Architektura komputera to sposób

Architektura komputera to sposób

organizacji elementów tworzących

organizacji elementów tworzących

komputer. Termin ten rozumiany

komputer. Termin ten rozumiany

ogólnie może oznaczać zarówno

ogólnie może oznaczać zarówno

organizację połączeń pomiędzy

organizację połączeń pomiędzy

poszczególnymi elementami

poszczególnymi elementami

składowymi komputera jak i bardziej

składowymi komputera jak i bardziej

szczegółowo tzw. model programowy

szczegółowo tzw. model programowy

procesora.Przy okazji owej organizacji

procesora.Przy okazji owej organizacji

strukturalnej komputera przyjrzymy się

strukturalnej komputera przyjrzymy się

zarówno strukturze fizycznej

zarówno strukturze fizycznej

komputera jak i mechanizmowi

komputera jak i mechanizmowi

niektórych procesów zachodzących w

niektórych procesów zachodzących w

jego wnętrzu.

jego wnętrzu.

Podział architektur ze

Podział architektur ze

względu na połączenie

względu na połączenie

procesora i pamięci

procesora i pamięci



taksonomia Flynna – komputer przetwarza

strumienie danych na podstawie strumieni

instrukcji, a klasyfikować komputery należy wg

liczby tych strumieni (od 2 do n)



taksonomia Skilicorna – oparta na

„abstrakcyjnym”, bo nie mającym odpowiednika

w fizycznej strukturze komputera układzie

składników (procesory instrukcji i danych oraz

hierarchię pamięci instrukcji i danych, procesor

współpracuje z odpowiadającą mu hierarchią,

liczba strumieni danych od 1 do n, strumieni

instrukcji od 0 do n)

Typy architektur w

Typy architektur w

taksonomii Flynna

taksonomii Flynna



SISD –typ standardowy



SIMD –procesor macierzowy



MISD- nie do końca jasny typ



MIMD –wieloprocesorowość

Wg Flynna komputery bez strumieni instrukcji

mogą przetwarzać dane (maszyny sterowane

strumieniami danych), ale urządzenia bez

strumieni danych nie są komputerami. Dziś z

taksonomii Flynna największe znaczenie mają

podane wyżej 4-literowe nazwy

Typy taksonomii ze względu na

Typy taksonomii ze względu na

sposób organizacji pamięci i

sposób organizacji pamięci i

wykonywania programów

wykonywania programów



architektura von Neumanna (instrukcje tak jak dane są

przechowywane w komórkach pamięci oraz są

wykonywane przez procesor kolejno-cykl von Neumanna)



architektura Harvard –wariant architektury von

Neumanna z oddzielnymi hierarchiami pamięci instrukcji

i danych (programy wbudowane)



architektura Princeton – wzorcowa maszyna von

Neumanna ze wspólnymi hierarchiami pamięci instrukcji

i danych (nieograniczona możliwość modyfikowania

programów w pamięci i ..samo-modyfikacji)



architektura mieszana Harvard-Princeton (pełna

kontrola systemu operacyjnego nad programami-

dzisiejsze PC-ty)

Ważne elementy składowe

Ważne elementy składowe

jednostki centralnej

jednostki centralnej

komputera PC

komputera PC



Płyta systemowa (główna)



Procesor



Pamięć operacyjna



Chipset



Karty rozszerzające



Urządzenia związane z pamięcią
zewnętrzną

Ewolucja struktury

Ewolucja struktury

wewnętrznej komputera

wewnętrznej komputera



architektura pamięciowo-
centryczna (1960)



architektura szynowa (1970)



architektura dwuszynowa



architektura trójszynowa



architektura współczesnych PC

Architektura pamięciowo-

Architektura pamięciowo-

centryczna

centryczna

Żródło: wazniak..mimuw.edu.pl

Architektura szynowa

Architektura szynowa

Żródło: wazniak..mimuw.edu.pl

Architektura dwuszynowa

Architektura dwuszynowa

Żródło: wazniak..mimuw.edu.pl

Architektura trójszynowa

Architektura trójszynowa

Żródło: wazniak..mimuw.edu.pl

Architektura PC

Architektura PC

Żródło: wazniak..mimuw.edu.pl

Kilka uwag

Kilka uwag

o

o

architekturach

architekturach

strukturalnych

strukturalnych



architektura szynowo-centryczna: procesor

dołączony do pamięci,duże gabaryty, mała

elastyczność, szybka wymiana informacji z pamięcią

zewnętrzną, duży koszt



architektura szynowa - modułowość (równoważne

moduły+szyna), łatwość rozbudowy, mniejszy koszt,

wolna transmisja i wolny dostęp procesora do

pamięci



architektura dwuszynowa- logicznie dla procesora

jedna szyna, zwiększenie szybkości, dzięki

odłączeniu urządzeń zewnętrznych z jednej szyny

(ale niektóre z nich z czasem też „żądały” szybkiej

szyny)

Kilka uwag

Kilka uwag

o

o

architekturach

architekturach

strukturalnych

strukturalnych



architektura trójszynowa – spełnienie
wymagań szybkich urządzeń zewnętrznych,
ale dla podsystemu graficznego wolna
szyna z czasem stała się za wolna



architektura PC- wzrost wydajności
procesora zwiększa zapotrzebowanie na
szybkie łącze z pamięcią, docelowo łącze
wieloprocesorowe wobec tendencji
rozwojowych

Płyta systemowa

Płyta systemowa

Płyta z materiału izolacyjnego z połączeniami

elektrycznymi, na której umieszczono najważniejsze

podzespoły komputera: procesor, pamięci, gniazda

do instalacji kart rozszerzających do ( które dziś

często integruje się z płytą), urządzenia składujące

(dyski, napędy), zasilacz. Na płycie głównej

umieszczony jest także zegar czasu rzeczywistego.

Płyta jest pośrednikiem w komunikacji pomiędzy

innymi elementami. Standard płyty systemowej ma

duży wpływ na jakość procesu przetwarzania

informacji, jest również konstrukcyjnie związany z

typem procesora, montowanymi gniazdami itp.

AT, ATX, BTX, WTX, Mobile-ITX

Procesor (CPU) to jeden z najważniejszych

Procesor (CPU) to jeden z najważniejszych

elementów komputera. Jest urządzeniem

elementów komputera. Jest urządzeniem

zdolnym do samodzielnego pobierania i

zdolnym do samodzielnego pobierania i

wykonywania rozkazów (danych

wykonywania rozkazów (danych

interpretowanych jako rozkazy) z pamięci

interpretowanych jako rozkazy) z pamięci

operacyjnej komputera.

operacyjnej komputera.

W efekcie odgrywa podstawową rolę w

W efekcie odgrywa podstawową rolę w

procesie przetwarzania danych, a także

procesie przetwarzania danych, a także

sterowania pracą innych elementów

sterowania pracą innych elementów

sprzętowych. Częstotliwość taktowania CPU

sprzętowych. Częstotliwość taktowania CPU

jest parametrem mającym decydujące

jest parametrem mającym decydujące

znaczenie dla szybkości przetwarzania

znaczenie dla szybkości przetwarzania

informacji (dla liczby cykli rozkazowych

informacji (dla liczby cykli rozkazowych

wykonywanych w tym samym czasie, w

wykonywanych w tym samym czasie, w

konsekwencji liczby operacji wykonywanych

konsekwencji liczby operacji wykonywanych

w tym samym czasie).

w tym samym czasie).

Wykonywane rozkazy pochodzą z listy rozkazowej

Wykonywane rozkazy pochodzą z listy rozkazowej

procesora. Konstrukcyjnie stanowi układ scalony.

procesora. Konstrukcyjnie stanowi układ scalony.

Parametry: bitowość (zdolność do przetwarzania

Parametry: bitowość (zdolność do przetwarzania

słów określonej długości), szybkość (taktowanie)

słów określonej długości), szybkość (taktowanie)

Współczesne procesory są taktowane zegarami

Współczesne procesory są taktowane zegarami

o częstotliwości rzędu 2-3.5 GHz i wykonywane

o częstotliwości rzędu 2-3.5 GHz i wykonywane

wg nowych technologii realizujących

wg nowych technologii realizujących

wieloprocesorowość (wielordzeniowość).

wieloprocesorowość (wielordzeniowość).

Współczesne komputery posiadają oprócz

Współczesne komputery posiadają oprócz

procesora głównego szereg procesorów

procesora głównego szereg procesorów

pomocniczych: obrazu (GPU), dźwięku,

pomocniczych: obrazu (GPU), dźwięku,

koprocesory arytmetyczne.

koprocesory arytmetyczne.

Wytwórcy:

Wytwórcy:

INTEL (80386,80486, PS/2 Pentium, Core 2,

INTEL (80386,80486, PS/2 Pentium, Core 2,

QUAD)

QUAD)

AMD (Athlon 64 X2, Phenom)

AMD (Athlon 64 X2, Phenom)

Motorola

Motorola Schemat blokowy
procesora

Pamięć operacyjna– część składowa

Pamięć operacyjna– część składowa

komputera służąca do

komputera służąca do

przechowywania danych

przechowywania danych

Pamięć operacyjna- pamięć o strukturze
integralnej, adresowana i dostępna bezpośrednio
dla procesora służąca do przechowywania
kodu aktualnie wykonywanych programów
i innych niezbędnych danych. Obecnie wyłącznie
elektroniczna
Najogólniej wyróżniamy w jej ramach pamięci
trwałe, nieulotne (ROM, EPROM) oraz pamięć
swobodnego dostępu, generalnie nietrwałą
(RAM).

Typy pamięci

Typy pamięci



pamięć RAM (dynamiczna pamięć
operacyjna przeznaczona dla danych i
programów użytkownika)



pamięć ROM (pamięć stała zawierająca
procedury inicjalizujące oraz tzw. BIOS)
i inne pokrewne pamięci trwałe



pamięć EPROM (procedury BIOS –
zestaw podstawowych procedur obsługi
urządzeń wejścia-wyjścia)

Inne pokrewne pamięci

Inne pokrewne pamięci

operacyjnej pojęcia

operacyjnej pojęcia



pamięć podręczna cache (swoisty

pośrednik procesor-pamięć

umożliwiająca szybki dostęp do

danych ostatnio pobieranych,

technologicznie o wyższej jakości,w

praktyce jest to często szeregowy

układ takich pamięci)



pamięć obrazu



bufor drukarki

Pamięć zewnętrzna (masowa)- pamięć

Pamięć zewnętrzna (masowa)- pamięć

stanowiąca trwałe zabezpieczenie

stanowiąca trwałe zabezpieczenie

pamięci operacyjnej, zapewniająca

pamięci operacyjnej, zapewniająca

przechowanie danych

przechowanie danych

i programów na różnego typu nośnikach

i programów na różnego typu nośnikach

zewnętrznych

zewnętrznych

.

.

Ze względu na sposób jej organizacji i

typ nośnika może mieć charakter

sekwencyjny (np. taśmowa ) lub

sekwencyjno-cykliczny (np. dyskowa).

Wybrane nośniki pamięci

Wybrane nośniki pamięci

zewnętrznej dawniej i

zewnętrznej dawniej i

obecnie

obecnie



Bęben magnetyczny



Taśma magnetyczna



Dysk magnetyczny (dysk twardy, dyskietka)



Karta magnetyczna



Dysk optyczny (CD, DVD, technologie

wysokiej gęstości zapisu)



Dysk elektroniczny



Pendrive



Karty pamięci

Fizyczne aspekty zapisu danych

Fizyczne aspekty zapisu danych

na nośnikach dyskowych

na nośnikach dyskowych



dyskietka- głowica zapisująco-
odczytująca+sterowanie elektroniczne
(kontroler napędu dysków elastycznych)



dysk twardy – talerze + napędy +kontroler
dysku



sektor=512 bajtów jako podstawowy
element struktury fizycznej dysku
wchodzący w skład ścieżki (jednakowe
koncentryczne okręgi w przypadku
dyskietki, cylindry na dysku)

Dysk twardy-struktura

Dysk twardy-struktura



ze względu na strukturę fizyczną dysku twardego mamy

dyski, gdzie występują cylindry (przestrzennie ułożone na

kolejnych talerzach dyskowych ścieżki o tych samych

numerach obsługiwane przez odpowiednie zespoły głowic

poruszane jednym mechanizmem)- dyski HDD. Struktura

najnowszych dysków (SSD) oparta jest o inne rozwiązania

(karty pamięci), ale ich pojemność tylko do 64 GB



w strukturze logicznej dysku pojawia się pojęcie klastrów

(jednostek alokacji dla cylindrów) oraz partycji czyli kolejno

numerowanych sektorów albo przyległych cylindrów(zależnie

od sposobu adresowania powierzchni roboczej dysku) .

Partycje mogą być administrowane tak jak napędy logiczne

(można im przypisać oznaczenie literowe). Szczegółowe dane

o położeniu partycji i liczbie składających się na nią sektorów

są pamiętane (sposób zależy od tzw. systemu plików)

Dysk twardy-standardy

Dysk twardy-standardy

dyskowe, uzupełnienia

dyskowe, uzupełnienia



szczegóły obsługi dysku i współpracy z nim

przez inne urządzenia opisuje tzw. standard

dysku. Przez lata dominował tzw. standard ST.

Potem były: IDE, ESDI,SCSI. ATA. Najnowsze

dyski to standard SATA- mowa o typie HDD



problem ew. ograniczeń pojemności od

początku wiązał się z kwestia możliwości

zaadresowania (objęcia) całej powierzchni

dysku



technika dostępu do powierzchni dysku była

zależna od systemu operacyjnego oraz BIOSU

Dysk optyczny- dysk przechowujący informacje które są

Dysk optyczny- dysk przechowujący informacje które są

odczytywane przy pomocy promienia laserowego

odczytywane przy pomocy promienia laserowego

(odtwarzacz laserowy). Używane często do zapisu

(odtwarzacz laserowy). Używane często do zapisu

informacji o bardziej złożonym charakterze (grafika

informacji o bardziej złożonym charakterze (grafika

animowana, muzyka, obraz TV). Mamy dyski tylko do

animowana, muzyka, obraz TV). Mamy dyski tylko do

odczytu oraz także możliwe do zapisu (jednokrotny lub

odczytu oraz także możliwe do zapisu (jednokrotny lub

wielokrotny).

wielokrotny).

Zapis informacji na dysku optycznym wymaga

Zapis informacji na dysku optycznym wymaga

wyposażenia komputera nie w standardowy napęd

wyposażenia komputera nie w standardowy napęd

optyczny, ale w nagrywarkę takich dysków. Może być

optyczny, ale w nagrywarkę takich dysków. Może być

dwustronny i dwuwarstwowy

dwustronny i dwuwarstwowy

Standard CD istnieje od 1982 – pojemność do 800 MB.

Standard CD istnieje od 1982 – pojemność do 800 MB.

Następca były standardy DVD różnych producentów

Następca były standardy DVD różnych producentów

gwarantujące możliwości zapisu od 4,6 Gb do 17 Gb.

gwarantujące możliwości zapisu od 4,6 Gb do 17 Gb.

Jeszcze nowsze rozwiązania: stanowią HD DVD, a

Jeszcze nowsze rozwiązania: stanowią HD DVD, a

zwłaszcza technologia Blue Ray, która przy

zwłaszcza technologia Blue Ray, która przy

standardowych 2 warstwach daje możliwość zapisu 50

standardowych 2 warstwach daje możliwość zapisu 50

Gb, a przy 8 warstwach nawet 200 Gb poprzez

Gb, a przy 8 warstwach nawet 200 Gb poprzez

zmniejszenie długości światła laserowego oraz

zmniejszenie długości światła laserowego oraz

zwiększenie zdolności skupiającej soczewki lasera

zwiększenie zdolności skupiającej soczewki lasera

Pamięci USB

Pamięci USB



różnorodne nazewnictwo, liczne modele



mała wielkość



elastyczność użycia (bezpośrednio podłączana do portu

USB)



duża trwałość (np. w porównaniu z dyskietką)



wysoka szybkość transferu informacji



duża pojemność



nie wymaga dodatkowych sterowników



niskie użycie energii



specyfika:niskie tempo pracy z małymi plikami



ewolucja (przy złączu 2.0) przyczyna ograniczeń

szybkości transferu tkwi już na ogół po stronie pamięci

Karta rozszerzająca- układ

Karta rozszerzająca- układ

elektroniczny pośredniczący w

elektroniczny pośredniczący w

wymianie informacji pomiędzy

wymianie informacji pomiędzy

komputerem,a urządzeniem

komputerem,a urządzeniem

zewnętrznym.

zewnętrznym.

•

karta graficzna-układ sprzęgający komputer z

monitorem, zajmuje się generowaniem obrazu i

przekształcaniem go do sygnału wizji

interpretowanego przez monitor

•

karta muzyczna (dźwiękowa)

•

karta TV (graficzna z wyjściem TV)

•

karta sieciowa

Obecna tendencja : silna integracja kart z płytą

systemową

Karta graficzna-element zapewniający

Karta graficzna-element zapewniający

wyświetlanie tekstów i grafiki na ekranie

wyświetlanie tekstów i grafiki na ekranie

monitora. Ma związek m.innymi z :

monitora. Ma związek m.innymi z :

•

rozdzielczością

•

układem kolorów (maksymalna
liczba kolorów)

•

kształtem i wielkością znaków w
trybie tekstowym

X

Y

X na Y – rozdzielczość monitora

Pamięć obrazu

Pamięć obrazu



statyczna strona obrazu zajmuje:

P= p*l*c

p*l – rozdzielczość
c- liczba bajtów potrzebna do
przedstawienia koloru piksela (np. w
trybie True Color 3 bajty)

Np. na obraz High Colour potrzeba w trybie 600*480 około 600

KB.

Znaczne obciążania pamięci wiążą się z akceleratorem 3D.

Kolorowy obraz Windows (2

16

barw ) w trybie 1024*768 to już 1, 6

MB pamięci graficznej

Pamięć obrazu musi być pamięcią bardzo szybką, niezauważalnie

godząc opcje zapisu obrazu i jego odczytu.

Magistrala AGP –dedykowana magistrala obsługująca kontroler

grafiki

Współpraca karty

Współpraca karty

graficznej z innymi

graficznej z innymi

elementami komputera

elementami komputera

Monitor

Akcelerator

graficzny

3D

Pamięć

lokalna

Chipset

CPU

AGP

Pamięć

operacyjna

AGP nie przyspiesza operacji graficznych,

ale zwiększa wydajność procesora graficznego

Tryby kart-tekstowy

Tryby kart-tekstowy



wyświetlanie znaków w trybie tekstowym

odbywa się dość szybko, gdyż wiąże się z

przesłaniem dwóch bajtów (jeden to kod

znaku, drugi jego atrybut)



standardowe zestawy znaków zapisane są w

pamięci stałej



pamięć obrazu może przechować około 8

stron tekstu



główne tryby tekstowe dokonują podziału

ekranu na 25 wierszy na 80 kolumn, albo na

25 wierszy na 40 kolumn

Tryby kart- graficzny

Tryby kart- graficzny



organizacja pamięci obrazu zmienia
się zależnie od szczegółowego
trybu



obraz pamiętany jest jednak
kolejnymi liniami poziomymi



wspomniane tryby sięgają rzędu
2000 pikseli, gdy idzie o
rozdzielczość

Ewolucja kart graficznych

Ewolucja kart graficznych



dzisiejsze karty mają rozdzielczości ponad

2000 w istocie stanowią akcelerator 3D,

zawierający akcelerator video

( rozkodowywanie klatek w czasie

rzeczywistym,przeskalowanie obrazu na cały

ekran, odciążenie od procesora) , procesor

graficzny konkurencyjny ze zwykłym , coraz

większa pamięć rzędu Gb (choć standard

poniżej 1 Gb), wspomaganie odtwarzania

sygnału z płyt DVD – rozwój kart w dużej

mierze wiązał się z rozwojem sektora gier

komputerowych

Kilka słów o monitorze

Kilka słów o monitorze



optymalne wykorzystanie możliwości karty graficznej

gwarantuje monitor o odpowiednich parametrach



słaby monitor nie zagwarantuje trybów wysokiej rozdzielczości

oferowanych przez kartę, dobry marnuje się przy karcie niskiej

jakości (np.bez akceleracji 3D, ze słabą rozdzielczością)



monitor, by mógł sprostać wymogom rozdzielczości musi mieć

odpowiednia częstotliwość tzw. odświeżania poziomego.

Zależność tych dwóch wielkości określa odpowiedni wzór.

Przekroczenie maksymalnej określonej w instrukcji

częstotliwości odświeżania danego monitora nawet o 5 % grozi

brakiem synchronizacji z kartą



ergonomiczna częstotliwość odświeżania karty to więcej niż 72

Hz



monitory LCD (gabaryty, brak podświeżania, ostrość,

geometria obrazu, ograniczone promieniowanie)

Urządzenia zewnętrzne (peryferyjne)

Urządzenia zewnętrzne (peryferyjne)

– urządzenia nie będące częścią

– urządzenia nie będące częścią

składową jednostki centralnej, ale z

składową jednostki centralnej, ale z

nią sprzężone

nią sprzężone

i przez nią sterowane poprzez układy

i przez nią sterowane poprzez układy

(urządzenia) wejścia-wyjścia. Służą

(urządzenia) wejścia-wyjścia. Służą

do wprowadzania i wyprowadzania

do wprowadzania i wyprowadzania

informacji komputera w postaci

informacji komputera w postaci

użytecznej dla człowieka.

użytecznej dla człowieka.

Urządzenia zewnętrzne -

Urządzenia zewnętrzne -

przykłady

przykłady

Drukarka- urządzenie wyprowadzające

informacje

w postaci drukowanej (tak tekst jak i grafikę).
Jednym z podstawowych parametrów jest

rozdzielczość drukarek mierzona w tzw. DPI

(liczba punktów na cal). Ze względu na sposób

drukowania wyróżniamy m.innymi drukarki:



igłowe



atramentowe



laserowe



termiczne

Urządzenia zewnętrzne-

Urządzenia zewnętrzne-

przykłady

przykłady



mysz



skaner- urządzenie umożliwiające wprowadzanie

do pamięci komputera obrazów dzięki

wyposażeniu w specjalny czytnik optyczny



plotter – urządzenie kreślące sterowane przez

komputer, często wykorzystywany do

wykonywania prac projektowych, różnokolorowy



modem – urządzenie elektroniczne

wykorzystywane do transmisji informacji pomiędzy

komputerem, a siecią telekomunikacyjną

(modulacja, demodulacja), modemy ISDN



laserowy czytnik kart

Wybrane inne urządzenia

Wybrane inne urządzenia

zewnętrzne

zewnętrzne



kamera cyfrowa



aparat cyfrowy z własną pamięcią



pióro świetlne



projektor



urządzenia zabezpieczające i
stabilizujące napięcie ( UPS, filtry,
bezpieczniki)



urządzenia bezprzewodowe

Typy portów

Typy portów



równoległe (LPT)



szeregowe (COM)



porty typu USB (uniwersalne,
wyparł praktycznie dwa pozostałe)

Port USB

Port USB



stał się próbą utworzenia jednolitego standardu wobec

mnogości urządzeń podłączanych współcześnie do

komputera (różnorodność gniazdek i wtyczek), w efekcie

do taniej i prostej magistrali można podłączyć ogromny

zakres urządzeń peryferyjnych o różnej klasie i

prędkości z jednoczesnym zagwarantowaniem

optymalnego wykorzystania przepustowości pasma

(kanały przepustowości)



magistrala jest typu szeregowego (stąd przejął

skutecznie rolę portu COM)



magistrala automatycznie rozpoznaje podłączane

urządzenia i konfiguruje się automatycznie podczas

pracy, urządzeniom identyfikator przyznaje kontroler

USB

Co możemy podłączyć do

Co możemy podłączyć do

portu(złącza) USB

portu(złącza) USB



klawiatury i myszy wykonane w standardzie USB



drukarki ze złączem USB



skanery



większość urządzeń peryferyjnych nowej generacji: kamery

cyfrowe, aparaty cyfrowe, czytniki kart i szerzej różnych

kompaktowych mediów (np.. Czytniki kart kredytowych)



kontrolery gier



systemy zabezpieczeń (np. rozpoznawania linii papilarnych)



kieszenie USB umożliwiają montaż dysku i napędów innych

nośników wymiennych (drobne ograniczenia przy napędach

dysków optycznych z możliwością zapisu)



na bazie złącza USB można tworzyć prostą sieć

komputerową (dwa komputery)