1. A PC elvi felépítése

1. A PC elvi felépítése 1. Központi vezérlő (feldolgozó) egység (CPU) 1.1. Vezérlőegység (Control Unit) 1.2. Aritmetikai (számoló)- és logikai egység (Arithmetic and Logic Unit) 1.3. Be- és kiviteli vezérlő egység (I/O devices) Megjegyzés: az IBM PC esetében az első három fő rész egy tokban kapott helyet, a memória pedig külön tokokban helyezkedik el. 1.4. Memória 1.4.1. RAM 1.4.2. ROM 1.5. Buszok 1.5.1.Címbusz (belső buszok) 1.5.2. Vezérlőbusz 1.5.3. Adatbusz

1. kép 2. Perifériák 2.1. Adatbevitelt végző egységek − billentyűzet − egér − érintőpad − fényceruza − botkormány − mikrofon − rajzdigitalizáló − lapbeolvasó (szkenner) − vonalkódolvasó − digitális fényképező − digitális kamera (a fényképezőgép és a kamera alkalmas adatkivitelre is) − mágneses írásolvasó (például kártyafelismerők) − beszédbeviteli egység (mely képes az emberi beszéd felismerésére) 2.2. Adatkivitelt végző egységek − monitor − nyomtató, − rajzgép (plotter) − hangszóró, fejhallgató

2.3. Háttértárak Olyan berendezések, melyekre nagy mennyiségű adat írható, rajta tárolható és róla leolvasható, azaz a tárolás mellett részt vesznek az adatbevitelben és kivitelben. − lyukszalag, lyukkártya − mágnesszalag − hajlékonylemez − merevlemez − flash memória (pendrive, azaz pendrájv) − optikai lemez (CD, DVD, HD-DVD, Blu-Ray) 3. Illesztőegységek (interfészek) Ezeken keresztül csatlakoznak a gép többi részéhez, például az alaplaphoz.

1.1. Rendszeregység 1.1.1. Ház A rendszeregységet különböző alakú és méretű, számítógépháznak nevezett dobozba építik be. A ház legtöbbször fémből készül azért, hogy megvédje a benne lévő alkatrészeket az elektromágneses hatásoktól, és a környezetet a számítógép zavaró hatásaitól. Többnyire a ház homloklapján kerülnek elhelyezésre a kezelőszervek, hátlapján pedig a csatlakozó aljzatok.

2. kép A ház belsejében található a tápegység, melyet a házzal egybeépítve szoktak forgalmazni. Az előlap szokásos gombjai: power: bekapcsoló gomb, a gép főkapcsolója. reset: megnyomásával a gépet újraindíthatjuk (hidegindítás). Az előlapon lévő lámpák: power: jelzi, hogy a gép áram alatt van (általában zöld színű). disk: jelzi, ha a merevlemez éppen dolgozik (általában piros).

1.1.2. Hátlap Itt találjuk a perifériák, a hálózati kábel, illetve a gép és a monitor tápvezetékének a csatlakozó aljzatát. Szerencsére minden kábelt csak a saját helyére dughatunk be. (Bár az előfordulhat, hogy a billentyűzetet az egér csatlakozó aljzatába dugjuk vagy fordítva. Hálózati (220 V, 230 V) csatlakozók

Ventillátor

Billentyűzet és egér csatlakozók Hangkártya csatlakozók (hangfal, mikrofon)

Digitalizáló kártya csatlakozói

Párhuzamos (például nyomtató) port

Grafikus kártya csatlakozók (például monitor)

Hálózat csatlakozó

.USB portok. 3. kép

1.1.3. A tápegység Működés közben a számítógép minden részegysége áramot használ. A legtöbb egység 5 V-os, de a hajlékonylemezes meghajtó például 12 V-os. A számítógép tápegysége a „PC szíve". Alapfeladata, hogy a hálózati feszültségből − a benne lévő transzformátor segítségével − a számítógép működéséhez szükséges plusz és mínusz 5 és 12 Vos feszültséget állítson elő. A tápegységet legtöbbször a házzal együtt szállítják, formája ahhoz illeszkedik, ezért a „szervátültetés” két ház között csak ritkán lehetséges. Ez az az alkatrész, amely legtovább kibírja csere nélkül. 4. kép A táp egy fémdobozban van, amelyen megtalálható a hálózati feszültség csatlakozója, egy kapcsolt aljzat, amelyből a monitor táplálható, a 110/220 V váltókapcsoló, a hűtőventilátor nyílása, a drótokra szerelt csatlakozók és végül a hálózati kapcsoló. Ezt az utóbbit ma már kihelyezik a számítógép dobozára, a kapcsolóhoz pedig egy kábel vezet. A tápegység leggyakrabban bekapcsoláskor megy tönkre, akárcsak más elektromos készülékek. A tápegység egyetlen mozgó alkatrésze a hűtőventilátor, amely a 12 V-os tápfeszültségről működik és feladata az egész gép hűtése is. A ventilátor a tápegység gyenge pontja. Ha a csapágy gyenge minőségű, egyre zajosabb lesz, amit naphosszat hallgatni nagyon fárasztó. Ha a ventilátor tönkremegy, a hűtés nélkül maradt tápegység és számítógép tönkremehet. Van olyan tápegység is, amelyben a hűtés csak akkor kapcsol be, ha szükséges, és létezik olyan is, amelynek nincs mozgó alkatrésze, de mindkettő ritka. A tápegység elektronikus zaja zavarhatja a számítógép többi alkatrészének a működését és a multimédiás programok hangminőségét.

1.1.4. A processzor A Neumann elv szerint a számítógép egy olyan eszköz, amely legalább két részből áll. Az egyik rész a processzor, a másik a memória. A processzor feladata a műveletvégzés azokkal az adatokkal, amelyek a memóriában találhatók. A Neumann elv fontos kikötése még az, hogy a program, azaz a végrehajtandó utasítások sorozata is a memóriában van, sőt a program és az adat „ránézésre” nem különbözik egymástól, azaz nincs külön memória az utasítások és egy másik a program tárolására. Bár a Neumann elv nem írja elő, egy mai számítógépnek rendelkeznie kell egy harmadik részből is, amely a külvilággal való kapcsolattartást biztosítja, azaz egy olyan rendszerrel, amely az input/output (adatbevitel illetve adatkiadás) -ért felelős. 5. kép A processzor működése során kiolvassa a memóriából a soron következő utasítást, meghatározza a műveletet és a hozzá szükséges adatokat, elvégzi a meghatározott tevékenységet, majd a kapott eredmény eltárolja. Miután a processzor elvégezte a fenti tevékenységsort, rátér a következő utasítás végrehajtására, és a sor a végtelenségig folytatódik. Fentiekből következik, hogy a memóriának két művelettel kell rendelkeznie, olvasással illetve írással. A memóriának természetesen olyannak kell lennie, hogy a processzor meg tudja benne találni az utasítást, illetve a hozzá tartozó adatokat, azaz minden egyes tárolóelemnek címmel kell rendelkezni. Ez a tárolócím - az egyszerűség kedvéért - egy sorszám 0-tól a memória méretéig. A későbbiekben látni fogjuk, hogy a memória szervezése esetenként sokkal bonyolultabb lehet, de kezdetben nem csalok túlzottan nagyot, ha az előbbi feltételezéssel élek. Megjegyzés: a Neumann elv a gyakorlatban néhány ponton megsérül. Nevezetesen a processzor is tartalmaz adattárolásra szolgáló elemeket, ezek a regiszterek. A regiszterek egy csoportja a gyakran használt adatok gyorsabb elérése miatt kerül a processzorba (általános regiszterek). A másik csoport (vezérlőregiszterek) olyan adminisztratív adatokat tárolnak, amely a működéshez szükségesek, de a számítások eredményét nem befolyásolják. Ezek tartalmát a programok, illetve a programozó direkt módon nem befolyásolhatja. A legtöbb mai processzor 10-1000 általános regisztert tartalmaz, és ezen kívül jó néhány féle, szigorúan adott funkciót ellátó, speciális célú dedikált regisztert (például akkumulátorregiszter). Szintén tárolásra szolgálnak a processzorban lévő cache memóriák (L1, L2 néven). Ezeket egy későbbi fejezetben tárgyaljuk.) Egy másik megsértése a Neumann elvnek, hogy léteznek olyan memóriák, amelyek ugyan használhatók adat illetve programtárolásra, de írási művelettel nem rendelkeznek, azaz tartalmuk nem módosítható.

A számítástechnika fejlődése folyamán a processzorok tervezésében két fő irányvonal alakult ki. A processzoroknál alapvetően két különböző felépítést különböztetünk meg: a CISC- (Complex Instruction Set Computer= teljes utasításkészlet) és a RISC- architektúrát (Reduced Instruction Set Computer = csökkentett utasításkészlet). A két technológiával készült processzoroknak különbözik az utasításkészletük. A CISC processzorok több tárolóműveletet képesek végezni az összetett utasításkészlet segítségével. Ezt ugyan korlátozza a szükséges regiszterek száma, de emeli a vezérlőegységgel szemben támasztott követelményt. Az egyre gyorsabb processzorok eléréséhez új utat kellett találni, tehát a processzorok architektúrája (felépítettsége) megváltozott. Amikor megvizsgálták a hagyományos számítógép-alkalmazásokat, s úgy találták, hogy az összes utasítás ötöde fordul nagyon gyakran elő, a maradék jóval ritkábban. Ezért csökkentették az utasításkészletet és az utasítások formátumát. A RISC filozófia célja tehát az, hogy kisebb, olcsóbb áttekinthetőbb processzorokat építsenek. Ehhez a processzor utasításkészletét a legfontosabb és leggyakrabban használt műveletekre csökkentették. A RISC-architektúra további jellegzetessége, hogy jobban leválasztott buszrendszerrel és egymástól független feldolgozóegységekkel rendelkezik. Ez teszi lehetővé a párhuzamos feldolgozást, és a gyorsabb átbocsátó képességet.

CISC és RISC processzorok összehasonlítása CISC processzorok 1

RISC processzorok

Az utasítások összetettek, több gépi ciklust Egy gépi ciklus alatt végrehajtható egyszerû igényelnek . utasítások.

2

Több utasítás is igénybe veheti a tárolót.

Csak a LOAD/STORE utasítások használhatják a tárat.

3

A pipelining feldolgozás kismértékű.

Jelentős pipelining feldolgozás.

4

Mikroprogram által vezérelt utasítás-végrehajtás.

Huzalozott utasítás-végrehajtás.

5

Változó hosszúságú utasítások.

Rögzített hosszúságú utasítások.

6

Sokféle utasítás és címzési mód.

Kevés utasítás és címzési mód.

7

Bonyolult mikroprogram.

Bonyolult fordítóprogram.

8

Kevés regiszter.

Nagyméretű regisztertár.

Ma már persze rengeteg utasításkészlet van, melyben keverednek a RISC és a CISC irányelvei.

A processzor működése Egy általános processzor felépítését mutatja az alábbi ábra:

6. kép Az egyes részek szükségességének megértéséhez vizsgáljuk meg a processzor utasításciklusát (instruction cycle), azaz egy művelet végrehajtásának fázisait! 1. Az utasítás beolvasása a processzorba Ahhoz, hogy ezt képes legyen a processzor megtenni, szüksége van arra, hogy hol találja meg ezt az utasítást a memóriában. Ez a memóriacím található az IP (instruction pointer - utasítás mutató) regiszterben. Ez még kevés, ugyanis ha megtalálta az utasítást és kiolvasta a memóriából, akkor a kiolvasott utasítást valahol el kell tárolni. Erre való az IR (instruction - utasítás) regiszter. A pontos működés megértéséhez még annyit kell tudnunk, hogy a memória (a 18. képen jól láthatóan) mindössze két regiszterhez kapcsolódik, azaz az AR és a DR regiszterhez. Az AR (address - cím) regiszter tartalmazza azt a címet, amelyről olvasni szándékozunk, illetve ahova írni szeretnénk. A DR (data - adat) regiszter pedig az olvasás után tartalmazni fogja a memória AR című helyén levő adatot, míg az írás során a DR-ben levő adatot az AR címre fogja írni a memóriát vezérlő egység. A mai processzoroknál az adatokat a processzorok már nem közvetlenül a memóriából olvassák, hanem az úgynevezett cache-ből. Erről a következő fejezetekben lesz szó. Tehát az utasítás beolvasása valójában a következő műveletek végrehajtását jelenti: IP --> AR ; READ ; DR-->IR 2. A beolvasott utasítás dekódolása, elemzése Miután beolvastuk az utasítást, nekiláthatunk az értelmezésének. Az utasítások mindig két részből állnak: az utasítás kódjából, amely meghatározza, hogy milyen műveletet kell végrehajtani, illetve az operandusokból, amelyek meghatározzák, hogy milyen adatokkal kell elvégezni az adott műveletet, illetve azt, hogy az eredmény hol tárolódjon. A beolvasott utasítás (IR) nem biztos, hogy a teljes utasítást tartalmazza, az viszont biztos, hogy az utasítás kódját igen. Azért nem tartalmazhatja minden esetben a szükséges adatokat (illetve azok címeit), mert az olvasáskor még nem tudjuk azt, hogy milyen műveletet olvasunk, így arról sincs információnk, hogy az adott műveletnek hány és milyen operandusa van. Utóbbi tulajdonságok viszont benne vannak az utasítás kódjában. (Nyilván egy összeadás utasítás több operandust tartalmaz, mint egy olyan utasítás, amely eggyel megnöveli egy regiszter értékét.) Azaz megtörténik az utasításkód értelmezése, melynek alapján az ALU (arithmetical and logical unit aritmetikai és logikai műveletvégző egység) tudomást szerez arról, hogy milyen műveletet kell majd elvégeznie. Az is kiderül, hogy még milyen egyéb részek tartoznak az utasításhoz, azaz mennyi adatot kell még beolvasni a memóriából ahhoz, hogy teljes legyen az utasítás és meghatározhatók legyenek az operandusok. 3. Az operandusok beolvasása Ebben a fázisban kiolvasásra kerülnek a memóriából az operandusok címei (ha ez szükséges) illetve maguk az operandusok. Ezek kétfélék lehetnek: vagy a memóriában vannak (és akkor onnan ki kell olvasni azokat) vagy regiszterek, és akkor már a processzorban tartózkodnak. Az ALU két segédregisztere szolgál arra, hogy a kiolvasott operandusokat tárolja (LR1 és LR2 − segédregiszter). Általában az ALU maximum kétoperandusú műveleteket képes végrehajtani, természetesen, ha speciális műveletvégző egységgel van dolgunk, akkor a maximális operandusszámnak megfelelő segédregiszterre van szükségünk.

4. A művelet végrehajtása Miután összeállt, hogy mit kell csinálni, és az, hogy milyen adatokkal, az ALU elvégezheti az utasítást. Az eredményt - a tárolás céljára - egy harmadik segédregiszterbe teszi (LR3). 5. Az eredmény tárolása Az utasítás tulajdonságának függvényében az eredmény az LR3 regiszterből vagy valamelyik regiszterbe vagy az utasításban meghatározott memóriacímre kerül (persze két lépésben, először a DR regiszterbe és csak utána a memóriába). 6. A következő utasítás címének meghatározása Miután az utasítást elvégeztük, meg kell határozni az a címet, ahol a programvégrehajtás folytatódni fog. Ha a memóriában a következő címen levő utasítást kell végrehajtani, akkor az IP-t annyival kell megnövelni, amilyen hosszú az adott utasítás volt. Ha valahol egészen máshol kell a programvégrehajtást folytatni, az általában olyan utasítás, amelynek végrehajtása után valamely regiszter tartalmazza a folytatás memóriacímét. Így ezt a címet kell az IP-be beírni. Az utasításciklus véget ért és a processzor rátérhet a következő utasítás végrehajtására, azaz visszatérhet az 1. pontra. Most már csak három homályos pont van: a belső busz, a flag-ek, illetve az SP regiszter. A belső busz szolgál arra, hogy a processzoron belül adatok áramoljanak rajta az egyik helyről a másikra. A flag-ek (jelzők) olyan speciális, 1 bites regiszterek, amelyek a processzor működését befolyásolják, illetve állapotát mutatják. Nevezetes flag például a carry flag, amely azt mutatja, hogy az utolsó művelet (mondjuk összeadás vagy kivonás) alkalmával keletkezett-e átvitel/áthozat, vagy a zero-flag, amely akkor igaz, ha az utoljára végrehajtott művelet eredménye nulla volt. Az SP (stack pointer - verem mutató) regiszter az eljáráshívások és az eljárásokból való visszatérések során játszik jelentős szerepet. Az fenti ciklust szokás két, ún. félciklusra bontani, ezek a beolvasás (fetch - 1,2,3) illetve a végrehajtás (execute - 4,5,6) félciklus.

Órajel A CPU sebességét gigahertzben (GHz) mérik (vagy megahertzben, MHz). A gépben van egy óra, ami az ütemet diktálja. A számítógép órajel sorozatokkal hangolja össze a működését. Az órajel nagysága (frekvenciája) mérőszáma a gép sebességének. Ha az órajel 3 GHz (vagy 3000 MHz), ez azt jelenti, hogy másodpercenként 3 milliárd jel (impulzus) keletkezik, ennyiszer „üt” az óra. Egy utasítás végrehajtásához 1-20 impulzus szükséges.

A processzor utasításkészlete Ahhoz, hogy teljesen megértsük a processzor működését, szükségünk van arra, hogy tudjuk miféle utasítások végrehajtását várhatjuk el tőle. Azonban az utasítások nem önmagukban álló teendők, hanem műveletek a hozzájuk tartozó adatokkal, így szükségünk van arra, hogy megvizsgáljuk, milyen módon határozhatjuk meg ezeket az adatokat! Az adatok meghatározásának módjait nevezzük címzési módoknak (addressing modes). A processzorok utasításai Adatmozgató utasítások Ebbe a csoportba három utasítás tartozik: a két regiszter közti (RR), a regiszter és memória közti (RM) illetve a két memóriaterület közti (MM) adatmozgatás utasítása. Ezek közül az utolsót nem minden processzor tudja (hiszen az RM segítségével előállítható M-->R-->M). Az utasításkészlet többnyire megengedi a memória tetszőleges címzési móddal történő megcímzését. Aritmetikai utasítások Ebbe a csoportba tartoznak a matematikai műveleteknek megfelelő utasítások, mint az összeadás (ADD), kivonás(SUB), szorzás(MUL), osztás(DIV), komplemensképzés(NEG, COMPL). A szorzás de még inkább az osztás nem szükségszerűen található meg minden processzor utasításkészletében, hiszen ezek a műveletek visszavezethetők összeadásra és kivonásra (ahogyan azt a 3. fejezetben olvashattuk). Ide sorolhatók az eggyel növelő (INC) illetve a csökkentő (DEC) utasítások is. Bár ezekre nincs szükség, ha van összeadás (és az mindig van!), mégis szinte minden processzor utasításkészlete tartalmaz ilyen utasításokat az igen gyakori használat és a gyorsabb végrehajtás végett. Az utasítások általában megengedik tetszőleges címzési mód használatát, kivéve a szorzást és osztást, amelyeknél gyakran csak speciális regisztereket használhatunk.

Logikai utasítások Ebbe a csoportba a logikai és (AND), logikai vagy (OR), kizáró vagy (XOR), negálás (NOT) tartozik. Ide sorolhatók a léptető utasítások, amelyek az adott operandus bitjeit egy magadott számmal eltolják, léptetik. Ezek a logikai léptetés balra/jobbra (LSL/LSR), aritmetikai léptetés balra/jobbra (ASL/ASR). A különbség a logikai és az aritmetikai jobbra léptetés között annyi, hogy míg logikai esetben a legfelső bitre minden esetben 0 lép be, aritmetikai esetben a belépő bit a szám előjelbitje. A balra léptetésnél nincs különbség a logikai és aritmetikai léptetés között. Az eggyel való léptetés megfelel a kettővel való szorzásnak, illetve osztásnak. Az utasítások általában megengedik tetszőleges címzési mód használatát, bár a léptetés mennyiségét többnyire csak direkt adattal vagy egy regiszterrel lehet meghatározni. Összehasonlító utasítások Ez a csoport mindössze két utasítást tartalmaz, a COMP (összehasonlítás) és a TEST (bitenkénti összehasonlítás) utasítást. Egyik sem végez tényleges műveletet, csupán a flag-eket állítja be. A COMP úgy tesz, mintha elvégezne egy kivonást, a TEST pedig, mintha elvégezne egy logikai és műveletet az operandusai között.

Veremkezelő utasítások A verem (stack) egy speciális memóriaterület, amelyet két művelettel tudunk kezelni. Az egyik művelet a PUSH, amely egy adatot ráhelyez a verem tetejére, a másik pedig a POP, amely leemeli a verem tetején levő adatot. A lényeg az, hogy a veremben nem lehet „kotorászni”, csak a teteje látszik. A verem tetejét egy speciális regiszter, az SP (stack pointer) mutatja. A vermet szokás még LIFO (last in first out, azaz ami legutoljára ment be az jön ki legelőször) szerkezetnek is hívni. Processzorvezérlő utasítások Ide sorolhatók a flag-eket állító utasítások, ezek egy flag törlését (clear) vagy beállítását (set) végzik. Speciális utasítás a NOP, amely nem csinál semmit, vagy a HALT, amely felfüggeszti a processzor működését. A címzés ezeknél az utasításoknál hiányzik. I/O utasítások Ebbe a csoportba két utasítás tartozik: az IN, amely beolvasást végez egy adott eszközről illetve az OUT, amely kiírást végez egy adott eszköz felé. A címzési mód (melyik eszközről van szó) általában tetszőleges lehet, de az adat többnyire egy kitüntetett regiszterből megy az output eszköz felé, illetve ide érkezik input esetén. Vezérlést módosító utasítások Ebbe a csoportba azok az utasítások tartoznak, amelyek a szekvenciális programvégrehajtástól való eltérést idézhetnek elő. Lehetnek feltétel nélküliek (ilyenkor minden esetben eltérünk a szekvenciális sorrendtől) illetve feltételesek. A feltételek nagyon egyszerűek lehetnek csak, többnyire valamelyik flag állására vonatkozhatnak. Két osztálya van a vezérlést módosító utasításoknak: az ugrás (JUMP vagy BRANCH), amelynek végrehajtása során nem jegyezzük meg azt, hogy honnan érkeztünk illetve a alprogramhívás (CALL), amely esetben feljegyezzük a veremben, hogy honnan jöttünk. A CALL utasítás párja a RET (return - visszatérés), amelynek hatására a vezérlés visszakerül oda, ahonnan jött. A verem itt azért fontos, hogy a szubrutinok egymásba ágyazhatók legyenek, azaz ha egy szubrutin meghívott egy másikat, az egy harmadikat stb., akkor is vissza tudjon a program találni az elsőhöz. A szubrutinok (alprogramok) a programozási nyelvekben megszokott eljárás illetve függvény megvalósításának gépi eszközei. Egy nagyon speciális vezérlést módosító utasítás a INT (interrupt - megszakítás) utasítás. Az interrupt ebben az esetben nem más, mint egy ugrási címeket tartalmazó táblázat valamelyik elemére való ugrás. Abban több, mint a szubrutinhívás, hogy ezt a táblázatot minden program, egymástól függetlenül láthatja, a táblázat helye nem függ a konkrét memóriaelrendezéstől. Ez a táblázat - helyzetéből adódóan - az operációs rendszer mindenki által használható rutinjainak címeit tartalmazza. Így az operációs rendszer rutinjainak csupán a sorszámát kell tudnunk ahhoz, hogy végrehajtsuk őket, nem pedig a rutinok tényleges, memóriabeli címét. Ez a lehetőség nagyban segít abban, hogy egyrészt az operációs rendszerek továbbfejleszthetők legyenek, másrészt abban, hogy bárhova elhelyezhetők a memóriában a megfelelő rutinok, ügyelve persze arra, hogy a táblázat megfelelő eleme mindig az aktuálisan érvényes címet tartalmazza. Az INT utasítás párja az IRET, amely a végrehajtott szubrutinból való visszatérést biztosítja.

A processzor részei Korábban a memóriát és a processzort együtt hívták CPU-nak (Central Pocessing Unit), központi vezérlő egységnek, a számítógép „agyának”. A mai számítógépeknél a memória önállósága megnőtt, így a CPU alatt már csak magát a mikroprocesszort értjük. A processzor fő részei mégegyszer: − vezérlőegység (CU), egyszerű műveleteket hajt végre, nagyon gyorsan, ezzel vezérli a számítógépet (mint „főnök”) − számoló és logikai egység (ALU), számolási és logikai műveleteket végez (mint „beosztott”) − regiszterek (a processzoron belüli tároló helyek) A mai modern processzorok a fő részeken kívül további fontos egységeket tartalmaznak. Ezt mutatja a következő ábra.

7. kép Bár a memória fajtákat külön fejezetben is tárgyaljuk, a következőkben ismerkedjünk meg a processzorok másik (a regisztereken kívül) tároló típusával!

Cache („kes”) A modern processzorok csak cache-sel gyorsított memóriával érhetik el tényleges sebességüket. Nézzük meg, hogyan működnek, és mire képesek a memóriacache-ek! Feladatük: áthidalják a gyors működésű processzor és a lassú működésű adatbusz (a memóriából szállítja az adatokat) közötti sebességkülönbséget. A modern rendszerekben amíg az adat eljut a processzorig, több memórián is áthalad. Első lépcsőként kiolvasódik az operatív tárból, ahonnan eljut a második szintű cache-be (L2). Ezután az első szintű cache-be (L1), a processzor belső cache-ébe ér, ahonnan a processzor kiveszi és végrehajtja vele a műveletet. Ebből a művelet sorból látszik, hogy amíg pontosan egymás után lévő adatokat olvasunk, addig a memóriacache-ek csak lassítják a beolvasást. Ha viszont ugyanarra a kód, vagy adatblokkra egymás után többször is szükségünk van, érezhetővé válik a valódi gyorsítóhatás. Abban az esetben tapasztalhatjuk a legnagyobb gyorsulást, ha az adatrészlet elfér a processzor belső tárában. Ha ennél nagyobb adattömbről van szó, amelynek csak a külső cache nyújt elegendő helyet, akkor kisebb a gyorsitás. A belső memóriacache előnyei kézenfekvőek. Ha a processzornak utasításokra vagy adatokra van szüksége, akkor először ellenőrzi a cache tartalmát. Ha ott megvannak az adatok, akkor cache-találatról (cache-hit) beszélünk. Ellenkező esetben  tehát ha nincs találat (cache-miss)  elkerülhetetlenné válik a lényegesen lassúbb DRAM memóriához való fordulás. A cache tehát akkor fejti ki teljes kapacitását, ha gyakrabban kell használni ugyanazokat az adatokat (feltéve, hogy azok a cache-ben vannak). Pontosan ez a helyzet nagyon gyakran a programok úgynevezett lokalitása miatt. Ez azt jelenti, hogy a CPU általában egymás után (szekvenciálisan) hajtja végre az utasításokat, és ritkán „ugrik” más programrészekre, igen gyakran használja ugyanazokat a memóriaterületeket. Ha például szövegszerkesztőben egy hosszabb szövegen dolgozva megváltoztatjuk a dokumentum sorszélességét, akkor a programnak minden egyes sorban újra el kell végeznie a tördelést. A tördelést végző programrészlet csak egyszer fog betöltődni a cache-be, és itt már állandóan jelen van, ezért rendkívül gyorsan végrehajtható. Mivel a CPU belső cache-ében lévő hely nem elegendő nagy programrészek vagy adattömegek számára, ezért a modern alaplapokon (ezekről egy későbbi fejezetben lesz szó) beépítettek egy külső (second level, második szintű) memóriacache-t is a processzor és a lassú memória közé.

Ha a processzor nem találja meg a belső cache-ben a kívánt információkat, akkor először megkísérli ezeket a külső cache-ből lehívni, és csak azután kezdi el olvasni a viszonylag lassú memóriát. Kívánatos tehát a gyakran használt adatokat lehetőleg a belső cache-ben, illetve a külső cache-ben tartani, hiszen csak így lehet ezeket elérni várakozási ciklusok nélkül. A kért és a cache-ben meg nem található byte-okat azonban először ki kell olvasni a memóriából. E folyamat során tehát a cache-memóriák ugyanazt az információt tartalmazzák, mint a főmemória. De nem különálló bájtok, hanem egy teljes tömb, az úgynevezett cache-line kerül átvitelre. Miután a CPU feldolgozta az információkat, el kell raktározni a számítási művelet végeredményét. A PC-ken erre két különböző eljárás terjedt el. Az egyik a write-through, a másik a write-back. A write-through módszernél a cache-en keresztül minden egyes írás azonnal bekerül a főmemóriába. Ezt a módszert sok alaplap használja. Az információkat a CPU azonnal átadja a külső cache-nek és a RAM-nak is. Az eljárás hátránya: a cache-be való minden írás egyben memóriához való fordulást is jelent, és a processzornak várnia kell, amíg az írásművelet be nem fejeződik. Ezt a késedelmet kerülik el a write-back rendszerek. A write-back módszernél ha az adat már a cache-ben van, akkor az eredmény is ott raktározódik el. Az ilyen írástalálatnál (write-hit) tehát nincs szükség a lassú memória elérésére. Csak akkor tárolódnak az adatok a memóriában, ha az adat nincs benne a cache-ben. Ezenkívül minden cache-line pót biteket is tartalmaz, amelyek jelzik, hogy a bennük lévő információ vissza van-e már írva a memóriába. Ezek az úgynevezett „piszkos” (dirty) avagy „módosított”" (modified) bitek, amelyek jelzik, hogy vissza kell írni a cache tartalmát a memóriába, mielőtt egy teljes cache-line kicserélődik. A processzor külsőre egy viszonylag nagy, általában négyzet (vagy téglalap) alakú chip, melyből alul apró fémtűk állnak ki. A chip-en belül egy kis szilíciumlapka található, melyre akár több millió elektronikus elemet is beépíthetnek.

8. kép Pentium IV-es

processzor processzor

A legjelentősebb processzorgyártó cégek: Intel, AMD, Motorola

Processzortípusok A processzorok régen akár ház méretűek is lehettek, a számítógép legnagyobb részét alkották, de nem tudtak többet, mint egy mai zsebszámológép. A mai processzorok akkorák, mint egy gyufásdoboz, ezért mikroprocesszornak is nevezik őket. (A „mikro” jelentése „kicsi”.) Az első PC-t az IBM készítette az Intel cég mikroprocesszorával 1981-ben. Az Intel processzorok fejlődése: − 8086 és 8088: eredeti PC-kben és XT-kben. − 80286: innentől AT gépeknek hívjuk és a processzor száma szerint azonosítjuk a számítógépeket. − 386 (386SX, 386DX) − 486 (486SX, 486DX) − 486 DX 2 (kétszerezett belső órajelű 486-os) − 486 DX 4 (háromszorozott belső órajelű 486-os) − Pentium (majd Pentium MMX) − Pentium Pro − Pentium II − Pentium III (1999-től) − Pentium IV (2001-től) − Többmagos (Core 2) processzorok (2004-től) Érdekességként nézzük meg a PC-k legújabb (2008. évi) processzortípusának néhány jellemzőjét! Az asztali gépek legújabb (2007-es) Core 2 szériája a Core 2 Extreme. A 4 magos Extreme QX9650 processzor 12 MB L2 cache-t kapott, és 45 nm-es (nanométeres) gyártási technológiával készült, 3GHz-es órajelen működik. Kódneve: Kentsfield. A 45 mm2 területű lapka 582 millió tranzisztort, négy feldolgozómagot, energiafelügyeleti logikát, a magok közös L2 gyorsítótárat, közös busz-határfelületet és 1333 MHz-es frontoldali buszt tartalmaz. Valamennyi Core 2 lapka frekvenciája – terheléstől függően – két határérték között változik, amelyet a tápfeszültség vezérel. A tápfeszültség két határérték között változik. A maximális tápfeszültség a „legmagasabb frekvenciamódhoz”, míg

a minimális tápfeszültség a „legalacsonyabb frekvenciamódhoz” tartozik. A kétmagos lapkák maximális fogyasztása 65 W, a négymagos lapkáké 130 W. Minden CPU központi eleme a processzormag: ez felelős a gépünkön lévő programok futtatásához szükséges számításokért. Több magot helyezve egy lapkára, drasztikusan megnő az elvégzett műveletek száma anélkül, hogy magának a chipnek megnöveltük volna az órajelét. A többmagos rendszerek teljesítményét teljesen kihasználni csak az erre írt alkalmazásokkal lehet. A PC architektúrák esetében ugyan a 8 magos rendszerek jelentik a jövőt, más architektúrákban a nyolcmagos processzor már most is a jelent jelenti.

Processzorhűtő Ha nem figyelünk oda a túlmelegedésre, könnyen becsúszhat egy hiba, ami akár teljesen működésképtelenné teheti a gépét. Jobb esetben csupán az éppen feldolgozás alatt álló adataink vesznek el, rosszabb esetben a hardver is sérülhet. A processzorhűtő használata a 100 Mhz-nél gyorsabb 80486-os processzorok, illetve a Pentium esetében vált szükségessé. Ezek és a mai processzorok hűtés nélkül gyorsan felmelegednének, és rendszeresen lefagyasztanák a gépet (hőségben megbízhatatlanul működnek). 10. kép

A jelenlegi leggyorsabb processzorok néhány négyzetcentiméteres (négyzetmilliméteres) felületükön keresztül akár 60-70 wattnak megfelelő hő leadására is képesek, s ez az érték bizony még egy merülőforralónak is a becsületére válna. Talán ennyiből is látható, hogy milyen komoly igényeknek kell megfelelniük a modern számítógépekhez tervezett „coolereknek”. Egyfelől hatalmas hőt kell minél gyorsabban elvonni a processzortól, és azt a lehető leghatékonyabban átadni a környezetnek, másfelől a számítógépházban korlátozott a hely, tehát a hőleadó felületet sem növelhetjük minden határon felül. Szintén idetartozik az egyre inkább előtérbe kerülő zajszint: egyes modern csúcsmodellek apró sugárhajtóműként süvítenek, nem csekély mértékben növelve a munkahelyi zajt. A processzorhűtőknek két fő változata van: a hűtőborda és a hűtőventillátor. A hűtőborda egy rendkívül nagy felülettel (és így nagy hőleadási képességgel) rendelkező hűtőtest. Mindkettőt a processzor tetejére kell erősíteni. A ventillátornak áramot is kell biztosítani, hogy működjön (egy 4 lyukú csatlakozó révén). A nagyobb mértékben melegedő processzorokra (Pentium) ventillátort célszerű szerelni, mert az jóval hatékonyabb hűtést biztosít. Vigyázzunk arra, hogy a különböző Pentium-változatok más-más méretű és kiszerelésű hűtőt igényelhetnek! A hűtők további csoportosítása: • Léghűtéses: A processzorra felszerelnek egy hűtőbordát, ami elvonja a hőt, és egy hűtőventillátorral hűtik azt. • Vízhűtéses: Csövekben vizet cirkuláltatnak, és ezt kötik rá a hűteni kivánt alkatrészre. Teljesen halk, emellett igen hatékony, ám kiépítése bonyolult és drága.

1.1.5. Memória A memóriák voltaképp tároló áramkörök (nincs bennük mozgó alkatrész). Az adatot innen gyorsabban el lehet érni, mint a háttértárolókról. Memória található az alaplapon (operatív tár, BIOS 1 ), a vezérlőkártyákon és a perifériákban. A számítógépekben használt memóriákat az elérés módja szerint két nagy csoportba sorolhatjuk: cím szerinti illetve tartalom szerinti elérést biztosító memóriákra. Az első csoport az, amelyet általában központi memóriának vagy csak egyszerűen memóriának szoktunk nevezni, míg a második csoport az asszociatív memóriák csoportja. 1

Basic Input Output System. Egy, csak olvasható memóriában tárolt rutingyűjtemény, amely lehetővé teszi a PC számára, hogy elindítsa az operációs rendszert, kommunikáljon a rendszer különböző alkotórészeivel. Itt található merevlemezünk alapvető karakterisztikájának leírása is.

Memóriatípusok Cím szerinti elérést biztosító memóriák A cím szerinti elérést biztosító memória felépítését mutatja az alábbi ábra:

11. kép Az R/W vonalon érkező jel vezérli azt, hogy olvasás (R) vagy írás (W) történjen. Az alábbi ábra a címezhető memóriák fáját mutatja, tisztán hardveres csoportosításban:

12. kép RWM-nek (read/write memory − írható/olvasható memória) nevezzük azt a memóriát, amelynek tartalma egy adott cím szerint kiolvasható illetve megváltoztatható. RAM-nak (random access memory − véletlen elérésű memória, jobb fordításban közvetlen elérésű memória) nevezzük azt a memóriát, amelynél bármely elem elérése, megcímzése, ugyanannyi ideig tart. A szakterminológia felruházza a RAM-okat azzal a tulajdonsággal, hogy ezek a memóriák − a „véletlen elérés” (valójában közvetlen elérés) mellett − írható/olvasható memóriák. A mai számítógépek központi memóriája szinte kivétel nélkül RAM chip-ekből áll. ROM-nak (read only memory − csak olvasható memória) azt a memóriát nevezzük, amelynek tartalma nem módosítható (írható), csak olvasható. A gyakorlatban ezek a memóriák is véletlen elérésűek, vigyázzunk a terminológia gyengeségére! A ROM memóriákat BIOS és egyéb célprogramok tárolására szokás használni. Az SRAM (statikus RAM) olyan memóriachip, amely állandó feszültség hatására működik. Egy cellája egy igen bonyolult flip-flop áramkör. A DRAM (dinamikus RAM) egy cellája tulajdonképpen kondenzátor. Ezért a DRAM az állandó feszültség mellett rendszeres frissítést, kiolvasást igényel. Éppen ezért a DRAM lassabb, viszont sokkal olcsóbb, mint az SRAM. Így aztán SRAM-ot csak regiszterekhez és cache-hez használnak. A ferritmemória nagysága és lassúsága miatt kihalt. Egy olyan fontos tulajdonsága van, amellyel a chip-ek nem tudnak konkurálni, nevezetesen az, hogy nem szükséges feszültség ahhoz, hogy megőrizze a tartalmát. A maszkolt ROM olyan chip, amelybe a gyártó belehelyezi a tartalmát, az a későbbiek során nem módosítható. A PROM (programozható ROM) olyan chip, amelyet tartalom nélkül gyártanak és egyszer írhatunk bele. Ezt az írást nevezik beégetésnek, az egyes memóriacellák tartalmát úgy változtatják meg, hogy olyan feszültséget adnak a cellára, hogy az kiég. Az EPROM (erasable PROM − törölhető PROM) olyan memóriachip, amelynek tartalma törölhető, majd újraírható. A törlés kétféle lehet: UV fénnyel vagy elektromos áram segítségével történhet. Az UV-vel törölhető EPROM-okat könnyű felismerni a chip tokjának tetején levő kis ablakról. EEPROM (electronic erasable PROM) − tartalmát a felhasználó adja meg elektronikus beégetéssel (mint a többinél), de ennek a tartalmát más feszültségű beégetéssel lehet törölni. A mai BIOS-ok kivétel nélkül EEPROM áramkörök.

Cache memória A cache memória (a külső cache) a központi memória és a processzor között helyezkedik el és célja a memória elérésének meggyorsítása. Nem más, mint egy asszociatív memória, amelyben a kulcsok szerepét a memóriacím játssza, az értékek szerepét pedig az adott címen elhelyezkedő adat. Így amikor a processzor

megcímzi a memóriát, hogy onnan olvasson, akkor először a cache kapja meg a címet. Ha itt megtalálható az adott cím (mint kulcs), akkor a hozzá tartozó érték továbbításra kerül a processzorba. Ha nem, akkor cache-miss (azaz cache nem találja) állapot lép fel, és az adott adatért el kell menni a központi memóriába és betölteni onnan (a cache-be és a processzorba). Írás esetén a cím a hozzá tartozó adattal egyből a cache-be kerül, majd innen továbbítódik a memóriába.

Diszk Cache A diszk cache nem más, mint egy olyan memóriaterület, ahol a lemezről egyszer már beolvasott adatok tárolódnak. Azaz egy olyan „asszociatív memória”, ahol a kulcs nem más mint egy adott adatblokk címe a lemezen, az érték pedig az adott adatblokk tartalma. A diszk cache - szemben a memóriacache-el - szinte minden esetben szoftver, amely figyeli a lemezműveleteket és megpróbálja csökkenteni a fizikai műveletek számát. Két alapvető megoldási módszer létezik: az első esetben a diszk cache számára szükséges memória a központi memória egy területe, míg a másik esetben a lemezt vezérlő egységen helyezik el ezt a memóriát. Mindkét módszernek vannak előnyei és hátrányai.

13. kép A központi memóriában levő diszk cache esetén a cache programot a számítógép processzora futtatja. Ez a processzor leterhelésének fejében azt az előnyt adja, hogy a cache program tudhat a lemez logikai felépítéséről, a fájlok szervezéséről így ennek függvényében optimalizálhat. Például, ha egy fájl elejét olvassuk, akkor célszerű nem csak az első blokkot beolvasni, hanem a továbbiakat is, ezt a módszert előolvasásnak (read ahead) nevezzük. További előny még, hogy ha az olvasni kívánt adat már a cache-ben van, akkor nem szükséges a diszk-vezérlőt dolgoztatni. Írás esetén a cache program tudhatja, hogy melyek azok a lemezblokkok, amelyek a fájlrendszer létfontosságú részei, így azok esetében nem alkalmazhatja a késleltetett kiírást. A késleltetett írás (delayed write) azt jelenti, hogy a kiírni kívánt lemezblokk bekerül a cache-be, és onnan csak egy bizonyos idő elteltével kerül a lemezre. Ez a technika − bár igen jelentős mértékben megnöveli a rendszer teljesítményét − nagyon veszélyes, ha valamilyen ok (például áramkimaradás) miatt a cache-ben levő blokkok sohasem kerülnek fel a lemezre. A lemezvezérlőn levő cache bár nem foglalja le a központi processzor teljesítményét, pusztán fizikai jellemzők alapján tud okoskodni. Például az előolvasás számára azt jelenti, hogy ha egy sáv egy adott szektorát kívánjuk beolvasni, akkor beolvassa az egész sáv tartalmát (ha a fájlok töredezettek, akkor ez a technika semmit sem ér). 2 Nagy hibája még a rendszernek, hogy a lemezvezérlő és a memória között minden esetben át kell vinni az adott adatblokkot, így ennek a megvalósításnak csak igen gyors kapcsolat esetén van létjogosultsága.

RAM Ezt a fajta memóriát használják például az operatív memória és a setup memória esetében. Az operatív memória szinonimái: operatív tár, munkamemória, főtár, központi memória. A Random Access Memory magyarul közvetlen elérésű memóriát jelent (gyakran, félrevezetően, „véletlen” elérésű memóriának fordítják). A RAM a processzoron kívül a számítógép legfontosabb erőforrása. Mielőtt az utasítást végrehajtja a CPU, átmenetileg itt tárolódnak a programok és az adatok, a műveletek elvégzése után pedig ide kerülnek vissza a módosított adatok. Amikor elindítunk egy programot, akkor az a háttértárolóról betöltődik a memóriába. A számítógép feldolgozó képességét és a futtatható programok nagyságát a rendelkezésre álló memória nagysága korlátozza. A PC-kben elterjedt RAM előnye, hogy módosítható a tartalma, hátránya, hogy a gép kikapcsolásakor (vagy áramszünet esetén) a tartalmát elveszti. 2

Ezért fontos időnként futtatni a töredezettség-mentesítő programot

RAM típusok: SIMM, DIMM, EDO, SDRAM, RDRAM A SIMM, DIMM, EDO már elavultak. SDRAM (Synchronous DRAM ) Az SDRAM szinkronizálja a processzorsín és a memória sebességét. Ennek egyik változata a DDR SDRAM. (Double Data Rate SDRAM). Ez a memória egy órajel alatt két bitet tud átvinni, így kétszeres adatátviteli sebesség érhető el az azonos frekvencián működő SDRAM-okhoz képest. A DDR2 pedig ennek a dupláját, azaz négyet, a DDR3 pedig nyolcat. Ez azonban nem jelenik meg tényleges sebességszorzóként, ugyanis a duplázott adatkibocsátás megfelezett órajeleket is hozott magával. Az adatátviteli sebesség pedig alapvetően két tényezőtől függ. Az egyik az időben átvihető adatbitek száma, a másik pedig az alkalmazott órajel. Így pedig hiába emelkedik az órajellel a tényleges sávszélesség, az alacsony frekvencia miatt sokkal többet kell várni az adatokra. (Dinamikus RAM, tehát frissíteni kell a tartalmát. Amikor egy cellát éppen frissít a DMA, akkor a CPU nem férhet hozzá, várakozásra kényszerül.) Ez a késleltetés a valójában csupán 133 MHz-en működő DDR3-1066-nál jelenleg 7-7-7-20 (ami nagyon magas értéknek számít), miközben egy tuning DDR2 modul 266 MHz-en akár 4-4-3-11-es időzítéssel is dolgozhat. A magasabb memória-órajel tehát nem feltétlenül jelenti azt, hogy gyorsabb a rendszerünk, ha magas a késleltetése. Egy kisebb órajelű, de rövidebb késleltetésű modul gyorsabb is lehet, mintegy nagyobb frekvenciájú, de hosszabb holtidejű.

A következő táblázat tartalmazza a jelenleg használatos DDR SDRAM-ok jellemző adatait. Memória típusa

Memória órajele

Elérhető max. sávszélesség

Időzítések

Elérési idő

DDR2-800

200 MHz

6400 MB/s

4-4-4-12

10 ns

DDR2-800

200 MHz

6400 MB/s

5-5-5-15

12,5 ns

DDR2-1066

266 MHz

8500 MB/s

5-5-5-15

9,4 ns

DDR3-800

100 MHz

6400 MB/s

5-5-5-15

12,5 ns

DDR3-800

100 MHz

6400 MB/s

7-7-7-20

17,5 ns

DDR3-1066

133 MHz

8500 MB/s

5-5-5-15

9,4 ns

DDR3-1066

133 MHz

8500 MB/s

7-7-7-20

13,1 ns

DDR3-1066

133 MHz

8500 MB/s

8-8-8-22

15 ns

DDR3-1333

166 MHz

10666 MB/s

5-7-5-16

7,5 ns

DDR3-1333

166 MHz

10666 MB/s

7-7-7-20

10,5 ns

DDR3-1333

166 MHz

10666 MB/s

9-9-9-22

13,5 ns

A PC-kben az alap típus régebben a DDR 66 MHz-es volt. Ma DDR2 800 MHz az általános, de egyre gyakoribb a DDR3 SDRAM (1333 és 1600 Mhz) modulokat is.

14. kép DDR2 RAM RDRAM (Rambus DRAM) Ez a RAM típus a DDR SDRAM-ok sebességének többszörösével képes működni, ezért nagy számítási teljesítményt igénylő gépekbe szokták építeni. Ugyanakkor nagyon magas a Rambus RAM modulok ára a DDR memóriákhoz képest.

ROM A ROM a „Read Only Memory” kifejezés rövidítése: csak olvasható memóriát jelent. A ROM tár tartalmát többnyire a gyártáskor kapja meg, s azt a gép kikapcsolása után sem „felejti el”. Alapvető programokat tartalmaz, melyek a hardver kezeléséhez, illetve a gép bekapcsolásához szükségesek. A bekapcsolt, üres memóriával rendelkező gép működése nem volna lehetséges. Ezért a ROM memóriában van egy program a BIOS, mely „felébreszti” a gépet, azaz képessé teszi arra, hogy kapcsolatot teremtsen a háttértárolókkal, és így további programok kerülhessenek a memóriába, mint például maga az operációs rendszer.

Video RAM (VRAM) A számítógép monitorján megjelenő kép a memóriában tárolódik, a videó vezérlő másodpercenként többször is végigolvassa a VRAM-ot és újraképezi a memóriában tárolt képet.

1.1.6. Elem Valójában az alaplapon lévő elem nem hagyományos, hanem egy tölthető akkumulátor. Ha kikapcsoljuk a gépet, a PC órája erről a tölthető elemről kapja az áramot, és ez biztosít áramot azoknak a RAM-chip-eknek is, melyek rögzítik, hogy milyen egységek tartoznak a rendszerhez.

1.1.7. Buszrendszer A számítógép egyes részei párbeszédet folytatnak egymással. Az üzeneteket az alaplapon található buszok (sínek, vezetékcsoportok) szállítják. A processzor buszokon keresztül csatlakozik környezetéhez. A buszrendszer

előnye, hogy lehetővé teszi a CPU és a perifériák, valamint a memória és a perifériák közti közvetlen kapcsolatot. A buszrendszer minősége nagymértékben meghatározza a számítógép gyorsaságát, azaz hiába van egy gyors processzorunk, ha a buszrendszerünk lassú. A buszrendszer sebességét MHz-ben adják meg. Tartalmilag három fő vezetékcsoport létezik: − adatbusz: adatok küldésére és fogadására; − címbusz: a processzor ezeken közli, hogy hova küldi az adatot; − vezérlőbusz: itt haladnak a vezérlőjelek, megszakítás-vezérlés, órajel, adatátvitel-vezérlés stb. belső és külső buszrendszer − belső buszrendszer: a processzoron belüli adatátvitelt bonyolítja le; − külső buszrendszer: a processzor és a perifériák közti adatátvitelt végzi.

Soros buszok − − − −

RS-232 RS 485 PS/2 USB (Universal Serial Bus)

Az RS-232-es és az RS-485-ös a legegyszerűbb adatátviteli mód, az adatok sorosan futnak a perifériából (például egér) a gépbe vagy a gépből a perifériába (soros vezérlésű mátrixprinter). Az adatsebesség meglehetősen lassú, de kétirányú adatátvitelt tesz lehetővé. Előnye, hogy egyetlen héteres (egyirányú átvitelnél háromeres) kábel szükséges hozzá. A PS/2 busz az RS-232-höz hasonlóan soros busz. Az egereknél, billentyűzetnél használják, és tulajdonképpen azért terjedt el, mert így a soros busz megmarad más célra (például modem).

USB Az USB-szabványt arra találták ki, hogy csökkenthetők legyenek mind a hardvergyártók, mind a felhasználók költségei, hiszen így a szabványos csatlakozók segítségével elkerülhető például egyes kiegészítő kártyák megvásárlása. Ezen kívül elhagyható a sok egyéb periféria által igényelt hálózati adapter használata is, mivel az USB-kábeleken nemcsak adatok közlekednek, hanem áram is folyik. Az 1.1-es verziójú USB-szabvány szerint kétutas adatcsatornával rendelkező USB-eszközök támogatják a hot-swapping („forró csere”) technológiát, amellyel a gép üzemelése közben minden gond nélkül csatlakoztathatók új eszközök. Az USB 1.1 maximálisan 12 Mb/s (megabit per másodperc) adatátviteli sebességre képes, mely sávszélességből az olyan lassabb eszközök, mint például a billentyűzetek, csak 1,5 Mb/s-t foglalnak el. Az úgynevezett USB-hubok segítségével többszintes csillagtopológiával maximum 127 darab USB-eszköz csatlakozhat egyetlen személyi számítógépre. Ezenkívül fontos még megemlíteni, hogy a biztosabb működés és a nagyobb sebesség miatt öt méternél hosszabb USB-kábeleket nem szokás használni. Az USB tulajdonképpen a PCI buszra csatlakozik, a megfelelő interfész áramkörrel, amelyet USB hostnak neveznek. A modern alaplapokra ezt már integrálják, és legalább két USB port áll a felhasználó rendelkezésére. Az USB port passzív eszközök (például egér, billentyűzet) tápellátásra is képes, az önálló tápegységgel működő perifériákat pedig csak adattal látja el. Az USB-s buszrendszerek felépítése nagyon egyszerű. A telepítésükhöz pedig nem kell mást tenni, mint az USB-s csatlakozású perifériát a számítógép megfelelő kivezetésére helyezni, és – ha az adott periféria meghajtóját már korábban telepítettük (ha kellett egyáltalán) – a rendszer működik is. A legújabb, 2.0-s USB-szabványt 2002. áprilisban jelentették be, amelyet a Compaq, a HP, az Intel, a Lucent, a Microsoft, az NEC és a Philips Semiconductors fejlesztett ki. Az új technológia már 480 Mb/s-os adatátviteli sebességet tesz lehetővé, ami nagy sebességugrást jelent az USB 1.1-hez (12 Mb/s) képest. (Az USB 1.0 1,5 Mb/s sebességre volt képes.) Az USB technológia esetében fontos néhány szót szólni a kábelekről is. Két eset lehetséges: az egyik, hogy az adott USB-eszköz fix, az egységbõl ki nem húzható kábellel rendelkezik, a másik alternatíva, hogy kihúzható kábellel van ellátva. Az utóbbi megoldás leginkább USB-s nyomtatók, szkennerek, meghajtók és hangszórók esetében elterjedt. A kihúzható kábel négyzetes vége az eszközbe, míg a lapos csatlakozóvég az USB-portba vagy -hubba való. Kiegészítő USB-kábel vásárlása esetén fontos, hogy minél rövidebb és megfelelő szigeteléssel ellátott vezetékeket vegyünk. Végül tekintsük át, hogy jelenleg milyen eszközök léteznek USB-s kivitelben: billentyűzetek, egerek, joystickek, nyomtatók, szkennerek, digitalizáló táblák, digitális fényképezőgépek, videokamerák, hangszórók,

modemek, hálózati csatlakozók, merevlemezek, MP3 lejátszók, hordozható adattárolási eszközök és akár ujjlenyomat-leolvasók. Az USB 2.0 kicsivel gyorsabb, mint a másik elterjedt, főleg videókameráknál használt szabvány, a FireWire 400 (IEEE 1394a, 1394b), melynek maximális átviteli sebessége 400 Mbit/s lehet. (Az IEEE 1394b átviteli sebessége 800 Mbit/s.). Az USB 3.0 4.8 Gigabájt/s átvitelére is képes, gyorsabb, mint az IEE 1394 FireWire.

Párhuzamos buszok − − − − − − − −

AT busz (ISA – Industry Standard Architecture) MCA busz (Micro Channel Architecture) EISA busz (továbbfejlesztett ISA busz) VESA lokális busz PCI busz (Peripherial Component Interconnect). Átviteli sebesség: 133 Mb/s (32 bit széles). A 64 bites PCI 2.0 átviteli sebessége 528 Mb/s. PCMCIA AGP. Átviteli sebesség: 2 Gb/sec (Az AGP 8x-ra igaz ez.). Az órajele 533 MHz. 32 bites. Lassan eltűnőben van. PCI Express (PCIe). A PCI kiterjesztése. A forgalom két eszköz között kétirányú (fulll duplex). A két eszköz egy időben több csatornán is tud forgalmazni, így a sebességek összeadódnak. Átviteli sebesség: 250 Mb/s minden sávra, max. 32 sávra 8 Gb.

A fenti busztípusok párhuzamos buszok, azaz a bitek párhuzamosan futnak a perifériából a gépbe vagy a gépből a perifériába.

AGP Az AGP (Accelerated Graphics Port) az alaplapi lapkakészlethez közvetlenül kapcsolódó, kifejezetten grafikus kártyák kiszolgálásra kifejlesztett 32 bites sín. Létrehozását az tette szükségessé, hogy az egyre népszerűbb 3Ds alkalmazások által megmozgatott jelentős mennyiségű adat számára mind szűkösebbé vált a PCI sín sávszélessége. Legnagyobb előnyei: egyrészt mentesíti a PCI sínt, másrészt a gyors és közvetlen kapcsolat révén a grafikus kártya közvetlenül használhatja a rendszermemóriát. A kezdeti sávszélesség, amely kétszerese volt a PCI sínének is, hamarosan szűkösnek bizonyult, így hamar követte a dupla akkor sávszélességet biztosító 2xAGP 133 MHz-es órajellel és a 4x AGP 1 gigabájt/másodperc, 266 MHz-es órajellel. Természetesen ahhoz, hogy ezeket a sebességeket élvezhessük, az említett technikákra felkészített lapkakészletű alapra van szükség.