II. el®adás, A számítógép belseje 2. Halácsy Péter, Varga Dániel 2008. szeptember 17.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Ismétlés: RAM, CPU
Legutóbb megbeszéltük, hogy a számítógép két legfontosabb alkatrésze a RAM, amiben adatokat tárol nullák és egyesek sorozata formájában, és a CPU, amivel a fenti adatokat manipulálja.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Ismétlés: RAM, CPU
Az adatok manipulálása elemi m¶veletek végrehajtásával valósul meg. A CPU a RAM-ból olvassa azt is, hogy aktuálisan milyen m¶veletet kell végrehajtania. Példák elemi m¶veletekre:
Növeld meg tízzel ennek-és-ennek a memóriarekesznek az értékét. A következ® végrehajtandó utasítást az ennyi-és-ennyiedik memóriarekesznél keresd.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Jó, de tulajdonképpen mi történik a számítógépben? A processzor nem áll másból, mint néhány milliárd tranzisztorból, és az ®ket összeköt® huzalokból. A tranzisztorok mindannyian teljesen egyformák és nagyon primitívek. A számítógép bonyolult viselkedését az teszi lehet®vé, hogy a tranzisztorok bonyolult rendszerben vannak egymáshoz huzalozva vékonyka elektromos vezetékekkel.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Mi is az a tranzisztor?
A tranzisztor lényegében egy árammal hajtott villanykapcsoló. Ez elég értelmetlen találmánynak hangzik, amíg rá nem jövünk, hogy a kapcsolgatást el®idéz® áram jöhet egy ceruzaelemb®l vagy fotocellából, míg a bekapcsolt áram lehet akár 220V is. Például építhetünk egy olyan fényszórót, ami akkor gyullad fel, ha a fotocella sötétséget jelez.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Mire való a tranzisztor egy számítógépben?
Egy processzorban az 1 bitet az jeleníti meg, ha folyik áram, a 0 bitet az, ha nem folyik. Két tranzisztorból építhetünk egy olyan áramkört, amiben csak akkor gyullad ki a lámpa, ha két kábelünk közül legalább az egyikre NEM engedünk áramot. Ezzel tulajdonképpen egy egyszer¶ m¶veletet végzünk a biteken, amit a logikában NAND-nak (TAGADOTT-ÉS) hívnak.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
NAND A NAND m¶velet igazságtáblája: x | y | NAND(x,y) 0 | 0 | 1 1 | 0 | 1 0 | 1 | 1 1 | 1 | 0
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Összetett logikai m¶veletek Meglep® módon ilyen kis NAND áramkörökb®l akármilyen bonyolult logikai vagy aritmetikai m¶velet összekombinálható. Például ha x és y bitek, és az összegüket akarjuk meghatározni, akkor az eredmény fels® helyiértéke: NAND(NAND(x,y),NAND(x,y)) alsó helyiértéke: Gyakorló feladat. Az összes többjegy¶ kettes számrendszerbeli számokon végzett alapm¶velet felépíthet® NAND-okból, de természetesen sokkal több lépésben. (Nem véletlen, hogy a processzorokban milliárdnyi tranzisztor van.)
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Mi más van még egy számítógépben?
Mindannyian tudjuk, hogy egy számítógép a CPU-n és RAM-on túl még sokféle más alkatrészt tartalmaz. Miket is pontosan?
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Alaplap A legfontosabb további alkatrész az alaplap. Ez kicsit olyan, mint az él®lények érrendszere. Az alaplap vezetékein keresztül áramlanak az adatok az egyes alkatrészek között. Az alaplap más vezetékein keresztül kapják az alkatrészek a m¶ködésükhöz szükséges áramot (tápfeszültséget). Az alaplap különböz® nyílásaiba dugacsoljuk be a számítógép összes alkatrészét.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Alaplap
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Be- és kimenet A számítógép memórián kívüli alkatrészei a CPU szempontjából nézve csak bájtok sorozatait küld® és fogadó információcsatornák. A CPU-nak mindegy, hogy egy ilyen csatorna másik végén egér vagy merevlemez ül. Az már a számítógépen futó programok feladata, hogy a kett®t más és más módon kezeljék. A fenti szép alapelvet a hatékonyság növelése érdekében a számítógépek épít®i néha megszegik. A megszegés két legfontosabb módja: Az egyes adatcsatornák ugyan egyenérték¶ek a CPU szempontjából, de mivel más és más sebességigényük van (merevlemez: nagy, egér: kicsi), ezért zikailag változatos módon valósítják meg ®ket. Közvetlen memóriaelérés: A CPU szólhat egy adatcsatornának, hogy az adatfolyamot töltse közvetlenül a RAM-ba. Ne zavarja a CPU-t, csak amikor elkészült. Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Háttértár Háttértár avagy perzisztens memória avagy nem törl®d® memória. A háttértárra csak egy praktikus korlát miatt van szükség: A hagyományos RAM-ok adatai törl®dnek, ha a RAM nem kap áramot. Ha a számítógépben nem lenne ilyen perzisztens (maradandó) memória, akkor ki-bekapcsolás után mindig újra és újra egy teljesen sz¶z géppel találnánk szembe magunkat. A régi id®k személyi számítógépei tényleg ilyenek voltak: egy Sinclair ZX81-nek nem volt saját beépített perzisztens memóriája. Ha el akartuk menteni a munkánkat, akkor hozzá kellett kötni egy standard kazettás magnóhoz, és kazettára menteni. Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Sinclair ZX81
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Merevlemez
A mai számítógépekben a háttértárolást általában a merevlemez, más néven vincseszter valósítja meg. Mágneses elven tárolja az adatokat, mint a kazettás magnó, egy forgó korongon, mint egy lemezjátszó. Lényegében az 1 és 0 bit egy felfelé illetve lefelé álló mágnesként jelennek meg a lemezen.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Merevlemez: technikai adatok A mágnesek mérete körülbelül 300x30 nanométer, akkora mint egy nagyon kis baktérium. Egy átlagos mai merevlemez felületén körülbelül 800 milliárd ilyen mágnes van. (100 gigabájt) Másodpercenként körülbelül 60 megabájtot (félmilliárd bitet) képes továbbítani a CPU felé, vagy fogadni fel®le. A korong körülbelül 5 cm átmér®j¶, és másodpercenként körülbelül 100 fordulatot tesz meg. A mérnöki tudomány csodája, hogy nem rázódik szét közben, s®t az olvasófej bármikor precízen ketté tudná vágni bármelyik fent említett baktériumot.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Merevlemez író-olvasófeje
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Háttértárak: a közeljöv® Semmi szükségszer¶ nincs abban, hogy maradandó adatainkat egy forgó mágneses korong tárolja. Valószín¶, hogy a közeljöv®ben ezt a feladatot át fogja venni az úgynevezett ash RAM, amit a pendrive-okból már ismerhetünk. Ez ugyanúgy tranzisztorokból áll, mint a törl®d® RAM, de ezeket a tranzisztorokat más anyagból tervezik, hogy kikapcsoláskor az adatok ne vesszenek el. Az adatok tehát elektromosan tárolódnak, lényegében mintha minden 1-es bit egy feltöltött, és minden 0-s bit egy lemerült elem lenne. A ash RAM-ok fontos el®nye a merevlemezekkel szemben, hogy nincs mozgó alkatrészük, ezért sokkal kevésbé sérülékenyek, és kevesebb áramot fogyasztanak. El®nyük továbbá, hogy gyorsabbak. (Bár nem annyira gyorsak, mint a törl®d® RAM memória.) Egyetlen fontos hátrányuk a merevlemezhez képest, hogy ma még drágábbak. Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
CD-ROM,DVD-ROM A CD és DVD optikai úton tárolja a bináris adatokat. Az 1 és 0 bitek annak felelnek meg, hogy a fényes korong egy adott pontján hosszabb vagy rövidebb-e egy kis gödör. Ezek körülbelül ezredmilliméterenként követik egymást. A gödörre es® lézerfény szétszóródik, az azon kívülre es® visszaver®dik. Egy fényérzékel® ez alapján elektromos formában tárolt bitekké alakítja a kiolvasott adatot.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Bevitel és kimenet
Egy személyi számítógép további alkatrészei, a teljesség bármilyen igénye és rendszer nélkül felsorolva: billenty¶zet egér videókártya (és a hozzá kapcsolódó monitor) hangkártya (és a hozzá kapcsolódó hangfal) Ezek változatos pontokon csatlakoznak az alaplapba, lásd a korábbi illusztrációt.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Illusztráció Az els® egér 1963-ból. Az alapelv azóta sem változott.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Protokollok Mint láttuk, a CPU szempontjából minden alkatrész (periféria) egy bájtokat küld® és fogadó csatorna. A csatornákon a beszélgetés protokollok szerint történik. Mit jelent az, hogy protokoll? Szabályrendszer a beszélgetésre; Mire mit kell és mit lehet válaszolnom. A protokollok fontos jellemz®je, hogy egymásra épülhetnek: ha már van protokollunk bájtok küldésére hálózaton, akkor ezt felhasználhatjuk olyan magasabb szint¶ protokoll tervezésénél, ami fájlokat küld. (És azt pedig egy olyan tervezésénél, ami weboldalakat küld.)
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Példa protokollra Egy 90-es évekbeli egér az alábbi egyszer¶ protokoll szerint kommunikált a CPU-val: Ha a CPU küld felé egy lekérdezést (egy 236-os bájtot), akkor az egér válaszul elküld három bájtot. Az els® bájt els® három bitje azt jelzi, hogy a három egérgomb éppen le van-e nyomva. A második bájt mint -128 és 127 közötti szám azt jelzi, hogy hány negyedmillimétert mozdult az egér a legutóbbi adatküldés óta az X tengelyen. A harmadik bájt természetesen ugyanez az Y tengellyel. A CPU vezérl®utasításokat is küldhet az egérnek. Ezek megváltoztatják az egér viselkedését, például beállítják, hogy onnantól kérés nélkül, x id®közönként küldjön adatot, vagy átállítják a negyedmilliméteres egységet másra. Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Videókártya
A videókártya felel®s a monitor felé küldött jelért. Legegyszer¶bb (bár nem tipikus) esetben a memóriájában sorfolytonosan tárolt pixeleket küldi tovább a monitorra, és memóriája ugyanúgy írható, mint a RAM. Már beszéltünk róla, hogy az egyes pixelek színének tárolása általában három bájton történik, a piros, zöld és kék szub-pixelek fényerejének leírásával.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Videókártya II.
Már egy klasszikus videokártya is többet tud ennél, például képes olyan parancsok feldolgozására, hogy "tegyél ki erre a koordinátára egy bet¶t". Egy modern videókártya olyan rendkívül magas szint¶ utasításokat is megért, mint például a "rajzolj ide-és-ide egy kék gömböt, amire innen-és-innen süt sárga fény". Saját központi egységében (GPU, graphics processing unit) több tranzisztor van, mint egy modern CPU-ban.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Hangkártya A hangkártya feladata hang-jel kibocsájtása, de lényegét tekintve egy hangkártya egyszer¶en egy digitális-analóg konverter. Egy digitális-analóg konverter bemenetként bájtokban számsorozatot kap. Kimenetként egy olyan folytonos elektromos jelet ad, amelynek görbéje a számsorozatra illeszkedik.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Hangkártya II.
A piaci verseny persze sok fejl®dést hozott ebben is: egy modern hangkártya mindenféle utasításokat képes fogadni és feldolgozni azzal kapcsolatban, hogy az érkez® jelet milyen térhatással, visszhangosítással, equalizer-rel vagy más eektussal módosítsa a hangszóró irányába történ® továbbküldés el®tt. És persze nem csak kimen®, hanem bejöv® irányba is képes dolgozni, mint analóg-digitális konverter.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Kommunikációs csatornák
A küls® egységekkel és a más számítógépekkel való kapcsolattartást szolgálják. Ezekre többféle szinten tekinthetünk, alkatrészként (hálózati kártyaként), csatlakozónyílásként, vagy kommunikációs protokollként. Mik az alapvet® technológiák a más eszközökkel való kommunikációra? Nagyon sok létezik, önkényesen kiemelünk négyet, amit fontosnak tartunk:
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Universal Serial Bus Az USB technológia segítségével küls® alkatrészeket (perifériákat) csatlakoztathatunk a számítógéphez. Bevezetésekor két fontos újdonsága volt, hogy a számítógép bekapcsolása után is csatlakozatható, és hogy árammal is képes ellátni a csatlakoztatott berendezést.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Ethernet Az Ethernet kábelkapcsolatot tesz lehet®vé más számító- és kommunikációs eszközökkel. Ethernet-kábelekb®l helyi hálózat (LAN) építhet® fel. Manapság tipikus, hogy Etherneten keresztül egy (kábel- vagy ADSL) modemhez kapcsolódik a gép, és a jel aztán a kábelcég vagy a telefoncég vezetékén halad tovább.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Wi
A Wi célja alapvet®en azonos az Ethernetével (számítógéphálózatokhoz kapcsolódhatunk vele), de drót nélküli, rádiókommunikációra épül. Hatótávolsága 100 méter körüli.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Bluetooth
A Bluetooth is rádiókommunikációs technológia. Kisebb sugárzási er®ssége miatt csak 10 méter körüli a hatótávolsága, cserébe kisebb energiafogyasztásúak, egyszer¶bbek és olcsóbbak lehetnek a berendezések, amelyekbe beépítjük. Ezért az USB-vel analóg módon perifériák drót nélküli csatlakoztatására ideális.
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Lábjegyzet: Miért hangos és meleg a számítógép? A hangosságnak két oka van: a kevésbé fontos a merevlemez forgásával és olvasófejének mozgásával járó kerregés. A fontosabb a több ventillátor, ami elvezeti a h®t, amit a CPU, videokártya és az alaplapnak áramot adó transzformátor termel. Miért termel h®t a CPU és a videokártya? Azért, mert lényegében minden számítási folyamat energia felvételével jár, amely energia a számítás során h®vé alakul. A számítógépek további korlátlan teljesítménynövekedésének kellemetlen korlátja ez a természeti törvény. A Google számítóközpontja saját vízer®m¶ mellé épült, és a központ h¶tését ezek az 5 méter magas h¶t®berendezések biztosítják:
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
Google központ
Halácsy Péter, Varga Dániel
II. el®adás, A számítógép belseje 2.
