Podstawy Techniki Komputerowej. Temat: Elementy systemu informatycznego

Transkrypt

1 Podstawy Techniki Komputerowej Temat: Elementy systemu informatycznego

2 System informatyczny jest to zbiór powiązanych ze sobą elementów, którego funkcją jest przetwarzanie danych przy użyciu techniki komputerowej. Na systemy informatyczne składają się obecnie takie elementy jak: sprzęt obecnie głównie komputery, oraz urządzenia służące do przechowywania danych urządzenia służące do komunikacji między sprzętowymi elementami systemu urządzenia służące do komunikacji między ludźmi a komputerami urządzenia służące do odbierania danych ze świata zewnętrznego nie od ludzi (na przykład czujniki elektroniczne, kamery, skanery) urządzenia służące do wywierania wpływu przez systemy informatyczne na świat zewnętrzny elementy wykonawcze (na przykład silniki sterowane komputerowo, roboty przemysłowe, podłączony do komputera ekspres do kawy, sterowniki urządzeń mechanicznych) urządzenia służące do przetwarzania danych niebędące komputerami oprogramowanie zasoby osobowe ludzie elementy organizacyjne czyli procedury (procedury organizacyjne termin z zarządzania) korzystania z systemu informatycznego, instrukcje robocze itp.

3 System informatyczny Systemy informatyczne mogą być bardzo proste oraz złożone jak na przykład system kontroli lotów na lotnisku, system bankowy, system zarządzania produkcją itp. Miarą złożoności systemu może być na przykład ilość elementów systemu połączona ze złożonością stosowanego oprogramowania mierzoną w ilości punktów funkcyjnych. Tworzenie systemów informatycznych jest trudno przewidywalnym zadaniem trudno jest przewidzieć, czy projekt informatyczny zakończy się sukcesem (system stworzony na czas, zgodny z wymaganiami funkcjonalnymi, koszt stworzenia mieszczący się w ramach przewidzianego budżetu), czy porażką. Wszystko zależy od procesu, w jakim system jest wytwarzany. Aby ocenić prawdopodobieństwo sukcesu stosuje się metody oceny procesu wytwórczego stosowanego do produkcji systemu. Najbardziej rozpowszechnionym modelem takiej oceny jest CMM (stworzony przez Software Engineering Institute (SEI) model służący ocenie procesu wytwórczego służącego do produkcji oprogramowania. CMM ocenia praktyki stosowane podczas produkcji. Model ocenia proces w skali pięciostopniowej - od chaotycznego (nic nie jest sterowane ani kontrolowane), aż do ścisłego, zdyscyplinowanego procesu uwzględniającego wszystkie potrzebne aspekty)

4 Sprzęt komputerowy (ang. hardware)

5 Sprzęt komputerowy (ang. hardware)

6 Sprzęt komputerowy (ang. hardware)

7 Sprzęt komputerowy (ang. hardware)

8 Sprzęt komputerowy (ang. hardware) materialna część komputera. Ogólnie hardware'em nazywa się sprzęt komputerowy jako taki i odróżnia się go od software'u czyli oprogramowania. Elementami składowymi sprzętu komputerowego mogą być: mikroprocesory, pamięci, płyty główne, urządzenia peryferyjne (np. dyski twarde, klawiatury, myszki, monitory, modemy, CDROM), urządzenia audiowizualne (np. skanery, drukarki, urządzenia wielofunkcyjne, kamery). Podsumowując: sprzętem komputerowym (hardware'em) nazywamy fizyczną, funkcjonalną strukturę składającą się z różnych elektronicznych i mechanicznych podzespołów, która będzie realizować określone zadania inicjowane przez oprogramowanie.

9 Open Hardware - termin odnoszący się do sprzętu (zwykle elektronicznego oraz komputerowego), który został stworzony na podobnych zasadach co oprogramowanie FLOSS (jak np. GNU/Linux, OpenOffice.org czy Mozilla Firefox). Charakterystycznym przykładem architektury otwartej w dziedzinie sprzętu komputerowego jest konstrukcja komputerów z rodziny IBM PC XT, AT i późniejszych. Konstrukcje te zostały zaproponowane przez IBM na początku lat osiemdziesiątych. Wraz z komputerami firma ta opublikowała pełną dokumentację techniczną oraz kody źródłowe oprogramowania podstawowego (m.in. BIOS). Zdarzenie to zapoczątkowało masowe kopiowanie i produkcję tzw. komputerówklonów PC, trwające do dzisiejszego dnia. Wpływ tego posunięcia firmy IBM na rozwój komputeryzacji na świecie był ogromny. W ciągu relatywnie krótkiego czasu komputery o architekturze zgodnej z PC XT, a później z PC AT praktycznie wyparły maszyny innych producentów z zastosowań na rynku masowym. Wyraźnym efektem dla klientów była znaczna obniżka cen komputerów dzięki większej konkurencji na rynku sprzętu komputerowego. Zjawisko to obecnie jest określane jako tzw. standaryzacja platformy sprzętowej, na której ugruntowana została pozycja architektury dzisiejszych komputerów PC.

10 Oprogramowanie (ang. software) całość informacji w postaci zestawu instrukcji, zaimplementowanych interfejsów i zintegrowanych danych przeznaczonych dla komputera do realizacji wyznaczonych celów. Celem oprogramowania jest przetwarzanie danych (lub sterowanie procesem) w określonym przez twórcę zakresie. Oprogramowanie jest synonimem terminów program komputerowy oraz aplikacja, przy czym stosuje się go zazwyczaj do określania większych programów oraz ich zbiorów. Oprogramowanie tworzą programiści w procesie programowania. Oprogramowanie jako przejaw twórczości jest chronione prawem autorskim, twórcy zezwalają na korzystanie z niego na warunkach określanych w licencji. Oprogramowanie pisane jest zazwyczaj przy użyciu różnych języków programowania z wykorzystaniem algorytmów. Programy przekształcające oprogramowanie z postaci źródłowej na binarną to kompilatory. Niektóre oprogramowanie, np. napisane w całości w językach interpretowanych, może występować tylko w jednej postaci, spełniającej oba zadania.

11 Oprogramowanie dzieli się ze względu na przeznaczenie: oprogramowanie systemowe realizujące funkcje konieczne dla działania systemu komputerowego, oprogramowanie do tworzenia oprogramowania, biblioteki programistyczne oprogramowanie do wykorzystania przez inne programy, oprogramowanie użytkowe mające bezpośredni kontakt z użytkownikiem i realizujące usługi dla tego użytkownika za pomocą aplikacji, z technicznego punktu widzenia jest to oprogramowanie korzystające z usług m.in. systemu operacyjnego, a szerzej oprogramowania systemowego. Pojęcie oprogramowania systemowego jest znacznie szersze niż systemy operacyjne. W jego skład wchodzi też oprogramowanie serwerowe i każde oprogramowanie, z którym użytkownik nie ma bezpośredniej styczności.

12 System komputerowy (ang. computer system) układ współdziałania dwóch składowych: sprzętu komputerowego oraz oprogramowania, działających coraz częściej również w ramach sieci komputerowej. Można mówić o następujących poziomach takiego systemu: sprzęt komputerowy, system operacyjny (oprogramowanie systemowe), oprogramowanie użytkowe (aplikacje). W pełni zautomatyzowany system komputerowy działa bez udziału człowieka. Organizacja systemu komputerowego to opis zależności sprzętowych, przedstawienie poszczególnych podzespołów komputera, który funkcjonuje według pewnych reguł i zasad, współpracuje ze sobą by osiągnąć określony cel. Organizacja systemu komputerowego określa zasady, reguły, cele oraz sposób wspomagania działań poszczególnych podzespołów.

13 Struktura systemu komputerowego składa się z pięciu zasadniczych warstw tj. warstwa sprzętowa, system operacyjny, programy narzędziowe, programy użytkowe i użytkownicy. Sprzęt zapewnia podstawowe możliwości obliczeniowe (procesor, pamięć, urządzenia wejścia/wyjścia) podstawowe zasoby systemu komputerowego. Oprogramowanie systemowe kontroluje i koordynuje działanie zasobów sprzętowych przez zastosowanie różnych programów użytkowych dla różnych użytkowników. Warstwa tworzona przez twórców systemu operacyjnego. Oprogramowanie narzędziowe dogodne interfejsy użytkowe wspomagające zarządzanie zasobami sprzętowymi oraz usprawniające, modyfikujące oprogramowanie systemowe, zazwyczaj pisane przez niezależnych programistów, którzy mają na celu usprawnienia wykonywania programów w bardziej wygodny i wydajny sposób, a przy tym często eliminują błędy czy też niedociągnięcia oprogramowania systemowego. Oprogramowanie użytkowe określają sposoby użycia zasobów systemowych do rozwiązywania problemów obliczeniowych zadanych przez użytkownika (kompilatory, systemy baz danych, gry, oprogramowanie biurowe), tworzone przez programistów.

14

15 Architektura systemu komputerowego - nauka i sztuka projektowania, konstruowania i wykonywania systemu: komputerowego lub mikroprocesorowego. Architektura von Neumanna Architektura Harwardzka

16 Architektura von Neumanna pierwszy rodzaj architektury komputera, opracowanej przez Johna von Neumanna, Johna W. Mauchly ego oraz Johna Presper Eckerta w 1945 roku. Cechą charakterystyczną tej architektury jest to, że dane przechowywane są wspólnie z instrukcjami, co sprawia, że są kodowane w ten sam sposób. W architekturze tej komputer składa się z czterech głównych komponentów: pamięci komputerowej przechowującej dane programu oraz instrukcje programu; każda komórka pamięci ma unikatowy identyfikator nazywany jej adresem jednostki sterującej odpowiedzialnej za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjne przetwarzanie jednostki arytmetyczno-logicznej odpowiedzialnej za wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych. urządzeń wejścia/wyjścia służących do interakcji z operatorem

17 Architektura von Neumanna

18 Architektura harwardzka rodzaj architektury komputera. W odróżnieniu od architektury von Neumanna, pamięć danych programu jest oddzielona od pamięci rozkazów. Podstawowa architektura komputerów zerowej generacji i początkowa komputerów pierwszej generacji. Prostsza (w stosunku do architektury von Neumanna) budowa przekłada się na większą szybkość działania - dlatego ten typ architektury jest często wykorzystywany w procesorach sygnałowych oraz przy dostępie procesora do pamięci cache. Separacja pamięci danych od pamięci rozkazów sprawia, że architektura harwardzka jest obecnie powszechnie stosowana w mikrokomputerach jednoukładowych, w których dane programu są najczęściej zapisane w nieulotnej pamięci ROM (EPROM/EEPROM), natomiast dla danych tymczasowych wykorzystana jest pamięć RAM (wewnętrzna lub zewnętrzna).

19 Zmodyfikowana architektura harwardzka - znana również jako architektura mieszana, łączy w sobie cechy architektury harwardzkiej i architektury von Neumanna. Oddzielone zostały pamięci danych i rozkazów, lecz wykorzystują one wspólne magistrale danych i adresową. Architektura niniejsza umożliwia łatwe przesyłanie danych pomiędzy rozdzielonymi pamięciami.

20 Mikroprocesor układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji (LSI) zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji. Mikroprocesor łączy funkcje centralnej jednostki obliczeniowej (CPU) w pojedynczym półprzewodnikowym układzie scalonym. Pierwszy mikroprocesor był procesorem 4-bitowym a następne 8, 16, 32, 64 bitowe. Przed tym okresem, elektroniczne CPU były konstruowane z układów przełączających (układów cyfrowych). Poprzez zintegrowanie układów cyfrowych będących podstawowymi elementami CPU w jeden lub kilka obwodów scalonych o coraz wyższej skali integracji (zawierających odpowiednik tysięcy lub milionów tranzystorów), stało się możliwe projektowanie urządzeń komputerowych o coraz niższych cenach. Od połowy lat siedemdziesiątych, dzięki intensywnemu rozwojowi układów scalonych, mikroprocesor stał się najbardziej rozpowszechnioną formą CPU, prawie całkowicie zastępując wszystkie inne. Mikroprocesor umożliwił rozwój mikrokomputerów w połowie lat 70. XX w.

21 Mikrokontroler (mikrokomputer jednoukładowy skrót ang. MCU lub μc) scalony system mikroprocesorowy, zrealizowany w postaci pojedynczego układu scalonego zawierającego jednostkę centralną (CPU), pamięć danych oraz na ogół pamięć programu i rozbudowane układy wejściawyjścia. Określenie mikrokontroler pochodzi od głównego obszaru zastosowań, jakim jest sterowanie urządzeniami elektronicznymi. Mikrokontroler stanowi użyteczny i całkowicie autonomiczny system mikroprocesorowy, nie wymagający użycia dodatkowych elementów, których wymagałby do pracy tradycyjny mikroprocesor. Mikrokontrolery przystosowane są do bezpośredniej współpracy z rozmaitymi urządzeniami zewnętrznymi, w tym również takimi, do których obsługi tradycyjny mikroprocesor wymagałby użycia dodatkowych układów peryferyjnych. Mikrokontrolery wykorzystuje się powszechnie w sprzęcie AGD, układach kontrolno-pomiarowych, w przemysłowych układach automatyki, w telekomunikacji

22 Magistrala (ang. bus) zespół linii oraz układów przełączających służących do przesyłania sygnałów między połączonymi urządzeniami w systemach mikroprocesorowych, złożony z trzech współdziałających szyn: danych - tą magistralą przepływają dane adresowa - mówi, z jakiej komórki pamięci sygnał ma zostać odczytany lub do jakiej komórki pamięci sygnał ma zostać zapisany; sterująca (kontrolna) - mówi, czy sygnał ma zostać zapisany, czy odczytany Jest elementem, który sprawia, że system komputerowy staje się określoną całością. Szerokość magistrali (liczba równoległych ścieżek szyny danych) określa, ile bitów może ona przesłać za jednym razem (w jednym takcie). Rozróżniane są 2 typy magistrali: jednokierunkowa (dane przepływają tylko w jednym kierunku) oraz dwukierunkowa (dane przepływać mogą w obu kierunkach)

23 Układ wejścia-wyjścia (ang. input-output circuit, I/O circuit) są to takie urządzenia, które pośredniczą w wymianie informacji pomiędzy systemem mikroprocesorowym, a urządzeniami zewnętrznymi (urządzenia peryferyjne). Powody istnienia układów wejścia-wyjścia: Istnieją różnice w szybkości działania współpracujących urządzeń Istnieją różnice w parametrach elektrycznych współpracujących układów Urządzenie wymaga podania informacji w określonym formacie wraz z pewnymi sygnałami sterującymi Dla układów wejścia, wyjścia współadresowalnych z blokiem pamięci (architektura von Neumanna) wybieramy obiekt, na którym dokonujemy operacji (komórka lub rejestr układów wejścia, wyjścia) za pomocą specjalizowanych sygnałów z magistrali sterującej lub poprzez przydzielenie innych obszarów adresowych.

24 Sterowanie przepływem informacji z układu wejścia/wyjścia za pomocą specjalizowanych sygnałów z magistrali sterującej

25 Sterowanie przepływem informacji z układu wejścia/wyjścia poprzez rozdzielenie obszarów adresowych

26 Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji) często zwaną pamięcią operacyjną. Pamięć komputerowa ma zupełnie inny charakter niż ta występująca u istot żywych i jej badaniem zajmuje się informatyka. Komputery zapamiętują binarne stany odpowiadające logicznym zerom i jedynkom. Fizycznie stany te odpowiadają napięciom w tranzystorach, polu magnetycznemu albo optycznej przezroczystości nośnika danych. W komputerach najczęściej pamięciami są układy scalone. Zaletą pamięci komputerowej jest jej niezwykła trwałość oraz szybkość w przetwarzaniu pewnych typów informacji. Niezależnie od rodzaju pamięci można wyróżnić trzy etapy jej pracy: rejestracja informacji poprzez zmianę struktury fizycznej, przechowywanie informacji, odtwarzanie.

27 Pamięć komputerowa Pamięć półprzewodnikowa - rodzaj pamięci będącej cyfrowym układem scalonym i przechowującej informacje w postaci binarnej. Zaliczamy do niej m.in. pamięć RAM i ROM. Pamięci te są jednymi z podstawowych stosowanych w komputerach. ROM (Read-Only Memory - pamięć tylko do odczytu) - rodzaj pamięci, która zawiera stałe dane potrzebne w pracy urządzenia - na przykład procedury startowe komputera. Z pamięci tej dane można tylko odczytywać. Są w niej przechowywane podstawowe dane, które muszą zostać zachowane, nawet jeśli urządzenie nie jest zasilane. RAM (Random Access Memory pamięć o dostępie swobodnym) podstawowy rodzaj pamięci cyfrowej ze względów historycznych określa ona tylko te rodzaje pamięci o bezpośrednim dostępie, w których możliwy jest wielokrotny i łatwy zapis, a wyklucza pamięci ROM (tylko do odczytu). Pamięć ta traci swoją zawartość po wyłączeniu zasilania

28 Pamięć ROM - w normalnym cyklu pracy urządzenia pamięć ta może być tylko odczytywana. Przygotowanie, poprzez zapis informacji do pamięci, wykonywane jest w zależności od rodzaju pamięci. Najpopularniejsze rodzaje to: ROM - pamięci tylko do odczytu. Ten typ pamięci programowany jest przez producenta w trakcie procesu produkcyjnego. Czasami ROM określana jako MROM (Mask-programmable ROM). PROM (Programmable ROM) - programowalna pamięć tylko do odczytu. Jest to pamięć jednokrotnego zapisu. Pierwsze pamięci tego typu były programowane przez przepalenie cieniutkich drucików wbudowanych w strukturę (tzw. przepalanie połączeń ). EPROM (Erasable Programmable ROM) - kasowalna pamięć tylko do odczytu. Pamięć, do której zaprogramowania potrzebne jest specjalne urządzenie, zwane programatorem PROM (PROM Programmer albo PROM Burner). Pamięci tego typu montowane są zazwyczaj w obudowie ceramicznej ze szklanym okienkiem umożliwiającym skasowanie poprzez naświetlanie ultrafioletem.

29 Pamięć EPROM

30 A0 A13 linie adresowe magistrala adresowa D0 D7 linie danych magistrala danych CE linia wyboru układu OE zezwolenie na odczyta układu PGM zezwolenie na programowanie układu Vpp napięcie programujące 27 C 128: 27 pamięć typu EPROM C - technologia CMOS 128 pojemność 128 Kb w układzie 16K x 8 bit Pamięć EPROM

31 Przebiegi czasowe cyklu odczytu pamięci EEPROM

32 EEPROM ( Electrically Erasable Programmable ROM) - pamięć kasowalna i programowalna elektrycznie. Wykonywana w różnych postaciach (np. jako FLASH), różniących się sposobem organizacji kasowania i zapisu. Flash EEPROM - kasowanie, a co za tym idzie także zapisywanie, odbywa się tylko dla określonej dla danego typu liczby komórek pamięci jednocześnie podczas jednej operacji programowania

33

34

35 Pamięć RAM - w normalnym cyklu pracy urządzenia pamięć ta może być wielokrotnie zapisywana i odczytywana. Pamięć RAM jest stosowana głównie jako pamięć operacyjna komputera, jako pamięć niektórych komponentów (procesorów specjalizowanych) komputera (np. kart graficznych, dźwiękowych, itp.), jako pamięć danych sterowników mikroprocesorowych Najpopularniejsze rodzaje to: pamięci statyczne (ang. Static RAM, w skrócie SRAM). Słowo "statyczna" oznacza, że pamięć SRAM przechowuje dane tak długo, jak długo włączone jest zasilanie, w odróżnieniu od pamięci typu DRAM, która wymaga okresowego odświeżania pamięci dynamiczne (Dynamic RAM, w skrócie DRAM). Pamięci statyczne są szybsze od pamięci dynamicznych, które wymagają ponadto częstego odświeżania, bez którego szybko tracą swoją zawartość. Pomimo swoich zalet są one jednak dużo droższe; używane są w układach, gdzie wymagana jest duża szybkość (np. pamięć podręczna procesora lub ilość pamięci jest niewielka, że nie opłaca się konstruować układu odświeżania (np. proste mikrokontrolery). W komputerach wymagających dużej ilości pamięci jako pamięć operacyjną używa się pamięci DRAM

36 DIP SIP SIM SIM DIM

37 DDR DDR2 DDR3

38

39