PV094-Technicke-vybaveni-pocitacu.md

Technické vybavení počítačů

1. přednáška - 17. 09. 2018

Konzultační hodiny

• Út: 11:00 - 12:30
• Čt: 10:00 - 11:30

Zkouška:

• pouze písemná
• 8 otázek, otevřená forma
• maximum 16 bodů, alespoň 8 bodů na E
• 70 minut čistého času

Základní pojmy

Počítač

• stroj na zpracování informací
• pracuje pomocí předem vytvořeného programu
• počítač narozdíl od kalkulačky je schopen akceptovat data a vyhodnotit je

Informace

• data, která se strojově zpracovávají
• ve smyslu filozofickém vše, co nám nebo něčemu podává vědění

Program

• algoritmus zapsaný v programovacím jazyce, který řeší nějaký konkrétní úkol
• na úrovni technického vybavení počítače chápeme program spíše jako posloupnost instrukcí

Instrukce

• předpis k provedení činnosti realizovatelný přímo technickým vybvením počítače
• příkladem toho jsou přičtení jedničky, uložení hodnoty do paměti či načtění hodnoty z operační paměť

Hardware (technické vybavení počítače

• souhrnný název pro veškerá fyzická zařízení, kterými je počítač vybaven

Software (programové vybavení počítače)

• souhrnný název pro veškeré programy, které mohou na počítači pracovat
• software je možno rozdělit na:
  • systémový software = operační systémy, ovladače zařízení, utility pro správu systému
  • aplikační software = textové editory, grafické editory, grafické hry, databázové systémy

Firmware

• programové vybavení, které tvoří součást technického vybavení
• až na výjimky nemůže být uživatelem modifikováno . při modifikaci je třeba být opatrný (například update na novější BIOS, který může být však spjat pouze s určitým typem základní desky)
• chytré řešení od GIGABYTE (dva BIOSy, jeden jako záložní)
• např. BIOS

Řadič

• jinak zvaný jako controller
• zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost signálů ovládajících připojené zařízení
• zařízení, které řídí činnosti jiného zařízení

Sběrnice

• soustava vodičů, která umožňuje přenos signálu mezi jednotlivými částmi počítače
• pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data
• existují mnohé druhy a řady sběrnic, jako například adresová, datová či rozšiřující sběrnice (slouží tedy k osazení rozšiřujících periférií, jako jsou třeba karty grafické)

Integrovaný obvod

• elektronická součástka realizující určité množství obvodových prvků neoddělitelně spojených na povrchu nebo uvnitř určitého spojitého tělesa, aby se dosáhlo ucelené funkce elektronického obvodu

Vstupní/výstupní zařízení (I/O devices)

• zařízení určená pro vstup a výstup dat
• např. disky (pevné, pružné), páskové mechaniky, monitor, scanner, ploter, tiskárna etc.

BIOS (ROM BIOS)

• z celého anglického Basic Input Output System
• programov vybaavení v paměti ROM (EPROM, EEPROM, Flash)
• zajišťuje nejzákladnější funkce (např. zavedení OS)

Jednotky informace

bit

• 1 bit (binary digit - dvojková číslice):
• základní jednotka informace
• označuje se malým písmenem b
• může nabývat pouze hodnot 0 a 1
• poskytuje množství informace potřebné k rozhodnutí mezi dvěma možnostmi

Byte

• jednotka odpovídající 8 bitům

Word

• jednotka informace
• platí 1 W = 2 B = 16 b
• občas se užívá i doubleword (1W = 32 b)

Paměť

Pamět

• zařízení sloužící k uchování informací (binárně kódovaných dat)
• kapacita paměti - množství informací, které lze do paměti uložit, udává se v bytech
• zpravidla se užívají předpony (kilo-, mega-, giga-, tera-)
• 1kB = 1024 B (2¹⁰ B)
• bývá rozdělena na buňky jednoznačně identifikovatelné svým číslem (adresa paměti)
• nejmenší adresovatelná jednotka - velikost buňky, která má svou vlastní adresu
  • velikost je variabilní, zpravidla bývá 1 byte (v dnešní době)
  • pružné disky však měli nejmenší adresovatelnou jednotku 1 sektor (čili 512 bytů), čtení a zápis probíhal pouze v sektorech

Rozdělení paměťi

• Vnitřní (operační) - slouží k uchování momentálně zpracovaných dat a programů, realizuje se polovodičovými součástkami

• Vnější (periferní) - slouží k dlouhodobějšímu uchování dat, realizuje se na principu magnetického (či optického) záznamu dat)

• vnější paměťi jsou pomalejší, ale za to mají větší kapacitu

• RAM (Random Access Memory) - paměť pro čtení i zápis dat

• ROM (Read Only Memory) - paměť pouze pro čtení dat

• existují i další paměti typu PROM, EPROM, EEPROM (označovali se také jako WORM - Write Once Read Many)

• Paměť s přímým přístupem - dovoluje okamžitě přistoupit k místo s libovolnou adresou

• Paměť se sekvenčním přístupem - pro přístup k libovolnému místu s adresou N je třeba přečíst všechna předchozí místa (0 až n-1), příkladem je třeba páska

• Registr - velmi rychlé paměťové místo (o malé kapacitě v jednotkách bytů) umístěné zpravidla uvnitř procesoru

Von Neumannovo schéma

Operační paměť

• slouží k ukládání dat, se kterými se pracuje
• uchovává také jednotlivé instrukce programu

ALU

• aritmeticko-logická jednotka
• jednotka sloužící k provádění aritmetických a logických operací
• obsahuje sčítačky, násobičky, komparátory
• dá se přidat i rozšíření jako jsou třeba matematický koprocesor

Řadič

• řídící jednotka, stará se o činnost veškerých ostatních zařízení
• dostává stavová hlášení z jednotlivých zařízení

Vstupní a výstupní zařízení

• slouží k příjmu a výstupu dat

Princip funkčnosti

1. prostřednictvím vstupního zařízení se načtou data a program
2. program i data se přes ALU se načte do operační paměťi
3. ALU začne provádět program, mezivýsledky ukládá do operační paměťi
4. výsledek posílá ALU na výstupní zařízení
5. po celou dobu provádění programu kontroluje řadič správné provádění instrukcí

• procesor je zastoupen řadičem a ALU
• v dnešní době už se toto schéma moc nepoužívá, nicméně hlavní myšlenka zůstává zachována (mám program, ten dělá nějakou činnost, dám ho ke zpracování počítači, ten na jeho základě vykonává svou činnost)

Historie počítačů

0. generace

• rok 1940
• velký počet skříní
• operace za sekundu v rámci jednotek
• součástka: relé (sepne/nesepne, 1 nebo 0)
• bug = hmyz vletí do relé a omylem sepne obvod, součástka pak nefunguje :D

1. generace

• rok 1950

• desítky skříní

• 10 - 1000 operací za sekundu

• součástka: elektronky

• vybudovány podle von Neumannova schématu

• charakteristický diskrétní režim

• neexistují vyšší programovací jazyky

• neexistují operační systémy

• používány především pro vědeckotechnické výpočty

• př. ENIAC I, MARK-I, UNIVAC I, BECM

2. generace

• rok 1958

• do 10 skříní

• tisíce operací za sekundu

• součástka: tranzistor

• charakteristický dávkový režim práce (nasadíme dávku práce, program zpracuje postupně sám)

• vznikají první operační systémy

• vznikají vyšší programovací jazyky (Fortran, Cobol, Algol)

• používají se pro vědeckotechnické výpočty a hromadné zpracování dat

• př. UNIVAC, IBM1401, URAL 1

3. generace

• rok 1964

• do 5 skříní

• desetitisíce operací za sekundu

• součástka: IO (integrovaný obvod, SSI v kombinaci MSI)

• začíná se objevovat paralelní zpracování programů (aby počítač mohl zpracovávat data a periférie třeba tisknout výsledky)

• zdokonalují se operační systémy

• vznikají další vyšší programovací jazyky (SIMULA, PL/1, C, Pascal, Prolog)

• př. IBM 360, UNIVAC, SIEMENS, BURROUGHS, CDC

3 a 1/2 generace

• rok 1972
• 1 skříň
• statisíce operací za sekundu
• součástka: IO (LSI, 1 000 - 10 000 logických členů)

4. generace

• rok 1981
• 1 skříň
• desítky milipnů operací za sekundu
• součástka IO (VLSI, 100 000+ logických členů)

Technologie výroby integrovaných obvodů

Tranzistor

• polovodičová součástka, která má tři elektrody (báze, kolektor, emitor)
• NPN - kolektor je +
• PNP - kolektor je - (je uzemněn)

TTL

• Transistor Transistor Logic

• rychlá, ale drahá technologie

• základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor (NPN, PNP)

• nevýhoda: velká soustřeba el. energie, velké zahřívání takových obvodů insert image of NPN, PNP

• základní zapojení: invertor (mění 1 na 0 a obráceně) insert image of invertor circuit

• tranzistor lze využít jako spínač (invertor), není však nejlepší

Na bázi přivedeme vysoký proud, tranzistor sepne, mezi vývodem a negovanou hodnotou je nulové napětí, představuje logickou nulu Na bázi přivedeme nízký proud, tranzistor nesepne, toto představuje velký odpor. Podle Ohmova zákona velký odpor znamená velké napětí, což představuje logickou jedničku

PMOS

• Positive Metal Oxide Semiconductor
• technologie používající unipolární tranzistor MOS
• je řízená elektrickým polem, nikoli elektrickým pole
• má menší příkon, tudíž redukuje nároky na spotřebu elektrické energie
• jedná se však o pomalou a dnes již samosatně nepoužívanou technologie (v kombinaci s NMOS se stále používá)

NMOS

• Negative Metal Oxide Semiconductor
• technologie využícící unipolární tranzistor MOS s negativním vodivostním kanálem
• používala se zhruba do začátku 80. let
• levnější a efektivnější než TTL, rychlejší než PMOS

CMOS

• Complementary MOS
• technologie spojující v jednom návrhu prvky tranzistorů PMOS i NMOS
• obvody CMOS mají malou spotřebu
• používají se pro výrobu velké části dnešních moderních integrovaných obvodů
• jiné pojmenování elektrod: báze = gate, kolektor = drain, source = emitor
• PMOS - šipka vede z báze ven
• NMOS - šipka vede směrem dovnitř báze insert image of invertor curcuit in CMOS technology

Invertor v CMOS využívá dvou tranzistorů NMOS a PMOS, které mají opačnou vodivost. Při přivedení proudu vždy jeden z nich sepne, druhý nesepne a bude zastupovat rezistor. (vytvářet odpor) Malé napětí (sepnutí) na NMOS představuje 0, malé napětí na PMOS představuje 1.

BiCMOS

• Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor
• technologie spojujícíc na jednom čipu prvky bipolární technologie i technologie CMS
• používána zejména firmou Intel k výrobě mikroprocesorů (řada Pentium)

Základní jednotka

** Obsahuje zpravidla:**

• základní desku (mainboard, motherboard) a zařízení na ní integrovaná (síťová, zvuková, grafická karta)
  • občas nevýhodné (grafická karta), protože je třeba na náročnější operace pořídit dodatečné lepší periférie
  • nicméně v případě síťové karty to nemusí být špatné
  • v současné době se snaží výrobci dávat co nejvíce na motherboard
• procesor
  • je třeba, aby byl kompatabilní se základní deskou
• numerický koprocesor
  • původně byl zakomponován ve zvlášním slotu na základní desce
  • aktuálně jej obsahují všechny procesory
• paměť (jak vnitřní - operační, tak vnější - diskové jednotky, páskové jednotky)
• řídící jednotky vnější paměť
  • původně
  • dříve se jednalo o řadiče, které zodpovídali za řízení pevného disku
  • v současné době jednodušší pro výrobce pevných disků (výrobce vyrobí pevný disk a řídící jednotku a jen zajistí, aby byla kompatabilní s používaným rozhraním)
• rozšiřující karty: grafická, zvuková, faxmodemová, síťová karta
• napájecí zdroj

Periférní zařízení

• klávesnice
• zobrazovací jednotka (monitor - na principu katodové trubice, LCD displej)
• myš, trackball (původně), touchpad
• tiskárna
• souřadnicový zapisovač (plotter)
• modem
• scanner
• externí diskové jednotky:
  • CD-ROM, CD-R, CD-RW (liší se možností zápisu)
  • DVD, BD (Blue-Ray disc)
  • magnetooptické disky
  • ZIP, JAZZ (ZIP mají větší kapacitu, JAZZ jsou menší pevné disky)
• zařízení připojitelná ke zvukové kartě (reproduktory, mikrofon, syntetizátor)