Wykład 2: Sprzęt komputerowy (39 slajdów) Technologia Informacyjna Wykładowca: Prof. Anatoly Sachenko

Przegląd wykładu Centralna jednostka przetwarzająca - procesor Pamięć Urządzenia wejściowe (wejścia) Urządzenia wyjściowe (wyjścia) Urządzenia wejścia/wyjścia Nośniki danych

Centralna jednostka przetwarzająca Centralna jednostka przetwarzająca (ang. CPU) jest podstawowym elementem komputera Przeprowadza operacje arytmetyczne i logiczne, kontroluje procesy obliczeniowe i koordynuje całą pracę wszystkich urządzeń komputera Centralna jednostka przetwarzająca (procesor) zawiera: Jednostkę arytmetyczno-logiczną (ALU - Arithmetic Logic Unit) Układ sterowania (CU - Control Unit) Magistralę Danych i Magistralę Adresową (Data bus, addresses bus) Rejestry (Registers) Licznik programów (kontynuacja na kolejnym slajdzie)

Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) Cache - szybka pamięć lokalna komputera o małej pojemności (8-1024 Kb) Matematyczny koprocesor dla liczb zmiennoprzecinkowych Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - część procesora wykonująca operacje arytmetyczne i logiczne na bajtach lub słowach Układ sterowania (CU)- kolejna część procesora, odpowiedzialna za dekodowanie dostarczonych instrukcji i odpowiednie sterowanie pozostałymi jego blokami Rejestry (Registers)- komórki pamięci o niewielkich rozmiarach, służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń (rejestry danych) oraz adresów lokacji w pamięci operacyjnej Trigger – podstawowym elementem rejestru jest elektroniczna tablica, zdolna przechować jeden numer binarny (cyfrę kodu binarnego)

Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) Nowoczesne procesory są realizowane w formie mikroprocesorów Wizualnie (wygląd zew.) mikroprocesor jest obwodem scalonym — cienką, prostokątną płytką krzemową, wielkości zaledwie kilku milimetrów kwadratowych, zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonych mu instrukcji Jedna z części mikroprocesora zajmuje się operacją gromadzenia kodów, inna – przechowywaniem kodów adresu Typy rejestrów: Adder (układ sumujący) jest rejestrem ALU, uczestniczącym w każdej bieżącej operacji (zobacz kolejny slajd)

Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) Licznik instrukcji jest rejestrem CU, który odpowiada za adres następnej uruchamianej instrukcji Odpowiada za automatyczny wybór programu z kolejnych komórek pamięci Rejestr Instrukcji jest rejestrem CU przechowującym kod instrukcji przez okres czasu niezbędny do jej realizacji. Microprocessor jest programowalnym cyfrowo elektronicznym elementem, który zawiera w sobie funkcje centralnej jednostki przetwarzającej (procesora), na pojedynczym półprzewodnikowym obwodzie scalonym (kolejny slajd)

Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) Jeden lub więcej mikroprocesorów zazwyczaj służą jako centralna jednostka przetwarzająca (CPU) w systemie komputerowym, wbudowanym systemie, lub w urządzeniach „kieszonkowych”

Pamięć – Jak jest zbudowana? Pamięć składa się z elementów systemu binarnego - bitów, łączonych w grupy po 8 bitów, nazywanych bajtami (8 bitów = 1 bajt) Wszystkie bajty są ponumerowane Numer bajta jest nazywany jego adresem Bajty mogą być łączone w komórki pamięci, które są nazywane słowami Dla każdego komputera pojemność słowa jest ustalona jako dwa, cztery albo osiem bajtów (kontynuacja na kolejnym slajdzie)

Pamięć – Jak jest zbudowana? (kontynuacja) To jednak nie wyklucza użycia przez pamięć innych, dłuższych komórek pamięci (na przykład half-word, double word) Jedna liczba całkowita lub jedno polecenie może być przedstawione w jednym słowie Przyjmowane są różne formy prezentowania informacji Podział pamięci na słowa dla czterobajtowych komputerów jest zaprezentowany w tabeli poniżej: Bajt 0 Bajt 1 Bajt 2 Bajt 3 Bajt 4 Bajt 5 Bajt 6 Bajt 7 PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO SŁOWO SŁOWO PODWÓJNE SŁOWO

Pamięć - RAM RAM (Random Access Memory) rodzaj szybkiej pamięci, o niewielkiej pojemności, przechowująca dane Jest bezpośrednio połączona z procesorem i zamierzona do zapisu, odczytu i przechowywania programów i przetwarzanych danych Pamięć RAM jest używana tylko do czasowego przechowywania danych i programów, ze względu na fakt, że wszystkie informacje w pamięci RAM znikają, gdy komputer zostaje wyłączony Dostęp do pamięci RAM jest bezpośredni, co oznacza, że każdy bajt pamięci posiada swój indywidualny adres Przeciętna pojemność wynosi od 512 do 2048 Mb

Pamięć - RAM (kontynuacja) RAM pamięcią opartą o półprzewodniki Przyjmuje formę zintegrowanych obiegów Pozwala na dostęp do przechowywanych danych w dowolnej kolejności — to znaczy dowolnej i bez fizycznego poruszania ośrodka pamięci lub fizycznie czytającej główki Kluczową przewagą (zaletą) RAMu nad typami pamięci, które wymagają fizycznego ruchu jest to, że czasy odpowiedzi są krótkie i stałe Krótkie ponieważ nie potrzebny jest ruch fizyczny (kontynuacja na następnym slajdzie)

Pamięć - RAM (kontynuacja) Stałe ponieważ czas potrzebny na odebranie fragmentu danych nie zależy od bieżącej odległości od główki fizycznej Praktycznie tyle samo czasu jest potrzebne aby uzyskać dostęp do dowolnego fragmentu danych na chipie RAM

Pamięć - Cache Cache lub scratchpad memory (pamięć notatnikowa, pamięć podręczna) jest bardzo szybką pamięcią o niewielkiej pojemności Jest używana do wymiany informacji pomiędzy mikroprocesorem i główną pamięcią dla zmniejszenia różnicy w prędkości przetwarzania informacji przez procesor i wolniejszą pamięcią główną Pamięć cache jest zarządzana przez Kontrolera Kontroler analizuje bieżący program, próbując przewidzieć, jakie informacje i polecenia będą potrzebne procesorowi w najbliższym czasie

Pamięć - Cache & Pamięć specjalna (kontynuacja) Pamięć cache wykorzystuje mikro-obwody statycznej pamięci SRAM (Static RAM) Jest charakteryzowana szybszą wydajnością i mniejszą pojemnością niż pamięć dynamiczna RAM (DRAM ) czy pamięć synchroniczna RAM (SDRAM) ROM (Read-Only Memory) jest pamięcią tylko do odczytu Nie jest uzależniona od zasilania, jest używana tylko do gromadzenia danych, które nie będą nigdy modyfikowane Jej zawartość jest „szyta” specjalnie dla danego urządzenia podczas jego tworzenia, tak, aby dane były przechowywane w sposób trwały

Pamięć – Pamięć specjalna (kontynuacja) Jest najczęściej używana do rozprowadzania oprogramowania sprzętowego – oprogramowania, które jest blisko powiązane z określonym sprzętem komputerowym Nowoczesne półprzewodnikowe układy scalone ROM nie są od razu rozróżniane od podobnych do nich, układów scalonych takich jak moduł RAM Układy scalone RAM mogą być odczytywane szybciej niż większość ROMów Prędkość zapisu jest zawsze o wiele wolniejsza niż prędkość odczytu Pamięć Flash jest pamięcią, która zależy od zasilania i obejmuje częste, wielokrotne zapisywanie informacji Zawarta w BIOSie (Basic Input/Output System)

Pamięć – Pamięć specjalna (kontynuacja) BIOS (Basic Input/Output System) jest to zestaw programów przeznaczonych do automatycznych testów urządzeń po podłączeniu komputera i ładowania systemu operacyjnego CMOS RAM jest to pamięć o niskiej prędkości działania i minimalnym zużyciu energii Jest używana do przechowywania informacji o konfiguracji komputera (informacje dotyczące pamięci, dysków) i trybu jego działania Pamięć video (VRAM) jest odmianą pamięci RAM, gdzie są zachowywane zakodowane obrazy Jest zorganizowana, więc jej zawartość jest dostępna jednocześnie dla dwóch urządzeń: procesora i urządzenia wyświetlającego

Urządzenia wejścia Urządzenia wejścia to sprzęt, który przetwarza dane z zewnątrz, tak aby były wykorzystane przez komputer Klawiatura komputera jest urządzeniem służącym do wprowadzania danych do komputera poprzez wysyłanie do niego sygnałów Klawiatura posiada standardowy zestaw klawiszy i kilka dodatkowych elementów sterujących –przyciski funkcyjne, przyciski sterujące oraz małą klawiaturę cyfrową Manipulatory (mysz, joystick i inne) są specjalnymi urządzeniami, które są używane do kontroli kursora

Urządzenia wejścia (kontynuacja) Joystick jest zwykłym bar-pen Odchylenie od pozycji pionowej prowadzi do ruchu kursora w odpowiednim kierunku, po ekranie monitora Jest często używany w grach komputerowych (obecnie częściej gamepad) Mysz jest urządzeniem wskazującym, wykrywającym dwuwymiarowy ruch względem podpierającej ją powierzchni Ruch myszy jest tłumaczony na ruch kursora po ekranie

Urządzenia wejścia (kontynuacja) Skaner jest urządzeniem analizującym obrazy, tekst drukowany i rękopisy i zamieniającym je na obraz cyfrowy Kamery internetowe to małe kamery, których obrazy mogą być przesyłane przez sieć www, komunikatory internetowe, lub aplikacje służące do konferencji Przykład: program Skype Mikrofon jest transduktorem sygnałów akustycznych na elektryczne lub sensorem zamieniającym dźwięk na sygnał elektryczny

Urządzenia wejścia (kontynuacja) Ekrany dotykowe to powierzchnie wyświetlające które posiadają zdolność wyświetlania i odbierania informacji na tym samym ekranie. Dzięki zastosowaniu takich ekranów można przekształcać dane w urządzeniu wejścia bez użycia klawiatury i/lub myszy jak podstawowego urządzenia wejścia. Panel dotykowy to urządzenie wejścia, często używane w laptopach. Reagują na ruch palca użytkownika. Zastępują myszkę komputerową.

Urządzenia wejścia (kontynuacja) Skaner to urządzenie które analizuje obrazki, drukowany tekst i pismo ręczne, po czym przekształca je w cyfrowy obraz. Kamery Internetowe to małe kamery z których obraz można wykorzystywać w sieci WWW, do szybkiego przesyłania danych a także do video konferencji. Przykład: program Skype Mikrofon to urządzenie służące do przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne.

Urządzenia wyjścia Urządzenie wyjścia to każda część komputera która służy do komunikowania wyników przetwarzania danych, wytworzonych przez system obróbki informacji(taki jak komputer), do świata zewnętrznego. Projektor urządzenie projekcyjne służące do wyświetlania obrazów na ścianie lub ekranie projekcyjnym. Wysyła sygnały kontrolujące jasność wiązki światła, synchronizuje sygnał wiązki Monitor przekształci te sygnały w wizualizacje.

Urządzenia Wyjścia - Monitory Monitor komputerowy to rodzaj sprzętu elektronicznego który wyświetla możliwe do obejrzenia obrazy wygenerowane przy pomocy komputera. Obrazy mają niestały charakter. Rodzaje Monitorów: cathode-ray tube (CRT) - kineskopowe liquid crystal displays (LCD) ekrany dotykowe Istnieją karty graficzne, takie jak SVGA , SXGA , UXGA , VGA , pamięć video , XGA

Urządzenia Wyjścia (kontynuacja) Głośnik, głośnik systemowy - przetwornik elektroakustyczny. Urządzenie elektryczne (odbiornik energii elektrycznej) przekształcające sygnał elektryczny w falę akustyczną. Wyrażenie głośnik może się odnosić do pojedynczych urządzeń (lub sterowników), a także do kompletnych systemów składających się z kilku głośników, sterowników i dodatkowej elektroniki Drukarka to urządzenie drukujące które przenosi dane wytworzone przez komputer, w postaci drukowanego tekstu lub obrazów graficznych.Istnieje kilka rodzajów drukarek (następne slajdy)

Urządzenia wyjścia - drukarki Drukarki igłowe wykorzystują kombinacje małych igieł uderzających w papier, które zmieniają sposób uderzenia, w zależności od tego co chcemy wydrukować Każdy znak, wydrukowany na drukarce, składa się z 9, 18 lub 24 igieł, ustawionych w poziomą kolumnę. Wadą tych tanich drukarek jest ich głośna praca i niska jakość wydruku. Drukarki laserowe działają bardzo podobnie do kopiarek Komputer tworzy w pamięci obraz strony tekstu i wysyła ją do drukarki

Urządzenia wyjścia - drukarki Drukarki atramentowe drukują, tworząc znaki przy pomocy sekwencji atramentowych punktów (zobacz następny slajd) Głowica drukarki posiada malutkie dysze przez które atrament dostaje się na papier Te drukarki wymagają papieru dobrej jakości Kolorowe obrazy są tworzone przy pomocy kolorowych tuszów Ploter to urządzenie drukujące graficznie, podłączone do komputera Może tworzyć skomplikowane wzory, w tym także rysunki inżynierskie, plany architektoniczne, mapy geograficzne i meteorologiczne. Niestety, są bardzo wolne z powodu mechanicznych mechanizmów

Urządzenie wyjścia – drukarka atramentowa

Urządzenie wejścia/wyjścia Wejście/Wyjście, lub I/O, odnosi się do komunikacji pomiędzy systemem obróbki informacji(np.: komputer) i światem zewnętrznym - zwykle człowiekiem lub innym systemem obróbki informacji Wejście to sygnały otrzymywane przez komputer, a wyjście to sygnały wysyłane Na przykład klawiatury i myszki to urządzenia wejścia, a monitory i drukarki są urządzeniami wyjścia. Urządzenia służące do komunikacji pomiędzy komputerami, takie jak modemy i karty sieciowe są urządzeniami wyjścia i wejścia

Urządzenia magazynujące - dyskietki Urządzenie magazynujące służy do nagrywania(przechowywania) informacji. Dyskietka to urządzenie przechowujące które składa się z cienkiego i giętkiego dysku magnetycznego, umieszczonego w plastikowej, kwadratowej obudowie. Dyskietki są odczytywane i nagrywane przez stację dyskietek lub FDD(tego skrótu nie powinno się mylić z "fixed disk drive", który odnosi się do dysków twardych) Wykorzystuje się je do przenoszenia danych pomiędzy komputerami, a także do dystrybucji programów Sposób binarnego nagrywania danych na dyskietkach nazywany jest kodowaniem magnetycznym Bieguny magnetyczne w środowisku układają się zgodnie z kierunkami biegunów północ-południe

Urządzenia magazynująca – dyskietki ZIP Dyskietki Zip są wymienialnymi dyskietkami o średniej pojemności, wynalezionymi przez Iomega pod koniec 1994 r. Początkowo miały pojemność 100 MB, w późniejszych wersjach wzrosła do 250 MB a następnie 750 MB Ten rodzaj dyskietek zdobył największą popularność ze wszystkich dyskietek o dużych pojemnościach, jednak nigdy nie udało mu się zająć miejsca 3,5 calowych dyskietek. Został wyparty przez system flash a także przez płyty CD i DVD i już nie jest wykorzystywany.

Urządzenia magazynujące - kardridże Taśma magnetyczna była używana do przechowywania danych przez ponad 50 lat Współczesna taśma magnetyczna jest wykorzystywana w kardridżach i kasetach Urządzenie które dokonuje właściwego odczytu lub zapisu danych to napęd taśmowy Autozmieniarki i biblioteki taśm są często używane do automatycznej obsługi kardridży Przy przechowywaniu dużych ilości danych, taśma jest tańsza niż inne sposoby przechowywania. Taśma magazynująca od zawsze była używana w dużych systemach komputerowych Współcześnie używa się jej jako nośnika o dużej pojemności a także do archiwizowania i tworzenia kopii zapasowych. W 2007 roku, kardridże o najwyższej pojemności (DLT-S4, LTO- 4, SAIT-2) mogą przechowywać 800 GB danych bez kompresji.

Urządzenia Magazynujące – CD-Rom CD-ROM (skrót wzięty od "Compact Disc read only memory" czyli "dysk tylko do odczytu") to dysk który zawiera dane dostępne dla komputera Format CD na początku służył tylko do przechowywania i odtwarzania muzyki, jednak później został zaadaptowany do przechowywania jakichkolwiek danych. CD-ROM'ów używa się do dystrybucji programów komputerowych, gier i aplikacji multimedialnych. Jednak można na nich przechowywać każdy rodzaj danych(nie większy niż pojemność dysku) Niektóre płyty CD zawierają dane komputerowe i muzykę którą można odtworzyć na odtwarzaczu CD, przy czym dane mogę być wykorzystywane tylko przez komputer. Noszą one nazwę Enchanced CD, lub też CD Extra i CD Plus, zawierają muzykę a także dane.

Urządzenia Magazynujące – CD-Rom (kontynuacja) Pojemność płyt CD sięga 780 Informacja o pojemności jest wydrukowana na dysku CD i nie ulega zmianie Miejsce technologii CD-ROM zajmuje pomału DVD Dvd ma taki sam rozmiar jak CD, ale jego pojemność może sięgać 17 GB, czyli jeden dysk DVD może zastąpić 20 standardowych płyt CD-ROM Przenośna nagrywarka płyt - może odtwarzać normalne dane, a także nagrywać dane na płytach. Ma pojemność 650 MB

Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy Dysk twardy jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Urządzenie to nagrywa na twardym podłożu. Nie zmienna pamięć(Non-valatile memory) NVM to rodzaj pamięci komputera która przechowuje dane nawet kiedy nie jest podłączona do prądu. Przykładem NVM są pamięci flash, większość magnetycznych urządzeń przechowujących(dyski twarde, dyskietki), dyski optyczne, a także używana we wczesnych komputerach taśma papierowa.

Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja) W przeciwieństwie do dyskietek, dysk twardy obraca się nieustannie Został wyposażony we wbudowaną pamięć cache – 8 Mb, która zapewnia jego sprawne działanie

Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja) Dyski Twarde mają bardzo dużo pojemność: od 40 do 750 GB. We współczesnych modelach prędkość obrotów dysku sięga 7200 na minutę. Oznacza to że czas otrzymania danych wynosi 9ms, średni przesył danych wynosi do 60 MB/s Istnieją dyski zewnętrzne i wewnętrzne Na przykład, wewnętrzne dyski twarde mogą być częścią stałych systemów

Urządzenia magazynujące – Przenośne dyski Twarde Przenośny Dysk Twardy(IHDD) jest zbudowany tak samo jak HDD, jest jednak przenośn i łączy się z komputerem za pomocą łącza USB(Universal serial bus) – jest to standardowy sposób połączenia w komputerach. Na przykład: z Max Connect IHDD, Power Mac G5 może posiadać 9 dysków przenośnych, co pozwala systemowi ładować się z jednego dysku a resztę dysków ustawia w trybie RAIDED (Redundunt Array Of Inexpensive Disk) Powoduje to 8x krotne zwiększenie prędkości w stosunku do normalnego Power Mac’a G5

Porównanie urządzeń magazynujących

Urządzenia Magazynujące – Formatowanie dysków Formatowanie dysku jest procesem przygotowania partycji lub innego nośnika danych do zapisu danych. Duże dyski mogę być podzielone na partycje, podzielone na sekcje logiczne, które posiadają własny system plików. Formatowanie dysku można podzielić na dwa różne porcesy, formatowanie niskowoluminowe i wysokowoluminowe. Formatowanie niskowoluminowe to formatowanie powierzchni dysku instalowanie numerów sektorów, które są rozpoznawane i wykorzystywane przez kontroler dysku Formatowanie wysokowoluminowe to proces tworzenia wolnego miejsca dla plików, a także tworzenie sektora rozruchowego dysku.

Bibliografia European Computer Driven Licence, Syllabus version 4.0, 2006. Lecture Notes. Fundamentals of Informatics (e-version). Based on a book by L.Z.Shaucukova. Informatics (in Russian). Moscow, 2002. – 420 p. (translated and edited by Anatoly Sachenko). William Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance (6th edition). Prentice Hall , 2002, 750 p. Tucker (Editor-in-Chief), R. Cupper, F.P. Deek, and R. Noonan (Editorial advisors), Computer Science Handbook, Second edition, CRC Press, 2004, 2752 p. Hysa B., Piekoszewska B., Rakowiecka K., Sobota M., Sołtysik- Piorunkiewicz A., Zdonek D., Zdonek I., : Laboratorium z podstaw informatyki w zarządzaniu. Część II. Wprowadzenie do MS Windows. MS Word. Wydawnictwo PŚ. Gliwice 2003. Skrypt nr 2324. Kowalczyk G.: Word 2000 PL. Ćwiczenia praktyczne. Helion, Gliwice 2000. J. Glenn Brookshear. Computer science an overview, Sixth edition, Addison Wesley, 2001, 688 p.