Technologia informacyjna

Transkrypt

1 Technologia informacyjna Architektura oraz elementy budowy komputera Dr inż. Andrzej Czerepicki Politechnika Warszawska Wydział Transportu 2016

2 Definicja komputera Komputer (ang. Computer) urządzenie do wprowadzania, przechowywania, przetwarzania oraz wyprowadzania danych Najważniejszą cechą komputera jest jego programowalność tj. możliwość zmiany realizowanego algorytmu 2

3 Synonimy (historyczne) Maszyna licząca Elektroniczna maszyna cyfrowa Maszyna matematyczna Instytut Maszyn Matematycznych w Warszawie

4 Urządzenia liczące Abakus (~2700 p.n.e.) Maszyna licząca Pascala (1642 r.) Maszyna Żakarda (1805) Pierwsze urządzenie programowalne Urządzenia te nie były komputerami we współczesnym rozumowaniu

5 Komputery analogowe - mechaniczne (1927) - elektryczne - pneumatyczne - itp. Komputer Z3 (1941) pierwsze urządzenie formalnie spełniające wymogi komputera Komputer ELWAT (1967 r., Wrocław)

6 Kamienie milowe historii komputerów 1946 pierwszy uniwersalny komputer ENIAK 1958 r. pierwsze układy scalone 1960 r. Firma DEC prezentuje PDP-1, pierwszy komputer na układach scalonych 1968 r.- pierwszy polski komputer Odra r. - polski komputer K-202 (J. Karpiński) 1970 r. firma Intel produkuje procesor Intel r. firma IBM: pierwszy PC Rozpoczyna się historia komputerów personalnych 6

7 Pierwsze komputery personalne ZX Spectrum (1982) Atari 400 (1979) Commodore 64 (1982) (1977) 7

8 Komputer IBM PC (1982) Rodzic współczesnych komputerów osobistych PC Personal Computer Rola IBM w standaryzacji platform komputerów Logo IBM PC Compatible Następne modele: IBM PC XT IBM PC AT IBM PC 286, 386, 486, Pentium, 8

9 Klasyfikacja komputerów wg bazy Przekaźnikowe Lampowe Tranzystorowe Na układach scalonych Trwają prace nad komputerami biologicznymi oraz kwantowymi 9

10 Klasyfikacja komputerów wg przeznaczenia Komputer osobisty (personalny) Komputer domowy Komputer typu mainframe Superkomputer Komputer wbudowany 10

11 Komputer osobisty (personalny) ang. Personal Computer PC komputer przeznaczony do wykorzystania przez pojedynczego użytkownika (w danej chwili) niewielkie rozmiary uniwersalne zastosowanie najliczniejsza grupa komputerów 11

12 Komputer domowy historycznie poprzednik komputera osobistego zorientowany na rozrywkę był popularny w latach (podłączany do TV: Commodore, Amiga, Atari, ZX Spectrum itp.) obecnie rolę komputerów domowych pełnią konsole specjalizowane komputery przeznaczone głównie do gier (Sony PlayStation, Microsoft Xbox, Nintendo, etc.) 12

13 Komputer mainframe komputer (lub grupa jednostek) o dużej mocy obliczeniowej zorientowany na centralne przetwarzanie danych o dużym natężeniu: obsługa wielu klientów jednocześnie (bazy danych, centra obliczeniowe itp.) otwarte lub zamknięte systemy operacyjne produkcja seryjna znacząca rola firmy IBM Seria komputerów IBM

14 Superkomputer komputer o bardzo dużej mocy obliczeniowej do specyficznych zastosowań zastosowanie w wybranych dziedzinach (matematyka, fizyka, chemia, biologia, astronomia itp.) sztuczna produkcja (koszty nie mają znaczenia) bardzo szybko się starzeją! Prometheus (Kraków, 2015) > 40 tys. procesorów > 200 TB pamięci RAM > 40 mln. zł 14

15 Komputer wbudowany (ang. Embedded) specjalizowany układ będący częścią integralną innego sprzętu (niekoniecznie komputerowego) router, drukarka, telewizor, samochód, kuchenka, itp. zminiaturyzowany o ograniczonych możliwościach obliczeniowych ma specjalny system operacyjny 15

16 Klasyfikacja komputerów wg rozmiarów Stacjonarny Mobilny Laptop (notebook) Tablet Netbook Ultra-light PC Smartfon, PDA (Palmtop) Odtwarzacz multimedialny Nawigacja samochodowa Etc. Granice są rozmyte! 16

17 Architektura komputera 17

18 Elementy architektury komputera Wyniki obliczeń Tymczasowe wyniki Programy uruchomione Pamięć operacyjna (RAM) Urządzenia wyjścia (Output) Procesor (CPU) Trwałe wyniki Programy zapisane Pamięć zewnętrzna Dane wejściowe Urządzenia wejścia (Input) Wszystkim zarządza procesor Architektura komputera von Neumana (klasyczna) 18

19 Elementy architektury komputera Procesor jednostka licząca oraz sterująca wykonaniem poleceń Pamięć operacyjna jednostka przechowująca dane ulotne tj. dostępne tylko w czasie działania komputera Magistrala struktura umożliwiająca przekazywanie danych pomiędzy jednostkami w komputerze Urządzenia wejścia elementy za pomocą których odbywa się wprowadzenie danych do komputera Urządzenia wyjścia elementy za pomocą których odbywa się odczyt danych z komputera 19

20 Architektura von Neumana Klasyczna architektura (lata 50. XX wieku) Procesor jest centralnym elementem: Steruje pozostałymi komponentami Dokonuje obliczeń Pamięć ulotna (operacyjna) RAM przechowuje bieżące dane oraz programy uruchomione Pamięć trwała (ROM, HDD, etc.) przechowuje programy i system operacyjny Główną wadą architektury jest nadmiarowe obciążenie CPU 20

21 Architektura współczesna Procesor (CPU) Pamięć operacyjna (RAM) Procesor graficzny (GPU) Magistrale danych / adresów / sterowania Kontroler urządzenia Kontroler urządzenia Urządzenia wejścia Urządzenia wyjścia Pamięć zewnętrzna 21

22 Architektura współczesna (c.d.) Centralnym elementem jest magistrala Magistrala adresów określa kierunek przepływu informacji Magistrala danych przekazuje informację Magistrala sterowania kontroluje proces wymiany danych oraz synchronizuje urządzenia Łatwo o dodanie kolejnego procesora Możliwość dokonania równoległych obliczeń Architektura wymaga wysokiej przepustowości magistrali 22

23 Elementy budowy komputera osobistego (PC) 23

24 Centralna jednostka komputera (na przykładzie stacjonarnego) 24

25 Procesor Procesor (ang. CPU) jednostka obliczeniowosterująca komputera Przetwarza instrukcje programu (sterowanie wykonaniem programu) Dokonuje obliczeń na danych Steruje działaniem innych podzespołów Procesor Intel Core Duo 25

26 Częstotliwość pracy procesora (ang. Frequency) Liczba rozkazów na sekundę MIPS (ang. million instructions per second) Wydajność komputera bezpośrednio zależy od wydajności CPU (prawie liniowa zależność) Szybszy CPU potrzebuje więcej energii elektrycznej Problemy z odprowadzaniem ciepła niezbędny jest wydajny układ chłodzenia 26

27 Częstotliwość procesorów Intel F, [MHz) Rok 27

28 Liczba rdzeni procesora Rdzeń procesora (ang. Core) niezależna jednostka obliczeniowa Na kilku rdzeniach można wykonywać algorytmy równolegle, w tym korzystając ze wspólnych danych Większa liczbą rdzeni powoduje wzrost wydajności komputera, ale jednocześnie wzrasta ilość problemów: Organizacja wspólnego dostępu do danych Podział zadań pomiędzy rdzeniami Problemy sterowania itp. Zależność wydajności komputera od liczby rdzeni procesora nie jest liniowa (!) 28

29 Pamięć operacyjna RAM Pamięć o swobodnym dostępie (ang. Random Access Memory): informacja może być odczytana lub zapisana w dowolnym miejscu pamięci w takim samym czasie Pamięć ulotna zawartość znika po wyłączeniu zasilania Przechowuje: Aktywne moduły systemu operacyjnego Kod uruchomionych programów Tymczasowe wyniki obliczeń itp. Bardzo szybka (częstotliwość liczona w GHz) Ograniczona pojemność (max kilkadziesiąt GB) 29

30 Organizacja pamięci RAM Dane Bajt Bajt Bajt Bajt Słowo Bajt Bajt Bajt Bajt Bajt Bajt Bajt Bajt... Adres Bajt Bajt Bajt Bajt Rozmiar magistrali danych = 32 (8 x 4) 30

31 Charakterystyki pamięci RAM Pojemność, [GB] Częstotliwość pracy, [GHz] Wpływ pamięci RAM na szybkość działania komputera: Poniżej określonej granicy brak wolnej pamięci mocno spowalnia pracę komputera (do pełnego zatrzymania się!) Powyżej pewnej granicy wolna pamięć może być nie wykorzystana Ze względu na brak zapotrzebowań Ze względu na brak wsparcia ze strony systemu operacyjnego 31

32 Wzrost pojemności RAM wg lat 64 GB

33 Pamięć stała ROM ROM (ang. Read Only Memory), pamięć tylko do odczytu Pamięć typu FLASH o charakterze trwałym, zdolna do przechowania danych po wyłączeniu komputera Przechowuje ustawienia płyty głównej komputera (BIOS ang. Basic Input Output System) oraz program rozruchowy pozwalający na uruchomienie systemu operacyjnego z innego nośnika W komputerach mobilnych system operacyjny może być całkowicie zapisany w ROM 33

34 Charakterystyki pamięci ROM Bardzo szybkie wybieranie danych (GB/s) Pojemność mniejsza od RAM Jest określana poprzez objętość programu BIOS Rzadko sięga > 1 GB Ograniczona ilość operacji zapisu danych (aktualizacje oprogramowania) Brak lub ograniczone możliwości zapisu danych przez zwykłego użytkownika 34

35 Pamięć zewnętrzna Pamięć zewnętrzna jest pamięcią trwałą przeznaczona do przechowania danych po wyłączeniu komputera Przechowuje dane w postaci plików: System operacyjny Programy Pliki użytkownika Pamięć o sekwencyjnym dostępie dostęp znacznie wolniejszy od RAM / ROM Pamięć o znacznie większej pojemności od RAM 35

36 Historyczne rodzaje pamięci zewnętrznej Karty perforowane Taśmy magnetyczne Dyskietki magnetyczne Dyski optyczne CD Dyski magnetooptyczne (MO) Dyskietki ZIP. 36

37 Współczesne rodzaje pamięci zewnętrznej Dyski twarde Stacje dysków optycznych DVD/BD-ROM PenDrive USB Dyski sieciowe (NAS) 37

38 Dysk twardy (HDD) Urządzenie o dużej pojemności zdolne do przechowywanie danych po wyłączeniu zasilania Rodzaje: Dyski klasyczne (magnetyczne) Dyski SSD Dyski hybrydowe Charakterystyki: Pojemność Przepustowość transferu danych Średni czas bezawaryjnej pracy MTTF Energooszczędność 38

39 Dyski twarde mechaniczne Zapis informacji w postaci magnetycznej na obracających się z dużą prędkością talerzach za pomocą ruchomych głowic Odczyt: do ~100 MB/s, zapis nieco wolniejszy Pojemność do 4 TB * Podatne na uszkodzenia mechaniczne Wydzielanie ciepła Niska energooszczędność * Dane szacunkowe dot. dysków ogólnodostępnych 39

40 Dyski twarde SSD Zbudowane z wykorzystaniem pamięci typu FLASH Nie zawierają części mechanicznych, odporne na wstrząsy Szybki odczyt i zapis: ~ 600 MB /s Stosunkowo mała pojemność (do 1 TB) Mniejsze zapotrzebowanie na prąd (ok. 30%) Małe wymiary Mniejszy czas bezawaryjnej pracy (?) Niska odporność na ujemne temperatury Wyższa cena w przeliczeniu na 1 GB Przy awarii są tracone wszystkie dane 40

41 Dyski twarde hybrydowe Próba połączenia zalet SSD + HDD: Pojemność klasycznego dysku twardego HDD Duża pamięć podręczna SSD do przechowania często używanych plików oraz buforowania wyników operacji zapisu/odczytu Są stosowane głównie w laptopach Ze względu na spadek cen pamięci stałych są wypierane z rynku przez nośniki SSD 41

42 Stacje dysków optycznych Urządzenia do zapisu oraz odczytu danych z nośników optycznych W swoim czasie zastąpiły stacje dyskietek oraz wyparły inne konkurencyjne standardy (ZIP, MO itp.) Interfejs kompatybilny z interfejsem dysków twardych Zapis danych poprzez wypalanie ścieżki laserem na płytce 42

43 Cechy stacji optycznych Rodzaje i pojemność: CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) - do 800MB DVD-ROM (Digital Versatile Disk Read-Only Memory) - do 4,7 GB BD-ROM (BlueRay Read-Only Memory): do 25 GB Rodzaj zapisu (nośnika) Jednokrotnego zapisu Wielokrotnego zapisu Charakterystyki: Wolny odczyt i jeszcze wolniejszy zapis (płyta CD 800 MB nagrywa się ok 3 min, DVD ok 10 min) Podatność na zarysowania, uszkodzenia, promieniowanie ultrafioletowe (płytki zapisywalne) oraz starzenie się z czasem 43

44 Dyski sieciowe zewnętrzne NAS Network Attached Storage Samodzielne minikomputery specjalizowane działające w sieci lokalnej lub Internet Umożliwiają wspólny dostęp użytkowników sieci do danych na dysku Posiadają własny wbudowany system operacyjny (Linux, Windows) Duża pojemność Dublowanie danych 44

45 Nośniki PenDrive i karty pamięci Działają w oparciu o technologię FLASH (trwały zapis) Podłączane do portów USB Pojemność standardowa: GB, max 1 TB (b. drogi) Zapis na poziomie 4 MB/s (USB 2.0) ~ 100 MB/s (USB 3.1), odczyt do 150 MB/s (USB 3.1) Teoretycznie ograniczona liczba operacji zapisu - 1 mln, w praktyce znacznie mniej Karty pamięci (standardy SD/MMC, Memory Stick, Compact Flash itp.) różnią się interfejsem oraz wymagają posiadania tzw. card reader a 45

46 Urządzenia wejścia Urządzenia wejścia pozwalają na wprowadzanie danych do komputera (przez człowieka lub inną maszynę) Klawiatura, myszka, trackball, tablet graficzny itp. Ekran dotykowy, pióro świetlne, itp. Skaner, czytnik kodów kreskowych, kamera Mikrofon, itp. Urządzenia komunikują się z komputerem poprzez porty wejścia-wyjścia (USB, PS/2, FireWire, etc.) 46

47 Urządzenia wyjścia Urządzenia wyjścia pozwalają na wyprowadzenie informacji z komputera w postaci zrozumiałej dla człowieka lub innej maszyny Ekran monitora, projektor Drukarki, plotery Głośniki itp. 47

48 Interfejsy urządzeń I/O COM (RS 232) LPT PS/2 FireWire USB 2.0 USB 3.x e-sata DVI HDMI 48