Sprzęt komputerowy. Architektura komputerów i systemy operacyjne

Transkrypt

1 Sprzęt komputerowy Architektura komputerów i systemy operacyjne

2 ARCHITEKTURA KOMPUTERA ARCHITEKTURA KOMPUTERA jest zdefiniowana przez atrybuty komputera widoczne dla programisty piszącego program w języku maszynowym. Definicja ta obejmuje listę instrukcji, format instrukcji, kody operacji, tryby adresowania oraz wszystkie rejestry i lokacje pamięci, które mogą być bezpośrednio modyfikowane przez program napisany w języku maszynowym. IMPLEMENTACJA SPRZĘTOWA jest zdefiniowana przez rzeczywistą strukturę sprzętu, organizację układów logicznych i organizację dróg przepływu danych. Architektura komputerów

3 Architektura Komputera Architektura komputerów

4 Architektura klasycznego komputera wg. Von Neumana Elementy funkcjonalne komputera: procesor pamięć operacyjna urządzenia wejścia/wyjścia Architektura klasycznego komputera (wg von Neumana) opiera się na założeniach: program wykonywany przez procesor wraz z danymi jest umieszczony w pamięci; kolejność wykonywanych rozkazów zależy od ich umieszczenia w programie (w kolejnych komórkach pamięci), a zmiana tej zasady może być wykonana tylko: przez program (rozkaz skoku); przez system operacyjny np. wykrycie błędu; przez operatora np. reset procesor odczytuje kolejne rozkazy z pamięci wysyłając odpowiednie adresy. Działanie komputera opiera się na: dostępie użytkownika tylko do urządzeń zewnętrznych, wprowadzaniu do komputera programów i danych, wywołaniu programu przez użytkownika, wykonaniu programu oraz wyświetleniu lub wydrukowaniu wyników. Architektura komputerów

5 Model magistrali trójszynowej Magistrala adresowa Magistrala danych Liczba linii wyznacza możliwości adresowania np. liczba linii 20 to można zaadresować 2 20 komórek Liczba linii określa długość słowa procesora (8, 16, 32,... (+bit detekcji i korekcji błędów) Magistrala sterowania Kilkanaście (kilkadziesiąt) linii ZEGAR PROCESOR PAMIĘC UKŁADY WE/WY Centralna jednostka przetwarzająca (CPU) DANE PROGRAMY WYNIKI... URZ. ZEWN. MONITORY, DRUKARKI, CZYTNIKI,... Uniwersalny układ przetwarzający informację i sterujący pracą pozostałych elementów systemu UŻYTKOWNIK Architektura komputerów

6 Budowa komputera, urzadzenia zewnętrzne 1.Podział komputerów ze względu na moc obliczeniową 2.Rodzaje i przykłady komputerów 3.Jednostka centralna 4.Urządzenia wejściowe 5.Urządzenia wyjściowe

7 Komputer pragramowalna maszyna cyfrowa Wszelkie procesy zamierzonego przetwarzania informacji przebiegają według ustalonego algorytmu DANE POCZĄTKOWE PROCES PRZETWARZANIA WYNIKI KOŃCOWE ALGORYTM Przetwarzanie informacji cyfrowej można zrealizować w oparciu o: specjalizowany układ cyfrowy: DANE SPECJALIZOWANY UKŁAD CYFROWY WYNIKI system mikroprocesorowy (maszyna cyfrowa): PROGRAM DANE MASZYNA CYFROWA WYNIKI Architektura komputerów

8 Architektura maszyny cyfrowej PAMIĘĆ ZEWNĘTRZNA MASZYNA CYFROWA PROGRAM PAMIĘĆ OPERACYJNA WYNIKI UKŁADY WE URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE BLOK PRZETWA- RZANIA UKŁADY WY URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE DANE STEROWANIE PROCESOR JEDNOSTKA CENTRALNA Architektura komputerów

9 Podział komputerów Komputery wg. mocy obliczeniowej superkomputery mainframe minikomputery Komputery w/g przeznaczenia Sterujące Przemysłowe Sterowniki Obliczeniowe mikrokomputery Osobiste Servery Komputery: Pojedynczego użytkownika Serwery plików Stacje robocze /Main Frame CAD/Graficzne Jednowątkowe/ jednoprocesowe Wielowątkowe/ przełączanie zadań Wielozadaniowe Wielu użytkowników Komputery Jednoprocesorowe Wieloprocesorowe Architektura komputerów

10 Ewolucja jednostek komputerowych Superkomputery Maksikomputery Mainframe Minikomputery Mikrokomputery lata Koszty sprzętu spadają przy jednoczesnym wzroście wydajności Koszty zakupu i tworzenia oprogramowania rosną Koszty przetworzenia jednostki informacji w większych i wydajniejszych komputerach są mniejsze niż w jednostkach mniejszych Architektura komputerów

11 Podział komputerów ze względu na moc obliczeniową superkomputery: wieloprocesorowe systemy obliczeniowe realizujące zadania nadzoru ważnych procesów fizycznych, badawczych (większość dużych ośrodków naukowych posiada wydzielone centra obliczeniowe obsługiwane przez takie właśnie maszyny) i przemysłowych. Ich moc obliczeniowa wielokrotnie przewyższa moc obliczeniową pojedynczego komputera osobistego. Ich cena sprawia, że często są wyłącznie własnością instytucji rządowych lub naukowych. minikomputery: zwykle są to komputery do specjalizowanych zadań obliczeniowych. Nieznacznie przewyższają swoją mocą obliczeniową komputery osobiste. Przykładem mogą być stacje graficzne do obsługi programów graficznych (zwane również stacjami roboczymi), serwery lokalnych sieci komputerowych itp. mikrokomputery: najmniejsze pod względem rozmiaru i mocy obliczeniowej komputery będące głównym narzędziem obliczeniowym przeciętnego użytkownika. Ze względu na swą cenę i możliwość łatwych modernizacji są najpopularniejszymi narzędziami obliczeniowymi.

12 Rodzaje i przykłady komputerów (1) - Komputery sterujące mikroprocesory wbudowane w różne urządzenia, np. samochody, pralki, windy, itp. mikroprocesory w odzieży, np. inteligentne ubranie, buty, opony samochodowe itp. Cyborgizacja - elektroniczne dodatki w ciele człowieka, układy monitorujące pracę organizmu, rozruszniki serca... implanty słuchu, wzroku, czuciowe.

13 Rodzaje i przykłady komputerów (2) - Komputerki kieszonkowe Komputerki naręczne, w zegarkach Notesy menedżerskie P/PC, Palmtopy, komputerki trzymane w dłoni H/PC, Handheld PC, komputerki trzymane w ręce PDA - Personal Digital Assistants, osobisty asystent cyfrowy Tablet PC - przenośna tabliczka Zintegrowane urządzenia komputerowo-komunikacyjne

14 Rodzaje i przykłady komputerów (5) - Komputery domowe Komputery domowe: niewielki rynek, zanikają kb RAM, taśma lub dyskietka, brak standardów programowania (czasami CP/M). Przykłady popularnych komputerów domowych Commodore (C64), rozszerzenia CMD Amstrad i Schneider CPC Atari, XL 600 i XL 800 ZX Spectrum i inne produkty Sinclaira - od 2000 roku do składnia. Komputery standardu MSX - nie rozpowszechniły się. Zastąpiły je komputery do gier, zwane konsolami: Sony PlayStation II, MS X-box. Super grafika i dźwięk, zero obsługi, wystarczy TV chociaż dobry monitor daje lepsze rezultaty

15 Rodzaje i przykłady komputerów (6) -Komputery osobiste IBM PC: powstały w 1981 roku Architektura otwarta, płyta systemowa, zawierająca mikroprocesor, pamięć, układy wspomagające (ostatnio często zintegrowany kontroler dysków, kartę graficzną, dźwiękową, czasami kartę sieciową) Komputery na procesorach Intela, zwykle z systemem Windows BIOS - podstawowy system wejścia/wyjścia, definiuje urządzenia znajdujące się w komputerze, czasami zawiera dodatki, np. programy antywirusowe. Komputery firmy Apple Apple Macintosh od 1984, bardzo udany. Wady: wysokie ceny, brak możliwości rozbudowy, Apple imac udany model, zaawansowany technologicznie, MacOS - system operacyjny (Windows jest na jego wzór) Komputery Atari Popularne wśród muzyków.

16 Rodzaje i przykłady komputerów (7) -Komputery przenośne Portable computers - pierwsze komputery przenośne, ciężkie, Laptop - kiepskie ekrany, dość ciężkie. Notebooki Notebook - notes formatu A4, waga 2-5 kg Zasilane z akumulatorów konieczne oszczędzanie energii (odpowiednio przystosowane urządzenia) Nietypowe notebooki: Ultralekkie Notebooki projekcyjne Mikro-notebooki Subnotebooki

17 Rodzaje i przykłady komputerów (8) - Stacje robocze workstations Stacje robocze - workstations: duża moc obliczeniowa, system wielodostępny, wbudowane możliwości komunikacji Najważniejsze firmy: DEC, Hewlett-Packard, IBM R6000, Silicon Graphics, Sun, Klony: Sun: Axil, Fujitsu, Rave Computer, Ross Technology Inc, Tatung

18 Rodzaje i przykłady komputerów (9) - Mainframes - komputery centralne duże systemy, wiele urządzeń zewnętrznych, stosowane w większych firmach. IBM Serii 360, 370, 390, ES-9000,starsze 43xx, Siemens-Nixdorf RM i BS; Komputery wieloprocesorowe, czyli systemy skalowalne, ich wydajność rośnie prawie liniowo w miarę dostawiania liczby procesorów: architektura SMP - symetryczna wieloprocesorowa, wspólna pamięć, do 1000 procesorów, zwykle <64. Przykłady SMP: IBM SP2, IBM RS/6000 SP; AT&T GIS 3500, architektura MMP - niezależna wieloprocesorowa, oddzielna pamięć dla każdego procesora, nawet ponad 1000 procesorów. Przykłady MPP: AT&T, rodzina Teradata; Cray T3D, Fujitsu VPP500, Intel Red procesorów, > 3 Tflop Komputer Optimusa 256 procesorów Itanium 2. Ok. 1Tflop

19 Rodzaje i przykłady komputerów (10) - Superkomputery bardzo duża moc obliczeniowa, 1999: IBM "Blue Pacific", ponad 8000 procesorów, > 4 TFlops, 2.6 TB RAM, 75 TB dyski, 50 ton, pobór mocy tylko 4 KW. 2005: IBM Blue Gene, 1 milion procesorów, prędkość ok. Petaflopa, czyli operacji/sekundę! 2011: Fujitsu K komputer, zainstalowany w Riken w Japonii (10,51 PFLOPS) Nasze największe centra superkomputerowe: Zeus[33] z ACK Cyfronet na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. 129 TFLOPS Galera Plus w TASK w Gdańsku, o wydajności 65 TFLOPS. Boreas w ICM w Warszawie, o wydajności 64 TFLOPS. Klaster obliczeniowy w PCSS w Poznaniu, o wydajności 63 TFLOPS. Farma serwerów Grupy Allegro, o wydajności 59 TFLOPS. Supernova w WCSS we Wrocławiu, o wydajności 57 TFLOPS.

20 Budowa komputera PC (1) KOMPUTER = JEDNOSTKA CENTRALNA + URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE (PERYFERYJNE) Wyróżniamy następujące grupy urządzeń peryferyjnych (zewnętrznych): urządzenia wejściowe (np. klawiatura, mysz, skaner), urządzenia wyjściowe (np. monitor ekranowy, drukarka, ploter, głośnik), urządzenia wejściowo - wyjściowe (np. modem, karta sieciowa)

21 Budowa komputera PC (1) JEDNOSTKA CENTRALNA = PAMIĘĆ OPERACYJNA + PROCESOR + EL. POMOCNICZE Architektura komputerów i systemy operacyjne

22 Budowa komputera PC (2)

23 Budowa komputera PC (1) jednostka centralna Obudowa stanowi podstawową (choć nie niezbędną) część komputera, typy określające rozmieszczenie otworów na złącza: Baby AT, ATX, typy określające wielkość lub sposób ustawienia: mini, midi, big-tower, desktop.

24 Budowa komputera PC (1) jednostka centralna Płyta główna posiada wbudowanych wiele składników niezbędnych do pracy komputera, jak: kontroler klawiatury, kontroler HD i FFD, porty komunikacyjne i inne. jej typ musi być zgodny z typem obudowy (AT, ATX) jej głównym elementem jest chipset (producenci: Intel, VIA, SiS) umożliwia integrację i działanie wszystkich składników komputera, takich jak:

25 Budowa komputera PC (1) jednostka centralna - płyta główna Mikroprocesor CPU: Centralna Jednostka Przetwarzająca (Central Processing Unit). Zegar: wytwarza prostokątne impulsy synchronizując działanie układów logicznych i pamięci, podstawowym parametrmem jest częstotliwość Pamięci: stała ROM, zapisywalna RAM, cache L1, L2, L3 Magistrale (szyny): przysyłanie danych do urządzeń zamontowanych wewnątrz komputera, dysków i kart rozszerzeń Szyna adresowa: wysyła informację z CPU do pamięci pozwalając odszukać adres komórki pamięci. Szyna danych: przesyła dane, znajdujące się w pamięci pod wskazanym adresem do/z CPU. Szyna sterująca Układy I/O (Input/Output), wejścia/wyjścia: komunikacja procesora ze światem zewnętrznym. port szeregowy, port równoległy, port USB, Kanały bezpośredniego dostępu (DMA): omijanie mikroprocesora przy transmisji danych z urządzeń zewnętrznych.

26 Dysk twardy Budowa komputera PC (1) jednostka centralna służy do przechowywania danych i programów posiada b duże pojemności 500 GB, 1TB musi być dostosowany do sterownika (SCSI, IDE/ATA, SATA), Stacje dyskietek umożliwia nagrywanie danych na dyskietki standardem są dyskietki o rozmiarze 3,5 cala i pojemności 1,44 MB Napęd dysków optycznych (CD, DVD, Combo) służy do czytania (zapisu nie zawsze) płyt CD, DVD, BlueRay, pojemności 700 MB (CD), do 17GB (DVD), do 400GB (BR) Karty rozszerzeń Montowane w gnizada rozszerzeń na płycie głównej (PCI, PCI-E, AGP) Najczęściej są to urzadznia do wspomagające urządzenia wej/wyj np.: modem, karta graficzna, karta muzyczna itp

27 Urządzenia wejściowe (1) - klawiatura Klawiatura podstawowe urządzenie wejściowe służące do komunikacji użytkownik-komputer posiada najczęściej 101-, 102- lub 104-klawiszowy w układzie QWERTY (zwykle konfiguracja polska programisty) podłączona do jednostki centralnej wtyczką DIN5, PS/2 lub USB Istnieją inne układy klawiarur np. klawiatura Dvoraka umożliwiajaca szybsze wprowadzanie znaków

28 Urządzenia wejściowe (2) - mysz Mysz stanowią proste urządzenie wejściowe umożliwiają wskazywanie obiektów dostępne typy myszy: optyczne, mechaniczne, optomechniczne, Bezprzewodowe typu track-ball.

29 Urządzenia wejściowe (3) - skanery Skanery służą do czytania obrazu i zapisu go w postaci elektronicznej typy: skanery ręczne, płaskie, bębnowe. rozdzielczość optyczna 4800x9600 dpi, interpolowana Głębia kolorów 24 bity a nawet 36/42 bity. sposób przyłączenia do komputera: USB - nowsze i najwygodniejsze; SCSI - szybkie ale drogie; Centronics - najwolniejsze i blokujace działanie komputera przy transmisji danych. OCR optyczne rozpoznawanie liter

30 Urządzenia wejściowe (4) Joysticki Aparaty cyfrowe Kamery cyfrowe

31 Urządzenia wyjściowe (1) - monitor monitor podstawowe urządzenie wyjściowe, wyróżnia się monitory z ekranami: CRT (Cathode Ray Tube) klasyczne, katodowe FPD (Flat Panel Displey) o płaskich ekranach: - LCD (Liquid Crystal Displey) ciekłokrystaliczne, - PDP (plasma Display Panel) - plazmowe

32 Urządzenia wyjściowe (2) - monitor O jakości monitora decydują takie parametry jak: Rozmiary ekranu - czyli przekatna ekranu wyrażana w calach (1 cal = 2,54 cm ). Rozdzielczość - jest to ilość pikseli w pionie i w poziomie. Im wyższa rozdzielczość tym obraz jest ostrzejszy i większy Plamka - jej wielkość decyduje o rozmiarach najmniejszych detali jakie monitor jest w stanie wyświetlić, im mniejsza plamka tym dokładniejszy obraz, przy czym średnia wielkość plamki rośnie wraz z przekątną ekranu Proporcje obrazu - wymiary wyświetlanego obrazu wyrażone ilorazem jego długości do wysokości Standard Rozdzielczość Proporcje obrazu SVGA :3 XGA :3 HDTV 720p :9 HDTV :9 WXGA :10 WXGA :10 WSXGA :10 SXGA :3 WSXGA :10 UXGA :3 HD :9 HDTV 1080p :9 WUXGA :10 QWXGA :9 QXGA :3 WQXGA :10 QSXGA :4

33 Urządzenia wyjściowe (3) - drukarki igłowe bardzo trwałe dają możliwość druku kilku kopii naraz druk uzyskiwany jest poprzez odbijanie tuszu ze specjalnej taśmy w wyniku uderzania igieł głowicy (9 lub 24 igieł) pracują dosyć głośno

34 Urządzenia wyjściowe (4) - drukarki atramentowe tanie drogie w eksploatacji wysoka jakość druku (nawet fotograficzna) głównie kolorowe

35 Urządzenia wyjściowe (4) drukarki atramentowe Pracują w jednym z dwóch trybów: Drop-On-Demand (DOD) lub Continuous-Ink-Jet (CIJ). Drop-On-Demand (DOD) Kropla jest wyrzucana przez głowice na żądanie, pod wpływem impulsu elektrycznego. Głowice termiczne Głowice piezoelektryczna. DOD jest podstawową technologią drukarek domowych i biurowych ze względu na wysoką jakość wydruku, druk wielokolorowy, niskie zużycie atramentu. Continuous-Ink-Jet (CIJ). Drukarka stale wyrzuca strumień kropel. Te które są używane do drukowania zostają naładowane i odchylone w polu elektrycznym a następnie trafiają w nośnik zaś pozostałe wpadają do zasysu i wracają do układu atramentowego. Technologia CIJ stosowana jest głównie w drukarkach przemysłowych ze względu na bardzo dużą elastyczność w zakresie odległości głowicy od produktu, rodzaju podłoża Architektura komputerów i systemy operacyjne

36 Urządzenia wyjściowe (5) - drukarki laserowe bardzo szybkie tanie w eksploatacji ciche głównie czarno-białe (choć zdarzają się kolorowe)

37 Urządzenia wyjściowe (5) drukarki laserowe Drukarki laserowe działają, dzięki naładowanemu elektrostatycznie bębnowi, który przyciąga cząsteczki tonera. Laser odbity od lustra, padając na bęben sprawia, że w tym miejscu toner nie przykleja się, co tworzy obraz. Wtedy też z bębna przenoszony jest obraz na kartkę papieru. Drukarki te utrwalają obraz za pomocą wysokiej temperatury. W drukarkach czarno białych znajduje się jeden bęben, laser i toner. Z kolei drukarki laserowe mają cztery osobne bębny, lasery i tonery. Architektura komputerów i systemy operacyjne

38 Urządzenia wyjściowe (6) Plotery rysują kolorowymi pisakami, rysunki techniczne, plany, duże formaty, plotery tnoce Głośniki służą do generowania dźwięków mogą być bardzo różnej jakości

39 Urzadzenia wejścowo-wyjściowe Modem wewnętrzne i zewnętrzne analogowe i cyfrowe Karta sieciowa słuzy do komunikacji pomiędzy komputerami kilka typów złączek najczęściej w standardzie Ethernet Szybkości 10 lub 100 Mbit/s

40 ENIAC Zbudowany w latach Jest przykładem maszyny, którą trzeba było fizycznie skonfigurować aby przeprowadzić określone obliczenia. Paramtry: waga: blisko 27 ton zapotrzebowanie na energię: W. ENIAC jest (błędnie) uważany za pierwszy na świecie komputer. Maszyna ta nie miała procesora, a obliczenia wykonywała w systemie dziesiętnym, podczas gdy wszystkie współczesne komputery pracują w systemie dwójkowym. Architektura komputerów