Budowa i działanie Budowa i działanie komputerakomputera

Dr inż. Dariusz Skibicki

II

1. Co to jest komputerKOMPUTER - elektroniczna maszyna licząca [z ang. compute – obliczać], urządzenie elektroniczne służące do automatycznego przetwarzania informacji (danych), przedstawionych cyfrowo (tzn. za pomocą odpowiednio zakodowanych liczb).

Zestaw komputerowy

Jednostka centralna

Klawiatura, myszka

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 - komputeraW 1822 Charles Babbage'a zbudował

maszynę różnicową (nazwaną tak, gdyż wykonywała obliczenia metodą

różnicową).

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.

Charles Babbage'a (1791 – 1871)

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 - komputeraW 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 1943 Alan Turing wraz z zespołem buduje jednej z pierwszych

programowanych komputerów lampowych (1800 lamp) - Collosus

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)

2.3. Historia maszyn liczących - komputera1943 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.

1946 do 1952 John William Mauchly i John Presper Eckert Junior zbudowali Automatyczny komputer z dyskretnymi zmiennymi

EDVAC – pierwszy komputer przechowujący program

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

2.4. Historia maszyn liczących - komputera

W 1958 Jack Kilby wytworzył kilka elementów elektronicznych na pojedynczym kawału

półprzewodnika. Był to pierwszy układ scalony.

W 1950 Shockley wynalazł nowy element półprzewodnikowy, zwany tranzystorem o złączu bipolarnym. Tranzystory miały wyprzeć lampy które stosowano do budowy komputerów.

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 610Do 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

Generacje komputerów: Pierwsza generacja – komputery lampowe Druga generacja – komputery tranzystorowe Trzecia generacja – komputery zbudowane z ukł. scalonych Czwarta generacja – komputery w technologii VLSI

W 1976 Steve Woźniak i Steve Jobs stworzyli komputer Apple 1

1981 – Pierwszy komputer IBM PC

W 1977 powstał mikrokomputer Commodore PET

Współczesna stacja robocza

3.1. Budowa komputera – schemat ogólnyWg uproszczonego schematu komputer dwa główne, współpracujące urządzenia: procesor i pamięć.

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.

Pamięć operacyjna

Procesor

- Klawiatura- Mysz- Skaner- Aparat i kamera cyfrowa- Modem- Karta sieciowa

- Monitor- Drukarka- Ploter- Głośnik- Modem- Karta sieciowa

Jednostka centralnaUrządzenia wejściowe Urządzenia wyjściowe

Ogólny schemat budowy komputera

3.2. Budowa komputera – jednostka centralna

Zabudowany w sankach napęd CD, podobnie montowane są napędy CD-RW, DVD, ZIP, FDD itp.

Zasilacz

Zabudowany w sankach Napęd HDD

Obudowa komputera

typu TOWER

Proces wraz z chłodzeniem

Pamięć RAM

Karta grafiki Sloty umożliwiające podłączenie innych urządzeń wewnętrznych

Płyta główna komputera

Gniazda wtykowe do podłączenia

urządzeń zewnętrznych

3.3.Architektura komputera z magistralą PCI i AGP

Procesor

Sterowniki układów pamięci (chipset):

interfejs magistrali PCI,

Interfejs magistraliAGP

(IRQ, DMA)

Pamięć podręczna (CACHE)

Pamięć RAM

Magistrala lokalna PCI

Kartadźwiękowa

Kartatelewizyjna

Kartasieciowa

Kontroler dysków

InterfejsMagistrali

zewnętrznej

MagistralaISA, EISA Lub MCA

StandardoweUrządzenia wejścia

i wyjścia

Interfejs magistrali

SCSI

Mag

istr

ala

SC

SI Urządzenia

SCSI

Mag

istr

ala

AG

PKartagraficzna

Monitor

Pamięćlokalna

Płyta główna

3.4. BIOSBIOS, 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

Budowa procesora

Układy sterujące

Arytmometr

Rejestry

PROCESOR stanowi główny element komputera, jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji.

• 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

SygnałyKontrolne

i sterujące

BU

Prefetch

IU(Dekoder) ROM

AU

MMU

CU

ALU FPU

EU

Adres

Dane

Dane

Kod programu

BU – blok komunikacyjnyPrefetch – sortowanie i kolejkowanie koduIU – dekodowanie ciągu poleceńEU – układ wykonawczyALU – moduł obróbki liczb stałoprzecinkowych

CU – blok sterowania przetwarzania modułu ALUFPU – moduł obróbki liczb zmiennoprzecinkowychAU – jednostka adresowaniaMMU – 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.

Kontroler Cache

Pamięć Cache

Pamięć

CPU

Pamięć podręczna wspomaga pamięć główną

3.8. Kanały DMADMA (ang. Direct Memory Access) oznacza bezpośredni dostęp do pamięci komputera dla urządzeń peryferyjnych (np. karta dźwiękowa, dysk itp.)

Układy we-wy Procesor Pamięć

Kontroler DMAIdea 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 Przeznaczony do zastosowań wewnętrznych, wykorzystywany tylko w sytuacjach awaryjnych.DMA 1 Wolny, najczęściej rezerwowany przez karty dźwiękowe.DMA 2 Obsługuje napędy dyskietek, niedostępny dla użytkownikaDMA 3 WolnyDMA 4 Przeznaczony do zastosowań wewnętrznych, niedostępny dla użytkownikaDMA 5 Wolny, najczęściej rezerwowany przez karty dźwiękowe.DMA 6 WolnyDMA 7 Wolny

3.9. Kanały IRQIRQ, 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 przerwańIRQ Urządzenie

0 Zegar systemowy

1 Klawiatura

2 Wyjście kaskadowe dla układu SLAVE

3 COM2

4 COM1

5 LPT2

6 Kontroler napędu dysków elastycznych

7 LPT1

IRQ Urządzenie

8 Zegar czasu rzeczywistego

9 Wywołanie przerwania IRQ2

10 Zarezerwowane

11 Zarezerwowane

12 Zarezerwowane

13 Koprocesor arytmetyczny

14 Kontroler dysku twardego

15 zarezerwowane

4.1. Elementy komputera – płyta głównaPłyta 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 procesoragniazda magistraliPCI, 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

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.

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

Najpopularniejsze procesory: Cyrix, AMD, INTEL

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

4.3. Elementy komputera – pamięć

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).

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

4.4. Elementy komputera – karta graficzna

Złącze umożliwiające osadzenie karty na płycie głównej

Gniazdo podłączenia monitora

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

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

Złącze umożliwiające osadzenie karty na płycie głównej

Gniazda wejścia i wyjścia sygnałów dźwiękowych

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).

Główne zadanie karty dźwiekowej to przetwarzanie sygnałów cyfrowych na analogowe (przy odtwarzaniu dźwięków) lub odwrotnie (przy nagrywaniu dźwięków)

Karty dźwiękowe budowane są na następujące magistrale: ISA, PCI

4.6. Elementy komputera – karta sieciowa

Złącze umożliwiające osadzenie karty na płycie głównejGniazdo kabla sieciowego

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

Najnowsze karty sieciowe obsługują już nie tylko sieci kablowe ale także sieci radiowe.

Antena transmisyjna

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.

Wnętrze dysku twardego

Płyty – nośnik danych

Głowice magnetyczne

Dysk twardy

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.

Obecnie produkuje się dyski o pojemnościach Od kilkuset megabajtów do kilkuset gigabajtów

4.8. Elementy komputera – 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

Napęd CD-ROM

Nośnik CD-RW

CD-ROM, dysk CD, Compact Disk Read-Only Memory, popularny dysk kompaktowy zastosowany w komputerze jako pamięć tylko odczytywalna. Dane na dysku CD-ROM 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.

4.9. Elementy komputera – napęd DVD

DVD-R – najnowsze napędy obsługujące płyty DVD umożliwiają ich nagrywanie

Napęd DVD przypominabudową CD-ROM

Nośnik DVD-R umożliwiający zapis

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.

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.

Sposób zapisu danych na płycie DVD

4.10. Elementy komputera – inne urządzeniaWe 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 zewnętrzneLiczba 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

• Klawiatury i myszy: tradycyjne i multimedialne, przewodowe i bezprzewodowe

• Skanery: ręczne i stacjonarne• Głośniki komputerowe• Projektory multimedialne

5.2. Urządzenia zewnętrzneDrukarki komputerowe, ze względu na kolor druku: kolorowe oraz czarno-białe.Ze względu na technologię druku:

• igłowe (stosowane do druku wielokopiowego np. faktury)

• drukarki termiczne, stosowane np. w kasach fiskalnych• drukarki mozaikowe stosowanych w elektronicznych maszynach do pisania.

• Plotery, wielkoformatowe drukarki laserowe lub atramentowe, stosowane np. do druku dokumentacji CAD

• atramentowe, powszechnie stosowane, tani druk w kolorzew porównaniu do drukarek laserowych.

• Laserowe, zastosowanie biurowe. Niski koszt druku czarnych kopii lecz drogi druk w kolorze. Szybkie i ciche

5.3. Urządzenia zewnętrzne

• aparaty cyfrowe

Oraz wiele innych urządzeń takich jak:• zewnętrzne napędy nośników danych• trackaball (odwrócona myszka)• czytniki kodów kreskowych• kasy fiskalne• urządzenia z dziedziny automatyki itp..

• UPS – awaryjny akumulatorpodtrzymujący napięcie

• słuchawki i mikrofony

• tablety graficzne – ułatwią posługiwanie się programami graficznymi także systemami CAD

• Kamery CCD - internetowe

6.1. Rodzaje komputerówOgólny 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)

Superkomputery zajmują ogromne pomieszczenia, posiadają dziesiątki a nawet setki procesorów.

IBM ZSieries 990 – komputer klasy „Mainframe”.

HP 9000 – server do zastosowań sieciowych

6.2. Rodzaje komputerówMikrokomputery, komputery osobiste:

Stacjonarne komputery osobiste: desktop oraz tower

Laptop, Notebook - przenośny komputer

UltraPC – lekkie stacjonarno-przenośne komputery osobiste

Palmtop – kompter mieszczący się w dłoni, pełni funkcję notesu elektrocznego

Terminal roboczy – pełni funkcję komunikatora pomiędzy użytkownikiem a dużym komputerem (lub superkomputerem)

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.