ОСНОВИ ИНФОРМАЦИОНИХ ТЕХНОЛОГИЈА

ОСНОВИ ИНФОРМАЦИОНИХ ТЕХНОЛОГИЈА

Хардвер рачунарских система


Данас на предавањима :

Појам и основне компоненте хардвера

Принцип рада појединих компоненти хардвера у прихватању, обради, чувању и преносу информација

Технологије пројектовања и израде хардвера

ХАРДВЕР РАЧУНАРА

Хардвер:

Скуп свих електронских компоненти рачунара

Сви рачунари:

имају заједничку архитектуру (базирану на fon Nojmanovoj машини)

раде с информацијама на истом принципу (fon Nojmanovom)

разликују се међусобно по конфигурацији хардвера и по организацији инсталираног софтвера

ВРСТЕ РАЧУНАРА

Првобитна подела у зависности од конфигурације:

Микрорачунари (microcomputers)

Рачунари средњег нивоа (mainframes)

Суперрачунари (supercomputers)

РАЗЛИКЕ: У БРОЈУ И ЈАЧИНИ ПРОЦЕСОРА, КОЛИЧИНИ ОПЕРАТИВНЕ МЕМОРИЈЕ,

СИСТЕМУ И ВЕЛИЧИНИ ДИСКОВА...


Микрорачунари:

персонални рачунар (Desktop PC)

портабл рачунар (Note Book / Lap Top)

персонални дигитални уређај (Personal Digital Assistant PDA / Pocket PC)

.....


Рачунари средњег нивоа реализовани су као радне станице за:

CAD - Computer Aided Design

CAM - Computer Aided Manufacturing

CAE - Computer Aided Engineering

CIM - Computer Integrated Manufacturing…


Суперрачунари су пројектовани као изузетно моћни рачунарски системи развијани за потребе:

- научних институција,

- војних институција,

- метеоролошких институција...


Данас:

Микрорачунари

Рачунари средњег нивоа

Суперрачунари

ПО СВОЈИМ КАРАКТЕРИСТИКАМА

МИКРОРАЧУНАРИ СЕ ПРИБЛИЖАВАЈУ

РАЧУНАРИМА ВИШИХ КАТЕГОРИЈА

Рачунари


ОСНОВНЕ КОМПОНЕНТЕ ХАРДВЕРА И ПРИНЦИП РАДА С ИНФОРМАЦИЈАМА

ОСНОВНА КОНФИГУРАЦИЈА ЦЕНТРАЛНЕ ЈЕДИНИЦЕИ УЛАЗНО / ИЗЛАЗНЕ ЈЕДИНИЦЕ

Архитектура fon Nojmanovе машине:

Централна аритметичка јединица (CA - Central Arithmetical)- обавља основне аритметичке операције над подацима -

Централна управљачка јединица (CC - Central Control)- контролише извршавање операција по инструкцијама -

Унутрашња / примарна / оперативна меморија (M - Memory)- памти инструкције и податке током извршавања програма -

Спољашња / секундарна меморија (R - Recording)- памти трајно инструкције и податке -

Улазно / Излазна јединица ( I - Input / O – Output )

ОСНОВНИ ПРИНЦИП РАДА ЦЕНТРАЛНЕ ЈЕДИНИЦЕ И УЛАЗНО / ИЗЛАЗНЕ ЈЕДИНИЦЕ

Принцип рада fon Nojmanovе машине:

Рад с информацијама своди се на - рад са једним подацима по инструкцијама, за генерисање других података

CC помаже CA да ради са информацијама (CA + CC = С)

M привремено памти све информације

R снима ове информације

I преноси информације из околних компоненти у M и C

O преноси информације из C и M у околне компоненте

ОСНОВНА КОНФИГУРАЦИЈА ДАНАШЊИХ РАЧУНАРА

Основна конфигурација рачунара подразумева:

кућиште напајање процесор оперативну меморију диск графичку картицу оптички драјв мрежни адаптер тастатуру монитор

ПРОЦЕСОР

Централна процесорска јединица (CPU Central Processing Unit)

основни је део рачунара:

спакован у интегрисано коло

- микропроцесор чип -

обавља операције

над бинарним подацима

по бинарним инструкцијама програма

ПРОЦЕСОР

Микропроцесор садржи 4 основне јединице: Извршну јединицу (Execution Unit) са Аритметичко

логичком јединицом (Аrithmetic Logic Unit) Адресну јединицу (Address Unit) Управљачку (инструкцијску) јединицу (Instruction Unit) Улазно-излазну - јединицу магистрале (Bus Unit)

и везу с околином остварује преко магистрала: Адресне магистрале (Address Bus) Магистрале података (Data Bus) Контролне магистрале (Control Bus)

ПРОЦЕСОР

ПРОЦЕСОР

Улазно-излазна јединица (Bus Unit) омогућава улаз-излаз података и инструкција

Адресна јединица (Address Unit) омогућава приступ одређеним меоријским локацијама које се

користе за привремено чување података и инструкција

Управљачка јединицa (Instruction Unit) контролише довођење инструкција из улазно-излазне

јединице, декодира инструкције и шаље их извршној јединици

ПРОЦЕСОР

Извршна јединица (Execution Unit) садржи:

Аритметичко-логичку јединицу (ALU)

- за само извршавање операција

Регистре (REG) – за привремено

чување података с којима ради ALU

Микрокод (µCode) – основни ниво

инструкција за контролу рада

самог процесора

МАГИСТРАЛЕ РАЧУНАРА

Магистрала – скуп нормираних веза за размену информација(адреса, података и контрола) унутар рачунара

У рачунару су заступљене три основне врсте магистрала:

Адресна магистрала за адресе меморијских локација

Магистрала података за податке и инструкције

Контролна (управљачка) магистрала за команде читања и уписа (R / W)

МАГИСТРАЛЕ РАЧУНАРА

РАД ПРОЦЕСОРА С ИНФОРМАЦИЈАМА

Инструкције програма и подаци обавезно се учитавају из оперативне меморије у централну процесорску јединицу

Процесор помоћу управљачке јединице – тумачи инструкције

програма помоћу аритметичко-логичке јединице – обавља операције

над подацима и даје резултате

Резултати програма уписују се у оперативну меморију, а из ње на диск или директно на неки излазни уређај


Свака инструкција или податак у оперативној меморији има:

одређену адресу меморијске локације одређен садржај (помоћу одговарајућег броја бајтова)

Adresa Sadržaj lokacije


OPER LOC1 LOC2 DEST

Садржај меморијске локације може бити:

Бинарни податак било ког типа

Бинарнa инструкцијa програма може бити :

DATA

OPER – операција коју треба извршити

LOC1 – локација једног операнда у меморији

LOC2 – локација другог операнда у меморији

DEST – локација у меморији за резултат операције


Учитавање податка или инструкције из оперативне меморије у централну процесорску јединицу:

АДРЕСНА ЈЕДИНИЦА поставља на адресну магистралу адресу локације у меморији с податком или инструкцијом

УПРАВЉАЧКА ЈЕДИНИЦА поставља на контролну магистралу команду читања R (Read)

Преко магистрале података, податак или инструкција доспева У УЛАЗНО-ИЗЛАЗНУ ЈЕДИНИЦУ


Тумачење инструкције и обрада податка у централној процесорској јединици:

УПРАВЉАЧКА ЈЕДИНИЦА декодира инструкцију и шаље је АРИТМЕТИЧКО ЛОГИЧКОЈ ЈЕДИНИЦИ која је У ИЗВРШНОЈ ЈЕДИНИЦИ

а податак шаље У РЕГИСТРЕ ПРОЦЕСОРА, који су такође У ИЗВРШНОЈ ЈЕДИНИЦИ

АРИТМЕТИЧКО ЛОГИЧКА ЈЕДИНИЦА по инструкцији обавља задату операцију над податком и резултат уписује У РЕГИСТРЕ ПРОЦЕСОРА


Упис резултујућег податка из процесорске јединице у оперативну меморију:

АДРЕСНА ЈЕДИНИЦА поставља на адресну магистралу адресу локације у меморији спремне за резултат

УПРАВЉАЧКА ЈЕДИНИЦА поставља на контролну магистралу команду уписа W (Write)

Резултујући податак доспева У УЛАЗНО-ИЗЛАЗНУ ЈЕДИНИЦУ и преко магистрале података у меморију

МЕМОРИЈА

Меморија – неопходна компонента рачунара

Примарна (унутрашња) меморијакористи се при покретању рачунара

(Bios Setup меморија) чува податке и инструкције

током извршавања програма (оперативна меморија)...

Секундарна (спољна) меморија чува податке и инструкције и

по искључењу рачунара (hard disk,

flopy disk, CD ROM, flash disk...)

ПРИМАРНА МЕМОРИЈА

ROM (ReadOnlyMemory)

Приступ од процесора је веома брз и само за читање По искључењу напајања не губи свој садржај (јер има

батеријско напајање)

Користи се због тога углавном за битне системске програме


BIOS Flash EEPROM (Basic Input Output System Flash Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) Савремена веома брза варијанта ROM меморије По искључењу напајања не губи свој садржај

Користи се за смештање програма који се покреће по укључењу рачунара, за тест меморије и учитавање

оперативног система- МЕМОРИЈА СА СТАРТНИМ ПРОГРАМОМ -


RAM (RandomAccessMemory)

Меморија са директним приступом По искључењу напајања губи свој садржај

Користи се за привремено смештање инструкција и података системских и апликативних програма

- ОПЕРАТИВНА МЕМОРИЈА -


CACHE меморија (Cache Static Random Access Memory)

Брза меморија с директним приступом По искључењу напајања губи свој садржај

Уводи се између процесора и оперативне меморије да убрза рад с инструкцијама и подацима

СЕКУНДАРНА МЕМОРИЈА

Секундарна меморија: По искључењу напајања не губи свој садржај Капацитет - знатно већи него код примарне меморије Брзина - знатно мања него код примарне меморијe

Користи се за трајно чување података- СПОЉНА МЕМОРИЈА -

ПРИМАРНА И СЕКУНДАРНА МЕМОРИЈА

CPUрегистри

CPUрегистри

CacheCache

RAMRAM

Flash ROMFlash ROM

Секундарнамеморија

Секундарнамеморија

Већабрзина

Већикапацитет


ТЕХНОЛОГИЈЕ ПРОЈЕКТОВАЊА И ИЗРАДЕ ХАРДВЕРА

ТЕХНОЛОГИЈЕ ИЗРАДЕ ХАРДВЕРА

Основни елемент (ћелија) fon Nojmanovе

машине - и данашњег рачунара:

Транзистор- електрични елемент с два стања:

има струје / нема струје (1 / 0)

- бинарна ћелија која може дати један бит информације

- урађен од германијума,

силицијума или неког другог

полупроводничког материјала

(биполарни, JFET, MOSFET…)


Логичко коло – реализује се од транзистора


Помоћу логичких кола реализују се основне (I, ILI, NE) и изведене (NI, NILI, EXILI, EXNILI) логичке операције


Флип-флоп – реализује се од логичких кола

clock

Q

CLK

outputinputD input

clock

оutput

D flip-flop


Регистри – реализују се од низова флип-флопова (8, 16, 32...)

QD

d7

z7

QD

d6

z6

QD

d0

z0202627

.....

.....


МИКРОПРОЦЕСОР – реализује се од веома великог броја густо пакованих логичких кола


МАГИСТРАЛЕ - ПРЕ ISA магистрала

(Industry Standard Architecture) Intel 8088 – оригинална 8.-битна Intel 80286 – 16. – битна

MCA магистрала (Micro Channel Architecture) Intel 80386 – 32. – битна

EISA магистрала (Extended Industry Standard Architecture) Intel 80386 – 32. – битна


МАГИСТРАЛЕ - САДА РCI магистрала (Peripheral Component Interconnect bus)

од 1991. године

- Intel

- интегрисани склоп између

процесора и магистрале

- независност од процесора

РCI-e магистрала

- PCI магистрала с веома великом брзином рада


ROM (Read Only Memory)

PROM (Programmable ROM)

EPROM (Erasable PROM)

EEPROM (Electrically EPROM)

Flash EPROM

RAM (Random Access Memory)

SRAM(Static RAM)

DRAM (Dynamic RAM)

CMOS RAM (CMOS technology RAM)

NEW RAM (SDRAM, DDR SDRAM…)


ПРИМАРНЕ МЕМОРИЈЕ - ROM

ROM (Read Only Memory) најстарија категорија садржај се уписује у току производње једном уписан садржај је неизбрисив

PROM (Programmable ROM) садржај се уписује након производње једном уписан садржај је неизбрисив


ПРИМАРНЕ МЕМОРИЈЕ - ROM EPROM (Erasable PROM)

могуће је брисање као и репрограмирање ултра-љубичастим зрацима

EEPROM (Electrically EPROM) могуће је брисање као и репрограмирање електричним сигналима


ПРИМАРНЕ МЕМОРИЈЕ - ROM

FLASH Memory (Specific type of EEPROM)

Савремена веома брза варијанта EEPROМ-a

Једна примена - Bios Flash EEPROM

- за почетак рада рачунара -


ПРИМАРНЕ МЕМОРИЈЕ - RAM

SRAM (Static Random Access Memory) меморијски елементи - од флип-флопова нижи је степен интеграције, али боље време приступа користи се као CACHЕ (меморија која се уводи између

процесора и оперативне меморије да би убрзала рад с инструкцијама и подацима)

DRAM (Dynamic Random Access Memory) меморијски елементи – од кондензатора виши је степен интеграције али лошије време приступа користи се као – ОПЕРАТИВНА МЕМОРИЈА


ПРИМАРНЕ МЕМОРИЈЕ - RAM CMOS RAM

меморијски елемeнти од CMOS транзистора користи се за чување подешавања компоненти рачунара по искључењу напајања може чувати садржај помоћу

батерије на матичној плочи (за разлику од осталих RAM)

NEW RAM (Memory Module)SDRAM (Syncronous Dynamic Random Access Memory)DDR SDRАM (Double Data Rate Synchrounus DRAM)

на модулима: - SIMM (SingleIn-lineMemoryModule)

- или DIMM (DualIn-lineMemoryModule)


СЕКУНДАРНЕ МЕМОРИЈЕ

Врсте секундарне меморије (различите технологије):

Hard disk

Flopy disk

Flash disk

CD ROMHard disk


Једна технологија коришћена код секундарне меморије:

Упис и читање магнетног записа

Магнетни медиј је феритни материјал на диску) - довођењем струје магнетише се у једном (1)

или другом смеру (0)

По престанку довођења струје - медиј је и даље намагнетисан што значи меморисан податак


Друга технологија коришћена код секундарне меморије:

Оптички запис – ласерски сноп доводи се на медиј за упис и читање (од пластике и слоја алуминијума)

Запис сигнала добија се довођењем ласерског снопа удубљењe (0) или испупчењe (1) на медију и слањем рефлектованог снопа фотодиоди

CD ROM

CD ROM и DVD имају исту технологију записа, само се међусобно разликују по густини записа

ТЕХНОЛОГИЈЕ ПРОЈЕКТОВАЊЕ ХАРДВЕРА

Помоћу ОrCad (Oregon Computer Aided Design) програма

Коришћење програмског окружења

и његових алата


OrCad Capture (улаз - електрична шема)


OrCad Layout(излаз - шема за штампу)


Помоћу VHDL програмског језика (Very-high-speed integrated circuits Hardware Description Language )

Коришћење програмског окружења

и његових алата


VHDL code(улаз – програм)

Пример:

Пројектовање бројача улази

reset: 0enable: 1clk ↑

излазиcount: 0..255cout = count


VHDL output (излаз – електрична шема, а од ње шема за штампу)


Технологоји пројектовања и израде хардвера

имаjу огроман утицај на досадашњи развој рачунарских система


Хардвер рачунарских система

http://www.youtube.com/watch?v=LrXeDF4Qqz4

Висока школа електротехнике и рачунарства у Београду

Documents

ОСНОВИ ИНФОРМАЦИОНИХ ТЕХНОЛОГИЈА