Operacje logiczne, bramki

Podstawowe elementy komputera i ich funkcje
Bramki – operacje logiczne, procesor, pamięci, układy Wejścia/Wyjścia,
karty graficzne, monitory
Podstawowe elementy struktur narzędziowych,
Bramki, Zestawienie operacji logicznych,
Zestawienie bramek,
KOMPUTER JAKO PODSTAWOWE NARZĘDZIE INFORMATYKI
Typy komputerów, Mikroprocesor, Słowo maszynowe, Części składowe komputera klasy PC
Pamięć komputera, Układy wejścia/wyjścia, Najczęściej stosowane gniazda (porty) :
Procesor
Co to jest Procesor?, Mikroprocesor MP - CPU - główne moduły:, Procesor , Procesory
O jakości mikroprocesora decyduje, Kierunki rozwoju mikroprocesorów:,
Architektura mikroprocesorów: Podstawowe podzespoły mikroprocesora (MP) IBM PC:
Ogólnie w procesorze można wyróżnić m.in..:, Procesory w IBM PC
Jednostka centralna,
Cykl rozkazowy, operacje, program komputerowy, języki ,
Rozkazy procesora ,
Podstawowe elementy budowy komputera i ich funkcje
Na płycie głównej są umieszczone wszystkie najważniejsze ...
Pamięci zewnętrzne i napędy wewnątrz komputera
Najważniejsze urządzenia zewnętrzne, OBUDOWA,
Na płycie czołowej obudowy jednostki centralnej są m.in. ...
Na tylnej ściance jednostki są m.in. elementy:,
JEDNOSTKA CENTRALNA, Magistrale komputera,
Pamięci: Pamięć stała ROM i pamięć operacyjna RAM,
Układy We/Wy: Zespół portów WE/WY, Porty szeregowe, Port równoległy
KARTY GRAFICZNE I MONITORY,
Monitory, Podstawowe parametry monitora
Podstawowe elementy struktur narzędziowych
Operacje logiczne, bramki
Bramki
Wykonują operacje na bitach lub zmiennych binarnych
Bramka NOT (negacja)
WE
WY
Jest to najprostsza bramka; jej zadaniem jest odwracanie
(negowanie) sygnału wejściowego.
Gdy na wejściu ustawimy sygnał "1" to na wyjściu otrzymamy "0", a gdy na
wejściu ustawimy "0" to na wyjściu pojawi sie "1".
Układ scalony zawierający bramki NOT to na przykład układ 7404.
Bramka OR (suma)
WY
We1
We2
Tablica prawdy
We1
We2
WY
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Jest to tzw. bramka sumy logicznej.
W przypadku tej bramki wystarczy aby choć na jednym z jej wejść pojawił
sie stan "1" i wtedy na wyjściu również pojawi sie jedynka logiczna "1".
Bramki OR znajdują sie miedzy innymi w układzie 7432.
Uproszczony schemat bramki logicznej
OR - sumy bitowe
Bramka Logiczna AND
Bramka ta realizuje tzw. iloczyn logiczny
Bramka AND (iloczyn)
We1
We2
Wy
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
• Bramka ta realizuje tzw. iloczyn logiczny.
Na wyjściu stan "1" występuje tylko i wyłącznie wtedy gdy na wszystkich
wejściach bramki ustawiony jest równie$ stan logiczny "1".
Bramka ta posiada co najmniej dwa wejścia
- może jednak posiadać ich więcej - teoretycznie nieskończenie wiele.
W praktyce spotyka sie bramki posiadające do 8 wejść.
Natomiast wyjście wszystkie bramki maja tylko jedno.
• Bramki AND można znaleźć np. w układzie 7408
Uproszczony schemat bramki logicznej
AND - iloczynu bitowego
Bramka NOR (negacja sumy)
WE1
0
0
1
1
WE2
0
1
0
1
WY
1
0
0
0
Zero na wyjściu pojawia sie zawsze wtedy,
gdy choćby na jednym z wejść jest jedynka logiczna.
Tylko wtedy gdy wszystkie wejścia są ustawione w stan "0" na wyjściu
pojawia sie "1".
Bramki te można znaleźć w układzie 7402.
Bramka XOR (alternatywa wykluczająca)
Bramka XNOR negacji alternatywy wykluczającej
Bramka XNOR - bramka logiczna realizująca funkcje negacji alternatywy
wykluczającej (tzw. Bramka Równoważności).
Bramka ta neguje wynik bramki XOR czyli zwraca fałsz (0), jeśli dokładnie
jedno z wejść: A lub B jest prawda (1),
a w przeciwnym wypadku zwraca prawdę.
Innymi słowy bramka XNOR dopuszcza pojawienie sie dwóch takich samych
sygnałów na wejściu.
Tablica prawdy XNOR
A B
0 0
0 1
1 0
1 1
Q
1
0
0
1
Bramka XNOR negacji alternatywy
wykluczającej
Tablica prawdy XNOR
A
B
Q
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Zestawienie operacji logicznych
Przerzutniki
KOMPUTER JAKO PODSTAWOWE NARZĘDZIE INFORMATYKI
•
•
•
Podstawowe elementy komputera i ich funkcje:
– procesor,
– pamięć operacyjna i masowa,
– urządzenia we/wy
Komputer - maszyna licząca, pełniąca podstawową funkcję w przetwarzaniu
danych.
Komputery typu:
main-frame (duże komputery),
minikomputer,
mikrokomputer,
komuputer osobisty, komputer domowy (wcześniej).
Komputery osobiste, stacje robocze, serwery.
•
Zasada von Neumana: Komputer powinien posiadać pamięć złożoną z elementów 0,1;
arytmometr (operacje arytmetyczne i logiczne), możliwość wprowadzania danych i
wyprowadzania wyników. Działania komputera zachodzą w pamięci.
Program może zawierać rozkazy warunkowe, może się modyfikować.
Typy komputerów
•
Komputer computer - elektroniczne urządzenie stosowane do przetwarzania
informacji. Compute - liczyć.
EMC - dotychczasowe określenie komputera w Polsce.
Komputer służy do obliczeń, gromadzenia, porządkowania i analizowania informacji
(gospodarczych, techn., naukowych itd.).
•
•
Komputer analogowy - dane głownie w postaci analogowej (ciągłej).
Komputer cyfrowy - dane są zapisane głownie w postaci dyskretnej (cyfrowej)
- digital computer.
•
Mikrokomputer - komputer przeznaczony dla pojedynczego użytkownika, choć
wydajne (16 i 32bit) mogą pracować nawet w trybie wielodostępnym.
Pierwotnie komputer, którego procesor zbudowano z układów scalonych VLSI.
•
Komputery osobiste - przeznaczone dla jednego użytkownika. Personal Computer – PC.
Standardem są IBM (International Business Machines Corporation). Komputery
kompatybilne - zgodne z działaniem oryginalnych.
Komputery c.d.
• Komputery obsługujące wielu użytkowników
- podłączone do nich terminale lub komputery osobiste
(np. IBM PC z odpowiednim oprogramowaniem i urządzeniem
pozwalającym na podłączenie do sieci telefon.).
• Stacja robocza
Pierwsze stacje robocze miały znacznie większe możliwości obliczeniowe
od komputera osobistego.
Obecnie spotyka się stacje robocze zbudowane na procesorach Intel.
Stacje robocze cechuje praca w systemie wielodostępnym - najczęściej
Unix lub Novell Netware oraz wbudowana karta sieci lokalnej (najczęściej
Ethernetu) pozwalająca na komunikację stacji z innymi komputerami.
Często jest 17 calowy monitor. Nazwa stacja robocza stosowana jest
obecnie do komputera działającego jako klient w sieci LAN.
Na rynku stacji roboczych dominują firmy: Sun, Hewlett-Packard, IBM,
Slilicon Graphics i DEC.
Komputery c.d.
•
•
•
Serwer - dedykowany system komputerowy wydzielony z sieci w celu realizowania
usług na rzecz innych.
Przykładowo mogą to być usługi typu podawanie plików, obsługa drukarek,
archiwizacja danych, translacja protokołów, itp.
Mainframe - komputer centralny
Komputer obsługujący do kilkuset użytkowników. Pełnią rolę superserwerów w
sieciach lokalnych. Królują systemy firmy IBM, głównie IBM System/390, wcześniej
IBM 370
Minikomputer - komputer średniej wielkości, przeznaczony do obsługi nie więcej
niż kilkudziesięciu użytkowników, pracujących na własnych terminalach.
Minikomputery były kiedyś bardzo rozpowszechnione, szczególnie popularna była
seria minikomputerów PDP, później VAX firmy DEC (Digital Equipment
Corporaton). Komputery te obsługują przedsiębiorstwa, umożliwiają pracę do
kilkudziesięciu terminali (przeważnie komputerów osobistych). Większość
minikomputerów używa własnych systemów operacyjnych. Minikomputery są
obecnie zastępowane przez serwery plików i serwery mocy obliczeniowej,
połączone z komputerami osobistymi lub prostszymi terminalami stacji roboczych.
Przykładem jest rodzina AS/400 (Advanced Server) firmy IBM, oparta na
procesorach PowePC i systemach OS/400 (www.as400.ibm.com)
Mikroprocesor
• Mikroprocesor - serce/mózg - steruje pracą całego
systemu.
Pracuje w tzw. cyklu rozkazowym:
- pobiera z komórki pamięci wskazanej przez licznik rozkazów
kolejną informacje, zwaną słowem maszynowym
- zwiększa zawartość licznika rozkazów o 1
- dekoduje słowo maszynowe traktując je jako rozkaz lub daną
- wykonuje operację określoną tym słowem
- jeśli operacja nie dotyczy zakończenia to pobiera kolejne
słowo maszynowe.
Słowo maszynowe
• Słowo maszynowe reprezentuje podstawowa
jednostkę transmisji informacji w danym typie
komputera.
Im szybszy komputer to słowo maszynowe dłuższe.
Obecnie stosuje sie słowa o długości 8, 16, 32, 64
bity.
Uniwersalność komputera polega na tym, ze dane
mogą być wprowadzane i wyprowadzane za pomocą
wielu urządzeń.
Części składowe komputera klasy PC
•
Niezbędne elementy składowe:
jednostka systemowa • monitor • klawiatura
•
Jednostka centralna:
płyta główna • procesor • pamięć operacyjna • zasilacz • obudowa
•
Peryferia wewnętrzne
dysk twardy • stacja dyskietek • karta graficzna •
napęd optyczny (nagrywarka • nagrywarka DVD • combo) •
karta dźwiękowa • karta sieciowa • kontroler SCSI • karta telewizyjna
•
Peryferia zewnętrzne
mysz (lub trackball • trackpoint • touchpad)
• klawiatura • tablet • genlock • ekran dotykowy • Slidepad • drukarka
• ploter • skaner • mikrofon • modem • głośniki • słuchawki • dżojstik
• gamepad • kierownica • manipulator 3D
• zasilacz UPS • listwa przeciwprzepięciowa
Pamięć komputera
Pamięć - ciąg komórek, z których każda ma swój adres.
• ROM (Read Only Memory - PROM, EPROM, EEPROM) - tylko
do odczytu, zapisana podczas produkcji.
Umożliwia zainicjowanie pracy po włączeniu komputera.
Testy diagnostyczne, BIOS
• RAM (Random Access Memory) - pamięć główna o dostępie
swobodnym, do odczytu i zapisu, ginie po wyłączeniu.
• CMOS - informacje o konfiguracji
Cache - szybka pamięć podręczna
Układy wejścia/wyjścia
• Wymiana informacji pomiędzy tymi urządzeniami a
komputerem odbywa się za pomocą specjalnych
układów wejścia /wyjścia
(I/O - input/output), posiadających odpowiednie
gniazda i łącza do podłączenia urządzeń
zewnętrznych, zwanych peryferyjnymi.
• Prawie wszystkie urządzenia należy podłączyć przy
wyłączonym komputerze!
Inaczej grozi to awarią.
Najczęściej stosowane gniazda (porty)
• Najczęściej stosowane gniazda (porty) :
–
–
–
–
gniazdo zasilania komputera
gniazdo zasilania monitora
gniazdo klawiatury
port szeregowy RS232 C (męski, wąski lub szeroki - igły) do podłączenia myszy, plotera, skanera
– port równoległy Centronics (otwory - 25) do podłączenia
drukarki – gniazdo sygnału wizyjnego monitora
Co to jest Procesor?
• (ang. Central Processing Unit) –
główny element komputera, którego zadaniem jest wykonywanie
rozkazów i sterowanie pracą wszystkich pozostałych bloków systemu
(m.in. pamięci i układów wejścia-wyjścia).
• Podstawowymi blokami funkcjonalnymi, z których zbudowany jest
procesor, są:
jednostka arytmetyczno-logiczna, układ sterowania z zegarem procesora
oraz zespół rejestrów jednostki centralnej.
• Najważniejszymi parametrami są:
długość słowa danych wewnątrz procesora
(w mikroprocesorach 8, 16 lub 32 bity),
długość słowa adresu (zwykle 16 lub 20 bitów),
lista rozkazów oraz
czas cyklu maszynowego.
• Przykłady: Pentium, Celeron, AMD, Cyrix, Motorola...
Co to jest Procesor?
(ang. Central Processing Unit) - główny element komputera, którego
zadaniem jest wykonywanie rozkazów i sterowanie pracą wszystkich
pozostałych bloków systemu (m.in. pamięci i układów wejścia-wyjścia).
Podstawowymi blokami funkcjonalnymi, z których zbudowany jest
procesor, są: jednostka arytmetyczno-logiczna, układ sterowania z
zegarem procesora oraz zespół rejestrów jednostki centralnej.
Najważniejszymi parametrami są: długość słowa danych wewnątrz
procesora (w mikroprocesorach 8, 16 lub 32 bity), długość słowa adresu
(zwykle 16 lub 20 bitów), lista rozkazów oraz czas cyklu maszynowego.
Przykłady: Pentium, Celeron, AMD, Cyrix, Motorola...
Procesor
•
•
•
•
Procesor processor), także CPU (Central Processing Unit) – urządzenie cyfrowe
sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy.
Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji
podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista
rozkazów procesora.
Procesory (zwane mikroprocesorami) wykonywane są zwykle jako układy scalone
zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złocone wyprowadzenia
(stosowane ze względu na odporność na utlenianie).
Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii
szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności od zastosowania,
sieć od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów.
Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź).
Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym
wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma 64 bity,
mówimy, że procesor jest 64-bitowy.
Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość z jaką wykonuje
on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu
zależy od czasu trwania pojedynczego taktu.
Mikroprocesor MP - CPU - główne moduły:
• Układ sterowania - steruje pracą maszyny cyfrowej.
Zapewnia kolejne wykonywanie operacji wg programu w
pamięci.
Zawiera: licznik rozkazów (LR), rejestr rozkazów (RR).
LR (IP) zawiera adres rozkazu, który będzie wykonywany jako
następny.
RR (IP) zawiera aktualnie wykonywany rozkaz.
• Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - arytmometr
(sumator - dodawanie przesuwanie, rejestry, w tym akumulator
do umieszczania argumentów i pobierania wyników operacji)
• Rejestry programowe
• Pamięć asocjacyjna (grupa szybkich rejestrów)
• Pamięć podręczna - cache - blisko procesora.
Budowa procesora c.d.
• W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie
elementy, jak:
• zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników,
rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne
przeznaczenie,
• jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania
operacji obliczeniowych na danych,
• układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,
• inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu
usprawnienia jego pracy.
Procesor
• Jednym z parametrów procesora jest rozmiar elementów budujących jego
strukturę. Im są one mniejsze, tym niższe jest zużycie energii, napięcie
pracy oraz wyższa możliwa do osiągnięcia częstotliwość pracy.
• Współczesne procesory używane w komputerach osobistych wykonywane
są w technologii pozwalającej na uzyskanie elementów o rozmiarach
mniejszych niż 45 nm, pracujących z częstotliwością kilku GHz. Są już
procesory wykonane w technologii 32 nm,
• Fabryki procesorów muszą posiadać pomieszczenia o niezwykłej czystości,
co jest bardzo kosztowne.
•
•
•
•
Współcześnie większość procesorów ma wielordzeniową budowę. Pierwszym procesorem
wielordzeniowym ogólnego przeznaczenia był procesor Power 4 firmy IBM wprowadzony na
rynek w roku 2001. Pierwszymi procesorami wielordzeniowymi architektury x86 były wersje
procesorów Opteron firmy AMD i Pentium Extreme Edition firmy Intel wprowadzone w
kwietniu 2005 roku.
Modelem popularnym firmy Intel, który kontynuował ten trend był Intel Pentium D.
Prawdziwym przebojem stał się dopiero Intel Core 2 Duo zbudowany na bazie architektury
Conroe (65 nm). Najszybsze dziś modele mają rdzeń taktowany zegarem 3,33 GHz (C2D
E8600). Wymieniony procesor oparto o architekturę Penryn wykonano w procesie
technologicznym 45 nm (tj. największa długość kanału tranzystora wynosi 45nm).
Największy konkurent Intela, czyli AMD, wprowadził do sprzedaży popularny model procesora
dwurdzeniowego o nazwie Athlon 64 X2. Obie firmy mają dziś w ofercie także modele
czterordzeniowe (Quad Intela i Phenom AMD). Firma AMD oferuje także procesory
sześciordzeniowe (Istanbul). Przewiduje się, że w przyszłości, przez co najmniej kilka
następnych lat, liczba rdzeni w procesorach wielordzeniowych dostępnych na rynku będzie
się podwajać w tempie podobnym jak liczba tranzystorów w pojedynczym układzie, czyli
zgodnie z prawem Moore'a ok. 2 lata.
W roku 2007 Intel zaprezentował testy układu scalonego wyposażonego w 80 rdzeni
ogólnego przeznaczenia, który osiągnął wydajność ponad 1 TFlops.
• Komputer oprócz procesora głównego (CPU) ma procesory
pomocnicze: obrazu (GPU), dźwięku, koprocesory
arytmetyczne.
Procesory
•
W procesorze wykonywane są wszystkie rozkazy programowe (obliczenia).
Procesor jest "sercem" komputera. Steruje praca wszystkich układów, komunikuje ze
sobą urządzenia wewnętrzne (pamięć dyski itp.) oraz urządzenia zewnętrzne
(drukarka, mysz, ploter, skaner, itp.).
•
Obecnie w komputerach klasy IBM PC montuje sie procesory firmy INTEL lub kompatybilne.
CPU charakteryzuje typ procesora oraz częstotliwość zegara, którym taktowany jest procesor.
Wszystkie rozkazy wchodzące w sklad programu są najpierw interpretowane przez procesor,
potem wykonywane. Poszczególne procesory różnią sie szerokością magistrali adresowej i
danych oraz złożonością zestawu instrukcji (lista rozkazów) używanych do oprogramowania
procesora. Szerokość magistrali danych określa ile bitów może być jednocześnie przelanych z
pamięci do procesora głównego i odwrotnie. Procesor 8088 może równocześnie przesyłać lub
odbierać liczbę binarna składająca sie z max 8 znaków (liczba w syst. 10-nym z zakresu 0..255).
Procesor 80286 z 16-bit. magistralą jest 5x szybszy od 8088, mimo takiego samego zegara
taktującego (10MHz). Procesory 80386 i 80486 posiadają 32-bit. magistrale danych. Pentium
posiada 64-bit magistrale danych. Procesor 8086/88 ma najkrótsza listę rozkazów i pracuje
wyłącznie w trybie rzeczywistym (real mode). Najbardziej zaawansowane procesory, w celu
zachowania kompatybilności maja te właściwość. Procesory 386/486 pracują dodatkowo w
trybie chronionym (protected) lub trybie wirtualnym (virtual). W tych trybach procesor może
zarządzać większa ilością pamięci operacyjnej oraz obsługiwać wiele programów
(multitasking). System operacyjny DOS pracuje tylko w trybie rzeczywistym. Wykorzystują
możliwości procesora inne systemy operacyjne (OS/2, UNIX, WINDOWS ) albo rozszerzenia DOS
(np. MS WIndows 3.x).
Do różnych procesorów stosowano różne gniazda (socket)
Mikroprocsor
• Mikroprocesor - CPU - najważniejszy układ JC, produkowany w postaci
układów scalonych o wielkim stopniu integracji VLSI.
Dominują półprzewodnikowe układy CMOS o zasilaniu: 5V, 3V, 2.8V.
Pełni funkcję jednostki centralnej, umożliwia wykonywanie operacji
przetwarzania danych i steruje pozostałymi częściami
składowymi mikrokomputera.
Składa się z jednego lub kilku modułów scalonych.
Zawiera:
układ arytmetyczno logiczny (JAL-ALU), układ sterowania (CU),
zespół rejestrów, połączone wewnętrzną magistralą danych.
Rodzaj wykonywanych operacji zależy od listy rozkazów.
Lista musi być funkcjonalnie pełna - musi umożliwiać wykonanie
algorytmów logicznego i arytmetycznego przetwarzania danych.
O jakości mikroprocesora decyduje
•
•
•
•
długość słowa,
szybkość wykonania operacji,
częstotliwość zegara,
efektywność w komunikowaniu się z otoczeniem.
Częstotliwości: na początku w KHz, pojedyncze MHz, obecnie
GHz
• Długość słowa: 4, 8, 16, 32, 64 bity.
• Rośnie stopień złożoności - miliony tranzystorów na jednej
płytce krzemowej.
Kierunki rozwoju mikroprocesorów:
• ze stałą listą rozkazów
• programowane (bit slice), z listą rozkazów
definiowaną przez użytkownika
Architektura mikroprocesorów:
• CISC (Complet Instruction Set Computer) - pełna lista rozkazów
- składa się z
IU (jednostka stałoprzecinkowa) i
FPU (jednostka zmiennoprzecinkowa).
Wbudowane operacje mnożenia, dzielenia - INTEL
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) - zredukowana (prosta) lista
rozkazów.
Tylko instrukcje podstawowe. Instrukcje wykonuje się szybko,
zazwyczaj w 1 takt zegara.
Instrukcje złożone emuluje się programowo.
Wyższe częstotliwości taktowania.
• CRISC (Complex Reduced Instruction Set) - cechy CISC i RISC - nie są
wytwarzane na skalę przemysłową
Procesory
• Procesory uniwersalne - stosowane w komputerach, czasem
w drukarkach komputerowych.
• Koprocesory matematyczne (special engine) - w starszych
wersjach komputerów (do 80486SX)
• Procesory specjalizowane - o uboższej liście rozkazów, np.
sterowniki kart sieciowych, urządzeń peryferyjnych, maszyn
(pociski balistyczne, pralki)
• Procesory graficzne (akceleratory graficzne) - wspomagają
pracę CPU przy obsłudze aplikacji graficznych
Podstawowe podzespoły mikroprocesora (MP) IBM PC:
•
•
•
•
•
•
•
Jednostka arytmetyczno logiczna JAL (ALU - Arithmetic & Logic Unit). Wykonuje podstawowe działania
na słowach: działania arytmetyczne (dodawanie, odejmowanie, porównanie 2 liczb, zmiana znaku...),
logiczne (suma logiczna, iloczyn logiczny, różnica symetryczna, negacja słowa), przesunięcia w
lewo/prawo, działania na bitach
Układ sterowania CU (Control Unit). Dekoduje zawartość rejestru rozkazów i generuje sygnały sterujące
(wewn. i zewn.) zapewniające właściwy przebieg operacji zdefiniowanej kodem rozkazu. Kieruje pracą
pozostałych bloków wewnętrznych i zewnętrznych. Przez generację sygnałów sterujących: określa rodzaj
operacji wykonywanych przez ALU, steruje pracą wszystkich rejestrów MP, steruje przesyłaniem
informacji po wewnętrznej magistrali danych. Wysyła również sygnały sterujące do elementów
zewnętrznych (pamięć, we/wy), określając rodzaj operacji jaką mają wykonać. Mikroprocesory są
układami sekwencyjnymi synchronicznymi, dlatego też z układem sterowania musi współpracować
generator impulsów zegarowych. Impulsy są generowane często poza mikroprocesorem. Można
powiedzieć, że wyznaczają one początek i koniec wszystkich elementarnych działań wykonywanych przez
mikroprocesor
Akumulator A (rejestry AX, BX, CX, DX) - do przechowywania jednego z argumentów (słowa) w czasie
realizacji operacji 2-argumentowej, a po jej wykonaniu do przechowywania wyniku
Licznik rozkazów PC (LR, IP). Służy do adresowania pamięci programu, tzn. przechowuje adres pamięci, z
której należy pobrać kod następnego rozkazu.
Zestaw rejestrów roboczych Ri - do przechowywania danych i adresowania
Rejestr rozkazów IR (Instruction Register, RR). Służy do do przechowywania pobranych z pamięci słów,
kodów rozkazów. Liczba bitów w rejestrze rozkazów odpowiada długości słowa danych
Wskaźnik stosu SP (Stack Pointer). Liczba bitów SP odpowiada liczbie linii adresowych MP.
Wskaźnik stosu służy do adresowania wydzielonego obszaru pamięci, w którym adresy lub dane są
zapisywane i odczytywane zgodnie z regułą LIFO (Last In First Out)
Ogólnie w procesorze można wyróżnić m.in..:
• EU (Execution Unit) - układ wykonawczy - dekoduje i wykonuje rozkazy:
arytmometr ALU; rejestry robocze AX, BX, CX, DX; wskaźnik stosu SP;
wskaźnik bazy BP; rejestry indeksowe DI, SI; rejestr znaczników/flag SF
(Status Flag, Flag Register) (znaczniki stanu: C, P, A, S, O oraz znaczniki
sterujące: D, I, T); rejestr instrukcji IR; układ sterowania
• BIU - Bus Interface Unit - układ sterowania magistralą - odpowiada za
przesyłanie danych między CPU a PaO lub układami we/wy: rejestry
segmentowe: CS, DS, SS, ES; licznik rozkazów IP; kolejka rozkazów;
układ sterowania magistralą BIU
• Magistrala danych wewnętrzna i jej bufor
• Magistrala adresowa wewnętrzna, i bufor magistrali adresowej,
magistrala adresowa
• Magistrala sterująca
Mikroprocesory 8, 16, 32, 64-bitowe - w jednej chwili może wykonywać
działanie odpowiednio na 8, 16, 32, 64-bitach.
Procesory w IBM PC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Intel 8086 (XT - eXtended Technology) - 16-bitowy, 20 linii szyny adresowej.
Współpracować z nim może koprocesor matematyczny 8087.
8088 (XT) - 16 bitowy, 8 bitowa zewn. szyna danych, 16 bit wewnętrzna, 20 linii szyny adresowej (adres.
pamięci do 1MB -> 2^20). Częstotliwość zegara 4.77MHz, może obsłużyć 640KB pamięci.
Współpracować z nim może koprocesor matematyczny 8087.
80286 (AT - Advanced Technology) - 16 bitowy (długość słowa danych 16 bitów), 24 bit.
szyna adresowa  2^24 = 16MB pamięci. Częstotliwość 12MHz lub 16MHz.
Współpracować z nim może koprocesor matematyczny 80287.
80386 (Super AT) - 32 bitowy, częstotliwość 25MHz, 33MHz, 40MHz Współpracować z nim może
koprocesor matematyczny 80387.
80386DX - 32 bit. szyna danych, 32 bit. szyna adres.(adresuje 4GB pamięci)
80386SX - 32 bit. komórki (szyna wewnętrzna), 16 bit. szyna zewn., 24 bit. szyna adres.
80486 - 32 bit. Częstotliwość 25MHz, 33MHz, 40MHz, 50MHz, 100MHz
80486DX - z wbudowanym koprocesorem matematycznym
80486SX - bez wbudowanego koprocesora
Intel Pentium (z wbudowanym koprocesorem):
Pentium (I80586) -ponad 3 mln tranzystorów, szybki, ok. 100 MIPS - megaoperacji/sek) - z FPU (jednostka
zmiennoprzecinkowa, operacje na danych 64bit. Częstotliwość 60MHz, 75MHz, 100MHz, 133MHz
Pentium PRO (P6, I80686). Częstotliwość 200MHz.
Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Celeron, Pentium 4, Intel Dual Core, Core 2 Duo, Core 2 Quad
Core I5 – 2560GHz, Technologia wykonania 0,045 mikrona, Magistrala FSB 2,4 MHz, *Cache L3 2- 8 Mb,
Intel Core I7 - Taktowanie Procesora 2.66-3.33 GHz, Magistrala FSB 2,4MHz-3,2 GHz, Cache L3 8MB
Procesory innych producentów jak: AMD, Cyrix …
Jednostka centralna
• Procesor bywa też nazywany jednostką centralną (CPU,
Central Processing Unit).
• Część użytkowników jednostkę centralną kojarzy z
handlowym terminem określającym
jednostką systemową komputera złożoną z elementów takich
jak procesor,
płyta główna,
karta rozszerzenia,
pamięć operacyjna,
dysk twardy
zamkniętych we wspólnej obudowie,
nie obejmującą takich urządzeń peryferyjnych jak monitor,
klawiatura czy drukarka.
Cykl rozkazowy, operacje, program komputerowy, języki
• Cykl rozkazowy:
– RR <= Pao[LR]
– LR <= [LR]+1
– RR = OR + AR - część operacyjna (operacja)i część adresowa (argument).
Argument do JAL i wykonana operacja.
• Operacje: arytmetyczno logiczne (arytmetyczne, logiczne, specjalne),
organizacyjne - we/wy, przesłań, sterujące (np. przerwania).
• Program komputerowy musi składać się z rozkazów z listy rozkazów
procesora.
• Języki:
język wewnętrzny
asembler
autokody
języki algorytmiczne
Rozkazy procesora
Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:
• kopiowanie danych
•
•
•
•
•
działania arytmetyczne
•
•
•
•
•
•
dodawanie
odejmowanie
porównywanie dwóch liczb
dodawanie i odejmowanie jedności
zmiana znaku liczby
działania na bitach
•
•
•
•
•
•
z pamięci do rejestru
z rejestru do pamięci
z pamięci do pamięci (niektóre procesory)
(podział ze względu na sposób adresowania danych)
iloczyn logiczny – AND
suma logiczna – OR
suma modulo 2 (różnica symetryczna) – XOR
negacja – NOT
przesunięcie bitów w lewo lub prawo
skoki
• bezwarunkowe
• warunkowe
Podstawowe elementy budowy komputera i ich funkcje
Podstawowe 3 elementy budowy mikrokomputera:
• Jednostka centralna (JC) - CPU - steruje pracą całego systemu i przetwarza
informacje
• Klawiatura - urządzenie we/wy - do wprowadzania poleceń i informacji do
komputera
• Monitor - urządzenie wyjścia - do wyprowadzania komunikatów i informacji
przetworzonych
•
Do jednostki centralnej można podłączyć dodatkowo m. in.:
- drukarkę,
- "mysz" (mouse), joystick (drążek sterowniczy),
- pióro świetlne, ploter, digitizer, skaner, modem…
Na płycie głównej są umieszczone wszystkie najważniejsze układy
elektroniczne komputer
•
•
•
Procesor, który wykonując obliczenia i przetwarzając dane organizuje pracę całego
zestawu komputerowego. Podstawowym parametrem procesora jest jego typ oraz
częstotliwość taktowania, która określa ile operacji zostanie wykonanych w ciągu
sekundy.
Np. procesor z zegarem 400 MHz wykonuje ok. 400 mln operacji na sekundę.
Pamięć operacyjna RAM, o dostępie swobodnym - przechowuje program i dane do
programu. Jest pamięcią ulotna, tzn. że po wyłączeniu zasilania ginie cała jej
zawartość. Rozmiar pamięci ma decydujący wpływ na szybkość pracy komputera.
Karta graficzna VGA, którą wkładamy do tzw. gniazda rozszerzającego.
Jest odpowiedzialna za tworzenie obrazu na monitorze.
Podstawowymi parametrami kart graficznych są: rozdzielczość informująca z ilu
punktów zbudowany jest obraz (np. 640x480, 800x600, 1024x768 i więcej)
i liczba dostępnych kolorów (np. 256, 65536 i więcej).
Parametry te są zależne od wielkości pamięci własnej umieszczonej na karcie
graficznej.
Pamięci zewnętrzne i napędy wewnątrz komputera
•
•
•
Dysk twardy, który na stałe zintegrowany jest z mechanizmem napędowym.
Składa się z kilku aluminiowych krążków, pokrytych substancją magnetyczną,
umieszczonych na jednej osi i zamkniętych w hermetycznej obudowie.
Między krążkami znajdują się głowice zapisująco-odczytujące.
Informacje na dysku zapisane są na ścieżkach (okręgach współśrodkowych),
które z kolei dzielą się na sektory.
Podstawowym parametrem charakteryzującym twardy dysk jest jego pojemność
(np. 8GB czy więcej).
Napęd dysków elastycznych, który służy do zapisywania-odczytywania dyskietek.
Obecnie w komputerach IBM PC stosowane są dyskietki 3.5" p pojemności
1.44MB.
Napęd CD-ROM/DVD, służący do odczytywania dysków optycznych,
charakteryzujących się jednokrotnym, trwałym zapisem.
Podstawowym parametrem charakteryzującym CD-ROM jest szybkość transferu
informacji wyrażona jako wielokrotność 150 KB/s, która określa standard odczytu
płyt muzycznych.
Np. CD-ROM "32x" odczytuje informacje z prędkością max 32x150 KB/s = 4800
KB/s.
Najważniejsze urządzenia zewnętrzne
• Klawiatura, która służy do wprowadzania informacji do pamieci
komputera.
Klawisze można podzielić na kilka podstawowych bloków:
moduł centralny, moduł pomocniczy (cyfry i operatory matematyczne),
moduł sterujący ruchem kursora, moduł klawiszy funkcyjnych.
Najpopularniejszy w Polsce układ klawiatury to system amerykański
QWERTY
• Mysz, którą można: wskazywać, przeciągać i opuszczać, klikać, 2x klikać
• Monitor - najważniejsze urządzenie do wyprowadzania informacji
z komputera.
Podstawowym parametrem jest przekątna ekranu, np. 15"
• Drukarka. Obecnie najpopularniejsze są drukarki atramentowe, o jakości
druku porównywalnej z laserową
OBUDOWA
•
Dominowało 6 typów obudowy:
–
–
–
–
–
–
Super slim (wys. 8cm * szer. 32 cm * gleb. 33 cm)
slim (43 * 11 *40)
compact (baby, mini baby, desktop, mini case) (18 * 34 * 41)
Mini tower (34*18*41)
Midi tower (18*46*44)
Big tower (18*58*47)
•
Obecnie główny podział to komputery i związane z nimi obudowy typu ATX oraz
tradycyjne (starsze), które zanikają.
•
•
Obudowy dzieli się generalnie na: Tower ATX, Desktop, Mini Tower.
Przy wyborze obudowy ważna jest moc zasilacza.
Na płycie czołowej obudowy jednostki
centralnej są m.in. następujące elementy
•
•
•
•
•
wyłącznik zasilania i dioda zasilania komputera
przycisk RESET
dioda wskaźnikowa pracy dysku stałego
napęd dysków elastycznych
napęd CD-ROM z przyciskiem STOP/EJECT,
wskaźnikiem pracy napędu, regulacją głośności,
gniazdem na słuchawki
Na tylnej ściance jednostki są m.in. elementy:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
gniazdo zasilania komputera
gniazdo zasilania monitora
gniazdo klawiatury PS/2
gniazdo myszki PS/2
złącza USB
złącza szeregowe COM1 i COM2 (np. dla modemu)
złącze równoległe LPT1 dla drukarki
wyjście video (gniazdo sygnałowe monitora)
gameport
JEDNOSTKA CENTRALNA
• Budowa jednostki centralnej oparta jest o płytę główną (motherboard),
zawierająca gniazda złącz krawędziowych do płyt dodatkowych.
Płyta główna jest podstawowym elementem komputera.
Na niej znajduje się
–
–
–
–
•
procesor (CPU),
pamięć RAM,
BIOS,
gniazda rozszerzeń i inne elementy.
Oprócz płyty głównej w skład jednostki centralnej wchodzą elementy niezbędne do
prawidłowego funkcjonowania komputera jak np.:
–
–
–
procesor,
pamięć operacyjna,
układy we/wy.
• Funkcje JC:
- sterowanie pracą wszystkich elementów komputera,
- sterowanie przesyłem informacji między urządzeniami,
- przechowywanie programów i informacji (danych),
- przetwarzanie informacji
Sterownik DMA
•
•
•
•
•
•
Sterownik DMA - Direct Memory Access
(odświeża RAM, umożliwia prace układu dysków i prowadzenie szybkich transmisji
danych bez obciążania procesora).
Transmisje DMA realizują 2 układy 8237 połączone kaskadowo.
Jeden z układów realizuje 16-bitowe transmisje w kanałach DRQ5..DRQ7,
drugi zaś transmisje 8-bitowe w kanałach DRQ0...DRQ3.
Układ DMA ma za zadanie umożliwić transmisję danych na linii UZ - pamięć
komputera bez udziału procesora.
Kontroler DMA dysponuje 4 kanałami.
W PC/AT zastosowano 2 kontrolery połączone kaskadowo, co powoduje utratę
jednego kanału pierwszego kontrolera. PC AT udostępnia więc 7 kanałów DMA.
Niektóre kanały DMA są przeznaczone do obsługi standardowych urządzeń:
0 - odświeżanie pamięci
2 - kontroler stacji dysków
4 - kaskada
1, 3 - wolne
5, 6, 7 - wolne 16-bitowe
Układ/sterownik przerwań
•
•
Układ/sterownik przerwań (obsługujący przerwania sprzętowe i programowe).
W XT sterownik pozwala na 8 przerwań, w AT na 15).
System przerwań zrealizowano za pomocą 2 układów 8259.
Przerwanie (interrupt) - przerywa pracę procesora.
Przerwania dzielą się na sprzętowe i programowe.
System z przerwaniami zorganizowany jest tak, że urządzenie, które chce coś
przekazać procesorowi, wysyła specjalny sygnał IRQ (Interrupt Request).
Sygnały od wszystkich urządzeń zbierają się w specjalnym układzie, zwanym
sterownikiem przerwań.
Decyduje on o kolejności obsługiwania zgłoszonych przerwań, wstrzymuje pracę
procesora
i podsuwa mu do wykonania specjalne programy obsługi przerwań - ISR.
Przerwania sprzętowe mogą zgłaszać różne urządzenia: klawiatura, myszka,
drukarka, karta dźwiękowa itd.
Sterownik przerwań w PC ma 8 kanałów, każdy może obsługiwać jedno urządzenie.
Niektóre kanały są standardowo przypisane do pewnych urządzeń:
Przerwania od urządzeń:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
0 - zegar systemowy
1 - klawiatura
2 - kaskada (do komunikacji z drugim kontrolerem)
3 - port szeregowy COM2
4 - port szeregowy COM1
5 - port równoległy LPT2
6 - napęd dyskietek
7 - port równoległy LPT1
8 - zegar czasu rzeczywistego (w AT) - drugi kontroler
9, 10, 12, 15- wolne
11 - kontroler SCSI
13 koprocesor arytmetyczny
14 - dysk twardy IDE
JC – elementy na płycie głównej c.d.
•
•
•
•
•
Programowalny zespół czasowy 8254 (zespół liczników programowalnych 8254)
dostarcza sygnałów do generacji przerwań systemowych (IRQ0), do sterowania
procesem odświeżania oraz do sterowania głośnikiem.
Jednoukładowy procesor 8042 steruje klawiaturą. W pamięci stałej tego procesora
zawarty jest program autonomicznie obsługujący interfejs klawiatury. Klawiatura
łączona jest z systemem przy pomocy 5-stykowego złącza typu DIN.
Pamięć cache instalowana na płycie głównej (dotyczy 386 i wyżej) jest to szybka
pamięć podręczna, podłączona bezpośrednio do procesora, pozwalająca na
przyspieszenie operacji zapisu i odczytu pamięci głównej.
Gniazda do rozszerzenia pamięci RAM: złącza typu SIMM (Single In-line Memory
Modules) - 30 stykowe i 72-stykowe - PS/2, EDO-RAM, DIMM.
Pamięć stała EPROM przechowuje testy diagnostyczne mikrokomputera oraz
oprogramowanie obsługujące urządzenia wejścia/wyjścia, dołączone do
komputera (tzw. BIOS). Umieszczona jest na podstawce, dzięki czemu można
zmienić jej pojemność (np. z układu 27256 - 32KB na układ 27512 - 64KB).
Pamięć CMOS przechowuje informację o konfiguracji systemu (np. typ dysków
elastycznych i twardych, typ karty graficznej, itd.). Informację tę wpisuje
użytkownik za pomocą programu SETUP
JC. C.d.
•
•
Płyty zasilane są przez 12-stykowe złącze (Power Supply Connector) za pomocą
którego doprowadza się z zasilacza napięcia: +5V, -5V, +12V, -12V.
Poza płytą główną w jednostce centralnej zainstalowano m.in.:
–
–
–
–
•
•
zasilacz impulsowy (o mocy min. 130-150W) z wentylatorem
głośnik
1 lub 2 napędy dysków stałych (Hard Disk - HD)
1 lub 2 napędy dyskietek (floppy disk lub diskette - FD)
W obudowie komputera znajdują się także:
dysk twardy /dyski twarde, stacja/stacje dyskietek,
zasilacz, głośnik,
układy sterujące urządzeniami zewnętrznymi,
układ sterujący wyświetlaniem informacji (karta graficzna).
Może być też CD-ROM, karta dźwiękowa, karta sieciowa, modem itd.
Gniazda złącz krawędziowych - gniazda rozszerzające (sloty) do płyt krawędziowych
(kart), obsługujących urządzenia zewnętrzne.
Magistrala adresowa i przestrzeń adresowa
• Magistrala jest to połączenie miedzy urządzeniami, najczęściej równoległe,
czyli wiązka przewodów. Parametrem magistrali jest jej szerokość, czyli
liczba przewodów w wiązce. Np. magistrala 16-bitowa - jednocześnie
można przesłać 16 bitów. Wszystkie urządzenia podłączone do komputera
(np. sterowniki dysków twardych, portów szeregowych i równoległych,
napędy CD-ROM) komunikują się z "inteligencją" płyty głównej, korzystając
z tzw. przestrzeni adresowej we/wy (I/O addres area). Ponieważ w
systemie fizycznie istnieje tylko jedna magistrala danych, z której
korzystają wszystkie urządzenia, trzeba określić, miedzy którym z tych
urządzeń i procesorem odbywa się w danej chwili transmisja danych.
Realizuje się to za pomocą magistrali adresowej, do której są podłączone
wszystkie urządzenia. Każde urządzenie w systemie ma przydzielony
numer, zwany adresem I/O, który jednoznacznie identyfikuje to
urządzenie. Nie można dopuścić, by 2 urządzenia miały ten sam adres.
Urządzenia w postaci kart rozszerzeń umożliwiają wybranie adresu I/O,
przez ustawienie zworek na karcie.
Pewne adresy są domyślnie przypisane do standardowych urządzeń
Pewne adresy są domyślnie przypisane do standardowych urządzeń
Adres
Urządzenie
•
000-01F
•
020-03F
•
040-05F
•
060-06F
•
070-007F
•
080-009F
•
0A0-0BF
•
0C0-0DF
•
0F0-0FF
•
1F0-1F8
•
200-207
•
278-27F
•
2B0-2DF
•
2F8-2FF
•
360-36F
•
378-37F
•
3B0-3bF
•
3C0-3CF
•
3D0-3DF
•
3F0-3F7
•
3F8-3FF
kontroler DMA (master)
kontroler przerwań (master)
rejestry kontrolne zegara
rejestry kontrolne klawiatury (układ 8042)
porty zegara czasu rzeczywistego i pamięci CMOS
rejestr DMA
kontroler przerwań (slave)
kontroler DMA (slave)
koprocesor arytmetyczny
sterownik twardego dysku IDE
port joysticka (GAME)
LPT2
sterownik grafiki
COM2
karta sieciowa
LPT1
monochromatyczna karta grafiki (lub tryby VESA mono)
karta graficzna EGA lub VESA
karta graf. CGA lub tryby VESA kolor
sterownik dysków elastycznych
COM1
Generator zegarowy
• W komputerach bardzo ważne jest dokładne
odmierzanie okresów czasowych, niektóre programy
wymagają synchronizacji czasowej.
Np. gra musi się jednakowo szybko toczyć niezależnie
od częstotliwości procesora.
Generowaniem impulsów zegarowych zajmuje się
specjalizowany układ (generator), pracujący ze stałą,
dobrze stabilizowaną częstotliwością.
Magistrale komputera
•
•
•
Wszystkie połączenia, które są w środku komputera nazywa się magistralą
komputera.
Magistrala komputera to bardzo dużo różnych połączeń ale większość z nich
można „przydzielić” do jednej z trzech grup.
Poszczególne grupy przewodów o takich samych zadaniach to:
–
magistrala danych – służy do przekazywania danych binarnych czyli takich,
w których liczba składa się tylko z zer i jedynek(a te z kolei tak naprawdę są po prostu
jednym z dwóch napięć – 0Volt lub +5V).
Pocieszające jest to, że każdą z liczb, jakimi my się posługujemy, można przedstawić w tej
tajemniczej postaci zero-jedynkowej i „robi to za nas sam komputer (czyli procesor).
–
magistrala adresowa – procesor wykorzystuje ją do adresowania
czyli określenia z kim (lub z czym) chce współpracować przy wykonywaniu konkretnego,
kolejnego rozkazu..
–
magistrala sterująca – jak sama nazwa wskazuje, jej poszczególne linie służą
procesorowi do sterowania całym komputerem.
Niektóre z linii „informują” komputer „czego my od niego chcemy.
Magistrale, gniazda rozszerzeń
• Komputery klasy PC są tak skonstruowane, by była możliwa ich
rozbudowa.
Urządzenia peryferyjne, których podstawowe sterowniki nie są
wbudowane w płytę główną, wymagają oddzielnych kart, które można
osadzić w gniazdach rozszerzeń umieszczonych na płycie głównej.
• Najbardziej popularne standardy gniazd rozszerzeń to:
–
–
–
–
•
ISA
MCA
EISA
PC
Łącza wg standardu ISA (Industry Standard Architekture) mogą być 62 stykowe
(dłuższe - do kart 32 bit) i 36 stykowe (krótsze do kart 8-bit).
Posiadają 16-bitową szynę danych (od 1984 r.).
Taktowane są zegarem 8MHz - maks. prędkość transmisji 4MB/sek. I
Magistrala PS/2 MCA (16 bit lub 32 bit) - komputery oryginalne IBM PS/2 (1987 r.)
Magistrala EISA
Innym standardem gniazd rozszerzeń jest 32-bitowa magistrala EISA (Extended Industry
Standard Architekture), stosowana do serwerów i profesjonalnych komputerów, 8MHz,
max 30MB/sek. Procesory 80386 i nowsze.
VESA
Gniazda standardu VESA Local-Bus posiadają 32-bitową szynę danych pozwalającą na
transmisję z szybkością danych procesora. Obecnie już nie stosowane.
Magistrala PCI (Peripherial Component Interconnect) - standard szyny lokalnej
opracowany przez firmę Intel. Współpraca z 32 lub 64-bitową magistralą danych.
Zapewnia urządzeniom peryferyjnym bezpośredni dostęp do procesora (CPU).
Niezależna od procesora oddzielna magistrala we/wy.
Częstotliwość taktowania magistrali wynosi 33MHz. Transmisja nie wstrzymuje pracy
procesora, większa ilość podłączeń. Technologia plug and play - automatyczna
konfiguracja przerwań, kanałów DMA, adresów pamięci.
Rozwiązanie IRQ - sharing - kilka kart korzysta z jednego przerwania.
Sercem magistrali jest chipset PCI składający się z 3 części: kontoler PaO i cache, bufor
danych i pomost ISA-PCI.
Standardy: 2.- - 32 bity max 132 MB/s, 2.1 - 64 bit - 264 MB/s. Złącze PCI - białe,
mniejsze od ISA.
Karty w tym standardzie: grafiki, kontrolery HD, karty sieciowe.
Architektura PCI jest zaprojektowana do współpracy z istniejącymi magistralami (np. ISA
lub EISA).
PCI umożliwia równoczesną obsługę grafiki, układowe we/wy, sieci lokalnej LAN, SCSI,
itp.
Charakterystyka portu AGP
•
Rozwiązanie magistrala PCI okazało się "wąskim gardłem" w przypadku kart graficznych, które wyposażane
były w coraz to szybsze procesory graficzne, wykonujące dużo operacji i wymagające większej przepustowości
danych (obrazy 3D, efektowne gry komputerowe).
•
Standard AGP to nowoczesne rozwiązanie zwielokratniające możliwości transferu danych.
•
Accelerated Graphics Port (AGP, czasem nazywany Advanced Graphics Port) to rodzaj zmodyfikowanej
magistrali PCI opracowanej przez firmę Intel. Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana do szybkiego
przesyłania dużych ilości danych pomiędzy pamięcią operacyjną, a kartą graficzną.
–
–
–
–
–
–
–
Data wprowadzenia: 1997
Stworzony przez: Intel
Następca: PCI Express (2004)
Szerokość magistrali: 32 bity
Maksymalna ilość urządzeń: 1 urządzenie/slot
Maksymalna przepustowość: 2133 MB/s
Maksymalna moc jaką może pobierać karta poprzez slot AGP to 35 - 40W.
W wypadku, kiedy zapotrzebowanie jest większe, należy doprowadzić dodatkową energię - zazwyczaj za pomocą złącza typu Molex.
Lokalizacja złącza AGP na płycie głównej
Pamięć stała ROM i pamięć operacyjna RAM
• Pamięć stała ROM (Read Only Memory) - tylko do odczytu:
•
– PROM - programmable read only - jednokrotnie programowalna
– EPROM - erasable programmable read only - kasowalna i programowalna
– EEPROM - electrically erasable programmable read only - elektrycznie kasowalna i
programowalna
Pamięć EPROM przechowuje podstawowe testy diagnostyczne mikrokomputera - POST
(Power on Self Test) oraz oprogramowanie obsługujące urządzenia we/wy (BIOS).
Umieszczona jest na podstawce, dzięki czemu może być zmieniana, np. z układu 27256 - 32KB
na układ 27572 - 64KB. Trzeba powiadomić system przez zmianę położenia odpowiednich
zworków na płycie.
• Pamięć operacyjna RAM (Random Access Memory) - o dostępie
swobodnym:
Służy do przechowywania danych aktualnie przetwarzanych oraz ciągu rozkazów
programu. Jest pamięcią ulotną.
Procesor o 32 bit. szynie adresowej może zaadresować 2^32=4GB pamięci.
Pamięć operacyjna RAM (Random Access Memory) - o dostępie swobodnym
•
•
•
SRAM - Static Random Access Memory - pamięć statyczna - nie wymaga
odświeżania, używana jako operacyjna lub podręczna (cache) - 5..15ns
DRAM - Dynamic Random Access Memory - odnawialna - wymaga stałego
odświeżania m.in. ładunków elektrycznych odpowiedzialnych za przechowywanie.
Pamięci wolniejsze i tańsze od SRAM.
Odczytanie zawartości powoduje odświeżanie.
Typy RAM:
–
–
–
–
–
DIP - w AT/286, w kartach grafiki i dźwiękowej (Dual in Line Pack)
SIP - w AT/286 (Single) - szpilki
SIMM (Single in Line Memory Module) - zamiast szpilek złącza kontaktowe, po bokach zatrzaski.
Starsze o organizacji 8 lub 9 bit (do 4 MB - 30 stykowe, z kontrolą parzystości) oraz nowe PS/2 o
organizacji 32 bit lub 36 bit i 72 stykowe
EDO DRAM - dostęp szybszy o 20%
DIMM
Pamięć Cache - szybka pamięć podręczna - bufor między DRAM a procesorem.
Procesory (486, Pentium) mają zwykle pamięć wewnętrzną cache L1, a na płytach głównych
jest cache L2 (SRAM). Kontroler (Cache Controler) sprawdza czy dane są w cache. Zapis do
DRAM - Write Trough (równoczesny) i Write Back (opóźniony).
Zespół portów WE/WY
•
•
•
•
•
Komputery obecnie posiadają na ogół zintegrowany z płytą podsystem We/Wy (I/O),
w którym znajdują się porty:
we/wy - szeregowy i równoległy oraz kontrolery napędów dysków elastycznych i dysków
twardych.
Porty I/O - przyłącza do komunikacji z zewnętrznymi urządzeniami dodatkowymi.
Rozróżniamy 2 typy portów: szeregowe i równoległe.
Karty multi I/Karta multi I/O jest rozszerzeniem komputera PC o kilka wejść i wyjść.
Te wejścia i wyjścia to porty szeregowe i równoległe.
Typowa karta multi I/O jest wyposażona w 2 porty szeregowe i jeden równoległy,
czasami także w port joysticka.
Wszystkimi portami sterują dedykowane układy, które mają swoje adresy w przestrzeni
adresowej komputera.
Gniazda
W komputerach PC występują 3 rodzaje gniazd interfejsów: 9, 15 i 25 - stykowe,
w odmianach męskiej i żeńskiej.
Gniazdo żeńskie posiada otwory, a męskie bolce.
Obydwa typy mają postać trapezu, a numeracja końcówek (pinów) zaczyna się od lewej
strony w dolnym rzędzie.
Porty szeregowe
•
•
•
Stosowany w PC interfejs szeregowy jest zgodny ze standardem RS-232C, określonym przez normę V.24.
Służy on do asynchronicznej, szeregowej transmisji danych - dane są przekazywane szeregowo, tzn. kolejno
bit po bicie za pomocą pojedynczej linii transmisyjnej. Interfejs ten umożliwia przesyłanie znaków w obie
strony jednocześnie i dlatego wszystkie linie są zdublowane. Dane można wysyłać jak i odbierać.
Standardowe napięcia stanów logicznych wynoszą odpowiednio: +12V dla logicznego "0" i -12V dla
logicznej "1". Maksymalny zakres napięć wynosi -15V..+15V, z wyłączeniem zakresu -3V...+3V. Dzięki dużym
różnicom napięć interfejs jest odporny na zakłócenia przy transmisji danych nawet przy użyciu
nieekranowanych przewodów. Maks. długość linii łączącej wynosi 15m.
Portów szeregowych używają urządzenia, które przesyłają dane z powrotem do komputera (myszy,
modemy, niektóre plotery).
Port szeregowy jest oznaczany skrótem COM. Standardowo są 2 porty szeregowe: COM1 i COM2.
Szeregowa transmisja danych zaczyna się od bitu startu o wartości "0" (+12V). Następnie są przekazywane
bity informacyjne wraz z bitem kontrolnym. Na zakończenie transmisji generowane są 2 bity stopu. Sercem
portu szeregowego jest układ UART, odpowiedzialny za przetworzenie informacji z postaci równoległej na
szeregową i odwrotnie. Typ zastosowanego w karcie multi I/O układu UART decyduje o maks. prędkości
transmisji, mierzonej w bitach na sekundę (bps). Standardowo zostały przyjęte prędkości: 110, 150, 300,
600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 i 115000 bps.
Prędkości do 57600 bps realizują układy UART 8250 lub ich odpowiedniki: 82450 i 16450. Aby osiągnąć
115000 bps, karta musi być wyposażona w układy UART 16550.
Porty szeregowe występują w 2 wersjach: 9 i 25 końcówkowej. Oba są równoważne w realizacji interfejsu
na komputerach IBM PC, bo do transmisji wykorzystywane jest tylko 9 linii.
Opis pinów w złączu RS-232C
Numer
Oznaczenie
Rozwinięcie
Opis
1 DCD Data carrier detect
wykrycie nośnej
2 RD lub RXD
Receive data
odbiór danych
3 TR lub TXD
Transmit data
transmisja danych
4 DTR Data terminal ready gotowość urządzenia (komputera)
5 GND Signal ground
masa
6 DSR Data set ready
ustawienie gotowości danych
7 RTS Request to send data zgłoszenie zamiaru transmisji
8 CTS Clear to send data
gotowość do odbioru danych
9 RING Ring indicator
sygnał dzwonka
Komputer IBM PC jest standardowo przygotowany do obsługi 4 portów szeregowych (COM1, COM2,
COM3, COM4), ale tylko dwóm portom przypisano standardowe przerwania. Do obsługi portów
szeregowych został przystosowany BIOS komputera, który udostępnia 4 funkcje
(o numerach 00h, 01h, 02h i 03h) przerwania 14h.
Jednak sterowanie portami za pomocą tych funkcji jest niewygodne, a poza tym BIOS obsługuje
prędkości do 9600 bps, tak więc lepiej zrobić to na poziomie portów, bezpośrednio programując
układ UART. Drugą metodą jest wykorzystanie przerwań. Programowanie portów jest zadaniem
dość niewdzięcznym.
Port równoległy
•
•
•
•
•
Złącze równoległe w PC jest realizowane w oparciu o interfejs Centronics. Został on wprowadzony przez
firmę Centronics jako moduł sprzęgający komputer z drukarką. Interfejs ten pracuje na poziomach TTL stan logiczny "0" zawiera się w zakresie 0,4V - 2,4V, a stan logiczny "1" w zakresie 2,7V - 5,25C. Z uwagi na
małe różnice napięć pomiędzy stanami logicznymi, linia łącząca może mieć maksymalnie długość 2 m. Przy
większych odległościach należy stosować skręcanie linii sygnałowych z liniami masy.
Przekazywanie informacji odbywa się 8-liniami równolegle, tzn. paczkami po 8 bitów, dzięki temu szybkość
transmisji jest wyższa.. Linie te są oznaczone symbolem DATA z numerem 0 do 7. Przez linię DATA0
przesyłany jest najmniej znaczący bit słowa, a przez DATA7 najbardziej znaczący bit. Ósmy bit słowa jest
często ignorowany (w ASCII wystarczy 7 bitów) i jeśli nie wykorzystujemy go, to powinniśmy zewrzeć linię
DATA7 do masy. Ważnymi liniami są linie sygnałów STROBE i BUSY. Podczas opadającego zbocza sygnału
STROBE informacje dostarczane liniami DATA są przejmowane przez urządzenie wyjściowe (przeważnie
drukarkę). Stan wysoki sygnału BUSY informuje komputer o zajętości urządzenia wyjściowego i
niemożności przyjęcia dalszych danych.
Od strony komputera złącze Centronics ma 25 szpilek, od strony drukarki połączenia są zrealizowane za
pomocą 36 płaskich styków kontaktowych.
System BIOS komputera PC jest przystosowany do obsługi 4 portów równoległych, oznaczonych w DOS od
LPT1 do LPT4. Urządzeniu LPT1 odpowiada PRN, czyli domyślna drukarka w systemie. Ponieważ system
DOS nie rozróżnia urządzeń od plików, wydrukowanie pliku można zrealizować poleceniem copy plik lpt1.
System BIOS udostępnia funkcję 40h przerwania 21h, która realizuje drukowanie znaków, a funkcje 00h,
01h i 02h przerwania 17h umożliwiają sterowanie bezpośrednio łączem równoległym.
Uwaga! Przez podłączenie załączonej drukarki do portu Centronics w komputerze, nierzadko także
włączonym można doprowadzić do zwarcia we wtyku i uszkodzić sterownik portu równoległego w
komputerze. Zazwyczaj wystarczającym zabezpieczeniem przed zwarciem jest wyłączenie drukarki.
Kontroler napędów dyskowych i kontroler dysku twardego
• Kontroler napędów dyskowych
Zintegrowany jest na ogół z płytą główną.
Przez kontroler sterowane są napędy dyskietek 3.5" i ewentualnie 5.25".
Kontroler może sterować napędem typu DD (double density)
i HD (high density).
Są one połączone z kontrolerem za pomocą 34-żyłowego kabla.
• Kontroler dysku twardego
W wersji standardowej komputer jest wyposażony w 1 dysk twardy, który jest
na stale albo zamocowany w kieszeni wymiennej. Sterowaniem dysku
zajmuje sie kontroler dysku twardego. Z biegiem czasu opracowano kilka
rożnych standardów sterowników dysków twardych. Najbardziej
rozpowszechniony jest standard AT-BUS (IDE).Umożliwia on podłączenie 2
dysków twardych do kontrolera. Gdy są wbudowane 2 kontrolery to
istnieje możliwość podłączenia 4 dysków twardych. Unowocześniony
standard AT-BUS nazywa się EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics),
który umożliwia podłączenie innych urządzeń, np. CD-ROM.
KARTY GRAFICZNE I MONITORY
• Komputer przekazuje nam informacje poprzez monitor.
• Aby monitor mógł wyświetlać informacje w sposób czytelny
dla użytkownika,
musi być sterowany przez sterownik graficzny (karta graficzna,
karta wideo), który przetwarza informacje zapisane w pamięci
na sygnały wizyjne przesyłane do monitora.
Sterownik graficzny występuje w postaci oddzielnej karty,
dołączonej do złącza szyny systemowej mikrokomputera lub
jako układ na stale zintegrowany z płytą główną.
Posiada 2 podstawowe tryby pracy: tekstowy i graficzny.
• O jakości tego przekazu decyduje karta graficzna i monitor.
• Przez kilkanaście lat panowania standardu IBM PC powstało
wiele typów kart i monitorów.
Standardy kart graficznych
•
•
•
•
•
•
MDA - Monochrome Display Array. Pozwalał na prace tylko w trybie tekstowym (25 wierszy po 80 znaków)
HGC - Hercules Graphics Card - popularny Herkules, zaprojektowany przez firmę Hercules Computer
Technology. Zachował on możliwości karty MDA i został wzbogacony o możliwość pracy w trybie graficznym
mono, o rozdzielczości 720x348 punktów (pikseli). Karta ta współpracuje tylko z monitorem
monochromatycznym i umożliwia pracę w 2 trybach: tekstowym - obraz 80x25 znaków, o matrycy znaku 9x14
i jednej dostępnej stronie oraz graficznym: 720x348 przy 2 dostępnych stronach. Kolor luminoforu był
bursztynowy, później zielony lub biały. W karcie Hercules jest umieszczone gniazdo Centronics, umożliwiające
podłączenie drukarki.
CGA - Color Graphics Adapter. Dwukolorowy obraz z rozdz. 640x200 pikseli lub 4-kolorowy 320x200 pikseli.
W trybie tekstowym 80x25. Współpracowała z monitorem cyfrowym. Obecnie nie jest stosowana.
EGA - Enhanced Graphics Adapter. Opracowania w 1984 r przez firmę IBM. 16 kolorów przy rozdz. 640x350
pikseli. Współpracowała z monitorem cyfrowym.
VGA - Video Graphics Adapter. Jest pierwszą kartą IBM-a współpracującą z monitorem analogowym. Pojawiła
sie z komputerami PS/2. Wysokiej klasy tryb tekstowy - ostry i bez poświaty oraz tryby graficzne: 640x480 - 16
kolorów. Częstotliwość odświeżania ekranu 60Hz. Karty i monitory VGA są popularne do dziś. Mogą
symulować wszystkie wcześniejsze karty. Karty VGA nie mogą współpracować z monitorami MDA, CGA, EGA,
które posiadały złącza 9-bolcowe, gdyż złącze VGA ma ich 15. Karty VGA są najczęściej wykonywane w
technice 8-bitowej (256 kolorów), ale wyprodukowano również kart 16-bitowe, pozwalające na uzyskanie
palety 65535 odcieni. Karta może być też przystosowana do współpracy z monitorem monochromatycznym wykorzystuje się analogowe wyjście G (składowa zielona)
SVGA - Super VGA o rozdz. min. 800 x 600 pikseli. Zachowuje wszystkie możliwości karty VGA, przy
jednoczesnym wprowadzeniu możliwości wyświetlania obrazu o rozdz. 1024x768 pikseli i więcej.
Produkowane obecnie monitory SVGA maja plamkę o średnicy. 0.28mm. Monitory maja przekątne ekranu od
14" do 21". Karty SVGA mają nowe cechy funkcjonalne jak: tryby znakowe i graficzne o większej ilości
kolorów; większa pamięć RAM, co najmniej 8-bitowe przetworniki C/A do wyświetlania podstawowych barw;
większa ilość rejestrów programujących; sprzętowa realizacja niektórych operacji.
Programy obsługi (drivers)
•
Karta grafiki musi być wyposażona w odpowiednie programy obsługi, zwane sterownikami,
które pozwalają uzyskać maksymalną rozdzielczość i liczbę kolorów w popularnych
programach jak np. Windows, AutoCAD itp. W przypadku akceleratorów sterowniki pełnią
bardzo ważną rolę, ponieważ bez nich akcelerator pracowałby jako zwyczajna karta.
• Współpraca karty graficznej z monitorem
Monitor należy dobrać do karty graficznej.
Do karty Hercules - monitor Hercules, VGA - monitor VGA.
Przy wyborze monitora należy zwrócić uwagę na stabilność i jakość obrazu, możliwość
regulacji (jasność, kontrast, położenie i wielkość obrazu, korekcja beczkowatości, itp.).
Karty i monitory SVGA przysparzają więcej problemów, bo nie ma ściśle określonego
standardu. Każdy producent daje nieco inne możliwości.
Dlatego kupując monitor należy sprawdzić w instrukcji obsługi karty i monitora, czy monitor
może wyświetlić obrazy o rozdz. oferowanych przez kartę, i czy dla poszczególnych
rozdzielczości pokrywają sie częstotliwości odchylania pionowego i poziomego.
Współpracą karty graficznej z monitorem c.d.
•
•
•
•
•
•
Aby współpraca karty i monitora przebiegała poprawnie, oba te urządzenia muszą
być ze sobą kompatybilne.
Można rozróżnić 3 podstawowe parametry z tym związane:
częstotliwość sygnału odchylania pionowego Fvs
częstotliwość sygnału odchylania poziomego Fhs
pasmo przepustowe toru wizji monitora
Częstotliwość odchylania pionowego (odświeżania obrazu) określa liczbę linii
rysowanych w ciągu sekundy (szybkość wyświetlania ekranów), dlatego ma wpływ
na zjawisko migotania obrazu. Im większa tym słabszy efekt migotania.
Częstotliwość odchylania poziomego to częstotliwość z jaką strumień elektronów
przebiega przez ekran, a wpływa ona na ostrość i stabilność ekranu. Na ostrość
obrazu wpływa także pasmo przepustowe toru wizji.
Standardy częstotliwości rysowania obrazu
w zależności od typu i rozdzielczości karty
Sterownik Rozdzielczość [piksele] Odchylanie poziome [kHz] Odchyl. pionowe [Hz] Pasmo przepustowe [MHz]
•
•
•
•
•
•
MDA
HGC
CGA
EGA
VGA
SVGA
•
Przykłady kart graficznych (IX.2000): S3 Trio 3D MB, SAVAGE 4 16MB, RIVA TNT2,
GE FORCE, VODOO, ATI RAGE, Diamond Viper, Winfast, Geoforce
720x350
640x350
640x350
640x480
800x600
18.52
18.52
15.75
21.85
31.50
48/60
50
50
60
60
70
72
16
18
14
30
30
40
Monitory
•
Monitor ma znaczący wpływ na komfort obsługi oraz zadowolenie i zadrowie
użytkownika, ponieważ często sie z niego korzysta. Pomimo, że monitorem steruje
karta graficzna, odpowiada on za wizualną prezentację danych komputera. Systemy
operacyjne Windows oraz programy graficzne i multimedialne stawiają przed
monitorami coraz to większe wymagania.
Podstawowe parametry monitora
•
•
•
•
1) Rozdzielczość wyświetlania obrazu - ściśle związana z maks. częstotliwością odchylania poziomego i
pionowego monitora.
Częstotliwość odchylania poziomego określa prędkość, z jaką strumień elektronów wyświetla jedną linię
poziomą na ekranie (odwrotność czasu na narysowanie punktu).
Częstotliwość odchylania pionowego (odświeżania obrazu) określa liczbę kompletnych ekranów, które
monitor jest w stanie wyświetlić w czasie 1 s. (odwrotność czasu na narysowanie 1 linii poziomej). Im obie
częstotliwości wyższe, tym rozdzielczość może ulec zwiększeniu. Jeśli częstotliwość odświeżania obrazu jest
niska, można zauważyć zjawisko migotania obrazu, które jest bardzo męczące i szkodliwe dla oczu.
W nowoczesnych monitorach częstotliwość odświeżania nie powinna być mniejsza niż 75 Hz. W
monitorach, w których częstotliwość odświeżania i pasmo przepustowe były małe, stosowano tzw.
wyświetlanie z przeplotem (tryb interlaced) - najpierw rysowane linie o numerach parzystych a potem
nieparzystych. Normalnie (tryb non-interlaced) monitor tworzy obraz rysując linię po linii.
2) Pasmo przenoszenia. Jest drugim bardzo ważnym parametrem mającym wpływ na wierność obrazów.
Pasma przenoszenia dostępnych na rynku monitorów wahają się od 65MHz (dla monitorów 14") do
135MHz (dla 17"). Znaczne zwiększenie pasma można uzyskać stosując kabel koncentryczny ze złączami
BNC, niż tradycyjny kabel ze złączem 15-stykowym.
3) Wielkość plamki świetlnej - najmniejsza odległość między dwoma pojedynczymi punktami obrazu.
Im jest mniejsza, tym rozdzielczość większa.
Dla większości monitorów wielkość plamki wynosi 029..026 mm.
4) Wielkość przekątnej ekranu: …10”, 12”, 14", 15", 17", 19", 21…
Monitory c.d.
•
•
•
Na komfort wpływa istnienie regulatorów zmieniających nie tylko kontrast,
nasycenie, wysokość, szerokość, położenie obrazu
ale także umożliwiających obrót obrazu, korekcję zniekształceń (poduszka, trapez),
zbieżność pionową i poziomą, przycisk rozmagnesowujący.
Regulacja cyfrowa umożliwia zapamiętanie kilku konfiguracji ustawień monitora.
Stosuje się często zintegrowany wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD lub system OSD
(On Screen Display).
Duży wpływ na jakość i wartość monitora ma spełnianie wymogów norm,
określających dopuszczalne natężenia szkodliwych dla człowieka pól magnetycznych
i elektrostatycznych, jak również pobór energii.
Dopuszczalne wartości natężenia szkodliwych pól definiuje szereg norm
międzynarodowych, z których najbardziej znane to szwedzkie normy MPR i TCO.
Przykłady monitorów (IX.2000): Marvin, Phipips, Sony, Samtron, Belinea, LG, MAG,
OPTVIEW, Samsung, Panasonic, Proview, CTX, Sampo, Daewoo