Budowa i zasadadziałania komputera

dr inż. Izabela SzczęchPolitechnika PoznańskaPodstawy informatyki

System komputerowy

Wybrane rodzaje komputerów Architektura komputera

procesor magistrala systemowa pamięć operacyjna urządzenia zewnętrzne

Komputery wczoraj i dziś

Plan wykładu

2

System komputerowy

System komputerowy(informatyczny)

sprzęt oprogramowanie

System komputerowy (ang. computer system) – układwspółdziałania dwóch składowych: sprzętu komputerowegooraz oprogramowania

4

Funkcje systemu komputerowego

przetwarzanie danych

przechowywanie danych (krótkotrwałe lub długotrwałe)

przenoszenie danych (pomiędzy komputerem a światemzewnętrznym)

sterowanie (trzema powyższymi funkcjami)

5

Wybrane rodzajekomputerów

Komputer:

elektroniczna maszyna licząca(łac. computare, ang. compute – obliczać)

urządzenie elektroniczne służące do automatycznegoprzetwarzania informacji (danych), przedstawionychcyfrowo (tzn. za pomocą odpowiednio zakodowanychliczb), wyposażone w możliwość wprowadzania,przechowywania i wyprowadzania danych

Komputer - trochę teorii

7

Superkomputer komputer, który ma jedną z największych mocy

obliczeniowych na świecie w danym momencie. Jest topojęcie względne, gdyż moc obliczeniowa komputerów rośnienieustannie i dany superkomputer pozostaje w tej klasiezwykle tylko kilka lat.

Za pierwszy superkomputer uznaje się CDC 6600 z 1963 r.(Control Data Corporation) według projektu i pod ścisłym nadzorem Seymoura Craya maszyna wykonywała 3 miliony operacji na sekundę pierwszy komputer gdzie zastosowano tranzystory

krzemowe technika chłodzenia podzespołów freonem

8

Klastry komputerowe (ang. cluster)

grupa połączonych jednostek komputerowych, którewspółpracują ze sobą w celu udostępnieniazintegrowanego środowiska pracy.

Komputery wchodzące w skład klastra (będąceczłonkami klastra) nazywane są węzłami (ang. node).

9

Klastry komputerowe - podział

Klastry wydajnościowe: pracujące jako komputerrównoległy. Celem ich budowy jest zwiększenie mocyobliczeniowej. Wiele obecnych superkomputerów działana tej zasadzie.

Klastry niezawodnościowe: pracujące jako zespółkomputerów dublujących nawzajem swoje funkcje. Wrazie awarii jednego z węzłów, następuje automatyczneprzejęcie jego funkcji przez inne węzły.

W praktyce rozwiązania klastrowe często mają charaktermieszany: dla pewnych aplikacji wykonują funkcjewydajnościowe, przy jednoczesnym pełnieniu roliniezawodnościowej.

10

Grid (ang. grid)

system przetwarzania danych, który integruje i zarządzazasobami będącymi pod kontrolą różnych domen (odinstytucji po system operacyjny) połączony sieciąkomputerową

używa standardowych, otwartych protokołów iinterfejsów ogólnego przeznaczenia (odkrywania idostępu do zasobów, autoryzacji, uwierzytelniania)

dostarcza usług odpowiedniej jakości (QoS, oferujeusługi wyższego poziomu)

11

Grid Celem technologii gridowej jest stworzenie prostego,

lecz mimo to wielkiego i potężnego, wirtualnegokomputera z ogromnej ilości połączonych,niejednorodnych systemów współdzielących różnegorodzaju zasoby.

Grid jest rozwinięciem idei klastra poza tradycyjnegranice domeny.

12

Grid Za „ojca gridów” uznawany jest Ian Foster, profesor na

Uniwersytecie w Chicago

Pierwsze inicjatywy gridowe:

GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search)

SETI@home (Search for Extra-TerrestrialIntelligence)

13

Architekturakomputera

(budowa sprzętu)

Architektura komputera

Magistrala systemowa

Pamięćoperacyjna

Pamięćoperacyjna

ProcesorProcesor

15

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Architektura komputera Komputer składa się z czterech głównych składników:

procesor (jednostka centralna, CPU) – steruje działaniemkomputera i realizuje funkcje przetwarzania danych

pamięć operacyjna – pamięć bezpośrednio połączona zprocesorem, przechowuje dane i program

urządzenia zewn. (urządzenia wejścia/wyjścia) –np. klawiatura, monitor, drukarka, dysk, CD, DVD, etc.Komunikacja między procesorem a tymi urządzeniamiodbywa się za pośrednictwem sterowników

magistrala systemowa - połączenia systemu; wszystkiemechanizmy zapewniające komunikację między jednostkącentralną, pamięcią operacyjną a urządzeniami zewnętrz

16

Zegar systemowy

Komputer złożony z pamięci, procesora i urządzeńzewnętrznych będzie prawidłowo funkcjonował, o ile cośnada mu rytm pracy – tym elementem jest zegarsystemowy.

Zegar systemowy jest urządzeniem generującym sygnałzegarowy, który synchronizuje pracę wszystkichelementów systemu komputerowego, tzn. zmieniają oneswój stan w takt zegara.

17

Częstotliwość zegara

to liczba cykli sygnału zegarowego na sekundę.

Zwiększenie częstotliwości zegara zwiększa szybkośćzmian stanu elementów systemu komputerowego, azatem zwiększa szybkość pracy komputera.

Szybkość komputera mierzona jest w następującychjednostkach: MIPS (Milion Instructions per Second) – milion (220) rozkazów

wykonywanych przez procesor w sekundę

Megaflop - milion (220) operacji zmiennoprzecinkowychwykonywanych przez procesor w sekundę

18

Częstotliwość zegara - ograniczenia

Im większa częstotliwość zegara, tym szybciej pracujekomputer.

Dlaczego występują ograniczenia na częstotliwość zegara?

czas propagacji – związany z odległością pomiędzyelementami składowymi procesora (np. tranzystorami).Im mniejsza odległość między elementami (aspektytechnologiczne) tym krótszy czas propagacji, choć i taknigdy nie on będzie zerowy. Jeśli częstotliwość zegarabyłaby zbyt duża w stosunku do tych ograniczeń, to systemnie działałyby poprawnie.

19

Częstotliwość zegara - ograniczenia

Dlaczego występują ograniczenia na częstotliwość zegara?

wydzielana moc – energia wydzielana w jednostce czasu(moc) jest wprost proporcjonalna do częstotliwości , corodzi problemy z odprowadzaniem tej energii czylichłodzeniem systemów. Jeśli częstotliwość zegara będziezbyt duża do możliwości odprowadzania wydzielanejenergii to układ zostanie fizycznie zniszczony.

20

Czy istnieje granica szybkości ?

Pojemność dynamiczna x Napięcie2 x Częstotliwość

Częstotliwość x Liczba instrukcji w cyklu

Szybkość procesora

Wydzielana moc21

PROCESOR

Magistrala systemowa

Pamięćoperacyjna

Pamięćoperacyjna

ProcesorProcesor

22

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Budowa procesora

rejestryjednostkaarytmetyczno-logiczna (ALU)

jednostkasterująca

PROCESOR

magistrala systemowa

23

Główne składniki procesora to:

jednostka sterująca - steruje działaniem procesora ipośrednio całego komputera

jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - realizujefunkcję przetwarzania danych przez komputer

rejestry (słowa) - realizują wewnętrzneprzechowywanie danych w procesorze, cechącharakterystyczną jest ich długością czyli liczba bitówjakie równolegle są w nich zapamiętywane.

połączenia procesora – wszystkie mechanizmyzapewniające komunikację między jednostkąsterującą, ALU i rejestrami

Budowa procesora

24

Zasada działania procesora

Podstawowe zadanieprocesora to wykonywanieprogramu przechowywanegow pamięci operacyjnej

W procesorach sekwencyjnychkolejne rozkazy są pobieranez pamięci operacyjnej inastępnie wykonywane przezprocesor

25

Cykl pobrania (ang. fetch)

odczytanie rozkazu z pamięci , którego adres wskazujerejestr procesora zwany licznikiem rozkazów(IP – instruction pointer, PC – program counter)

na ogół po wykonaniu każdego rozkazu IP jestautomatycznie inkrementowany

26

Cykl wykonania (ang. execution)

może zawierać kilka operacji, jest zależny od naturyrozkazu

pobrany rozkaz jest ładowany do rejestru wprocesorze zwanego rejestrem rozkazu (IR)

rozkaz ma formę kodu binarnego określającegodziałania, które ma podjąć procesor

procesor interpretuje rozkaz i przeprowadzawymagane działania

27

Wstępne pobranie instrukcji W celu przyspieszenia pracy systemu stosuje się tzw.

wstępne pobranie instrukcji (ang. prefetching)

28

Format rozkazu procesora Każdy rozkaz przechowywany jest w postaci binarnej, ma

określony format, czyli sposób rozmieszczenia informacji

Rozkaz zawiera:

kod operacji - rodzaj wykonywanej operacji

operandy - argumenty lub adresy argumentów wykonywanychoperacji

kod operand

29

Graf stanów cyklu wykonania rozkazu

(3) - analizowanie rozkazu w celu określenia rodzaju operacji, która ma byćwykonana oraz w celu określenia argumentu (jednego lub kilku)

(8) - zapisanie wyniku w pamięci lub skierowanie go do urządzeń we/wy

Mogą wystąpić sytuacje, w których jeden rozkaz może określać operacje nawektorze liczb lub na szeregu znaków, co wymaga powtarzania operacjipobrania i/lub przechowywania

30

Podział rozkazów procesora Rozkazy transferu (kopiowania) danych

wewnętrznie pomiędzy rejestrami pomiędzy rejestrami a pamięcią operacyjną pomiędzy rejestrami a urządzeniami wejścia-wyjścia

Rozkazy przetwarzania danych rozkazy arytmetyczne — dodawanie, odejmowanie,

mnożenie, dzielenie, inkrementacja itp. bitowe rozkazy logiczne — AND, OR, XOR, NOT itp.

Rozkazy porównania

Rozkazy przekazywania sterowania rozkazy skoków i rozgałęzień warunkowych rozkazy wywołania podprogramu i powrotu z podprogramu

31

Przerwania a działanie procesora

Wykonywanie kolejnych rozkazów przez procesormoże być przerwane poprzez wystąpienie tzw.przerwania.

Przerwania zostały zaimplementowane w celupoprawienia efektywności przetwarzania

Poprzez wykorzystanie przerwań procesor możewykonywać inne rozkazy, np. gdy jest realizowanaoperacja we/wy

32

Klasy przerwań Wyróżniane klasy przerwań:

programowe - generowane po wystąpieniu błędupodczas wykonania rozkazu (np. przepełnieniearytmetyczne, dzielenie przez zero)

zegarowe - generowane przez wewnętrzny zegarprocesora (np. przy implementacji algorytmukaruzelowego – round robin)

we/wy - generowane przez sterownik we/wy w celuzasygnalizowania normalnego zakończenia operacjilub zasygnalizowania błędu

uszkodzenie sprzętu - generowane przezuszkodzenie, np. defekt zasilania, błąd parzystościpamięci 33

Realizacja przerwania

34

Przerwania wielokrotne

Podczas obsługi jednego przerwania może pojawić sięsygnał kolejnego przerwania

Problem przerwań wielokrotnych rozwiązywany jest nadwa sposoby:

podczas przetwarzania przerwaniauniemożliwienie innych przerwań

określenie priorytetów przerwań - przerwanie owyższym priorytecie powoduje przerwanieprogramu obsługi przerwania o niższympriorytecie

35

Intel 4004 – pierwszy mikroprocesor

powstał w 1971 roku 4-bitowy(rejestry danych procesor są 4 bitowe) 2300 tranzystorów częstotliwość : 740 kHz 46 instrukcji najdroższy (!!!) procesor w chwili obecnej :)

36

F14 CADCF14A Central Air Data Computer (1970) – ujawniony w 1998

20-bitowy układ z techniką potokową37

Przykłady procesorów

Intel 8086 Intel 80286 Intel Pentium

Intel Celeron Intel Xeon AMD Duron

czerwiec 19785 Mhz / 12 Mhzbrak29 0003 µ16 bitowy

marzec 199360 Mhz / 266Mhz8Kb3 ,1 mln0,8; 0,35; 0,28; 0,25µ32 bitowy

luty 19826 MHz / 25 MHzbrak134 0001,5 µ16 bitowy

kwiecień1998266 MHz/ 2,2GHz128KB / 256KB7 ,5 mln0,25; ,18; 0,13 µ

wrzesień 1998400MHz / 2,8GHz256 Kb / 2 Mb L27,5 mln0,25; 0,18; 0,13 µ

czerwiec 2000600MHz / 1,3GHz128KB L1, 64KB L225 mln0,18 µ

38

Data wprowadzenia na rynekCzęstotliwość przy debiucie/maksymalnaPamięć cacheLiczba tranzystorówTechnika wykonania

Solo, Duo, Quadro

styczeń 20061.66GHz / 2.5GHz64K / 2048K151 mln0,065 µ

czerwiec 20061,66GHz / 2,93GHz64K / 4048K291 mln0,065 µ

39

Core i7 Bloomfieldlistopad 20083.3GHz / 3.6GHz256K / 8M781 mln0,045 µ

Precyzja wykonania procesora

40

Jak duży jest nanometr ?

41

Cleanroom

42

Superkomputer komputer, który ma jedną z największych mocy

obliczeniowych na świecie w danym momencie. Jest topojęcie względne, gdyż moc obliczeniowa komputerów rośnienieustannie i dany superkomputer pozostaje w tej klasiezwykle tylko kilka lat.

Za pierwszy superkomputer uznaje się CDC 6600 z 1963 r.(Control Data Corporation) według projektu i pod ścisłym nadzorem Seymoura Craya maszyna wykonywała 3 miliony operacji na sekundę pierwszy komputer gdzie zastosowano tranzystory

krzemowe technika chłodzenia podzespołów freonem

43

www.top500.org 06/2012

44

Sequoia Supercomputer

45

Constructed by IBM for the National Nuclear Security Administration as part of theAdvanced Simulation and Computing Program (ASC)

Klocki dla dużych dzieci?

46

Trendy

47

MAGISTRALA SYSTEMOWA

Magistrala systemowa

Pamięćoperacyjna

Pamięćoperacyjna

ProcesorProcesor

48

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Magistrala systemowa

Magistrala systemowa jest zbiorem połączeń pomiędzypodstawowymi modułami komputera, tj. procesorem,pamięcią operacyjną i urządzeniami wejścia/wyjścia.

Na ogół fizycznie są to połączenia przewodnikiemelektrycznym (np. miedziane ścieżki, przewody). Istniejąteż rozwiązania wykorzystujące np. światłowody lubpołączenia radiowe (np. Bluetooth).

49

Magistrala systemowa

Magistrala składa się z wielu oddzielnych linii, którymprzypisane jest określone znaczenie i określona funkcja

Ważną cechą charakterystyczną magistrali jest jej szerokość,która mówi o liczbie linii (połączeń) w ramach tej szyny a tymsamym o liczbie bitów informacji, która może zostaćprzesłana jednocześnie tą magistralą.

Przepustowość magistrali (prędkość transmisji) jest liczbabitów przesyłanych w jednostce czasu

50

Magistrala systemowa

CPU(ALU,

Registers,Control)

Memory Input andOutput (I/O)

System B

us

Data Bus

Address Bus

Control Bus

W ramach magistrali systemowej wyróżnia się szynę (linię) danych, szynę (linię) adresową szynę (linię) sterującą

51

Szyna danych

Szyna danych (ang. Data Bus) - przenosi dane międzymodułami systemu

Szyna danych ma zwykle szerokość 8, 16, 32, lub 64bitów

Przepustowość szyny danych wpływa na wydajnośćsystemu komputerowego – jeśli szyna danych maszerokość 16 bitów, a wykonywany rozkaz 32 bity, toniezbędne są dwa cykle transmisji danych międzyprocesorem a pamięcią operacyjną

52

Szyna adresowa Szyna adresowa (ang. Address Bus) - służy do określania

(identyfikowania) źródła i miejsca przeznaczenia danychprzesyłanych szyną danych

Szerokość magistrali adresowej czyli liczba liniiadresowych jest bardzo ważna, mówi ona o tym jakąprzestrzeń adresową możemy obsłużyć przy pomocydanego procesora.

przestrzeń adresowa 32-bitowego procesora (np. Pentium)to 232 = 22 *230 = 4*230 =4G

230 = 210 * 210 * 210 = 1024 * 1024 * 1024= 1K * 1K * 1K = 1M * 1K = 1G = 1 073 741 824

53

Szyna sterowania Szyna sterowania (ang. System Bus): obejmuje

wzajemnie wykluczające się sygnały procesora sterującedostępem do pamięci operacyjnej i urządzeńzewnętrznych

Typowe sygnały szyny sterującej to:

MRD (memory read) – sygnalizuje odczyt z pamięci operacyjnej

MWR (memory write) – sygnalizuje zapis do pamięci operacyjnej

I/OR (input/output read) – sygnalizuje odczyt z urządzeniazewnętrznego

I/OW (input/output write) – sygnalizuje zapis do urządzeniazewnętrznego

54

Magistrala systemowa - PYTANIA

CPU(ALU,

Registers,Control)

Memory Input andOutput (I/O)

System B

us

Data Bus

Address Bus

Control Bus

Co jest wystawiane na poszczególne szyny?

1) procesor zapisuje do pamięci operacyjnej wartość 5pod adres 100

2) procesor odczytuje zawartość słowa pamięci operacyjnej oadresie 200

3) procesor zapisuje do rejestru urządzenia zewn. wartość 10pod adres 300

55

Struktury wielomagistralowe

W systemach wieloprocesorowych magistrala może staćsię wąskim gardłem systemu

Rozwiązaniem tego problemu są strukturywielomagistralowe o określonej hierarchii pozwalające najednoczesną komunikację między modułami z użyciemróżnych magistrali (komunikacja z różnymi procesoramimoże odbywać się równocześnie z użyciem różnychmagistral)

56

PAMIĘĆ OPERACYJNA

Magistrala systemowa

Pamięćoperacyjna

Pamięćoperacyjna

ProcesorProcesor

57

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Pamięć operacyjna Pamięć – układy zdolne do przyjmowania, przechowywania i

wysyłania informacji w postaci ciągów binarnych.

Pamięć operacyjną (główną) tworzy uporządkowany zbiórrejestrów (słów) i dekoder adresowy.

Słowa są identyfikowane przez ich pozycję (adres) w zbiorze.

Operacje odczytu/zapisu na słowie wymagają skojarzeniaadresu z fizyczną lokalizacją słowa, co jest realizowane przezdekoder adresowy. Dzięki temu czas dostępu do dowolnegosłowa nie zależy od jego pozycji w pamięci (w przeciwieństwienp. do pamięci o dostępie sekwencyjnym). Pamięć o takiejorganizacji jest pamięcią o dostępie swobodnym - RAM(Random Access Memory).

58

Pamięć operacyjna w pamięci operacyjnej komputer

przechowuje aktualniewykorzystywane dane i programy

pamięć składa się z określonejliczby słów (rejestrów) jednakowejdługości

słowa umieszczone są podkonkretnymi adresami

słowo może być odczytane zpamięci lub do niej zapisane

typ operacji określają sygnałysterujące odczyt i zapis

59

Pamięć operacyjna - parametry Podstawowe parametry pamięci operacyjnej:

Czas dostępu – czas od rozpoczęcia do zakończeniaoperacji zapisu lub odczytu pojedynczego słowa.

Długość słowa– liczba bitów w słowie (np. 8, 16, 32 bity).

Pojemność pamięci– liczba słów tworzących pamięć.

Trwałość pamięci przy braku zasilania – zależne odtechnologii zachowywanie bądź nie danych w pamięciprzy zaniku zasilania.

60

Pamięć ROM

ROM – Read Only Memory (pamięć tylko do odczytu)

Pamięć zawierająca dane i programy, które można jedynieodczytać, bez możliwości ich modyfikacji.

Przy uruchamianiu komputera odczytywana i wykonywanajest zawartość pamięci ROM.

Zaletą pamięci ROM jest to, że dane i programy znajdują sięcały czas w pamięci operacyjnej i nigdy nie wymagająładowania z pamięci zewnętrznej.

61

Pamięć ROM „mutacją” pamięci ROM jest pamięć RAM typu EPROM

(optycznie wymazywalna, programowalna pamięć nieulotna)- która jest odczytywana i zapisywana elektrycznie.Przed operacją zapisu wszystkie komórki zostają skasowaneprzez naświetlenie układu promieniowaniem ultrafioletowym.Pamięć EPROM jest droższa od pamięci ROM, ale dajenowe możliwości kilkukrotnego zapisu

EEPROM (elektrycznie wymazywalna, programowalnapamięć stała) – pamięć ta może być zapisywana bezwymazywania poprzedniej zawartości; aktualizowane sątylko bajty adresowe

62

Pamięć ROM

Pamięć ROM typu FLASH – wykorzystuje metodęwymazywania elektrycznego. Cała pamięć może byćwymazana w ciągu kilku sekund, możliwe jest wymazaniezawartości tylko niektórych bloków pamięci, a nie całegoukładu

63

BIOS, Basic Input-Output System - program zapisany nastałe w pamięci ROM komputera.

• Jest on uruchamiany jako pierwszy po włączeniukomputera.

• Jego zadaniem jest testowanie sprzętu, uruchomieniesystemu operacyjnego.

BIOS

64

Czas przetwarzania jednego rozkazunie jest zwykle dłuższy odpojedynczego cyklu zegarowego .

Czas oczekiwania na kolejna porcjędanych z pamięci operacyjnej możebyć parokrotnie dłuższy.

Rozwiązanie – wprowadzeniepamięci podręcznej (cache) czyliszybkiego bufora pomiędzyprocesorem a pamięcią operacyjną.

Pamięć podręczna

65

Pamięć podręczna zawiera kopię części zawartości pamięcioperacyjnej

Słowa pamięci podręcznej zawierają dwa elementy:adres słowa i jego zawartość. Przed odczytaniem słowa zpamięci operacyjnej następuje sprawdzenie czy słowo ożądanym adresie znajduje się w pamięci podręcznej

jeśli tak, to jest przesyłane do procesora

jeśli nie, to blok pamięci operacyjnej (ustalona liczbasłów) jest wczytywany do pamięci podręcznej, anastępnie słowo jest przesyłane do procesora

Pamięć podręczna

66

problem adresacji pamięci cache -Jak stwierdzić czy słowo o danym adresie pamięcioperacyjnej jest w pamięci cache?

problem spójności pamięci cache -Jak zagwarantować, że to co mamy w pamięci cachejest zgodne z tym co mamy w pamięci operacyjnej?(zwłaszcza, gdy mamy systemy wieloprocesorowe lubwielordzeniowe)

Pamięć podręczna - problemy

67

URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE

Magistrala systemowa

Pamięćoperacyjna

Pamięćoperacyjna

ProcesorProcesor

68

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

Urządzeniazewnętrzne

(wejścia/wyjścia)

STEROWNIKI URZĄDZEŃZEWNĘTRZNYCH

69

Sterowniki Sterownik – układ pośredniczący między procesorem a

urządzeniem zewnętrznym, tzn. z jednej strony łączy się zprocesorem przez magistralę systemową, a z drugiej łączysię z urządzeniem zewnętrznym przez interfejs.

70

Sterowniki

Popularne sterowniki:

karta dźwiękowa

karta graficzna

karta sieciowa

71

Złączeumożliwiająceosadzeniekarty napłyciegłównej

Gniazda wejścia iwyjścia sygnałówdźwiękowych

Sterownik przetwarzającysekwencję zdyskretyzo-wanych próbek sygnałudźwiękowego (jaką operujeprocesor) na sygnałanalogowy (jakim operująurządzenia zewnętrzne)i odwrotnie

Do karty dźwiękowejpodłącza się np. takieurządzenia zewnętrzne jakgłośniki, wzmacniacz czymikrofon.

Karta dźwiękowa (muzyczna)

72

Karta dźwiękowa

Podstawowym parametrem karty dźwiękowej jestczęstotliwość próbkowania (sampling rate), któraokreśla, ile razy w czasie sekundy są wysyłane lubpobierane dane sygnału dźwiękowego.

Im wyższa jest częstotliwość próbkowania, tym wyższajakość nagrywanego dźwięku.

73

Złączeumożliwiająceosadzeniekarty na płyciegłównej

Gniazdo kablasieciowego

sterownik umożliwiającykomunikację procesora zsiecią komputerową(połączenie kablowe,radiowe)

Najważniejszymparametrem kartysieciowej jest jejprędkość transmisji, czyliliczba bitów przesyłanychna sekundę

Diodysygnalizacyjne

74

Karta sieciowa

Karta grafiki

sterownik przetwarzającyobraz cyfrowygenerowany przezprocesor na sygnał„zrozumiały” dla monitora(może to być sygnał:analogowy lub cyfrowy).

Złączeumożliwiająceosadzeniekarty napłycie głównej

Gniazdopodłączeniamonitora

75

Karta grafiki W pamięci karty przechowywana jest informacja

niezbędna do utworzenia obrazu. Każdy punkt obrazu(piksel) opisany jest słowem w pamięci.

Podstawowym parametrem każdej karty grafiki jestrozmiar (pojemność) jej pamięci wyrażony liczbą słów idługością słowa.

Im dłuższe jest to słowo, tym więcej stanów (np.kolorów) danego punktu można pamiętać.

Dlatego też, w zależności od rozmiaru pamięci na karcie,różna może być tzw. paleta kolorów (color palette), wjakiej obraz jest wyświetlany na ekranie.

76

URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE1) PAMIĘCI ZEWNĘTRZNE

77

Pamięci zewnętrzne

Pamięci zewnętrzne – pamięci masowe, takie jak twardydysk, dyskietki, CD, DVD, pen-drive, do trwałegoprzechowywania olbrzymich ilości informacji potrzebnych dorealizacji przez komputer różnych zadań.

Ze względu na zjawiska fizyczne wykorzystywane dopamiętania informacji, pamięci zewn. możemy podzielić na:

magnetyczne (dyski twarde, elastyczne – dyskietki)

optyczne (CD, DVD, Blu-ray)

elektroniczne (Flash)

78

Dysk stały, dysk twardy (angielskie hard disk), pamięćdyskowa, w której nośnik magnetyczny jest nałożonybardzo cienką warstwą (kilka µm) na niewymienną,sztywną płytę zwaną talerzem (lub zespół płyt na jednejosi), zamkniętą w hermetycznej obudowie.Pozwala na zapisywanie danych na stałe, bez ich utratypo odłączeniu zasilania.

Dysk twardy

79

Dysk twardy

Nazwa twardy dysk powstała w celuodróżnienia tego typu urządzeń od tzw.miękkich dysków, czyli dyskietek (floppydisk), w których nośnik magnetycznynaniesiono na elastyczne podłoże, a nie jakw dysku twardym na sztywne.

Pierwowzorem twardego dysku jest pamięćbębnowa. Pierwsze dyski twarde takie, jakdzisiaj znamy, wyprodukowała w latach 70firma IBM (seria o nazwie Winchester).

80

Dysk twardy Do każdego talerza

głowica magnetyczna jestosadzona na ramieniu,porusza się nad warstwąnośnika, nie dotykając płyty

Wszystkie głowiceosadzone na tej samej osi

Liczba talerzy zależna odwykonania HD

Talerze wirują z dużąprędkością

Głowice wraz z ramionamipoddawane dużymprzeciążeniom - jedno zeźródeł hałasu 81

Toshibaok. 2 cm4 GB

82

Coraz mniejsze i bardziejpojemne dyski twarde

Płyta CD-ROM CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory, Philips 1985) Płyta CD-ROM jest poliwęglanowym krążkiem o średnicy 120

mm. W środku znajduje się otwór o średnicy 15mm.

83

W warstwiealuminiumwytłoczona jestfabryczniekoncentrycznieścieżka odługości ok.6000 mi szerokości 0,4 μm

Wgłębienia sąwytłoczonemechanicznie

Płyta CD-ROM

Jaka jest wielkość wgłębień (pit’ów) na płycie CD?

84

Odczytywanie płyt CD-ROM

promień lasera odbija się od warstwy aluminiumznajdującego się pod warstwą z danymi

gdy laser trafi na zagłębienie (pit), jego promień jestrozpraszany, jeżeli trafi na obszar płaski (land), promieńodbitego światła trafia do komórki fotoelektrycznej

85

Inne rodzaje płyt CD CD-R (Compact Disk – Recordable, 1989)

Płyta do jednokrotnego zapisu. Zamiast warstwyaluminium zastosowano trwały barwnik ftalocyjanowy,zmieniający właściwości optyczne pod wpływem wiązkiświatła laserowego (barwnik przezroczysty – pit, mętny –land).

CD-RW (Compact Disk – ReWritable, 1997) Płyta do wielokrotnego zapisu – warstwa aluminium

została zastąpiona warstwą złożonego stopu,posiadającego właściwości morfizacji i rekrystalizacji podwpływem ciepła wydzielanego przez promień światłalaserowego.

86

DVD (Digital Video Disc lubDigital Versatile Disc, 1995)

Różnica między płytami DVD iCD polega na znaczniemniejszych odstępach pomiędzyścieżkami oraz na mniejszychminimalnych rozmiarachwgłębień (pitów) wypalanychlaserem przy zapisie.

87

DVD a CD

Przekrój wzdłuż ścieżki na DVD

88

Płyty CD i DVD - porównanie CD-ROM – tylko do odczytu, poj. ok. 700 MB.

CD-R – jednokrotnie zapisywalne, poj. ok. 700 MB

CD-RW – zapisywalne, poj. do 800 MB

DVD-R – 4,7 GB/strona,

DVD-RW – 4,7 GB/strona (zapisywalne).

DVD – duża gęstość zapisu, dwuwarstwowe(9,4 GB), dwuwarstwowe dwustronne (17,1 GB)

Prędkość odczytu CD – wielokrotność 150 KB/s(pierwsze napędy), np. 32x 32*150KB/s (4,8MB/s)

Prędkość odczytu DVD – wielokrotność 1350 KB/s,np. 16x 16x1350 KB 21600 KB/S (21,09 MB/s)

89

Następcy DVD HD-DVD: High-Definition (DVD wysokiej rozdzielczości),

pojemność do 15/30 GB (przewiduje się do 45 GB). Wersje: HD-DVD-ROM, HD-DVD-R. Microsoft, Toshiba, Sanyo, przemysł filmowy.

Blu-Ray Disc: nowa generacja wykorzystująca laserniebieski (długość fali światła laserowego krótsza niżtradycyjnego lasera czerwonego stosowanego w DVD, stądwiększa gęstość zapisu). Pojemność: 27/54 GB (przewiduje się do 100 GB, co ma

umożliwić zapis 8 godzin filmu). Zainteresowani: Philips, Sony, TDK.

90

Solid State disk (pamięć flash)– urządzenie służące doprzechowywania danych zbudowane w oparciu omasową pamięć półprzewodnikową.

Podstawową zaletą SSD jest brak ruchomych części.Dodatkowo zdecydowanie krótszy czas dostępu dodanych (kilkadziesiąt razy), cicha praca oraz o wielewiększa odporność na uszkodzenia mechaniczne(powodowane np. upadkiem z wysokości).

Pamięci elektroniczne -półprzewodnikowe

91

Solid State Disk

92

Karty pamięci SSD

93

Hierarchia pamięci

Istnieją wzajemne zależności pomiędzy parametramipamięci: kosztem, pojemnością i czasem dostępu:

mniejszy czas dostępu - większy koszt na bit

większa pojemność - mniejszy koszt na bit

większa pojemność - dłuższy czas dostępu

W systemach komputerowych nie stosuje się jednego typupamięci, ale hierarchię pamięci

94

Hierarchia pamięci

taśma dysk optyczny

pamięć operacyjna

pamięćpodręczna

rejestry

dysk magnetyczny

pamięć I rzędu

(ang. primary)

pamięć II rzędu

(ang. secondary)ce

na

95

Hierarchia pamięci Rozpatrując hierarchię od góry do dołu obserwujemy

zjawiska:

malejący koszt na bit

rosnącą pojemność

rosnący czas dostępu

malejącą częstotliwość dostępu do pamięci przezprocesor

96

URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE2) INNE URZĄDZENIA ZEWN.

97

Urządzenia zewnętrzne

98

Monitor jest podłączony do kartygraficznej komputera.

Jego zadaniem jestwyświetlanie obrazów (tekstu)będących wynikiem pracy komputera.

Podstawowym parametrem monitorajest wielkość jego ekranu, określanaprzez długość przekątnej.

99

Monitory

Oglądany przez nas na ekranie ruchomy bądźnieruchomy obraz składa się z wyświetlanych wiersz powierszu pojedynczych "klatek", które są emitowane wielerazy w ciągu sekundy.

Ze względu na różnice w sposobie wyświetlania (m.in.chodzi o zwiększoną jasność) nowoczesne monitoryodświeżają ekran z częstotliwością od 60 herców(dopiero dzięki temu mogą zapewnić stabilny obraz).

100

Monitory

Przedstawianie barw na ekranie monitora:standard RGB, w którym trzy podstawowe kolory(Red, Green, Blue) mieszane w różnych proporcjachdają dowolną barwę.

Standard RGB daje następujące możliwości:

Kolor 16-bitowy (R – 6 bitów, G i B – po 5 bitów,razem 16 bitów), 216 = 65 536 kolorów.

Kolor 24-bitowy (3 razy po 8 bitów), 224 = 16 777 216kolorów.

Kolor 32-bitowy, True Color – dodatkowe 8 bitówwykorzystywane jest do zwiększenia szybkościprzesyłania obrazów.

101

Monitory

Paleta kolorów –zbiór wszystkichmożliwych dowyświetleniakolorów (ludzkie okoma ograniczonemożliwości ichodbioru).

102

Monitory

Drukarka to urządzenie, którepobiera dane z komputera i drukujeje na papierze lub folii.

Trzy najpopularniejsze typy drukarekto:

igłowe,

atramentowe

laserowe.

Podstawowym parametrem drukarkijest rozdzielczość wydruku.

103

Drukarka

Rozdzielczość wydruku

DPI (dots per inch) – liczba punktów na długości 1 cala(1 cal = 2,54 cm).

Im większa wartość liczbowa DPI, tym obraz jestwyraźniejszy i lepiej nasycony barwami (stopieńostrości obrazu)

Drukarki atramentowe – 300-1200 dpi.

Drukarki laserowe – 600-2400 dpi.

Skanery – do 2400-4800 dpi.

(Monitor komputerowy – do 100 dpi).

104

CMY – błękit (cyan), purpura (magenta), żółty (yellow) →odwrócony schemat RGB.

Ponieważmieszanie barwCMY nie dajepełnej czerni,zestaw tenuzupełniono oczerń K → CMYK(dla drukarki kolorczarny jestkolorempodstawowym).

105

Drukarka – model barw

Konflikt: Ludzkie oko – monitor - drukarka Ludzkie oko – ograniczone możliwości odbioru barw. Monitor – tworzenie barw RGB na drodze elektronicznej. Drukarka – tworzenie barw CMYK na drodze

mechanicznej. Dla uzyskania profesjonalnych efektów wymagana jest

kalibracja kolorów na linii skaner – monitor – drukarka.

106

Drukarka – model barw

Skanery

urządzenie optyczno-mechaniczne przetwarzająceobrazy (zdjęcia) i teksty w formę cyfrową, zrozumiałądla komputera i możliwą do dalszej komputerowejobróbki (zasada działania jest podobna do działaniakserokopiarki).

Do skanera może być dołączone specjalistyczneoprogramowanie OCR (Optical Character Recognition),umożliwiające zamianę zeskanowanego tekstu w plik,który można obrabiać i edytowanie (programyRecognita, FineReader).

Podłączanie skanera – porty USB.

107

Skanery

Skanery ręczne (czytniki kodów kreskowych) – handel. Skanery płaskie – skanowanie obrazów, klisz i tekstów. Skanery bębnowe – zastosowania profesjonalne.

108

Klawiatura

urządzenie wejścia, umożliwiającewprowadzanie danych do komputera.

109

Klawiatura

Połączenie klawiatury z komputerem: łącze szeregowe, podczerwień (IrDA), fale radiowe (Bluetooth – nadajnik + odbiornik

podłączony do komputera za pomocą portuUSB).

110

Klawiatura

Podstawowy układ klawiszy – QWERTY

111

Klawiatura

Układ klawiszy – AZERTY (francuska i belgijska)

112

Klawiatura

Układ klawiszy – QWERTZ(Niemcy, Czechy, Węgry,Austria, Słowacja,Szwajcaria, w Polsce jakoklawiatura maszynistki)

113

Interfejsy (porty)

złącza umożliwiające komunikację procesora zurządzeniem zewnętrznym poprzez sterownik

Typy interfejsów: Transmisja szeregowa, bit po bicie pojedynczą linią. Transmisja równoległa, kilka bitów jednocześnie,

kilkoma liniami.

114

Przykładowe interfejsy

Porty szeregowe RS-232, oznaczone COM (mysz,modem), PS/2 (mysz, klawiatura), USB (do 127urządzeń).

Porty równoległe Centronics, oznaczone LPT(drukarka, skaner).

Porty FireWire (standard IEEE-1394) do DVD, kamercyfrowych.

Porty podczerwieni IrDA, szeregowe, najczęściej wkomputerach przenośnych.

Porty radiowe bluetooth, zasięg 10 – 100 m.

115

Komputerywczoraj i dziś

Komputery wczoraj i dziś

Lampy elektronowe (1935 - 1960)

117

Komputery wczoraj i dziś

Tranzystory (1950 - 1960)

Prototyp tranzystora Bell Labs, USA, 1947118

Komputery wczoraj i dziś

Układy scalone

Układ scalony INTEL 4004, 19712300 tranzystorów, pow. 3x4mm, 4 bity

119

Komputery wczoraj i dziś

Układy scalone

PENTIUM, 19933,2 mln. tranzystorów, 60-200 MHz

120

Komputery wczoraj i dziś

Układy scalone

Pentium 4, 200055 mln. tranzystorów, 3 GHz

121

Komputery wczoraj i dziś Taśma perforowana

Karta perforowana

122

Komputery wczoraj i dziś

Eniac 1946

System komputerowy 1960-1970

Osborne 1 1981123

Ciekawostki

124

Prawo Moore’aW 1965 roku Roger Moore, współzałożyciel firmy Intel, wyraziłhipotezę dotyczącą rozwoju technologii produkcji układówelektronicznych.

Główne założenia Moore'a:

Podwojenie ilości tranzystorów w układzie scalonym co dwalata

Podwojenie mocy obliczeniowej procesora co 1,5 roku

Czterokrotne zwiększenie ilości pamięci komputera co 3 lata

Podwojenie wydajności pamięci operacyjnej co 10 lat

Podwojenie wydajności kompletnego komputera w stosunkudo jego ceny w okresie krótszym niż dwa lata

125

Prawo Moore’a

126

Metzger P., Anatomia PC. Wydanie XI, 2007/09 Stallings W., Organizacja i architektura systemu

komputerowego. Projektowanie systemu a jego wydajność.WNT, Warszawa, 2000

Skorupski P., Podstawy budowy i działania komputerów,WKiŁ, Warszawa 1997

Norton P., W sercu PC, Helion, Gliwice 1995 Null L., Lobur J., Struktura organizacyjna i architektura

systemów komputerowych, Helion, 2004

Literatura

127