A számítógépek hardverjellemzői

A számítógépek hardverjellemzői Dr. Kallós Gábor

2007-2008.

Számítógép-modellek

Széchenyi István Egyetem

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

•

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 – Merevlemez, optikai lemez, hajlékony lemezek, mágneskazetta

Felépítés szerint: hardver-szoftver • CPU (megvalósítás: mikroprocesszor) + memória, perifériák • Operációs rendszer, alkalmazói szoftverek 2

Számítógép-modellek


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

3

1


A számítógép felépítése

Minimális konfiguráció • 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) 4

A számítógép felépítése: a CPU


CPU Központi feldolgozó egység (Central Processing Unit), részei: • ALU (Arithmetic/Logic Unit, Aritmetikai/logikai egység) – Számítási és összehasonlító műveleteket hajt végre a tárolt adatokon, a regisztereket módosítja

•

CU (Control Unit, Vezérlő egység)

•

Regiszterek

– Beolvassa a program utasításait a memóriából, parancsokat ad az ALU-nak – 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 • • • • •

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

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

5


CPU

Memória • Elsődleges nagy kapacitású tároló komponens (operatív tár) – Logikailag nagyon „közel” van a processzorhoz – Rekeszekből áll, minden rekesz egyedi címmel rendelkezik – A memória méretét behatárolja: • 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

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

– Tipikus memóriaméretek mostanában: 4-16 Gigabájt 6

2


CPU Memóriatípusok: • RAM (Random Access Memory, véletlen elérésű memória) – Írható és olvasható memória – A feszültség kikapcsolásakor elvész a benne tárolt tartalom

•

DRAM (Dinamikus RAM)

•

SRAM (Statikus RAM)

•

ROM (Read Only Memory, csak olvasható memória)

– 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)

•

EEPROM (Elektronikusan törölhető és programozható ROM)

– Használata során egyszer programozható, de a folyamat visszafordíthatatlan – A törlés általában ultraibolya fénnyel hajtható végre – Írásuk nagyságrendekkel lassúbb, mint a RAM-oké 7


CPU

Sín (bus) rendszer •

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

– – – –

•

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


CPU

CPU utasítások •

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

05

000

COB

99

000

DAT 00

Utasítás leírása ;Első szám beolvasása ;Szám tárolása ;Második szám beolvasása ;Két szám összeadása ;Eredmény kiírása ;Leállás ;Adat rekesz a szám tárolására

9

3


CPU

Modern megoldások a CPU és a memória hatékony működésének megvalósítására •

CISC és RISC architektúrák – CISC (Complex Instruction Set Computer, Összetett utasítás készletű számítógép), különböző hosszúságú utasítások • Rosszul párhuzamosítható, lassú szubrutinhívások

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

•

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)

Párhuzamos végrehajtásra alkalmas megoldások – VLIW, EPIC (Very Long Instruction Word, Explicitly Parallel Instruction Computer) – Pipeline feldolgozás

•

Cache memóriák

•

Összefésült memória

– Gyorsítótár, a CPU és a memória közé épülő tároló, a memória egy részének tartalmát tükrözi, duplikálja, címkéken keresztül érhető el – Egymás utáni sok memória elérés felgyorsítására, a processzor több MAR és MDR regisztert használ párhuzamosan 10


CPU •

Az Intel processzorok fejlődése – IBM, Hewlett Packard, Olivetti stb. gépekben

•

Processzor típusa

Géptípus

8088

Első PC-k

Tranzisztorok száma 30 000

80286

286-os PC

130 000

80386

386-os AT

250 000

80486

486-os PC

1 250 000

Pentium

586-os PC

3 000 000

Pentium Pro

686-os PC

5 500 000

Pentium II

786-os PC

10 000 000

Pentium III

886-os PC

20 000 000

80486-ig CISC, Pentiumtól felfelé RISC 11

A számítógép felépítése: perifériák


A perifériák csatolása • • •

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: – 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

•

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)

12

4


Perifériák

A perifériák típusai • Háttértárak – Floppymeghajtó (3,5”, 1,44 MB) – Winchester (10-20 GB-) – Cserélhető háttértárak (1 GB-) • Logikailag: EEPROM

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

• • • • • •

Monitor Nyomtató, rajzgép Billentyűzet Egér Levilágító, szkenner Modem 13


Perifériák

A mágneslemezes háttértár 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) – Mivel a forgási sebesség azonos, ezért a külső sávokon ritkábban helyezkednek el a bitek

•

A winchesterek adatelérése gyors (pár mikrosec), a szerkezet tokozott 14


Perifériák

Az optikai tárolók működése •

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

• • •

– Ilyenkor az alapos tesztelés után egy mesterlemezt készítenek, majd erről egy negatív másolatot, és utána ez alapján történik a sokszorosítás 15

5


Perifériák

Katódsugárcsöves monitor • • •

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 16


Perifériák

• Szemléltetés:

17


Perifériák

LCD monitor • •

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

•

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 18

6


Perifériák

Nyomtatók •

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

•

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)

19

Perifériák •


Lézernyomtató (600 dpi vagy jobb minőség) – 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. – Áruk viszonylag magas, de az üzemeltetési költség alacsony

20

Perifériák •


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

21

7


Perifériák

Billentyűzet •

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

•

Fontos, hogy ismerjük és használjuk a gépelést és programkezelést gyorsító speciális billentyűket! – Tab, Home, End, Ins, PgUp, PgDn stb.

22


Perifériák

Egér • • •

A 2. legfontosabb beviteli eszköz A grafikus programok igénylik azt, hogy a képernyő valamely pontjára rá tudjunk mutatni Forgó golyó + nyomógombok (változat: laptop egér) – A golyó forgása a görgők segítségével elektromos jelekké alakul át

23


Perifériák

Szkenner •

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

•

A szkennerek csoportosítása:

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

•

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 24

8

Perifériák • •


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 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 25

9

A számítógépek hardverjellemzői

Recommend Documents