budowa i zasada działania komputera - zsnr1
TRANSCRIPT
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