BUDOWA KOMPUTERA

Informacje wstępne

Począwszy od powstania pierwszego komputera (ENIAC-a w 1945 r.) rozwój technologiczny sprawił, że dzisiejsze komputery wyglądem nie przypominają swoich „przodków”. Jednak schemat przedstawiający ogólną zasadę działania każdego komputera jest wciąż taki sam:

W skład jednostki centralnej (nie należy utożsamiać jej z obudową, na której jest przycisk „power”)

wchodzą: procesor, pamięć operacyjna oraz układy sterujące. Urządzenia zewnętrzne dzielimy ze względu na ich działanie na: urządzenia wejścia (wprowadzanie danych do komputera) i wyjścia (wyświetlanie wyników działania komputera).

Procesor

Procesor, określany także skrótem CPU (ang. Central Processing Unit - centralny układ przetwarzania) - to najważniejsza część komputera; jej zadaniem jest przetwarzanie danych. Służy do wykonywania działań arytmetycznych (matematycznych na liczbach) i logicznych (działania na wartościach, które mogą przyjąć wartość „prawda” lub „fałsz”). Jest to układ elektroniczny - specjalnej budowy płytka krzemowa z dołączonymi wyprowadzeniami.

Procesor pracuje w sposób cykliczny. Jeden cykl jego pracy obejmuje:

• pobranie danych z pamięci,

• wykonanie odpowiedniego działania arytmetycznego lub logicznego na tych danych,

• wyprowadzenie wyniku.

Szybkość procesora określa jego częstotliwość, czyli liczba cykli wykonanych w ciągu jednej sekundy. Częstotliwość jako wielkość fizyczną wyrażamy w Hz (hercach) - 1 Hz to jeden cykl wykonany w ciągu jednej sekundy. Jeżeli więc procesor ma częstotliwość 1 GHz (gigaherca), to znaczy, że jest on w stanie wykonać 109 operacji w ciągu jednej sekundy.

Do niedawna częstotliwość taktowania była miarą wydajności procesora. Osiągnięto już jednak wartości, których dalsze przekraczanie stało się trudne ze względu na ograniczenia natury fizycznej - chodzi przede wszystkim o to, że podczas pracy przy dużych częstotliwościach powstaje zbyt wysoka temperatura. Dlatego wydajność zaczęto zwiększać poprzez montowanie w jednej obudowie kilku procesorów wspólnie przetwarzających dane. Takie procesory nazywamy wielordzeniowymi. Obecnie montuje się od 2 do 4 rdzeni w jednej obudowie. Najpopularniejsze procesory produkują firmy Intel oraz AMD.

Pamięć wewnętrzna

Pamięć komputerowa to urządzenia, które pozwalają na przechowanie (chwilowe bądź trwałe) wszystkich potrzebnych danych. Mówiąc o jednostce centralnej, mówimy o pamięci wewnętrznej, natomiast pozostałe rodzaje pamięci zaliczają się do pamięci zewnętrznej.

Pamięć wewnętrzna to przede wszystkim pamięć operacyjna RAM (ang. Random Access Memory - pamięć o swobodnym dostępie), w

której przechowywane są aktualnie wykorzystywane dane. Do pracy pamięć ta potrzebuje zasilania, co oznacza, że jej zawartość jest tracona z chwilą wyłączenia komputera. Pamięć RAM bezpośrednio współpracuje z procesorem. Jej pojemność (liczona w megabajtach [MB] czy gigabajtach [GB] - patrz Jednostki informacji) jest zawsze podawana w parametrach opisywanego komputera. Rozwiązania technologiczne w budowie pamięci RAM zmieniały się wraz z rozwojem komputerów. Od ok. 1999 r. stosowana jest pamięć określana skrótem DDR SDRAM, będąca ulepszoną wersją wcześniej produkowanych pamięci typu SDRAM.


Drugim rodzajem pamięci wewnętrznej jest pamięć ROM (ang. Read Only Memory - pamięć tylko do odczytu), w której zapisane są fabryczne ustawienia producenta płyty głównej potrzebne do uruchomienia komputera. Pamięć ta nie potrzebuje stałego zasilania, a jej zawartość nie jest tracona podczas wyłączania komputera.

Procesor, pamięć RAM i pamięć ROM to elementy płyty głównej komputera, na której znajdują się również układy sterujące przepływem danych. Zanim przejdziemy do opisu różnych pamięci zewnętrznych, zatrzymamy się na moment na opisie jednostek informacji.

Pamięć wewnętrzna

Jednostki informacji

Pojęcia „megabajty”, „gigabajty”, którymi posługujemy się na co dzień, mają swoje źródło w XIX-wiecznym pomyśle pana Georga Boole'a, który wymyślił arytmetykę binarną, czyli dwójkową - opartą tylko na dwóch, a nie dziesięciu cyfrach. W arytmetyce binarnej do opisu liczb mamy tylko dwie cyfry {0,1}. Posługujemy się nimi podobnie jak w arytmetyce dziesiętnej. Każda pozycja ma swoją wartość.

W znanym nam systemie dziesiętnym kolejne pozycje cyfry w liczbie określają jej wartość.
Np.: liczba 1234 oznacza:

cyfra	1	2	3	4
wartość	10^3	10^2	10^1	10^0
	1000	100	10	1

Jest dla nas oczywiste, że cyfra 4 oznacza jedności, 3 - dziesiątki, 2 - setki, 1 - tysiące (4x1+3x10+2x100+1x1000).
Podobnie jest w systemie dwójkowym: wartość cyfry zależy od jej pozycji w liczbie, przy czym wartości te nie są wielokrotnościami dziesiątki, ale dwójki, np. binarna liczba 1101 oznacza:

cyfra	1	1	0	1
	2^3	2^2	2^1	2^0
wartość	8	4	2	1

Po przeliczeniu na wartość dziesiętną otrzymujemy: 1x1+0x2+1x4+1x8=13. System binarny jest wystarczający do opisywania stanów urządzeń - jeżeli coś działa, oznaczymy to jedynką, jeżeli nie działa oznaczymy zerem. W elektronice znajduje to zastosowanie np. w opisach typu: „prąd płynie” lub „prąd nie płynie”; namagnesowanie dodatnie lub ujemne; na nośniku odczytywanym za pomocą lasera znajduje się „górka” lub „dół”.

Podstawową jednostką informacji jest bit [b]. Jeden bit może przyjąć jedną z dwóch wartości: 0 lub 1.Dwie wartości to jednak zbyt mało, aby zakodować wszystkie potrzebne nam znaki, np. litery alfabetu. Dlatego często zamiast bitu używana jest jednostka, który odpowiada ośmiu bitom, tj. bajt [B].

1bit = _ (jedna pozycja mogąca przyjąć wartość 0 lub 1)
1 bajt = 8 bitów = _ _ _ _ _ _ _ _ (osiem pozycji, z których każda może przyjąć wartość 0 lub 1).
Używając jednego bitu możemy zakodować 21 (czyli dwie) wartości, natomiast użycie 1 bajta pozwala zakodować 2⁸ (czyli 256) wartości.
Odpowiednio powstają też jednostki większe niż bajt:
1 kB (kilobajt) = 2¹⁰ B (bajtów) = 1024 B
1 MB (megabajt) = 1024 kB = 2¹⁰ kB = 2²⁰ B
1 GB (gigabajt) = 1024 MB = 2¹⁰ MB = 2²⁰ kB = 2³⁰ B

Trzeba było zastosować jeszcze tylko jednoznaczne kodowanie - to znaczy przypisać konkretnym znakom (np. literom alfabetu) ośmiobitowe ciągi zero-jedynkowe - i uznać to za standard, aby produkowane w różnych częściach świata poszczególne części komputerowe mogły płynnie współpracować, a co za tym idzie - różne komputery wymieniać informacje. Takim standardem kodowania informacji jest ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange - Standardowy Amerykański Kod Wymiany Informacji). Tablica kodów ASCII zawiera więc 256 liczb (od 0 do 255), którym przypisano znaki (zob. poz. 1 lit. str. 25-27).

Pamięć zewnętrzna

Do pamięci zewnętrznej zaliczamy wszystkie urządzenia, które pozwalają na trwałe przechowywanie danych oraz na ich wymianę pomiędzy różnymi komputerami. Ten rodzaj pamięci ze względu na jego dużą pojemność czasami nazywany jest też pamięcią masową. Do pamięci zewnętrznej zaliczymy więc:

• dyski twarde,

• dyskietki,

• płyty CD-R, CD-RW, DVR-R, HD DVD, Blu-ray,

• pendrive'y,

• pamięci typu flash,

• taśmy magnetyczne,

• nośniki magnetooptyczne

Pamięć zewnętrzna
Dyski twarde i dyskietki

Dyski twarde, oznaczane skrótem HDD (ang. Hard Disk Drive), oraz dyskietki - FDD (ang. Floppy Disk Drive), należą do tradycyjnych pamięci magnetycznych, gdzie zapis i odczyt danych polega na różnych sposobach namagnesowania danych interpretowanych jako 0 lub 1.
Zarówno dyski twarde, jak i dyskietki przed pierwszym użyciem powinny zostać sformatowane. Proces formatowania polega na podziale nośnika magnetycznego dysku na ścieżki i sektory, po których później odbywa się odczytywanie i zapisywanie danych. Formatowanie używanego wcześniej dysku powoduje utratę wszystkich danych, jakie były na nim zapisane, i nowy podział na ścieżki i sektory.

Dyskietki 3,5" (trzy i pół calowe) mają pojemność 1,44 MB. Jednak te nośniki lata popularności mają już za sobą i pomału wypierane są przez nowsze, bardziej pojemne i mniej zawodne pendrive'y. Natomiast dyski twarde (HDD) wciąż stanowią niezastąpiony element budowy każdego komputera. Są one montowane na stałe wewnątrz obudowy lub w specjalnych kieszeniach, które umożliwiają proste przeniesienie dysku do innej jednostki. Dostęp do danych znajdujących się na dysku twardym jest bardzo szybki - parametr nazywany czasem dostępu, który określa tę właściwość dysku, ma wartość kilku ms (milisekund). Na dysku twardym komputera standardowo jest instalowany system operacyjny, czyli program, od którego użytkownik rozpoczyna pracę z komputerem. Oczywiście wszystkie inne programy użytkowe instalowane na komputerze swoje docelowe miejsce mają również na HDD. Obecnie dostępne na rynku dyski twarde mają pojemności rzędu kilkudziesięciu, a nawet kilkuset GB. W tym miejscu warto wspomnieć, że pierwszy dysk twardy do komputera domowego (wyprodukowany w 1980 r.) miał pojemność 5MB. Najpopularniejszymi producentami dysków twardych są firmy: Seagate, Western Digital, Fujitsu.

Pamięć zewnętrzna
Płyty CD-R, CD-RW, DVR-R, HD DVD, Blu-ray.

W latach 90. XX w. pojawił się nowy nośnik - dyski optyczne CD (ang. Compact Disk). Początkowo były one dostępne jako CD-ROM-y, czyli przeznaczone „tylko do odczytu” (ang. Read Only Memory) płyty nagrane przez producenta. Do odtwarzania takich płyt potrzebny był napęd CD-ROM. Później pojawiły się płyty CD-R (Recordable), czyli takie, na których użytkownik mógł zapisywać dane, oraz odpowiedni dla nich sprzęt - nagrywarki CD. Były to płyty jednokrotnego zapisu, tzn. po zapełnieniu płyty nie można było jej wyczyścić i wykorzystać do ponownego nagrywania. Możliwość wielokrotnego zapisywania dały dopiero dyski CD-RW (ReWriteable). Pojemności dysków CD to ok. 600-800 MB.

Następnym etapem w udostępnianiu użytkownikom nośników o większej pojemności było stworzenie technologii DVD (Digital Versatile Disk). Płyty DVD w zależności od rodzaju - jedno- lub dwustronne, jedno- lub dwuwarstwowe - mają pojemności od 4,7 do 17 GB; w przeliczeniu na czas trwania filmu zapisanego w formacie MPGE-2 to 2-8 godzin. W tej technologii, podobnie jak w płytach CD, mamy trzy podstawowe rodzaje płyt: DVD-ROM (tylko do odczytu) DVD-R (do jednokrotnego zapisu) DVR-RW (do wielokrotnego zapisu). Do odczytywania i zapisywania płyt DVD potrzebny jest oczywiście odpowiedni napęd DVD.
Natomiast urządzenie, które umożliwia odczyt i zapis płyt CD oraz odczyt płyt DVD, zyskało miano COMBO.


Nowościami w dziedzinie płyt optycznych są konkurencyjne dla dotychczasowych formaty HD DVD (High Definition DVD) oraz Blu-ray. Obie technologie zwiększyły gęstość zapisu, wykorzystując niebieski laser. Płyty HD DVD mogą pomieścić 15-60 GB danych. Natomiast w technologii Blu-ray pojemność 2-warstwowych płyt dochodzi do 50, GB a 6-warstwowych do 150 GB.

Pamięć zewnętrzna
Pendrive

Nowy rodzaj pamięci przenośnej, który zastępuje dyskietki, to tzw. pendrive. Jest to małe urządzenie, które podłącza się do portu USB komputera. We współczesnych systemach operacyjnych (od Windows 2000 i Windows XP) pendrive nie wymaga specjalnej instalacji i jest automatycznie wykrywany, dlatego też korzystanie z niego jest niezwykle proste, a sam nośnik bardziej pojemny i bardziej niezawodny niż dyskietka.
Współczesne pendrive'y mają pojemności od 128 MB do 2 GB.

Pamięć zewnętrzna
Pamięć typu flash

W fotograficznych aparatach cyfrowych mamy też do czynienia z rodzajem pamięci podręcznej - to karty pamięci typu flash. Pozwalają one na zapisywanie obrazów czy filmów i przenoszenie ich do komputera.
Do ich odczytu potrzebne są specjalne czytniki. Karty pamięci mają pojemność od 128 MB do 4 GB.

Pamięć zewnętrzna
Taśmy magnetyczne i magnetooptyczne

Do archiwizacji bardzo dużych ilości danych (np. w firmach, bankach, przedsiębiorstwach) wykorzystuje się tzw. streamery. Są to urządzenia rejestrujące dane na taśmach magnetycznych, a ich pojemności dochodzą do kilkuset GB. Zapis danych na taśmie odbywa się w sposób sekwencyjny i w związku z tym dostęp do nich nie jest natychmiastowy. Dlatego też streamery mają zastosowanie typowo archiwizujące -są na nich zapisywane i przechowywane dane z całego dnia pracy w biurze czy przedsiębiorstwie. Odczytuje się je tylko w razie konieczności odtworzenia danych, np. w wypadku awarii czy kradzieży komputerów.

Dyski twarde, dyskietki i taśmy to pamięci magnetyczne; zapis danych na nich odbywa się na zasadzie odpowiedniego namagnesowania nośnika. Płyty CD, DVD i ich następcy to z kolei pamięć typu optycznego - zapis i odczyt danych odbywa się tu za pomocą lasera. Połączeniem tych dwóch technologii są pamięci magnetooptyczne, określane skrótem MO.

Do zapisu danych wykorzystuje się obie techniki, natomiast odczyt danych jest tylko optyczny - za pomocą promienia lasera. Dyski i napędy MO były bardzo powszechne w połowie lat 90.; stanowiły wówczas jedyne rozwiązanie dla użytkowników potrzebujących dużych i łatwych do przenoszenia pojemności. Z wyglądu przypominały dyskietki 3,5”, były od nich jednak nieco grubsze. Wymagały oczywiście zainstalowania odpowiedniego napędu (zewnętrznego - podłączanego do komputera za pomocą kabla, lub wewnętrznego - montowanego wewnątrz obudowy). Miały one zastosowania w biurach projektowych, pracowniach reklamowych, wydawnictwach. Ich pojemności dochodzą do kilku GB.

Obecnie, ze względu na rozwój technologii optycznych (CD, DVD), znaczenie i popularność magnetooptyków jest mniejsza, jednakże nadal są wykorzystywane w zastosowaniach profesjonalnych lub do archiwizacji.

Podsumowanie

Kilka zdań podsumowujących ten rozdział:

• ogólny podział pamięci komputerowej: wewnętrzna (na płycie głównej komputera) i zewnętrzna (wszystkie pozostałe rodzaje pamięci, nawet jeżeli są montowane wewnątrz obudowy);

• ROM jest trwały (nie wymaga zasilania), RAM ulotny (potrzebuje zasilania);

•  pamięć magnetyczna to: HDD, FDD i taśmy magnetyczne;

• technologia „flash” to pendrive'y i karty pamięci;

• pamięć optyczna to: CD, DVD, Blu-ray, HD DVD;

• magnetooptyki - zapis magnetyczno-optyczny, odczyt optyczny;

• do archiwizacji: streamery, napędy i dyski MO.

---