Budowa i działanie komputera Dr inż. Dariusz Skibicki
advertisement
I Budowa i działanie komputera Dr inż. Dariusz Skibicki 1. 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. 2.1. 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 2.2. 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 2.2. 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 2.3. 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 2.4. 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 2.5. 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 3.1. 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. 3.2. 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 3.3.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 3.4. 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 3.5. 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 3.6. 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 3.7. 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 3.8. 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 3.9. 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 4.1. 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 4.2. 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. 4.3. 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). 4.4. 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). 4.5. 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) 4.6. 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. 4.7. 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. 4.8. 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 4.9. 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 4.10. 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. ) 5.1. 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 5.2. 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. 5.3. 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.. 6.1. 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 6.2. 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 7. Pytania Przykładowe pytania egzaminacyjne: • Babbage'a Turing Neumann - wyjaśnij znaczenie tych postaci w historii maszyn liczących. • Schemat płyty głównej. • Wyjaśnij termin - przerwania komputerowe. • Wyjaśnij skrót DMA. • Opisz zastosowanie, zalety i wady portów USB, szeregowych i równoległych.
