Wykład 2: Sprzęt komputerowy (40 slajdów)
Wykładowca:
Prof. Anatoly Sachenko
Informatyka
2
Przegląd wykładu
Centralna jednostka przetwarzająca - procesor
Pamięć Urządzenia wejściowe (wejścia) Urządzenia wyjściowe (wyjścia) Urządzenia wejścia/wyjścia Nośniki danych
3
Centralna jednostka przetwarzająca
Centralna jednostka przetwarzająca (ang. CPU) jest podstawowym elementem komputera
Przeprowadza operacje arytmetyczne i logiczne, kontroluje procesy obliczeniowe i koordynuje całą pracę wszystkich urządzeń PC
Centralna jednostka przetwarzająca (procesor) zawiera: Jednostkę arytmetyczno-logiczną (ALU - Arithmetic
Logic Unit) Układ sterowania (CU - Control Unit) Magistralę Danych i Magistralę Adresową
(Data bus, addresses bus) Rejestry (Registers) Licznik programów Cache - szybka pamięć lokalna komputera o
małej pojemności (8-1024 Kb) Matematyczny koprocesor dla liczb
zmiennoprzecinkowych
4
Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - część procesora wykonująca operacje arytmetyczne i logiczne na bajtach lub słowach
Układ sterowania (CU)- kolejna część procesora, odpowiedzialna za dekodowanie dostarczonych instrukcji i odpowiednie sterowanie pozostałymi jego blokami
Rejestry (Registers)- komórki pamięci o niewielkich rozmiarach, służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń (rejestry danych) oraz adresów lokacji w pamięci operacyjnej
Trigger – podstawowym elementem rejestru jest elektroniczna tablica, zdolna przechować jeden numer binarny (cyfrę kodu binarnego)
Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja)
5
Nowoczesne procesory są realizowane w formie mikroprocesorów
Wizualnie (wygląd zew.) mikroprocesor(MP) jest obwodem scalonym — cienką, prostokątną płytką krzemową,
wielkości zaledwie kilku milimetrów kwadratowych
zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonych mu instrukcji
Jedna z części MP zajmuje się operacją gromadzenia kodów, inna – przechowywaniem kodów adresu
MP jest programowalnym cyfrowo elektronicznym elementem, który zawiera w sobie funkcje centralnej jednostki przetwarzającej (procesora), na pojedynczym półprzewodnikowym obwodzie scalonym
Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja)
6
Jeden lub więcej mikroprocesorów zazwyczaj służą jako centralna jednostka przetwarzająca (CPU) w systemie komputerowym, wbudowanym systemie, lub w urządzeniach „kieszonkowych”
Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja)
7
Typy rejestrów: Adder (układ sumujący) jest rejestrem ALU,
uczestniczącym w każdej bieżącej operacji Licznik instrukcji jest rejestrem CU, który
odpowiada za adres następnej uruchamianej instrukcjiOdpowiada za automatyczny wybór
programu z kolejnych komórek pamięci Rejestr Instrukcji jest rejestrem CU
przechowującym kod instrukcji przez okres czasu niezbędny do jej realizacji
Szybkości pracy procesora jest: MHz, GHz 1981 PC : 5 MHz Nowoczasny : 2000 MHz (2 GHz)
Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja)
8
Pamięć – Jak jest zbudowana?
Pamięć składa się z elementów systemu binarnego - bitów, łączonych w grupy po 8 bitów, nazywanych bajtami (8 bitów = 1 bajt) Wszystkie bajty są ponumerowane Numer bajta jest nazywany jego
adresem Bajty mogą być łączone w komórki
pamięci, które są nazywane słowami Dla każdego komputera pojemność
słowa jest ustalona jako dwa, cztery albo osiem bajtów (kontynuacja…)
(
9
To jednak nie wyklucza użycia przez pamięć innych, dłuższych komórek pamięci (na przykład half-word, double word)
Jedna liczba całkowita lub jedno polecenie(komenda) może być przedstawione w jednym słowie
Przyjmowane są różne formy prezentowania informacji
Podział pamięci na słowa dla czterobajtowych komputerów jest zaprezentowany w tabeli poniżej:
Bajt 0 Bajt 1 Bajt 2 Bajt 3 Bajt 4 Bajt 5 Bajt 6 Bajt 7 PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO
SŁOWO SŁOWO PODWÓJNE SŁOWO
Pamięć – Jak jest zbudowana?(kontynuacja)
10
RAM (Random Access Memory) rodzaj szybkiej pamięci, o niewielkiej pojemności, przechowująca dane
Jest bezpośrednio połączona z procesorem i zamierzona do zapisu, odczytu i przechowywania programów i przetwarzanych danych
Pamięć RAM jest używana tylko do czasowego przechowywania danych i programów, ze względu na fakt, że wszystkie informacje w pamięci RAM znikają, gdy komputer zostaje wyłączony
Dostęp do pamięci RAM jest bezpośredni, co oznacza, że każdy bajt pamięci posiada swój indywidualny adres
Przeciętna pojemność wynosi od 512 do 2048 Mb
Pamięć - RAM
11
RAM pamięcią opartą o półprzewodniki Przyjmuje formę zintegrowanych obiegów
Pozwala na dostęp do przechowywanych danych w dowolnej kolejności — to znaczy dowolnej i bez fizycznego poruszania ośrodka pamięci lub fizycznie czytającej główki
Kluczową przewagą (zaletą) RAMu nad typami pamięci, które wymagają fizycznego ruchu jest to, że czasy odpowiedzi są krótkie i stałe Krótkie ponieważ nie potrzebny jest ruch
fizyczny(kontynuacja na następnym slajdzie)
Pamięć - RAM (kontynuacja)
12
Stałe ponieważ czas potrzebny na odebranie fragmentu danych nie zależy od bieżącej odległości od główki fizycznej
Praktycznie tyle samo czasu jest potrzebne aby uzyskać dostęp do dowolnego fragmentu danych na chipie RAM
Pamięć - RAM (kontynuacja)
13
Cache lub scratchpad memory (pamięć notatnikowa, pamięć podręczna) jest bardzo szybką pamięcią o niewielkiej pojemności
Jest używana do wymiany informacji pomiędzy mikroprocesorem i główną pamięcią dla zmniejszenia różnicy w prędkości przetwarzania informacji przez procesor i wolniejszą pamięcią główną
Pamięć cache jest zarządzana przez Kontrolera Kontroler analizuje bieżący program,
próbując przewidzieć jakie informacje i polecenia(komendy) będą
potrzebne procesorowi w najbliższym czasie
Pamięć - Cache
14
Pamięć cache wykorzystuje mikro-obwody statycznej pamięci SRAM (Static RAM)
Jest charakteryzowana szybszą wydajnością i mniejszą pojemnością niż pamięć dynamiczna RAM (DRAM ) czy pamięć synchroniczna RAM (SDRAM)
ROM (Read-Only Memory) jest pamięcią tylko do odczytu
Nie jest uzależniona od zasilania jest używana tylko
do gromadzenia danychktóre nie będą nigdy modyfikowane
Jej zawartość jest „szyta” specjalnie dla danego urządzenia podczas jego tworzenia, tak, aby dane były przechowywane w sposób trwały (kontynuacja na następnym slajdzie)
Pamięć - Cache & Pamięć specjalna
(kontynuacja)
15
Jest najczęściej używana do rozprowadzania (distribution)oprogramowania sprzętowego – oprogramowania, które jest blisko powiązane z określonym sprzętem komputerowym
Nowoczesne półprzewodnikowe układy scalone ROM nie są od razu rozróżniane od podobnych do nich, układów scalonych takich jak moduł RAM
Układy scalone RAM mogą być odczytywane szybciej niż większość ROMów
Prędkość zapisu jest zawsze o wiele wolniejsza niż prędkość odczytu
Pamięć Flash jest pamięcią, która zależy od zasilania i obejmuje częste, wielokrotne zapisywanie informacji
Zawarta w BIOSie (Basic Input/Output System)
Pamięć – Pamięć specjalna(kontynuacja)
16
BIOS (Basic Input/Output System) jest to zestaw programów przeznaczonych do automatycznych testów urządzeń po podłączeniu komputera i ładowania systemu operacyjnego
CMOS RAM jest to pamięć o niskiej prędkości działania i minimalnym zużyciu energii
Jest używana do przechowywania informacji o konfiguracji komputera (informacje dotyczące pamięci, dysków) i trybu jego działania
Pamięć video (VRAM) jest odmianą pamięci RAM, gdzie są zachowywane zakodowane obrazy
Jest zorganizowana, więc jej zawartość jest dostępna jednocześnie dla dwóch urządzeń: procesora i urządzenia wyświetlającego
Pamięć – Pamięć specjalna(kontynuacja)
17
Urządzenia wejścia
Urządzenia wejścia to sprzęt, który przetwarza dane z zewnątrz, tak aby były wykorzystane przez komputer
Klawiatura komputera jest urządzeniem służącym do wprowadzania danych do komputera poprzez wysyłanie do niego sygnałów
Klawiatura posiada standardowy zestaw klawiszy i kilka dodatkowych elementów sterujących –przyciski funkcyjne, przyciski sterujące oraz małą klawiaturę cyfrową
Manipulatory (mysz, joystick i inne) są specjalnymi urządzeniami, które są używane do kontroli kursora
18
Joystick jest zwykłym bar-pen Odchylenie od pozycji pionowej prowadzi do
ruchu kursora w odpowiednim kierunku, po ekranie monitora
Jest często używany w grach komputerowych (obecnie częściej gamepad)
Mysz jest urządzeniem wskazującym, wykrywającym dwuwymiarowy ruch względem podpierającej ją powierzchni
Ruch myszy jest tłumaczony na ruch kursora po ekranie
Urządzenia wejścia (kontynuacja)
19
Skaner jest urządzeniem analizującym obrazy, tekst drukowany i rękopisy i zamieniającym je na obraz cyfrowy
Kamery internetowe to małe kamery, których obrazy mogą być przesyłane przez sieć www, komunikatory internetowe, lub aplikacje służące do konferencji
Przykład: program Skype Mikrofon jest transduktorem sygnałów
akustycznych na elektryczne lub sensorem zamieniającym dźwięk na sygnał elektryczny
Przykład: program Skype
Urządzenia wejścia (kontynuacja)
20
Ekrany dotykowe to powierzchnie wyświetlające które posiadają zdolność wyświetlania i odbierania informacji na tym samym ekranie. Dzięki zastosowaniu takich
ekranów można przekształcać dane w urządzeniu wejścia bez użycia klawiatury i/lub myszy jak podstawowego urządzenia wejścia.
Panel dotykowy to urządzenie wejścia, często używane w laptopach. Reagują na ruch palca
użytkownika. Zastępują myszkę komputerową.
Urządzenia wejścia (kontynuacja)
21
Skaner to urządzenie które analizuje obrazki, drukowany tekst i pismo ręczne, po czym przekształca je w cyfrowy obraz.
Kamery Internetowe to małe kamery z których obraz można wykorzystywać w sieci WWW, do szybkiego przesyłania danych a także do video konferencji.
Przykład: program Skype Mikrofon to urządzenie służące do
przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne.
Przykład: program Skype
Urządzenia wejścia (kontynuacja)
22
Urządzenia wyjścia
Urządzenie wyjścia to każda część komputera która służy do komunikowania wyników przetwarzania danych, wytworzonych przez system obróbki informacji(taki jak komputer), do świata zewnętrznego.
Projektor urządzenie projekcyjne służące do wyświetlania obrazów na ścianie lub ekranie projekcyjnym.
Wysyła sygnały kontrolujące jasność wiązki światła, synchronizuje sygnał wiązki
Monitor przekształci te sygnały w wizualizacje.
23
Monitor komputerowy to rodzaj sprzętu elektronicznego który wyświetla możliwe do obejrzenia obrazy wygenerowane przy pomocy komputera. Obrazy mają niestały charakter.
Rodzaje Monitorów: cathode-ray tube (CRT) -
kineskopowe liquid crystal displays (LCD) ekrany dotykowe
Istnieją karty graficzne, takie jak SVGA , SXGA , UXGA , VGA , pamięć video , XGA
Urządzenia Wyjścia - Monitory
24
Głośnik, głośnik systemowy - przetwornik elektroakustyczny. Urządzenie elektryczne (odbiornik energii elektrycznej) przekształcające sygnał elektryczny w falę akustyczną. Wyrażenie głośnik może się odnosić do pojedynczych urządzeń (lub sterowników), a także do kompletnych systemów składających się z kilku głośników, sterowników i dodatkowej elektroniki
Drukarka to urządzenie drukujące które przenosi dane wytworzone przez komputer, w postaci drukowanego tekstu lub obrazów graficznych.Istnieje kilka rodzajów drukarek (następne slajdy)
Urządzenia Wyjścia (kontynuacja)
25
Drukarki igłowe wykorzystują kombinacje małych igieł uderzających w papier, które zmieniają sposób uderzenia, w zależności od tego co chcemy wydrukować
Każdy znak, wydrukowany na drukarce, składa się z 9, 18 lub 24 igieł, ustawionych w poziomą kolumnę.
Wadą tych tanich drukarek jest ich głośna praca i niska jakość wydruku.
Drukarki laserowe działają bardzo podobnie do kopiarek
Komputer tworzy w pamięci obraz strony tekstu i wysyła ją do drukarki
Urządzenia wyjścia - drukarki
26
Drukarki atramentowe drukują, tworząc znaki przy pomocy sekwencji atramentowych punktów (zobacz następny slajd)
Głowica drukarki posiada malutkie dysze przez które atrament dostaje się na papier
Te drukarki wymagają papieru dobrej jakości
Kolorowe obrazy są tworzone przy pomocy kolorowych tuszów
Ploter to urządzenie drukujące graficznie, podłączone do komputera
Może tworzyć skomplikowane wzory, w tym także rysunki inżynierskie, plany architektoniczne, mapy geograficzne i meteorologiczne. Niestety, są bardzo wolne z powodu mechanicznych mechanizmów
Urządzenia wyjścia - drukarki
27
Urządzenie wyjścia – drukarka atramentowa
28
Urządzenie wejścia/wyjścia
Wejście/Wyjście, lub I/O, odnosi się do komunikacji pomiędzy systemem obróbki informacji(np.: komputer) i światem zewnętrznym - zwykle człowiekiem lub innym systemem obróbki informacji
Wejście to sygnały otrzymywane przez komputer, a wyjście to sygnały wysyłane
Na przykład klawiatury i myszki to urządzenia wejścia, a monitory i drukarki są urządzeniami wyjścia.
Urządzenia służące do komunikacji pomiędzy komputerami, takie jak modemy i karty sieciowe są urządzeniami wyjścia i wejścia
29
Urządzenia magazynujące - dyskietki
Urządzenie magazynujące służy do nagrywania(przechowywania) informacji.
Dyskietka to urządzenie przechowujące które składa się z cienkiego i giętkiego dysku magnetycznego, umieszczonego w plastikowej, kwadratowej obudowie.
Dyskietki są odczytywane i nagrywane przez stację dyskietek lub FDD(tego skrótu nie powinno się mylić z "fixed disk drive", który odnosi się do dysków twardych)
Wykorzystuje się je do przenoszenia danych pomiędzy komputerami, a także do dystrybucji programów
Sposób binarnego nagrywania danych na dyskietkach nazywany jest kodowaniem magnetycznym
Bieguny magnetyczne w środowisku układają się zgodnie z kierunkami biegunów północ-południe
30
Urządzenia magazynująca – dyskietki ZIP
Dyskietki Zip są wymienialnymi dyskietkami o średniej pojemności, wynalezionymi przez Iomega pod koniec 1994 r. Początkowo miały pojemność 100 MB, w
późniejszych wersjach wzrosła do 250 MB a następnie 750 MB
Ten rodzaj dyskietek zdobył największą popularność ze wszystkich dyskietek o dużych pojemnościach, jednak nigdy nie udało mu się zająć miejsca 3,5 calowych dyskietek.
Został wyparty przez system flash a także przez płyty CD i DVD i już nie jest wykorzystywany.
31
Urządzenia magazynujące - kardridże
Taśma magnetyczna była używana do przechowywania danych przez ponad 50 lat
Współczesna taśma magnetyczna jest wykorzystywana w kardridżach i kasetach
Urządzenie które dokonuje właściwego odczytu lub zapisu danych to napęd taśmowy
Autozmieniarki i biblioteki taśm są często używane do automatycznej obsługi kardridży
Przy przechowywaniu dużych ilości danych, taśma jest tańsza niż inne sposoby przechowywania.
Taśma magazynująca od zawsze była używana w dużych systemach komputerowych
Współcześnie używa się jej jako nośnika o dużej pojemności a także do archiwizowania i tworzenia kopii zapasowych.
W 2007 roku, kardridże o najwyższej pojemności (DLT-S4, LTO-4, SAIT-2) mogą przechowywać 800 GB danych bez kompresji.
32
CD-ROM (skrót wzięty od "Compact Disc read only memory" czyli "dysk tylko do odczytu") to dysk który zawiera dane dostępne dla komputera
Format CD na początku służył tylko do przechowywania i odtwarzania muzyki, jednak później został zaadaptowany do przechowywania jakichkolwiek danych.
CD-ROM'ów używa się do dystrybucji programów komputerowych, gier i aplikacji multimedialnych. Jednak można na nich przechowywać każdy rodzaj danych(nie większy niż pojemność dysku)
Niektóre płyty CD zawierają dane komputerowe i muzykę którą można odtworzyć na odtwarzaczu CD, przy czym dane mogę być wykorzystywane tylko przez komputer.
Noszą one nazwę Enchanced CD, lub też CD Extra i CD Plus, zawierają muzykę a także dane.
Urządzenia Magazynujące – CD-Rom
33
Pojemność płyt CD sięga 780 Informacja o pojemności jest wydrukowana
na dysku CD i nie ulega zmianie Miejsce technologii CD-ROM zajmuje pomału
DVD Dvd ma taki sam rozmiar jak CD, ale jego
pojemność może sięgać 17 GB, czyli jeden dysk DVD może zastąpić 20 standardowych płyt CD-ROM
Przenośna nagrywarka płyt - może odtwarzać normalne dane, a także nagrywać dane na płytach.
Ma pojemność 650 MB
Urządzenia Magazynujące – CD-Rom (kontynuacja)
34
Dysk twardy jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Urządzenie to nagrywa na twardym podłożu. Nie zmienna pamięć(Non-valatile memory) NVM to rodzaj pamięci komputera która przechowuje dane nawet kiedy nie jest podłączona do prądu.
Przykładem NVM są pamięci flash, większość magnetycznych urządzeń przechowujących(dyski twarde, dyskietki), dyski optyczne, a także używana we wczesnych komputerach taśma papierowa.
Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy
35
W przeciwieństwie do dyskietek, dysk twardy obraca się nieustannie
Został wyposażony we wbudowaną pamięć cache – 8 Mb, która zapewnia jego sprawne działanie
Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja)
36
Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja)
Dyski Twarde mają bardzo dużo pojemność: od 40 do 750 GB. We współczesnych modelach prędkość obrotów dysku sięga 7200 na minutę. Oznacza to że czas otrzymania danych wynosi 9ms, średni przesył danych wynosi do 60 MB/s
Istnieją dyski zewnętrzne i wewnętrzneNa przykład, wewnętrzne dyski twarde mogą być częścią stałych systemów
37
Urządzenia magazynujące – Przenośne dyski Twarde
Przenośny Dysk Twardy(IHDD) jest zbudowany tak samo jak HDD, jest jednak przenośn i łączy się z komputerem za pomocą łącza USB(Universal serial bus) – jest to standardowy sposób połączenia w komputerach.
Na przykład: z Max Connect IHDD, Power Mac G5 może posiadać 9 dysków przenośnych, co pozwala systemowi ładować się z jednego dysku a resztę dysków ustawia w trybie RAIDED (Redundunt Array Of Inexpensive Disk)
Powoduje to 8x krotne zwiększenie prędkości w stosunku do normalnego Power Mac’a G5
38
Porównanie urządzeń magazynujących
Rodzaj Magazynowania
Pojemność Prędkość Koszt $
IHDD 160 GB – 1 TB
1.5 Gb/s – 3 Gb/s
50-500
HDD 20 GB- 500 GB
4800 Mb/s (USB 2.0) 786 Mb/s (Firewire 1394)
100-300
Dyskietka Zip 250 MB – 750 MB
2.1 Mbit/s – 133 Mbit/s
50-150
CD-ROM 700 MB 2.1 Mbit/s – 133 Mbit/s
15-20
Kardridże 128 MB- 16 GB
4800 Mb/s (USB 2.0)
20-340
39
Urządzenia Magazynujące – Formatowanie dysków
Formatowanie dysku jest procesem przygotowania partycji lub innego nośnika danych do zapisu danych.
Duże dyski mogę być podzielone na partycje, podzielone na sekcje logiczne, które posiadają własny system plików.
Formatowanie dysku można podzielić na dwa różne porcesy, formatowanie niskowoluminowe i wysokowoluminowe.
Formatowanie niskowoluminowe to formatowanie powierzchni dysku instalowanie numerów sektorów, które są rozpoznawane i wykorzystywane przez kontroler dysku
Formatowanie wysokowoluminowe to proces tworzenia wolnego miejsca dla plików, a także tworzenie sektora rozruchowego dysku.
40
Bibliografia European Computer Driven Licence, Syllabus version
4.0, 2006. Lecture Notes. Fundamentals of Informatics (e-
version). Based on a book by L.Z.Shaucukova. Informatics (in Russian). Moscow, 2002. – 420 p. (translated and edited by Anatoly Sachenko).
William Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance (6th edition). Prentice Hall , 2002, 750 p.
Tucker (Editor-in-Chief), R. Cupper, F.P. Deek, and R. Noonan (Editorial advisors), Computer Science Handbook, Second edition, CRC Press, 2004, 2752 p.
Hysa B., Piekoszewska B., Rakowiecka K., Sobota M., Sołtysik-Piorunkiewicz A., Zdonek D., Zdonek I., : Laboratorium z podstaw informatyki w zarządzaniu. Część II. Wprowadzenie do MS Windows. MS Word. Wydawnictwo PŚ. Gliwice 2003. Skrypt nr 2324.
Kowalczyk G.: Word 2000 PL. Ćwiczenia praktyczne. Helion, Gliwice 2000.
J. Glenn Brookshear. Computer science an overview, Sixth edition, Addison Wesley, 2001, 688 p.