A számítógépek hardverjellemzői

Széchenyi István Egyetem

Számítógép-modellek

Logikai modell Információ feldolgozás szerint: input-process-output • Input: adatok bevitele a számítógépbe – Billentyűzet, egér, lapolvasó (szkenner)

A számítógépek hardverjellemzői

•

Process (feldolgozás): műveletvégzés a számítógépben tárolt adatokon

•

Output: a feldolgozás eredményének megjelenítése a felhasználható által értelmezhető formában

•

A feldolgozáshoz kapcsolódik még az adatok átmeneti és hosszú távú tárolása (adattárolók)

– CPU, memória – Monitor, nyomtató, fax

Dr. Kallós Gábor

– Merevlemez, optikai lemez, hajlékony lemezek, mágneskazetta

Felépítés szerint: hardver-szoftver • CPU (megvalósítás: mikroprocesszor) + memória, perifériák • Operációs rendszer, alkalmazói szoftverek

2009-2010.

2


Számítógép-modellek


A számítógép felépítése

Funkcionális modell

Minimális konfiguráció

• CPU + memória, I/O interfész, perifériák (I/O eszközök)

• Főként személyi számítógépekre nézzük, elsősorban IBM PC gépcsalád • Számítógépház (néha nem különíthető el), benne: – Alaplap (rajta: mikroprocesszor, ROM, RAM, vezérlőkártyák) – Tápegység – Winchester, (Floppy), CD

• Monitor, billentyűzet, egér (+nyomtató) 3

A számítógép felépítése: a CPU


CPU

Memória

– Számítási és összehasonlító műveleteket hajt végre a tárolt adatokon, a regisztereket módosítja

– Logikailag nagyon „közel” van a processzorhoz – Rekeszekből áll, minden rekesz egyedi címmel rendelkezik – A memória méretét behatárolja:

CU (Control Unit, Vezérlő egység) – Beolvassa a program utasításait a memóriából, parancsokat ad az ALU-nak

•

Regiszterek

• A rekeszek mérete (8-tól akár 128 bitig) • A megcímezhető memóriarekeszek száma (a MAR bitjeinek a száma) • A CPU utasítások operandus részéhez rendelt bitek száma

– Kis (néhány bájt) kapacitású, nagyon gyors tárolóhelyek a CPU-n belül, számítások részeredményeinek a tárolására, ill. a működés irányítására – Általános célú regiszterek – Speciális célú regiszterek • • • • •


CPU

• Elsődleges nagy kapacitású tároló komponens (operatív tár)

Központi feldolgozó egység (Central Processing Unit), részei: • ALU (Arithmetic/Logic Unit, Aritmetikai/logikai egység) •

4

– A programok végrehajtási sebessége erősen függ attól, hogy mennyi memória áll rendelkezésre

Program számláló (PC) Utasítás regiszter (IR) Memória cím regiszter (MAR) Memória adat regiszter (MDR) Állapot regiszter (SR)

• Sok adatot feldolgozó program futtatásakor kevés memória esetén a processzornak tétlenül kell várakoznia arra, hogy az adatok a memóriába töltődjenek, akár 50%-kal is nőhet a futási idő

– Gyors műveletek (binárisan) • Összeadás, kivonás • Eltolás, forgatás

– Tipikus memóriaméretek mostanában: 4-16 Gigabájt 5

6

1


CPU


CPU

Memóriatípusok: • RAM (Random Access Memory, véletlen elérésű memória) – –

•

DRAM (Dinamikus RAM)

•

SRAM (Statikus RAM)

•

ROM (Read Only Memory, csak olvasható memória)

– –

•

A CPU működéséhez szükséges az egyes komponensek között adatokat mozgatni

•

A sín elektromos jeleket továbbító vezetékek csoportja, négy típusú jelet továbbít

– A páronkénti összeköttetés nem hatékony megoldás, ezért síneket használnak

Ez a legáltalánosabban használt memóriatípus, olcsó Mp-enként kb. 1000-szer újra kell írni az aktuálisan tárolt adatokkal

– –

Gyorsabb adatelérés, mint a DRAM-nál, de lényegesen drágább Jellemzően a gyorsító tárakban (cache) alkalmazzák

– –

– – – –

Stabil tároló, a benne tárolt tartalom a gép kikapcsolása után is megmarad A legkorábbi és még ma is használt legolcsóbb változatok tartalma később nem változtatható meg Ha tartalma mégis írható, akkor az olvasási sebességhez képest csak (nagyon) lassan

–

•

PROM (Programozható ROM)

•

EPROM (Törölhető és programozható ROM)

–

•

Használata során egyszer programozható, de a folyamat visszafordíthatatlan (elavult)

–

•

Sín (bus) rendszer

Írható és olvasható memória A feszültség kikapcsolásakor elvész a benne tárolt tartalom

•

A működés szempontjából legfontosabb bus a processzort köti össze a memóriával A bus-ok típusai:

•

Egyéb fontos bus jellemzők:

– Egy-egy kapcsolatot megvalósító – Többpontos kapcsolatot megvalósító (broadcast bus)

A törlés általában ultraibolya fénnyel hajtható végre (elavult)

EEPROM (Elektronikusan törölhető és programozható ROM) –

Írásuk lassúbb, mint a RAM-oké (régebben: nagyságrendekkel, most: még mindig jóval lassúbb, de már „gyorsul”) Ide tartozik (speciális esetként) a mostanában leginkább használatos flash memória is (pl. usb csatolású pendrive, de digitális fotógépekben is ezt találjuk) Szintén modern speciális eset: SSD (Solid State Drive), flash memóriás, félvezetőkkel megvalósított mozgó alkatrészek nélküli tároló, amely (külső) winchesterként csatlakoztatható a számítógéphez (általában laptopokban alkalmazzák) 7

– –


CPU

– Adatátviteli kapacitás (az egységnyi idő alatt átvihető adatok mennyisége) – Adat-bus szélessége (az egyszerre átvihető adatok szélessége bitekben) – Bus vezeték maximális hossza 8

Modern megoldások a CPU és a memória hatékony működésének megvalósítására

Példa: két szám összeadása egy egyszerű számítógép-modellben

•

– A tárolókban sorban benne vannak az utasítások – Utasítás típusok: 1xx – összeadás, 2xx – kivonás, 3xx – tárolás, 5xx – betöltés, 901 – beolvasás, 902 – kiírás, 000 – leállás Tároló címkéje

Gépi kód

Assembly kód

00

901

IN

01

399

STO 99

02

901

IN

03

199

ADD 99

04

902

OUT

Utasítás leírása

• • • •

•

;Szám tárolása

000

COB

000

DAT 00

;Két szám összeadása

•

Cache memóriák

•

Összefésült memória – Egymás utáni sok memória elérés felgyorsítására, a processzor több MAR és MDR regisztert használ párhuzamosan

9


10

Többprocesszoros számítógépek

– IBM, Hewlett Packard, Olivetti stb. gépekben Bev. éve

Tranzisztorok sz.

1979

30 000

80286

1982

130 000

6 MHz

80386

1985

275 000

16 MHz

80486

1989

1 200 000

25 MHz

Pentium (586-os PC)

1993

3 100 000

66 MHz

Pentium Pro

1995

5 500 000

200 MHz

Pentium II

1997

7 500 000

300 MHz

Pentium III (1 GFLOPS felett)

1999

9 500 000

500 MHz

Pentium 4 → és Xeon (2000)

2000

42 000 000

1,5 GHz

Pentium M

2002

55 000 000

1,7 GHz

5 MHz

Pentium D

2005

291 000 000

3,2 GHz

Core 2 Duo → és Dual-Core Xeon

2006

291 000 000

2,93 GHz

Dual-Core Itanium 2

2006

1 720 000 000

1,66 GHz

Quad-Core Xeon és Core 2 Quad (50-60 GFLOPS)

2007

582 000 000

2,66 GHz

80486-ig CISC, Pentiumtól felfelé RISC

•

Órajel

8088 (első PC-k) (50 kFLOPS)

•


CPU

Az Intel processzorok fejlődése

Processzor típusa

Párhuzamos végrehajtásra alkalmas megoldások

– Gyorsítótár, a CPU és a memória közé épülő tároló, a memória egy részének tartalmát tükrözi, duplikálja, címkéken keresztül érhető el

;Leállás ;Adat rekesz a szám tárolására

A leggyakrabban használt utasításokat hagyták meg, végrehajtásuk nagyon gyors A bonyolultabb utasításokat szoftveres úton állítják elő az egyszerűbbekből Egy feladat a CISC-hez képest általában több lépésben hajtható végre Pipeline feldolgozás lehetősége (az utasítások átlapoltan futhatnak)

– VLIW, EPIC (Very Long Instruction Word, Explicitly Parallel Instruction Computer) – Pipeline feldolgozás

;Eredmény kiírása

CPU •

• Rosszul párhuzamosítható, lassú szubrutinhívások

– RISC (Reduced …, Csökkentett …), az utasítások felépítése és hossza azonos, a CISC-hez képest egyszerű utasításkészlet

;Második szám beolvasása

05

CISC és RISC architektúrák – CISC (Complex Instruction Set Computer, Összetett utasítás készletű számítógép), különböző hosszúságú utasítások

;Első szám beolvasása

99


CPU

CPU utasítások •

Adat jelek (pl. számok, karakterek, utasítások kódja) Cím jelek (pl. memória rekeszek címe) Vezérlő jelek (a sínen történő adatforgalmat szabályozó jelek) Tápellátást biztosító jelek

A teljesítmény növelésének egyik fontos lehetősége – a miniatürizálás mellett – a szálak ill. programok (valódi) párhuzamos futtatása – Ennek az elvnek a megvalósítására az egyik korai technológia a „szimmetrikus multifeldolgozás” (Symmetric Multiprocessing, SMP →) volt, ahol kettő vagy több azonos teljesítményű proci csatlakozhat a közös memóriára (tdk. multiprocesszor, 1980-as évek) – Ez az architektúra viszonylag kevés proci esetén működik csak jól (pl. 8, 16), a procik számának gyors növekedésével a memória elérésével kapcsolatos problémák (memóriaverseny) miatt már nem használható – Több száz ill. ezer proci beépítését fejlettebb megoldásokkal érték el: „nem-uniformizált memória hozzáférés” (Non-Uniform Memory Access, NUMA →) ill. „osztott közös memória” (Distributed Shared Memory, DSM) (1990-es évektől)

11

12

2


CPU


CPU

Többmagos (multi-core) processzorok • • •

Kezdetben a multiprocesszoros architektúrákat úgy készítették el, hogy különálló CPU-kat használtak (megfelelő összeköttetésekkel) Később merült fel az ötlet, hogy több procit is el lehet helyezni (összeköttetésekkel) egyetlen chip-en, ezt a technológiát nevezzük többmagos mikroprocesszornak A többmagos processzorok vázlatos felépítése (kicsit leegyszerűsítve): a magokhoz saját cache memóriák kapcsolódnak, ehhez busz- és memóriavezérlő, továbbá közös (másodszintű) cache memória – A cache memória nagyon drága, és a címzés miatt nehéz a procihoz „közel” helyezni, ez szab határt az alkalmazásuknak (néhány MB az egyébként szokásos több GB helyett)

•

A modern PC-k sok esetben már kettő ill. négymagos procival rendelkeznek 13

Modern szuper- és nagyszámítógépek


Nagygépekben használt modern megoldások

–

„Szuperszámítógép” a SZE-n •

Blade szerver • Régen: a szerver nagyméretű, torony kivitelű, általában különböző helyiségekben, saját rendszergazdával • Később: kisebb méretű szerverek összekapcsolva, de saját infrastruktúrával (tápegység, monitor, billentyűzet) • Mostanában: a szerverek egy házban, üzem közben is cserélhető eszközökkel (blade) • Moduláris felépítés –

Az Intel 2005-ben publikált termékfejlesztési terve

• •

Ma Magyarországon ez az egyik legnagyobb teljesítményű gép

HP Blade szerver 12 + 1 egyforma gép van benne, egy központi gép (head node), és 6x2 szerver (compute node) – A gépekben: 3 GHz-es Intel Xeon procik – A compute node-okban egyenként: 16 GB RAM, 250 GB-os SATA2 winchester (háttértár) és duál-négymagos proci (két darab négymagos chip) – A 13. gép irányító funkcióval rendelkezik – + még: 6 darab SAS háttértár („csak” 146 GB-os, de nagyon gyors) külön blade-ben

•

Előnyök: támogatja a bővíthetőséget, fejlett hűtés és áramellátás, jó teljesítmény, könnyű szervizelés Infiniband („határtalan sávszélesség”, Infinite Bandwith) • Új szabvány a szerverek közötti adatátvitelre • A ki- és bemenő adatok két különböző egyirányú csatornán mozognak, és a csatorna párok többszörözhetők • A szokásos régi hálózatban (Ethernet) tipikus átviteli értékeknél akár több százszor nagyobb sebességet tud, és skálázható (nem romlik a bővítésnél)

•

A gépnek 6 darab tápegysége van, amelyeket a terheléstől függően kapcsolgat be

15

•

•

•

•


– 1,248 TFLOP lebegőpontos számítási teljesítmény – Több mint 200-szoros egy átlagos asztali személyi géphez képest

Szerverkártya – tdk. független szerver, egy vagy több procit, memóriát, lemezeket és hálózati vezérlőket tartalmaz Opciókártya – további funkciók, pl. vezérlők külső I/O eszközök eléréséhez

„Szuperszámítógép” a SZE-n

14


16

„Szuperszámítógép” a SZE-n


Működés közben (hot-swap) is cserélhető benne tdk. minden fontos alkatrész: szerverek, tápegységek, diszkek A szerver távmenedzselhető, a gépháznak saját IP címe és ezen elérhető kezelőfelülete van (pl. látjuk az aktuális fogyasztást, hőmérsékleti adatokat) Ennek a gépnek az erejét a nagyon gyors kapcsolattal összekötött, egyenként is erős szerverek adják, szemben pl. azzal a megoldással, amikor egyetlen nagy közös memórián dolgozik sok proci RedHat Linux operációs rendszer fut rajta 17

18

3

A számítógép felépítése: perifériák



Perifériák

A perifériák csatolása • • •

A perifériák típusai

Az egyes perifériák egymástól igen különböző sebességű és adatfeldolgozó kapacitású elemek, a rajtuk lebonyolított adatcsere gyakran igen bonyolult feladat Ezért nem közvetlenül, hanem vezérlőn (I/O modul vagy interfész) keresztül csatlakoznak a CPU-hoz Ez a modul felelős az I/O műveletek végrehajtásáért az adott eszközön, főbb funkciói:

•

– Floppymeghajtó (3,5”, 1,44 MB) (elavult) – Winchester (mostanában: 50-100 GB-) – Cserélhető háttértárak (1 GB-) • Logikailag: EEPROM, benne flash…

– Feldolgozza az általa vezérelt egységektől a hozzá érkező üzeneteket, és fogadja a CPU-tól az I/O kezelő parancsokat – A memóriából származó adatokat a pufferében átmenetileg tárolja, amíg azokat az I/O eszköz fel nem dolgozza – Fizikailag vezérli az I/O eszközök működését

•

– CD, olvasó és író (5,25”, 700 MB) – DVD (4,7 GB-)

• •

I/O bus-ok – Az I/O eszközök egy része közvetlenül a CPU-t és a memóriát összekapcsoló rendszerbuszra köthető – Más esetekben a rendszer bus-ra valamilyen köztes eszközt kell csatlakoztatni (bus interfész vagy bridge), ez teszi lehetővé az adatátvitelt – Széles körben alkalmazott bus szabványok: SCSI (Small Computer System Interface), USB (Universal Serial Bus)

• • • •

Monitor Nyomtató, rajzgép Billentyűzet Egér Levilágító, szkenner (Modem)

19


Perifériák

Háttértárak

20

A mágneslemezes háttértár működése • • • • • •

Az optikai tárolók működése

Mágnesezhető anyag az információ tárolására Hajlékony (floppy) és merev (winchester) lemezes egység Egy vagy több lemez, a lemeznek egy vagy mindkét oldala használható Olvasás/írás: A fej közelében nagy sebességgel halad el a mágnesezett felület Bájtok csoportjait (ún. adat blokkokat) tárolunk, írunk, olvasunk Sáv és szektor (512, 1024 vagy 2048 bájt)

•

Az információt a lemez alsó oldala hordozza

• •

Audio- és adat-CD, DVD olvasása és írása lehetséges írás: az erős lézerfény a vékony fémrétegben mélyedéseket hoz létre a kódolt információnak megfelelően Olvasás: a forgó lemez fémrétegéről a ferdén rávetített lézersugár visszaverődik, a fényérzékeny szenzor méri, hogy kiemelkedésről vagy mélyedésről történik a visszaverődés Kezdetben 150 KB/sec volt az átviteli sebesség (1x), ma pl. 48x-os olvasás és 10x-es írás a tipikus Házilagos írás kb. 50 példányig gazdaságos, afelett nagyüzemi gyártás célszerű

– Karcolásra, zsírra, piszokra érzékeny

• • •

– Mivel a forgási sebesség azonos, ezért a külső sávokon ritkábban helyezkednek el a bitek

•


Perifériák

– Ilyenkor az alapos tesztelés után egy mesterlemezt készítenek, majd erről egy negatív másolatot, és utána ez alapján történik a sokszorosítás

A winchesterek adatelérése gyors (pár mikrosec), a szerkezet tokozott 21


Perifériák

Katódsugárcsöves monitor • • •

22

Perifériák


• Szemléltetés:

A legrégebben használt számítógépes megjelenítők, lassan kiszorulnak a piacról Eleinte fekete-fehér megjelenítés volt, ma már (természetesen) nagyfelbontású színes képet adnak A működési elv a televízióhoz hasonló: – A monitor egy katódsugárcsőből és az ezt vezérlő elektronikából áll. A katódsugárcsőben van egy elektronforrás, amelyből elektronnyalábot állítunk elő. A nyalábot elektromágneses tér segítségével pontosan tudjuk irányítani, ill. igen gyorsan mozgatni, valamint az erősségét szabályozni. – A kép a képernyőre vékonyan felvitt fluoreszcens anyag segítségével áll elő, az elektronnyaláb felvillantja a képpontokat – A színes megjelenítőknél három elektronnyaláb van, ezek három különböző képpontot villantanak fel (piros, zöld és kék) – Az elektronsugár igen gyorsan végigpásztázza a képernyőt, így az egymás után kirajzolt képpontokat a szemünk egy képnek érzékeli – A képpontok nem világítanak folyamatosan! (passzív megjelenítés) • Alacsony (60 Hz vagy alatta) frissítési frekvencia estén a vibrálás fárasztja a szemet 23

24

4


Perifériák

LCD monitor • •

Nyomtatók

Folyadékkristályos eszközök, aktív megjelenítők, minden képpont folyamatosan világít Működési elv:

•

Mátrixnyomtató – Egymás alatt elhelyezkedő tűk nyomják a festékszalagot a papírra – Már elavult technológia, de bérszámfejtéshez, számlanyomtatáshoz használják még ma is

– A folyadékkristály részben fényáteresztő anyag, és elforgatja a rajta áthaladó fény polaritását. A forgatás mértéke elektromos feszültség hatására megváltozik. – A polárszűrő által elnyelt fénymennyiség arányos a polarizált fény és a polárszűrő polaritása által bezárt szöggel.

•


Perifériák

•

Tintasugaras nyomtató (360-720-1440 dpi) – A fej (fúvóka) pontsoronként lövi a papírra az apró tintapettyeket az elektronika által kiszámolt helyeken – Pl. a HP-nél hőelem melegíti fel a tintát, amelyben így gázrobbanás keletkezik, és ez repíti ki a tintacseppet – Viszonylag olcsók, de az üzemeltetési költség magas (drága a papír és a festék)

Fizikai felépítés: – Világító háttér lap → 1. polárszűrő → folyadékkristály cellák → színszűrő (színes monitornál) → 2. polárszűrő → műanyag vagy üveg lap (védelmi célból) – A folyadékkristály paneljében mindegyik képponthoz tartozó feszültség külön beállítható – A színszűrő piros-kék-zöld keveréssel állítja elő a színes képpontokat – A kép végül a 2. polárszűrőn rajzolódik ki 25


Perifériák •

Lézernyomtató (600 dpi vagy jobb minőség)

26


Perifériák •

– Az elektronika által kiszámolt pontsort egy lézersugár rajzolja a előzőleg elektronikusan feltöltött szelénhengerre sorról-sorra. A lézer semlegesíti a szelénhenger töltését az érintett helyeken, és így kirajzolódik a látens kép. – A henger egy ugyancsak elektromosan töltött festékport tartalmazó tartály elé fordul, és a semlegesített helyeken festék tapad rá. Ezután a henger a papírra fordulva ráviszi a festéket, majd a festékport magas hőmérsékleten fixálják. – Az üzemeltetési költség viszonylag alacsony

Plotter (rajzgép) – A számítógép által előállított vonalas rajzok (tervek, műszaki rajzok) megjelenítésére szolgál – A gép valódi tollal rajzol, mintha egy robotkar mozgatná a tollat a papír felett, színes ábrák is készíthetők – Szöveget is tud nyomtatni, van benne beépített karaktertábla – Dobplotter: vízszintes tengelyű henger, amely felett a toll a tengely irányában mozgatható, a papír pedig erre keresztben mozog, akár előre-hátra – Síkplotter: a papír mozdulatlan, a toll viszont két egymásra merőleges irányban mozgatható – Újabban a dobplotterek mintájára poszter méretű tintasugaras nyomtatókat is készítenek már

• Korábban nagyon drágák voltak, de a különbség mostanában már nem nagy (a tintasugarasokhoz képest)

27


Perifériák

28

Billentyűzet •

Egér • •

Angol és magyar, 81-86 vagy 101-106 gombos, eredetileg az írógépek alapján – Ma már nagyjából szabványos, de apró eltérések lehetnek – Nemzeti billentyűzetek

•


Perifériák

•

A 2. legfontosabb beviteli eszköz A grafikus programok igénylik azt, hogy a képernyő valamely pontjára rá tudjunk mutatni Forgó golyó + nyomógombok (változat: laptop egér)

•

Másik fejlesztési irány: optikai egér

–

Fontos, hogy ismerjük és használjuk a gépelést és programkezelést gyorsító speciális billentyűket!

– – –

– Tab, Home, End, Ins, PgUp, PgDn stb.

A golyó forgása a görgők segítségével elektromos jelekké alakul át Kezdetben: fénykibocsátó dióda, csak speciális hálós egérpadon lehetett használni Most: mozgásérzékelő szenzor és képelemző chip, nem kell már speciális egérpad Várható, hogy hamarosan a „wireless” egerek is elterjednek

•

29

30

5


Perifériák

Szkenner •

•

Szkenner (scanner) – beviteli eszköz, a képeket digitális jelsorozattá alakítja át

•

– Ezt a jelsorozatot egy, a szkennerhez tartozó szoftver alakítja tovább valamely szabványos adatformátumúra

•


A bevinni szándékozott kép lehet ránézeti (fotó) vagy átnézeti (dia), ez utóbbihoz a szkenner típusától függően diafeltét is szükséges lehet Működés: – A szkenner erős fénnyel megvilágítja a letapogatandó tárgyat – A képbeolvasás legfontosabb eleme a CCD (Charge Coupled Device), egy töltéscsatolt félvezető eszköz, amely méri a visszatükrözött fényt, és ennek arányában feszültséget generál

A szkennerek csoportosítása: – Kézi szkenner – komolyabb feladatokra nem alkalmas, pl. vonalkód leolvasónak használják – Asztali vagy lapszkenner – nagyjából úgy néz ki, mint egy fénymásoló, irodai feladatokra – Dobszkenner – igényes grafikai alkalmazásokra – Nyomdai szkennerek

•

Perifériák

• • • •

A szkennerek fontosabb jellemzői: – Tárgyméret – asztali szkennernél pl. A/4-es – Felbontás – irodai feladatoknál jellemzően 300-1200 dpi, de nyomdai szkennernél 6000-8000 dpi is lehet

A vízszintes felbontást a CCD-k sűrűsége adja (jellemzően 300600-1200-2400 dpi), a függőleges felbontás a léptetésből adódik (hasonló értékek) A fizikai felbontás szoftveres úton a többszörösére növelhető A színes szkennerek általában RGB színmodellt használnak A bevitt szöveget képként kezeli a rendszer, az újbóli szöveggé alakításhoz optikai szövegfelismerő (Optical Character Recognition, OCR) programok szükségesek – Az egyik legsikeresebb ilyen a magyar fejlesztésű Recognita

31

32

6

A számítógépek hardverjellemzői

Recommend Documents