Sprzęt komputerowy

Jacek Bartman Architektura komputerów i systemy operacyjne

Jacek Bartman Architektura komputerów

ARCHITEKTURA KOMPUTERA

ARCHITEKTURA KOMPUTERA jest zdefiniowana przez atrybuty komputera widoczne dla programisty piszącego program w języku maszynowym. Definicja ta obejmuje listę instrukcji, format instrukcji, kody operacji, tryby adresowania oraz wszystkie rejestry i lokacje pamięci, które mogą być bezpośrednio modyfikowane przez program napisany w języku maszynowym.

IMPLEMENTACJA SPRZĘTOWA jest zdefiniowana przez rzeczywistą strukturę sprzętu, organizację układów logicznych i organizację dróg przepływu danych.

Jacek Bartman Architektura komputerów

Architektura Komputera

Jacek Bartman Architektura komputerów

Architektura klasycznego komputera wg. Von Neumana

Elementy funkcjonalne komputera: procesor pamięć operacyjna urządzenia wejścia/wyjścia

Architektura klasycznego komputera (wg von Neumana) opiera się na założeniach: program wykonywany przez procesor wraz z danymi jest umieszczony

w pamięci; kolejność wykonywanych rozkazów zależy od ich umieszczenia w programie (w

kolejnych komórkach pamięci), a zmiana tej zasady może być wykonana tylko: przez program (rozkaz skoku); przez system operacyjny np. wykrycie błędu; przez operatora np. reset

procesor odczytuje kolejne rozkazy z pamięci wysyłając odpowiednie adresy.

Działanie komputera opiera się na: dostępie użytkownika tylko do urządzeń zewnętrznych, wprowadzaniu do komputera programów i danych, wywołaniu programu przez użytkownika, wykonaniu programu oraz wyświetleniu lub wydrukowaniu wyników.

Jacek Bartman Architektura komputerów

Model magistrali trójszynowej

Magistrala adresowa

Magistrala danych

Magistrala sterowania

...

URZ. ZEWN.

PROCESOR PAMIĘC UKŁADY WE/WY

ZEGAR

UŻYTKOWNIK

DANE PROGRAMY WYNIKI

MONITORY, DRUKARKI, CZYTNIKI,...

Centralna jednostka przetwarzająca (CPU)

Liczba linii wyznacza możliwości adresowania np. liczba linii 20 to można zaadresować 220 komórek

Liczba linii określa długość słowa procesora (8, 16, 32, .... (+bit detekcji i korekcji błędów)

Kilkanaście (kilkadziesiąt) linii

Uniwersalny układ przetwarzający informację i sterujący pracą pozostałych elementów systemu

Jacek Bartman

Budowa komputera, urzadzenia zewnętrzne

1.Podział komputerów ze względu na moc obliczeniową

2.Rodzaje i przykłady komputerów

3.Jednostka centralna

4.Urządzenia wejściowe

5.Urządzenia wyjściowe

Jacek Bartman Architektura komputerów

Komputer – pragramowalna maszyna cyfrowa

Wszelkie procesy zamierzonego przetwarzania informacji przebiegają według ustalonego algorytmu

DANE POCZĄTKOWE

WYNIKI KOŃCOWE

PROCES PRZETWARZANIA

ALGORYTM

Przetwarzanie informacji cyfrowej można zrealizować w oparciu o:

specjalizowany układ cyfrowy:

system mikroprocesorowy (maszyna cyfrowa):

SPECJALIZOWANY UKŁAD CYFROWY

MASZYNA CYFROWA

WYNIKI

PROGRAM

DANE

DANE

WYNIKI

Jacek Bartman Architektura komputerów

Architektura maszyny cyfrowej

PAMIĘĆ ZEWNĘTRZNA

UKŁADY WY URZĄDZENIA

ZEWNĘTRZNE

PAMIĘĆ OPERACYJNA

BLOK PRZETWA-

RZANIA

STEROWANIE

UKŁADY WE URZĄDZENIA

ZEWNĘTRZNE

MASZYNA CYFROWA

PROCESOR

JEDNOSTKA CENTRALNA

WYN

IKI

PRO

GR

AM

DAN

E

Jacek Bartman Architektura komputerów

Podział komputerów

Komputery wg. mocy obliczeniowej

superkomputery

mainframe

minikomputery

mikrokomputery

Komputery w/g przeznaczenia

Sterujące Przemysłowe Sterowniki

Obliczeniowe Osobiste Servery

–Serwery plików –Stacje robocze /Main Frame

CAD/Graficzne Komputery:

Pojedynczego użytkownika

Jednowątkowe/ jednoprocesowe

Wielowątkowe/ przełączanie zadań

Wielozadaniowe

Wielu użytkowników

Komputery

Jednoprocesorowe

Wieloprocesorowe

Jacek Bartman Architektura komputerów

Ewolucja jednostek komputerowych

lata

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Mikrokomputery

Minikomputery

Mainframe Maksikomputery

Superkomputery

Koszty sprzętu spadają przy jednoczesnym wzroście wydajności

Koszty zakupu i tworzenia oprogramowania rosną

Koszty przetworzenia jednostki informacji w większych i wydajniejszych komputerach są mniejsze niż w jednostkach mniejszych

Jacek Bartman

Podział komputerów ze względu na moc obliczeniową

superkomputery:

wieloprocesorowe systemy obliczeniowe realizujące zadania nadzoru ważnych procesów fizycznych, badawczych (większość dużych ośrodków naukowych posiada wydzielone centra obliczeniowe obsługiwane przez takie właśnie maszyny) i przemysłowych. Ich moc obliczeniowa wielokrotnie przewyższa moc obliczeniową pojedynczego komputera osobistego. Ich cena sprawia, że często są wyłącznie własnością instytucji rządowych lub naukowych.

minikomputery:

zwykle są to komputery do specjalizowanych zadań obliczeniowych. Nieznacznie przewyższają swoją mocą obliczeniową komputery osobiste. Przykładem mogą być stacje graficzne do obsługi programów graficznych (zwane również stacjami roboczymi), serwery lokalnych sieci komputerowych itp.

mikrokomputery:

najmniejsze pod względem rozmiaru i mocy obliczeniowej komputery będące głównym narzędziem obliczeniowym przeciętnego użytkownika. Ze względu na swą cenę i możliwość łatwych modernizacji są najpopularniejszymi narzędziami obliczeniowymi.

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(1) - Komputery sterujące

mikroprocesory wbudowane w różne urządzenia, np. samochody, pralki, windy, itp.

mikroprocesory w odzieży, np. inteligentne ubranie, buty, opony samochodowe itp.

Cyborgizacja - elektroniczne dodatki w ciele człowieka, układy monitorujące pracę organizmu, rozruszniki serca ...

implanty słuchu, wzroku, czuciowe.

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(2) - Komputerki kieszonkowe

Komputerki naręczne, w zegarkach

Notesy menedżerskie

P/PC, Palmtopy, komputerki trzymane w dłoni

H/PC, Handheld PC, komputerki trzymane w ręce

PDA - Personal Digital Assistants, osobisty asystent cyfrowy

Tablet PC - przenośna tabliczka

Zintegrowane urządzenia komputerowo-komunikacyjne

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(5) - Komputery domowe

Komputery domowe: niewielki rynek, zanikają. 48-128 kB RAM, taśma lub dyskietka, brak standardów programowania (czasami CP/M).

Przykłady popularnych komputerów domowych Commodore (C64), rozszerzenia CMD

Amstrad i Schneider CPC

Atari, XL 600 i XL 800

ZX Spectrum i inne produkty Sinclaira - od 2000 roku do składnia.

Komputery standardu MSX - nie rozpowszechniły się.

Zastąpiły je komputery do gier, zwane konsolami: Sony PlayStation II, MS X-box. Super grafika i dźwięk, zero obsługi, wystarczy TV chociaż dobry monitor daje lepsze rezultaty

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(6) -Komputery osobiste

IBM PC: powstały w 1981 roku Architektura otwarta,

płyta systemowa, zawierająca mikroprocesor, pamięć, układy wspomagające (ostatnio często zintegrowany kontroler dysków, kartę graficzną, dźwiękową, czasami kartę sieciową)

Komputery na procesorach Intela, zwykle z systemem Windows

BIOS - podstawowy system wejścia/wyjścia, definiuje urządzenia znajdujące się w komputerze, czasami zawiera dodatki, np. programy antywirusowe.

Komputery firmy Apple Apple Macintosh od 1984, bardzo udany.

Wady: wysokie ceny, brak możliwości rozbudowy,

Apple iMac – udany model, zaawansowany technologicznie, MacOS - system operacyjny (Windows jest na jego wzór)

Komputery Atari Popularne wśród muzyków.

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(7) -Komputery przenośne

Portable computers - pierwsze komputery przenośne, ciężkie,

Laptop - kiepskie ekrany, dość ciężkie.

Notebooki Notebook - notes formatu A4, waga 2-5 kg

Zasilane z akumulatorów – konieczne oszczędzanie energii (odpowiednio przystosowane urządzenia)

Nietypowe notebooki: Ultralekkie

Notebooki projekcyjne

Mikro-notebooki

Subnotebooki

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(8) - Stacje robocze workstations

Stacje robocze - workstations: duża moc obliczeniowa, system wielodostępny, wbudowane możliwości komunikacji

Najważniejsze firmy: DEC, Hewlett-Packard, IBM R6000, Silicon Graphics, Sun,

Klony: Sun: Axil, Fujitsu, Rave Computer, Ross Technology Inc, Tatung

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(9) - Mainframes - komputery centralne

duże systemy, wiele urządzeń zewnętrznych, stosowane w większych firmach. IBM Serii 360, 370, 390, ES-9000,starsze 43xx, Siemens-Nixdorf RM i BS;

Komputery wieloprocesorowe, czyli systemy skalowalne, ich wydajność rośnie prawie liniowo w miarę dostawiania liczby procesorów:

architektura SMP - symetryczna wieloprocesorowa, wspólna pamięć, do 1000 procesorów, zwykle <64.

Przykłady SMP: IBM SP2, IBM RS/6000 SP; AT&T GIS 3500,

architektura MMP - niezależna wieloprocesorowa, oddzielna pamięć dla każdego procesora, nawet ponad 1000 procesorów.

Przykłady MPP: AT&T, rodzina Teradata; Cray T3D, Fujitsu VPP500,

Intel Red - 10.000 procesorów, > 3 Tflop

Komputer Optimusa – 256 procesorów Itanium 2. Ok. 1Tflop

Jacek Bartman

Rodzaje i przykłady komputerów(10) - Superkomputery

bardzo duża moc obliczeniowa,

1999: IBM "Blue Pacific", ponad 8000 procesorów, > 4 TFlops, 2.6 TB RAM, 75 TB dyski, 50 ton, pobór mocy tylko 4 KW.

2005: IBM Blue Gene, 1 milion procesorów, prędkość ok. Petaflopa, czyli 1015 operacji/sekundę!

2011: Fujitsu K komputer, zainstalowany w Riken w Japonii (10,51 PFLOPS)

Nasze największe centra superkomputerowe:

Zeus[33] z ACK Cyfronet na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. 129 TFLOPS

Galera Plus w TASK w Gdańsku, o wydajności 65 TFLOPS.

Boreas w ICM w Warszawie, o wydajności 64 TFLOPS.

Klaster obliczeniowy w PCSS w Poznaniu, o wydajności 63 TFLOPS.

Farma serwerów Grupy Allegro, o wydajności 59 TFLOPS.

Supernova w WCSS we Wrocławiu, o wydajności 57 TFLOPS.

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(1)

KOMPUTER = JEDNOSTKA CENTRALNA + URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE (PERYFERYJNE)

Wyróżniamy następujące grupy urządzeń peryferyjnych (zewnętrznych):

• urządzenia wejściowe (np. klawiatura, mysz, skaner),

• urządzenia wyjściowe (np. monitor ekranowy, drukarka, ploter, głośnik),

• urządzenia wejściowo - wyjściowe (np. modem, karta sieciowa)

Budowa komputera PC(1)

Jacek Bartman Architektura komputerów i systemy operacyjne

JEDNOSTKA CENTRALNA = PAMIĘĆ OPERACYJNA + PROCESOR + EL. POMOCNICZE

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(2)

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(1) – jednostka centralna

Obudowa – stanowi podstawową (choć nie niezbędną) część komputera,

– typy określające rozmieszczenie otworów na złącza: Baby AT, ATX,

– typy określające wielkość lub sposób ustawienia: mini, midi, big-tower, desktop.

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(1) – jednostka centralna

Płyta główna

– posiada wbudowanych wiele składników niezbędnych do pracy komputera, jak: kontroler klawiatury, kontroler HD i FFD, porty komunikacyjne i inne.

– jej typ musi być zgodny z typem obudowy (AT, ATX)

– jej głównym elementem jest chipset (producenci: Intel, VIA, SiS)

– umożliwia integrację i działanie wszystkich składników komputera, takich jak:

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(1) – jednostka centralna - płyta główna

Mikroprocesor CPU: Centralna Jednostka Przetwarzająca (Central Processing Unit).

Zegar: wytwarza prostokątne impulsy synchronizując działanie układów logicznych i pamięci, podstawowym parametrmem jest częstotliwość

Pamięci: • stała ROM, • zapisywalna RAM, • cache L1 , L2, L3

Magistrale (szyny): przysyłanie danych do urządzeń zamontowanych wewnątrz komputera, dysków i kart rozszerzeń

• Szyna adresowa: wysyła informację z CPU do pamięci pozwalając odszukać adres komórki pamięci.

• Szyna danych: przesyła dane, znajdujące się w pamięci pod wskazanym adresem do/z CPU.

• Szyna sterująca Układy I/O (Input/Output), wejścia/wyjścia: komunikacja procesora ze światem

zewnętrznym. • port szeregowy, • port równoległy, • port USB,

Kanały bezpośredniego dostępu (DMA): omijanie mikroprocesora przy transmisji danych z urządzeń zewnętrznych.

Jacek Bartman

Budowa komputera PC(1) – jednostka centralna

Dysk twardy służy do przechowywania danych i programów posiada b duże pojemności 500 GB, 1TB musi być dostosowany do sterownika (SCSI, IDE/ATA, SATA),

Stacje dyskietek umożliwia nagrywanie danych na dyskietki standardem są dyskietki o rozmiarze 3,5 cala i pojemności 1,44 MB

Napęd dysków optycznych (CD, DVD, Combo) służy do czytania (zapisu – nie zawsze) płyt CD, DVD, BlueRay, pojemności 700 MB (CD), do 17GB (DVD), do 400GB (BR)

Karty rozszerzeń Montowane w gnizada rozszerzeń na płycie głównej (PCI, PCI-E, AGP) Najczęściej są to urzadznia do wspomagające urządzenia wej/wyj np.:

modem, karta graficzna, karta muzyczna itp

Jacek Bartman

Urządzenia wejściowe(1) - klawiatura

Klawiatura

– podstawowe urządzenie wejściowe służące do komunikacji użytkownik-komputer

– posiada najczęściej 101-, 102- lub 104-klawiszowy w układzie QWERTY (zwykle konfiguracja polska programisty)

– podłączona do jednostki centralnej wtyczką DIN5, PS/2 lub USB – Istnieją inne układy klawiarur np. klawiatura Dvoraka umożliwiajaca

szybsze wprowadzanie znaków

Jacek Bartman

Urządzenia wejściowe(2) - mysz

Mysz

– stanowią proste urządzenie wejściowe – umożliwiają wskazywanie obiektów – dostępne typy myszy:

• optyczne, • mechaniczne, • optomechniczne, • Bezprzewodowe • typu track-ball.

Jacek Bartman

Urządzenia wejściowe(3) - skanery

Skanery

służą do czytania obrazu i zapisu go w postaci elektronicznej

typy: skanery ręczne, płaskie, bębnowe.

rozdzielczość optyczna 4800x9600 dpi, interpolowana 12800.

Głębia kolorów 24 bity a nawet 36/42 bity.

sposób przyłączenia do komputera: USB - nowsze i najwygodniejsze; SCSI - szybkie ale drogie; Centronics - najwolniejsze i blokujace działanie komputera przy transmisji danych.

OCR – optyczne rozpoznawanie liter

Jacek Bartman

Urządzenia wejściowe(4)

Joysticki

Aparaty cyfrowe Kamery cyfrowe

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(1) - monitor

monitor podstawowe urządzenie wyjściowe,

wyróżnia się monitory z ekranami:

CRT (Cathode Ray Tube) – klasyczne, katodowe

FPD (Flat Panel Displey) – o płaskich ekranach:

- LCD (Liquid Crystal Displey) – ciekłokrystaliczne,

- PDP (plasma Display Panel) - plazmowe

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(2) - monitor

O jakości monitora decydują takie parametry jak:

• Rozmiary ekranu - czyli przekatna ekranu wyrażana w calach (1 cal = 2,54 cm ).

• Rozdzielczość - jest to ilość pikseli w pionie i w poziomie. Im wyższa rozdzielczość tym obraz jest ostrzejszy i większy

• Plamka - jej wielkość decyduje o rozmiarach najmniejszych detali jakie monitor jest w stanie wyświetlić, im mniejsza plamka tym dokładniejszy obraz, przy czym średnia wielkość plamki rośnie wraz z przekątną ekranu

• Proporcje obrazu - wymiary wyświetlanego obrazu wyrażone ilorazem jego długości do wysokości

Standard Rozdzielczość Proporcje obrazu SVGA 800×600 4:3 XGA 1024×768 4:3 HDTV 720p 1280×720 16:9 HDTV 1366×768 16:9 WXGA 1280×800 16:10 WXGA+ 1440×900 16:10 WSXGA 1600×1024 16:10 SXGA+ 1400×1050 4:3 WSXGA+ 1680×1050 16:10 UXGA 1600×1200 4:3 HD+ 1600×900 16:9 HDTV 1080p 1920×1080 16:9 WUXGA 1920×1200 16:10 QWXGA 2048×1152 16:9 QXGA 2048×1536 4:3 WQXGA 2560×1600 16:10 QSXGA 2560×2048 5:4

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(3) - drukarki

igłowe bardzo trwałe

dają możliwość druku kilku kopii naraz

druk uzyskiwany jest poprzez odbijanie tuszu ze specjalnej taśmy w wyniku uderzania igieł głowicy (9 lub 24 igieł)

pracują dosyć głośno

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(4) - drukarki

atramentowe tanie

drogie w eksploatacji

wysoka jakość druku (nawet fotograficzna)

głównie kolorowe

Urządzenia wyjściowe(4) – drukarki atramentowe Pracują w jednym z dwóch trybów: Drop-On-Demand (DOD) lub

Continuous-Ink-Jet (CIJ).

Drop-On-Demand (DOD) Kropla jest wyrzucana przez głowice na żądanie, pod wpływem

impulsu elektrycznego. – Głowice termiczne – Głowice piezoelektryczna.

DOD jest podstawową technologią drukarek domowych i biurowych ze względu na wysoką jakość wydruku, druk wielokolorowy, niskie zużycie atramentu.

Continuous-Ink-Jet (CIJ). Drukarka stale wyrzuca strumień kropel. Te które są używane do

drukowania zostają naładowane i odchylone w polu elektrycznym a następnie trafiają w nośnik zaś pozostałe wpadają do zasysu i wracają do układu atramentowego. Technologia CIJ stosowana jest głównie w drukarkach przemysłowych

ze względu na bardzo dużą elastyczność w zakresie odległości głowicy od produktu, rodzaju podłoża

Jacek Bartman Architektura komputerów i systemy operacyjne

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(5) - drukarki

laserowe bardzo szybkie

tanie w eksploatacji

ciche

głównie czarno-białe (choć zdarzają się kolorowe)

Urządzenia wyjściowe(5) – drukarki laserowe

Drukarki laserowe działają, dzięki naładowanemu elektrostatycznie bębnowi, który przyciąga cząsteczki tonera. Laser odbity od lustra, padając na bęben sprawia, że w tym miejscu toner nie przykleja się, co tworzy obraz. Wtedy też z bębna przenoszony jest obraz na kartkę papieru. Drukarki te utrwalają obraz za pomocą wysokiej temperatury. W drukarkach czarno białych znajduje się jeden bęben, laser i toner. Z kolei drukarki laserowe mają cztery osobne bębny, lasery i tonery.

Jacek Bartman Architektura komputerów i systemy operacyjne

Jacek Bartman

Urządzenia wyjściowe(6)

Plotery rysują kolorowymi pisakami, rysunki techniczne, plany, duże formaty,

plotery tnoce

Głośniki służą do generowania dźwięków

mogą być bardzo różnej jakości

Jacek Bartman

Urzadzenia wejścowo-wyjściowe

Modem wewnętrzne i zewnętrzne

analogowe i cyfrowe

Karta sieciowa słuzy do komunikacji pomiędzy komputerami

kilka typów złączek

najczęściej w standardzie Ethernet

Szybkości 10 lub 100 Mbit/s

Jacek Bartman Architektura komputerów

ENIAC

Zbudowany w latach 1943-1945

Jest przykładem maszyny, którą trzeba było fizycznie skonfigurować aby przeprowadzić określone obliczenia.

Paramtry: waga: blisko 27 ton zapotrzebowanie na energię: 150000W.

ENIAC jest (błędnie) uważany za pierwszy na świecie komputer.

Maszyna ta nie miała procesora, a obliczenia wykonywała w systemie dziesiętnym, podczas gdy wszystkie współczesne komputery pracują w systemie dwójkowym.