. Vy´hodou tohoto postupu je pomeˇrneˇnı´zkaćena, zvla´sˇteˇprˇi hromadne´ vy´robeˇ, a take´vysokaódolnost me´dia.

CD-R (CD Recordable) umozˇnˇuje jednora´zovy´za´pis a po neˇm pouze cˇtenı´. Ma´stejne´rozmeˇry jako CD-ROM, ale mı´rneˇodlisˇnou vnitrˇnı´strukturu vcˇetneˇpouzˇity´ch materia´lu˚. Na disku je vrstva organicke´ho barviva, do ktere´se prova´dı´za´znam, tato vrstva je prˇekryta ochrannou (odrazovou) vrstvou ze strˇı´bra, slitiny strˇı´bra s jiny´m kovem nebo zlata a krycı´vrstvou z polykarbona´tu. Ve vy´robeˇse do disku vylisuje spira´la, ktera´slouzˇı´jako vodı´tko zapisovacı´hlavy prˇi za´pisu. Na spira´le jsou znacˇky ATIP (Absolute Time in Pregroove) slouzˇı´cı´k synchronizaci za´pisu dat konstantnı´rychlostı´. KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 164

Da´le jsou z vy´roby na disku obsazˇeny informace o kapaciteˇdisku, vy´robci, pozˇadavcıćh na za´pis (vy´kon laseru), atd. ATIP znacˇky zu˚sta´vajıí po za´pisu, slouzˇı´take´k detekci typu disku. Prˇi za´pisu hlava s laserovou diodou sleduje spira´lu s orientacı´podle ATIP znacˇek. V mı´steˇ, kde ma´by´t prohlubenˇ, se zvy´sˇıíntenzita laseru a tı´m i jeho teplota, zmeˇnı´se chemicke´(opticke´) vlastnosti ve vrstveˇ organicke´ho barviva. Ve skutecˇnosti se samozrˇejmeˇnic nepa´lı´, jde o chemicky´proces. Cˇtenı´ probı´ha´stejneˇjako u CD-ROM, jen mı´sto vylisovanyćh prohlubnı´ma´me sveˇtlaá tmava´mı´sta. Mechaniky pro CD-R (obecneˇvsˇechny vypalovacı´mechaniky) pouzˇı´vajı´ vyrovna´vacı´pameˇt’ (buffer), do ktereúkla´dajı´data k za´pisu. Tato vyrovna´vacı´pameˇt’je du˚lezˇita´prˇedevsˇı´m proto, zˇe vypalovańı´by spra´vneˇ meˇlo probı´hat bez prˇerusˇenı´se zajisˇteˇnı´m neusta´le´ho prˇı´sunu dat. R Nebezpecˇı´ „opozˇdeˇne´ho“ prˇı´sunu dat do vyrovna´vacı´ pameˇti rˇesˇı´ veˇtsˇina vy´robcu˚ svy´mi vlastnı´mi algoritmy (BurnProof u firmy Sanyo, JustLink u firmy Ricoh apod.). Vsˇechny tyto algoritmy zajisˇt’ujı´hlı´dańı´ momenta´lnı´ho stavu vyrovna´vacı´pameˇti (kolik z jejı´ho obsahu jizˇbylo pouzˇito) a prˇi poklesu pod stanovenou hranici zajistı´korektnı´prˇerusˇenı´vypalovańı´, opeˇtovneńaplneˇnı´vyrovna´vacı´pameˇti a spra´vneńava´zańı´ na´sledne´ho vypalovańı´.

CD-RW (CD Re-Writeable) dovolujı´ zapisovat i opakovaneˇ po smazańı´. Datova´ vrstva, do ktere´ se prova´dı´ za´znam, je ze slitiny, ktera´ prˇi urcˇite´ teploteˇ krystalizuje a prˇi jine´ teploteˇ zı´ska´va´ amorfnı´ (nekrystalickou) strukturu. Mı´sta s krystalickou strukturou odra´zˇejı´vıće sveˇtla a z toho vycha´zı´princip cˇtenı´dat z me´dia (krystalicka´struktura je obdobou landu a amorfnı´struktura obdobou pitu). Mazańı´ disku se prova´dı´prˇevodem z amorfnıńa krystalickou strukturu – mazane´mı´sto je zahrˇa´to na teplotu nizˇsˇıńezˇje bod tańı´materia´lu, dojde ke krystalizaci. Na´sledny´za´pis probı´ha´tak, zˇe mı´sto, ktere´ ma´meńeˇodra´zˇet sveˇtlo (analogie prohlubneˇu CD-R), je zahrˇa´to na teplotu prˇevysˇujıćı´bod tańı´materia´lu a meˇnı´se na amorfnı´. Zmeˇna mezi amorfnı´ a krystalickou strukturou je cˇa´stecˇneˇ destruktivnı´, proto mazańı´ s na´sledny´m za´pisem je mozˇneópakovat asi 1000×.

Pozna´mka: Odrazivost ru˚znyćh typu˚me´diı´se velmi lisˇı´. u CD-ROM je to 80 %, u CD-RW pouze 25 %, CD-R jsou neˇkde mezi. Kvalita vypa´lenı´za´visıńa kvaliteˇme´dia, vypalovacı´mechaniky a take´rychlosti prˇi vypalovańı´. Obecneˇplatı´, zˇe vysˇsˇı´rychlosti znamenajı´vysˇsˇı´pravdeˇpodobnost vy´skytu chyb (laser pracuje s vysˇsˇı´m vy´konem, aby prˇi vysˇsˇı´rychlosti doka´zal zahrˇa´t mı´sta na disku na stanovenou teplotu).

8.6.2 DVD

DVD (Digital Versatile Disc nebo Digital Video Disc) ma´mnohem veˇtsˇı´kapacitu nezˇCD. Kromeˇtoho se pouzˇı´vajı´mensˇı´pity a odstup stop je mnohem mensˇı´(to vsˇe je hlavnı´m du˚vodem navy´sˇenı´kapacity), prˇicˇemzˇ samotna´spira´la je stejneˇdlouhaá stejneˇsˇiroka´jako u CD. Dalsˇıńavy´sˇenı´kapacity je mozˇneúkla´dańı´m dat do dvou vrstev a take´vyuzˇitı´m obou povrchu˚me´dia. Rozmeˇry DVD jsou z du˚vodu kompatibility stejne´jako u CD, ale odlisˇna´je vnitrˇnı´struktura. Nosna´ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 165 vrstva je polovicˇnı´, obvykle jsou ve skutecˇnosti dveˇ(aby se zachovala tlousˇt’kame´dia), mezi nimi jedna nebo dveˇdatove´vrstvy a jednostrannańebo oboustranna´reflexnı´vrstva. Prˇi cˇtenı´ se pouzˇı´va´laserovy´paprsek s kratsˇı´vlnovou de´lkou nezˇu CD (660 nm – cˇervene´sveˇtlo), jina´ je i vzda´lenost, na kterou se tento paprsek ostrˇı´. Srovnańı´vidı´me na obra´zku 8.16.

Standardy jsou rozdeˇleny do dvou skupin se vza´jemnou nekompatibilitou. Prvnı´skupina standardu˚ byla vydańa uskupenı´m DVD Forum (minusove´standardy). Tyto standardy se setkaly s kritikou neˇkteryćh firem zejmeńa z du˚vodu nevyhovujıćıćh licencˇnıćh podmıńek a ceny, proto byly dalsˇı´(plusove´) standardy vydańy uskupenı´m DVD+RW Alliance. • DVD-ROM • DVD-R, DVD-RW • DVD-RAM – mı´sto spira´ly ma´spoustrˇedne´stopy, princip (ne technologie) podobny´MO disku˚m, lepsˇı´ detekce a korekce chyb • DVD+R, DVD+RW (+RW je starsˇıńezˇ+R) Lisˇı´se pouzˇity´mi materia´ly, chybovostı´(+ jsou mı´rneˇlepsˇı´, ale majı´mı´rneˇmensˇı´kapacitu), pu˚vodnıćenou licence. Soucˇasne´DVD mechaniky obvykle podporujı´standardy z obou skupin (veˇtsˇinou s vy´jimkou DVD- RAM). Dvouvrstva´me´dia se takeóznacˇujı´prˇidańı´m pı´smen „DL“, naprˇı´klad DVD+R DL je dvouvrstve´ DVD+R. DVD+/-RW lze pouzˇı´t i pro paketovy´za´pis podobneˇjako CD, cozˇje vy´hodne´zvla´sˇteˇprˇi ukla´dańı´ dat na pocˇı´tacˇi.

Obra´zek 8.16: Srovna´nı´– CD, jednovrstve´DVD, dvouvrstve´DVD13

V prˇı´padeˇDVD-RW rozlisˇujeme dva typy – forma´tovane´jako VR (Video Recording) urcˇene´spı´sˇe pro ukla´dańı´filmu˚(take´podporujıíndexy, ale nepodporujı´paketovy´za´pis) a VF (Video Format) urcˇene´spı´sˇe pro praći s daty na pocˇı´tacˇi.

13Zdroj: http://www.root.cz/clanky/nasledovnici-kompaktnich-disku-dvd/ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 166

Varianty DVD najdeme v tabulce 8.3 vcˇetneˇrozmeˇru˚, pocˇtu stran a vrstev, a kapacity. Nejcˇasteˇji se setka´va´me s DVD-5 a DVD-9.

Oznacˇenı´ Pru˚meˇr Stran Vrstev/str Kapacita DVD-1 8 cm 1 1 1,46 GB DVD-2 8 cm 1 2 2,66 GB DVD-3 8 cm 2 1 2,92 GB (2×1,46) DVD-4 8 cm 2 2 5,32 GB (2×2,66) DVD-5 12 cm 1 1 4,70 GB DVD-9 12 cm 1 2 8,54 GB DVD-10 12 cm 2 1 9,40 GB (2×4,70) DVD-14 12 cm 2 2/1 13,24 GB DVD-18 12 cm 2 2 17,08 GB (2×8,54)

Tabulka 8.3: Varianty DVD

Vlastnosti DVD se odvozujı´ prˇedevsˇı´m od pozˇadavku˚ filmove´ho pru˚myslu. Je mozˇne´ pouzˇı´t DRM (Digital Rights Management) pro zamezenı´kopı´rovańı´me´dia, na disk lze ulozˇit copyright, ktery´se prˇi kopı´rovańıńeprˇena´sˇıá podle toho se rozpozna´vajıńelega´lnı´kopie. Pouzˇitelnost DVD lze urcˇit pro jeden nebo neˇkolik regionu˚. Teˇchto regionu˚je stanoveno celkem 8, z toho 6 pro oblasti na Zemi (naprˇı´klad Evropa je v regionu cˇı´slo 2, USA a Kanada majı´region cˇı´slo 1), region 7 nenı´stanoven a 8 je urcˇen pro pohybujıćı´se oblasti (letadla, lodeˇapod.). DVD urcˇene´tı´mto zpu˚sobem pro neˇktery´region lze prˇehra´vat pouze na prˇehra´vacˇi s tı´mto regionem nastaveny´m. Prˇenosove´rychlosti se stejneˇjako u CD uda´vajı´jako na´sobek za´kladnı´rychlosti, tato za´kladnı´rychlost je vsˇak odlisˇna´. Oznacˇenı´ 1× odpovı´daú DVD rychlosti 1350 kB/s, cozˇje rychlost 9× pro CD.

8.6.3 Struktura prˇepisovatelne´ho disku

Struktura prˇepisovatelne´ho disku (vcˇetneˇCD/DVD-R) je dańa pouzˇitou technologiı´vypalovańı´. Obvykle tam najdeme neˇkolik typu˚zoń: • vnitrˇnı´zońa veˇtsˇinou obsahuje tabulku obsahu disku (TOC), administracˇnıínformace (naprˇı´klad pocˇet stop a umı´steˇnı´jejich zacˇa´tku a konce), testovacıá kalibracˇnıínformace, • Lead-In – bezpecˇnostnıá administracˇnı´zońa pro kontrolnı´data, identifika´tor apod., je to zońa s informacemi o ulozˇenyćh souborech, • Lead-Out – upozorneˇnıńa konec disku, • vneˇjsˇı´zońa – administracˇnı´, testovacıá kalibracˇnıínformace. Kalibracˇnıínformace slouzˇı´ke kalibraci laseru pro za´pis.

Dalsˇıínformace: V cˇasopisu Chip 09/2009 (cˇlańek „Obnova vasˇich dat z mobilnıćh me´diı´“ na str. 44–47) je strucˇneˇa na´zorneˇ popsańa ochrana proti ztra´teˇdat na CD a DVD vcˇetneˇstruktury bloku˚pro korekci chyb. Cˇlańek je dostupny´ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 167 na adrese http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/ r-2009/chip-09-2009/obnova-dat/ files/09-09-044-obnova-pdf.pdf.

Metody vypalovańıĆD a DVD: 1. DAO (Disc-at-Once) – cely´disk se vypa´lıńajednou bez pru˚beˇzˇne´ho vypıńańı´laseru, pouzˇı´va´se naprˇı´- klad u hudebnıćh CD. Disk je rozdeˇlen na peˇt zoń: vnitrˇnı´zońa Lead-in data Lead-out vneˇjsˇı´zońa 2. TAO (Track-at-Once) – najednou se vypa´lı´jedna stopa, pak je laser vypnut, je mozˇne´kdykoliv prˇidat dalsˇı´stopy. Disk ma´strukturu podobnou prˇedchozı´, ale za Lead-out na´sleduje pra´zdny´prostor pro za´pis dalsˇıćh stop (kazˇda´stopa urcˇena´pro data obsahuje zońy Lead-in, data a Lead-out). vnitrˇnı´zońa 1. stopa: Lead-in data prvnı´stopy Lead-out 2. stopa: Lead-in data druhe´stopy Lead-out . atd. . vneˇjsˇı´zońa 3. MultiSession – Nenıńutne´zapisovat najednou cely´disk, najednou se zapisuje jen jedina´session (relace) na jednu nebo vıće stop. Zońa Lead-in je jen jedna (vytvorˇı´se prˇi prvnı´m vypalovańı´), zońa Lead-out take´jen jedna (vytvorˇı´se prˇi poslednı´m vypalovańı´). TOC je vytvorˇen azˇprˇi poslednı´m vypalovańı´ za´rovenˇs Lead-out. Prˇi ukoncˇenı´vypa´lenı´takove´session, ktera´jesˇteˇnema´by´t na disku poslednı´, se mı´sto Lead-out vlozˇı´ za data blok uzavrˇenı´, na zacˇa´tku vypalovańıńa´sledujıćı´session se zacˇıńa´vlozˇenı´m bloku otevrˇenı´ a azˇ pak na´sledujı´data. Za daty poslednı´vypa´lene´session se jizˇmı´sto bloku uzavrˇenı´vlozˇı´zońa Lead-out. Nı´zˇe vidı´me strukturu disku vypa´lene´ho v rezˇimu MultiSession (jizˇcely´zaplneˇny´, vcˇetneˇza´veˇrecˇnyćh sekcı´). Zapisovaneú´seky dat mohou mı´t samozrˇejmeˇru˚znou de´lku. vnitrˇnı´zońa

Lead-in data1 blok uzavrˇenı´

blok otevrˇenı´ data2 blok uzavrˇenı´

blok otevrˇenı´ data3 blok uzavrˇenı´ . .

blok otevrˇenı´ datan Lead-out vneˇjsˇı´zońa 4. Incremental Recording (u DVD) – podobne´jako MultiSession, ale bez uzavı´racıćh a otevı´racıćh zoń. Na zacˇa´tku prvnı´ho za´pisu se vytvorˇı´zońa Lead-in, pak se disk postupneˇzaplnˇuje a na konci poslednı´ho za´pisu se vytvorˇı´zońa Lead-out. Dokud nenı´tato poslednıóblast vytvorˇena, nenı´disk cˇitelny´v mecha- nikaćh nepodporujıćıćh tuto metodu, po jejı´m vytvorˇenı´je struktura disku podobna´disku s metodou DAO. KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 168

5. R Sequential Recording – podobne´jako Incremental Recording, ale z du˚vodu lepsˇı´kompatibility s jiny´mi mechanikami se za kazˇdy´m za´pisem dat vytvorˇı´docˇasna´zońa Lead-out, prˇi dalsˇı´m za´pisu na disk se tato zońa prˇepı´sˇe daty (a vytvorˇı´se nova´docˇasna´zońa Lead-out). 6. R Mount Rainier (take´paketovy´za´pis) – nenı´kompatibilnı´s ostatnı´mi zpu˚soby za´pisu, tyto disky lze zapisovat pouze ve vypalovacˇce oznacˇene´ „Easy Write“. Cˇı´st je lze sice i v nekompatibilnıćh mechanikaćh, ale jen pomocı´prˇı´davne´ho softwaru (naprˇı´klad EasyWrite Reader). Mount Rainier je implementacı´paketove´ho za´pisu, to znamena´, zˇe data jsou vypalovacˇce posı´lańa v paketech o velikosti 2 kB. Dalsˇı´du˚lezˇitou vlastnostı´je zavedenı´rˇı´zenıćhyb. Soucˇa´stı´disku je kromeˇ jine´ho take´ oblast DMA (Deffect Managed Area). Pokud je nalezen vadny´ sektor, je prˇemapovań sektorem z DMA. 7. R Random Recording – jedna´se o metodu velmi podobnou metoda´m pro pevne´disky, data mohou by´t zapisovańa kdykoliv a kamkoliv.

Pojmenovańıá organizace souboru˚: Prˇi vypalovańı´bychom take´meˇli nastavit normu pro pojmenovańı´ souboru˚a adresa´rˇu˚. Nejstarsˇı´pouzˇı´vanańorma pro CD je ISO 9660, ktera´stanovıósm znaku˚pro na´zev a trˇi znaky pro prˇı´ponu souboru. Protozˇe se dnes beˇzˇneˇpouzˇı´vajı´dlouheńa´zvy souboru˚a take´diakritika, tuto normu obvykle nevolı´me. Hodneˇpouzˇı´vana´je ISO 9660 Level 2 (takte´zˇpro CD), ktera´rozsˇirˇuje prostor pro na´zvy souboru˚na 30. Da´le se setka´me s normami Joliet a Romeo (v prˇekladu Julie a Romeo). Joliet ukla´dańa´zvy souboru˚ve dvou tvarech najednou – dlouhyńa´zev prˇevzaty´z operacˇnı´ho syste´mu a pak jesˇteˇzkraćenyńa´zev cˇitelny´v MS DOSu. Romeo ukla´da´pouze dlouhyńa´zev (128 znaku˚). Prˇi vypalovańı´DVD se pouzˇı´vajı´jineńormy (souborove´syste´my). Nejpopula´rneˇjsˇı´je UDF (pouzˇı´va´ se pro DVD, ale lze jej vyuzˇı´t i pro CD). Podporuje dlouheńa´zvy souboru˚. V unixovyćh syste´mech vcˇetneˇ Linuxu je beˇzˇneˇcˇitelny´, ve Windows od verze 2000. Na DVD je take´mozˇne´pouzˇı´vat souborovy´syste´m MRW. Je noveˇjsˇıńezˇUDF a mańeˇkolik novyćh vlastnostı´, z nichzˇasi nejzajı´maveˇjsˇı´je vylepsˇena´spra´va chyb.

8.6.4 Blu-Ray

Blu-Ray disky majıópeˇt z du˚vodu zpeˇtne´kompatibility stejne´rozmeˇry jako CD/DVD vcˇetneˇtlousˇt’ky 1,2 mm. Data se ukla´dajıńa spira´le, laserovy´paprsek ma´vlnovou de´lku 405 nm (modre´sveˇtlo, i kdyzˇfyzika´lneˇ se jedna´spı´sˇe o fialove´). Dı´ky te´to vlnove´de´lce a mensˇı´vzda´lenosti hlavy od povrchu bylo mozˇneópeˇt zvy´sˇit kapacitu disku – jednovrstve´Blu-Ray o pru˚meˇru 12 cm ma´kapacitu 25 GB, dvouvrstveázˇ50 GB. Varianty Blu-Ray: • BD-ROM – pouze pro cˇtenı´, lisovany´ve vy´robeˇ • BD-R – jednora´zovy´za´pis • BD-RE – prˇepisovatelny´ • BD-AV – pro domaćıámate´rska´videa

14Zdroj: http://www.root.cz/clanky/vyvoj-optickych-pameti-od-dvd-k-blu-ray/ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 169

Obra´zek 8.17: Srovna´nı´CD, DVD, Blu-Ray14

• BDMV (Blu-Ray Disk Movie) – pro profesiona´lnı´video jako varianta BD-ROM • BD-J (Java) – interaktivnı´Blu-Ray vyuzˇı´vajıćı´Javu • Mini-BD – mensˇı´rozmeˇr (8 cm) Prˇidańı´m „DL“ se oznacˇuje dvouvrstve´me´dium, prˇidańı´BD+ (pro BD-ROM) znamena´vyuzˇitıńı´zˇe popsane´ hardwaroveóchrany. Video mu˚zˇe by´t ko´dovańo neˇkolika ru˚zny´mi algoritmy: MPEG-2 (ten zvla´dlo i DVD), H.264/ MPEG AVC, VC-1. Pro ochranu obsahu (DRM) se u Blu-Ray (a takeú HD DVD) pu˚vodneˇvyuzˇı´val syste´m AACS (Advanced Access Content System), ktery´vsˇak byl prolomen. Proto byla prˇidańa nova´hardwarovaóchrana BD+ klıćˇ od firmy Cryptography Research, jedna´se o soucˇa´stku, ktera´musı´by´t vy´robcem prˇidańa do mechaniky (prˇı´p. stolnı´ho prˇehra´vacˇe). Tento typ disku meˇl pu˚vodneˇkonkurenci v HD DVD, ale tato konkurence odpadla. Svy´mi vlastnostmi jsou oba typy disku˚pomeˇrneˇpodobne´.

8.6.5 Zˇ ivotnost a u´drzˇba opticky´ch me´diı´

Co sˇkodı´? • sveˇtlo, UV za´rˇenı´ • vysˇsˇı´teploty (idea´lnı´je kolem 25 °C nebo nizˇsˇı´) • velka´vlhkost (oxidace reflexnı´vrstvy), mu˚zˇe se dovnitrˇdostat z bocˇnıćˇa´sti • ohy´bańı´, la´mańı´, atd. • kourˇ(take´z cigaret) KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 170

Dalsˇı´vlivy: pouzˇity´materia´l reflexnı´vrstvy (nejlepsˇı´je zlato), pouzˇiteórganicke´barvivo, zpu˚sob vy´roby nosne´vrstvy, prˇesnost tvaru disku (strˇedovaćˇa´st), kvalita vypalovacˇky a jejı´ho firmwaru, vhodna´rychlost za´pisu. Po urcˇite´ dobeˇ (zvla´sˇteˇ v rizikoveˇjsˇı´m – naprˇı´klad prasˇne´m cˇi zakourˇene´m – prostrˇedı´) se opticka´ mechanika zanese. Projevuje se to chybami prˇi cˇtenıá za´pisu, nemozˇnostı´prˇecˇı´st neˇkteraĆD cˇi DVD apod. R Pokud se setka´me s teˇmito prˇı´znaky, pak bychom meˇli mechaniku co nejdrˇı´v vycˇistit. Sice se proda´vajı´ cˇisticı´sady, ale jejich ućˇinnost nenı´zrovna nejlepsˇı´. Proto je vhodneˇjsˇı´pouzˇı´t tento postup: • mechaniku vymontujeme z pocˇı´tacˇe, odpojı´me vsˇechny kabely, • rozsˇroubujeme, najdeme cˇocˇku (je mala´, ma´pru˚meˇr mensˇıńezˇcentimetr), • opatrneˇ vycˇistı´me cˇocˇku vatou namotanou na sˇpejli (nebo le´pe vyuzˇijeme vatove´tycˇinky) namocˇenou v izopropylalkoholu (da´se koupit v drogeriıćh), • necha´me odparˇit, zasˇroubujeme, prˇipojı´me, vyzkousˇı´me.

Pozna´mka: Rozhodneˇnepouzˇı´va´me prˇı´pravky na cˇisˇteˇnıóken! Tak bychom cˇocˇku mohli posˇkodit, prˇinejlepsˇı´m by na nıúlpeˇla vrstva, ktera´by zkreslovala cˇtenıí za´pis. Pokud nema´me izopropylalkohol, pouzˇijeme jen suchou vatu, ale to funguje jen proti lehke´mu napra´sˇenı´. Prˇi cˇisˇteˇnı´je trˇeba da´vat velky´pozor, nesmı´me prˇitlacˇit, cˇocˇka je obklopena jemny´mi soucˇa´stkami, ktere´by se mohly posˇkodit.

Dalsˇıínformace: Postupy cˇisˇteˇnıópticke´mechaniky a serˇı´zenıóptiky najdeme naprˇı´klad na http://www.bastleni.eu/vypocetni-technika/51-opticka-mechanika.

8.6.6 R Technologie prˇı´me´ho popisku

Existuje neˇkolik technologiı´prˇı´me´ho popisu DVD v mechanice. V soucˇasne´dobeˇnajdeme mechaniky pod- porujı´cı´technologie LightScribe a LabelFlash.

LightScribe (2004, Hewlett-Packard) je technologie pro vytva´rˇenı´popisku˚optickyćh disku˚CD-R a DVD+/- R prˇı´mo v mechanice, bez destrukce datove´ho obsahu. Nejdrˇı´v jsou vypa´lena data na jednu datovou stranu, pak je trˇeba disk v mechanice otocˇit a pak se na druhou stranu vypa´lı´popisek. Vypa´leny´popisek je v odstıńech jedine´barvy. LightScribe vyzˇaduje specia´lnıĆD/DVD (kdyzˇje kupujeme, dı´va´me se, jestli podporuje LightScribe). Toto me´dium obsahuje vrstvu barviva, ktere´po oza´rˇenıÍR laserem zmeˇnı´barvu. Stejneˇjako prˇi za´pisu dat, i zde laser postupuje po spira´le. Abychom mohli LightScribe vyuzˇı´vat, musı´me mı´t kromeˇspra´vne´ho CD/DVD take´podporovanou optickou mechaniku (vcˇetneˇovladacˇu˚) a vypalovacı´software, ktery´tuto technologii podporuje. KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 171

LabelFlash (2005, firma NEC) je konkurentem LightScribe. Je zalozˇena na starsˇı´technologii (DiscT@2 od firmy Yamaha z roku 2002), NEC zı´skala licenci na DiscT@2 a rozvinula na vlastnı´technologii. Zatı´mco LightScribe vypaluje na opacˇnou stranu nezˇje datovaá DiscT@2 vypalovala na datovou stranu, LabelFlash doka´zˇe vypa´lit popisek na obeˇstrany me´dia (ale to je take´za´lezˇitost vypalovacˇky, mnohe´pod- porujı´jen vypalovańıńa jednu stranu, datovou). Potrˇebujeme optickou mechaniku podporujıćı´ LabelFlash (sezˇeneme vesmeˇs jen od NEC), specia´lnı´ opticke´me´dium potrˇebujeme v prˇı´padeˇ, zˇe chceme vypalovat na obeˇstrany (pokud chceme popisek jen na jedne´– datove´– straneˇ, tak stacˇı´veˇtsˇina dnes proda´vanyćh datovyćh me´diı´, i kdyzˇne pro vsˇechna to platı´, a taky vypalovacˇka, kteraúmı´popisek vypa´lit do datove´vrstvy), a da´le opeˇt software, ktery´doka´zˇe s LabelFlash pracovat. Obecneˇplatı´, zˇe LightScribe vytva´rˇıó neˇco le´pe vypadajıćı´popisky, zatı´mco popisky LabelFlash mı´vajı´ delsˇı´zˇivotnost.

Dalsˇıínformace: • Pru˚vodce vypalovańı´m – LightScribe: http://www.svethardware.cz/art doc-372C1CEFEBDA56D4C125716D00354CB2.html • Pru˚vodce vypalovańı´m – LabelFlash: http://www.svethardware.cz/art doc-84918F0943505B29C12571410065393E.html

8.7 Flash pameˇti

Flash pameˇti se v pocˇı´tacˇıćh ve skutecˇnosti vyuzˇı´vajı´jizˇvelmi dlouho, a to jak u vnitrˇnıćh, tak i u vneˇjsˇıćh pameˇtı´. U vnitrˇnıćh jsme se setkali naprˇı´klad s vyuzˇitı´m pro ulozˇenı´ko´du BIOSu. Jde o cˇisteˇelektronicke´rˇesˇenı´(cˇtenıá za´pis probı´hajıélektronicky, nepouzˇı´va´me laser ani magnetismus). Zatı´mco u vnitrˇnıćh flash pameˇtı´jde veˇtsˇinou o cˇipy s obvody typu NOR, u vneˇjsˇıćh pameˇtı´se typicky pouzˇı´vajı´ obvody typu NAND. Oba typy jsou vlastneˇ pameˇti typu RAM, ale jejich obsah vydrzˇı´ i po odpojenıód zdroje napeˇtı´.

8.7.1 USB ﬂash disk

USB flash disk je vpodstateˇ klıćˇenka vybavena´pameˇtı´typu flash s rozhranı´m USB. Toto 1. USB konektor rˇesˇenı´ je komercˇneˇ dostupne´ od roku 2000. 2. Mass storage controller USB flash disk se skla´da´z 3. Testovacı´kontakty 1. pameˇt’ove´ho cˇipu NAND 4. Flash pameˇt’ 2. Mass Storage Controller – cˇip pro ko- 5. Krystalovyóscila´tor 6. LED munikaci s pocˇı´tacˇem 7. Za´mek 15Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/USB flash disk 8. Mı´sto pro druhou flash

Obra´zek 8.18: Struktura USB ﬂash disku15 KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 172

3. konektor USB (USB-A male) 4. krystalovyóscila´tor pro hodinovy´signa´l 5. dalsˇı´ – LED dioda, obal, krytka, prˇı´p. za´mek pro blokaci za´pisu Pro USB flash disky je typicke´to, co zna´me i od jinyćh typu˚pameˇtı´– za´pis probı´ha´ v blocıćh a je cˇa´stecˇneˇ destruktivnı´(pocˇet prˇepisu˚pameˇt’ove´bunˇky je omezen).

Pozna´mka: Jak bylo vy´sˇe uvedeno, flash pameˇti majıómezeny´pocˇet za´pisu˚do pameˇt’ovyćh buneˇk. Z toho du˚vodu nenı´ vhodneńa tomto typu me´dia pouzˇı´vat souborovy´syste´m NTFS, ktery´je optimalizovany´spı´sˇe pro klasicke´ pevne´disky (ma´vysokou rezˇii, ukla´da´velmi mnoho informacıá navıć hodneˇcˇasto). Proto se na USB flash discıćh setka´va´me spı´sˇe se souborovy´mi syste´my, ktere´jsou v tomto smeˇru sˇetrneˇjsˇı´– FAT32, exFAT a na Linuxu ext2fs.

8.7.2 SSD

SSD (Solid State Drive) je alternativa k beˇzˇne´mu pevne´mu disku. Trˇebazˇe se o SSD cˇasto mluvı´jako o „disku“, ve skutecˇnosti uvnitrˇneobsahuje prakticky nic, co by meˇlo diskovity´tvar. Oproti klasicky´m pevny´m disku˚m se vyznacˇuje (relativneˇ) nizˇsˇı´spotrˇebou energie (za´lezˇıńa zpu˚sobu vyuzˇı´vańı´), nı´zkou hmotnostı´, maly´mi rozmeˇry, tichy´m chodem, vysokou spolehlivostı´(zˇa´dne´pohyblive´ cˇa´sti, nic se mechanicky neopotrˇebova´va´). Vzhledem k pomeˇrneˇvysokećeneˇflash cˇipu˚se v noteboocıćh setka´va´me s SSD disky s obecneˇnizˇsˇı´ kapacitou nezˇu klasickyćh disku˚. Take´je horsˇı´pomeˇr cena/kapacita.

Dalsˇı´informace: Srovna´vacı´mi testy je internet te´meˇrˇzahlcen, zajı´mavy´test najdeme naprˇı´klad na http://www.tomshardware.com/reviews/ssd-hard-drive,1968.html, http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2010/souboj-disku.html.

Z mnoha testu˚vyply´va´, zˇe SSD disky majıńizˇsˇı´spotrˇebu nezˇHD. Ovsˇem tuto spotrˇebu si udrzˇujı´po celou dobu, i kdyzˇzrovna nejsou pouzˇı´vańy, kdezˇto HD spotrˇebova´vajıénergii jen v dobeˇ, kdy rotujı´(mnoho uzˇivatelu˚na desktopu mańastaveno automaticke´zastavovańı´disku˚prˇi delsˇı´dobeˇnecˇinnosti). Proto se spotrˇeba SSD a HD sˇpatneˇsrovna´va´, za´lezˇıńa skutecˇne´m vyuzˇı´vańı´disku. Z du˚vodu kompatibility fyzickyćh rozhranı´mı´vajı´SSD disky stejne´rozmeˇry a rozhranı´jako beˇzˇne´disky (ne vzˇdy, SSD lze zı´skat i ve formeˇrozsˇirˇujıćı´karty). Programove´rozhranı´by take´meˇlo by´t stejne´, tj. operacˇnı´ syste´m (obvykle) nerozlisˇuje mezi SSD a HD diskem. U nejnoveˇjsˇıćh operacˇnıćh syste´mu˚se prˇedpokla´da´ schopnost detekce typu disku (Windows 7 uzˇdoka´zˇou detekovat SSD a pro nejnoveˇjsˇı´ja´dra Linuxu to take´ nenı´proble´m). KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 173

Pameˇt’ova´bunˇka v SSD mu˚zˇe by´t jednoho ze teˇchto typu˚: • SLC (Single Level Cell) – rozpozna´va´2 u´rovneˇnapeˇtı´, ktere´jsou interpretovańy jako 0 nebo 1, do SLC bunˇky lze tedy ulozˇit 1 bit, • MLC (Multi Level Cell) – rozpozna´va´4 u´rovneˇnapeˇtı´, tedy je mozˇne´do nıúlozˇit dva bity (hodnoty 00, 01, 10, 11), • TLC (Triple Level Cell) – rozpozna´9 u´rovnıńapeˇtı´, do pameˇt’ove´bunˇky ukla´da´me trˇi bity.

Pozna´mka: SSD se SLC bunˇkami jsou drazˇsˇı´(horsˇı´pomeˇr cena/kapacita), ale pomaleji se opotrˇebova´vajı´, de´le vydrzˇı´. Zatı´mco SLC bunˇky fyzicky prˇezˇijı´asi 100 000 za´pisu˚, MLC bunˇky pro dva bity cca 2000 za´pisu˚, TLC cca 1000 za´pisu˚. Ovsˇem pozor, nejedna´se o tak vy´razne´omezenı´, jak by se z teˇchto cˇı´sel mohlo zda´t. K tomuto te´matu se vra´tı´me o neˇco da´le.

Pameˇt’ove´bunˇky (flash) jsou organizovańy v blocıćh, kazˇdy´blok obsahuje stanovene´mnozˇstvı´strańek (o velikosti neˇkolika kB, obvykle 4 kB); operacˇnı´syste´m obvykle pracuje s jednotlivy´mi strańkami, ale flash pameˇt’ doka´zˇe pracovat jen s cely´m blokem najednou (to platıóbecneˇpro vsˇechny flash pameˇti, obvykla´ velikost je 128–512 kB).

Mechanismus za´pisu: Narozdı´l od HD ma´rˇadicˇdisku SSD mnohem vıće praće. Jednı´m z jeho u´kolu˚je co nejvıće eliminovat sˇkody zpu˚sobene´mnohocˇetny´m zapisovańı´m do pameˇt’ovyćh buneˇk. Za´pis probı´ha´ takto: • jak bylo vy´sˇe napsańo, pracuje se s cely´mi bloky, proto si rˇadicˇvypoma´ha´vyrovna´vacı´pameˇtı´(buffe- rem), jehozˇvelikost odpovı´da´velikosti bloku, • rˇadicˇdo bufferu prˇenese jak data, ktera´majı´by´t ulozˇena (jednu nebo neˇkolik strańek), tak i ten zbytek bloku, kteryńema´by´t po za´pisu zmeˇneˇn, tedy v bufferu se utvorˇı´blok v tom tvaru, v jake´m ma´by´t po ukoncˇenı´za´pisu, • blok, do ktere´ho se ma´ obsah bufferu ulozˇit, se cely´ smazˇe (flash pameˇt’ doka´zˇe zapisovat jen do takove´ho bloku, ktery´byl smazań), • pak teprve dojde k za´pisu bloku (vcelku) na mı´sto. Mazańıńenıńutne´, pokud dany´blok jesˇteˇnebyl pouzˇı´vań. Proto SSD disk ze zacˇa´tku vykazuje celkem slusˇne´rychlosti za´pisu, ale postupem cˇasu (jak se zaplnˇuje) se za´pis sta´va´pomalejsˇı´(operace mazańı´bloku je cˇasoveˇpomeˇrneˇna´rocˇna´). Proti tomuto zpomalenı´se da´bojovat dveˇma zpu˚soby: 1. SSD disk je ve skutecˇnosti vybaven veˇtsˇı´m mnozˇstvı´m pameˇti nezˇda´vańa veˇdomı´prˇi detekci, mı´sto navıć je pouzˇı´vańo kromeˇjine´ho i k nastavenı´pocˇtu smazanyćh bloku˚(to moc nefunguje). 2. Firmware SSD disku mu˚zˇe podporovat (a dnes takeóbvykle podporuje) prˇı´kaz ATA TRIM, ktery´m operacˇnı´syste´m informuje rˇadicˇdisku, zˇe urcˇite´bloky v pameˇti majı´by´t smazańy, operace mazańı´se KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 174

tedy mu˚zˇe prove´st neza´visle na za´pisu novyćh dat. Ovsˇem tento ATA prˇı´kaz musı´by´t podporovań i na straneˇoperacˇnı´ho syste´mu. U HD disku˚nenıńutne´pouzˇı´vat prˇı´kaz TRIM, protozˇe soucˇasne´souborove´syste´my prova´deˇjı´jen „lehke´“ mazańı´, ktere´prˇi smazańı´souboru pouze smazˇe odkaz na tento soubor a skutecˇne´mı´sto na disku, ktere´soubor zabı´ral, zu˚sta´vańedotcˇeno. U SSD se vsˇak jednaó du˚lezˇitou vlastnost, ktera´mu˚zˇe zabrańit zbytecˇne´mu zpomalovańı´za´pisu.

Pozna´mka: Prˇı´kaz TRIM je podporovań ve Windows azˇod verze 7, v Linuxu se podpora TRIM objevila uzˇv prvnı´ polovineˇroku 2009. Ne vsˇechny SSD ve sve´m firmwaru tento prˇı´kaz obsahujı´, ale v budoucnu se to ma´ zmeˇnit a veˇtsˇina vy´robcu˚takećhystaúpdate starsˇıćh firmwaru˚s dodańı´m tohoto prˇı´kazu. Proto bychom se prˇi koupi SSD meˇli zajı´mat o to, jestli rˇadicˇpodporuje TRIM.

Zˇ ivotnost SSD. Jizˇ vy´sˇe bylo uvedeno, zˇe pameˇt’ove´ bunˇky typu SLC majı´ zˇivotnost cca 100 000 za´pisovyćh operacı´, MLC jen 3000 za´pisu˚a TLC pouze 1000 za´pisu˚. Cozˇby znamenalo, zˇe naprˇı´klad SSD s flash cˇipem obsahujıćı´m MLC bunˇky lze 3000× prˇepsat (kompletneˇcely´, takzˇe vyna´sobte kapacitou SSD), nezˇbudou vsˇechny bunˇky nepouzˇitelne´. Proble´m postupne´ho opotrˇebovańı´pameˇt’ovyćh buneˇk (respektive celyćh bloku˚) prˇi za´pisu se rˇesˇı´takto: 1. Je trˇeba da´t naveˇdomıóperacˇnı´mu syste´mu, zˇe jde o SSD a nikoliv o klasicky´pevny´disk, operacˇnı´ syste´m pak provede urcˇitańastavenı´, ktery´mi se snı´zˇı´pocˇet za´pisu˚. 2. Oproti udane´kapaciteˇSSD je skutecˇna´kapacita flash cˇipu veˇtsˇı´. Pameˇt’oveóblasti, ktere´jsou „navıć“, slouzˇı´kromeˇjine´ho k postupne´mu nahrazovańı´teˇch pouzˇı´vanyćh bloku˚, ktere´se jizˇprˇiblı´zˇily hranici sve´zˇivotnosti. 3. Aby byly pameˇt’ove´bunˇky vyuzˇı´vańy co nejrovnomeˇrneˇji, firmware SSD pouzˇı´va´souhrn algoritmu˚ nazy´vanyćh Wear Levelling. Nejdrˇı´v se podı´va´me na metodu Wear Levelling (v prˇekladu neˇco jako „vyrovnańıópotrˇebenı´“). Tato metoda spocˇı´va´v tom, zˇe u kazˇdho pameˇt’ove´ho bloku se zaznamena´va´pocˇet za´pisu˚: • bloky s mensˇı´m pocˇtem za´pisu˚jsou preferovańy prˇi dalsˇıćh operacıćh za´pisu (dynamicky´Wear Levelling, porovna´vańı´probı´ha´prˇi kazˇde´m za´pisu), • bloky obsahujıćıćˇasto aktualizovana´data (naprˇı´klad log soubory) se cˇas od cˇasu prˇesunou na jine´ mı´sto na disku do dosud meńeˇfrekventovanyćh oblastı´, prˇı´padneˇse vymeˇnı´s bloky, do kteryćh nenı´ moc zapisovańo (staticky´Wear Levelling). Opotrˇebenı´mu˚zˇe redukovat i operacˇnı´syste´m, pokud v tomto smyslu doka´zˇe zacha´zet s SSD diskem. Z hlediska operacˇnı´ho syste´mu (a take´procesu˚) jsou pro SSD nebezpecˇeneńeˇktere´jinak beˇzˇneá uzˇitecˇneóperace: • defragmentace nejenzˇe nemaú SSD smysl (logicke´rˇazenı´buneˇk je zcela jineńezˇfyzicke´), ale naopak nadbytecˇne´steˇhovańı´dat SSD sˇkodı´, KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 175

• Ready Boost (nastavenı´vyrovna´vacı´pameˇti disku flash pameˇtı´) nema´smysl, protozˇe SSD je flash pameˇt’, zrychlenı´je nuloveá dokonce zbytecˇne´kopı´rovańıńa prˇı´davnou flash pameˇt’ mu˚zˇe syste´m mı´rneˇzpomalit, • Prefetch a Superfetch jsou opeˇt zbytecˇne´, • Volume Shadow Copy slouzˇı´k urychlenı´za´lohovańı´syste´movyćh dat (ukla´dańa disk do zvla´sˇtnı´ oblasti syste´move´soubory, aby mohly by´t za´lohovańy bez nebezpecˇı´ztra´ty integrity na straneˇori- gina´lnıćh souboru˚), ale pokud tato data soustavneˇneza´lohujeme, je tato sluzˇba bez vy´znamu (navıć zbytecˇneˇzabı´ra´mı´sto na disku), • aplikace pro u´plne´mazańı´dat (likvidaci vsˇech stop) fungujı´tak, zˇe mazane´mı´sto mnohokra´t prˇepisujı´ na´hodny´mi daty; jenzˇe na SSD se ve skutecˇnosti nezapisuje opakovaneˇ na tote´zˇ mı´sto, takzˇe jen zbytecˇneˇsnizˇujeme zˇivotnost disku, • ukla´da´se mnoho dat do log souboru˚, pouzˇı´vajı´se docˇasne´soubory, cookies, atd., takeú mnoha aplikacı´ vcˇetneˇinternetovyćh prohlı´zˇecˇu˚.

Pozna´mka: Starsˇı´ operacˇnı´ syste´my nedoka´zˇou detekovat SSD (poznajı´, zˇe jde o pameˇt’ove´ me´dium, ale ne, zˇe jde o SSD), a proto s tı´mto typem disku zacha´zejı´stejneˇjako s beˇzˇny´m magneticky´m diskem. Proto bychom meˇli potrˇebnańastavenı´prove´st sami, naprˇı´klad vypnout sluzˇbu defragmentace, Prefetch, Superfetch, Ready Boost, Volume Shadow Copy, a takeómezit pouzˇı´vańı´docˇasnyćh souboru˚a dalsˇıćh podobnyćh dat.

Dalsˇı´informace: Rady jak zacha´zet s SSD diskem najdeme na internetu, zajı´mave´jsou naprˇı´klad tipy na http://tombuntu.com/index.php/2008/09/04/four-tweaks-for-using-linux-with-solid-state-drives/. Dalsˇı´informace o SSD: • http://www.chip.cz/clanky/trendy/2009/11/optimalizace-windows-pro-ssd-disky • http://www.svethardware.cz/art doc-90BC248F94714B88C12575B4003F5730.html

R Takeú SSD se pouzˇı´va´technologie NCQ, ale funguje trochu jinak. Take´se pouzˇı´va´fronta 32 (odlozˇenyćh) pozˇadavku˚(prˇena´sˇena´data, ale take´potvrzenı´po vyplneˇnı´pozˇadavku na data), a to oficia´lneˇpro vyrovnańı´ latencı´mezi SSD a syste´mem (vyrovnańı´rozdı´lu˚v rychlosti komunikace). Ve vy´konnostnıćh testech se vsˇak prˇıńos NCQ u SSD moc neprojevuje.

8.7.3 Hybridnı´disky

Hybridnı´disk (SSHD) kombinuje v jednom pouzdrˇe plotny beˇzˇne´ho pevne´ho disku a flash pameˇt’pouzˇı´vanou v SSD. U´ cˇelem je zachovat vysokou kapacitu beˇzˇnyćh disku˚a rychlost SSD. Ve flash cˇipu jsou ulozˇena KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 176 nejcˇasteˇji pouzˇı´vana´data (ale pozor, za´lezˇıńa firmwaru, jak konkre´tneˇbude flash cˇip vyuzˇı´vań), na plot- naćh pevne´ho disku jsou ulozˇena vsˇechna data (tj. flash pameˇt’zde funguje jako obdoba rychle´vyrovna´vacı´ pameˇti, i kdyzˇvyrovna´vacı´pameˇt’ je zde take´). Na trhu existuje take´varianta, kdy flash cˇip je v syste´mu viditelny´jako samostatnyóddı´l (tj. cely´SSHD je videˇt jako disk se dveˇma oddı´ly). Pak ma´smysl nainstalovat na „flash oddı´l“ syste´m a oddı´l z pevne´ho disku pouzˇı´vat na data. Flash cˇip mı´va´jen malou kapacitu (obvykle neˇkolik GB), proto na´ru˚st ceny proti beˇzˇny´m pevny´m disku˚m nenı´velky´. Oproti samotny´m SSD je pravdeˇpodobneˇjsˇı´, zˇe se u hybridnıćh disku˚setka´me s kvalitneˇjsˇı´mi SLC bunˇkami. Obvykle´datove´rozhranıú hybridnıćh disku˚je SATA II nebo SATA III, stejneˇjako u SSD.

8.7.4 Pameˇt’ove´karty

Pameˇt’ove´karty jsou take´flash pameˇti. Prvnı´karty (PCMCIA karty) pouzˇı´valy obvody NOR, soucˇasne´flash pameˇti vcˇetneˇkaret jizˇvyuzˇı´vajıŃAND obvody, stejneˇjako USB flash disky a SSD. Flash pameˇt’je uzavrˇena v tenke´m pouzdrˇe. Kontakty nejsou zakryte´, cozˇnegativneˇovlivnˇuje zˇivotnost (kontakty se postupneˇopotrˇebova´vajıá navıć jsou vystaveny vneˇjsˇı´m vlivu˚m). Pameˇt’ovyćh karet existuje vıće druhu˚. Jsou navza´jem nekompatibilnıá lisˇı´se i svy´mi rozmeˇry.Nekompabitility se dajı´vyrˇesˇit koupenı´m redukce. Pameˇt’ove´karty se veˇtsˇinou pouzˇı´vajı´v prˇenosnyćh zarˇı´zenıćh (smartphony, PDA, notebooky, digita´lnı´ fotoapara´ty, videokamery, apod.), ale lze koupit i cˇtecˇku pro desktop.

SD (Secure Digital) meˇla kapacitu pu˚vodneˇomezenou na 2 GB. Noveˇjsˇı´forma, SDHC (take´SD 2.0), ma´jizˇ vysˇsˇı´kapacitu (neˇkolik desı´tek GB, do 32 GB), jen ji nelze pouzˇı´vat ve starsˇıćh cˇtecˇkaćh pro SD. V soucˇasne´ dobeˇse mu˚zˇeme setkat i s dalsˇı´generacı´– SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) ma´hornı´hranici 2 TB. Opeˇt je trˇeba mı´t cˇtecˇku podporujıćı´tento forma´t. Existujı´take´rozmeˇroveˇmensˇı´varianty microSD (cˇasto slouzˇı´k rozsˇı´rˇenı´pameˇti smartphonu˚) a miniSD. Co se rychlosti tyćˇe, pro SD karty existuje neˇkolik rychlostnıćh trˇı´d: • Class 2 prˇedstavuje minima´lnı´rychlost za´pisu 2 MB/s, • Class 4 znamena´minima´lneˇ4 MB/s, • Class 6 znamena´minima´lneˇ6 MB/s, • Class 10 znamena´minima´lneˇ10 MB/s. Rychlostnı´trˇı´da by meˇla by´t uvedena na karteˇpod logem. Obvykle s dodrzˇenı´m teˇchto rychlostıńeby´va´ proble´m, SD karty mı´vajı´v rea´lu dokonce vysˇsˇıńezˇuda´vanou rychlost. R U neˇkteryćh karet se take´mu˚zˇeme setkat s oznacˇenı´m Speed-Rating. Jedna´se o na´sobnost rychlosti pu˚vodnı´ CD mechaniky podle cˇervene´ knihy (tj. na´sobek 150 kB/s). Naprˇı´klad oznacˇenı´ 40× znamena´ rychlost za´pisu 40 × 150 kB/s, tj. 6 MB/s, tedy odpovı´daóznacˇenıĆlass 6.

Dalsˇı´typy pameˇt’ovy´ch karet: Compact Flash, Memory Stick, MultiMedia Card, atd.

Dalsˇı´informace: KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 177

Detailnı´porovnańı´ru˚znyćh pameˇt’ovyćh karet: http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison of memory cards

8.8 Za´lohova´nı´a archivace

Za´lohovańı´(backup) je uchova´vańı´dat, informacıá veˇdomostı´(obvykle pravidelne´– dennı´, ty´dennı´, meˇsıćˇnı´) za ućˇelem jejich obnovy v prˇı´padeˇposˇkozenı´dat na pu˚vodnı´m umı´steˇnı´. Prova´dı´se na prˇepisova- telne´me´dium (pa´ska, magnetoopticky´disk, opticky´disk). Cı´lem je co nejrychlejsˇı´zaćhrana dat po hava´rii, ochrana provozuschopnosti informacˇnı´soustavy, apod. Typy za´loh: 1. vyćhozı´za´loha syste´mu – slouzˇı´k rychleóbnoveˇstavu syste´mu v prˇı´padeˇjeho posˇkozenı´, za´lohuje se hned po instalaci syste´mu a programove´ho vybavenı´ 2. u´plna´za´loha – podobneˇjako vyćhozı´, ale prova´dı´se pravidelneˇa za´lohuje se vsˇe stanovene´ 3. inkrementa´lnı´ – jednou se provede u´plna´za´loha, pak se pravidelneˇprova´deˇjıínkrementa´lnı´za´lohy obsahujıćı´pouze ty soubory, ktere´byly zmeˇneˇny od poslednı´ho za´lohovańı´(u´plne´ho nebo inkrementa´lnı´ho); kdyzˇobnovujeme z inkrementa´lnı´za´lohy, musı´me projı´t vsˇechny za´lohy od zacˇa´tku (prvotnı´ u´plnou a pak aplikujeme jednotliveínkrementa´lnı´) 4. rozdı´lova´ – take´je jednou provedena u´plna´za´loha, a da´le je pravidelneˇvytva´rˇena rozdı´lova´za´loha vzhledem k teú´plne´, tj. v rozdı´love´jsou vsˇechny soubory, ktere´byly vytvorˇeny nebo zmeˇneˇny od doby, kdy byla vytvorˇena u´plna´za´loha (jedna rozdı´lovaóbsahuje vsˇe, co by jinak bylo v cele´m souhrnu inkrementa´lnıćh za´loh); obnova dat z rozdı´love´za´lohy je rychlejsˇı´, bereme nejdrˇı´v u´plnou za´lohu a pak poslednı´provedenou rozdı´lovou

Archivace je uchovańı´dat na obvykle velmi dlouhou dobu (prˇı´p. stanovena´za´konna´lhu˚ta) za ućˇelem jejich prˇı´padne´ho dalsˇı´ho vyuzˇitı´(naprˇı´klad mobilnıópera´torˇi musıúchova´vat za´kladnıínformace o ho- vorech svyćh klientu˚). Prova´dı´se na prˇepisovatelneńebo neprˇepisovatelne´me´dium, obvykle se nepocˇı´ta´ s jejich aktualizacı´. Cı´lem je dlouhodobaú´schova dat, uvolneˇnı´prostrˇedku˚pro jineúćˇely, atd.

8.8.1 R Magneticka´pa´ska

Za´kladem magneticke´pa´sky je pa´sek z fo´lie (polyesterovańebo z podobne´ho materia´lu s chemicky vy´hod- neˇjsˇı´mi vlastnostmi) dlouha´desı´tky azˇstovky metru˚, na ni (z jedneńebo obou stran) je nanesena tenka´ magneticka´vrstva (o tlousˇt’ce v mikrometrech). Pa´ska je navinuta na cı´vku, mu˚zˇe by´t za´rovenˇs druhou cı´vkou uzavrˇena v kazeteˇ. Narozdı´l od veˇtsˇiny ostatnıćh pameˇt’ovyćh me´diı´se prˇi cˇtenı´/za´pisu pohybuje pa´ska, nikoliv hlavy. Vy´hodou je velmi prˇı´znivy´pomeˇr cena/vy´kon a dlouha´zˇivotnost, nevy´hodou sekvencˇnı´prˇı´stup.

17Zdroj: http://www.root.cz/clanky/pametova-media-pouzivana-u-osmibitovych-mikropocitacu/ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 178

Drˇı´ve byly magneticke´pa´sky beˇzˇneú sa´lovyćh po- cˇı´tacˇu˚, dnes se pouzˇı´vajı´ jako za´lohovacı´ me´dium (vysoka´ kapacita, prˇi simultańnı´m za´znamu vysoka´ rychlost). U za´lohovacıćh pa´sek se pouzˇı´vajı´pa´sky vıćestope´ (8 stop nebo na´sobek 8, prˇı´padneˇplus paritnı´stopy). Sinclair ZX Microdrive je povazˇovańa za prˇechodnou formu mezi kazetami s pa´skami a disketami. Pa´ska je navinuta na jedinećı´vce, jejı´konce byly spojeny (Mo¨biova smycˇka). Dı´ky spojenı´koncu˚nebylo nutneímplemento- vat zpeˇtne´prˇevı´jenı´, cozˇzvy´sˇilo zˇivotnost pa´sky a zkra´- tilo pru˚meˇrnou prˇı´stupovou dobu k datu˚m. Tento prin- Obra´zek 8.19: Mo¨biova smycˇka v ZX Microdrive 17 cip (vylepsˇeny´) se pozdeˇji pouzˇı´val i v dalsˇıćh me´diıćh, a v noveˇjsˇı´m AV zarˇı´zenı´ dodnes se vyuzˇı´va´v audiovizua´lnı´technice.

8.8.2 Pa´sky momenta´lneˇpouzˇı´vane´pro za´lohova´nı´

Nosnou vrstvou pa´sky je pruzˇny´plast, na ktere´m je nanesena magneticka´vrstva. Obvykle´datove´rozhranı´ je SCSI, SAS, neˇkdy RJ-45, SATA nebo USB. V soucˇasne´dobeˇse setka´va´me s pa´skami vyuzˇı´vajıćı´mi jeden z teˇchto zpu˚sobu˚za´znamu: 1. linea´rnı´serpentinovy´za´pis 2. spira´lovy´za´znam (Helical) Srovnańı´ za´kladnı´ho principu teˇchto zpu˚sobu˚ za´znamu vcˇetneˇ role cˇtecıćh/za´pisovyćh hlav vidı´me na obra´zku 8.20.

Obra´zek 8.20: Srovna´nı´linea´rnı´ho serpentinove´ho (vlevo) a spira´love´ho (vpravo) za´znamu

Narozdı´l od optickyćh me´diı´se magneticke´pa´sky vyznacˇujı´velmi dobrou zˇivotnostı´– podle konkre´tnı´ho materia´lu, provedenıá technologie za´znamu i v desı´tkaćh let. Kapacita se u jednotlivyćh technologiı´znacˇneˇ lisˇı´, i levneˇjsˇı´typy mı´vajı´beˇzˇneˇkapacitu v desı´tkaćh GB. U kvalitneˇjsˇıćh pa´sek by´va´beˇzˇna´hardwarova´ komprese. DAT pa´sky jsou levne´(v prˇepocˇtu na jednotku ulozˇeneínformace). Materia´l je podobny´tomu, co drˇı´v bylo pouzˇı´vańo u video- a zvukovyćh kazet, princip za´pisu take´(pouzˇı´va´spira´lovy´za´znam). Forma´t odpovı´da´ KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 179 stary´m zvukovy´m kazeta´m. V soucˇasne´dobeˇse DAT pa´sky dostanou v neˇkolika variantaćh – DDS2, . . . , DDS6. Mu˚zˇeme se take´ setkat s oznacˇenı´m DAT 72, DAT 160, apod. podle kapacity (naprˇı´klad DAT 72 ma´kapacitu 72 GB). Datova´ propustnost noveˇjsˇıćh verzı´je kolem 10 MB/s.

Obra´zek 8.21: DAT mechanika a kazeta

DLT (Digital Linear Tape) jsou o neˇco drazˇsˇı´, ale obvykle mı´vajı´vysˇsˇı´kapacitu a rychlost za´pisu. Pouzˇı´va´ linea´rnı´serpentinovy´za´znam. Noveˇjsˇı´verze – SDLT – vyuzˇı´va´k synchronizaci cˇtecı´ch/za´pisovy´ch hlav laser.

LTO, Ultrium (Linear Tape Open) vyu- zˇı´va´linea´rnı´vıćekana´lovy´serpentinovy´za´pis na pu˚lpalcove´pa´sce a hardwarovou kompresi dat. Dnes se u LTO pa´sek setka´va´me prˇedevsˇı´m s variantou Ultrium s 384 pode´lny´mi stopami prˇi de´lce pa´sky 600 m. Pro urychlenıćˇtenı´dat lze v jednom okamzˇiku lze cˇı´st 8 sousednıćh stop (u noveˇjsˇıćh dokonce jesˇteˇvıće). Typicka´ kapacita je ve stovkaćh GB azˇjednotkaćh TB.

AIT (Advance Intelligent Tape) vyuzˇı´va´spira´- Obra´zek 8.22: Mechanika Ultrium s rozhranı´m SAS, sada lovy´za´znam dat na 8mm pa´sce (existujı´verze s pu˚lpalcovou pa´skou).

Obra´zek 8.23: DLT kazeta, kazeta LTO Ultrium a kazata AIT KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 180

8.9 R Co se chysta´u pevny´ch disku˚

SSD zatı´m nejsou tolik rozsˇı´rˇeny, kromeˇjine´ho z du˚vodu jejich vysokećeny (take´pomeˇru cena/kapacita). Prˇedpokla´da´se pokles cen nejen SSD, ale obecneˇvsˇech NAND flash pameˇtı´. Podobneˇjako u procesoru˚, takeú NAND pameˇtı´se hovorˇıó xx-nanometrove´technologii vy´roby (momenta´lneˇveˇtsˇinou 34nm nebo 50nm). Probı´ha´postupny´prˇechod na novou 25nm technologii. Se zmeˇnou technologie prˇicha´zejıí dalsˇı´zmeˇny – zatı´mco u 34nm a 50nm SSD je velikost strańky 4 kB, u 25nm SSD je velikost strańky 8 kB.

HAMR disky (Heat-Assisted Magnetic Recording) je technologie, ktera´vycha´zı´z pu˚vodnı´ho magneticke´ho za´znamu na klasickyćh pevnyćh discıćh a prˇida´va´jednu du˚lezˇitou vlastnost, ktera´zprˇesnˇuje za´pis (jeden bit, vlastneˇimpuls, je mozˇne´zapsat do mnohem mensˇı´ho mı´sta) – umozˇnˇuje vysˇsˇı´hustotu za´pisu. Beˇhem za´pisu docha´zı´k zahrˇa´tı´povrchu plotny nad Curieu˚v bod pomocı´laseru, cˇı´mzˇse zmeˇnı´fyzika´lnı´ vlastnosti povrchu a je mozˇneúmı´stit impuls prˇesneˇji. Vpodstateˇse jednaó princip velmi podobny´tomu, na ktere´m fungujı´magnetoopticke´disky. HAMR disk uzˇbyl vyvinut firmou Seagate, ocˇeka´va´se jeho uvedenıńa trh.

HRD. Uzˇcela´le´ta probı´ha´vy´zkum technologie, ktera´ma´by´t pokracˇovańı´m klasickyćh pevnyćh disku˚ a konkurencı´ noveˇjsˇıćh SSD. Jedna´ se o HRD (Hard Rectangular Drive). Da´ se rˇıćt, zˇe tato technologie kombinuje vy´hody klasickyćh pevnyćh disku˚(HDD), SSD a taky starobylyćh bubnovyćh pameˇtı´. Princip je na´sledujıćı´: • data jsou ulozˇena na obde´lnı´kove´ plotneˇ (rectangular), ktera´ nahrazuje pu˚vodnı´ kotoucˇe z HDD, za´znam je oboustranny´, • na obou stranaćh plotny jsou obde´lnı´kove´sektory, • kazˇdy´sektor ma´vlastnıćˇtecı´/za´pisovou hlavu, hlavy jsou naneseny litografickou cestou na povrchy obklopujıćı´datovou plotnu, • celkem je 64 hlav, ktere´mohou pracovat paralelneˇ(vıć zatı´m firmware prototypu nezvla´dne), • hlavy se nepohybujı´, naopak se pohybuje (kmita´, osciluje) plotna s daty (maxima´lnı´rozsah pohybu odpovı´da´rozmeˇru˚m jednoho sektoru). Zverˇejneˇny´ prototyp o kapaciteˇ 36 GB pracuje s rychlostı´ 160 000 iops (vstupneˇ/vy´stupnıćh operacı´ za sekundu), cozˇodpovı´da´klasicke´mu HDD pracujıćı´mu na 96 000 rpm. Teoreticka´prˇenosova´rychlost je 500 MB/s, cozˇje dokonce vy´razneˇvıće nezˇu SSD (SSD mı´vajı´rychlost cˇtenıńeˇco nad 200 MB/s, HDD jen v desı´tkaćh MB/s). Podobneˇjako SSD, take´HRD majıńı´zkou spotrˇebu energie, vysˇsˇıódolnost (nenı´tam klasicky´motorek roztaćˇejıćı´plotny) a navıć, protozˇe se jednaó magneticke´me´dium, nehrozıópotrˇebenı´ pameˇt’ovyćh buneˇk, se ktery´m se setka´va´me u SSD. HRD je vyvı´jen spolecˇnostı´DataSlide ve spolupraći s neˇktery´mi univerzitami.

Dalsˇı´informace: • http://pctuning.tyden.cz/hardware/disky-cd-dvd-br/18914?start=5 KAPITOLA 8 VNEˇ JSˇI´ PAMEˇ TI 181

• http://www.theregister.co.uk/2009/06/15/dataslide berkeleydb/

Kapitola 9

Rozsˇirˇujı´cı´karty

V te´to kapitole se veˇnujeme rozsˇirˇujıćı´m karta´m, zejmeńa graficke´, zvukoveá sı´t’ove´karteˇ.

9.1 Co je to rozsˇirˇujı´cı´karta

Rozsˇirˇujıćı´karta (adapte´r, prˇı´davna´karta) je modul, ktery´m se rozsˇirˇuje funkcˇnost za´kladnı´desky. Je vyrobena z podobne´ho materia´lu jako za´kladnı´deska a ma´hodneˇpodobnou strukturu. Prˇipojuje se k za´kladnı´ desce (a tı´m i k procesoru) zasunutı´m do slotu˚na sbeˇrnici. Pokud ma´karta vneˇjsˇı´konektory, jsou umı´steˇny na jedne´straneˇ(hraneˇ), ktera´je dostupna´vneˇskrˇıńeˇ. Karty rozlisˇujeme prˇedevsˇı´m podle urcˇenı´(funkce) – graficka´, sı´t’ova´, zvukova´, atd. Podle rozhranı´: • typ slotu (sbeˇrnice) na za´kladnı´desce – IDE, PCI, AGP, PCIe×1, PCIe×16, ExpressCard • prˇipojenı´periferiıńa kartu – vneˇjsˇıá vnitrˇnı´konektory

9.2 Graﬁcka´karta

Graficka´ karta (videokarta) slouzˇı´ k ovla´dańı´ grafiky zobrazene´ veˇtsˇinou na monitoru. Jejı´m u´kolem je zpracovat a transformovat graficka´data do podoby, ktere´rozumı´monitor cˇi jina´zarˇı´zenı´ke karteˇprˇipojena´. Dnes by´vaćˇasto integrovanańa za´kladnı´desce, u notebooku˚je to prakticky pravidlem. V te´to dobeˇjsou nejbeˇzˇneˇjsˇı´graficke´karty firem ATI a nVidia. U integrovanyćh grafik se vlastneˇnejednaó karty jako takove´, proto spı´sˇe mluvı´me o grafickyćh cˇipech (pokud se jedna´ o samostatny´ cˇip na za´kladnı´ desce) a nebo spı´sˇe o grafickyćh ja´drech (integrovanyćh v cˇipsetu nebo procesoru). Integrovane´grafiky majı´tyto vlastnosti: • pro kancela´rˇske´pouzˇitı´dostacˇujıćı´ • levneˇjsˇı´(usˇetrˇı´me neˇkolik tisıć korun) • pameˇt’si bere z operacˇnı´pameˇti, tedy spolupraće grafiky s pameˇtı´je pomalejsˇı´, zateˇzˇuje za´kladnı´desku • volı´se spı´sˇe slabsˇı´graficka´ja´dra, aby za´kladnı´deska nebyla tak zateˇzˇovana´

182 KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJI´CI´ KARTY 183

Graﬁcke´karty (dedikovane´, tj. ne integrovane´) prˇipojujeme do slotu teˇchto sbeˇrnic: • AGP – starsˇı´karty • PCIe×16

9.2.1 Za´kladnı´typy zobrazenı´a obsah videopameˇti

Textovy´rezˇim umozˇnˇuje zobrazovat jen text (v barvaćh, prˇı´- padneˇblikajıćı´). Setka´me se s nı´m obvykle prˇi startu syste´mu, v BIOSu (ne v jeho pokracˇovatelıćh) a v textovyćh konzolaćh (take´Prˇı´kazovy´rˇa´dek Windows pracuje v textove´m rezˇimu, trˇe- Obra´zek 9.1: Spodnı´hrana grafickyćh ka- 2 bazˇe emulovane´m), drˇı´v byl beˇzˇnyńa termina´lech. ret AGP (nahorˇe) a PCIe×16 Textovy´rezˇim lze provozovat v neˇkolika ru˚znyćh rozlisˇenıćh (pocˇet rˇa´dku˚a sloupcu˚na zobrazitelne´znaky), naprˇı´klad 80 × 25 znamena´80 sloupcu˚a 25 rˇa´dku˚, na obrazovku se vejde celkem 80 × 25 = 2000 znaku˚. V ko´dove´tabulce (tabulce znaku˚) jsou specifikace pro jednotlive´znaky. Tyto tabulky mu˚zˇeme bra´t jako pole znaku˚, kazˇdy´znak ma´v tomto poli svu˚j index (porˇadı´), tedy cˇı´slo, ktere´(za´rovenˇs informacıó tom, se kterou tabulkou pra´veˇpracujeme) jednoznacˇneˇtento znak urcˇuje. Takovyćh ko´dovyćh tabulek existuje vıće. Hlavnıódlisˇnost je v pocˇtu bitu˚(nebo Bytu˚), do kteryćh je index (ko´d) ulozˇen, a samozrˇejmeˇv tom, jake´znaky v tabulce jsou. Od pocˇtu bitu˚na znak se odvı´jı´take´ rozsah tabulky a tı´m i mnozˇstvı´znaku˚, ktere´v se v tabulce nacha´zejı´. U na´s se v MS-DOSu pouzˇı´vala tabulka Latin2, ve Windows uzˇmnoho let prˇetrva´vala tabulka Windows 1250, na obra´zku 9.2 je jejich porovnańı´. Obeˇtyto tabulky ko´dujı´znaky do 8 bitu˚, a tedy lze podle nich reprezentovat maxima´lneˇ256 znaku˚(28). V soucˇasne´dobeˇto rozhodneˇnestacˇı´(zvla´sˇteˇu vyćhodnıćh jazyku˚, kde jeden znak neprˇedstavuje hla´sku, ale obvykle slabiku nebo cele´slovo), proto se cˇasto pouzˇı´vajıńeˇktere´tabulky s ko´dem Unicode, nejcˇasteˇji ve formeˇoznacˇovane´jako UTF-8. V Linuxu i v jinyćh unixovyćh syste´mech se uzˇvelmi dlouho pouzˇı´va´ ko´dovańıÚTF-8 (pro vsˇechny jazyky), ve Windows od verze 2000 konecˇneˇtake´. R Existuje neˇkolik variant Unicode – UTF-32 (vsˇechny znaky ko´duje do 32 bitu˚), UTF-16 (neˇktere´znaky na 16 bitech, jineńa pa´ru dvou 16bitovyćh cˇı´sel) a UTF-8 (jeden znak je ko´dovań 8, 16, 24 nebo 32 bity). Ne- vy´hodou promeˇnlive´de´lky ko´du˚znaku˚je slozˇiteˇjsˇı´zpracovańı´, vy´hodou je (oproti „pevne´sˇı´rˇce“) pomeˇrneˇ u´sporna´velikost souboru˚s tı´mto ko´dem prˇi zachovańı´velke´ho mnozˇstvı´znaku˚, ktere´lze reprezentovat.

Dalsˇı´informace: UTF-8 si mu˚zˇeme prohle´dnout naprˇı´klad na http://www.ftrain.com/unicode/ (nad tabulkou je neˇkolik posuvnı´ku˚, ktery´mi urcˇujeme zobrazovane´ko´dy).

2Zdroj: http://www.tomshardware.com/reviews/pc-interfaces-101,1177-16.html KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJI´CI´ KARTY 184

Obra´zek 9.2: ASCII tabulky Latin2 a Windows 1250

V textove´m rezˇimu je obrazovka rozdeˇlena na rastr (mrˇı´zˇku) z buneˇk pro znaky usporˇa´danyćh do urcˇite´ho pocˇtu rˇa´dku˚a sloupcu˚. Obsah teˇchto buneˇk je ulozˇen ve videopameˇti, cozˇje pameˇt’ovy´prostor pro udrzˇovańı´ aktua´lnı´ho stavu obrazovky, mu˚zˇeme si ho prˇedstavit jako 2D pole. Pro kazˇdou bunˇku jsou zde ulozˇeny dveˇ informace – ASCII ko´d znaku, ktery´ma´by´t zobrazen, a da´le jeho atribut. Kazˇda´z teˇchto informacı´zabı´ra´ jeden Byte, pro kazˇdou bunˇku tedy ma´me ve videopameˇti 2 B. Fyzicky jsou ve videopameˇti bunˇky ulozˇeny „po rˇa´dcıćh“ za sebou, tj. nejdrˇı´v prvnı´rˇa´dek, pak druhy´, atd. Atribut znaku urcˇuje prˇedevsˇı´m barvu. V nejbeˇzˇneˇjsˇı´m textove´m rezˇimu ma´me tedy pro atribut k dis- pozoci 8 bitu˚, z nichzˇhornı´4 se pouzˇı´vajı´pro barvu samotne´ho znaku (24 = 16 ru˚znyćh barev), dalsˇı´3 bity pro barvu pozadı´znaku (23 = 8 ru˚znyćh barev) a zby´vajıćı´bit (v pozici mezi zmıńeˇny´mi 4 a 3 bity) urcˇuje, zda ma´znak blikat.

M Prˇı´klad9.1 Naprˇı´klad na obrazovce je zobrazen tento barevny´text: a b c pokud jsou ve videopameˇti tyto u´daje:

1B 1B 1B 1B 1B 1B Znak Atribut Znak Atribut Znak Atribut ’a’ 0000 1111 ’b’ 0001 1110 ’c’ 0000 0100 ...

Atribut se skla´da´z osmi bitu˚, ktereúrcˇujı´barvu pozadı´, textu a fakt, zda ma´znak blikat. Vy´znam jednotlivyćh bitu˚je na´sledujıćı´: 1 bit 3 bity 4 bity blink barva pozadı´ barva textu M KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 185

R Strańky v textove´m rezˇimu: strańka je pameˇt’ovy´blok ve videopameˇti obsahujıćı´zobrazitelna´data, na jednu strańku se vejde obsah obrazovky (ve skutecˇnosti se na ni vejde jesˇteˇo neˇco vıće, velikosti strańek jsou zarovnańy obvykle na na´sobky kB). V graficke´m rezˇimu velikost strańky prˇiblizˇneˇodpovı´da´rozlisˇenı´ a barevne´ hloubce, v textove´m rezˇimu je velikost dvojna´sobek pocˇtu zobrazitelnyćh znaku˚ (ASCII ko´d a atribut) zaokrouhlenyńahoru na mocninu dvou. Veˇtsˇina karet v textove´m (neˇkdy i graficke´m) rezˇimu umozˇnˇuje pouzˇı´vat strańky, se ktery´mi lze pracovat i „offline“ – pro jedinou obrazovku existuje vıće strańek, z nichzˇ jen jedna je pra´veˇ vykreslena, ale lze ukla´dat data na kteroukoliv ze strańek a pak jen „prˇepnout“ zobrazenıńa tuto strańku. Vy´hodou je rychlejsˇı´ vykreslovańı´, protozˇe prˇi prova´deˇnı´zmeˇn na zobrazene´strańce se po kazˇde´zmeˇneˇvykreslıćelaóbrazovka (trˇeba zmeˇna jedine´ho znaku nebo jeho barvy), ale zmeˇny na strańce, ktera´ nenı´ zrovna zobrazena´, se vykreslujı´, azˇse strańka zaktivnı´.

Graficky´rezˇim umozˇnˇuje zobrazovat matici pixelu˚(zobrazitelnyćh bodu˚). Kazˇdy´pixel je urcˇen pouze svou barvou z dane´palety barev. Ve videopameˇti (Frame Bufferu) je ulozˇena informace o kazˇde´m pixelu zvla´sˇt’ a tedy pracujeme s jednotlivy´mi pixely nebo stanoveny´mi skupinami pixelu˚(naprˇı´klad na u´secˇce, krˇivce). Mnozˇstvı´potrˇebne´pameˇti se odvı´jıód rozlisˇenıóbrazovky a barevne´hloubky (velikosti palety, mnozˇstvı´barev, ktere´lze zobrazit), opeˇt jsou ve videopameˇti u´daje „po rˇa´dcıćh“, jen mı´sto buneˇk se znakem a atributem tam ma´me ulozˇenu barvu, kterou ma´dany´pixel zobrazovat. Mnozˇstvı´zabrane´pameˇti je tedy ovlivneˇno teˇmito parametry: • cˇı´m veˇtsˇı´rozlisˇenı´je pouzˇito, tı´m vıće pixelu˚je trˇeba ulozˇit, • cˇı´m veˇtsˇı´je barevna´hloubka (cˇı´m vıće barev), tı´m vıć bitu˚zabı´ra´jeden pixel, • dalsˇı´parametry mohou souviset s funkcemi podporovany´mi kartou. V graficke´m rezˇimu je mezi procesem a videopameˇtı´vzˇdy rozhranı´, ktere´za´pis jednotlivyćh objektu˚(naprˇı´- klad u´secˇek, krˇivek, kruzˇnic nebo i slozˇiteˇjsˇıćh 3D objektu˚) prˇekla´dańa praći s pixely.

Pseudografika nabı´zı´mozˇnosti praće s (hruby´mi) graficky´mi objekty v textove´m rezˇimu. Obra´zky nebo ru˚zne´ prvky rozhranı´ (menu, tlacˇı´tka, tabulky apod.) vytva´rˇı´me pomocı´ specia´lnıćh znaku˚ (ru˚zneˇ velkeóbde´lnı´ky, intenzita je dańa maskou rastru obde´lnı´ka), a to monochromatickeńebo barevne´(co nabı´zı´ textovy´rezˇim). Naprˇı´klad v Latin2 lze pouzˇı´t znaky s ASCII ko´dem 176, 177, 178, 219, 220, 224, da´le jednoducheá dvojite´„tabulkove´“ cˇa´ry, ale i beˇzˇna´pı´smena. S pseudograficky´m rozhranı´m se setka´va´me v BIOS Setup, ale i v mnoha dalsˇıćh aplikacıćh. Vpravo je uka´zka jednoduche´ho vystıńovane´ho tlacˇı´tka vytvorˇene´ho z pseudografickyćh znaku˚.

9.2.2 Vy´voj graﬁcky´ch karet

R Historie • CGA (Color Graphics Adapter) – kompatibilita s televizemi, 4 barvy • MDA (Monchrome Display Adapter) – 2 barvy • Hercules –oproti MDA zvla´da´take´monochromaticky´graﬁcky´rezˇim KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJI´CI´ KARTY 186

• EGA (Enhanced Graphics Adapter) – 16 barev z palety 64 mozˇnyćh • VGA (Video Graphics Array) – 16 barev, ale mnohem sˇirsˇı´ za´kladnı´ paleta pro vy´beˇr (218 barev), pouzˇı´vala rozlisˇenı´640×480 pixelu˚ • SVGA – zacˇaly se pouzˇı´vat grafickeákcelera´tory, ze zacˇa´tku jen mozˇnost vykreslenıńejcˇasteˇji pouzˇı´- vanyćh za´kladnıćh tvaru˚(u´secˇky, hardwarovy´kurzor, vyplnˇovańıóblasti apod.) – grafickyćˇip Vy´voj grafickyćh karet sˇel od u´lozˇnyćh prostoru˚pro videopameˇt’prˇes 3D akcelera´tory azˇk dnesˇnı´m GPU. 3D akcelera´tory byly vlastneˇgrafickyćˇipset, ktery´meˇl vlastnı´jednoduche´grafickeÁPI (aplikacˇnı´programove´rozhranı´, tedy sadu funkcı´, ktery´mi ho bylo mozˇneóvla´dat) a prova´deˇl typicky zpracovańıóbjektove´ 3D reprezentace obrazu do 2D pole pixelu˚ve videopameˇti. Akcelera´tor se mu rˇı´ka´, protozˇe urychluje zob- razovańı´(vy´pocˇty nemusı´prova´deˇt procesor, navıć 3D akcelera´tor je na neˇspecializovań). GPU (graficky´procesor, Graphic Processing Unit) je dalsˇı´generacı´, svou funkcˇnostı´trochu prˇipomıńa´ CPU (beˇzˇny´procesor). GPU majı´sveÁPI (v soucˇasne´dobeˇcˇasto neˇkterou verzi DirectX, OpenGL a dalsˇıÁPI). S GPU tedy proces mu˚zˇe prˇı´mo komunikovat pomocı´prˇı´kazu˚prˇı´slusˇne´ho API, bez zapojovańı´hlavnı´ho procesoru. V soucˇasne´dobeˇse setka´va´me prˇedevsˇı´m s graficky´mi kartami teˇchto vy´robcu˚: • nejzna´meˇjsˇı´jsou nVidia a AMD (pu˚vodneˇsˇlo o firmu ATI, ktera´vsˇak nynı´patrˇı´firmeˇAMD, proto dnes mluvı´me o grafikaćh znacˇky AMD), • VIA Technologies (hodneˇv integrovanyćh rˇesˇenıćh), • Intel produkuje pouze integrovane´grafiky, a to obvykle pro za´kladnı´desky s paticı´pro intelovske´ procesory cˇi pro GPU v procesorech, • R dalsˇı´vy´robci se specializujı´jen na urcˇitećˇa´sti trhu (naprˇı´klad firma Matrox se specializuje na vyuzˇitı´ grafiky prˇi CAD syste´mech a zpracovańı´videa), • mnoho vy´robcu˚grafickyćh karet ve skutecˇnosti na teˇchto kartaćh pouzˇı´va´grafickećˇipy od jinyćh (vy´sˇe zmıńeˇnyćh) firem, naprˇı´klad Asus, Gigabyte, MSI cˇi Zotac, veˇtsˇinou jsou pouzˇı´vańy cˇipy od ATI nebo nVidia.

9.2.3 Struktura graﬁcke´karty

Graficka´karta se obvykle skla´da´z teˇchto komponent: • graficky´procesor (GPU), • pameˇt’, • RAMDAC (D/A prˇevodnı´k), pouzˇı´va´se pouze tehdy, kdyzˇk (digita´lnı´) grafice prˇipojujeme zobrazo- vacı´zarˇı´zenı´prˇes analogovy´konektor, trˇeba D-SUB (pokud u LCD pouzˇijeme rozhranı´DVI-D nebo DVI-I, prˇı´padneˇHDMI nebo podobne´, RAMDAC nepotrˇebujeme), • chlazenı´(vzduchove´, ale i vodnı´), slabsˇı´m karta´m stacˇı´pasivnıćhlazenı´, • VIVO (Video-in, Video-out) je obvod, kteryúmozˇnˇuje take´prˇijı´mat signa´l z televize nebo neˇktere´ho videozarˇı´zenı´, za´rovenˇs nı´m najdeme i rozhranı´TV-IN; tato funkce nenıú grafickyćh karet zcela beˇzˇna´, • atd. KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 187

Pameˇt’ graficke´karty (coby pameˇt’ovećˇipy) slouzˇı´k ulozˇenı´teˇchto informacı´: • BIOS karty (firmware) • vlastnı´ videopameˇt’ s obsahem obrazovky (Frame Buffer – zobrazovane´„ra´mce“) • L1 a L2 cache Provedenı´pameˇtı´pro graficke´karty mu˚zˇe by´t ru˚zne´: • DRAM, EDO RAM, SDRAM – starsˇı´, levne´, ale meńeˇvy´konne´ • VRAM (VideoRAM, dvouportova´, dvoubranova´) – lepsˇı´rˇesˇenı´, vy´konneˇjsˇı´, drazˇsˇı´, je mozˇne´za´rovenˇ cˇı´st a zapisovat • dalsˇı´starsˇı´varianty – SGRAM (Synchronous Graphic RAM) dovolujıćı´blokoveóperace, WRAM (Win- dow RAM) dvouportova´s blokovy´mi operacemi • GDDR pameˇti (Graphics Double Data Rate) – pameˇti urcˇene´prˇı´mo pro graficke´karty, dnes bud’ starsˇı´ GDDR3 nebo noveˇjsˇı´GDDR5 (majı´zhruba dvojna´sobnou propustnost a cˇtvrtinovou spotrˇebu oproti GDDR3) • HBM (High Bandwidth Memory) – standardizovańo r. 2013, nejnoveˇjsˇı´pameˇti od AMD a Hynixu, vysˇsˇı´propustnost nezˇGDDR Na soucˇasnyćh lepsˇıćh grafickyćh kartaćh najdeme obvykle GDDR pameˇti, na levneˇjsˇıćh kartaćh jsou veˇtsˇi- nou pameˇti DDR3 nebo DDR2. V obchodech neˇkdy mu˚zˇeme narazit na specifikaci pameˇti DDR5, ale takova´, jak vı´me, zatı´m neexistuje, tedy zrˇejmeˇpu˚jde o GDDR5. Graficky´procesor (GPU) vypocˇı´ta´va´postupneˇvsˇechny potrˇebne´parametry obrazu a urcˇı´konkre´tnı´ hodnoty pixelu˚na ru˚znyćh pozicıćh ve videopameˇti. GPU beˇzˇneˇpouzˇı´vajı´skala´rnıárchitekturu, tedy pipeline se nazy´vaćesta pro zpracovańıínstrukcı´, dnesˇnı´GPU majı´vıće pipelines pracujıćıćh paralelneˇ. GPU tedy beˇzˇneˇzpracova´va´data paralelneˇ. To sice umıí soucˇasne´procesory (CPU), ale jsou zde jiste´ odlisˇnosti. Prˇedneˇgraficky´procesor obsahuje mnohem vıće jader (nazy´vajı´se stream procesory, je jich neˇkolik desı´tek azˇstovek) a take´vıće pameˇti (porovna´va´me cache pameˇt’ procesoru a (G)DDR pameˇt’ graficke´ho procesoru).

Pozna´mka: Slabinou grafickyćh procesoru˚je zacha´zenı´se stream procesory – tyto jednotky by´vajı´sdruzˇeny do skupin (clusteru˚), na jednom vy´pocˇetnı´m vla´kneˇvzˇdy spolupracuje cely´jeden cluster. V ra´mci jednoho clusteru vsˇak mu˚zˇe by´t prova´deˇn jen jeden typ operace, tedy narozdı´l od beˇzˇne´ho procesoru zde masivnı´paralelismus urychluje vy´pocˇet jen v prˇı´padeˇ, zˇe zpracova´va´me velke´mnozˇstvı´dat stejne´ho typu (uplatnˇujı´se na neˇ stejneóperace). Proto GPU mohou by´t pro urcˇite´ typy u´loh rychlejsˇı´ nezˇ hlavnı´ procesor, ale pouze tehdy, pokud jde o potrˇebu paralelneˇ a opakovaneˇ prova´deˇt podobny´ typ vy´pocˇtu˚. Vyuzˇı´va´ se toho samozrˇejmeˇ prˇi zpracovańı´grafiky a multime´diı´, ale existujıáplikace pro vyuzˇitı´GPU pro veˇdecke´vy´pocˇty, a nebo pro sˇifrovańıćˇi naopak prolamovańı´bezpecˇnostnıćh mechanismu˚(typicky metodou hrube´sı´ly, kdy se zkousˇejı´ ru˚zne´kombinace znaku˚cˇi cˇı´sel). KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 188

Stream procesor (shader). Stream procesory by´vajı´takeńazy´vańy shadery (kazˇdy´vy´robce ma´svu˚j „pojem“). GPU mańa vstupu strukturovanou informaci o objektech (kostra dana´polynomem, textura, atd.), plańovacˇvy´pocˇetnıćh vla´ken (Thread Sheduler) podle tohoto vstupu rozdeˇluje u´koly jednotlivy´m shaderu˚m. Rozlisˇujeme • geometry shader doka´zˇe take´generovat nove´jednoducheóbjekty nebo dotva´rˇet existujıćı´, mu˚zˇe naprˇı´- klad prˇidat cˇi ubrat body polygonu, upravit kostru apod., toho se vyuzˇı´va´prˇi generovańı´zmeˇn obrazu v rea´lne´m cˇase (naprˇı´klad zaru˚stańı´tra´vou) • vertex shader (vertex je vrchol 3D polygonu) podle instrukcı´vytva´rˇıá zpracova´va´3D sceńu, urcˇuje viditelnost objektu˚(vza´jemne´prˇekry´vańı´), spolupracuje na prˇevodu z 3D do 2D prostoru • pixel shader pracuje s barvou a pru˚hlednostıóbjektu˚, prova´dı´povrchoveú´pravy, pracuje s texturami, urcˇuje vzhled povrchu objektu˚ Vy´stupem je 2D pole pixelu˚ve videopameˇti, kde si je prˇi urcˇite´„obnovovacı´“ frekvenci vyzveda´va´zobra- zovacı´zarˇı´zenı´. DirectX 10 prˇineslo jesˇteˇjednu podstatnou zmeˇnu. Graficke´karty, ktere´podporujı´toto API, pouzˇı´vajı´ mı´sto zcela samostatnyćh a oddeˇlenyćh vertex, pixel a geometry shaderu˚ unifikovane´shadery, ktere´doka´zˇou plnit u´koly vsˇech trˇı´typu˚shaderu˚podle momenta´lnı´potrˇeby, jejich funkce jsou zameˇnitelne´(fungujı´jako geometry/vertex/pixel shadery podle potrˇeby). Du˚sledkem je navy´sˇenı´vy´konu karty, protozˇe prˇi vytı´zˇenı´ lze zameˇstna´vat vsˇechny shadery. R V GPU jsou stream procesory sdruzˇeny do TPC (Thread Processing Cluster, Vector Unit). Da´le zde najdeme cache pameˇti, ROP jednotky (Raster Operation Processor, Element Render Back-End) prova´deˇjıćı´ rasterizaci (prˇevod na pixely), texturovacı´jednotky (zpracova´vajı´texturu – povrch objektu˚, pracujı´s tzv. texely), kontrolnı´jednotky a dalsˇı´soucˇa´sti. R Pipeline – postupne´zpracovańı´. Grafickeínstrukce jsou zpracova´vańy na´sledovneˇ: 1. prˇı´pravny´procesor (Setup Engine, Input Assembler) – roztrˇı´dı´data podle typu a urcˇı´, jak se majı´da´le zpracovat 2. na´sleduje • vertex shader – pokud jsou data informace o 3D strukturˇe • pixel shader – jde o informace o pixelech na objektech • texturovacı´jednotka – informace o texturˇe (jak ma´by´t povrch zpracovań) 3. vertex shader: • kontrola, zda objekt ma´by´t viditelny´, kdyzˇne, je odstraneˇn (frustum culling – pohledoveórˇeza´- vańı´), takte´zˇjsou zpracovańy vsˇechny objekty, ktere´jsou prˇı´lisˇdaleko (clipping) • nasvıćenı´sceńy – sceńa se nasvı´tı´„virtua´lnı´mi svı´tidly“ 4. prˇevod do 2D (screening, rendering) – pixel shader: • stıńovańı´– vypocˇte barvu, pru˚hlednost, odrazivost jedotlivyćh pixelu˚ • kazˇdy´pixel zı´ska´va´za´kladnıínformace o barveˇ 5. textury – obra´zky a sche´mata se nanesou na objekty s aplikacıínformacı´pixel shaderu, jeden bod textury se nazy´va´ texel KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 189

6. ROP – rasterizace obrazu 7. anti-aliasing – vyhlazenı´„schodu˚“ na hranaćh 8. hotovyóbraz je ulozˇen do frame bufferu a je prˇipraven k zobrazenı´ R Rychlost grafickyćh karet za´visıńa vıće krite´riıćh. Propustnost za´visıńa typu a rychlosti pameˇtı´(takto- vańı´) a sˇı´rˇce pameˇt’ove´sbeˇrnice. Dalsˇı´krite´rium pro rychlost je pocˇet stream procesoru˚a dalsˇıćh soucˇa´stı´ pipeline, ale unifikovaneá neunifikovane´shadery nejsou porovnatelne´(toto srovna´vacı´krite´rium mu˚zˇeme pouzˇı´t pouze pro struktura´lneˇprˇı´buzne´karty), navıć jsou teˇzˇko porovnatelneí karty ru˚znyćh vy´robcu˚(pro- tozˇe naprˇı´klad AMD, nVidia a VIA pouzˇı´vajı´ru˚znou koncepci shaderu˚– AMD ma´superskala´rnı´jednotky unifikovanyćh shaderu˚, nVidia skala´rnı´jednotky unifikovanyćh shaderu˚, VIA ma´take´vlastnı´koncepci). Na poli GPU (grafickyćh procesoru˚) je neusta´le sva´deˇn lı´ty´boj. Nejveˇtsˇı´mi protivnı´ky jsou tradicˇneˇfirmy ATI (vlastneˇAMD) a nVidia, ale objevujı´se i rˇesˇenıód jinyćh firem.

Dalsˇıínformace: Na webu mu˚zˇeme najı´t zajı´maveínformace: • O technologii nVidia ION (druhe´generaci) v kombinacı´s intelovskou technologiıÓptimus se docˇteme v cˇlańku z brˇezna 2010: http://extrahardware.cnews.cz/nvidia-ion-nova-generace-se-predstavuje • O GPU Larrabee od Intelu je cˇlańek ze srpna 2008 na http://extrahardware.cnews.cz/larrabee-revolucni-gpu- od-intelu • Poneˇkud pesimisticky z kveˇtna 2010: http://www.anandtech.com/show/3738/intel-kills-larrabee-gpu-will-not- bring-a-discrete-graphics-product-to-market • Cˇlańek z cˇervna 2010: http://bonusweb.idnes.cz/hardware/hw-news-larrabee-neni-mrtve-pro-hrace-ale-nebude -frv-/clanek.A100602 121934 bw-hardware jha.idn • O architekturˇe nVidia Fermi, ktera´ podle spekulacı´ meˇla by´t odpoveˇdı´ na intelovsky´ Larrabee, se docˇteme v cˇlańku ze za´rˇı´2009 na http://extrahardware.cnews.cz/z-grafik-se-stavaji-procesory-nvidia-gf100-fermi • Takeó Fermi, tentokra´t z rˇı´jna 2009: http://pctuning.tyden.cz/hardware/graficke-karty/15131-nvidia-fermi-analyza-nove-generace-gpu • Z ledna 2010: http://www.svethardware.cz/art doc-BBD5F2AFB02438E0C12576A50032EC39.html • Dalsˇıćˇlańek o Fermi, srpen 2010: http://extrahardware.cnews.cz/nvidia-chce-hrace-zpet-recenze-geforce-gtx-460 • Ze strańek nVidia: http://www.nvidia.com/object/fermi architecture.html

9.2.4 R Graﬁcke´API

GrafickaÁPI slouzˇı´k hardwaroveákceleraci graficke´ho vy´stupu, jde o sadu prˇı´kazu˚a objektu˚ulozˇenyćh v knihovnaćh, ktere´jsou interpretovańy softwarem na graficke´karteˇ. Nejzna´meˇjsˇı´grafickaÁPI jsou DirectX a OpenGL. KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 190

Pouzˇı´vajı´se v graficky na´rocˇnyćh aplikacıćh (hry, CAD/CAM syste´my, virtua´lnı´realita, veˇdeckotech- nicke´vizualizace, apod.). DirectX • API urcˇene´spı´sˇe pro Windows a XBox • skla´da´se z vıće cˇa´stı´– Direct3D, DirectDraw, DirectMusic, DirectPlay, DirectSound, atd. s ru˚zny´m urcˇenı´m, • verze DirectX 10 (pro Windows Vista) je velmi pozmeˇneˇna´, zava´dı´ unifikovany´shader.

Dalsˇıínformace: Zajı´mavyćˇlańek o porovnańıímplementace DirectX 11 u karet od ATI a nVidie najdeme na http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2010/dirextx11.html

OpenGL (Open Graphics Library) • prˇenositelneÁPI pro ru˚zneóperacˇnı´syste´my • volneˇsˇirˇitelna´specifikace, narozdı´l od DirectX je zpeˇtneˇkompatibilnı´ • nove´verze znamenajı´prˇedevsˇı´m prˇida´vańıńovyćh funkcı´ Zpracovańı´velke´ho mnozˇstvı´dat stejne´ho typu je typicke´pra´veˇpro u´lohy z grafiky, ale potencia´l graficke´ho procesoru se da´vyuzˇı´t i jinak. Existujı´zpu˚soby, jak vyuzˇı´t graficky´procesor jako „na´stavbu“ procesoru prˇi zpracova´vańıú´loh, prˇi nichzˇlze pra´veˇvyuzˇı´t masivnı´paralelismus na velke´mnozˇstvı´dat stejne´ho typu – veˇdecke´vy´pocˇty a zpracovańı´multime´diı´(v te´to oblasti je zna´mańaprˇı´klad firma CyberLink). V oblasti veˇdeckyćh vy´pocˇtu˚je to naprˇı´klad Folding@Home, cozˇje celosveˇtovy´projekt v molekula´rnı´m vy´zkumu vy´voje nemocı´. V oblasti zpracovańı´multime´diı´je zastoupenı´pomeˇrneˇpocˇetne´, prˇedevsˇı´m u produktu˚od firmy CyberLink (naprˇı´klad CyberLink PowerDVD pro prˇevod filmu˚do HD rozlisˇenı´), z dalsˇıćh naprˇı´klad Badaboom od firmy Elemental Technologies pro prˇevod videa prostrˇednictvı´m kodeku H.264 nebo Adobe Photoshop CS4, ktery´vyuzˇı´va´GPU kromeˇjine´ho prˇi zveˇtsˇovańı´snı´mku˚v plne´m rozlisˇenı´v rea´lne´m cˇase. Pokud programujeme aplikaci, u ktere´prˇedpokla´da´me mozˇnost beˇhu mnoha vla´ken, a to i na GPU, ma´me k dispozici vıće zajı´mavyćh technologiı´– nVidia CUDA (Compute Unified Device Architecture), ATI Stream, OpenCL, apod. Jsou to vesmeˇs technologie umozˇnˇujıćı´vyuzˇı´t vy´kon grafickyćh karet pro paralelnı´ vy´pocˇty (naprˇı´klad v oblasti fyziky, desˇifrovańıćˇi multime´diı´), ktere´by na beˇzˇne´m procesoru byly velmi vy´pocˇetneˇna´rocˇne´. Technologie vycha´zejı´z toho, zˇe soucˇasne´graficke´karty disponujı´velky´m mnozˇstvı´m vy´pocˇetnıćh jader, kterańarozdı´l od (neˇkolika ma´lo) jader beˇzˇnyćh CPU (procesoru˚) sice mohou paralelneˇ pracovat jen na stejne´m typu u´lohy, ale vzhledem k jejich mnozˇstvı´mimorˇa´dneˇefektivneˇ.

Dalsˇıínformace: • ZAORA´ LEK, L. U´ vod do technologie CUDA.Cˇlańek na Root.cz, 2009. URL: http://www.root.cz/clanky/uvod-do-technologie-cuda/ • Oficia´lnı´strańky nVidia CUDA. URL: http://www.nvidia.com/object/cuda home new.html KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 191

• Oficia´lnı´strańky pro vy´voja´rˇe nVidia. URL: http://developer.nvidia.com/page/home.html (v cˇa´sti Tools najdete odkaz na vy´vojoveńa´stroje a dokumentaci pro vy´voja´rˇe) • ABI-CHAHLA, F. NVidia’s CUDA: The End of the CPU?Cˇlańek na Tom’s Hardware, 2008. URL: http://www.tomshardware.com/reviews/nvidia-cuda-gpu,1954.html • CUDA od nVidie ma´konkurenci: ATI Stream.Cˇlańek na Gamepark.cz, 2009. URL: http://www.gamepark.cz/cuda od nvidie ma konkurenci ati stream 190816.htm • KOZA´ K, M. Na´vod: Jak prˇehra´t H264 pomocıĆUDA.Cˇlańek na Snedl.net, 2009. URL: http://woko.snedl.net/navod-jak-prehravat-h264-pomoci-cuda/ • CUDA na Wikipedii. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/CUDA (najdete zde take´mnoho odkazu˚na dalsˇı´ zdroje) • VA´ GNER, A. NVidia: Fyzika na vsˇech grafikaćh s podporou CUDA.Cˇlańek na Zˇ iveˇ.cz, 2008. URL: http://www.zive.cz/Titulni-strana/Nvidia-fyzika-na-vsech-grafikach-s-podporou-CUDA/sc-21 -sr-1-a-140339/default.aspx • Oficia´lnı´strańky ATI Stream. URL: http://www.amd.com/US/PRODUCTS/TECHNOLOGIES/ STREAM-TECHNOLOGY/Pages/stream-technology.aspx • AMD hodla´zprˇı´stupnit ATI Stream pro beˇzˇneúzˇivatele.Cˇlańek na DiIT.cz, 2008. URL: http://www.diit.cz/clanek/amd-hodla-zpristupnit-ati-stream-pro-bezne-uzivatele/25765/ • Oficia´lnı´strańky pro vy´voja´rˇe AMD (ATI Stream). URL: http://developer.amd.com/gpu/atistreamsdk/pages/default.aspx • Fakta o AMD ATI Stream.Cˇlańek na Federmann.cz, 2008. URL: http://www.federmann.cz/index.php/amd/80-amd-buldozer/217-fakta-o-amd-ati-stream • VAN WINKLE, V. ATI Stream: Finally, CUDA Has Competition.Cˇlańek na Tom’s Hardware, 2009. URL: http://www.tomshardware.com/reviews/amd-stream-gpgpu,2335.html • GREVER, S. ATI Stream vs. NVIDIA CUDA – GPGPU Computing Battle Royale.Cˇlańek na PC Perspective, 2009. URL: http://www.pcper.com/article.php?aid=745 • Oficia´lnı´strańky sdruzˇenı´Khronos Group o OpenCL. URL: http://www.khronos.org/opencl/ • SˇTEFEK, P. OpenCL – konkurent pro DirectX?Cˇlańek na Sveˇt Hardware, 2009. URL: http://www.svethardware.cz/art doc-B9ED46E97608F292C125754C00729F2E.html • OpenCL na strańkaćh nVidia CUDA. URL: http://www.nvidia.com/object/cuda opencl new.html

9.2.5 Napa´jenı´karty

Slabsˇı´karty jsou napa´jeny prˇes sbeˇrnici, ale vy´konneˇjsˇı´karty vyzˇadujı´ prˇı´davneńapa´jenı´. Pokud nenı´zajisˇteˇno, pracujı´v „u´sporne´m rezˇimu“, ktery´vy´konem odpovı´da´dokonce jen integrovany´m karta´m. Pouzˇı´va´se 4 azˇ 8pinovy´kabel pro PCIe karty,obvykle 6pinovy´(prˇipojı´se ke karteˇa za´kladnı´desce). Pokud na za´kladnı´desce nenı´prˇı´slusˇny´konektor, pouzˇije se redukce na dva 4pinove´Molex konektory. Zdroj by meˇl by´t vy´konneˇjsˇı´ (400–500 W, prˇi pouzˇitı´vıće karet jesˇteˇvıć, take´za´lezˇıńa vy´konu karty a ućˇinnosti zdroje – viz kapitolu 11).

3Zdroj: http://www.legitreviews.com/article/730/1/ KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJI´CI´ KARTY 192

Obra´zek 9.3: Napa´jecı´konektor karty – 6pinovy´, 8pinovy´, redukce3

9.2.6 R TV tuner

TV tuner slouzˇıóbvykle k prˇı´jmu televiznı´ho signa´lu. Lze ho zı´skat bud’ jako soucˇa´st graficke´karty, a nebo ve formeˇsamostatne´karty (bud’ do PCI cˇi PCI×1 slotu nebo externı´prˇipojovany´prˇes USB). Takeéxistujı´ notebookove´TV tunery k prˇipojenı´do ExpressCard slotu. Jake´vlastnosti na´s mohou u TV tuneru zajı´mat: • analogovy´(signa´ly PAL, SECAM, NTSC) cˇi digita´lni (DVB-T, DVB-S apod.), • vstupy – video vstup (S-VIDEO, composite), vstup z anteńy prˇes koaxia´l, • PIP (Picture in Picture) – umozˇnˇuje zobrazovat zˇivy´prˇenos „v okneˇ“, za´rovenˇmu˚zˇe beˇzˇet jiny´video signa´l (trˇeba ulozˇenyńa PC), apod. TV tuner je cˇasto nutne´propojit se zvukovou kartou.

9.2.7 R Paralelnı´zapojenı´karet

Pokud potrˇebujeme vysˇsˇı´graficky´vy´kon, nezˇjakyńabı´zı´jedina´graficka´karta, existuje mozˇnost propojenı´ vıće karet. Vy´kon paralelnı´ho zapojenı´vıće karet se mu˚zˇe rovnat azˇsoucˇtu vy´konu˚vsˇech zapojenyćh karet (obvykle je o neˇco nizˇsˇıńezˇpouhy´soucˇet). V soucˇasnosti existujı´dveˇrˇesˇenı´– od firem nVidia a ATI.

Obra´zek 9.4: NVidia SLI a detail SLI mu˚stku˚ KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 193 nVidia SLI (Scalable Link Interface) je standard od firmy nVidia. Karty ve slotu PCIe×16 jsou spojeny SLI mu˚stkem. Lze pouzˇı´t dveˇazˇcˇtyrˇi karty (3-way SLI, Quad SLI), existuje take´rˇesˇenı´Hybrid SLI (spolupraće integrovane´karty a PCIe karty). SLI musı´podporovat za´kladnı´deska (cˇipset SLI) a samozrˇejmeˇtake´pouzˇite´ karty (take´by meˇly by´t stejne´ho typu). Prˇi instalaci SLI je nutneńa za´kladnı´desce prˇepnout prˇepıńacˇdo pozice pro dveˇkarty (nebo vıće) a prove´st konfiguraci v BIOSu. Obraz je rozdeˇlen na cˇa´sti, kazˇdaćˇa´st je prˇideˇlena jedne´karteˇ (naprˇı´klad u dvou karet jedna karta pocˇı´ta´hornı´polovinu obra´zku, druha´pocˇı´ta´spodnı´polovinu). Prˇi pouzˇitı´SLI na dveˇkarty se uda´va´ navy´sˇenı´vy´konu azˇo 90 % oproti jedine´karteˇ. ATI CrossFire je rˇesˇenıód firmy ATI. Lze propojit azˇcˇtyrˇi karty (Quad, ale pouze pro Vistu nebo noveˇjsˇı´verze Windows). U starsˇıćh verzı´se karty propojily vneˇpocˇı´tacˇe kabely, noveˇjsˇı´verze CrossFire pouzˇı´va´vnitrˇnı´mu˚stky jako SLI. Za´kladnı´deska a karty musı´tento rezˇim podporovat, ale narozdı´l od rˇesˇenı´firmy nVidia nemusı´by´t stejne´ho typu. Nenıńutneńastavovat prˇepıńacˇna za´kladnı´desce, konfigurace se prova´dı´pouze v BIOSu. Obra´zek 9.5: ATI CrossFire

Dalsˇıínformace: • http://www.root.cz/serialy/graficke-karty-a-graficke-akceleratory/ • http://notebook.cz/clanky/technologie/2009/graficka-karta • http://notebook.cz/clanky/technologie/2010/graficke-pameti

9.3 Zvukova´karta

9.3.1 Princip

Zvukova´karta je zarˇı´zenı´, ktere´prova´dı´prˇevod mezi analogovy´m (mikrofon) a digita´lnı´m (CD, DVD, soubor apod.) signa´lem, vyra´bı´zvuky z digita´lnıćh dat, odesı´la´do reproduktoru˚. Tvorˇı´rozhranı´k multimedia´lnı´m prˇı´stroju˚m/na´stroju˚m vcˇetneˇprˇı´padnyćh hudebnıćh. Mu˚zˇe by´t v internı´m, externı´m nebo integrovane´m provedenı´. U internıćh se setka´me s rozhranı´m PCI nebo PCIe×1, externı´se obvykle prˇipojujı´prˇes USB nebo do ExpressCard slotu. R Struktura zvukove´karty: 1. Digita´lnıćˇa´st (prˇevodnı´k A/D, D/A) – umozˇnˇuje digita´lnıńahra´vańı´(take´digitalizaci analogove´ho zvuku beˇhem nahra´vańı´) a reprodukci zvuku˚(prˇi reprodukci analogovy´m zarˇı´zenı´m prova´dı´prˇevod na analogovy´zvuk), 2. Synte´za – generuje zvuky, pouzˇı´va´se take´k napodobovańı´zvuku hudebnıćh na´stroju˚, interpretaci souboru˚MIDI nebo k vytva´rˇenı´„hudby“ doprova´zejıćıćˇinnost neˇkteryćh procesu˚, prˇedevsˇı´m her, KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 194

3. Rozhranı´MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – hardwarove´rozhranı´pro digita´lnı´hudebnı´ na´stroje

3D zvuk je du˚lezˇityú neˇkteryćh her, filmu˚a neˇkdy prˇi fyzika´lnı´m modelovańı´. Dociluje se ho dveˇma mozˇny´mi zpu˚soby: 1. pravy´– Dolby Sorround nebo jiny´podobny´standard, pouzˇı´va´se peˇt reproduktoru˚vhodneˇrozmı´steˇ- nyćh 2. emulovany´ – cˇip DSP na zvukove´ karteˇ nebo v reproduktoru upravuje zvuk tak, aby pu˚sobil 3D dojmem Z nejzna´meˇjsˇıćh vy´robcu˚zvukovyćh karet: Creative Labs, Asus, Genius, Sweex, Realtek (obvykle integrovana´). Pokud ma´me integrovanou zvukovou kartu a chceme prˇipojit jinou (internıćˇi externı´), meˇli bychom tu integrovanou vypnout v BIOSu.

9.3.2 Vzorkovacı´frekvence

Zvuky (prˇedevsˇı´m hudba) jsou tvorˇeny ze vzorku˚ (samplu˚) hudebnıćh na´stroju˚. Prˇi vzorkovańı´ (samplovańı´), tj. prˇevodu analogove´ho zvuku (obecneˇ signa´lu) na digita´lnı´ data, se vzˇdy urcˇita´ cˇa´st informace ztraćı´. Princip vidı´me na obra´zku 9.6.

Obra´zek 9.6: Vzorkova´nı´analogove´ho zvuku

Vzorkovacı´frekvence je frekvence, s jakou se zjisˇt’ujı´vzorky (momenta´lnı´hodnoty) analogove´ho zvuku, tyto hodnoty jsou pak digita´lnı´data. Cˇı´m vysˇsˇı´frekvence (cˇasteˇjsˇı´snı´mańı´), tı´m veˇrneˇjsˇı´zvuk po digitalizaci (naprˇı´klad pro zvukovaĆD to by´va´prˇes 44 kHz, tedy 44 000 vzorku˚za sekundu). Vycha´zı´se z toho, zˇe lidskeúcho doka´zˇe vnı´mat v pru˚meˇru rozmezı´18 Hz azˇ18 kHz. R Se vzorkovacı´frekvencı´souvisı´take´pojem za´znamova´hloubka. Je to pocˇet bitu˚, ktery´je pouzˇit pro ulozˇenı´ jednoho vzorku. Vysˇsˇı´za´znamova´hloubka (vıće bitu˚) znamena´jemneˇjsˇı´deˇlenıíntervalu (na obra´zku 9.6 by tento interval byl zakreslen vertika´lneˇ). Obvykla´za´znamova´hloubka je 8 nebo 16 bitu˚. KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 195

9.3.3 R Synte´za zvuku

Synte´za zvuku je vlastneˇ proces opacˇny´ k vzorkova´nı´. Digita´lnı´ data prˇeva´dı´me na zvuk. Existuje vı´ce mozˇnostı´, jak z dat generovat zvuk, lisˇı´se prˇedevsˇı´m kvalitou vy´sledne´ho zvuku a na´rocˇnostı´procesoru prˇevodu.

1. FM synte´za je jednoducha´, levna´, ale neprˇı´lisˇkvalitnı´. Nepouzˇı´vajı´se zˇa´dne´tabulky vzorku˚, zvuky na´stroju˚ jsou generovańy specia´lnı´m cˇipem (syntetiza´tor FM), a to slozˇenı´m vy´sledne´ho zvuku (cozˇ je vlastneˇvlneˇnı´) ze sinusovyćh kmitu˚o urcˇiteámplitudeˇa frekvenci.

2. WaveTable synte´za je drazˇsˇı´, ale obvykle znacˇneˇkvalitneˇjsˇı´. Zvuk se mu˚zˇe prˇiblı´zˇit profesiona´lnı´u´rovni. Jednotlive´vzorky jsou ulozˇeny v pameˇti na karteˇnebo na pevne´m disku (prˇı´stup prˇes ovladacˇ), v horsˇı´m prˇı´padeˇv operacˇnı´pameˇti. Kvalita metody za´visı´na kvaliteˇvzorku˚.

3. MIDI (Musical Instrument Digital Interface) umozˇnˇuje (levne´) karteˇs FM synte´zou pracovat s tabulkou samplu˚, ta je doda´na veˇtsˇinou jako prˇı´davny´modul. Toto rozhranı´slouzˇı´prˇedevsˇı´m ke komunikaci s elektronicky´mi hudebnı´mi na´stroji podporujı´cı´mi MIDI.

4. Synte´za fyzika´lnı´mmodelovańı´m spocˇı´va´v softwaroveémulaci zvuku (naprˇı´klad hudebnı´ho na´stroje) na fyzika´lnıćh principech. Metoda ma´vysokeńa´roky na vy´kon procesoru, ale vy´sledek je na velmi vysoke´ u´rovni.

9.3.4 Rozhranı´

Zvukovou kartu je trˇeba jako vsˇechny ostatnı´karty propojit se za´kladnı´deskou, a da´le obvykle s CD/DVD mechanikou (datovy´-audio kabel, stejneˇjako u disku˚), a pak pomocı´externı´ch konektoru˚s dalsˇı´mi zarˇı´ze- nı´mi, naprˇı´klad reproduktory, ra´diem, hudebnı´mi na´stroji.

Sbeˇrnice pro prˇipojenı´zvukove´karty byla drˇı´ve ISA nebo PCI, dnes se internı´zvukove´karty prˇipojujı´ prˇes PCI nebo PCIe×1. Externı´karty prˇipojujeme veˇtsˇinou prˇes sbeˇrnici USB nebo ExpressCard (u notebooku˚ vybaveny´ch tı´mto externı´m slotem).

R Externı´konektory na zvukovyćh kartaćh: • Line-In (linkovy´vstupnı´) – hudebnı´veˇzˇ, ra´dio, magnetofon, oznacˇen modrou • Line-Out (linkovy´vy´stupnı´) – analogovy´vy´stup pro reproduktory (prˇı´padneˇprˇednı´reproduktory), oznacˇen zelenou • Mic-In – vstup pro mikrofon (analogovy´), oznacˇen ru˚zˇovou • dalsˇı´ barvy – sˇeda´ (zadnı´ reproduktory), cˇerna´ (bocˇnı´ reproduktor), zˇluta´ nebo oranzˇova´ (basovy´ reproduktor) • SPK (Speaker-Out) – Speaker (slucha´tka, pasivnı´reproduktory) • MIDI – pro elektronicke´hudebnıńa´stroje • GamePort, Joystick – prˇipojenı´joysticku nebo jine´ho podobne´ho na´stroje

4Zdroj: http://koalazereeukalipt.wordpress.com/ KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJI´CI´ KARTY 196

Zvukove´karty, prˇedevsˇı´m ty starsˇı´, take´mohou mı´t jako internı´konektor Audio, ktery´m se ke zvukove´ karteˇ prˇipojuje CD/DVD mechanika (je 4pi- novy´). Kabel k tomuto konektoru by´va´veˇtsˇinou doda´vań s CD/DVD mechanikou. Pokud je zvukova´ karta integrovana´, konektor najdeme samozrˇejmeˇ na za´kladnı´ desce. Jeho poloha je odlisˇna´ u ru˚z- nyćh vy´robcu˚, obvykle ji najdeme v dokumentaci k za´kladnı´desce pod na´zvem Internal Audio Con- nector. Pokud ma´me optickou mechaniku prˇipojenu prˇes datove´rozhranı´SATA, tento konektor nenı´za- potrˇebı´. Kvalitneˇjsˇı´karty, ktere´podporujı´vıćekana´lovy´ Obra´zek 9.7: Konektory na zvukove´karteˇ4 zvuk, majı´vıće ru˚zneˇbarevneˇoznacˇenyćh vy´vodu˚. Naprˇı´klad 6kana´love´ majı´ modry´ Line-In, ru˚zˇovy´ Mic-In, da´le zeleny´pro prˇednı´reproduktor (Front Speaker Out), sˇedy´pro zadnı´reproduktor (Rear Speaker Out), zˇlutooranzˇovy´(yellow orange) pro strˇednıńebo basovy´(Center/Subwoofer). 8kana´lovy´mańavıć cˇerne´konektory pro bocˇnı´reproduktory (Side Speaker Out). Mu˚zˇeme se setkat take´s digita´lnı´m vy´stupem, konektor je oznacˇen S/P-DIF (zkratka z na´zvu Sony/Philips Digital Interconnect Format), tento konektor vidı´me na obra´zku 9.7 zcela vlevo.

9.4 Sı´t’ova´karta

9.4.1 Princip

Sı´t’ove´karty spadajı´spı´sˇe do oblasti pocˇı´tacˇovyćh sı´tıá fyzicky pro neˇplatı´mnohe´z toho, co jsme se ucˇili o jinyćh typech karet, proto se zde na neˇpodı´va´me jen kra´tce. Sı´t’ova´karta je zarˇı´zenıúmozˇnˇujıćı´prˇipojit pocˇı´tacˇk sı´ti (obvykle mysˇleno LAN – loka´lnı´sı´t’).Nejcˇasteˇji se setka´me s neˇkterou formou ethernetove´karty s konektorem RJ-45 (prakticky ve vsˇech pocˇı´tacˇıćh i noteboocıćh vyrobenyćh v neˇkolika poslednıćh letech), zvla´sˇteˇu notebooku˚najdeme take´sı´t’ovou kartu pro bezdra´tove´ prˇipojenı´(Wi-Fi kartu). Internı´sı´t’ova´karta se prˇipojuje na sbeˇrnici PCIe×1 nebo PCI. Pokud jde o sı´t’ovou kartu integrovanou na za´kladnı´desce (beˇzˇny´prˇı´pad, hlavneˇu notebooku˚), o sbeˇrnici se samozrˇejmeˇnemusı´me starat. Existujı´take´ externı´sı´t’ove´karty (veˇtsˇinou bezdra´tove´), ktere´se k pocˇı´tacˇi prˇipojujı´veˇtsˇinou prˇes USB nebo ExpressCard. Neˇktere´Wi-Fi karty majı´take´vlastnıánteńu. U sı´t’ovyćh karet na´s zajı´ma´prˇedevsˇı´m jejich rychlost. Ethernetove´karty pro osobnı´pocˇı´tacˇe jizˇbeˇzˇneˇ by´vajı´gigabitove´(Gigabit Ethernet), to pro loka´lnı´sı´t’bohateˇpostacˇı´. U Wi-Fi karet existuje neˇkolik standardu˚, ktere´majı´za´sadnı´vliv na rychlost a takeúrcˇujı´frekvenci, na ktere´se pracuje. To samozrˇejmeˇnenı´vsˇechno, na rychlost majı´vliv i dalsˇı´parametry karet (zejmeńa KAPITOLA 9 ROZSˇIRˇ UJIĆI´ KARTY 197 u standardu IEEE 802.11n), ale to uzˇse ty´ka´spı´sˇe pocˇı´tacˇovyćh sı´tı´. • IEEE 802.11b – frekvence 2,4 GHz, rychlost azˇ11 Mb/s • IEEE 802.11a – frekvence 5 GHz, rychlost azˇ54 Mb/s • IEEE 802.11g – frekvence 2,4 GHz, rychlost azˇ54 Mb/s • IEEE 802.11n – standard byl zverˇejneˇn na podzim roku 2009, frekvence 2,4 nebo 5 GHz, rychlost ve stovkaćh Mb/s • IEEE 802.11ac – frekvence vy´hradneˇ5 GHz, momenta´lneˇnejnoveˇjsˇıá nejrychlejsˇı´rˇesˇenı´; ovsˇem porˇa´d jesˇteˇnenı´vy´beˇr v zarˇı´zenıćh podporujıćıćh tento standard, takzˇe musı´me myslet na to, zda prˇi koupi takove´ho zarˇı´zenı´bude mı´t toto zarˇı´zenı´s cˇı´m komunikovat Vy´robcu˚ sı´t’ovyćh karet je velmi mnoho, z nejzna´meˇjsˇıćh: Intel, D-Link, Zyxel, Netgear, Asus, TP-Link, Belkin, Edimax, Linksys (rˇada vy´robce Cisco).

9.4.2 Souvisejı´cı´technologie

Wake-On (take´Wake-On-LAN) je technologie pro vzda´lene´buzenı´pocˇı´tacˇe (tj. zapnutıńa da´lku). Pocˇı´tacˇs touto sı´t’ovou kartou je mozˇne´zapnout vzda´leneˇpo sı´ti (naprˇı´klad z du˚vodu automatickeú´drzˇby syste´mu), kromeˇpodpory u karty je nutne´mı´t zdroj ATX a podporu u za´kladnı´desky. Abychom mohli tuto technologii pouzˇı´t, v prˇı´padeˇstarsˇı´sı´t’ove´karty musı´me propojit Wake-On (WOL) konektor na sı´t’ove´karteˇs podobneˇoznacˇeny´m na za´- kladnı´desce. U karet pro sbeˇrnici PCI a PCIe×1 to jizˇnenıńutne´, budicı´signa´l vcˇetneˇnapa´jenı´jde prˇes sbeˇrnici. R Sı´t’ova´karta s podporou Wake-On, ktera´je takto prˇipojena´, naslouchańa sı´ti a cˇeka´ na signa´l Wake-On (Magic Packet) se svou MAC adresou. Tento signa´l Obra´zek 9.8: WOL ko- lze generovat na jine´m pocˇı´tacˇi (veˇtsˇinou serveru) specia´lnı´m programem nebo nektor skriptem. Pocˇı´tacˇ, ktery´je zdrojem Magic Packetu, obvykle by´va´v loka´lnı´sı´ti, ale existujı´mozˇnosti (naprˇı´klad prˇes virtua´lnı´sı´t’, tunel apod.), jak tento signa´l dostat do LAN zvencˇı´. Formu Magic Packetu a take´skripty pro rˇı´zenı´Wake-On lze najı´t na internetu.

Vzda´lene´bootovańı´ je mozˇnost bootovat syste´m ze serveru na sı´ti. Sı´t’ova´karta musı´by´t vybavena cˇipem Boot ROM (nebo variantou ROM pameˇti), ve ktere´m je ulozˇen program inicializujıćı´bootovańı´prˇes sı´t’.Pokud pocˇı´tacˇ(pracovnı´stanice) takto nabootuje ze serveru, operacˇnı´syste´m a aplikace beˇzˇıńa serveru a tedy na serveru probı´ha´vesˇkere´vyhodnocovańı´(vy´pocˇty). Samotna´pracovnı´stanice pak funguje jako termina´l (textovyńebo s graficky´m rozhranı´m) pro prˇı´stup k prostrˇedku˚m serveru. R Takto rˇesˇena´sı´t’ se pouzˇı´va´prˇedevsˇı´m pro tenke´(thin) klienty (tj. bezdiskove´stanice). Nenı´vhodna´ pro Windows (aplikace pro Windows jsou velmi objemne´, sı´t’ by se zahltila), ale pro unixove´syste´my je to dostacˇujıćı´. Take´je mozˇne´toto rˇesˇenı´pouzˇı´t pro spousˇteˇnı´diagnostickyćh a administracˇnıćh programu˚, ktere´ke sve´mu provozu nepotrˇebujı´loka´lnıóperacˇnı´syste´m, zajı´mave´mu˚zˇe by´t rˇesˇenı´ve spojenı´m s EFI. Kapitola 10

Vstupnı´a vy´stupnı´zarˇı´zenı´

Te´matem kapitoly jsou vstupnı´, vy´stupnı´a vstupneˇ/vy´stupnı´zarˇı´zenı´. Nejdrˇı´v vsˇechna tato zarˇı´zenı´rozdeˇlı´me podle neˇkolika krite´riı´a potom se postupneˇsoustrˇedı´me na konkre´tnı´typy.

10.1 Vstupy a vy´stupy

Nejdrˇı´v si vsˇechna zarˇı´zenı´, ktera´lze zahrnout do te´to kapitoly, rozdeˇlı´me podle smeˇru toku dat a podle velikosti da´vky zpracova´vany´ch dat.

Podle smeˇru toku dat • vstupnı´– slouzˇı´ke vstupu dat do pocˇı´tacˇe (kla´vesnice, mysˇa dalsˇı´ukazovacı´zarˇı´zenı´, scanner a dalsˇı´ digitalizacˇnı´zarˇı´zenı´, mikrofon, kamera, atd.) • vy´stupnı´– slouzˇı´k vy´stupu dat z pocˇı´tacˇe (monitor, tiska´rna, plotter, reproduktory, apod.) • vstupneˇ/vy´stupnı´– obojı´(dotykova´obrazovka, multifunkcˇnı´zarˇı´zenı´, atd.)

Podle velikosti da´vky zpracova´vany´ch dat • znakova´– mala´sˇı´rˇka prˇenosu, neˇkolik znaku˚(mysˇ, kla´vesnice) • blokova´– veˇtsˇı´sˇı´rˇka prˇenosu, blok dat prˇena´sˇeny´do urcˇite´mı´ry paralelneˇ(pameˇt’ova´zarˇı´zenı´, tiska´rna) • specia´lnı´– jeden typ dat s velmi malou sˇı´rˇkou prˇenosu (jeden nebo neˇkolik bitu˚), naprˇı´klad cˇasovacˇ

10.2 R Kla´vesnice

Kla´vesnice je znakove´ vstupnı´ zarˇı´zenı´. Obsahuje ru˚zny´ pocˇet kla´ves, a to 101 (US standard), 102 (EU standard), 104 (pro Start nabı´dku a loka´lnı´menu), s multimedia´lnı´mi kla´vesami, a nebo mu˚zˇe jı´t o malou numerickou kla´vesnici, kterou se dajı´rozsˇı´rˇit mozˇnosti notebookovy´ch kla´vesnic. Notebookove´kla´vesnice jsou specia´lnı´prˇı´pad, pocˇet kla´ves nenı´jednotny´a obvykle souvisı´s sˇı´rˇkou prostoru, ktery´je na kla´vesnici vymezen.

198 KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 199

Obra´zek 10.1: Sche´ma kla´vesnice

Typy kla´vesnic: • klasicke´, notebookove´, ergonomicke´, podsvıćene´ • bezpecˇnostnı´(se zabezpecˇovacı´mi prvky) • ohebne´– jsou prachuteˇsneá vodoteˇsne´ • virtua´lnı´(na obrazovce nebo promı´taneńa stu˚l) • pro zrakoveˇpostizˇene´(obdoba psacıćh stroju˚pro Braillovo pı´smo) Zabezpecˇovacı´prvky na kla´vesnicıćh by´vajıúzˇnejen obycˇejne´za´mky, ale cˇasto take´snı´macˇe otisku˚prstu˚.

Princip cˇinnosti kla´vesnic. Kla´vesnice mohou fungovat na ru˚znyćh principech. Nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´technologie jsou na´sledujıćı´: Membrańova´kla´vesnice – elektronicka´membrańa slozˇena´ze trˇı´ fo´liı´. Hornı´fo´lie je zespoda potisˇteˇna vodivy´mi cestami, spodnı´fo´lie je naopak shora potisˇteˇna vodivy´mi cestami (cesty z hornıá spodnı´ fo´lie se navza´jem krˇı´zˇı´, tvorˇı´mrˇı´zˇku), oddeˇlujıćı´vrstva s kruhovy´mi otvory v mı´stech krˇı´zˇenı´vodivyćh cest na okolnıćh fo´liıćh pouze od- deˇluje tyto dveˇfo´lie, kdyzˇzrovna kla´vesa nenı´stisknuta. Prˇi stisknutı´ kla´vesy dojde k sepnutı´vodivyćh cest pod kla´vesou, na jedne´fo´lii je zachycen „rˇa´dek“, na druhe´„sloupec“ v matici kla´ves. Membrańova´kla´vesnice mu˚zˇe by´t prˇekryta jesˇteˇjednou – povrchovou – souvislou vrstvou. Pak je kla´vesnice pokryta souvislou vrstvou bez mezer a tudı´zˇje odolna´proti prachu, tekutina´m, zapa- Obra´zek 10.2: Kla´vesa na kla´vesnici 2 dańı´drobecˇku˚apod. S takovy´mi kla´vesnicemi se setka´va´me naprˇı´- s membrańovou technologiı´ klad u mikrovlnnyćh trub, venkovnıćh kla´vesnic (cˇasto cˇı´selnyćh) nebo v rizikovyćh provozech. Nevy´hodou takove´ho rˇesˇenı´je o neˇco nizˇsˇıćitlivost nezˇu jinyćh technologiı´. Kla´vesnice na principu spıńacˇu˚ (mechanicke´, Chicony) se vyznacˇujıćharakteristicky´m klapavy´m zvukem prˇi stisknutı´kla´vesy, a taky velmi dobrou odolnostıá vy´drzˇı´. Pod kazˇdou kla´vesou je mikrospıńacˇ– stisk- nutı´m kla´vesy stlacˇı´me pruzˇinku, ktera´se na´sledneˇza´rovenˇpodı´lıńa „na´vratu“ kla´vesy do vyćhozı´polohy. Stlacˇena´pruzˇinka zpu˚sobı´prˇiblı´zˇenı´pı´stu ke dveˇma podlozˇka´m, tyto podlozˇky se navza´jem nedoty´kajı´ a majı´kazˇda´jineńapeˇtı´(+/-), tvorˇı´kondenza´tor, pı´st po dosednutıńa podlozˇky zpu˚sobı´snı´zˇenıńapeˇtı´, cozˇ je detekovańo.

2Zdroj: http://www.ewa.cz/pages1/710.htm KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 200

Membrańove´kla´vesnice se spıńacˇi (Dome-Switch, s gumovou membrańou) jsou vlastneˇkombinacı´prˇed- chozıćh dvou – membrańovyćh a spıńacˇovyćh (mechanickyćh). Podobneˇjako u membrańovyćh kla´vesnic, i zde ma´me trˇi fo´lie, z nichzˇ prostrˇednı´ s kruhovy´mi otvory oddeˇluje obeˇ okolnı´. Navıć, podobneˇ jako u mechanickyćh kla´vesnic, zde ma´me spıńacı´mechanismus: hned pod kla´vesami (nad fo´liemi) je gumova´ membrańa, ve ktere´jsou vylisovańy „kopule“ pod kazˇdou kla´vesou (smeˇrem ke kla´vese). Prˇi stisku kla´vesy se ta kopule, ktera´je pod nı´, obra´tı´dolu˚a zpu˚sobıókamzˇite´sepnutı´kontaktu˚na fo´liıćh s vodivy´mi cestami (da´le to funguje stejneˇjako u membrańovyćh). Po uvolneˇnı´kla´vesy se kopule vra´tı´do pu˚vodnı´polohy a zpu˚sobı´ zpeˇtne´vymrsˇteˇnı´(na´vrat) kla´vesy. S tı´mto typem kla´vesnic se u desktopu˚dosud beˇzˇneˇsetka´va´me. Jejich citlivost je lepsˇıńezˇu membrańovyćh kla´vesnic. „Nu˚zˇkova´“ technologie (Scissor-Switch) se dnes hodneˇpouzˇı´va´prˇedevsˇı´m u notebookovyćh kla´vesnic. princip vidı´me na obra´zku 10.3. Pod kla´vesou je nu˚zˇkovy´mechanismus slozˇeny´ze dvou obvykle plastovyćh dı´lu˚. Pod tı´mto mechanismem by´vaóbvykle sada fo´liı´podobneˇjako u membrańove´ kla´vesnice. Oproti Dome-Switch kla´vesnicı´m ma´tento typ kla´vesnic vy´hodu v „mensˇı´m profilu“, kla´vesy nejsou tak vysoke´(cozˇje u prˇenosnyćh zarˇı´zenı´ idea´lnı´). Odolnost a vy´drzˇjsou takeńa dobreú´rovni. Kapacitnı´ kla´vesnice se vyznacˇuje tı´m, zˇe uzˇivatel obvykle ani necı´tı´ Obra´zek 10.3: Kla´vesa s „nu˚zˇ- „klapnutı´“ prˇi stisknutı´kla´vesy. Prˇi stisku kla´vesy se proti sobeˇpohybujı´ kovou“ technologiı´4 dveˇplosˇky (jedna na kla´vese, druhańa podlozˇce), cˇı´mzˇse meˇnı´hodnota odporu mezi teˇmito dveˇma plosˇkami – meˇrˇı´se kapacitnıódpor. Plosˇky se prˇi stisku nemusı´dotknout, stacˇı´, kdyzˇodpor naroste nad urcˇitou hodnotu. Co se deˇje da´l? Po detekovańı´kla´vesy, ktera´byla stisknuta (neˇktery´m z vy´sˇe uvedenyćh mechanismu˚), je zjisˇteˇna´pozice prˇeko´dovańa na cˇı´slo kla´vesy neboli scan ko´d (to zajistı´jednoduchy´pomocny´procesor, ktery´ je dnes v kla´vesnicıćh zcela beˇzˇneˇ) a toto cˇı´slo je odeslańo do pocˇı´tacˇe, kde je zpracovańo beˇzˇny´m zpu˚sobem (obvykle je vyvolańo prˇerusˇenı´kla´vesnice). Prˇipojenı´ kla´vesnice k pocˇı´tacˇi: • DIN – 5 vodicˇu˚, vyuzˇı´vajı´se 4 (ale to je uzˇhistoricka´za´lezˇitost) • PS/2 (MiniDIN6) – dnes cˇasto u desktopu˚, ale tyto kla´vesnice jsou pomalu vytlacˇovańy USB kla´vesnicemi • USB – take´pro notebooky; pokud pracujeme se syste´mem, ktery´„nerozumı´“ USB (naprˇ. MS-DOS), je nutne´v BIOSu aktivovat podporu USB kla´vesnice • bezdra´tova´– komunikacˇnı´prvek se prˇipojı´prˇes PS/2 nebo USB k pocˇı´tacˇi a se samotnou kla´vesnicı´ komunikuje IR nebo ra´diovy´m prˇenosem (BlueTooth), Pokud pocˇı´tacˇnepodporuje konektor, ktery´m lze prˇipojit kla´vesnici, mu˚zˇeme pouzˇı´t redukci. Dnes jsou obvykle´prˇedevsˇı´m redukce mezi PS/2 a USB. Kdyzˇkupujeme kla´vesnici, meˇli bychom si vsˇı´mat neˇkolika veˇcı´: • jake´je rozlozˇenı´kla´ves – nejde jen o to, jak jsou kla´vesy oznacˇeny sˇtı´tky (cˇesˇtina apod.), ale take´kde konkre´tneˇjsou neˇktere´kla´vesy, ktere´budeme potrˇebovat (kurzorove´kla´vesy, zpeˇtne´lomı´tko apod.), jak velka´je kla´vesa Enter, atd.,

4Zdroj: http://lowendmac.com/misc/mr07/1210.html KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 201

• jak se na kla´vesnici pı´sˇe (to je vy´hoda kamennyćh obchodu˚, mu˚zˇeme vyzkousˇet) – jak citlive´jsou kla´vesy, jak jsou velke´, oddeˇlene´, take´„milimetry“ v jejich pozici a velikosti mohou hra´t roli, jak se vracejı´do vyćhozı´pozice (vcˇetneˇprˇı´padne´ho „klapnutı´“), • ergonomicka´– pokud na nı´budeme beˇzˇneˇpsa´t delsˇı´dobu bez prˇerusˇenıá neumı´me „vsˇemi 10“, • rozhranı´(PS/2, USB, bezdra´tova´), • prˇı´davne´kla´vesy, pokud na´s spı´sˇe neobteˇzˇujı´, naprˇı´klad pro spusˇteˇnıínternetove´ho prohlı´zˇecˇe, mail klienta apod., kla´vesnice mu˚zˇe by´t take´vybavena tlacˇı´tky pro vypnutı´/uspańı´pocˇı´tacˇe (to mu˚zˇe by´t velmi zra´dne´, by´vajı´tam, kde se snadno omylem zavadı´), • ma´blok numerickyćh kla´ves? Nejzna´meˇjsˇı´vy´robci jsou Logintech, Chicony, Genius, Microsoft, Hama.

Cˇ isˇteˇnıá u´drzˇba kla´vesnice. Kla´vesnici je potrˇeba takeúdrzˇovat, prˇedevsˇı´m cˇistit a chrańit prˇed veˇtsˇı´m znecˇisˇteˇnı´m. Hlavnı´m neprˇı´telem kla´vesnic (pokud se nejednaó extre´mneˇodolne´kla´vesnice se souvisly´m povrchem) jsou sladkeńa´poje, protozˇe cukr je velmi agresivnı´koroznıćˇinitel (umeˇly´mi sladidly si moc nepolepsˇı´me). Pokud se na´m podarˇı´polı´t kla´vesnici limona´dou (vcˇetneˇ„dospeˇlyćh“ kofeinovyćh limona´d), je trˇeba kla´vesnici okamzˇiteˇodpojit (prˇı´p. vyndat baterie, pokud je bezdra´tova´) a strcˇit pod proud vody (voda je mensˇı´zlo nezˇcukr), je dobre´ji alesponˇcˇa´stecˇneˇrozebrat. Pak necha´me kla´vesnici du˚kladneˇproschnout. Ani po du˚kladneócˇisteˇa vysusˇenı´vsˇak nenı´jiste´, zˇe trvaleńa´sledky nenastanou. Voda je samozrˇejmeˇtake´koroznıćˇinitel, i kdyzˇne tak agresivnı´jako sladkeńa´poje. Pokud kla´vesnici polijeme vodou, je trˇeba ji alesponˇcˇa´stecˇneˇrozebrat a ususˇit. Jestlizˇe ji polijeme cˇajem nebo cˇı´mkoliv jiny´m, meˇli bychom ji nejdrˇı´v vycˇistit.

Pozna´mka: Beˇzˇnaú´drzˇba kla´vesnice spocˇı´va´v obcˇasne´m procˇisˇteˇnı´(obvykle ani nenı´trˇeba ji rozebı´rat). K dostańı´jsou sice kompletnıćˇisticı´sady na kla´vesnice (dobry´da´rek), ale celkem si vystacˇı´me s tı´m, co ma´kazˇdy´doma. Drobecˇky se dajı´vyklepat (opatrneˇ, ani kla´vesnice nevydrzˇı´moc prudke´rańy, stacˇı´protrˇepat), mu˚zˇeme pouzˇı´t i vysavacˇnebo balońek na foukańı´proudu vzduchu cˇi „konzervu“ se stlacˇeny´m vzduchem. Nańos prˇetrva´vajıćı´sˇpıńy vycˇistı´me bud’sˇpejlı´s namotanou vatou nebo (le´pe) vatovou tycˇinkou, kterou namocˇı´me ve velmi slabe´m roztoku vody se sapona´tem (sapona´tu jen kapicˇku), tak se dostaneme i do sˇkvı´r. Veˇtsˇı´plochy vycˇistı´me hadrˇı´kem namocˇeny´m v tomte´zˇroztoku, dobrˇe vyzˇdı´many´m. Opeˇt bychom meˇli kla´vesnici prˇedem odpojit a nechat odpojenou azˇdo u´plne´ho uschnutı´.

Pokud z neˇjake´ho du˚vodu potrˇebujeme kla´vesnici rozebrat, potrˇebujeme sˇroubova´k (obvykle krˇı´zˇovy´). Na spodnı´straneˇkla´vesnice je hodneˇsˇroubku˚, ktere´musı´me odsˇroubovat. Dba´me velkeópatrnosti, protozˇe pokud se na´m kla´vesy rozsypou (po otevrˇenı´to opravdu hrozı´!), da´hodneˇpraće je poskla´dat do pu˚vodnı´ sestavy (doporucˇuje se prˇedem si kla´vesnici vyfotit nebo alesponˇprˇekreslit). I prˇi rozebı´rańı´bychom meˇli mı´t kla´vesnici odpojenou. KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 202

Dalsˇı´informace: • http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/en/Keyboard technology • http://www.ewa.cz/pages1/710.htm • http://news.cnet.com/Behold-the-customizable-keyboard/2100-1043 3-5761554.html?tag=nefd.top • http://www.ergocanada.com/ergo/keyboards/mechanical vs membrane keyswitches.html • http://www.weiwong.com/post/keyboards-and-water-do-not-mix.aspx

10.3 Ukazovacı´zarˇı´zenı´

Mysˇi jsou prvnı´m a nejobvyklejsˇı´m ze za´stupcu˚tzv. „ukazovacıćh“ zarˇı´zenı´. Ukazovacı´zarˇı´zenı´jsou takova´ zarˇı´zenı´, kteraúmozˇnı´svy´m posouvańı´m, posouvańı´m, otaćˇenı´m nebo jiny´m typem pohybu neˇktere´sve´ cˇa´sti nebo jiny´m zpu˚sobem zada´vat sourˇadnice na zobrazovacı´m zarˇı´zenı´(trˇeba obrazovce), a nebo jejich zmeˇny.

10.3.1 R Mysˇ

Mysˇje vstupnı´ukazovacı´zarˇı´zenı´, kde vstupem (tedy vy´stupem mysˇi) jsou sourˇadnice, prˇesneˇji jejich zmeˇna. Kromeˇsourˇadnic mysˇprˇeda´va´pocˇı´tacˇi informace o stisknutı´tlacˇı´tka (mysˇi s jednı´m, dveˇma, trˇemi tlacˇı´tky) a pohybu kolecˇek (scrool). Starsˇı´mysˇi se prˇipojovaly prˇes se´riove´rozhranı´(COM port), v soucˇasnosti se setka´va´me s konektory PS/2, USB nebo bezdra´tovy´mi mysˇmi (IR nebo ra´diove´vlny). Bezdra´tove´mysˇi jsou napa´jeny z bateriı´, prˇı´p. akumula´toru˚(NiMH AA). Existujı´take´3D mysˇi pro pouzˇitı´v 6 smeˇrech, ale moc se neujaly.

Mechanicke´mysˇi mu˚zˇeme podle mechanismu rozdeˇlit do dvou skupin: • optomechanicke´ – pogumovana´ kulicˇka, dva va´lecˇky s kotoucˇky (v kotoucˇcıćh jsou na obvodu dı´rky), LED a fotosenzory • cˇisteˇmechanicke´– mı´sto dı´rek v kotoucˇcıćh a fotosenzoru˚se take´ pouzˇı´valy kovove´plosˇky (kontakty), nad nimi na pla´sˇti pa´rove´kontakty, po dotyku el. signa´l Obra´zek 10.4: Princip mechanicke´mysˇi Optickeá laserove´mysˇi fungujıńa principu detekce odrazu sveˇtla od povrchu (trˇeba stolu). Zatı´mco beˇzˇneópticke´mysˇi pouzˇı´vajı´sveˇtlo z LED diody, laserove´mysˇi osveˇtlujı´podlozˇku IR laserem (oku cˇloveˇka prakticky nesvı´tı´). Osveˇtlenı´(z LED diody nebo laseru) se pomocı´zrca´tek odrazıńa povrch pod mysˇı´, opticky´snı´macˇ(CCD, CMOS prvek) snı´maódraz a zjisˇt’ujezmeˇny. Vy´hodou (oproti mechanicky´m mysˇı´m) je dobra´funkcˇnost i na prasˇne´m povrchu, nevy´hodou zhorsˇena´funkcˇnost na leskle´m povrchu (hu˚rˇe se detekujı´zmeˇny v odrazovosti podlozˇky). KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 203

BlueTrack je varianta opticke´mysˇi. LED emitor vyzarˇuje sˇiroky´paprsek modre´ho sveˇtla, snı´mana´plocha je asi 4× veˇtsˇıńezˇu laserove´mysˇi. Oproti opticky´m a laserovy´m mysˇı´m zvla´da´le´pe leskle´povrchy (azˇna sklo, to se i zde sˇpatneˇdetekuje). Firma Apple prˇisˇla s hybridem mysˇi a dotykoveóbrazovky (nebo mozˇna´touchpadu) – mysˇApple Magic Mouse ma´dotykovy´povrch (technologie MultiTouch), kteryńahrazuje tlacˇı´tka i rolovacı´kolecˇka. Mysˇvynalezl Douhlas Engelbart ze Stanfordske´ho vy´zkumne´ho institutu roku 1963, poprve´byla pouzˇita azˇroku 1968. Princip mechanicke´mysˇi s kulicˇkou vznikl ve vy´vojove´m centru firmy Xerox PARC (William English). „Mysˇovy´boom“ nastal prˇedevsˇı´m s pocˇı´tacˇi Apple roku 1982. V soucˇasne´ dobeˇ se setka´va´me prˇedevsˇı´m s opticky´mi a laserovy´mi mysˇmi, uprˇednostnˇovany´ tvar smeˇrˇuje k veˇtsˇıérgonomii (kdysi byl obvykly´tvar krabicˇky), typickou vy´bavou je take´scroolovacı´(po- souvacı´) kolecˇko. U notebookovyćh (cˇasto rozmeˇroveˇmensˇıćh) mysˇı´se take´mu˚zˇeme setkat s navinovacı´m mechanismem kabelu.

Obra´zek 10.5: BlueTrack, 3D mysˇ5

Nejzna´meˇjsˇı´vy´robci soucˇasny´ch mysˇı´se celkem kryjı´s vy´robci kla´vesnic (ostatneˇcˇasto se setka´me se setem mysˇplus kla´vesnice), tedy Logintech, Genius, Mirosoft apod.

10.3.2 R Trackball, Trackpoint, Touchpad, Tablet

Trackball je kulovyóvladacˇ, kulicˇka vestaveˇna´v plosˇe, ale mu˚zˇe by´t samostatne´zarˇı´zenı´. Jde o „mechanickou mysˇnaruby“, take´by´vajı´poblı´zˇobdoby tlacˇı´tek. S trackballem se dnes uzˇmoc cˇasto nesetka´me. Drˇı´ve by´val u notebooku˚jako na´hrada mysˇi, ale postupneˇbyl nahrazen touchpadem. Velkou nevy´hodou bylo prˇedevsˇı´m zana´sˇenı´kulicˇky sˇpıńou z uzˇivatelovyćh prstu˚, cozˇzpu˚sobovalo neprˇesnost (poskakovańı´ kurzoru), kulicˇku a snı´macı´va´lecˇky bylo trˇeba cˇasto cˇistit.

Trackpoint je kolı´k na kla´vesnici (nebo jine´m povrchu), na kloubu, funguje podobneˇjako joystick. Jsou jı´m vybaveny neˇktere´notebookove´kla´vesnice (mezi kla´vesami oznacˇeny´mi G, H, B, tedy uprostrˇed kla´vesnice). Pohyb trackpointu se prˇena´sˇı´do cˇı´selne´podoby podobneˇjako u mysˇi.

Touchpad je dotykova´ desticˇka, obvykla´ u notebooku˚. Pouzˇı´va´ se uzˇ od roku 1988 (experimenta´lneˇ), masove´ho nasazenı´ se docˇkal roku 1994 na noteboocı´ch Apple PowerBook 500. Lehky´ pohyb prstu na

5Zdroj: http://www.microsoft.com, http://www.anarkikangels.co.uk/3DMouse.aspx KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 204 desticˇce je deko´dovań a prˇena´sˇen do pocˇı´tacˇe, vhodne´ ovladacˇe umozˇnˇujı´ i operaci scrool (rolovańı´) – scrooling je tedy za´lezˇitostıóvladacˇu˚, samotny´touchpad nic takove´ho neumı´.

Dalsˇıínformace: V soucˇasne´ dobeˇ existujı´ dveˇ za´kladnı´ technologie, na kteryćh je touchpad zalozˇen. Obeˇ jsou popsańy naprˇı´klad na http://notebook.cz/clanky/technologie/2009/ovladani-notebooku. Zajı´mavyćˇlańek o dotykove´m ovla´dańıńajdeme takeńa http://www.chip.cz/clanky/trendy/2010/04/dotknete-se-bitu

Obra´zek 10.6: Trackball, trackpoint, touchpad, tablet

Tablet se skla´da´z pevne´podlozˇky a specia´lnı´ho pera. Pero mu˚zˇe by´t aktivnı´ (snı´ma´svu˚j pohyb) nebo pasivnı´ (pohyb pera snı´ma´podlozˇka), aktivnı´pero vyzˇaduje napa´jenıá je obvykle napa´jeno elektromagnetickou indukcı´. U tabletu se kromeˇzmeˇn sourˇadnic (podobneˇjako u mysˇi) take´rozlisˇujı´ru˚zne´prˇı´tlaky. Na kvaliteˇtabletu pak za´visıćelkove´mnozˇstvı´prˇı´tlaku˚, ktere´lze rozlisˇit. Reakcıńa zmeˇnu prˇı´tlaku mu˚zˇe by´t naprˇı´klad zmeˇna tlousˇt’kykreslenećˇa´ry.

Pozna´mka: Z tabletu ve vy´sˇe naznacˇene´m smyslu se beˇhem poslednı´ch let stalo samostatne´zarˇı´zenı´s vlastnı´m operacˇnı´m syste´mem.

10.3.3 R Dotykove´obrazovky

Obrazovka´m samotny´m se budeme veˇnovat pozdeˇji. V prˇı´padeˇobrazovek s mozˇnostı´vstupu (dotykovyćh obrazovek) se pouzˇı´va´pero stejneˇjako u tabletu˚, generuje elektromagneticke´pole. Jinou mozˇnostı´jsou dotykoveóbrazovky, kteryćh se mu˚zˇeme doty´kat prsty, ty vsˇak fungujıńa podobne´m principu. Na zacˇa´tku 70. let 20. stoletı´se neza´visle na sobeˇobjevilo neˇkolik ru˚znyćh rˇesˇenı´dotykovyćh obrazovek, vsˇechny byly tzv. „single-touch“, tedy v jeden okamzˇik doka´zaly zpracovat pouze jeden dotyk (jednı´m prstem). Vıćedotykoveóvla´dańı´(multi-touch) se objevilo azˇv 21. stoletı´, a to v produktech Apple iPhone a MS Surface (dotykovy´stu˚l). KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 205

Existuje vıće ru˚znyćh technologiı´dotykovyćh obrazovek. Nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´jsou • 4vodicˇovaódporova´(rezistivnı´) dotykova´technologie – mozˇnost ovla´dańı´jaky´mkoliv prˇedmeˇtem, pomeˇrneˇ odolna´ proti vneˇjsˇı´m vlivu˚m, ale prˇi posˇkozenı´ svrchnı´ vrstvy zcela prˇestane fungovat, vysoka´prˇesnost, nı´zka´spotrˇeba energie, pru˚zracˇnost prˇiblizˇneˇ80 % • 5vodicˇova´ odporova´ dotykova´ technologie – vy´hody podobneˇ jako u prˇedchozı´, navıć je celkoveˇ odolneˇjsˇı´, vhodnaí do rizikoveˇjsˇıćh a prasˇnyćh provozu˚ • kapacitnı´dotykova´technologie – prˇesnaá odolna´technologie, ale lze ovla´dat pouze prstem • akusticka´dotykova´technologie – pouze prstem nebo kozˇeny´m ukazova´tkem, sveˇtelna´propustnost je lepsˇı´(90 %), vysokaódolnost i proti mnohy´m chemika´liı´m • IR dotykova´technologie (zalozˇenańa sveˇtelneémitaci) – lze je ovla´dat prakticky cˇı´mkoliv, hodneˇse pouzˇı´vaú medicıńskyćh zarˇı´zenı´, pomeˇrneˇdrahe´ • EMR digitize´r – lze ovla´dat pouze specia´lnı´m perem (stylusem), ktery´je nabı´jen z obrazovky pomocı´ el. indukce, pouzˇı´va´se hodneˇu tabletu˚ • opticka´technologie FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) – kamera detekuje zmeˇny odrazu sveˇtla zpu˚sobene´dotykem prstu, je pouzˇitelneí pro velke´displeje

Dalsˇı´informace: • http://www.vekobs.cz/cz technologie.htm • http://www.chip.cz/clanky/trendy/2009/6/revoluce-v-oblasti-displeju-nove-dotykove-obrazovky • http://notebook.cz/clanky/technologie/2009/ovladani-notebooku

10.3.4 R Dalsˇı´

Zarˇı´zenı´pro virtua´lnı´realitu: • helma nebo bry´le, na kazˇdeóko je prˇiva´deˇn trochu jinyóbraz (posunuty´) • hapticka´rukavice – snı´ma´pohyb za´peˇstıá prstu˚, kvalitneˇjsˇı´doka´zˇou simulovat dotyky (tj. vstupneˇ/vy´- stupnı´) • dalsˇı´3D zarˇı´zenı´(3D mysˇi, 3D joysticky apod.) Da´le naprˇı´klad webova´kamera, mikrofon, reproduktory, sveˇtelne´pero pouzˇitelneńa obrazovku, mousepad – podlozˇka mysˇi „bez mysˇi“, hernı´zarˇı´zenı´– joystick, volant, gamepad.

10.3.5 R Netradicˇnı´ovla´da´nı´PC

Pocˇı´tacˇlze ovla´dat i jinak nezˇvy´sˇe popsany´mi prostrˇedky. Kromeˇzarˇı´zenı´, ktera´jsou povazˇovańa za evoluci beˇzˇneˇpouzˇı´vanyćh perifernıćh zarˇı´zenı´, se mu˚zˇeme setkat s ovla´dańı´m pocˇı´tacˇe hlasem, pohyby ocˇıńebo trˇeba mysˇlenkou.

6Zdroj: http://gadgeteer.org.uk/2008/06/05/asus-eee-pictures/ KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 206

Ovladacˇjako potomek mysˇi – tak je nazy´vańo zarˇı´zenıÉEE Stick. Fun- guje na principu prˇevodu fyzicke´ho pohybu rukou na odpovı´dajıćı´pohyby na obrazovce.

Ovla´dańı´PC hlasem dnes vyzˇaduje kvalitnı´mikrofon a zvukovou kartu. Da´le je trˇeba, aby bud’prˇı´slusˇnou podporu nabı´zel operacˇnı´syste´m, a nebo musı´me disponovat prˇı´slusˇnou aplikacı´. Rozpozna´vańı´ hlasu podporujı´ Windows od verze Vista (Ovla´dacı´ panely −→ Mozˇnosti rozpozna´vańı´rˇecˇi). Z aplikacı´pro Windows nebo Linux mu˚zˇeme jmenovat naprˇı´klad MyVoice, MyDictate, IBM ViaVoice, Obra´zek 10.7: EEE Stick6 FreeSpech, KVoiceControl, GVoice, atd.

Snı´mańı´pohybu ocˇı´ umozˇnˇuje rˇı´dit pocˇı´tacˇi cˇloveˇku, jehozˇruce jsou ochr- nuteńebo jinak postizˇene´. Pouzˇı´va´se kamera bud’ na monitoru (starsˇı´rˇesˇenı´) nebo na obrubeˇbry´lı´, a da´le potrˇebujeme software pro rozpoznańıóbrazu. Takovyćh aplikacıéxistuje neˇkolik, k nejlepsˇı´m patrˇıćˇesky´produkt I4Control.

Snı´mańı´mozkoveáktivity prˇedstavuje mozˇnost rˇı´zenı´pocˇı´tacˇe „mysˇlen- kou“. Snı´mańı´mozkoveáktivity se prova´dı´prˇı´strojem na cˇelence (dalsˇıćˇa´st prˇı´stroje je prˇipojena kabelem), princip je podobnyÉEG. Existuje neˇkolik ru˚znyćh rˇesˇenı´(z nejzna´meˇjsˇıćh Neural Impulse Actuator Obra´zek 10.8: I4Control7 od firmy OCZ a EPOC od firmy Emotiv. Ovsˇem v kazˇde´m prˇı´padeˇse musı´me prˇipravit na pomeˇrneˇdlouhe´„ladeˇnı´“, metoda funguje relativneˇspra´vneˇazˇpo nacvicˇenı´. Existujı´take´zpu˚soby ovla´dańı´, ktere´jsou zcela beˇzˇneńaprˇı´klad pro zrakoveˇpostizˇene´, ale beˇzˇnıúzˇiva- tele´se s nimi nesetkajı´(naprˇı´klad Braillu˚v rˇa´dek, ktery´mu˚zˇe slouzˇit jako na´hrada obrazovky, nebo programy, ktere´doka´zˇou prˇecˇı´st textovou informaci z obrazovky).

Obra´zek 10.9: Zarˇı´zenı´NIA a EPOC8

7Zdroj: http://www.petit-os.cz/poloh zariz.php 8Zdroj: http://extrahardware.cnews.cz/ovladejte-hry-mozkem-ocz-neural-impulse-actuator, KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 207

10.4 Vnı´ma´nı´barev

10.4.1 R Lidske´oko vnı´ma´barvy

Lidskeóko vnı´ma´barvy pomocı´dvou typu˚ fotoreceptoru˚: • tycˇinky – pro nı´zkou intenzitu sveˇtla • cˇı´pky – pro vysokou intenzitu sveˇtla Na´s zajı´majı´prˇedevsˇı´m cˇı´pky, protozˇe je trˇeba generovat dobrˇe cˇitelne´(rozpoznatelne´) vy´stupy. Existujı´tyto druhy: • S-typ (short) – rozpoznańı´modre´barvy (kra´tka´vlnova´de´lka sveˇtla) • M-typ (medium) – rozpoznańı´zelene´barvy • L-typ (long) – rozpoznańıćˇervene´barvy (dlouha´vlnova´de´lka)

10.4.2 Pocˇı´tacˇzpracova´va´barvy

Pocˇı´tacˇumı´zpracova´vat pouze cˇı´sla, proto i barvy musı´me prˇeve´st na cˇı´sla. Kazˇdećˇı´slo ma´svu˚j hornı´ limit. Barev je z lidske´ho hlediska nekonecˇny´pocˇet, ale pocˇı´tacˇe nekonecˇno nezvla´dajı´, proto musel by´t vy- mysˇlen zpu˚sob, ktery´m reprezentujeme dostatecˇneˇsˇiroke´spektrum barev pomocı´konecˇnyćh cˇı´sel. Metoda reprezentace barev v pocˇı´tacˇi vycha´zı´z teˇchto za´sad: • kazˇda´barva vznika´kombinacı´ za´kladnıćh barev • jsou urcˇeny tyto za´kladnı´barvy a metoda jejich kombinace Zpu˚sob vnı´mańı´barev lidsky´m okem je du˚lezˇity´pro pochopenı´principu zobrazovacıćh zarˇı´zenı´, je na neˇm zalozˇen samotny´mechanismus zobrazovańı´. Ovsˇem je trˇeba rozlisˇit tato zarˇı´zenı´do dvou typu˚: 1. zarˇı´zenı´, ktera´zobrazujı´generovańı´m sveˇtla o urcˇityćh vlnovyćh de´lkaćh (monitory, generujı´vlastnı´ sveˇtlo – obraz je podsvıćen) 2. zarˇı´zenı´, ktera´vytva´rˇejı´„neelektronicke´“ vy´stupy tisknuteńa papı´r, fo´lii nebo jiny´podobny´materia´l (tiska´rny apod.), a tedy barvy jsou vnı´mańy odrazem sveˇtla od povrchu a vlastnı´sveˇtlo negenerujı´. Prvnı´typ zarˇı´zenı´pouzˇı´vaáditivnı´(prˇicˇı´tacı´) model skla´dańı´barev, druhy´typ zarˇı´zenı´pouzˇı´va´subtraktivnı´ (odecˇı´tacı´) model. Aditivnı´model je urcˇen pro zarˇı´zenı´, ktera´barvy aktivneˇzobrazujı´vyzarˇovańı´m (monitor, projektor). Za´kladnı´barvy jsou cˇervena´, zelenaá modra´(RGB, konkre´tneˇmodel sRGB). Smıćhańı´m vsˇech za´kladnıćh barev v plneíntenziteˇvznikne bı´la´. Subtraktivnı´model je urcˇen pro zarˇı´zenı´, ktera´zobrazujı´pasivneˇ(ne vyzarˇovańı´m), naprˇı´klad tiska´rny. Za´kladnı´barvy jsou cyan (modrozelena´), magenta (cˇervenofialova´) a zˇluta´(CMY). Smıćhańı´m vsˇech barev v plneíntenziteˇvznikne cˇerna´(sˇedocˇerna´). CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Key – black) je typicky´m prˇı´kladem subtraktivnı´ho modelu, ktery´se beˇzˇneˇpouzˇı´va´v tiska´rnaćh. Jedna´se obohacenı´vy´sˇe popsane´ho modelu CMY o cˇernou barvu. Du˚vodu˚ http://www.slashgear.com/emotiv-epoc-brain-reading-gaming-headset-ships-december-21st-for-299-0365021/ KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 208

Obra´zek 10.10: Aditivnıá subtraktivnı´model skla´dańı´barev je vıće – jeden z nich je financˇnı´(samostatna´barva vyjde levneˇji nezˇjejı´mıćhańı´, kdyzˇcˇerna´je prˇi tisku nejpouzˇı´vaneˇjsˇı´) a take´smıćhańı´m CMY se z technickyćh du˚vodu˚neda´zı´skat naprosto cˇistaćˇerna´(zı´skali bychom „sˇpinavou“ tmaveˇsˇedou barvu).

RGB (Red-Green-Blue) je zase typicky´m prˇı´kladem aditivnı´ho modelu. V neˇkolika podobaćh se pouzˇı´va´ prˇedevsˇı´m u monitoru˚a projektoru˚. Ve skutecˇnosti existujıí jineáditivnı´modely nezˇRGB, ostatnı´jsou na RGB prˇeveditelneá obvykle s nimi pracujeme v rozsa´hlejsˇıćh a kvalitneˇjsˇıćh grafickyćh editorech. Jejich ućˇelem je zjednodusˇenı´ nastavenı´ neˇkteryćh vlastnostı´souvisejıćıćh s barvami (naprˇı´klad sveˇtlosti obrazu). My se jimi zaby´vat nebudeme, jsou za´lezˇitostı´prˇedmeˇtu˚zaby´vajıćıćh se zpracovańı´m grafiky.

10.4.3 CIE

Normovacı´syste´m CIE vznikl za ućˇelem sjednocenı´standardu˚pro RGB s tı´m, aby co nejvıće korespondovaly se syste´mem CMYK. Du˚vodem byly zejmeńa cˇetne´proble´my s rozdı´ly mezi zobrazenı´m obra´zku (zejm. fotografie) na monitoru a na´sledny´m vytisknutı´m tohoto obra´zku. Ma´ tyto vlastnosti: • „podkova“ zachycujıćı´sveˇtlo ru˚znyćh vlnovyćh de´lek v za´vislosti na cˇerveneá zelene´, vidı´me ji na obra´zku 10.11, • uvnitrˇ te´to podkovy se stanovı´ body pro za´kladnı´ barvy (tolik bodu˚, kolik za´kladnıćh barev). • konvexnıń-u´helnı´k vznikly´spojenı´m teˇchto bodu˚urcˇuje barevny´ prostor dane´ho modelu. Obra´zek 10.11: Normovacı´syste´m sRGB je starsˇıímplementacıńormovacı´ho syste´mu CIE (roku 1996) CIE10 pu˚vodneˇpro CRT monitory.Tento standard najdeme u veˇtsˇiny dnesˇnıćh monitoru˚, spı´sˇe levneˇjsˇıćh. Sourˇadnice cˇervene´, zelene´, modreá bı´leóbdrzˇely v syste´mu CIE hodnoty blı´zke´ vyja´drˇenıĆMY. U´ cˇelem bylo prˇiblı´zˇenı´vzhledu obra´zku na monotoru jeho vytisknute´mu ekvivalentu.

10Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/CIE 1931 color space 11Zdroj: http://a.img-dpreview.com/reviews/nikond100/page11.asp KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 209

Model sRGB pouzˇı´va´ veˇtsˇina cˇeskyćh fotosbeˇren, proto kdyzˇ posı´la´me fotografie do fotosbeˇrny a nejsou v tomto barevne´m modelu, je vhodne´prˇedem prove´st prˇe- vod (i kdyzˇ to obvykle nenı´ potrˇeba, digita´lnı´ fotoapara´ty a veˇtsˇina programu˚ pro zpracovańı´ grafiky pracuje v sRGB).

Adobe RGB vznikl z potrˇeby zveˇtsˇit barevny´prostor a take´proto, zˇe v barevne´m prostoru sRGB neˇktere´ barvy nevypadaly moc prˇirozeneˇ(prˇedevsˇı´m v oblasti zelene´barvy, naprˇı´klad tra´va). V normovacı´m syste´mu CIE ma´troju´helnı´k pro Adobe RGB veˇtsˇıóbsah nezˇsRGB prˇedevsˇı´m smeˇrem k zelene´. Fotografie z prˇı´rody majı´ prˇi zobrazenı´ na Adobe RGB monitoru prˇirozeneˇjsˇı´barvy. Adobe RGB podporujı´ neˇktere´ monitory (veˇtsˇinou drazˇsˇı´), ale existujı´mezistupneˇ(naprˇı´klad o neˇco levneˇjsˇı´ Obra´zek 10.12: Srovnańı´sRGB a Adobe RGB11 monitory, ktere´doka´zˇou „te´meˇrˇ“ Adobe RGB, trˇeba 95 %).

Pozna´mka: Adobe RGB pouzˇı´va´me obvykle tehdy, kdyzˇ ma´me kvalitnı´ fototiska´rnu (nebo profesiona´lnı´ tiska´rnu), protozˇe prˇi tisku prˇes fotosbeˇrnu je stejneˇ(veˇtsˇinou) nutne´prove´st prˇevod do sRGB. Pozor, nema´smysl pouzˇı´vat monitor podporujıćı´ Adobe RGB, pokud vytva´rˇı´me elektronicke´ vy´stupy (naprˇı´klad webovou grafiku, kterou nemıńı´me tisknout) a nebo kdyzˇnavrhujeme rozhranıáplikace – v obou prˇı´padech budou nasˇimi za´kaznı´ky lide´s „obycˇejny´mi“ monitory, a tedy co se na´m na kvalitnı´m monitoru zdańaprosto ućhvatne´, mu˚zˇe na beˇzˇne´m monitoru vypadat mnohem meńeˇesteticky.

Dalsˇı´informace: • http://en.wikipedia.org/wiki/Adobe RGB color space • http://en.wikipedia.org/wiki/SRGB color space • http://en.wikipedia.org/wiki/RGB color space • http://en.wikipedia.org/wiki/CMYK • http://web.forret.com/tools/color.asp • http://dx.sheridan.com/advisor/cmyk color.html • http://en.wikipedia.org/wiki/Color theory

KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 210

10.4.4 Pojmy z graﬁky

Pixel je zkratka z picture element, je to jeden zobrazitelny´bod. Rastrovyóbra´zek je obvykle cha´pań jako mrˇı´zˇka pixelu˚. U tohoto typu obra´zku (s prˇı´ponou bmp, png, jpg, gif, . . . ) je tedy du˚lezˇite´, jake´barevne´hodnoty jsou prˇirˇazeny jednotlivy´m pixelu˚m, i kdyzˇnemusejı´by´t vzˇdy ulozˇeny ve formeˇseznamu barevnyćh hodnot (cˇasto se pouzˇı´vańeˇktera´forma komprese, aby obra´zek nezabı´ral moc mı´sta). Vektoroveóbra´zky naproti tomu nejsou definovańy jako mrˇı´zˇka pixelu˚, ale jako posloupnost operacı´ (naprˇı´klad operace pro vykreslenıú´secˇky, krˇivky, apod.), prˇevod na mrˇı´zˇku pixelu˚se prova´dı´jen prˇi vy´stupu obra´zku na zobrazovacı´zarˇı´zenı´.

Barevna´hloubka je mnozˇstvı´pameˇti potrˇebne´k reprezentaci jednoho barevne´ho bodu – pixelu (v bitech), obvykle zvla´sˇt’pro kazˇdou za´kladnı´barvu (8+8+8, 16+16+16 apod.). U zobrazovacı´ch zarˇı´zenı´mu˚zˇe by´t cˇa´st barevne´hloubky vyhrazena pro alfa-kana´l (stupenˇpru˚hlednosti).

Rozlisˇenı´ je pocˇet bodu˚na jednotku de´lky, veˇtsˇinou palec. Obvykle se uda´va´v dpi (Dots per Inch). Prˇi porovna´va´nı´kvality vy´stupu na monitor a tiska´rnu se setka´va´me s rozlisˇenı´m dpi pro tiska´rnu a ppi (pixels per inch) pro obra´zek na monitoru (nebo ulozˇeny´na disku).

R Denzita je schopnost rozlisˇovat (prˇı´p. odra´zˇet nebo zpracova´vat) ru˚zne´vlnove´de´lky sveˇtla. Jedna´se o za´porny´logaritmus pomeˇru dopadajı´cı´ho a propusˇteˇne´ho (nebo odrazˇene´ho) sveˇtla. Dokonale propustny´ materia´l ma´denzitu 0, materia´l, ktery´nenı´pru˚svitny´, ma´vysokou denzitu.

10.5 R Scannery

Scanner je zarˇı´zenı´pro snı´mańı´prˇedlohy do pocˇı´tacˇe pracujıćıńa principu digitalizace odstıńu barvy, a to v modelu RGB. Rozlisˇujeme tyto typy scanneru˚: • stolnı´ • rucˇnı´, vcˇetneˇscanneru˚cˇa´rovyćh ko´du˚ • archove´(pru˚chodove´) – skenovanyóbjekt procha´zı´prˇı´strojem • tuzˇkove´– na rˇa´dek textu • 3D • bubnove´– na skenovanyóbjekt je nanesen specia´lnıólej (beˇhem skenovańı´vyprcha´), kteryúmozˇnı´ objektu prˇesneˇprˇilnout k bubnu, buben se otaćˇı´, od objektu se odra´zˇı´sveˇtlo, ktere´je zachycovańo (pouzˇı´va´se zejmeńa pro filmy)

10.5.1 Snı´macı´technologie

Snı´macı´technologie scanneru˚je zalozˇena na osveˇtlenı´prˇedlohy, sejmutı´sveˇtlocitny´mi prvky a na´sledne´m zpracova´nı´vy´stupu teˇchto prvku˚. Princip je hodneˇpodobny´tomu, co se deˇje v digita´lnı´ch fotoapara´tech, a vlastneˇse mu˚zˇeme setkat i se stejny´mi snı´macı´mi prvky. KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 211

CCD (Charged Coupled Device) je technologie, kdy je prˇedloha osveˇtlena bı´lou za´rˇivkou doplneˇnou o opticky´ syste´m, ktery´ zajisˇt’uje stejnomeˇrne´ osveˇtlenı´. Za´rˇivka je umı´steˇna na snı´macı´ hlaveˇ. Snı´mańı´ probı´ha´takto: • hlava se pohybuje pod skleneˇnou deskou, na ktere´je prˇedloha • pomocı´soustavy zrcadel je obraz odra´zˇen do snı´macı´ho prvku s trˇemi rˇadami CCD prvku˚(kazˇdy´pro jednu za´kladnı´barvu), snı´ma´se vzˇdy cela´sˇı´rˇka najednou (pixely na stejne´m rˇa´dku) Za´rˇivka („lampa“) se musıńejdrˇı´v nahrˇa´t, cozˇznamenaćˇasovou ztra´tu. Nejcˇasteˇjsˇı´m proble´mem u scanneru˚ s CCD prvky by´vańı´zka´zˇivotnost lampy. Mozˇnosti sejmutıóbrazu: 1. prˇedloha je snı´mańa trˇikra´t, pokazˇde´s jiny´m filtrem, z teˇchto trˇı´vy´sledku˚se poskla´da´fina´lnıóbraz 2. prˇedloha se snı´ma´pouze jednou, ale kazˇdy´rˇa´dek bodu˚je osveˇtlen postupneˇprˇes trˇi ru˚zne´filtry, je to rychlejsˇı´ 3. rozklad sveˇtla odrazˇene´ho od prˇedlohy se prova´dı´prˇes opticky´hranol, vy´sledne´trˇi paprsky se vedou k trˇem rˇa´dkovy´m CCD snı´macˇu˚m

CIS (Contact Image Sensor) osveˇtluje snı´manyóbjekt LED diodami. Na snı´macı´hlaveˇjsou trˇi rˇady LED diod (kazˇda´svı´tı´jednou ze za´kladnıćh barev), diody musı´by´t co nejblı´zˇprˇedloze. Vy´hody CIS technologie jsou mozˇnost pouzˇitıńizˇsˇı´ho napeˇtı´(proto USB scannery bez dalsˇı´ho napa´jenı´ by´vajı´vybaveny CIS), vysˇsˇı´zˇivotnost, mozˇne´rozmeˇry snı´macˇe, spolehlivost, cena. Naopak nevy´hodou je, zˇe snı´macı´hlava musı´by´t blı´zko snı´mane´ho objektu (LED diody majı´mnohem nizˇsˇı´vy´kon nezˇza´rˇivka), proto u „plasticˇteˇjsˇıćh“ prˇedloh jsou vy´sledky horsˇı´, takte´zˇse moc nehodı´pro snı´mańıćˇa´stecˇneˇpru˚svitnyćh prˇedloh (negativy, diapozitivy apod.).

Obra´zek 10.13: CCD a CIS technologie

CCD s bı´ly´mi LED jsou v poslednı´dobeˇcˇı´m da´l cˇasteˇjsˇı´. Tyto scannery fungujıńa stejne´m principu jako vy´sˇe popsanyĆCD, ale mı´sto za´rˇivky se jako zdroj sveˇtla pouzˇı´vajı´bı´le´LED diody. Vy´hodou je prˇedevsˇı´m mensˇı´spotrˇeba energie a tı´m i mozˇnost napa´jenı´prˇes USB, a vy´razneˇkratsˇı´doba nahrˇı´vańıóproti za´rˇivka´m.

Dalsˇı´informace: Informace o CCD a CIS technologii najdeme naprˇı´klad na http://www.stanleyadamsgroup.com/Technologies/Pdf/Does%20wide-format%20Scanning%20Technology %20Matter%20ver2.pdf

KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 212

10.5.2 Opticke´rozpozna´va´nı´znaku˚

Opticke´rozpozna´vańı´znaku˚(OCR – Optical Character Recognition) u´zce souvisı´s pouzˇı´vańı´m scanneru˚. Velmi cˇasto skenujeme text, ktery´bychom chteˇli bud’prˇı´mo v upravitelne´podobeˇ, nebo alesponˇve vektoro- vyćh fontech. Kdybychom nepouzˇı´vali OCR, vy´sledek by byl vzˇdy rastrovy´. U samotnyćh obra´zku˚to tolik nevadı´ (i kdyzˇse tı´m prˇipravujeme o mozˇnosti te´meˇrˇneomezene´ho zvysˇovańı´rozlisˇenı´prˇi zveˇtsˇovańıóbra´zku), ale u textu mu˚zˇe jı´t o velky´proble´m, protozˇe prˇi zmeˇneˇrozlisˇenıńebo trˇeba tisku pı´smen se mu˚zˇe zhorsˇit cˇitelnost.

Jak OCR funguje? • metoda se v naskenovane´m obra´zku pokousˇı´rozpoznat znaky, ućˇelem je prˇeve´st obra´zek do formy dokumentu s vektorovy´mi fonty, prˇı´padneˇupravitelne´ho dokumentu • prˇedloha musı´mı´t dostacˇujıćı´kvalitu • OCR pracuje nejen s mozˇny´mi tvary znaku˚, ale pouzˇı´va´databa´zi nejpouzˇı´vaneˇjsˇıćh slov jazyka Pro OCR se pouzˇı´vajı´ru˚zneálternativnı´metody (neuronove´sı´teˇ, expertnı´syste´my, fuzzy apod.).

R Dalsˇı´varianty OCR: • ICR (Intelligent Character Recognition) – rozpoznańı´rucˇneˇpsane´ho textu • BCR (Bar Code Reading) – prˇevod cˇa´rove´ho ko´du na cˇı´slice a pı´smena • OMR (Optical Mark Reading) – digita´lnı´zpracovańı´formula´rˇu˚, naprˇ. rozpoznańı´zasˇkrtnutyćh mı´st

10.6 Monitory

Monitor je za´kladnı´vy´stupnıélektronicke´zarˇı´zenı´slouzˇıćı´k zobrazovańı´textovyćh a grafickyćh informacı´. By´va´propojen s grafickou kartou nebo s jiny´mi zarˇı´zenı´mi (reproduktory), mu˚zˇe by´t integrovań do zarˇı´zenı´. Monitory mı´vajı´ru˚znou u´hloprˇıćˇku (uda´va´se v palcıćh) – naprˇı´klad 14˝, 15˝, 19˝, 21˝. Pomeˇr stran je obvykle 4:3 (klasicky´) nebo 16:9 (sˇirokou´hly´), prˇı´p. 16:10 nebo jiny´.

10.6.1 Parametry monitoru

Kdyzˇkupujeme monitor, zajı´ma´me se o jeho parametry. Co na´s ma´(zatı´m obecneˇbez urcˇenı´typu) zajı´mat?

Rozlisˇenı´ je pocˇet pixelu˚(zobrazitelny´ch bodu˚) na sˇı´rˇku a vy´sˇku. Obvykle´hodnoty jsou 640 × 480 (VGA), 1280 × 800 (WXGA), 1366 × 768 (HD Ready), 800 × 600 (SVGA), 1280 × 1024 (SXGA), 1920 × 1080 (Full HD, 1080p), 1024 × 768 (XGA), 1600 × 1200 (UXGA), 4096 × 2160 (4K),. . .

Cˇasto se pouzˇı´vajı´slovnı´na´zvy: • HD: 1280 × 720, take´720p • Full HD (FHD): 1920 × 1080 take´1080p KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 213

• Quad HD (QHD): 2560 × 1440, 4× obrazovka HD • Ultra HD (UHD): 3840 × 2160 • 4K: 4096 × 2160 atd. Pouzˇitelny´vy´beˇr za´visıńa tom, zda jde o klasickyńebo sˇirokou´hly´monitor. Hornı´mez za´visıńa pouzˇite´ obnovovacı´frekvenci.

Doba odezvy je doba, za kterou pixel zmeˇnı´barvu z cˇerneńa bı´lou a zpeˇt. Parametr „rise“ znamena´ dobu potrˇebnou pro rozsvıćenı´bodu na bı´lou, „fall“ dobu pro zhasnutı´do cˇerne´. Ovsˇem vıće vypovı´dajıćı´je parametr „grey to grey“ – zmeˇna z tmaveˇsˇede´do sveˇtle sˇedeá zpeˇt.

Pozna´mka: Hodnoty uda´vane´vy´robcem musı´me v kazˇde´m prˇı´padeˇbra´t s rezervou, protozˇe jde o u´daje nameˇrˇene´v ide- a´lnıćh laboratornıćh podmıńkaćh, kteryćh v beˇzˇne´m prostrˇedı´prˇi zobrazovańı´beˇzˇnyćh obsahu˚obrazovky dosa´hneme jen vy´jimecˇneˇ. Navıć mu˚zˇe nastat proble´m prˇi prˇenosu obrazu – prˇeslechy v kabelu, proble´m na straneˇgraficke´karty, apod.

Dalsˇı´parametry • spotrˇeba v pracovnı´m rezˇimu/rezˇimu spańku • roztecˇpixelu˚ • pozorovacıú´hly (prˇi sledovańıóbrazovky z veˇtsˇıćh u´hlu˚se deformuje prˇedevsˇı´m zobrazenı´barev) • rozmeˇry (prˇedevsˇı´m hloubka), hmotnost, atd. • pouzˇita´technologie – CRT, LCD (TN, IPS, VA, apod.), OLED, FED, SED, atd. Konektory na monitorech (D-Sub, DVI, HDMI, Display Port) jsou v kapitole4 Rozhranıá konektory od strany 23, zde je uzˇnebudeme rozebı´rat.

10.6.2 CRT monitory

CRT (Cathode Ray Tube) monitory jesˇteˇdoneda´vna byly jediny´m typem monitoru˚pro osobnı´pocˇı´tacˇe. Jejich za´kladem (objevujıćı´m se i v na´zvu) je katodova´trubice. Obvykle jde o skleneˇnou trubici, uvnitrˇnı´by´va´vakuum nebo velmi rˇı´dky´plyn. V trubici jsou elektrody (anoda a katoda), mezi nimizˇpo prˇipojenı´k elektricke´mu napeˇtı´procha´zıélektricky´proud. Katoda tvorˇı´ „elektronove´deˇlo“, ktereémituje elektrony, ty jsou v trubici urychlovańy smeˇrem k anodeˇa vychylovacı´mi cı´vkami nasmeˇrovańy na stıńı´tko. Stıńı´tko ve fluorescencˇnı´vrstveˇobsahuje luminofory, ktere´po dopadu elektronu˚svı´tı´. Intenzita proudu elektronu˚znamenaíntenzitu svıćenı´bodu, u cˇerne´ho bodu je intenzita nulova´(zˇa´dneélektrony). Barevne´monitory (RGB) majı´trˇi elektronova´deˇla, pro kazˇdou za´kladnı´barvu jedno, prˇed stıńı´tkem je maska filtrujıćı´pro jednotlive´za´kladnı´barvy. KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 214

1. elektronicka´deˇla 2. svazky elektronu˚ 3. zaostrˇovacıćı´vky 4. vychylovacıćı´vky pro jednotlive´barvy 5. anoda 6. maska oddeˇlujıćı´barvy 7. fosforova´vrstva s R, G, B zońami 8. detail vnitrˇnıćˇa´sti obrazovky

Obra´zek 10.14: Princip CRT monitoru12

Obnovovacı´frekvence je rychlost obnovovańıóbrazu. V jednom okamzˇiku je vysvıćen jen jeden pixel. Proud elektronu˚ze vsˇech trˇı´deˇl je synchronneˇvychylovań po rˇa´dcıćh, po cele´m pru˚chodu jsou postupneˇ vysvıćeny vsˇechny body obrazovky. Pixel vsˇak svı´tı´jen po urcˇitou omezenou dobu; aby obraz neblikal, musı´ by´t proud elektronu˚vychylovań dostatecˇneˇrychle. Vychylovańı´je zajisˇteˇno vychylovacı´mi cı´vkami horizonta´lnı´mi a vertika´lnı´mi. Rozlisˇujeme horizonta´lnı´ frekvenci (frekvence vysvıćenı´jednotlivyćh rˇa´dku˚) a celkovou obnovovacı´frekvenci (pro celou obrazovku, prˇes vsˇechny rˇa´dky). Obnovovacı´frekvence na´m tedy rˇı´ka´, kolikra´t za sekundu se vykreslı´vsˇechny rˇa´dky obrazovky (vertika´lnı´frekvence). Nesmı´by´t moc nı´zka´, aby obraz neblikal (bolely by z toho ocˇi, uda´va´se nejmeńeˇ70 Hz), ale ani moc vysoka´(zvla´sˇteˇprˇi vysoke´m rozlisˇenı´by mohly vzniknout proble´my s neostry´m obrazem). Jeden pixel na barevne´m monitoru se skla´da´ze trˇı´ subpixelu˚ – cˇervene´ho, zelene´ho a modre´ho (podle modelu RGB). Tyto trˇi subpixely mohou by´t uvnitrˇpixelu usporˇa´dańy neˇkolika ru˚zny´mi zpu˚soby: 1. delta – na vrcholech troju´helnı´ka 2. trinitron – vedle sebe 3. inline – posunute´ Uka´zku vidı´me na obra´zku 10.15. CRT monitory se typicky zapojujı´prˇes rozhranı´D-Sub (analogove´).

Vy´hody a nevy´hody CRT monitoru˚: Velkou nevy´hodou, ktera´je pro mnohe´zrˇejmeˇnejdu˚lezˇiteˇjsˇı´, jsou rozmeˇry CRT monitoru˚– na stole zabı´rajı´velmi mnoho mı´sta. Dalsˇıńevy´hodou oproti jiny´m typu˚m je o neˇco vysˇsˇı´spotrˇeba energie. Neˇktery´m lidem take´vadı´„blikańı´“ prˇi obnovovańıóbrazu, to se daćelkem rˇesˇit vhodny´m nastavenı´m obnovovacı´frekvence. Naopak vy´hodou je lepsˇı´kontrast, podańı´barev,pozorovacıú´hly a reakcˇnı´doba (doba odezvy – response time), zvla´sˇteˇv porovnańı´s v soucˇasne´dobeˇnejpouzˇı´vaneˇjsˇı´mi typy LCD panelu˚. Uda´va´se, zˇe take´zˇivotnost CRT monitoru˚je o neˇco vysˇsˇıńezˇzˇivotnost LCD.

12Zdroj: http://www.absoluteastronomy.com/topics/Cathode ray tube 13Zdroj: http://telefon.unas.cz/pc hw/pc10.htm KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 215

na vrcholech troju´helnı´ka vedle sebe posunute´ (delta) (trinitron) (inline)

Obra´zek 10.15: Usporˇa´da´nı´subpixelu˚v pixelu13

10.6.3 LCD panely

LCD (Liquid Crystal Display) je nazvańa podle tekutyćh krystalu˚. Tekuty´ krystal je materia´l, ktery´ prˇi pru˚chodu elektricke´ho proudu meˇnı´svou molekula´rnı´strukturu. LCD jsou zalozˇeny na za´kladeˇpropousˇteˇnı´ a blokovańı´sveˇtla (z vneˇjsˇı´ho zdroje nebo sveˇtla ze zadnı´ho cˇi bocˇnı´ho podsvıćenı´).

Podsvıćenı´. Pro podsvıćenı´ se pouzˇı´vajı´dveˇza´kladnı´technologie: 1. CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) – studene´katodove´za´rˇivky, a to bud’ neˇkolik horizonta´lneˇ nad sebou nebo je za´rˇivka umı´steˇna na straneˇpanelu a jejı´sveˇtlo je vedeno prˇes cely´panel pomocı´ sveˇtlovodu a reflexnı´vrstvy (cˇasto vıće reflexnıćh vrstev) 2. LED – sveˇtlo je generovańo LED diodami, je to mladsˇı´, drazˇsˇıá kvalitneˇjsˇı´technologie, rozlisˇujeme • RGB LED (firma Sony) – LED diody jsou v matici po cele´plosˇe panelu, kazˇdy´pixel maćˇtyrˇi LED diody (cˇervenou, modrou a dveˇzelene´) • Direct LED (televizory LG) – podobne´, ale LED diody jsou bı´le´ • Edge LED (Sony, Samsung, LG a dalsˇı´) – LED diody jsou na boku panelu, jejich sveˇtlo je rozva´deˇno po cele´m panelu sveˇtlovody a odrazovy´mi prvky Na panelu pouzˇı´vajıćı´m CCFL prakticky nelze zobrazit cˇisteˇcˇernou barvu, vzˇdy se na pixel odra´zˇı´trochu sveˇtla. Da´le CCFL je du˚lezˇite´, jak kvalitneˇje sveˇtlo za´rˇivky rozvedeno po cele´m panelu (tento parametr se nazy´va´ homogenita podsvıćenı´).

Dalsˇıínformace: K CCFL existujıálternativy – firma Sony zavedla pojem HCFL, a da´le se setka´va´me s pojmem EEFL: http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS EN/20090123/164483/?ST=english PRINT http://automatizace.hw.cz/clanek/2007062301

LED technologie se pro podsvıćenı´pouzˇı´va´teprve neˇkolik let. Vy´hodou RGB LED je mimorˇa´dneˇsˇiroke´ zobrazitelne´barevne´spektrum (ale za´lezˇı´takeńa konkre´tnı´technologii), a take´to, zˇe kteroukoliv LED KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 216 diodu lze kdykoliv zhasnout, proto je mozˇne´zobrazit i cˇisteˇcˇernou barvu. Direct LED je na tom podobneˇ s tı´m rozdı´lem, zˇe zobrazitelne´spektrum je o neˇco mensˇı´. Edge LED postra´da´vy´hodu mozˇnosti zobrazenıćˇisteˇcˇerne´barvy,ale ma´jinou vy´hodu – takto osveˇtlovane´ panely mohou by´t velmi tenke´, cozˇje vy´hodne´zvla´sˇteˇu notebookovyćh panelu˚. Edge LED ma´jesˇteˇjednu vy´hodu: nizˇsˇıćenu. Pu˚vodneˇbyly LED diody na dvou protilehlyćh stranaćh obrazovky, ale dnes se setka´me spı´sˇe s umı´steˇnı´m jen na jednu stranu, cˇı´mzˇvy´robci snizˇujıćenu na u´kor rovnomeˇrnosti podsvıćenı´. Take´se mu˚zˇeme setkat s pojmem WLED (White LED), cozˇje prakticky tote´zˇ(bı´le´LED diody jsou pouzˇity jako podsvıćenı´, barva je tvorˇena jinak, naprˇı´klad barevny´m filtrem u subpixelu).

Pozna´mka: Takeú LCD se nastavuje obnovovacı´frekvence. Podobneˇjako u CRT monitoru˚, i zde je obraz v pravidelnyćh intervalech (podle obnovovacı´frekvence) obnovovań podle obsahu videopameˇti, jen mı´sto „rˇa´dkovańı´“ by se prˇi nizˇsˇı´frekvenci mohl projevovat spı´sˇe jako pravidelne´snizˇovańıá opeˇtovne´zvysˇovańı´jasu. Tedy i u LCD panelu˚bychom meˇli mı´t nastavenu vhodnou obnovovacı´frekvenci. Prˇı´lisˇnı´zkaúnavuje ocˇi, prˇı´lisˇvysoka´znamena´zbytecˇneˇzvy´sˇenou spotrˇebu energie.

Aktivnıá pasivnı´LCD. Rozlisˇujeme dva za´kladnı´typy LCD displeju˚– aktivnıá pasivnı´. TFT (Thin-Film Transistors) jsou „aktivnı´“ LCD, dnes nejbeˇzˇneˇjsˇı´. Pod jednotlivy´mi pixely jsou tranzistory, neˇktere´technologie majıí dva tranzistory na kazˇdou za´kladnı´barvu, tj. 6 na pixel. Je vyzˇadovańo aktivnı´ podsvıćenıĆCFL trubicemi (obvykle vıće nezˇjednou) nebo LED diodami. Pasivnı´LCD fungujı´trochu jinak. Kazˇdy´rˇa´dek ma´jeden tranzistor, kazˇdy´sloupec ma´jeden tranzistor. Tento typ LCD ma´pomalejsˇı´reakce, meńeˇbarev, vyskytuje se rusˇenı´mezi vodicˇi, ale zato je levneˇjsˇıá ma´ mensˇı´spotrˇebu energie. Da´le se budeme veˇnovat veˇtsˇinou TFT (aktivnı´m) LCD. TFT se deˇlı´do podskupin podle pouzˇite´technologie – funkcˇnosti vrstvy tekutyćh krystalu˚. Za´kladnı´ druhy jsou TN, IPS a VA, druhyá trˇetı´typ se opeˇt vyskytujı´v neˇkolika variantaćh. Odlisˇnosti jsou prˇedevsˇı´m v principu zacha´zenı´s tekuty´mi krystaly, na´sledneˇv kvaliteˇzobrazenı´barev, pozorovacıćh u´hlech, dobeˇ odezvy, atd.

Za´kladnı´ princip. Tekuty´ krystal je materia´l, ktery´ prˇi pru˚chodu elektricke´ho proudu meˇnı´ svou molekula´rnı´strukturu. LCD funguje na principu propousˇteˇnıá blokovańı´sveˇtla (z vneˇjsˇı´ho zdroje nebo sveˇtla ze zadnı´ho cˇi bocˇnı´ho podsvıćenı´), blokovańıćˇi naopak propousˇteˇnı´sveˇtla prova´deˇjı´pra´veˇtekute´krystaly zmeˇnami sve´molekula´rnı´struktury do propustneńebo nepropustne´formy (nebo neˇco mezi tı´m). Molekuly tekutyćh krystalu˚se prˇi pru˚chodu elektricke´ho proudu srovnajı´s mikroskopicky´mi dra´zˇkami na elektrodaćh do spira´lovećˇi jine´pravidelne´struktury (tak vytvorˇı´krystal). Barva jednoho pixelu (resp. subpixelu pro za´kladnı´barvu) je ovlivneˇna na´sledujıćı´posloupnostı´:

vertika´lnı´ horizonta´lnı´ pru˚hledna´ tekute´ pru˚hledna´ sveˇtelny´zdroj ⇒ polarizacˇnı´ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ polarizacˇnı´ ⇒ elektroda krystaly elektroda ﬁltr ﬁltr KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 217

Natocˇenı´krystalu˚se u TFT rˇı´dı´pomocı´tranzistoru˚pod pixely. Subpixely by´vajı´obvykle umı´steˇny vedle sebe (podobneˇjako jsme u CRT videˇli na obra´zku 10.15 na straneˇ 215).

TN (Twisted Nematic), B-TN Nejstarsˇı´, vyznacˇuje se horsˇı´mi pozorovacı´mi u´hly, cozˇje zpu˚sobeno sˇroubovity´m usporˇa´dańı´m molekul tekutyćh krystalu˚. Podle vy´sˇe uvedene´ posloupnosti ovlivnˇujıćı´ barvu pixelu platı´ u TN na´sledujıćı´: • pokud je (maxima´lnı´) napeˇtı´mezi elektrodami: sveˇtlo prˇicha´zejıćı´ od prvnı´ho filtru je tekuty´m krystalem odrazˇeno, druhy´m filtrem projde bez zachycenı´, • neprocha´zı´proud: krystaly jsou v „chaoticke´m stavu“, sveˇtlo od prvnı´ho filtru je zachyceno druhy´m filtrem (protozˇe filtry jsou na sebe kolme´, frekvence, ktere´prosˇly prvnı´m, neprojdou druhy´m). Z toho vyply´va´, zˇe prˇi snı´zˇenıńapeˇtı´projde vıće sveˇtla. Mezi elektricky´m napeˇtı´m a jasem je neprˇı´maú´meˇrnost, tedy se zvysˇujıćı´m se napeˇtı´m Obra´zek 10.16: Princip LCD, zvy´- klesa´sveˇtlost bodu (bez napeˇtı´= bı´la´). Vadne´pixely svı´tı´bı´lou barvou, sˇenı´ napeˇtı´ znamena´ nizˇsˇı´ inten- cozˇje pomeˇrneˇneprˇı´jemne´. zitu svıćenı´15 Pro TN je typicke´horsˇı´podańı´barev – gammut Adobe RGB ani na´hodou (s tı´m souvisı´mensˇı´barevna´hloubka, obvykle jen 6 nebo prˇinejlepsˇı´m 8 bitu˚na barvu/kana´l). R V soucˇasnosti se setka´va´me s vylepsˇenı´m te´to technologie, TN+Film: na TN panel je nanesena tenka´ vrstva, ktera´zlepsˇuje pozorovacıú´hly, ale ostatnıńevy´hody vpodstateˇzu˚sta´vajı´. Oproti na´sledujıćı´m popi- sovany´m technologiı´m je vy´roba TN+Film porˇa´d vy´razneˇlevneˇjsˇı´. TN panely zrˇejmeˇjesˇteˇdlouho zu˚stanou nejoblı´beneˇjsˇı´variantou TFT-LCD, prˇedevsˇı´m dı´ky nı´zkećeneˇ. Typicky se s nimi setka´me i u notebooku˚.

IPS (In-Plane Switching) vyvinuta´ firmou Hitachi je take´ nazy´vańa Super-TFT. Oproti TN nejsou molekuly prˇi zobrazenı´bı´leúsporˇa´da´vańy sˇrouboviteˇ, ale pode´lneˇ– du˚sledkem jsou lepsˇı´pozorovacıú´hly (azˇkolem 170 stupnˇu˚, ale prˇi u´hlech blı´zˇıćıćh se te´to hranici se zabarvenı´postupneˇmeˇnı´do fialova), ale na druhou stranu kontrast lepsˇıńeby´va´(dokonce i naopak) a doba odezvy je u (pu˚vodnı´) IPS obecneˇnı´zka´. Podańı´barev je lepsˇıńezˇu TN. Pro kazˇdy´barevny´kana´l je vyhrazeno 8 bitu˚, tedy barevna´hloubka je takte´zˇobecneˇvysˇsˇıńezˇu TN. Vadny´pixel je cˇerny´. Technologie vy´roby je na´rocˇneˇjsˇı´, proto (kromeˇjine´ho) by´vajıÍPS panely drazˇsˇı´. Typicke´vyuzˇitı´je v DTP (praće s grafikou, spı´sˇe staticˇteˇjsˇı´ho charakteru). Technologie IPS mańeˇkolik variant, naprˇı´klad: • S-IPS (Super-IPS) – oproti pu˚vodnıÍPS byla vylepsˇena doba odezvy, pro kazˇdy´subpixel jsou pouzˇity dva tranzistory (tj. 6 na pixel), dnes je to nejbeˇzˇneˇjsˇıÍPS technologie, • H-IPS (Horizontal-IPS) dı´ky vysˇsˇı´propustnosti sveˇtla nevyzˇaduje tak silne´podsvıćenı´jako prˇedchozı´ a ma´lepsˇı´kontrast Existuje vıće dalsˇıćh IPS technologiı´, jejich popis (a take´popis vy´sˇe uvedenyćh) najdeme ve zdrojıćh ze seznamu na konci te´to sekce. 15Zdroj: http://pctuning.tyden.cz/component/content/4110?task=view KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 218

VA (Vertical Align) je dı´lem firmy Fujitsu. Narozdı´l od TN a IPS jsou molekuly (krystaly) usporˇa´dańy do „stromecˇku˚“, ktere´se prˇi pru˚chodu proudu mı´rneˇ„rozsˇirˇujı´“. Pu˚vodnı´VA technologie se vyznacˇovala sˇpatny´mi pozorovacı´mi u´hly, cozˇse hodneˇzlepsˇilo u novyćh variant – MVA a PVA. Je typicke´, zˇe u VA technologiı´ jsou vertika´lnı´ a horizonta´lnı´ pozorovacı´ u´hly stejne´. Vy´hodou oproti TN je vysˇsˇı´ kontrast, vadny´pixel je tmavy´, barvy jsou o neˇco lepsˇıńezˇu TN (za´lezˇıńa varianteˇ, neˇktere´varianty VA jsou dokonce srovnatelne´s IPS). MVA (Multidomain VerticalAlignment) technologie prˇedevsˇı´m rozsˇı´rˇila pozorovacıú´hly azˇte´meˇrˇk hodnota´m typicky´m pro IPS. Obvykle platı´, zˇe klasicke´MVA jsou ve svyćh vlastnostech neˇkde mezi TN a IPS (i vcˇetneˇceny). P-MVA (Premium MVA) je v soucˇasne´dobeˇnejvıće vyuzˇı´vana´MVA technologie. Barevne´podańı´je jen o neˇco lepsˇıńezˇTN, ostatnı´vlastnosti vcelku odpovı´dajı´tomu, co bylo psańo o VA a MVA. S-MVA je obdobou P-MVA, ale od jine´ho vy´robce. A-MVA maó neˇco lepsˇı´barevne´podańıá pozorovacıú´hly nezˇjine´ varianty MVA. PVA (Patterned Vertical Alignment) od firem Samsung a Sony majı´podobne´vlastnosti jako MVA, ale obecneˇmajı´vysˇsˇı´kontrast. Varianta S-PVA (Super-PVA) je v soucˇasne´dobeˇpovazˇovańa za sˇpicˇku v LCD technologiıćh, cˇasto mı´va´barevnou hloubku 10 bitu˚na kana´l.

Dalsˇı´informace: • http://notebook.cz/clanky/technologie/2010/obrazovky-notebooku-cast1 • http://notebook.cz/clanky/technologie/2010/obrazovky-notebooku-cast2 • http://www.svethardware.cz/art doc-3D24A72749EDC38BC1256CE700447D5B.html • http://icons.cz/95-jak-vybrat-lcd-monitor-a-jejich-technologie.html • http://extrahardware.cnews.cz/nec-multisync-pa271w-10bitovy-vladce-modernich-27-recenze-lcd • http://pctuning.tyden.cz/hardware/monitory-lcd-panely/4596-3x lcd-technologie tn s-ips a mva v praxi • http://www.tftcentral.co.uk/articles/panel technologies.htm • http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en US/Vikuiti1/BrandProducts/secondary/optics101/ • http://www.tvfreak.cz/art doc-91B9080AC6B15B98C12575030031F089.html

Cˇeho si vsˇı´mat u LCD panelu˚: • pouzˇita´technologie • u´hloprˇıćˇka, pomeˇr stran obrazovky a rozlisˇenı´ • odezva v ms (lepsˇı´pod 10 ms) • pozorovacıú´hly, kontrast, jas, pocˇet zobrazovanyćh barev (barevna´hloubka), atd. • spotrˇeba v provozu a v pohotovostnı´m rezˇimu • vestaveˇne´reproduktory, polohovatelnost stojanu, atd. dalsˇı´prˇı´davne´funkce

Pozna´mka: LCD panely jsou digita´lnı´, proto je lepsˇı´je prˇipojovat prˇes digita´lnı´rozhranı´(DVI, HDMI, DisplayPort). KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 219

Pokud jsou prˇipojeny prˇes analogove´ rozhranı´ (D-Sub), docha´zı´ ke zbytecˇny´m konverzı´m: D–A–D, cozˇ mu˚zˇe mı´t vliv na kvalitu vy´stupu (ovsˇem v kancela´rˇi a cˇasto ani doma to celkem nevadı´).

U´ drzˇba LCD panelu: Rozhodneˇ nepouzˇı´va´me prostrˇedky na cˇisˇteˇnı´ oken ani papı´rove´ ubrousky! Postupujeme na´sledovneˇ: • panel vypneme a necha´me zcela vychladnout (kdybychom to neudeˇlali, zı´skali bychom „dekorativnı´“ sˇmouhy) • cˇistı´me bud’ specia´lnı´m vlhcˇeny´m cˇisticı´m ubrouskem urcˇeny´m pro LCD panely, a nebo pouzˇijeme kvalitnı´jemnou uteˇrku z mikrovla´kna (kvalitnı´, hlavneˇpozor na obsˇitı´hrubou nitı´, mohlo by posˇkra´bat povrch), kterou bud’namocˇı´me ve vlazˇne´vodeˇa du˚kladneˇvyzˇdı´ma´me, a nebo pouzˇijeme sprej urcˇeny´ k teˇmto u´cˇelu˚m, • necha´me proschnout, pak teprve mu˚zˇeme pouzˇı´vat. Pokud povrch panelu nenı´skleneˇny´(prˇedevsˇı´m u notebooku˚se pouzˇı´va´cˇa´stecˇneˇpruzˇny´plast), nemeˇli bychom moc tlacˇit, veˇtsˇı´tlak mu˚zˇe posˇkodit krystaly. CRT monitory lze cˇistit podobneˇ, vcˇetneˇvychladnutı´.

10.6.4 R Dalsˇı´technologie podobne´LCD

OLED (Organic Light-Emitting Diode, organicke´LED) vyuzˇı´vajı´technologii organickyćh elektroluminis- cencˇnıćh diod. Organicky´proto, zˇe tato technologie je zalozˇena na organicke´m materia´lu, uhlı´ku. Obrazovka je tvorˇena diodami, ktere´po zavedenıélektricke´ho proudu vyzarˇujı´sveˇtlo, tedy nenıńutne´podsvıćenı´.

1. katoda 2. vyzarˇujı´cı´vrstva 3. za´rˇenı´ 4. vodiva´vrstva 5. anoda

Obra´zek 10.17: Princip OLED16

Tato technologie se vyznacˇuje velmi dobrou odezvou, sˇiroky´mi pozorovacı´mi u´hly, velmi dobrou repro- dukcı´barev, kontrastem i sveˇtlostı´, OLED displeje jsou tencˇıá energeticky u´sporneˇjsˇıńezˇLCD, ale ma´jednu nevy´hodu – vysokou cenu. Za´kladnıćˇleneˇnı´je na pasivnıá aktivnı´podle zpu˚sobu rˇı´zenı´pixelu˚(prˇekrˇı´zˇene´vodicˇe nebo samostatne´ tranzistory), existujı´dalsˇı´varianty podle zpu˚sobu prˇeva´deˇnıénergie na sveˇtlo, pouzˇite´ho nosne´ho materia´lu, oboustranne´(TOLED), atd. V soucˇasne´ dobeˇ se s OLED setka´va´me spı´sˇe v podobeˇ malyćh obrazovek na mobilech, digita´lnıćh fotoapara´tech apod.

16Zdroj: http://nanoogmania.blog.mobilmania.cz/2009/05/ KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 220

U kvalitneˇjsˇıćh smartphonu˚se pouzˇı´va´varianta AMOLED (Active Matrice OLED, tedy OLED s aktivnı´ matricı´), je tedy typu TFT (kazˇdy´pixel ma´vlastnı´tranzistory). Narozdı´l od pasivnıćh variant maÁMOLED kratsˇı´reakcˇnı´dobu a spotrˇebova´va´meńeˇenergie, take´maóbecneˇlepsˇı´kontrast (cˇerna´by meˇla by´t opravdu cˇerna´, nesvı´tit). Ale na druhou stranu jsou AMOLED displeje na slunecˇnı´m sveˇtle hodneˇsˇpatneˇcˇitelne´.

Dalsˇı´informace: Velmi peˇkneˇzpracovane´informace o OLED (vcˇetneˇstruktury a typu˚) najdeme na http://www.oled-display.net/how-works-the-oled-technology.

FED (Field Emission Display) kombinujı´princip CRT a LCD. Jsou tenke´jako LCD, ale princip zobrazovańı´ pixelu˚je prˇevzat z CRT. Stejneˇjako u CRT, elektrony dopadajıńa luminofor, ktery´vyzarˇuje sveˇtlo v bodeˇ dopadu. Mı´sto elektronove´ho deˇla se pouzˇı´va´velke´mnozˇstvı´tenkyćh kovovyćh hrotu˚nebo uhlı´kovyćh nanotrubicˇek. Vy´hodou FED je, zˇe displeje neblikajı´ (narozdı´l od CRT). FED majı´vy´borne´pozorovacıú´hly, rychlou odezvu, jsou meńeˇenergeticky na´rocˇne´. Nevy´hodou je, zˇe nanotrubicˇky musı´by´t ve vakuu rˇidsˇı´m nezˇje u katodovyćh trubic v CRT obrazovkaćh, proto je tato technologie drazˇsˇı´.

Obra´zek 10.18: Sche´ma SED17

SED (Surface-Conduction Electron-Emiter Display) pracujı´na podobne´m principu jako FED (podobneˇjako CRT), ale kazˇdy´pixel ma´pro kazˇdou svou za´kladnı´barvu vlastnı´emitor za´rˇenı´. SED displeje jsou velmi tenke´, majı´vy´bornou odezvu, kontrast, barvy, a nı´zkou spotrˇebu. Cena je ovsˇem o dost vysˇsˇı´.

17Zdroj: http://www.hottvnews.com/blog 23.shtml KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 221

10.7 Tisk

Tiska´rny patrˇı´k zobrazovacı´m zarˇı´zenı´m stejneˇjako monitory, ale narozdı´l od nich zobrazujı´(tj. tisknou) vy´hradneˇv barevne´m modelu CMYK nebo neˇktere´m odvozene´m modelu. Na trhu existuje mnoho druhu˚ tiska´ren, ktere´se navza´jem lisˇı´prˇedevsˇı´m technologiı´pouzˇitou prˇi tisku. Mechanicke´tiska´rny pracujıńa podobne´m principu jako psacı´stroje. Typy (znaky) se prˇetiskujı´prˇes barvicı´pa´sku (i vıćebarevna´– ru˚zne´barvy na stopaćh). Rozlisˇujeme • jehlicˇkove´(dot-matrix) – bod je tisknut urcˇity´m pocˇtem jehlicˇek (9 nebo 24) • znakove´– pouze znaky, pouzˇı´vańy typy stejneˇjako u psacı´ho stroje Znakove´tiska´rny meˇly jednu obrovskou nevy´hodu – mohly tisknout pouze ty znaky, ktere´meˇly ve sve´ pocˇa´tecˇnı´vy´baveˇ, nic jine´ho. Tento nedostatek odstranily jehlicˇkove´tiska´rny, kde z jehlicˇek bylo mozˇne´ utvorˇit nejru˚zneˇjsˇı´znaky podle potrˇeby (vcˇetneˇtisku pseudografiky). Mechanicke´tiska´rny jsou velmi levne´, ale hlucˇne´, kvalita tisku je horsˇı´. V soucˇasne´dobeˇje najdeme spı´sˇe v technickyćh provozech. Inkoustove´tiska´rny vytva´rˇejı´tisknuteóbjekty z malyćh kapicˇek inkoustu vystrˇikovane´ho na papı´r. Rozlisˇujeme dva typy: • piezoelektricke´tiska´rny (InkJet) – v tiskove´hlaveˇje trubicˇka nebo desticˇka z materia´lu, ktery´prˇi pru˚chodu elektricke´ho proudu meˇnı´tvar; kapka inkoustu, ktera´dopadne na prudce se vypouknuvsˇı´trubicˇku nebo desticˇku, je vymrsˇteˇna na papı´r • tryskove´ (BubleJet) – inkoust je v trysce nahrˇı´vań, cˇı´mzˇse jeho cˇa´st odparˇı´(plyn se rychle roztahuje), zbytek inkoustu je vymrsˇteˇn na papı´r Inkoust je v tiskoveńa´plni – cartridge, barvy C (cyan, modrozelena´), M (magenta, cˇervenofialova´), Y (yellow, zˇluta´) a K (black, cˇerna´). Obvykle jsou za´kladnı´barvy oddeˇleneˇ, nebo alesponˇcˇerna´je zvla´sˇt’. Inkoustove´tiska´rny se cˇasto vyskytujı´ve formeˇ plotru˚ pro velkoforma´tovy´tisk. Vy´hodou inkoustovyćh tiska´ren je tichyá kvalitnı´tisk (i fotografiı´), nevy´hodou je obcˇasne´zana´sˇenı´ trysek (kazˇdaínkoustova´tiska´rna ma´mechanismus cˇisˇteˇnı´trysek, ktery´je startovań obvykle stisknutı´m urcˇite´kombinace tlacˇı´tek nebo softwaroveˇ, rychlećˇisˇteˇnı´trysek se take´prova´dı´prˇi zapnutı´tiska´rny).

Pozna´mka: U inkoustovyćh tiska´ren hrozıńebezpecˇı´ vyschnutıínkoustu, zvla´sˇteˇv tiskovyćh hlavaćh. Proto je du˚lezˇite´ obcˇasnećˇisˇteˇnı´trysek (od nańosu zaschle´ho inkoustu), a z toho du˚vodu takeínkoustove´tiska´rny nejsou vhodne´tam, kde se tiskne naprˇı´klad jen jednou za pu˚l roku (i kdyzˇnetisknutı´po delsˇıódsta´vce lze cˇasto vyrˇesˇit neˇkolikana´sobny´m spusˇteˇnı´m cˇisticı´ho mechanismu). Veˇtsˇina tiska´ren prˇi sve´m vypnutı´„parkuje“ tiskovou hlavu do takove´polohy, ve ktere´je riziko vy- schnutı´minima´lnı´. Pokud je inkoustova´tiska´rna vypnuta prˇı´lisˇna´hle (naprˇı´klad vy´padkem proudu nebo pouzˇitı´m centra´lnı´ho vypıńacˇe), mu˚zˇe se sta´t, zˇe tiska´rna nestihne hlavu zaparkovat. Pak mu˚zˇe opravdu dojı´t k pomeˇrneˇrychle´mu zatuhnutıínkoustu v tryskaćh a je trˇeba je vycˇistit. Proto bychom meˇli mı´t na pameˇti, zˇe prˇed pouzˇitı´m centra´lnı´ho vypıńacˇe je nutne´tiska´rnu skutecˇneˇvypnout. KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 222

Cartridge do inkoustove´tiska´rny mu˚zˇe by´t origina´lnı´ (od vy´robce tiska´rny) nebo neorigina´lnı´ (od jine´ho vy´robce). O origina´lnıćh na´plnıćh se vsˇeobecneˇvı´, zˇe urcˇiteˇneposˇkodı´tiska´rnu, ale na druhou stranu by´vajı´ drahe´. O neorigina´lnıćh na´plnıćh se tvrdı´, zˇe existuje urcˇite´riziko posˇkozenı´tiska´rny (veˇtsˇinou to nenı´ pravda, ale vy´jimka potvrzuje pravidlo), ale cena by´va´znacˇneˇnizˇsˇı´. Kdyzˇtedy chceme koupit neorigina´lnı´ na´plnˇ, meˇli bychom si trˇeba na internetu oveˇrˇit, zda s vy´robky prˇı´slusˇne´ho vy´robce na´plneˇnebyly proble´my. Meˇli bychom si uveˇdomit, zˇe mnozı´vy´robci do dokumentace tiska´rny prˇipisujı´(vıće cˇi meńeˇzrˇetelneˇ), zˇe pouzˇitı´jinyćh nezˇorigina´lnıćh na´plnı´bude mı´t za na´sledek ztra´tu za´ruky.

Pozna´mka: Bohuzˇel se setka´va´me take´s jiny´m proble´mem – obsahem cartridge. Vy´robce na´plneˇuda´va´urcˇity´obsah, ale mu˚zˇe se jednat o nepravdivou informaci. Zvla´sˇteˇkdyzˇje obal nepru˚hledny´, nelze si pohledem oveˇrˇit, kolik barvy je v na´plni ve skutecˇnosti.

Dalsˇıínformace: Neˇktere´„triky“, jejichzˇućˇelem je osˇidit za´kaznı´ky, jsou popsańy v cˇlańku http://www.chip.cz/clanky/hardware/2010/11/nakladne-inkousty-klamou-maskuji-zvelicuji

Pozna´mka: U inkoustovyćh tiska´ren jsou dnes hodneˇsklonˇovany´m te´matem jejich tiskoveńa´klady. Vzˇdy, kdyzˇkupujeme novou tiska´rnu, bychom se kromeˇdalsˇıćh parametru˚(vcˇetneˇceny tiska´rny) meˇli zajı´mat o tiskoveńa´klady, zvla´sˇteˇkdyzˇbudeme tisknout hodneˇ. Mu˚zˇe totizˇnastat situace, kdy na´hradnıńa´plneˇdo tiska´rny stojı´stejneˇ nebo dokonce vıće nezˇsamotna´(obvykle velmi levna´) tiska´rna.

Tepelne´tiska´rny s prˇı´my´m tiskem (termotiska´rny) pouzˇı´vajı´specia´lnı´papı´r, ktery´pu˚sobenı´m tepla zcˇerna´. Princip: • u cˇernobı´lyćh (nebo prosteˇjednobarevnyćh) se jehlicˇky v tiskove´hlaveˇnahrˇejıá u´derem na papı´r se vytvorˇı´tisknuty´symbol • u barevnyćh se pouzˇı´vajı´ fo´lie s barevny´m voskem (pro ru˚zne´ za´kladnı´ barvy), ktere´ se za´rovenˇ s papı´rem postupneˇprotahujı´kolem tiskove´hlavy, vosk se pak teplem prˇenese na papı´r V soucˇasne´dobeˇse tento typ tiska´ren pouzˇı´va´v monochromaticke´podobeˇprˇedevsˇı´m ve faxech, supermar- ketech nebo automatech pro „potvrzenky“. Nevy´hodou tohoto typu tisku je mala´stabilita tisku (postupneˇbledne), vy´hodou je, zˇe jedine´, co musı´me doplnˇovat, je papı´r (obvykle v kotoucˇıćh, prˇı´padneˇkotoucˇse samolepıćı´mi sˇtı´tky). Papı´r ovsˇem musı´by´t specia´lnı´, s vrstvou citlivou na sveˇtlo. KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 223

R Tepelne´tiska´rny termosublimacˇnı´ slouzˇı´prˇedevsˇı´m k tisku fotografiı´. K zobrazenı´se take´pouzˇı´va´ teplo, ale kromeˇpapı´ru (cozˇobvykle by´va´fotopapı´r) potrˇebujeme take´fo´lie s barevnou vrstvou. K jednomu papı´ru se vzˇdy spotrˇebuje jedna fo´lie, tedy moc ekonomicky´tisk to nenı´. Fotografie vytisknute´termosublimacˇnı´tiska´rnou jsou te´meˇrˇtak kvalitnı´jako od nejkvalitneˇjsˇıćh inkous- tovyćh tiska´ren (detaily neby´vajı´tak dobrˇe zvla´dnute´, ale fotografie pu˚sobıćelkoveˇprˇirozeneˇji), navıć je fotografie opatrˇena ochrannou povrchovou vrstvou, ktera´zajisˇt’ujedelsˇı´zˇivotnost a chrańı´proti du˚sledku˚m otisku˚prstu˚. Nevy´hodou je veˇtsˇıćenovańa´rocˇnost tisku. S termosublimacˇnı´mi tiska´rnami se dnes setka´va´me prˇedevsˇı´m ve fotokioscıćh (pro samoobsluzˇne´fo- cenı´). Lze porˇı´dit take´termosublimacˇnı´tiska´rnu na domaćı´pouzˇitı´, v soucˇasne´dobeˇvesmeˇs jen od vy´robcu˚ Canon a Sony. Laserove´tiska´rny pouzˇı´vajı´pro podporu za´pisu laser (ten ale rozhodneˇnemı´rˇıńa papı´r, dosˇlo by ke vznıćenı´). Tisk probı´ha´takto: • laserovy´paprsek dopadne na va´lec potazˇeny´fotocitnou vrstvou, na mı´steˇdopadu se zmeˇnıélektricky´ na´boj • na mı´stech se zmeˇneˇny´m elektricky´m na´bojem ulpı´va´ toner (barvivo ve formeˇjemnyćh zrnek, pra´sˇek) • va´lec s barvou na „oza´rˇenyćh“ mı´stech se obtiskuje na papı´r, na neˇm ulpı´barvivo • barvivo se na papı´ru zafixuje zahrˇa´tı´m (pouzˇı´va´se zahrˇa´ty´va´lec) Laserove´tiska´rny jsou tiche´, rychleá tisk je obvykle celkem kvalitnı´, alesponˇco se tyćˇe textu a jednoduche´ grafiky. Nevy´hodou mu˚zˇe by´t nı´zka´zˇivotnost fotocitlive´ho va´lce (to je ovsˇem relativnı´, za´lezˇıńa vytı´zˇenosti tiska´rny).

Obra´zek 10.19: Sche´ma laserove´tiska´rny18

Laserove´tiska´rny (ani barevne´) obecneˇnejsou vnı´mańy jako tiska´rny pro tisk fotografiı´(fotografie lze tisknout, ale pouze u nejkvalitneˇjsˇıćh modelu˚jsou opravdu peˇkne´), prˇedevsˇı´m fotografie nevypadajı´moc prˇirozeneˇ. Odolnost tisku (zvla´sˇteˇve vlhke´m prostrˇedı´) nenı´vysoka´.

18Zdroj: http://www.ﬁ.muni.cz/usr/pelikan/ARCHIT/TEXTY/TISK2.HTML KAPITOLA 10 VSTUPNI´ A VY´ STUPNI´ ZARˇ I´ZENI´ 224

LED tiska´rny pracujıńa podobne´m principu jako laserove´, ale mı´sto laseru je pouzˇita rˇada LED diod (pro kazˇdy´bod na rˇa´dku jedna, typicky neˇkolik tisıć na rˇa´dek) se zaostrˇovacı´m mechanismem. Va´lec je fotocitlivy´, tedy sveˇtlo o prˇı´slusˇne´vlnove´de´lce stacˇıńa zmeˇnu elektricke´ho na´boje, teplo nenı´generovańo. Oproti laserovy´m tiska´rna´m majı´LED tiska´rny vy´hodu ve vysˇsˇı´spolehlivosti (meńeˇpohyblivyćh prvku˚), mensˇıćh rozmeˇrech a nizˇsˇı´spotrˇebeˇenergie.

Multifunkcˇnı´zarˇı´zenı´ jsou vlastneˇkombinace tiska´rny a scanneru, spojenı´m teˇchto dvou funkcı´je lze pouzˇı´t i ke kopı´rovańı´z papı´rove´prˇedlohy na jiny´papı´r (text se nejdrˇı´v naskenuje do vyrovna´vacı´ pameˇti zarˇı´zenı´, a pak vytiskne). Dalsˇıóbvyklou doprovodnou funkcı´je fax. Existujı´multifunkce zalozˇene´ na inkoustovyćh nebo laserovyćh tiska´rnaćh, v ru˚znyćh cenovyćh a kvalitativnıćh relacıćh.

Vlastnosti tiska´ren. Co na´s u tiska´ren zajı´ma´: • hustota tisku (DPI – dots per inch) • rychlost tisku (PPM – pages per minute) • tiskoveńa´klady (cost per page) – na´klady na tisknutı´jedne´strańky) • tisk fotografiı´– specia´lnı´papı´r, barvy • podavacˇpapı´ru • rozhranı´– veˇtsˇinou USB, SCSI, LPT (uzˇmoc ne), prˇı´padneˇsı´t’ove´rozhranı´ Tiska´rny lze cˇasto pouzˇı´t i jako sı´t’ove´(obvykle se prˇipojujı´k routeru). Neˇktere´tiska´rny take´doka´zˇou tisknout prˇı´mo, bez toho, aby byl za´rovenˇspusˇteˇn pocˇı´tacˇ. K tomu je potrˇeba, aby meˇly prˇı´slusˇne´hardwarove´rozhranı´ pro zı´skańıóbra´zku˚(naprˇı´klad USB konektor pro USB flash disk nebo slot pro SD kartu), alesponˇmaly´displej a samozrˇejmeˇprˇı´slusˇnou funkcˇnı´vy´bavu vcˇetneˇsoftwaru. Kapitola 11

Napa´jenı´a chlazenı´pocˇı´tacˇe

V te´to kapitole se veˇnujeme prˇedevsˇı´m napa´jenı´a chlazenı´pocˇı´tacˇe, tedy tomu, jak funguje zdroj, jake´jsou jeho obvykle´ parametry, jak fungujı´akumula´tory („baterie“) notebooku˚, co je du˚lezˇite´prˇi chlazenı´komponent pocˇı´tacˇe.

11.1 Napa´jenı´

Kazˇdy´ pocˇı´tacˇ ma´ zdroj, ktery´ energii nevyra´bı´, ale transformuje ze strˇı´dave´ho proudu (AC, z elektricke´ za´suvky) na stejnosmeˇrny´proud (DC, ten potrˇebuje pocˇı´tacˇ). Du˚lezˇitou funkcı´zdroje je take´rˇesˇenıóbcˇasnyćh energetickyćh vy´kyvu˚ (hlavneˇprˇepeˇtı´, ktere´by mohlo posˇkodit komponenty v pocˇı´tacˇi, ale take´podpeˇtı´, ktere´je vlastneˇobdobou vy´padku proudu). Pokud zdroj doka´zˇe usta´t i delsˇı´vy´padek proudu, oznacˇuje se jako UPS (neprˇerusˇitelny´zdroj napa´jenı´). Ovsˇem ani UPS nedoka´zˇou „ta´hnout“ napa´jenı´veˇcˇneˇ, ale urcˇita´doba zajisˇteˇnıńapa´jenı´prˇi vy´padku je garantovańa. Zdroje se nacha´zejı´v neˇkolika ru˚znyćh provedenıćh. Kromeˇbeˇzˇne´ho zdroje do desktopu (ATX) existujı´ nizˇsˇı´varianty (TFX), u notebooku˚a neˇkteryćh All-In-One pocˇı´tacˇu˚najdeme externı´zdroj (to je ta „krabicˇka“ na prˇipojene´m kabelu).

11.1.1 R Jak zdroj funguje

Z energeticke´sı´teˇzdroj odebı´ra´strˇı´daveńapeˇtıńa 230 V, ktere´transformuje na stejnosmeˇrneńapeˇtı´, ktery´m se pru˚beˇzˇneˇnabı´jı´ kondenza´tor (tato soucˇa´st zdroje uchova´vaénergii pro odbeˇr dalsˇı´mi komponentami). Napeˇtı´v kondenza´toru vsˇak sta´le jesˇteˇzu˚sta´va´hodneˇvelke´(neˇkolik set V, i prˇes 400 V), ale integrovane´ obvody, ktere´jsou obvykle v pocˇı´tacˇi napa´jeny, vyzˇadujıńaopak napeˇtı´velmi nı´zke´(neˇkolik voltu˚). Proto za kondenza´torem na´sledujı´jesˇteˇsoucˇa´stky meˇnıćı´vysoke´stejnosmeˇrneńapeˇtıńa nı´zke´podle pozˇadovanyćh hodnot. Ze zdroje jde energie do tzv. veˇtvı´, na ktere´se prˇipojujı´jednotlive´komponenty. Kazˇda´veˇtev je specificka´ prˇedevsˇı´m napeˇtı´m, ktere´distribuuje. Obvykle existujı´3,3V veˇtve, 5V veˇtve (+5V a -5V) a 12V veˇtve (+12V a -12V). U kazˇde´z veˇtvı´je take´du˚lezˇivy´m u´dajem mozˇne´zatı´zˇenı´, ktere´zvla´dne. Naprˇı´klad veˇtev 3,3V obvykle unesou za´teˇzˇneˇkde mezi 20 a 30 A.

225 KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 226

Vedle veˇtvı´je du˚lezˇita´take´kabela´zˇ, resp. konektory. U kabela´zˇe je du˚lezˇity´m parametrem de´lka kabelu˚ (kam azˇ„dosa´hnou“), minima´lnı´vyzˇadovana´de´lka ze specifikace je 26–28 cm, cozˇna desktopu opravdu nedostacˇuje (idea´lneˇ45–50 cm, u bigtower vıće). Konektory by´vajı´veˇtsˇinou typu molex, tedy sdruzˇenı´sude´ho pocˇtu „kosticˇek“. Kabely se skla´dajı´z vıće zˇil, do kazˇde´ho pinu v molexu vede jedna zˇı´la. Zˇ ı´ly jsou barevneˇ odlisˇeny (cˇerne´je uzemeˇnı´, ostatnı´barvy pak podle veˇtvı´). Hlavnıńapa´jecı´kabel pro za´kladnı´desku maóbvykle 20pinovyńebo 24pinovy´konektor (nebo lze pouzˇı´t dohromady dva – 20+4pinovy´). Da´le potrˇebujeme dostatek 4pinovyćh, 6pinovyćh nebo 8pinovyćh (nebo 4+4) konektoru˚12V veˇtve (procesor, PCIe karty, apod.) a dalsˇı´. Napa´jet je trˇeba take´pevne´disky, opticke´ mechaniky a cokoliv dalsˇı´ho v pocˇı´tacˇove´skrˇıńi. Mnohe´dedikovane´graficke´karty vyzˇadujı´dodatecˇne´ napa´jenı´(6pinoveńebo 8pinove´molexy). Cˇipova´sada je obvykle napa´jena z 3,3V veˇtve, veˇtev 5V je urcˇena prˇedevsˇı´m pro PCI karty a stare´procesory (noveˇjsˇı´vyuzˇı´vajı´12V veˇtev).

11.1.2 Standardy

V soucˇasne´dobeˇse setka´me prˇedevsˇı´m se zdroji podle specifikace ATX (drˇı´v se pouzˇı´valy zdroje podle specifikace AT) – jak vidı´me, standardizace zdroju˚je ve svyćh pocˇa´tcıćh u´zce prova´zańa s form factory za´kladnıćh desek (a taky s nimi funkcˇneˇsouvisı´). Ovsˇem standard ATX pro zdroje existuje ve vıće ru˚znyćh verzıćh. Nejcˇasteˇji se setka´me s verzemi ATX v2.x (mı´sto „x“ cˇı´slo podverze) a ATX 12V x.y (opeˇt mı´sto „x“ a „y“ konkre´tnıćˇı´sla). Jednotlive´verze se lisˇı´minima´lnı´mi pozˇadovany´mi hodnotami pro mozˇne´zatı´zˇenı´veˇtvı´, minima´lnı´pozˇadovanou ućˇinnostı´, poskytovany´mi konektory, pozˇadavky na ochranu prˇed prˇepeˇtı´m zkratem, prˇetı´zˇenı´m prˇehrˇa´tı´m apod. Sezˇeneme take´ zdroje podle jinyćh specifikacı´, naprˇı´klad do hodneˇ nı´zkyćh skrˇıńı´ (naprˇı´klad Mini-ITX) existujı´zdroje TFX. Existujı´take´ certifikace zdroju˚. Setka´va´me se s neˇkolika certifikacemi lisˇıćı´mi se prˇedevsˇı´m pozˇadova- nou ućˇinnostı´zdroje prˇi konkre´tnı´m zatı´zˇenı´. Hlavnı´vlastnosti certifikovanyćh zdroju˚jsou naznacˇeny v tabulce 11.1, nejnoveˇji existuje takećertifikace 80 Plus Titanium urcˇena´pro tzv. redundantnı´zdroje1 s ućˇinnostı´ jesˇteˇvysˇsˇıńezˇ80 Plus Platinum.

80 Plus 80 Plus Bronze 80 Plus Silver 80 Plus Gold 80 Plus Platinum U´ cˇinnost prˇi dane´m zatı´zˇenı´ Zatı´zˇenı´20 % 80 % 82 % 85 % 87 % 90 % Zatı´zˇenı´50 % 80 % 85 % 88 % 90 % 92 % Zatı´zˇenı´100 % 80 % 82 % 85 % 87 % 89 %

Tabulka 11.1: Srovnańıúćˇinnosti certifikovanyćh zdroju˚prˇi ru˚znyćh zatı´zˇenıćh

Pokud ma´zdroj vysokou ućˇinnost, znamena´to nejen, zˇe stacˇıńa svou praći a neodebı´ra´zbytecˇneˇmnoho energie, ale take´, zˇe se meńeˇzahrˇı´vaá tudı´zˇveˇtra´k na neˇm se nemusı´tak rychle otaćˇet (cozˇma´take´vliv na hlucˇnost). Tedy ućˇinnost mu˚zˇeme cha´pat jako obraćeneá normovane´(na procenta) cˇı´slo k mnozˇstvı´ energetickyćh ztra´t na jednotlivyćh soucˇa´stkaćh zdroje (cˇı´m veˇtsˇı´ jsou energeticke´ ztra´ty, ktere´ se meˇnı´ v teplo, tı´m mensˇı´je ućˇinnost zdroje).

1Redundantnı´zdroj je prˇı´davny´zdroj, ktery´se pouzˇı´va´pro napa´jenı´z druhe´ho prˇı´vodu energie neza´visle´ho na prvnı´m, a nebo pro napa´jenı´z centra´lnı´ho za´lozˇnı´ho akumula´toru, nenı´to tote´zˇjako UPS. KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 227

Jak zjistit, zda a kterou certifikaci ma´vybrany´zdroj? Kromeˇtoho, zˇe vy´robce se touto informacıćelkem „chlubı´“, to take´mu˚zˇeme zjistit na strańkaćh http://80plus.org/. R PFC (Power Factor Correction) je cˇa´st zdroje, jejı´mzˇu´kolem je „uhlazovat“ krˇivku odebı´rane´ho proudu do tvaru sinusoidy (tj. krˇivka se sinusovy´m pru˚beˇhem, funkci „sin“ urcˇiteˇkazˇdy´z na´s zna´). PFC nenıáni tak du˚lezˇity´pro komponenty pocˇı´tacˇe, ale naopak pro okolnı´sı´t’du˚lezˇity´je. V odbeˇru proudu se totizˇvyskytujı´ sˇpicˇky (typicky prˇi zapnutı´pocˇı´tacˇe odbeˇr najednou poskocˇı´hodneˇnahoru), vznikla´deformace sinusove´ho napeˇtı´v rozvodne´sı´ti mu˚zˇe zpu˚sobit rusˇenı´v te´to sı´ti. PFC jsou tedy du˚lezˇite´ hlavneˇ tam, kde se v jeden okamzˇik zapıńa´ (nebo zvysˇuje svu˚j odbeˇr) vıće zarˇı´zenıńajednou. Pokud naprˇı´klad zapneme v jeden okamzˇik (plus mıńus) vıće pocˇı´tacˇu˚bez PFC, mu˚zˇe dojı´t i k vyhozenı´jisticˇu˚. V soucˇasne´dobeˇprakticky vsˇechny proda´vane´zdroje jsou PFC vybaveny, protozˇe podle norem (norma EMC o elektromagneticke´kompatibiliteˇ) sice neprˇedepisuje povinnost mı´t PFC, ale pozˇadavky na splneˇnı´ neˇkteryćh parametru˚a prahovyćh hodnot se bez PFC jen teˇzˇko dajı´splnit. Ve zdrojıćh najdeme bud’ pasivnıńebo aktivnı´PFC (tento u´daj je u zdroje vzˇdy uveden). Pasivnı´jsou spı´sˇe v levneˇjsˇıćh zdrojıćh, kdezˇto aktivnı´PFC jsou typicke´pro te´meˇrˇvsˇechny kvalitnı´zdroje. Oba typy deˇlajı´ prakticky tote´zˇ, ale zatı´mco pasivnı´PFC je sestaven z pouze pru˚chodovyćh soucˇa´stek bez vlastnı´ho odbeˇru (obvykle tlumivka na vstupu zdroje), aktivnı´ PFC obsahuje take´ aktivnı´ soucˇa´stky s vlastnı´m odbeˇrem (tranzistor v kombinaci s cı´vkou apod.). Aktivnı´PFC je ućˇinneˇjsˇıńezˇpasivnı´.

11.1.3 Vlastnosti zdroje

Vy´kon zdroje. Jak vı´me, du˚lezˇity´m parametrem je ućˇinnost prˇi dane´m zatı´zˇenı´(ućˇinnost by´vaćˇasto oznacˇena pra´veˇvy´sˇe uvedeny´mi certifikacemi). Dalsˇı´du˚lezˇity´parametr, o ktere´m rozhodujeme podle zpu˚sobu a intenzity pouzˇı´vańı´pocˇı´tacˇe, je vy´kon. Jak jsme vy´sˇe videˇli, ućˇinnost zdroje za´visıńa momenta´lnı´m vytı´zˇenı´, a vytı´zˇenı´je zase do urcˇite´mı´ry za´visle´ na vy´konu zdroje. Vy´kon zdroje se uda´va´ve Wattech a je to jeden z nejdu˚lezˇiteˇjsˇıćh parametru˚, o ktere´bychom se meˇli zajı´mat. Pro nena´rocˇne´vyuzˇitı´stacˇı´300W zdroj (hodneˇza´lezˇıńa pouzˇityćh komponentaćh a jejich energeticke´ na´rocˇnosti). Pokud vsˇak ma´me vy´konneˇjsˇı´procesor s vysˇsˇı´hodnotou TDP, pak volı´me zdroj s vy´konem kolem 400–500 W, a jestlizˇe ma´me sˇpicˇkovou (naprˇı´klad hernı´) sestavu s vy´konnou dedikovanou grafickou kartou nebo dokonce vıće grafikami, pak je trˇeba pouzˇı´t zdroj jesˇteˇvy´konneˇjsˇı´(700–800 W). Za´lezˇı´takeńa pocˇtu prˇipojenyćh pevnyćh disku˚(naprˇı´klad RAID ma´logicky vysˇsˇı´spotrˇebu nezˇjediny´disk), optickyćh mechanik a dalsˇıćh.

Pozna´mka: To, zˇe provozovańı´pocˇı´tacˇe se blı´zˇı´hranicı´m vy´konu nasˇeho zdroje, pozna´me podle ru˚znyćh indika´toru˚, naprˇı´klad zamrzańı´pocˇı´tacˇe v neˇkteryćh situacıćh (naprˇı´klad prˇi hranı´graficky a vy´pocˇetneˇna´rocˇnyćh her), obcˇasne´samovolne´restartovańı´disku˚, apod. KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 228

Mohlo by se zda´t, zˇe je lepsˇı´porˇı´dit si radeˇji zdroj s velmi vysoky´m vy´konem, abychom meˇli co nejveˇtsˇı´ prostor pro dalsˇı´rozsˇirˇovańıćˇi vylepsˇovańı´sestavy. Meˇli bychom vsˇak veˇdeˇt, zˇe zbytecˇneˇvysoky´vy´kon obvykle znamenańizˇsˇıúćˇinnost zdroje (zdroj je jen ma´lo zateˇzˇovań, a prˇi za´teˇzˇi, ktera´je po veˇtsˇinu doby vyuzˇı´vańı´mensˇıńezˇ50 %, je ućˇinnost obvykle nı´zka´), cozˇznamena´ply´tvańıénergiı´.

Hlucˇnost a chlazenı´. Kazˇdy´si urcˇiteˇvsˇiml, zˇe na zdroji obvykle by´vaáktivnıćhladicˇ. Neˇktere´zdroje urcˇene´do tichyćh HTPC stroju˚mı´vajı´pasivnıćhlazenı´. Vzhledem k tomu, zˇe zdroj (zvla´sˇteˇprˇi vysˇsˇı´m odbeˇru nebo s mensˇıúćˇinnostı´) vyda´va´hodneˇtepla, je chlazenı´hodneˇdu˚lezˇite´, uzˇproto, zˇe ma´vliv i na celkove´klima (teplotu) uvnitrˇskrˇıńeˇ. O chlazenı´pojedna´vańa´sledujıćı´podkapitola, tedy zde pouze zmıńı´me, zˇe cˇı´m veˇtsˇı´ventila´tor (pru˚meˇr u velke´ho je tak 12 cm), tı´m le´pe, protozˇe ventila´tor s velky´mi lopatkami se prˇi stejneúćˇinnosti chlazenı´ mu˚zˇe otaćˇet pomaleji, a tedy i tisˇeji. Vzhledem k nizˇsˇı´hlucˇnosti bychom si da´le meˇli vsˇı´mat mrˇı´zˇky vedoucı´zvenku zdroje (i skrˇıńeˇ) k ventila´toru. Zvla´sˇteˇu neˇkteryćh starsˇıćh stroju˚se vyskytovala „mrˇı´zˇka“ jednodusˇe vyrazˇena´do plechu, tedy s ostry´mi vnitrˇnı´mi hranami, kdezˇto dnes se spı´sˇe setka´me s dra´teˇny´mi mrˇı´zˇkami, jejichzˇhrany jsou oble´. Oble´hrany znamenajı´lepsˇı´proudeˇnı´vzduchu s mensˇı´mi turbulencemi, a tedy i nizˇsˇı´hlucˇnost.

Dalsˇı´informace: • http://www.svethardware.cz/art doc-B1EC249457260C28C1256E840045EA74.html • http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/14682-jak-otestovat-pc-zdroj-aneb-uvodem-trocha -teorie?start=3 • http://www.svethardware.cz/art doc-40F4362FB0FBF90DC125714E004CADB1.html • http://www.svethardware.cz/art doc-8D4AEA4126FB1125C1256E84004449B3.html • http://www.zive.cz/clanky/pitva—pocitacovy-zdroj-video/sc-3-a-152984/default.aspx • http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/15014-enermax-pro-82-525w-pocitacovy-zdroj -jak-ma-byt

11.1.4 Akumula´tor notebooku

Akumula´tor (lidoveˇbaterie) notebooku slouzˇı´k akumulovańı´(uschovańı´) energie, kteraúzˇprosˇla zdrojem (tj. stejnosmeˇrneńapeˇtı´, a to spı´sˇe nizˇsˇıćh hodnot). V jednom akumula´toru je obvykle neˇkolik cˇlańku˚ (naprˇı´klad mu˚zˇe jı´t o 6cˇlańkovyákumula´tor).

Pojmy. Podı´va´me se na neˇktere´pojmy souvisejıćı´s akumula´tory. Cˇlańek (galvanickyćˇlańek) va´zˇe elektrickou energii, kterou lze chemickou cestou snadno uvolnˇovat ve formeˇelektricke´ho pole (tj. tato energie je vyuzˇitelna´pro napa´jenıél. zarˇı´zenı´). Existujı´dva za´kladnı´typy cˇlańku˚– prima´rnı´(nelze znovu nabı´t, doka´zˇe pouze uvolnˇovat energii) a sekunda´rnı´(lze opakovaneˇnabı´jet a vybı´jet). KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 229

Baterie se skla´da´z neˇkolika vza´jemneˇpropojenyćh galvanickyćh cˇlańku˚. Pokud je baterie tvorˇena ze sekunda´rnıćh cˇlańku˚(tedy takovyćh, ktere´lze nabı´jet), hovorˇı´me o akumula´toru. Pameˇt’ovyéfekt akumula´toru je jev, se ktery´m se setka´va´me u neˇkteryćh typu˚akumula´toru˚(viz da´le), pokud je nabı´jı´me, trˇebazˇe nebyly zcela vybity. U teˇchto typu˚akumula´toru˚docha´zı´ke snizˇovańı´kapacity v du˚sledku opakovane´ho nabı´jenı´ bez u´plne´ho vybitı´. Ale pozor – modernı´ akumula´tory reagujı´ pra´veˇ opacˇneˇ! Forma´tovańıákumula´toru je du˚lezˇite´prˇedevsˇı´m u teˇch typu˚, ktere´jsou naćhylne´k pameˇt’ove´mu efektu, u nich dokonce mu˚zˇe ve´st k mı´rne´mu napravenı´snı´zˇenı´kapacity zpu˚sobene´ho pameˇt’ovy´m efektem. Prova´dı´ se tak, zˇe neˇkolikra´t (trˇikra´t) necha´me akumula´tor zcela vybı´t a pak ho nabijeme na plnou kapacitu. U typu˚akumula´toru˚, ktereńejsou naćhylneńa pameˇt’ovyéfekt, mu˚zˇe by´t za urcˇityćh okolnostı´forma´tovańı´taky uzˇitecˇne´(rˇekneˇme tak jednou za rok nebo dva, pokud je akumula´tor hodneˇpouzˇı´vań), ale nesmı´me cˇlańky vybı´t zcela (vzˇdy bychom meˇli neˇkolik procent nechat)!

Typy akumula´toru˚. Existuje neˇkolik typu˚akumula´toru˚pouzˇitelnyćh pro nejbeˇzˇneˇjsˇı´mobilnı´zarˇı´zenı´ (notebooky, netbooky, mobilnı´telefony apod.): • nikl-kadmiove´ (Ni-Cd) – historicka´za´lezˇitost, uzˇse s nimi prakticky nesetka´me, • nikl-metalhydridove´ (Ni-MH) – take´se uzˇmoc nepouzˇı´vajı´v mobilnıćh zarˇı´zenıćh, ale mu˚zˇeme je koupit naprˇı´klad ve formeˇtuzˇkovyćh „nabı´jecıćh bateriı´“ do spotrˇebnıélektroniky, • lithium-iontove´ (Li-Ion) – v noteboocıćh se s nimi dnes setka´me prakticky vy´hradneˇ, • lithium-polymerove´ (Li-Pol) – typicky v mobilnıćh telefonech. Ni-MH (a take´stareŃi-CD) akumula´tory trpıńebezpecˇı´m pameˇt’ove´ho efektu popsane´ho vy´sˇe. Proto se u zarˇı´zenı´ s tı´mto akumula´torem doporucˇovalo nabı´jet azˇ po u´plne´m vybitı´ a cˇas od cˇasu prove´st tzv. forma´tovańı´(viz zdroje informacıńı´zˇe). Dnes se s nimi setka´me uzˇjen ve formeˇtuzˇkovyćh bateriı´, jejichzˇ nabı´jecˇky obvykle obsahujı´funkci u´plne´ho vybitı´prˇed opeˇtovny´m nabı´jenı´m (ostatneˇ, tyto baterie obvykle kupujeme zcela vybite´).

Pozna´mka: V dnesˇnıćh pocˇı´tacˇıćh se pouzˇı´vajı´Li-Ion a Li-Pol akumula´tory, ktere´ netrpı´pameˇt’ovy´m efektem, tudı´zˇprˇed opeˇtovny´m nabı´jenı´m se nevybı´jejı´, ba dokonce u´plne´vybitı´jim sˇkodı´! Pokud naprˇı´klad notebookovy´Li-Ion akumula´tor budeme opakovaneˇzcela natvrdo vybı´jet, snı´zˇı´me jeho zˇivotnost, nebo ho dokonce znicˇı´me. Na webu se v diskusnıćh fo´rech obcˇas objevujı´rady o regulaci kapacity akumula´toru jeho u´plny´m vybı´jenı´m, ale ty jsou u Li-Ion a Li-Pol bateriı´zcela vedle (platily by pro Ni-MH). Ostatneˇ, to je du˚vod, procˇmoderneˇjsˇı´ operacˇnı´ syste´my v zarˇı´zenıćh s Li-Ion prˇecha´zejı´ do rezˇimu spańku nebo se u´plneˇ vypnou prˇi zjisˇteˇnı´ nı´zke´ho stavu baterie (neˇkolik procent).

U´ drzˇba a pouzˇı´vańı´ akumula´toru. Kazˇdy´ akumula´tor postupneˇ ztraćı´ svou kapacitu, to je zcela norma´lnı´. Konkre´tnı´ typ akumula´toru ma´ prˇirˇazen svu˚j u´daj o maxima´lnı´m pocˇtu nabı´jecıćh cyklu˚ (tj. KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 230 zˇivotnosti), ale i prˇed dosazˇenı´m te´to hodnoty kapacita postupneˇklesa´. Tento pokles mu˚zˇeme spra´vny´m zacha´zenı´m zpomalit (na´sledujıćı´platı´pro Li-Ion a Li-Pol baterie): • Nikdy nenecha´me akumula´tor zcela vybı´t. Operacˇnı´syste´my jsou obvykle nastaveny tak, aby se vcˇas prˇed vybitı´m akumula´toru vypnul nebo uspal pocˇı´tacˇ, toto nastavenı´ nemeˇnı´me (nebo pokud tak operacˇnı´syste´m nenıńastaven, provedeme nastavı´me ho tak). • Pokud cˇasto pracujeme prˇipojeni k el. sı´ti, nenecha´va´me akumula´tor zbytecˇneˇprˇebı´jet a radeˇji ho vyjmeme. Zbytecˇny´m prˇebı´jenı´m akumula´tor nenı´posˇkozovań, ale je snizˇovańa jeho zˇivotnost (blı´zˇı´me se k maxima´lnı´mu pocˇtu nabı´jecıćh cyklu˚, i kdyzˇto nenı´potrˇeba). • Stejneˇjako u jinyćh komponent, takeú akumula´toru˚platı´, zˇe v urcˇite´m rozmezı´teplot pracujı´le´pe nezˇ v jine´m. Nejle´pe pracujıákumula´tory prˇi pokojove´teploteˇ(kolem 20 °C), prˇi vysˇsˇıćh teplotaćh se jejich ućˇinnost a zˇivotnost zhorsˇuje. Akumula´tor by prˇi svećˇinnosti nemeˇl by´t nicˇı´m zakryt (vytva´rˇı´teplo, to musı´by´t odva´deˇno vzduchem). Pokud delsˇı´dobu akumula´tor nepouzˇı´va´me (ma´me zarˇı´zenı´prˇipojeno k el. sı´ti), je trˇeba ho vhodneˇ skladovat. Akumula´tory Li-Ion skladujeme spı´sˇe v chladu (ale pozor, mra´z naopak sˇkodı´), v teplotaćh spı´sˇe nizˇsˇıćh nezˇ pokojovyćh. Prˇı´lisˇna´vlhkost moc neprospı´va´, takzˇe pokud se rozhodneme da´t akumula´tor do lednicˇky (ne mraznicˇky!), musı´me ho neprodysˇneˇzabalit. Prˇed uskladneˇnı´m bychom meˇli akumula´tor nabı´t asi tak do kapacity 75 % a prˇiblizˇneˇjednou za pu˚l roku (podle celkove´kapacity akumula´toru) znovu vybalit a dobı´t . Akumula´tory se postupneˇsamy vybı´jejı´, proto je u Li-Ion du˚lezˇite´je takto udrzˇovat.

Dalsˇı´informace: • http://www.nettech.cz/clanky/35-Jak-na-baterie-v-notebooku.html?cs • http://gamester.avonet.cz/clanek/notebook-a-jeho-akumulator-co-vse-muzeme-zjistit • http://notebook.cz/clanky/technologie/2011/Li-Pol-akumulatory • http://notebook.cz/clanky/technologie/2009/bezdratove-nabijeni • http://www.tomshardware.com/reviews/ups-rescue,1669.html

11.2 Chlazenı´

11.2.1 Princip chlazenı´pocˇı´tacˇe

Te´meˇrˇvsˇechny komponenty pocˇı´tacˇe potrˇebujı´ke sve´mu beˇhu teplotu blı´zkou spı´sˇe pokojove´teploteˇ, ale za´rovenˇmnohe´komponenty „topı´“ – produkujı´teplo. Typicky´mi topicˇi i prˇi vyuzˇı´vańıćhlazenı´jsou hlavneˇ dedikovana´graficka´karta (i prˇes 60 °C), procesor (s vysˇsˇı´m TDP i prˇes 50 °C), pevny´disk (prˇiblizˇneˇ35–50 °C), pameˇt’ove´moduly a zdroj (prˇiblizˇneˇ30–40 °C), a samozrˇejmeˇsamotna´za´kladnı´deska (na neˇkteryćh mı´stech mu˚zˇe by´t jesˇteˇteplejsˇıńezˇprocesor). Proto je chlazenı´pocˇı´tacˇe velmi du˚lezˇity´m te´matem, teplota ve skrˇıńi by nemeˇla prˇekracˇovat 40–45 °C). KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 231

Pokud je chlazenıńedostatecˇne´, snizˇuje se zˇivotnost komponent pocˇı´tacˇe, ale take´se mu˚zˇeme setkat s nestabilitami, zaseka´vańı´m a „padańı´m“ (obvykle samovolne´restarty komponent cˇi dokonce cele´ho pocˇı´- tacˇe). Rozlisˇujeme aktivnıá pasivnıćhlazenı´. Aktivnıćhlazenı´ vyzˇaduje vlastnıńapa´jenıá mańeˇktereáktivnı´ cˇleny (naprˇı´klad veˇtraćˇek), kdezˇto pasivnı´ chlazenı´ nepotrˇebuje zvla´sˇt’ napa´jet. U teplotneˇ na´rocˇneˇjsˇıćh komponent (naprˇı´klad procesoru) se dnes beˇzˇneˇsetka´va´me s kombinacı´teˇchto metod, tedy aktivneˇ-pasivnı´m chlazenı´m. Da´le mu˚zˇeme rozlisˇovat ru˚zne´ typy chlazenı´ podle zpu˚sobu odva´deˇnı´ tepla (cˇi „nosne´ho me´dia“). Nejbeˇzˇneˇjsˇı´je chlazenı´vzduchem nebo vodou (nebo jinou kapalinou s vhodny´mi vlastnostmi). Za´kladnıópatrˇenı´: • Du˚lezˇite´je umı´steˇnı´pocˇı´tacˇe. Kolem pocˇı´tacˇe by meˇl pokud mozˇno proudit vzduch, topenı´by nemeˇlo by´t hned vedle a slunıćˇko by take´(zvla´sˇteˇv le´teˇ) nemeˇlo na pocˇı´tacˇsvı´tit. Skrˇıńˇpocˇı´tacˇe nepouzˇı´va´me jako odkladny´prostor pro knihy, papı´ry a jineízolacˇnı´za´lezˇitosti. Skrˇıńˇpocˇı´tacˇe mu˚zˇe by´t podlozˇena, aby nebyla prˇı´mo na podlaze (cˇi dokonce koberci), pod nı´by meˇla by´t pevna´rovna´podlozˇka (trˇeba drˇeveˇna´). • Prach je vy´borny´tepelnyízolant. Bohuzˇel kazˇdeélektronicke´zarˇı´zenı´prach prˇı´mo prˇitahuje, proto i v dobrˇe uklı´zene´mı´stnosti se dovnitrˇprach dostane. Proto je dobreóbcˇas pocˇı´tacˇodprasˇnit (alesponˇ konzervou se stlacˇeny´m vzduchem – pozor, kam prach odfouka´va´me, a nebo vysavacˇem s nizˇsˇı´mi otaćˇkami). Prˇed odprasˇneˇnı´m bychom meˇli pocˇı´tacˇvypnout a odpojit od elektrˇiny. • Proudeˇnı´vzduchu uvnitrˇpocˇı´tacˇe cˇasto prˇeka´zˇejı´ kabely. Nasˇteˇstı´se uzˇnepouzˇı´vajı´sˇirokeÍDE (PATA) kabely, ale i tencˇı´kabely mohou by´t prˇeka´zˇkou proudeˇnı´vzduchu cˇi pu˚sobit turbulence. Proto bychom meˇli mı´t kabely usporˇa´daneá idea´lneˇsva´zaneízolovany´mi dra´tky. Jak odstranit prach zevnitrˇpocˇı´tacˇe: • vysavacˇnastavenyńa nı´zkeóbra´tky; pozor, nesmı´me se hubicı´dotknout zˇa´dne´ho cˇipu (idea´lneˇvu˚bec nicˇeho) – prˇi proudeˇnı´vzduchu hubicı´docha´zı´k trˇenıá vznika´statickaélektrˇina • vzduchove´ konzervy se dajı´ koupit v kazˇde´m obchodeˇ s pocˇı´tacˇi, prˇı´padneˇ hypermarketu; jejich vy´hodou je silny´proud vzduchu s tenkou na´sadou, dobrˇe se „mı´rˇı´“ • foukacı´balońek

Pozna´mka: Pokud prˇi odstranˇovańı´prachu z vnitrˇku skrˇıńeˇpocˇı´tacˇe pouzˇijeme vysavacˇ, meˇli bychom prˇedem zajistit vsˇechny veˇtraćˇky proti otaćˇenı´m (naprˇı´klad je oblepı´me lepicı´pa´skou), ale pokud to neudeˇla´me, katastrofu to obvykle znamenat nebude. Po vysa´tı´prachu nesmı´me zapomenout vsˇechny veˇtraćˇky zase uvolnit a zkon- trolujeme, jestli jsou vsˇechny konektory tam, kde majı´by´t, a zˇe jsou zcela zasunute´.

Je du˚lezˇite´veˇdeˇt, jak vlastneˇvzduch ve skrˇıńi proudı´. V noveˇjsˇıćh skrˇıńıćh je obvykle vzduch nasa´vań bocˇnı´mi nebo cˇelnı´mi otvory (musı´by´t volne´!) a neteˇsnostmi skrˇıńeˇa vyfukovań ventila´torem za zdrojem. KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 232

Proudeˇnı´vzduchu by nemeˇly prˇeka´zˇet jednotlive´komponenty, kolem kteryćh vzduch proudıá odebı´ra´ teplo, a samozrˇejmeˇani kabely (nebo alesponˇv co nejmensˇı´mı´rˇe). Rozmı´steˇnı´komponent je obvykle alesponˇ cˇa´stecˇneˇurcˇeno Form Factorem za´kladnı´desky (viz str. 57). Dedikovane´graficke´karty s vlastnı´m chladicˇem obvykle vyfukujı´teply´vzduch ven prˇes vedlejsˇı´slot v zadnı´steˇneˇskrˇıńeˇ.

11.2.2 Typy chladicˇu˚

Pasivnıćhladicˇe jsou urcˇeny pro tepelneˇmeńeˇna´rocˇne´komponenty. Jsou obvykle zalozˇeny na vyuzˇitı´ konvekcˇnı´ho proudeˇnı´ vzduchu (teply´ vzduch stoupa´) nebo vyuzˇı´vajı´ jiny´ zpu˚sob nucene´ho proudeˇnı´ vzduchu (naprˇı´klad v kombinaci s aktivnı´m chladicˇem). Typickou a velmi du˚lezˇitou vlastnostı´pasivnıćh chladicˇu˚je jejich tichy´beˇh (jsou bez aktivnıćh cˇa´stı´, nemajıćˇı´m vytva´rˇet hluk), poneˇkud horsˇı´vlastnostı´je o neˇco nizˇsˇıúćˇinnost nezˇu jinyćh zpu˚sobu˚chlazenı´. U pasivnıćh chladicˇu˚je du˚lezˇita´velkaćhladicı´plocha. Proto se obvykle jednaó celkem husteˇzˇebrovane´ soucˇa´stky. Obvykle platı´, zˇe cˇı´m hustsˇı´zˇebrovańı´, tı´m lepsˇıćhlazenı´, ale jen do urcˇite´mı´ry. Prˇı´lisˇhuste´ zˇebrovańı´mu˚zˇe vadit spra´vne´mu pru˚chodu vzduchu a pu˚sobit turbulence. Pasivnıćhladicˇe obvykle doprova´zejıáktivnıćhladicˇe (viz nı´zˇe), ale mohou by´t pouzˇity i samostatneˇ(naprˇı´klad na chipsetu). Aktivnıá aktivneˇ-pasivnıćhladicˇe najdeme naprˇı´klad u zdroje nebo cˇasto u procesoru, neˇkdy i u dalsˇıćh komponent. Jak bylo vy´sˇe uvedeno, obvykle se vyskytujı´v kombinaci s pasivnı´m chlazenı´m. Na obra´zku 11.1 vidı´me smeˇr proudeˇnı´vzduchu kolem kombinovane´ho chladicˇe nad procesorem (veˇtraćˇek nasa´va´studeny´vzduch a fouka´ ho na procesor, ohrˇa´ty´vzduch je pasivnı´m chladicˇem odva´deˇn prycˇ). Obra´zek 11.1: Aktivnıćhladicˇ2

Pozna´mka: Platı´, zˇe cˇı´m veˇtsˇı´ventila´tor (veˇtsˇı´lopatky), tı´m ućˇinneˇjsˇı´je chlazenı´. Proto velke´ventila´tory mohou pracovat s nizˇsˇı´m vy´konem (nizˇsˇı´rychlostı´). Souvisı´to zejmeńa s faktem, zˇe lopatky ventila´toru vytva´rˇejıáerodyna- micky´hluk (rychle proudıćı´vzduch je celkem hlasity´, s extre´mem se setka´me naprˇı´klad u letadel). Proto platı´, zˇe volı´me spı´sˇe veˇtsˇı´ventila´tor (120×120 mm), ktery´mu˚zˇe pracovat na nizˇsˇı´rychlosti, a tı´m je i tisˇsˇıńezˇ male´ventila´tory (80×80 mm). Navıć mensˇı´ventila´tory se rychleji zana´sˇejı´prachem. Ovsˇem veˇtsˇı´ventila´tor si mu˚zˇeme doprˇa´t jen tehdy, kdyzˇse na dane´mı´sto vejde (tudı´zˇprˇed koupı´veˇtsˇı´ho veˇtra´ku si zmeˇrˇı´me mı´sto, do ktere´ho ho chceme osadit).

Ventila´tor se obvykle umı´st’uje za zdroj, kde slouzˇı´k vyfukovańı´teple´ho vzduchu ven, a da´le by´vaćˇasto veprˇedu, kde naopak nasa´va´studeny´vzduch a vhańı´ho dovnitrˇskrˇıńeˇ. Da´le by´va´ventila´tor na procesoru a prˇı´padneˇi u dedikovane´graficke´karty. Existujı´take´prˇı´davne´ventila´tory ve formeˇrozsˇirˇujıćı´karty, ktere´ se mohou zasunout do PCI slotu, obvykle vedle dedikovane´grafiky.

2Zdroj: http://pctuning.tyden.cz/navody/zaklady-stavba-pc/7167-zaklady pc-chlazeni a tichy pocitac KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 233

Heatpipe [hi:tpaip] je hermeticky uzavrˇena´meˇdeˇna´trubicˇka naplneˇna´takovou kapalinou, ktera´dobrˇe vede teplo (voda, ethanol apod.). Vnitrˇnı´povrch heatpipe je narusˇeny´, ma´jakousi houbovitou strukturu. Bod varu kapaliny uvnitrˇheatpipe musı´by´t spı´sˇe nı´zky´(idea´lneˇ kolem 50 °C), cˇehozˇse dosahuje vhodnou volbou kapaliny (ethanol) nebo natlakovańı´m (u vody). Na zahrˇı´vane´m konci se kapalina od- parˇuje (a tı´m odebı´ra´teplo), na chladneˇjsˇı´m konci pak kondenzuje a vnitrˇnı´m „houbovity´m“ povrchem se vracı´k teplejsˇı´mu konci. Dı´ky tomu neza´lezˇıńa konkre´tnı´poloze a nasmeˇrovańı´trubicˇek, vyparˇo- vańıí vzlıńańı´funguje i proti zemske´gravitaci. Heatpipes se vyznacˇujı´ velmi vysokou ućˇinnostı´, trˇebazˇe jde v principu o pasivnıćhlazenı´. Setka´va´me se s nimi obvykle v kombinaci s aktivnı´m chlazenı´m, uka´zku vidı´me na obra´zku 11.2 (na boku je ventila´tor coby aktivnıćhladicˇ, da´le zde najdeme beˇzˇny´pasivnı´ chladicˇ– zˇebrovańı´, dole jsou ve formeˇpı´smene „U“ heatpipes). Heatpipes poma´hajı´ chladit procesor, cˇasto i za´kladnı´ desku Obra´zek 11.2: Kombinace aktivnı´ho a dalsˇı´komponenty. U kvalitneˇjsˇıćh pameˇt’ovyćh modulu˚je takeńa- chladicˇe a heatpipes4 jdeme uzavrˇene´v pouzdrˇe kolem desky s cˇipy s tı´m, zˇe pameˇt’ove´ moduly se obvykle nacha´zejı´blı´zko procesoru a tedy jsou cˇasto prˇichlazovańy chladicˇem procesoru.

Teplovodiva´pasta se nana´sˇı´na plochu mezi chlazenou komponentou a chladicˇem (nejcˇasteˇji u procesoru˚). Jejı´m u´kolem je idea´lneˇspojit komponentu a chladicˇ, aby mezi nimi nebyl vzduch, cˇı´mzˇse zlepsˇı´ odvod tepla. Pastu nana´sˇı´me jen v tenke´vrstveˇ(obvykle stacˇı´kapka doprostrˇed procesoru), tak, aby dosˇlo k plne´mu propojenı´, prˇı´lisˇvelka´vrstva mu˚zˇe naopak odvod tepla zhorsˇit.

11.2.3 Sledova´nı´teploty

Modernı´pocˇı´tacˇe beˇzˇneˇmı´vajıú „rizikoveˇjsˇıćh“ komponent teplotnı´senzory, ktere´lze softwaroveˇsledovat. Sledovańı´lze prova´deˇt v ru˚znyćh programech (cˇasto specializovanyćh na konkre´tnı´komponentu). Kromeˇ sledovańı´takećˇasto mu˚zˇeme nastavovat rychlost otaćˇenı´ventila´toru˚(jejich otaćˇky) – kdyzˇje ventila´tor prˇı´lisˇ hlasityá za´rovenˇnehrozıńebezpecˇı´prˇehrˇa´tı´komponenty, mu˚zˇeme otaćˇky tohoto ventila´toru mı´rneˇsnı´zˇit. Ve Windows mu˚zˇeme pouzˇı´t naprˇı´klad: • SpeedFan5 – regulace otaćˇek ventila´toru˚, taky monitoruje teplotnı´senzory a prˇistupuje ke S.M.A.R.T. informacı´m, • CPUID HWMonitor6 – na webu je cela´sada na´stroju˚pro monitorovańı´syste´mu od firmy CPUID, • HDD Health, HDDLife – pro pevny´disk, • Notebook Hardware Control7 – prˇedevsˇı´m pro notebooky, vcˇetneˇspra´vy napa´jenı´, • SiSoft Sandra Lite

4Zdroj: http://pctuning.tyden.cz/navody/zaklady-stavba-pc/7167-zaklady pc-chlazeni a tichy pocitac 5http://www.almico.com/speedfan.php 6http://www.cpuid.com/softwares.html 7http://www.pbus-167.com/ KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 234

Typicˇtı´vy´robci chladicˇu˚jsou Arctic Cooling, Evercool, Nexus, Noctua, Thermalright, Xigmatek, Thermolab, Zalman a dalsˇı´.

Dalsˇı´informace: Dalsˇı´informace o chlazenı´: • http://pctuning.tyden.cz/navody/zaklady-stavba-pc/7167-zaklady pc-chlazeni a tichy pocitac?start=1 • http://earchiv.chip.cz/cs/earchiv/vydani/r-2009/chip-10-2009/pocitani-chladnou-hlavou.html • http://extrahardware.cnews.cz/miniserial-tiche-pc-zaklady-chlazeni-ztiseni

11.3 Power Management

Power Management (spra´va napa´jenı´) prˇedstavuje mozˇnosti rˇı´zenı´spotrˇeby komponent pocˇı´tacˇe v urcˇity´ch situacı´ch. Existujı´dveˇmozˇnosti, jak lze spra´vu napa´jenı´prova´deˇt: APM (starsˇı´, zcela v rezˇii BIOSu) a ACPI (noveˇjsˇı´, v rezˇii operacˇnı´ho syste´mu).

11.3.1 R APM

APM (Advanced Power Management) se konfiguruje v BIOSu v sekci, ktera´je obvykle nazvana´„Power Management Setup“ nebo podobneˇ. APM definuje neˇkolik rezˇimu˚, ke kazˇde´mu lze urcˇit, jak se jednotlive´rˇı´zene´komponenty budou chovat. Tyto rezˇimy jsou: • Enabled – plny´vy´kon, • Standby (S1/POS, Power Saving) – komponenty obdrzˇı´signa´l o snı´zˇenı´prˇı´konu, snı´zˇı´se spotrˇeba, • Suspend to RAM (S3/STR) – uspańı´do pameˇti, • Suspend to Disk (STD) – uspańıńa disk, • Off – vypnuto.

11.3.2 ACPI

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) sice take´vyuzˇı´va´BIOS (pro praći s konfiguracı´ za´kladnı´desky) a pouzˇı´va´hardwarove´registry (v chipsetu), ale konfigurace se prova´dı´v operacˇnı´m syste´mu, naprˇı´klad ve Windows to je v ovla´dacı´m panelu Mozˇnosti napa´jenı´ (mu˚zˇe za´lezˇet na konkre´tnı´verzi Windows). S notebookem mu˚zˇeme dostat (a obvykle take´dostaneme) prˇı´davny´software od vy´robce notebooku (resp. za´kladnı´desky nebo jine´komponenty), ktery´take´mu˚zˇe slouzˇit k podrobneˇjsˇı´mu nastavenı´ rˇı´zenı´spotrˇeby. R Komunikace mezi rˇı´zeny´mi komponentami, BIOSem a operacˇnı´m syste´mem probı´ha´ve specia´lnı´m jazyce AML (ACPI Machine Language), ktery´je univerza´lnı´pro vsˇechny typy komponent od ru˚znyćh vy´robcu˚. Pokud zarˇı´zenı´(komponenta) podporuje ACPI, musı´rozumeˇt tomuto jazyku. Podobneˇjako APM, takeÁCPI rozezna´vańeˇkolik rezˇimu˚cˇinnosti. KAPITOLA 11 NAPA´ JENI´ A CHLAZENI´ POCˇI´TACˇE 235

• Working (S0) – plny´vy´kon, • Sleeping S1 (S1/POS) – obdoba Standby a Suspend to RAM z APM, pod proudem zu˚sta´vaóperacˇnı´ pameˇt’a cache procesoru, ostatnı´komponenty jedou v sˇetrˇıćı´m rezˇimu, • Sleeping S2 – podobneˇjako Sleeping S1, ale cache procesoru nenıńapa´jena, obsah operacˇnı´pameˇti zu˚sta´va´zachovań, • Sleeping S3 (Save to RAM) – podobneˇjako Sleeping S2, ale vsˇechny komponenty kromeˇoperacˇnı´ pameˇti jsou zcela bez napa´jenı´, probouzenı´je o neˇco delsˇıńezˇv prˇedchozıćh uspa´vacıćh rezˇimech, • Save to Disk (S4, Soft-Off) – vesˇkere´komponenty jsou bez proudu, obsah operacˇnı´pameˇti je ulozˇen na disk, probouzenı´je nekolikra´t delsˇıńezˇu S3, operacˇnı´syste´m (zde rea´lneˇvypnuty´, mimo RAM), ktery´tento stav doka´zˇe osˇetrˇit, se po spusˇteˇnı´sve´ho zavadeˇcˇe doka´zˇe obnovit z odkla´dacı´ho prostoru na disku, • Mechanical-Off (S5) – vypnuty´syste´m.