História a vývoj hardvérových komponentov počítačov Tak ako sa v priebehu vekov vyvíjali počítače, pričom vo vzájomnej symbióze držali krok s modernými poznatkami vedy a techniky, tak aj používanie počítačov v praxi a ich čoraz väčšia obľuba a cenová dostupnosť pre bežných používateľov mali vplyv na ich neustále zdokonaľovanie. Tomuto trendu bolo zodpovedajúce aj neustále sa zdokonaľovanie jednotlivých hardvérových komponentov počítača. V tomto článku bude stručne zhrnutá história a vývoj niektorých dôležitých hardvérových častí počítača. Pôjde najmä o základnú dosku počítača, procesor, pamäte, záznamové média a zbernice. Základné dosky počítačov Ako sa uvádza v literatúre [2] je niekoľko názvov pre túto hlavnú stavebnú časť každého počítača. Okrem slovenskej verzie „základná doska“ sa používajú aj dva anglické výrazy „motherboard“ a „mainboard“. Podľa literatúry [3] základná doska počítača je doska plošného spoja, nesúca na sebe základné komponenty počítača: procesor, operačnú pamäť, pamäťový modul pre BIOS, zbernicový systém, rozhrania diskov, sloty pre rozširujúce karty, konektory pre pripojenie vstupných a výstupných zariadení.
U osobných počítačov sú na základnej doske sústredené všetky
najdôležitejšie časti počítača. Kvalita základnej dosky z veľkej časti rozhoduje o výkone počítača. Podľa literatúry [4] niektorí výrobcovia (IBM) nenazývajú túto časť počítača základnou doskou ale systémovou doskou. Z historického hľadiska
poznáme niekoľko formátov dosiek: AT, ATX
a microATX. Najstarším formátom je AT (Obr. 7). Síce sa v dnešnej dobe vyrába zriedkavo, stále sa však používa. Hlavným rozdielom medzi AT a ATX formátom je spôsob napájania. Zatiaľ čo zdroj AT je zapínaný sieťovým vypínačom priamo na skrini a až potom zapne napájanie do základnej dosky, u štandardu ATX (Obr. 8) je vypínač spojený so základnou doskou, nie teda so zdrojom, kde na malú chvíľu spojí dva piny (malé vývody, drôtiky), doska dá potom signál zdroju, aby sa zapol. ATX doska dáva teda možnosť operačnému systému ovládať spôsob napájania. Formát microATX bol vyrobený kvôli prechodu z AT na ATX skrine. Veľkým problémom formátu microATX je rozširovanie. Ďalším z formátov základných dosiek je formát BTX (Obr. 9). Vznikol na základe zmien vo vývoji počítačových komponentov. Reaguje na nárast produkcie tepla jednotlivých komponentov. Mení usporiadanie komponentov na doske, zavádza úplne nový spôsob chladenia, používa výhradne rozhranie SATA pre disky a na 1
napájanie používa 24 pinový konektor. Pre vyvážený výkon všetkých hlavných komponentov (CPU, RAM, zbernice, karty a pod.) musia výrobcovia základných dosiek používať štandardizované rozmery, konektory, napájacie napätia, komunikačné protokoly a signály. Ich zbernicový systém musí umožňovať optimálny výkon v procese prenosu dát medzi komponentmi. Doska musí mať dostatočné vybavenie vo forme štandardných portov aj rozširujúcich kariet a musí poskytovať primeranú variabilitu pre modifikovanie zostavy počítača.
Obr. 1 Základná doska AT
Obr. 2 Základná doska ATX
Obr. 3 Základná doska BTX
Procesor Tak ako sa postupne vyvíjali jednotlivé generácie počítačov, ako sa zdokonaľovali základné dosky počítačov, tak museli veľkým vývojom prejsť aj procesory. Ak sa v niektorých literatúrach základná doska nazýva základným stavebným prvkom počítača, potom procesor možno považovať za mozog a riadiace centrum všetkých procesov, ktoré sa v počítači vykonávajú. Na tomto mieste však treba pripomenúť, že pomenovanie procesor je vlastne skráteným pomenovaním tohto konštrukčného prvku počítača. Jeho celý názov a skratka CPU je odvodená z anglického označenia Central Processing Unit (centrálna procesorová jednotka). Pre potreby záverečnej práce sa v tejto kapitole zaoberáme procesormi, ktoré sa používajú v počítačoch typového radu IBM PC.
2
Podľa literatúry [2] niektorí ľudia tvrdohlavo používajú pomenovanie s predponou mikro. Je to pozostatok z obdobia, keď veľkosť procesora zaberala priestor dvoch skríň. CPU je teda mozgom počítača, spracováva dáta a tiež určuje výkon a aj cenu počítača. Procesor je postavený z miliónov maličkých tranzistorov, ktoré sú vytvorené fotografickou cestou na kremíkovom plátku o veľkosti približne nechtu malíčka. História procesorov pre osobné počítače podľa literatúry [2] je z veľkej väčšiny históriou firmy Intel. Prvým procesorom bol procesor 4004, ktorý uvidel svetlo sveta v roku 1970. Potom nasledoval v roku 1972 procesor Intel 8008. V roku 1974 to bol procesor 8080, o štyri roky neskôr 8086 a v roku 1979 procesor 8088. Tento procesor bol základom pre osobné počítače typu PC XT, teda osembitové počítače. V roku 1982 sa objavil na trhu základný stavebný prvok pre 16-bitové počítače PC AT – procesor 80286. V roku 1985 to bol 32-bitový procesor 80386. V roku 1989 sa vo svete objavuje procesor 80486, pričom na našom trhu to bolo až o päť rokov neskôr. V roku 1991 sa objavuje na trhu procesor
AMD Am386DX a tým aj prvá konkurencia dovtedy
neotrasiteľnej pozície Intelu. V roku 1993 začína Intel vyrábať procesory Pentium a AMD prichádza na trh s procesorom AM486. V roku 1997 začal Intel vyrábať procesory MMX, Pentium II a firma AMD prichádza s procesorom AMD K6 (Obr. 10). Tieto posledné procesory už predstavujú kategóriu 64-bitových počítačov. V podstate od roku 1997 sa výroba a vývoj procesorov veľmi zrýchlil. Neustále sa zvyšuje integrácia, rýchlosť a kapacita. Po tomto období je v podstate prekonaný Moorov predpoklad uvedený v elektronickom zdroji [5], ktorý znel: „Počet tranzistorov na čipe sa každý rok a pol zdvojnásobí“. Zostáva však faktom, že počet tranzistorov na čipe rastie závratným tempom. Má však svoje hranice, ktoré sú dané najmä fyzikálnymi hranicami a dostupnými technológiami danej doby. Napríklad procesory Intel sa od typu Pentium postupne prepracovali až k procesorom typu Pentium 4 v roku 2000. Firma AMD v tomto období dáva na trh procesor Athlon K7. Tieto procesory v rôznych modifikáciách sú na trhu do roku cca 2003. Po tomto období sa uviedli na trh procesory s označením CELERON D, Pentium M, CELERON M, ITANIUM. 860, 960, CORE, CORE DUO, DUAL CORE INTEL CORE ix (Obr. 11) od firmy Intel. Vo firme AMD to sú procesory DURON, SEMPRON, TURION 64, TURION 64 X2, PHENOM.
3
Obr. 4 Procesor Athlon od AMD
Obr. 5 Procesor Core i7 od Intelu
Pamäte Počítače typového radu IBM PC používajú dva základné druhy pamätí. Podľa literatúry [1] sa delia na: - vnútornú, ktorá je rýchla, nazývame ju aj operačná, - vonkajšiu, ktorá je pomalšia, ale je veľkosťou ďaleko rozsiahlejšia. Podľa elektronického zdroja [6] pamäť je postupnosť očíslovaných homogénnych buniek, z ktorých každá obsahuje malé množstvo informácie. Informáciou môže byť aj inštrukcia, ktorá hovorí počítaču čo má robiť. Bunka môže obsahovať údaje, ktoré počítač potrebuje na vykonanie inštrukcie. Ľubovoľná bunka môže obsahovať inštrukciu alebo údaj a reprezentácia uloženej hodnoty môže byť v čase odlišná. Vo všeobecnosti je možné obsah ktorejkoľvek pamäťovej bunky kedykoľvek zmeniť. V tejto časti sa zaoberáme históriou pamäte typu RAM. Podľa literatúry [2] pamäte RAM sú operačné pamäte osobných počítačov. Rovnako ako procesory aj pamäte prešli dlhým vývojom. Pamäť RAM poznáme ako obojstrannú dosku plošných spojov, na ktorej sú umiestnené pamäťové moduly s určitou kapacitou vo forme integrovaných obvodov. Zasúvajú sa do tzv. „bánk“ v základnej doske. Majú rozdielny počet pinov (dotykov konektora). V nasledujúcej tabuľke je prehľad typov pamätí:
4
Tabuľka 1 Prehľad typov pamätí
Počet pinov a označenie SIMM 30 pinov
Charakteristika a použitie Najstaršie a najmenšie typy pamätí, používali sa v počítačoch 286, 386 a v starších 486 Kapacita: 256 kB / 1 MB / 4 MB, pamäť má 30 vývodov (pinov)
SIMM
Používa sa v novších 486, 586 (Socket7)
72 pinov
Kapacita: 4 / 8 / 16 / 32 / 64 MB v prevedení FP alebo EDO
DIMM
Vo všetkých nových základných doskách Socket 370, Socket A a pod.
168 pinov
Kapacita: 16 / 32 / 64 / 128 / 256 / 512 MB / 1 GB v prevedení FP, EDO, SDRAM, ECC SDRAM
Záznamové média Podľa elektronického zdroja [7] od začiatkov práce s počítačom potreboval človek uchovávať svoje programy a svoje dáta mimo počítač alebo ich prenášať na iný počítač. Preto používal a používa prenosné pamäťové média. Tieto média sa postupne vyvíjali, zlepšovali sa ich parametre (kapacita, prenosová rýchlosť, spoľahlivosť, cena, energetická náročnosť a pod.). Medzi prvé záznamové média patria dierne štítky. Použil ich už J. M. Jacquard v roku 1805 vo svojom tkáčskom stave.
Dierna páska je médium vychádzajúce
z diernych štítkov a preberá všetky ich klady aj zápory. Používali sa od roku 1874 až do polovice 20. storočia najmä v ďalekopisnej technike. Od roku 1950 sa začali požívať aj vo výpočtovej technike.
Magnetická páska bola v oblasti výpočtovej techniky
prvýkrát použitá v roku 1951 ako súčasť počítača UNIVAC 1. Magnetické pásky boli najskôr navinuté na cievke a neskôr sa pásky vkladali do kaziet. Obrovskou nevýhodou magnetických pások bol sekvenčný prístup k dátam, čo znamenalo, že prístup k údajom na začiatku pásky a na jej konci mohol byť aj niekoľko hodín. Magnetické disky túto nevýhodu odstránili. Až disky a následne diskety umožnili skutočný prenos dát. Disketa nazývaná aj floppy disk bola vytvorená v roku 1967 firmou IBM. Diskety postupom času menili svoje rozmery. V roku 1971 prišla na trh osempalcová disketa. Magnetický kotúč bol umiestnený v pružnej hmote. Dáta boli veľmi slabo chránené pred mechanickým poškodením. Neskôr sa začala používať disketa o veľkosti päť a štvrť palca. V roku 1984 nastúpila na trh tri a pol palcová disketa, ktorá mala najväčšiu kapacitu 1,44 MB. Na trh bola uvedená aj disketa s kapacitou 2,88 MB, ale veľmi sa 5
neujala. Z ďalších médií podobných diskete sa používali LS-120 (120 MB), ZIP (100 MB) a pod. Medzi záznamové média, ktoré pracujú na princípe magnetického záznamu patrí pevný disk (Hard disk). Je najbežnejšie používanou vonkajšou pamäťou. Historický vývoj pevného disku: - 1956 – firma IBM predstavila prvý magnetický pevný disk s kapacitou 5 MB, - 1973 – firma IBM spustila projekt „Winchester“, - 1979 – predstavenie prvého 8 palcového disku vytvoreného podľa projektu „Winchester“, - 1980 – firma Seagate Technology začala predávať prvý 2,25 palcový disk, mal kapacitu 6 MB, mal úplné iné rozhranie na prepojenie s počítačom, ktoré prebrali aj iné firmy a stalo sa štandardom v oblasti PC, - 1986 – vytvorenia a následné zavedenie špecifikácie SCSI, - 1997 – radikálne zvýšenie možnej kapacity disku zavedením novej technológie GMR, 16 GB disk IBM Deskstar, - 2004 – 400 GB pevný disk od firmy Hitachi, - 2005 – 500 GB pevný disk od firmy Hitachi, - 2006 – 1 TB pevný disk od firmy Fujitsu-Siemens.
Obr. 6 Pevný disk s kapacitou 512 kB z roku 1975
Optické záznamové média boli prvýkrát uvedené na trh v roku 1983 pôvodne ako audio nosič a až v roku 1985 prišli dátové CD nosiče. DVD sa dá už brať ako vylepšenie CD. Kapacita vzrástla na 4,7 GB. Následne sa vyvíjajú Blue Ray disky, ktoré majú zmenenú vlnovú dĺžku laseru, čo umožnilo hustejší zápis a teda celkovú kapacitu až 50 GB pri dual layer. 6
Zbernice Podľa elektronického zdroja [8] zbernica počítača predstavuje sústavu vodičov, pomocou ktorých je procesor spojený s pamäťou a vstupno-výstupnými obvodmi. Je to vlastne dopravná "infraštruktúra", pomocou ktorej sa prepravujú údaje medzi jednotlivými komponentmi počítača. V pojme zbernica je zahrnutý aj spôsob komunikácie. Zbernica býva vyvedená na konektor, pomocou ktorého je možné k nej pripájať karty ďalších zariadení. Tak ako všetky komponenty počítača aj zbernice prešli svojim vývojom. Spomenieme aspoň niektoré typy zberníc. Zbernica PC XT bola navrhnutá firmami IBM a Microsoft. Zbernica ISA bola prvýkrát použitá v počítačoch s procesorom radu 80286. Zbernica MCA používala iné signály a konektory ako ISA a jej používanie bolo podmienené licenčnými poplatkami v prospech IBM. Zbernica EISA vznikla na základe dohody viacerých výrobcov počítačov, ako reakcia na zbernicu MCA od IBM. Bola kompatibilná so zbernicou ISA. Zaujímavosťou je že má dve poschodia konektorov, horné pre ISA a dolné pridáva pre rozhranie EISA. Zbernica VL bus sa objavila na základných doskách osadených procesorom 80486. Zbernica PCI je základným typom zbernice vyrobenou pre počítače s procesormi Pentium. Zbernica AGP je tzv. grafický akcelerátor. V roku 1995 sa dohodou viacerých firiem začal vývoj univerzálnej sériovej zbernice USB. Aj historický vývoj zberníc, tak ako vývoj všetkých komponentov počítačov smeruje k tomu, aby bežnému užívateľovi PC čo najviac uľahčili a zjednodušili prácu na PC.
7
Zoznam použitej literatúry [1] KOKLES, M., ROMANOVÁ, A.: Informatika (druhé doplnené vydanie), Bratislava : Sprint vfra, 2005. ISBN 80-89085-53-9. [2] HEINIGE, K.: 11 – PC World Edition – Hardware PC, Brno : UNIS Publishing, s. r. o. , 2001. ISBN 80-86097-7-71-4. [3] BAČOVÁ, D., TŘÍSKA, J.: Hardware pre IVT, Piešťany : SPŠE, 2002. [4] MINASI, M.: Velký průvodce hardwarem, Praha : Grada Puvlishing a. s., 2002. ISBN 80-247-0273-8.
Elektronické zdroje [5] http://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pv109/2003p/xlipinsk.htm [6] http://sk.wikipedia.org [7] http://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pv109/2003 [8] http://www.dnp.fmph.uniba.sk/~kollar/pc_hw_sw/pc3.htm
8
