Budowa i dzialanie komputera

1
Budowa i dzialanie komputera
2
Co to jest komputer?
KOMPUTER - elektroniczna maszyna liczaca z ang.
compute obliczac, urzadzenie elektroniczne
sluzace do automatycznego przetwarzania
informacji (danych), przedstawionych cyfrowo
(tzn. za pomoca odpowiednio zakodowanych liczb).
Jednostka centralna
Klawiatura, myszka
Zestaw komputerowy
Monitor
Wspólczesny komputer to zespól urzadzen
wewnetrznych oraz zewnetrznych zlozony w tzw.
zestaw komputerowy, gdzie rodzaje zastosowanych
urzadzen okreslaja przeznaczenie oraz zdolnosci
operacyjne komputera.
3
Historia maszyn liczacych - komputera
Abacus (pol. liczydlo) pierwsze znane mechaniczne
urzadzenie liczace, powstale okolo 5000 lat temu
gdzies w srodkowej Azji
Okolo 1500 - Codex Madrid maszyna liczaca
zaprojektowana przez Leonarda da Vinci
Pascaline 1642, maszyna liczaca zbudowana na
potrzeby sumowania podatków przez Blaise Pascala
Gottfried Wilhem von Leibniz 1671, zbudowal
maszyne liczaca która oprócz zliczania potrafila
równiez mnozyc
4
Historia maszyn liczacych - komputera
W 1822 Charles Babbage'a zbudowal maszyne
róznicowa (nazwana tak, gdyz wykonywala
obliczenia metoda róznicowa).
Charles Babbage'a (1791 1871)
W 1834 Charles Babbage'a wymyslil maszyne
analityczna, której budowa zapowiedziala
architekture przyszlych komputerów cyfrowych. Jej
budowa to jednostka zapamietywania liczb,
procesor (mlyn) oraz jednostka sterujaca. Do
wczytywania wyników mialy sluzyc tasmy
perforowane.
Ada Lovelace wspólpracowniczka Charlesa
Babbage'a uznana za pierwsza programistke,
opracowala program na maszyne analityczna
obliczajacy matematyczny ciag liczb
Koniec XIX wieku byl poczatkiem rozwoju urzadzen
mechanograficznych, których glównym
przeznaczeniem bylo usprawnienie rachunków
statystycznych, ksiegowych i biurowych
5
Historia maszyn liczacych - komputera
W 1937 Turing Alan Mathison stworzyl tzw. Maszyne
Turinga (angielskie Turing machine), abstrakcyjna
maszyne obliczeniowa do badania teoretycznych
ograniczen matematyki.
Turing Alan Mathison (1912-1954)
W 1938 Claude Shanon publikuje sposób
wykorzystania prawdy i falszu do przedstawiania
funkcji przelaczników w obwodach elektronicznych.
Stworzyl matematyczne narzedzie do tworzenia
cyfrowych obwodów elektronicznych.
W 1939 John Vincent Atanasoff zbudowal
prawdopodobnie pierwszy Cyfrowy Komputer
Elektroniczny ABC (zdj. rekonstrukcja)
W 1943 Alan Turing wraz z zespolem buduje jednej
z pierwszych programowanych komputerów lampowych
(1800 lamp) - Collosus
6
Historia maszyn liczacych - komputera
1943 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.
W 1945 John von Neumann udokumentowal w pracy
Pierwszy szkic koncepcje komputera
przechowujacego program. Doslownie wszystkie
komputery cyfrowe od tamtej pory sa oparte na tej
wlasnie architekturze. Komputer pamiec
jednostka obliczeniowa jednostka sterujaca
1946 do 1952 John William Mauchly i John Presper
Eckert Junior zbudowali Automatyczny komputer z
dyskretnymi zmiennymi EDVAC pierwszy komputer
przechowujacy program
7
Historia maszyn liczacych - komputera
W 1950 Shockley wynalazl nowy element
pólprzewodnikowy, zwany tranzystorem o zlaczu
bipolarnym. Tranzystory mialy wyprzec lampy które
stosowano do budowy komputerów.
W 1958 Jack Kilby wytworzyl kilka elementów
elektronicznych na pojedynczym kawalu
pólprzewodnika. Byl to pierwszy uklad scalony.
Dalszy postep produkcji tych ukladów pozwolil
umieszczac w jednej "kostce" dziesiatki tysiecy
tranzystorów a obecnie miliony. Obwody takie
nazwano ukladami wielkiej skali integracji (VLSI
z ang. - Very Large Scale of Integration).
1957 Pierwszy komputer osobisty IBM 610Do
polowy lat 70-tych opracowywano podobne do IBM
610 opracowywano maszyny których podstawowa wada
byla bardzo wysoka cena.
1975 - Ed Roberst opracowal mikrokomputer Altair
8800 pierwszy tani mikrokomputer
8
Historia maszyn liczacych - komputera
W 1976 Steve Wozniak i Steve Jobs stworzyli
komputer Apple 1
W 1977 powstal mikrokomputer Commodore PET
1981 Pierwszy komputer IBM PC
Generacje komputerów Pierwsza generacja
komputery lampowe Druga generacja komputery
tranzystorowe Trzecia generacja komputery
zbudowane z ukl. scalonych Czwarta generacja
komputery w technologii VLSI
Wspólczesna stacja robocza
9
Budowa komputera schemat ogólny
Wg uproszczonego schematu komputer dwa glówne,
wspólpracujace urzadzenia procesor i pamiec.
Oba urzadzenia znajduja sie w jednej obudowie
nazywanej jednostka centralna. Pamiec
operacyjna sluzy do chwilowego pamietania danych
wejsciowych i wyjsciowych oraz przechowuje
uruchomione programy. Programy przekazuja rozkazy
do procesora. Procesor to uklad elektroniczny
potrafiacy wykonywac rozkazy arytmetyczne i
logiczne na liczbach binarnych.
10
Budowa komputera jednostka centralna
Zabudowany w sankach naped CD, podobnie montowane
sa napedy CD-RW, DVD, ZIP, FDD itp.
Obudowa komputera typu TOWER
Zasilacz
Gniazda wtykowe do podlaczenia urzadzen
zewnetrznych
Zabudowany w sankach Naped HDD
Proces wraz z chlodzeniem
Plyta glówna komputera
Pamiec RAM
Karta grafiki
Sloty umozliwiajace podlaczenie innych urzadzen
wewnetrznych
11
Architektura komputera z magistrala PCI i AGP
Procesor
Pamiec podreczna (CACHE)
Plyta glówna
Monitor
Sterowniki ukladów pamieci (chipset) interfejs
magistrali PCI, Interfejs magistrali AGP (IRQ,
DMA)
Pamiec RAM
Karta graficzna
Magistrala AGP
Karta dzwiekowa
Karta telewizyjna
Pamiec lokalna
Magistrala lokalna PCI
Karta sieciowa
Kontroler dysków
Interfejs Magistrali zewnetrznej
Interfejs magistrali SCSI
Urzadzenia SCSI
Magistrala SCSI
Standardowe Urzadzenia wejscia i wyjscia
Magistrala ISA, EISA Lub MCA
12
BIOS
BIOS, Basic Input-Output System, program zapisany
na stale w pamieci ROM komputera. Jest on
uruchamiany jako pierwszy po wlaczeniu komputera.
Jego zadaniem jest testowanie sprzetu,
uruchomienie systemu operacyjnego. W BIOSie
uzytkownik moze ustawic parametry systemu takie
jak zainstalowany w systemie sprzet (dyski,
pamiec operacyjna itp.), na podstawie których
kontrolowane jest przesylanie danych miedzy
poszczególnymi skladnikami systemu.
Organizacja pamieci BIOS-ROM
13
Budowa procesora
PROCESOR stanowi glówny element komputera, jest
odpowiedzialny za przetwarzanie informacji.

• Uklady sterujace odpowiadaja za dostarczenie
  arytmometrowi danych do obliczen z pamieci
  operacyjnej, oraz przekazywanie wyników obliczen
  z powrotem do pamieci oraz wlasciwa kolejnosc
  przetwarzania
• W arytmometrze odbywaja sie wszystkie obliczenia
  realizowane przez komputer.
• W rejestrach procesora przechowuje sie adresy
  wybranych miejsc pamieci operacyjnej oraz dane i
  wyniki obliczen

14
Dzialanie procesora
BU blok komunikacyjny Prefetch sortowanie i
kolejkowanie kodu IU dekodowanie ciagu
polecen EU uklad wykonawczy ALU modul obróbki
liczb staloprzecinkowych
Schemat blokowy procesora
CU blok sterowania przetwarzania modulu ALU FPU
modul obróbki liczb zmiennoprzecinkowych AU
jednostka adresowania MMU jednostka zarzadzania
pamiecia
Sygnaly Kontrolne i sterujace
15
Pamiec podreczna
Cache to podreczna pamiec procesora.
Charakteryzuje sie wyjatkowo krótkim czasem
dostepu. Jest ona uzywana do przechowywania
danych, które beda w niedlugim czasie
przetwarzane. Rozrózniamy dwa rodzaje pamieci
Cache

• Pierwszego poziomu (Cache L1) zintegrowana z
  procesorem z którym porozumiewa sie z
  czestotliwoscia równa czestotliwosci wewnetrznej
  procesora, Tego typu pamiec ma zwykle pojemnosc
  od 16 do 64 KB.

Pamiec Cache

• Drugiego poziomu (Cache L2) znajdujaca sie
  zwykle na plycie glównej gdzie z procesorem
  porozumiewa sie z czestotliwoscia taktowania
  zewnetrznego. W nowoczesnych komputerach jej
  pojemnosc wynosi zwykle 512, a czasem nawet 1024
  KB.

Kontroler Cache
CPU
Pamiec podreczna wspomaga pamiec glówna
Pamiec
16
Kanaly DMA
DMA (ang. Direct Memory Access) oznacza
bezposredni dostep do pamieci komputera dla
urzadzen peryferyjnych (np. karta dzwiekowa, dysk
itp.)
Idea bezposredniej komunikacji ukladów
wejscia-wyjscia z pamiecia
Kontroler DMA realizuje transmisje danych
pomiedzy urzadzeniami peryferyjnymi oraz pamiecia
komputera poprzez kanaly DMA. Kanaly DMA sa
przypisywane poszczególnym urzadzeniom a te
komunikuja sie z kontrolerem za pomoca sygnalów
DREQ.
DMA 0 Przeznaczony do zastosowan wewnetrznych,
wykorzystywany tylko w sytuacjach awaryjnych. DMA
1 Wolny, najczesciej rezerwowany przez karty
dzwiekowe. DMA 2 Obsluguje napedy dyskietek,
niedostepny dla uzytkownika DMA 3 Wolny DMA
4 Przeznaczony do zastosowan wewnetrznych,
niedostepny dla uzytkownika DMA 5 Wolny,
najczesciej rezerwowany przez karty
dzwiekowe. DMA 6 Wolny DMA 7 Wolny
17
Kanaly IRQ
IRQ, Interrupt Request, Zadanie przerwania,
w informatyce jest to rozkaz zaprzestania
wykonywania aktualnego zadania i rozpoczecia
wykonywania innego, wydany procesorowi przez
jedno z urzadzen zewnetrznych badz system
operacyjny. W komputerach klasy PC jest 15
kanalów IRQ, przy czym wiekszosc z nich jest
przydzielona do standardowych urzadzen, takich
jak np. porty COM. Urzadzenia instalowane przez
uzytkownika (jak np. karty graficzne badz
dzwiekowe) maja przydzielane pozostale IRQ. W
zaleznosci od systemu operacyjnego oraz typu
karty, IRQ jest przydzielane za pomoca
odpowiedniego oprogramowania lub zostaje
automatycznie przydzielone przez system.
Zarzadzaniem kanalami IRQ zajmuje sie tzw.
kontroler przerwan
IRQ Urzadzenie
0 Zegar systemowy
1 Klawiatura
2 Wyjscie kaskadowe dla ukladu SLAVE
3 COM2
4 COM1
5 LPT2
6 Kontroler napedu dysków elastycznych
7 LPT1
IRQ Urzadzenie
8 Zegar czasu rzeczywistego
9 Wywolanie przerwania IRQ2
10 Zarezerwowane
11 Zarezerwowane
12 Zarezerwowane
13 Koprocesor arytmetyczny
14 Kontroler dysku twardego
15 zarezerwowane
18
Elementy komputera plyta glówna
Plyta glówna jest podstawowym komponentem
komputera. Stanowi podstawe do której podlacza
sie wszystkie inne czesci jednostki centralnej
(np. procesor, pamiec itp.). Zainstalowane nan
urzadzenia komunikuja sie miedzy soba poprzez
tzw. sciezki.

• Elementy plyty glównej
• BIOS
• gniazdo procesora
• gniazda magistraliPCI, ISA itp..
• CACHE
• CHIPSET
• Gniazda pamieci SIMM, DIMM
• Zlacze EIDE
• Zegar czasu rzeczywistego
• Zlacze napedu FDD
• Regulator napiecia

• Chipset (uklady scalone)
• Kontroler CPU, pamieci i CACHE
• Kontrolery DMA i IRQ
• Kontrolery magistrali ISA, PCI, AGP i innych
  Kontrolery napedów FDD, HDD, SCSI itp
• Kontrolery ukladów we/wy np. RS232, USB itp.
  Kontroler klawiatury KBC

19
Elementy komputera procesor
Procesor, uklad scalony bedacy podstawowa czescia
komputera. Wykonuje on elementarne instrukcje
programów takie jak np. podstawowe instrukcje
matematyczne czy kopiowania danych.
CPU oznacza jednostke centralna jednostke
wykonawcza, w komputerach osobistych jest
procesor lecz w superkomputerach moga to byc
uklady wieloprocesorowe

• Cechy charakterystyczne procesorów
• architektura (CISC lub RISC)
• liczba bitów przetwarzana w jednym takcie np.
  32 lub 64
• czestotliwosc taktowania podawana w MHz lub GHz
  np. 700 MHz, 2.4 GHz

Najpopularniejsze procesory Cyrix, AMD, INTEL
Prawo Moore'a regula wywiedziona z obserwacji
rynku komputerowego przez Gordona Moore'a,
wspólzalozyciela firmy INTEL gloszaca, ze moc
obliczeniowa ukladów scalonych podwaja sie co
póltora roku wraz ze spadkiem ich cen. Ta regula
obowiazuje nie przerwanie do dzis.
20
Elementy komputera pamiec

• Pamiec operacyjna urzadzenie sluzace do
  przechowywania danych operacyjnych. Rodzaje
  pamieci
• ROM (tylko do odczytu) sluzy do przechowywania
  stalych elementów oprogramowania
• RAM (do odczytu i zapisu) mozna w niej
  zapisywac i odczytywac informacje, wymaga stalego
  zasilania aby podtrzymywac przechowywane dane

• Rodzaje pamieci ze wzgledu na budowe
• 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).

21
Elementy komputera karta graficzna
Karta graficzna, jeden z najwazniejszych
komponentów zestawu komputerowego. Karta
graficzna moze byc zintegrowana z plyta glówna
komputera, czesciej jest to osobna karta
rozszerzen (jak na rys.). Najwazniejszymi
parametrami karty graficznej sa szybkosc pracy,
ilosc pamieci, rozdzielczosc i ilosc kolorów
wyswietlanego obrazu i inne.

• Karta graficzna sklada sie z czterech
  podstawowych elementów
• plytki drukowanej,
• glównego procesora,
• pamieci wideo,
• ukladu RAMDAC (który czesto jest zintegrowany
  z procesorem w jednej obudowie)
• Karty graficzne budowane sa na nastepujace
  magistrale ISA, PCI, AGP

Zlacze umozliwiajace osadzenie karty na plycie
glównej
Gniazdo podlaczenia monitora
Glówne zadanie karty graficznej to przetwarzanie
obrazu cyfrowego generowanego przez uklady
komputera na sygnal zrozumialy dla monitora
(moze to byc sygnal analogowy lub cyfrowy).
22
Elementy komputera karta dzwiekowa
Karta dzwiekowa, zwana tez karta muzyczna, jest
to karta rozszerzen umozliwiajaca prace z
dzwiekiem na komputerze klasy PC. Dzieki nim
mozna zarówno odtwarzac dzwiek, jak i tworzyc
pliki dzwiekowe. Do karty dzwiekowej podlacza sie
takie urzadzenia jak glosniki, wzmacniacz czy
mikrofon badz urzadzenie MIDI (np. syntezator).
Karty dzwiekowe budowane sa na nastepujace
magistrale ISA, PCI
Zlacze umozliwiajace osadzenie karty na plycie
glównej
Gniazda wejscia i wyjscia sygnalów dzwiekowych
Glówne zadanie karty dzwiekowej to przetwarzanie
sygnalów cyfrowych na analogowe (przy odtwarzaniu
dzwieków) lub odwrotnie (przy nagrywaniu dzwieków)
23
Elementy komputera karta sieciowa
Karta sieciowa, karta rozszerzen niezbedna do
podlaczenia komputera do sieci LAN. Do karty
sieciowej mozna podlaczyc kabel koncentryczny lub
kabel typu skretka laczacy komputer z siecia.
Czesto karty maja mozliwosc podlaczenia dwóch
róznych typów kabla. Najwazniejszym parametrem
karty sieciowej jest jej predkosc transmisji,
moze ona wynosic 10 lub 100 Mbps.
Diody sygnalizacyjne
Karty sieciowe budowane sa na nastepujace
magistrale ISA, PCI
Zlacze umozliwiajace osadzenie karty na plycie
glównej
Gniazdo kabla sieciowego
Antena transmisyjna
Najnowsze karty sieciowe obsluguja juz nie tylko
sieci kablowe ale takze sieci radiowe.
24
Elementy komputera dysk twardy
Dysk staly, dysk twardy (angielskie hard disk),
pamiec dyskowa, w której nosnik magnetyczny jest
nalozony na bardzo cienka warstwa (kilka µm) na
niewymienna, sztywna plyte zwana talerzem (lub
zespól plyt na jednej osi), zamknieta w
hermetycznej obudowie. Pozwala na zapisywanie
danych na stale, bez ich utraty po odlaczeniu
zasilania.
Dysk twardy
Obecnie produkuje sie dyski o pojemnosciach Od
kilkuset megabajtów do kilkuset gigabajtów
Glowice magnetyczne sa umieszczone ruchomo nad
warstwami nosnika, nie dotykajac plyty.
Konstrukcja mechaniczna dysku stalego wymaga
duzej precyzji, ale zapewnia bardzo duza
pojemnosc pamieci oraz maly czas dostepu.
Plyty nosnik danych
Glowice magnetyczne
Wnetrze dysku twardego
25
Elementy komputera naped CD-ROM
CD-ROM, dysk CD, Compact Disk Read-Only Memory,
popularny dysk kompaktowy zastosowany w
komputerze jako pamiec tylko odczytywalna. Dane
na dysku CD-ROM zachowywane sa w formacie
binarnym jako mikroskopijne wglebienia w
powierzchni dysku, za pomoca bardzo cienkiej
wiazki lasera emitowanej przez naped CD-ROM dane
moga byc odczytywane. Na plycie CD moze zmiescic
sie do 700 MB danych.
Naped CD-ROM
CD-RW, Compact Disk Read-Write, jest dyskiem CD
umozliwiajacym wielokrotny zapis (do 1000x). Do
zapisu tego nosnika stosowane sa specjalne napedy
które obsluguja takze tradycyjne nosniki
Nosnik CD-RW
26
Elementy komputera naped DVD
DVD, Digital Versatile Disc, rodzaj nosnika
danych, przypominajacy plyte CROM. Ilosc danych
zapisanych na plycie DVD jest jednak duzo
wieksza. Istnieje kilka mozliwych sposobów
nagrywania plyty DVD rózniacych sie pojemnoscia
plyty. Mozna na niej nagrac az do 17 GB danych.
Naped DVD przypomina budowa CD-ROM
Sposób zapisu danych na plycie DVD
Podstawowa róznica pomiedzy CD a DVD polega na
tym ze DVD zapisane jest po obu stronach przy
dodatkowo wiekszej gestosci zapisu. Do
odtwarzania DVD (w przeciwienstwie do CD)
potrzeba sprzetowego urzadzenia do dekodowania
informacji zapisanych na nosniku.
DVD-R najnowsze napedy obslugujace plyty DVD
umozliwiaja ich nagrywanie
Nosnik DVD-R umozliwiajacy zapis
27
Elementy komputera inne urzadzenia

• We wnetrzu obudowy komputera mozna zamontowac
  wiele innych urzadzen realizujacych rózne zadania
  np.
• Modem telefoniczny (umozliwiajacy laczenie sie z
  innymi komputerami poprzez lacza telefoniczne)
• Karty sterujace i pomiarowe moga przeobrazic
  komputer w jednostke zarzadzajaca np. procesem
  produkcyjnym.
• tuner telewizyjny uczyni z komputera PC
  telewizor
• napedy innych nosników danych (np stacja
  dyskietek, streamer, ZIP itp. )

28
Urzadzenia zewnetrzne
Liczba urzadzen zewnetrznych które moga
wspólpracowac z komputerem jest bardzo duza.
Producenci sprzetu peryferyjnego oferuja coraz
nowe rozwiazania w duzej liczbie typów sprawiajac
ze wspólczesny uzytkownik decydujac sie np. na
zakup monitora komputerowego do wyboru ma
dziesiatki marek i setki modeli. Wybrane
urzadzenia peryferyjne

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

• monitory, CRT oraz LCD, rózne przekatne obrazu

• Skanery reczne i stacjonarne

• Glosniki komputerowe

• Projektory multimedialne

29
Urzadzenia zewnetrzne
Drukarki komputerowe, ze wzgledu na kolor druku
kolorowe oraz czarno-biale. Ze wzgledu na
technologie druku

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

• iglowe (stosowane do druku wielokopiowego np.
  faktury)

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

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

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

30
Urzadzenia zewnetrzne

• aparaty cyfrowe

• UPS awaryjny akumulatorpodtrzymujacy napiecie

• sluchawki i mikrofony

• Kamery CCD - internetowe

• tablety graficzne ulatwia poslugiwanie sie
  programami graficznymi takze systemami CAD

• Oraz wiele innych urzadzen takich jak
• zewnetrzne napedy nosników danych
• trackaball (odwrócona myszka)
• czytniki kodów kreskowych
• kasy fiskalne
• urzadzenia z dziedziny automatyki itp..

31
Rodzaje komputerów

• Ogólny podzial komputerów
• superkomputery stosowane w nauce
• duze komputery (ang. mainframe) stosowane np. w
  bankowosci
• minikomputery (najczesciej jako serwery)
  stosowane do obslugi mniejszych przedsiebiorstw,
  grup uzytkowników, sieci komputerowych.
• mikrokomputery przeznaczone dla pojedynczego
  uzytkownika (IBM, MacIntosh)

IBM ZSieries 990 komputer klasy Mainframe.
Superkomputery zajmuja ogromne pomieszczenia,
posiadaja dziesiatki a nawet setki procesorów.
HP 9000 server do zastosowan sieciowych
32
Rodzaje komputerów
Mikrokomputery, komputery osobiste
Stacjonarne komputery osobiste desktop oraz tower
Laptop, Notebook - przenosny komputer
UltraPC lekkie stacjonarno-przenosne komputery
osobiste
Terminal roboczy pelni funkcje komunikatora
pomiedzy uzytkownikiem a duzym komputerem (lub
superkomputerem)
Palmtop kompter mieszczacy sie w dloni, pelni
funkcje notesu elektrocznego