Architektura współczesnych komputerów
TStrona
Tytuł
Stron
ytu a
ł 1 1
biuletynu
biuletynu
W y ż s z a S z k o ł a Za r z ą Tytuł
d z a n i a biu
TytułOc Shrletynu
trona
biuoną Pra 3
letynu
Strona 5
c y
w K a t o w i ca c h
Gdfgdfgdfg
TECHNOLOGIA INFORMACYJNA
HARDWARE I ARCHITEKTURA KOMPUTERÓW
przygotował dr Piotr Tkacz
e-mail: tpeter@wp.pl ptkacz@wszop.edu.pl
Hardware i architektura współczesnych komputerów
Hardware – słowo określające wszystkie materialne części (podzespoły) komputera,
a także sprzęt peryferyjny, do którego zalicza się urządzenia współpracujące
bezpośrednio z komputerem, np. drukarki. Komputery współczesne mają najczęściej
budowę modułową, dzięki czemu możliwe jest stosunkowo łatwe i niedrogie
rozbudowanie lub unowocześnienie.
(slajd 2) Jednostka centralna – typowy zestaw komputerowy obejmuje:
właściwy komputer którego podzespoły umiejscowione są w jednostce centralnej,
monitor, klawiaturę i mysz.
(slajd 3) Obudowa – stosuje się różne wielkości i orientacje jednostek centralnych.
Często spotyka się pionową orientację w obudowach tower. Rzadziej spotykane
poziome usytuowanie jednostek desktop umożliwia zaoszczędzenie nieco miejsca.
(slajd 4) AT i ATX – W architekturze jednostek centralnych wyróżnia się standard
starszy AT oraz obecnie stosowany ATX. AT od ATX różnią się rozmiarami oraz różnym
rozmieszczeniem elementów wewnątrz. Oba standardy są niekompatybilne. Obudowy
ATX mają zapewniać lepsze rozlokowanie elementów wewnątrz obudowy – chodzi o
lepszy przepływ powietrza oraz dogodniejszy dostęp do wnętrza w celu rozbudowy,
wymiany czy napraw.
(slajd 5) Obraz termiczny wnętrza jednostki centralnej – zdjęcie przedstawia które
podzespoły komputera nagrzewają się i szczególnie wymagają chłodzenia.
(slajd 6) Płyta główna – najważniejszy element jednostki centralnej w postaci
laminatu kilkuwarstwowego z zespoloną elektroniką i połączeniami elektrycznymi.
Jakość wykonania i parametry płyty głównej, w największym stopniu determinują
sprawność obliczeniową i możliwości komputera.
Główne elementy składowe:
•
Gniazdo procesora
•
Chipset
•
Gniazda pamięci RAM
•
Pamięci typu ROM np. BIOS
rok akademicki 2008/2009
Strona 1
Architektura współczesnych komputerów
•
Magistrale
•
Gniazda rozszerzeń i inne porty
(slajd 7) Gniazdo procesora - miejsce do zamontowania procesora – wyróżnia się
różne gniazda w zależności od producenta i modelu.
(slajd 8) Przykłady gniazd procesorów – obecnie stosowane jak i starsze -
poszczególne typy gniazd są niekompatybilne - może to być niedopasowanie zarówno
mechaniczne jak i elektryczne.
(slajd 9) Chipset - zestaw wyspecjalizowanych układów scalonych na płycie głównej,
których zadaniem jest pośredniczenie w wymianie informacji między procesorem
a innymi elementami systemu, poprzez tzw. magistrale. Jakość wykonania i sprawność
pracy chipsetu komputera, determinuje rzeczywistą sprawność prac użytkownika
zestawu komputerowego.
(slajd 10) Elementy na płycie głównej
• Gniazda pamięci RAM - do montowania pamięci operacyjnej komputera
• Pamięci typu ROM np. BIOS – pamięć stała, procedury autotestowe, dane
konfiguracyjne
• Magistrale – widoczne pod postacią gniazd, jak również niewidoczne miejsca
transportu impulsów elektrycznych np. magistrala systemowa FSB występująca
między procesorem a chipsetem
• Gniazda rozszerzeń - do montażu innych kart
(slajd 11) Karty rozszerzeń – karty z układami elektronicznymi do określonych celów:
karty graficzne (do wyświetlania grafiki na ekranie), karty dźwiękowe (do odtwarzania
dźwięków), karty faksowe, karty TV i radiowe, karty sieciowe, karty modemowe, inne.
(slajd 12) Płyta główna zintegrowana - Obecnie częste rozwiązanie to płyta główna
zintegrowana (z grafiką, dźwiękiem lub innymi funkcjami) – nie trzeba kupować
osobnych kart (graficznej, dźwiękowej, sieciowej, etc), odpowiednia elektronika jest
już wlutowana w płytę główną – zalety: szybkość, bezawaryjność, mniejsza cena –
wady: kłopoty w przypadku modyfikacji, słabsze parametry.
Cechy płyt głównych - rodzaj gniazda pod procesor, typ chipsetu, częstotliwości
taktowania (pracy) płyty głównej np. 533 MHz, 800 MHz, rodzaj BIOS’u
(slajd 14) Rodzaje pamięci – Pamięć – element elektroniczny w postaci układów
scalonych służący do przechowywania danych - główne cechy to pojemność podawana
w MB lub GB, częstotliwość pracy w Hz.
Rodzaje pamięci - RAM - pamięć (swobodnego dostępu, pamięć robocza lub
operacyjna komputera) do przechowywania programów czy danych podczas pracy
komputera (po wyłączeniu komputera dane są bezpowrotnie utracone). Dziś nowe
rok akademicki 2008/2009
Strona 2
Architektura współczesnych komputerów
komputery zawierają od 1024 MB - megabajtów (1GB - gigabajta) pamięci RAM.
Wyróżnia się pamięci ze względu na swoją architekturę i rodzaj łącza (ilość tzw.
pinów) np. SIMM (starsze już nie produkowane), DIMM oraz DDR i najnowsze DDR2
i DDR3.
ROM - pamięć tylko do odczytu, służy do zachowywania danych podczas braku zasilania
elementów komputera; między innymi zawiera programy służące do włączania
i diagnozowania komputera, istnieją pamięci ROM programowalne – tzw. Flash do
obsługi dysków twardych, BIOS-a.
(slajd 17) – Moduły pamięci charakteryzują się: częstotliwością pracy np. 133 MHz,
266 MHz, czasem dostępu np. 5 ns (czas dostępu do danych w przypadku pamięci RAM
jest rzędu nanosekund), pojemnością np. 512 MB, 1 GB, 2 GB.
Czas dostępu - czas potrzebny na odnalezienie żądanych informacji, znajdujących się
na przykład na twardym dysku, nazwany jest czasem dostępu; najkrótszy czas dostępu
posiada pamięć operacyjna komputera, z której dane odczytywane są najszybciej,
najdłuższy zaś – miękkie dyskietki magnetyczne.
(slajd 18) - Jeden znak 0 (zero) lub 1 (jedynka) to bit – oznaczany małą literą b.
Bit to najmniejsza jednostka pamięci w informatyce.
Osiem bitów to bajt np. 00101110 – za pomocą bitów zapisuje się
w sposób binarny wszystkie dane – obwody elektryczne komputera przesyłają sygnały
elektryczne – impuls elektryczny to symboliczna 1 (jedynka) brak sygnału 0 (zero).
Dane zapisywane są również w sposób binarny na wszelkich nośnikach (płytach
optycznych, kartach pamięci, pamięciach magnetycznych, etc). Bajty oznacza się dużą
literą B.
1 kB (1 kilobajt) = 1024 B
(slajd 19) – przykład pamięci ROM - BIOS – zawiera podstawowe procedury (wejścia,
wyjścia) zapisane na stałe w pamięci ROM; są wymagane do m.in. testowania
podzespołów komputera podczas jego włączania.
(slajd 20) - Magistrala (szyna danych) – łącze służące do wymiany lub przesyłania
danych pomiędzy procesorem a innymi elementami komputera; także określenie dla
gniazda lub też specjalnie wydzielonego na płycie głównej miejsca do wymiany
informacji w postaci impulsów elektrycznych. Najbardziej znane magistrale to: ISA
(obecnie przestarzała), PCI (najnowsze PCI Express) oraz AGP. Wymienione magistrale
służą do przyłączania do płyty głównej kart rozszerzeń.
(slajd 21) - Do przyłączania kart graficznych najczęściej wykorzystuje się standard
AGP oraz PCI Express
(slajd 22) - Karta graficzna – jeden z najważniejszych elementów komputera, pozwala
na generowanie grafiki na ekranie monitora. Najważniejsze cechy to ilość pamięci
karty (obecnie np. 256, 512 MB) która wpływa na ilość kolorów i rozdzielczość. Ważną
rok akademicki 2008/2009
Strona 3
Architektura współczesnych komputerów
cechą może być także możliwość obsługi sygnału video, telewizji kablowej,
satelitarnej.
(slajd 23, 24, 25) Procesor - (mikroprocesor, CPU - centralna jednostka obliczeniowa)
element elektroniczny w postaci układu scalonego - główny element komputera,
wykonuje wszystkie programy i kieruje pracą pozostałych elementów. Działa poprzez
dokonywanie obliczeń (dodawanie, odejmowanie, dzielenie, mnożenie) z dużą
częstotliwością. Obliczenia są dokonywane na danych pobieranych z pamięci
komputera. Procesor przyjmuje i wysyła informacje w postaci ,,słów’’ złożonych
z bitów (zer lub jedynek), których długość zależy od typu procesora (stąd procesory
np. 16-, 32-, 64-bitowe). Podstawowa cecha procesora to częstotliwość pracy (tzw.
zegar lub częstotliwość taktowania) np. 2,4 GHz, powyżej 3 GHz, choć najnowsze
procesory dwurdzeniowe mają częstotliwości taktowania w zakresie od 2 do 3 GHz i są
wydolniejsze niż dotychczasowe procesory jednordzeniowe z wyższymi
częstotliwościami taktowania. Głównymi producentami procesorów są firmy Intel
(procesory Pentium, Celeron – o mniejszej mocy obliczeniowej, Core2Duo) oraz AMD
(procesory Athlon, Sempron - o mniejszej mocy obliczeniowej, Opteron). Inną cechą
procesora jest pamięć podręczna (tzw. cache), której zadaniem jest wspomaganie
w wykonywaniu obliczeń - procesor może mieć cache L1 (pierwszego poziomu), cache
L2 i cache L3 (odpowiednio drugiego i trzeciego poziomu).
Cache – (bufor, pamięć podręczna) – dodatkowa pamięć która jest montowana przy
twardym dysku, przy pamięci drukarki, w procesorze itd., rodzaj pamięci do
przechowywania najbardziej potrzebnych danych; ma za zadanie przyspieszenie pracy
urządzenia.
(slajd 28) Interfejs – (złącze, port, gniazdo) komputery wyposażone są w kilka złączy
różnych standardów, między innymi złącze klawiatury, złącze szeregowe służące np. do
podłączenia modemu czy też myszki, a także złącze równoległe przeznaczone dla
drukarki i napędów zewnętrznych; przy zakupie nowego komputera należy zwracać
uwagę, aby była ich wystarczająca liczba; co prawda, w razie zapełnienia wszystkich
złączy możliwe jest dokupienie specjalnej karty, do której możemy przyłączyć kolejne
urządzenia, lecz nie jest to najlepsze rozwiązanie
Port równoległy (LPT) – gniazdo służące do przyłączania drukarki lub drugiego
komputera lub innych urządzeń peryferyjnych; posiada 25 bolców (pinów). Obecnie
stosowane coraz rzadziej.
Port RGB - analogowy port VGA do podłączania monitora
(slajd 29) Złącze DVI – podłączanie monitorów LCD
(slajd 30) Port szeregowy (COM) – gniazdo służące najczęściej do przyłączenia
modemu lub myszy. Istnieją porty 9 lub 25 bolcowe. Ze względu na pojawienie się o
wiele bardziej zaawansowanego portu szeregowego USB, obecnie COM również traci na
znaczeniu.
USB - (Universal Serial Bus) – nowszy standard sprzętowy zewnętrznych połączeń
urządzeń (takich jak mysz, modem, klawiatura, inne urządzenia peryferyjne); standard
rok akademicki 2008/2009
Strona 4
Architektura współczesnych komputerów
USB obsługuje instalację typu Plug and Play, dzięki czemu łatwo można dodawać do
komputera nowe urządzenia, bez konieczności instalowania karty i bez zamykania
systemu; przepustowość danych USB wynosi do 480 Mbps (480 milionów bitów na
sekundę); pojedyncze gniazdo USB potrafi obsłużyć do 127 urządzeń; może doskonale
zastąpić porty szeregowe (COM) i równoległe (LPT) w komputerze, których transfer
jest dużo wolniejszy niż USB; złącze USB wykorzystuje szeregową magistralę danych,
wszystkie dane są przesyłane kolejno za pośrednictwem jedynie czterożyłowego kabla.
Do połączeń niektórych urządzeń jak np. aparaty fotograficzne wykorzystuje się nieco
mniejsze wtyczki (mini USB).
(slajd 31) Midi lub port gier – podłączanie urządzeń do sterowania (manipulatory do
gier) lub elektronicznych instrumentów muzycznych
(slajd 32) Karta dźwiękowa i jej gniazda – karta umożliwiająca przetwarzanie
dźwięków. Najważniejsze gniazda tej karty to okrągłe gniazda typu Jack, ze względu
na swoje funkcje zostały oznaczone kolorami: różowe służy do podłączania
i przesyłania sygnału z mikrofonu, niebieskie (line-in, wejściowe) wykorzystywane do
przesyłania sygnału z zewnętrznych źródeł audio (np. magnetofonu), zielone (line-out,
wyjściowe) służy do przesyłania sygnału z komputera do zewnętrznych urządzeń
rejestrujących (lub głośników) dźwięki. Powyższe trzy gniazda mogą służyć również do
podłączania zestawów głośnikowych.
(slajd 33) Porty ATA I SATA – służą do przyłączania dysków twardych – SATA znacznie
nowocześniejszy, szybsza transmisja danych, mniejsze zakłócenia.
(slajd 34) Port równoległy SCSI – standard do łączenia urządzeń, obecnie
wykorzystywany do łączenia twardych dysków lub stacji płyt optycznych z płytą
główną, choć w przypadku twardych dysków częściej wykorzystuje się w tym celu
interfejs ATA/IDE lub nowszy SATA.
FireWire – zapewnia bardzo szybki transfer, np. wymiana dużych ilości danych
z kamerą cyfrową
(slajd 35) Gniazda PS/2 – bardzo popularne do podłączania myszy i klawiatur
Karta sieciowa – karta pozwalająca podłączyć komputer do sieci komputerowej.
Cechuje się szybkością z jaką może przesyłać dane (w bps – bitach na sekundę).
Obecnie występują karty sieciowe do połączeń bezprzewodowych (Wirless LAN)
stosowane najczęściej w przypadku komputerów przenośnych (laptopach).
(slajd 37) Zasilacz – dostarcza i odpowiednio transformuje prąd do zasilania
elementów jednostki centralnej. Cecha charakterystyczna to moc, którą zależy dobrać
w zależności od ilości i specyfiki komponentów komputera. Obecnie moc zasilaczy
wynosi najczęściej 300 - 500 W.
(slajd 38) Dysk twardy – (HDD) urządzenie do przechowywania dużych ilości danych
(tzw. pamięć masowa), charakteryzuje się krótkim czasem dostępu. Na twardy dysk
składają się talerze (metalowe bądź szklane) z nośnikiem magnetycznym,
hermetycznie zamknięte w obudowie wraz z głowicą odczytująco – zapisującą.
rok akademicki 2008/2009
Strona 5
Architektura współczesnych komputerów
Najważniejszym parametrem jest wielkość pamięci podawana w GB (gigabajtach).
Obecnie typowa pojemność to np. 400 GB; inne parametry to czas dostępu, prędkość
obrotu talerzy (rpm) podawana w obrotach na minutę np. 7200 rpm, ilość talerzy,czas
dostępu np. 10 ms (milisekund) ilość pamięci podręcznej czyli tzw. cache (np. 8 MB
lub 16MB).
(slajd 40, 41, 42) Płyty optyczne – nośnik danych w których wykorzystuje się światło z
lasera które odbija się lub rozprasza na powierzchni płyty. Ze względu na średnicę
promienia lasera wyróżnia się płyty CD, DVD i najnowsze Blu-ray o pojemności 25 i 50
GB. Standardową pojemnością płyt CD jest 650 MB (modyfikacje tych płyt mogą
pomieścić ok. 870 MB), płyty DVD jednowarstwowe mieszczą 4,7 GB, natomiast
dwuwarstwowe
i obustronne do 17 GB. Płyty CD-R, CD-RW służą do zapisywania danych z użyciem
nagrywarek CD bądź DVD, przy czym płyty CD-RW oferują możliwość wielokrotnego
zapisywania i kasowania danych. Płyty DVD-R i DVD-RW można zapisywać tylko
w nagrywarkach DVD. Płyty dwuwarstwowe noszą oznaczenie DL (Dual Layer) i mogą
być obsługiwane przez czytniki lub nagrywarki obsługujące technologię DL.
Urządzenia peryferyjne – inne urządzenia które po połączeniu z komputerem mogą
spełniać różnorakie funkcje i zadania: drukarki, skanery, zewnętrzne dyski (miękkie
i twarde, stacje optyczne), modemy, głośniczki, pióra, wskaźniki, stacje, kamery,
nagrywarki CD, itp.
(slajd 44, 45, 46) Czytniki, nagrywarki płyt optycznych – urządzenia odpowiednio
odczytujące i zapisujące (lub kasujące) dane płyt optycznych. Najważniejszym
parametrem tych urządzeń jest szybkość odczytywania/zapisywania płyt optycznych
podawana wskaźnikiem Х (razy) – w przypadku technologii CD jeden Х to prędkość 150
kB/s, dla DVD to 1,3 MB/s.
(slajd 48) Dyskietka (FD, miękka dyskietka) – rodzaj pamięci magnetycznej w postaci
cienkiej folii z naniesionym materiałem magnetycznym w ochronnej kopercie. Do
odczytu lub zapisu dyskietki potrzebna jest stacja dysków elastycznych (FDD). Obecnie
z rzadka stosowane są dyskietki 3,5’’ (cala) o pojemności 1,44 MB. Technologia
dyskietek cechuje się bardzo wolnym czasem dostępu do danych.
(slajd 49) Streamer – napęd taśmowy; nośnikiem danych jest cyfrowa kaseta DAT lub
podobna technologia– pojemność ok. 250 GB; wysoka cena urządzenia
Urządzenia archiwizujące – służą do zapisywania dużej ilości danych najczęściej w
celach stworzenia kopii bezpieczeństwa. Poza nagrywarkami płyt optycznych są to
także kiedyś popularne napędy ZIP korzystające z dysków wymiennych 100 – 750 MB,
streamery w których nośnikiem informacji jest taśma magnetyczna lub dyski magneto –
optyczne.
(slajd 50, 51) Pamięci przenośne - Pamięci flash, karty pamięci - (pamięci błyskowe,
pendrive) – pamięci półprzewodnikowe które w niewielkiej obudowie mogą zapisać od
kilkudziesięciu MB do kilkunastu GB danych. Istnieje wiele odmian (np. karty pamięci
do telefonów lub aparatów fotograficznych), ale najczęściej są zaopatrzone w
interfejs USB. Obecnie pojemność pamięci flash wynosi najczęściej od 256 MB do 32
GB.
rok akademicki 2008/2009
Strona 6
Architektura współczesnych komputerów
(slajd 52 - 57) Monitory – dzieli się na CRT (podstawą budowy jest lampa
kineskopowa) oraz LCD (podstawą budowy jest wyświetlacz ciekłokrystaliczny)
najważniejsze cechy to: przekątna ekranu podawana w calach, jest to tzw. wielkość
nominalna, np. 15’’ (cali) – starszego typu – obecnie najczęściej spotykane 17”, 19” , w
zastosowaniach profesjonalnych 21” i więcej;
Inne cechy to:
• maksymalna rozdzielczość (ilość punktów zwanych pikselami - ozn. px które
tworzą obraz np. 1280 – 1024 px; największa liczba pikseli (punktów)
w poziomie i pionie wyświetlana przez monitor; inne często spotykane to 1024 -
768 px oraz 1600 – 1200 px;
• kąt widzenia – poprawna widzialność obrazu pod kątem
(w pionie i poziomie np. 170 stopni)
• czas zapalania i wygaszania piksela - w ms (milisekundach) – krótki czas np. 10
ms i mniej nie powoduje efektów smużenia przy dynamicznie zmieniających się
obrazach
• współczynnik kontrastu - stosunek między najjaśniejszym możliwym do
wyświetlenia fragmentem obrazu a obszarem najciemniejszym - podaje się go
współczynnikiem np. 10000:1 – im współczynnik wyższy tym lepiej dla obrazu
obecnie zaprzestaje się produkcji monitorów CRT, monitory LCD posiadają szereg
zalet: mniejszy pobór mocy, stabilniejszy obraz, mniejsza waga, lepszy kontrast.
(slajd 60) Klawiatura - standardowo 101 klawiszy; inne cechy to:
• modele zapewniające ergonomię
• możliwość dodatkowych przycisków
• łącze bezkablowe (fale radiowe, podczerwień)
• niektórzy producenci (np. w przypadku laptopów) pokrywają klawiatury powłoką
jonów srebra, która ma własności bakteriobójcze.
(slajd 62) Digitizer (tablet) – płaskie urządzenie w postaci tabliczki wykrywającej
pozycję specjalnego pióra – rysika i zamieniająca te pozycje na wartości binarne do
przetwarzania przez komputer i program najczęściej do obróbki grafiki.
(slajd 63) Drukarki – wyróżnia się igłowe, atramentowe, laserowe, termiczne.
Najważniejsze cechy to rozdzielczość (podawana w dpi - dziś często 300 – 600 dpi,
rzadziej do 4800 dpi), szybkość drukowania podawana w stronach na minutę. Drukarki
igłowe są stosunkowo powolne, ale dają możliwość jednoczesnego drukowania kopii
(przy zastosowaniu papieru kopiującego). Drukarki atramentowe oferują wysoką jakość
wydruków kolorowych (z jakością fotograficzną), są bardzo tanie przy zakupie lecz
bardzo kosztowne w eksploatacji. Drukarki laserowe dają wysokiej jakości wydruki; są
nieco droższe niż atramentowe. Drukarki termiczne znajdują zastosowanie przy
profesjonalnych wydrukach wielkoformatowych.
rok akademicki 2008/2009
Strona 7
Architektura współczesnych komputerów
dpi – (ang. dots per inch) – ilość punktów na cal, wielkość charakteryzująca
rozdzielczość obrazów, jak również rozdzielczość drukarek, skanerów.
ppi – (ang. pixels per inch) – ilość pikseli na cal, wielkość charakteryzująca
rozdzielczość obrazów komputerowych; także do określania rozdzielczości drukarki czy
skanera.
(slajd 65) Skaner – urządzenie przetwarzające fizyczne dokumenty na dane
komputerowe. Cechą charakterystyczną skanerów jest ich rozdzielczość liczona w dpi.
Obecnie najczęściej od 300 dpi do 2400 dpi.
(slajd 66, 68) Notebook /laptop/ - przenośny komputer wykonany z
energooszczędnych elementów, zawierający ekran w postaci ciekłokrystalicznej.
Palmtop (PDA) – mniejszy od laptopa, notatnik elektroniczny z wyświetlaczem
działający z własnym systemem operacyjnym i oprogramowaniem.
Serwer – komputer o większej mocy i większej ilości danych, stanowiący główny
komputer sieci do której jest podłączony i zasób danych i programów z których
korzystają inne komputery sieci.
Terminal – „ubogi komputer” składający się tylko z monitora, klawiatury i urządzeń
wskazujących – praca z systemem operacyjnym i oprogramowaniem możliwe jest po
połączeniu z odpowiednim serwerem.
Pozostałe pojęcia nie ujęte na slajdach
Zworka – występuje najczęściej na płycie głównej lub karcie rozszerzeń, przełącznik
służący do konfigurowania lub zmiany ustawień pracy; obecnie są stopniowo
zastępowane przez ustawienia programowe.
Sterownik – urządzenie mające za zadanie zapewnienie właściwej pracy urządzenia
pod kontrolą komputera i jego systemu operacyjnego. Może występować pod postacią
karty rozszerzeń ale także pod postacią programu komputerowego.
rok akademicki 2008/2009
Strona 8