Budowa i działanie komputera Co to jest komputer?

Budowa i działanie
komputera
Co to jest komputer?
KOMPUTER - elektroniczna maszyna licząca [z ang. compute – obliczać],
urządzenie elektroniczne służące do automatycznego przetwarzania
informacji (danych), przedstawionych cyfrowo (tzn. za pomocą odpowiednio
zakodowanych liczb).
Jednostka centralna
Klawiatura, myszka
Zestaw komputerowy
Monitor
Współczesny komputer to zespół urządzeń wewnętrznych oraz zewnętrznych
złożony w tzw. zestaw komputerowy, gdzie rodzaje zastosowanych urządzeń
określają przeznaczenie oraz zdolności operacyjne komputera.
Historia maszyn liczących - komputera
Abacus (pol. liczydło) pierwsze znane
mechaniczne urządzenie liczące, powstałe
około 5000 lat temu gdzieś w środkowej Azji
Około 1500 - Codex Madrid – maszyna licząca
zaprojektowana przez Leonarda da Vinci
Pascaline – 1642, maszyna licząca
zbudowana na potrzeby sumowania
podatków przez Blaise Pascala
Gottfried Wilhem von Leibniz – 1671,
zbudował maszynę liczącą która oprócz
zliczania potrafiła również mnożyć
Historia maszyn liczących - komputera
W 1822 Charles Babbage'a zbudował
maszynę różnicową (nazwaną tak, gdyż
wykonywała obliczenia metodą
różnicową).
Charles Babbage'a (1791 – 1871)
W 1834 Charles Babbage'a wymyślił maszynę analityczną,
której budowa zapowiedziała architekturę przyszłych
komputerów cyfrowych. Jej budowa to: jednostka
zapamiętywania liczb, procesor (młyn) oraz jednostka
sterująca. Do wczytywania wyników miały służyć taśmy
perforowane.
Ada Lovelace – współpracowniczka
Charlesa Babbage'a – uznana za pierwszą
programistkę, opracowała program na
maszynę analityczną obliczający
matematyczny ciąg liczb
Koniec XIX wieku był początkiem rozwoju urządzeń mechanograficznych, których głównym
przeznaczeniem było usprawnienie rachunków statystycznych, księgowych i biurowych
Historia maszyn liczących - komputera
W 1937 Turing Alan Mathison stworzył tzw.
Maszynę Turinga (angielskie Turing
machine), abstrakcyjną maszynę
obliczeniową do badania teoretycznych
ograniczeń matematyki.
Turing Alan Mathison
(1912-1954)
W 1938 Claude Shanon publikuje sposób wykorzystania prawdy i fałszu do przedstawiania funkcji
przełączników w obwodach elektronicznych. Stworzył matematyczne narzędzie do tworzenia cyfrowych
obwodów elektronicznych.
W 1939 John Vincent Atanasoff zbudował prawdopodobnie
pierwszy Cyfrowy Komputer Elektroniczny ABC (zdj. rekonstrukcja)
W 1943 Alan Turing wraz z zespołem
buduje jednej z pierwszych
programowanych komputerów
lampowych (1800 lamp) - Collosus
Historia maszyn liczących - komputera
1943 do 1946 John William Mauchly i John Presper
Eckert Junior zbudowali komputer elektroniczny
ogólnego przeznaczenia – ENIAC – uznany (mimo
istnienia maszyny Atanasoffa i komputera Collosus) jako
pierwszy elektroniczny komputer.
W 1945 John von Neumann udokumentował w
pracy „Pierwszy szkic” koncepcję komputera
przechowującego program. Dosłownie wszystkie
komputery cyfrowe od tamtej pory są oparte na
tej właśnie architekturze.
Komputer = pamięć + jednostka obliczeniowa +
jednostka sterująca
1946 do 1952 John William Mauchly i John Presper Eckert Junior
zbudowali Automatyczny komputer z dyskretnymi zmiennymi
EDVAC – pierwszy komputer przechowujący program
Historia maszyn liczących - komputera
W 1950 Shockley wynalazł nowy element półprzewodnikowy,
zwany tranzystorem o złączu bipolarnym. Tranzystory miały
wyprzeć lampy które stosowano do budowy komputerów.
W 1958 Jack Kilby wytworzył kilka elementów
elektronicznych na pojedynczym kawału
półprzewodnika. Był to pierwszy układ scalony.
Dalszy postęp produkcji tych układów pozwolił umieszczać w jednej "kostce" dziesiątki tysięcy
tranzystorów a obecnie miliony. Obwody takie nazwano układami wielkiej skali integracji (VLSI z
ang. - Very Large Scale of Integration).
1957 – Pierwszy komputer osobisty IBM 610
Do połowy lat 70-tych opracowywano podobne do IBM 610
opracowywano maszyny których podstawową wadą była
bardzo wysoka cena.
1975 - Ed Roberst opracował mikrokomputer Altair 8800 –
pierwszy tani mikrokomputer
Historia maszyn liczących - komputera
W 1976 Steve Woźniak i Steve Jobs stworzyli komputer Apple 1
W 1977 powstał mikrokomputer Commodore PET
1981 – Pierwszy komputer IBM PC
Generacje komputerów:
Pierwsza generacja – komputery lampowe
Druga generacja – komputery tranzystorowe
Trzecia generacja – komputery zbudowane z ukł. scalonych
Czwarta generacja – komputery w technologii VLSI
Współczesna stacja robocza
Budowa komputera – schemat ogólny
Wg uproszczonego schematu komputer dwa główne, współpracujące urządzenia: procesor i pamięć.
Ogólny schemat budowy komputera
-
Klawiatura
Mysz
Skaner
Aparat i kamera
cyfrowa
- Modem
- Karta sieciowa
Urządzenia wejściowe
Pamięć operacyjna
Procesor
Jednostka centralna
-
Monitor
Drukarka
Ploter
Głośnik
Modem
Karta sieciowa
Urządzenia wyjściowe
Oba urządzenia znajdują się w jednej
obudowie nazywanej jednostką centralną.
Pamięć operacyjna służy do chwilowego
pamiętania danych wejściowych i
wyjściowych oraz przechowuje
uruchomione programy. Programy
przekazują rozkazy do procesora. Procesor
to układ elektroniczny potrafiący wykonywać
rozkazy arytmetyczne i logiczne na liczbach
binarnych.
Budowa komputera – jednostka centralna
Obudowa
komputera
typu TOWER
Zabudowany w
sankach napęd CD,
podobnie montowane
są napędy CD-RW,
DVD, ZIP, FDD itp.
Zasilacz
Gniazda
wtykowe do
podłączenia
urządzeń
zewnętrznych
Proces wraz z
chłodzeniem
Pamięć RAM
Karta grafiki
Zabudowany w
sankach Napęd HDD
Płyta główna
komputera
Sloty umożliwiające
podłączenie innych
urządzeń
wewnętrznych
Architektura komputera z magistralą PCI i AGP
Procesor
Pamięć podręczna (CACHE)
Płyta główna
Karta
graficzna
Magistrala
AGP
Monitor
Sterowniki układów
pamięci (chipset):
interfejs
magistrali PCI,
Interfejs magistrali
AGP
(IRQ, DMA)
Pamięć RAM
Karta
dźwiękowa
Karta
telewizyjna
Pamięć
lokalna
Magistrala lokalna PCI
Magistrala
ISA, EISA Lub MCA
Karta
sieciowa
Kontroler
dysków
Standardowe
Urządzenia wejścia
i wyjścia
Interfejs
magistrali
SCSI
Magistrala
SCSI
Interfejs
Magistrali
zewnętrznej
Urządzenia
SCSI
BIOS
BIOS, Basic Input-Output System, program zapisany na stałe w pamięci ROM
komputera. Jest on uruchamiany jako pierwszy po włączeniu komputera. Jego
zadaniem jest testowanie sprzętu, uruchomienie systemu operacyjnego. W BIOSie
użytkownik może ustawić parametry systemu takie jak zainstalowany w systemie
sprzęt (dyski, pamięć operacyjna itp.), na podstawie których kontrolowane jest
przesyłanie danych między poszczególnymi składnikami systemu.
Organizacja pamięci BIOS-ROM
Budowa procesora
PROCESOR stanowi główny element komputera,
jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji.
Budowa procesora
Układy sterujące
Arytmometr
Rejestry
• Układy sterujące odpowiadają za dostarczenie
arytmometrowi danych do obliczeń z pamięci
operacyjnej, oraz przekazywanie wyników obliczeń
z powrotem do pamięci oraz właściwą kolejność
przetwarzania
• W arytmometrze odbywają się wszystkie
obliczenia realizowane przez komputer.
• W rejestrach procesora przechowuje się adresy
wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i
wyniki obliczeń
Działanie procesora
Schemat blokowy procesora
BU – blok komunikacyjny
Prefetch – sortowanie i kolejkowanie kodu
IU – dekodowanie ciągu poleceń
EU – układ wykonawczy
ALU – moduł obróbki liczb stałoprzecinkowych
Kod programu
Adres
Prefetch
AU
MMU
Dane
BU
Sygnały
Kontrolne
i sterujące
IU
(Dekoder)
ROM
FPU
ALU
CU
Dane
EU
CU – blok sterowania
przetwarzania modułu ALU
FPU – moduł obróbki liczb
zmiennoprzecinkowych
AU – jednostka adresowania
MMU – jednostka zarządzania
pamięcią
Pamięć podręczna
Cache to podręczna pamięć procesora. Charakteryzuje się wyjątkowo krótkim
czasem dostępu. Jest ona używana do przechowywania danych, które będą
w niedługim czasie przetwarzane. Rozróżniamy dwa rodzaje pamięci Cache:
• Pierwszego poziomu (Cache L1) zintegrowana z
procesorem z którym porozumiewa się z
częstotliwością równą częstotliwości wewnętrznej
procesora, Tego typu pamięć ma zwykle pojemność
od 16 do 64 KB.
• Drugiego poziomu (Cache
L2) znajdująca się zwykle na
płycie głównej gdzie z
procesorem porozumiewa się z
częstotliwością taktowania
zewnętrznego. W
nowoczesnych komputerach jej
pojemność wynosi zwykle 512,
a czasem nawet 1024 KB.
Pamięć
Cache
CPU
Kontroler
Cache
Pamięć podręczna
wspomaga pamięć główną
Pamięć
Kanały DMA
DMA (ang. Direct Memory Access) oznacza bezpośredni dostęp do pamięci
komputera dla urządzeń peryferyjnych (np. karta dźwiękowa, dysk itp.)
Układy we-wy
Procesor
Kontroler DMA
Pamięć
Idea bezpośredniej
komunikacji układów
wejścia-wyjścia z pamięcią
Kontroler DMA realizuję transmisję danych pomiędzy urządzeniami
peryferyjnymi oraz pamięcią komputera poprzez kanały DMA.
Kanały DMA są przypisywane poszczególnym urządzeniom a te komunikują
się z kontrolerem za pomocą sygnałów DREQ.
DMA 0
DMA 1
DMA 2
DMA 3
DMA 4
DMA 5
DMA 6
DMA 7
Przeznaczony do zastosowań wewnętrznych, wykorzystywany tylko w sytuacjach awaryjnych.
Wolny, najczęściej rezerwowany przez karty dźwiękowe.
Obsługuje napędy dyskietek, niedostępny dla użytkownika
Wolny
Przeznaczony do zastosowań wewnętrznych, niedostępny dla użytkownika
Wolny, najczęściej rezerwowany przez karty dźwiękowe.
Wolny
Wolny
Kanały IRQ
IRQ, Interrupt Request, Żądanie przerwania, w informatyce jest to rozkaz zaprzestania
wykonywania aktualnego zadania i rozpoczęcia wykonywania innego, wydany
procesorowi przez jedno z urządzeń zewnętrznych bądź system operacyjny.
W komputerach klasy PC jest 15 kanałów IRQ, przy czym większość z nich jest
przydzielona do standardowych urządzeń, takich jak np. porty COM. Urządzenia
instalowane przez użytkownika (jak np. karty graficzne bądź dźwiękowe) mają
przydzielane pozostałe IRQ. W zależności od systemu operacyjnego oraz typu karty,
IRQ jest przydzielane za pomocą odpowiedniego oprogramowania lub zostaje
automatycznie przydzielone przez system.
Zarządzaniem kanałami IRQ zajmuje się tzw. kontroler przerwań
IRQ
Urządzenie
IRQ
Urządzenie
0
Zegar systemowy
8
Zegar czasu rzeczywistego
1
Klawiatura
9
Wywołanie przerwania IRQ2
2
Wyjście kaskadowe dla układu SLAVE
10
Zarezerwowane
3
COM2
11
Zarezerwowane
4
COM1
12
Zarezerwowane
5
LPT2
13
Koprocesor arytmetyczny
6
Kontroler napędu dysków elastycznych
14
Kontroler dysku twardego
7
LPT1
15
zarezerwowane
Elementy komputera – płyta główna
Płyta główna jest podstawowym komponentem komputera. Stanowi podstawę do której
podłącza się wszystkie inne części jednostki centralnej (np. procesor, pamięć itp.).
Zainstalowane nań urządzenia komunikują
się między sobą poprzez tzw. „ścieżki”.
Elementy płyty głównej:
• BIOS
• gniazdo procesora
gniazda magistrali
PCI, ISA itp..
• CACHE
• CHIPSET
• Gniazda pamięci SIMM, DIMM
• Złącze EIDE
• Zegar czasu rzeczywistego
• Złącze napędu FDD
• Regulator napięcia
Chipset
(układy scalone):
• Kontroler CPU, pamięci i CACHE;
• Kontrolery DMA i IRQ
• Kontrolery magistrali ISA, PCI, AGP i innych; Kontrolery napędów FDD, HDD, SCSI itp
• Kontrolery układów we/wy np. RS232, USB itp. Kontroler klawiatury KBC
Elementy komputera – procesor
Procesor, układ scalony będący podstawową częścią komputera.
Wykonuje on elementarne instrukcje programów takie jak np.
podstawowe instrukcje matematyczne czy kopiowania danych.
CPU – oznacza jednostkę centralną jednostkę wykonawczą, w
komputerach osobistych jest procesor lecz w superkomputerach
mogą to być układy wieloprocesorowe
Cechy charakterystyczne procesorów:
• architektura (CISC lub RISC)
• liczba bitów przetwarzana w jednym
takcie np. 32 lub 64
• częstotliwość taktowania podawana w MHz lub GHz
np. 700 MHz, 2.4 GHz
Najpopularniejsze procesory:
Cyrix, AMD, INTEL
Prawo Moore'a reguła wywiedziona z obserwacji rynku komputerowego przez
Gordona Moore'a, współzałożyciela firmy INTEL głosząca, że moc obliczeniowa
układów scalonych podwaja się co półtora roku wraz ze spadkiem ich cen. Ta
reguła obowiązuje nie przerwanie do dziś.
Elementy komputera – pamięć
Pamięć operacyjna – urządzenie służące do przechowywania danych operacyjnych.
Rodzaje pamięci:
• ROM – (tylko do odczytu) służy do przechowywania stałych elementów
oprogramowania
• RAM – (do odczytu i zapisu) można w niej zapisywać i odczytywać informacje,
wymaga stałego zasilania aby podtrzymywać przechowywane dane
Rodzaje pamięci ze względu na budowę:
• SIMM FPM (Single Inline Memory Module) PM (Fast Page Mode)
– 30 pinowe
• SIMM EDO (Extended Data Output Random Access Memory)
– 72 pinowe
• DIMM SDRAM (Double Inline Memory Module),
(Synchronous Dynamic Random Access Memory)
- 168 pinowe
• DDR SDRAM (Double Data Rate)
- 184 pinowe
• RIMM RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory).
Elementy komputera – karta graficzna
Karta graficzna, jeden z najważniejszych komponentów zestawu komputerowego.
Karta graficzna może być zintegrowana z płytą główną komputera, częściej jest to
osobna karta rozszerzeń (jak na rys.). Najważniejszymi parametrami
karty graficznej są: szybkość pracy, ilość pamięci, rozdzielczość
i ilość kolorów wyświetlanego obrazu i inne.
Karta graficzna składa się z czterech
podstawowych elementów:
• płytki drukowanej,
• głównego procesora,
• pamięci wideo,
• układu RAMDAC (który często jest zintegrowany
z procesorem w jednej obudowie)
Karty graficzne budowane są na
następujące magistrale: ISA, PCI, AGP
Gniazdo
podłączenia
monitora
Złącze
umożliwiające
osadzenie
karty na płycie
głównej
Główne zadanie karty graficznej to przetwarzanie obrazu cyfrowego
generowanego przez układy komputera na sygnał „zrozumiały” dla monitora
(może to być sygnał: analogowy lub cyfrowy).
Elementy komputera – karta dźwiękowa
Karta dźwiękowa, zwana też kartą muzyczną, jest to karta rozszerzeń
umożliwiająca pracę z dźwiękiem na komputerze klasy PC. Dzięki nim można
zarówno odtwarzać dźwięk, jak i tworzyć pliki dźwiękowe. Do karty dźwiękowej
podłącza się takie urządzenia jak głośniki, wzmacniacz czy mikrofon bądź urządzenie
MIDI (np. syntezator).
Karty dźwiękowe budowane są na
następujące magistrale: ISA, PCI
Gniazda wejścia i wyjścia
sygnałów dźwiękowych
Złącze
umożliwiające
osadzenie
karty na płycie
głównej
Główne zadanie karty dźwiekowej to przetwarzanie sygnałów cyfrowych na
analogowe (przy odtwarzaniu dźwięków) lub odwrotnie (przy nagrywaniu
dźwięków)
Elementy komputera – karta sieciowa
Karta sieciowa, karta rozszerzeń niezbędna do podłączenia komputera do sieci
LAN. Do karty sieciowej można podłączyć kabel koncentryczny lub kabel typu skrętka
łączący komputer z siecią. Często karty mają możliwość podłączenia dwóch różnych
typów kabla. Najważniejszym parametrem karty sieciowej jest jej prędkość transmisji,
może ona wynosić 10 lub 100 Mbps.
Diody sygnalizacyjne
Karty sieciowe budowane są na
następujące magistrale: ISA, PCI
Antena transmisyjna
Gniazdo kabla sieciowego
Złącze
umożliwiające
osadzenie
karty na płycie
głównej
Najnowsze karty sieciowe obsługują już
nie tylko sieci kablowe ale także sieci
radiowe.
Elementy komputera – dysk „twardy”
Dysk stały, dysk twardy (angielskie hard disk), pamięć dyskowa, w której nośnik
magnetyczny jest nałożony na bardzo cienką warstwą (kilka µm) na niewymienną,
sztywną płytę zwaną talerzem (lub zespół płyt na jednej osi), zamkniętą w hermetycznej
obudowie. Pozwala na zapisywanie danych na stałe, bez ich utraty po odłączeniu
zasilania.
Dysk twardy
Obecnie produkuje się dyski o pojemnościach
Od kilkuset megabajtów do kilkuset gigabajtów
Płyty – nośnik danych
Głowice magnetyczne
Wnętrze dysku twardego
Głowice magnetyczne są
umieszczone ruchomo nad warstwami
nośnika, nie dotykając płyty.
Konstrukcja mechaniczna dysku
stałego wymaga dużej precyzji, ale
zapewnia bardzo dużą pojemność
pamięci oraz mały czas dostępu.
Elementy komputera – napęd CD-ROM
CD-ROM, dysk CD, Compact Disk ReadOnly Memory, popularny dysk kompaktowy
zastosowany w komputerze jako pamięć
tylko odczytywalna. Dane na dysku CDROM zachowywane są w formacie binarnym
jako mikroskopijne wgłębienia w powierzchni
dysku, za pomocą bardzo cienkiej wiązki
lasera emitowanej przez napęd CD-ROM
dane mogą być odczytywane. Na płycie CD
może zmieścić się do 700 MB danych.
Napęd CD-ROM
CD-RW, Compact Disk Read-Write, jest dyskiem CD
umożliwiającym wielokrotny zapis (do 1000x). Do zapisu
tego nosnika stosowane są specjalne napędy które
obsługują także tradycyjne nosniki
Nośnik CD-RW
Elementy komputera – napęd DVD
DVD, Digital Versatile Disc, rodzaj nośnika danych,
przypominający płytę CROM. Ilość danych zapisanych
na płycie DVD jest jednak dużo większa. Istnieje kilka
możliwych sposobów nagrywania płyty DVD różniących
się pojemnością płyty. Można na niej nagrać aż do 17
GB danych.
Napęd DVD przypomina
budową CD-ROM
Sposób zapisu danych
na płycie DVD
Podstawowa różnica pomiędzy CD a DVD polega na tym że DVD
zapisane jest po obu stronach przy dodatkowo większej gęstości zapisu. Do
odtwarzania DVD (w przeciwieństwie do CD) potrzeba sprzętowego
urządzenia do dekodowania informacji zapisanych na nośniku.
DVD-R – najnowsze napędy obsługujące płyty DVD
umożliwiają ich nagrywanie
Nośnik DVD-R umożliwiający zapis
Elementy komputera – inne urządzenia
We wnętrzu obudowy komputera można zamontować wiele innych
urządzeń realizujących różne zadania np.:
• Modem telefoniczny (umożliwiający łączenie się z innymi komputerami
poprzez łącza telefoniczne)
• Karty sterujące i pomiarowe – mogą przeobrazić komputer w jednostkę
zarządzającą np. procesem produkcyjnym.
• tuner telewizyjny – uczyni z komputera PC telewizor
• napędy innych nośników danych (np: stacja dyskietek, streamer, ZIP itp. )
Urządzenia zewnętrzne
Liczba urządzeń zewnętrznych które mogą współpracować z komputerem jest bardzo
duża. Producenci sprzętu peryferyjnego oferują coraz nowe rozwiązania w dużej
liczbie typów sprawiając że współczesny użytkownik decydując się np. na zakup
monitora komputerowego do wyboru ma dziesiątki marek i setki modeli.
Wybrane urządzenia peryferyjne:
• monitory, CRT oraz LCD,
różne przekątne obrazu
• Projektory
multimedialne
• Klawiatury i myszy:
tradycyjne i multimedialne,
przewodowe i bezprzewodowe
• Głośniki komputerowe
• Skanery: ręczne i stacjonarne
Urządzenia zewnętrzne
Drukarki komputerowe, ze względu na kolor druku: kolorowe oraz czarno-białe.
Ze względu na technologię druku:
• atramentowe, powszechnie
stosowane, tani druk w kolorze
w porównaniu do drukarek
laserowych.
• igłowe (stosowane do druku
wielokopiowego np. faktury)
• Laserowe, zastosowanie biurowe. Niski koszt druku
czarnych kopii lecz drogi druk w kolorze. Szybkie i ciche
• Plotery, wielkoformatowe
drukarki laserowe lub
atramentowe, stosowane np. do
druku dokumentacji CAD
• drukarki termiczne, stosowane np. w kasach fiskalnych
• drukarki mozaikowe stosowanych w elektronicznych
maszynach do pisania.
Urządzenia zewnętrzne
• aparaty cyfrowe
• UPS – awaryjny akumulator
podtrzymujący napięcie
• słuchawki i mikrofony
• Kamery CCD - internetowe
• tablety graficzne – ułatwią
posługiwanie się
programami graficznymi także
systemami CAD
Oraz wiele innych urządzeń takich jak:
• zewnętrzne napędy nośników danych
• trackaball (odwrócona myszka)
• czytniki kodów kreskowych
• kasy fiskalne
• urządzenia z dziedziny automatyki itp..
Rodzaje komputerów
Ogólny podział komputerów:
• superkomputery stosowane w nauce
• duże komputery (ang. mainframe) stosowane np. w bankowości
• minikomputery (najczęściej jako serwery) stosowane do obsługi mniejszych
przedsiębiorstw, grup użytkowników, sieci komputerowych.
• mikrokomputery przeznaczone dla pojedynczego użytkownika (IBM, MacIntosh)
IBM ZSieries 990 – komputer
klasy „Mainframe”.
Superkomputery zajmują ogromne pomieszczenia,
posiadają dziesiątki a nawet setki procesorów.
HP 9000 – server do
zastosowań sieciowych
Rodzaje komputerów
Mikrokomputery, komputery osobiste:
Stacjonarne komputery
osobiste: desktop oraz tower
Laptop, Notebook - przenośny
komputer
UltraPC – lekkie stacjonarnoprzenośne komputery osobiste
Terminal roboczy – pełni
funkcję komunikatora
pomiędzy użytkownikiem a
dużym komputerem (lub
superkomputerem)
Palmtop – kompter
mieszczący się w dłoni,
pełni funkcję notesu
elektrocznego