Architektura komputerów

Przechowywanie danych

Bity

• Bit = Binary Digit

• ... czyli inaczej cyfra dwójkowa

• Za pomocą pojedynczego bitu można kodować jeden z dwóch stanów

• Można też wykonywać na nich operacje

Operacje na bitach

• NOT (negacja) „nie”

• AND (koniunkcja) „i”

• OR (alternatywa) „lub”

• XOR (alternatywa wyłączająca) „albo-albo”

• Za pomocą składania tych operacji budujemy skomplikowane warunki logiczne.

Bramka NOTBramka NOT

x NOT x

0 1

1 0

Bramka AND

x1 x2 x1 AND x2

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Bramka OR

x1 x2 x1 OR x2

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Bramka XOR

x1 x2 x1 XOR x2

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście1

0

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście1

0

1

1

1

1

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście0

0

1

1

1

1

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście0

1

0

1

0

0

Przerzutnik•

Wejście

Wejście

AND

OR

NOT

Wyjście0

0

1

1

0

0

Pamięci komputerowe

• Stosuje się pojedyncze kondensatory połączone w prostokątną sieć.

• Raz naładowany kondensator przechowuje ładunek (bit 1) aż do rozładowania (bit 0). Rozładowuje się zwierając elektrycznie okładki.

• Na jednej kości (czipie) można umieścić miliony kondensatorów

Ulotność pamięci

• Dane przechowywane przez przerzutniki są natychmiast tracone po wyłączeniu zasilania

• Dane przechowywane w technologii kondensatorowej są wrażliwe na zanik napięcia i trzeba je co jakiś czas odświeżać – stąd pojęcie pamięci dynamicznej

Dyski magnetyczne

• Bity równooddalone od środka tworzą na jednym talerzu ścieżkę.

• Dane na jednej ścieżce dzieli się na sektory. Każda ścieżka ma tyle samo sektorów.

• Układ równooddalonych od środka ścieżek tworzy cylinder (na kilku talerzach).

• Liczba ścieżek na dysku i sektorów na ścieżce zależy od formatowania (inicjowania).

Parametry techniczne dysku

• czas wyszukiwania (przemieszczanie głowic)

• opóźnienie obrotowe (połowa czasu pełnego obrotu)

• czas dostępu (suma ww)

• szybkość przesyłania (czas transmisji danych z dysku i do niego)

System szesnastkowy

• Często, aby skrócić zapis dwójkowy, grupuje się bity po 4 i interpretuje za pomocą cyfr szesnastkowych.

• Bajt = 8 bitów = 2 cyfry szesnastkowe• Przykłady:

– 00010001 = 91 (=9*16+1)– 11111111 = FF (=16*16+15)– 00000000 = 00 (=0*16+0)– 00001000 = 08 (=0*16+8)

System szesnastkowyCiąg bitów Reprezentacja szesnastkowa

0000 0

0001 1

0010 2

0011 3

0100 4

0101 5

0110 6

0111 7

1000 8

1001 9

1010 A

1011 B

1100 C

1101 D

1110 E

1111 F

Reprezentacja dziesiętna

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Pamięć operacyjna

• Podstawowa pamięć komputera

• Dzieli się na słowa 8-bitowe bajty, 16-bitowe słowa.

• 1kB = 1.024 bajty

• 1MB = 1.048.576 bajtów

• 1Gb = 1.073.741.824 bajty

• Każda komórka pamięci ma swój jednoznaczny adres

Pamięć RAM

• RAM = Random Access Memory, czyli pamięć o dostępie bezpośrednim lub swobodnym (a nie losowym!). Jest uporządkowana, ale dostęp do każdej komórki jest tak samo łatwy.

• Bity w pojedynczej komórce też są oczywiście uporządkowane od najbardziej znaczącego (po lewej stronie) do najmniej znaczącego (po prawej)

Pamięć masowa

• … inaczej zwana zewnętrzną.

• Realizowana w technologii trwałej (dyski magnetyczne, płyty CD, taśmy,...)

• Dostęp do niej wymaga prawie zawsze pewnych mechanicznych działań. Wydłuża to czas dostępu (jest ok. 1.000.000-krotnie wolniejszy, niż do pamięci operacyjnej).

Płyty kompaktowe

• Format CD-ROM (Compact Disc Read-Only-Memory) różni się od CD-DA (Compact Disc Digital-Audio).

• W odróżnieniu od twardych dysków dane zapisywane są spiralnie od środka płyty ku brzegowi.

• Dane są zapisywane z jednorodną gęstością, więc płyta musi zwalniać w miarę zbliżania się promienia lasera do brzegu.

• Są dobre głównie dla danych sekwencyjnych. Przy dostępnie swobodnym szybsze są twarde dyski.

Strimery

• ... czyli streamery• pamięci taśmowe, formatowane podobnie jak

dyski na segmenty. Każdy z segmentów zawiera kilka równolegle biegnących ścieżek. Dostęp do ścieżek jest niezależny.

• Powolne• Mają dużą pojemność• Służą do archiwizacji danych• Tanie

Pliki

• Jednostki przechowywania informacji w pamięci masowej

• Dzielą się na tekstowe, binarne oraz pliki o dostępie bezpośrednim (rekordowe)

• Pliki o dostępie bezpośrednim są podzielone rekordy logiczne (nie mylić z rekordami fizycznymi odpowiadającymi charakterystyce urządzenia zapisującego).

• Dostęp do plików realizuje się poprzez bufory, które są specjalnymi obszarami pamięci wewnętrznej ułatwiającymi transmisję danych.

Reprezentacja tekstów

• ASCII (American Standard Code for Information Interchange) wprowadzony został przez Amerykański Narodowy Instytut Normalizacji (ANSI).

• Podstawę stanowią kody o numerach od 32 do 127.

• Kody od 0 do 31 – kody sterujące, mogą mieć specjalne znaczenie dla systemów operacyjnych, protokołów sieciowych itp.

• Kody od 128 do 255 – lokalne strony kodowe używane przez konkretne zastosowania, np. związane z jakimiś znakami diakrytycznymi.

Inne kody

• UNICODE (unikod) – kod 16-bitowy umożliwia kodowanie 65536 symboli

• ISO – kod 24-bitowy pozwala na reprezentowanie ponad 17 milionów symboli

Reprezentacja obrazów

• Mapa bitowa – opisujemy piksel po pikslu cały obraz. Zazwyczaj na każdy piksel zużywamy 3 bajty odpowiadające stopniu jasności trzech składowych koloru: czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB). Stosuje się też metody kompresji do formatów GIF i JPEG.

• Reprezentacja wektorowa – opisujemy obiekty znajdujące się na obrazie, a komputer przelicza, które piksle zapalić w jaki sposób.

Reprezentacja wektorowa - zastosowania

• Czcionki – opisujemy nie piksle, składające się na czcionkę, a sposób jej rysowania.

• Gry komputerowe – nie przedstawiamy piksel po pikslu tego co mamy pokazać, tylko opisujemy obiekty, które znajdują się na scenie wydarzeń, a komputer je odtwarza z odpowiedniego kąta.

• CAD – projektowanie wspomagane komputerowo.

Kompresja danych

• Kodowanie grupowe – zliczamy powtarzające się sekwencje.

• Kodowanie względne – podajemy zmiany w stosunku do poprzedniego bloku (np. klatka filmowa)

• Kodowanie częstościowe – częstsze symbole mają krótsze kody (np. kody Huffmana)

• Kodowanie Lempela-Ziva (zip,rar,...) ze słownikiem adaptacyjnym. Do każdego ciągu danych dostosowuje oryginalny sposób kompresji wykorzystujący zauważone powtórzenia.

Kompresja obrazów

• GIF (Graphics Interchange Format). Trzybajtowe opisy piksli zamienia się na jednobajtowy z palety 256 kolorów. Używany powszechnie w grach komputerowych.

• JPEG (Joint Photographics Experts Group) – szczególnie. Popularny dla zdjęć kolorowych. Zapisuje się różnice między kolejnymi pikslami, które to różnice zazwyczaj nie są duże. Operuje się też jasnością, na którą nasze oko jest bardziej wrażliwe niż na samą zmianę barwy.

• MPEG – techniki stosowane w JPEG do kodowania filmów.

Transmisja danych

• Związana jest zawsze z niebezpieczeństwem przekłamania

• Bity parzystości – dodatkowy redundantny bit służący do wykrycia błędu, gdy tylko jeden bit gdzieś jest przekłamany.

• Bajty kontrolne – kontrolują parzystość bloków bitów.

Kody samokorygujące

• Za pomocą dodatkowej liczby bitów (zazwyczaj log n dla n-bitowych kodów) można uzyskać samonaprawianie się przekłamania pojedynczego bitu.

• Takie systemy stosowane są w urządzeniach zewnętrznych typu CD i zazwyczaj nie zdajemy sobie sprawy z tego, jak często działają.