A SZÁMÍTÓGÉP FUNKCIONÁ LIS FELÉPÍTÉSE NEUMANN-ELV A mai értelemben vett számítógépek működési elveit a haditechnikában megszerzett tapasztalatok felhasználásával Neumann János (1903-1957), magyar származású tudós dolgozta ki. 1945. június 24-re készült el az a kivonat - First Draft of a Report on the EDVAC (Az EDVAC-jelentés első vázlata) címmel -, amely teljes elemzését adta az EDVAC tervezett szerkezetének. Tartalmazta a számítógép javasolt felépítését, a részegységek megépítéséhez szükséges logikai áramköröket és a gép kódját. A legtöbb számítógépet napjainkban is a jelentésben megfogalmazott elvek alapján készítik el. Fő tételeit ma Neumann-elvekként ismerjük.
Neumann-elvek: 1. 2. 3. 4.
5. 6.
Teljesen elektronikus legyen a számítógép. (A menchanikus elemek nem szabnak gátat a teljesítmény növelésének.) Kettes számrendszeren alapuljon a működése. Szükség van központi vezérlőegységre, memóriára és perifériákra. Tárolt program elve: Az adatoknak és a programoknak ugyanabban a belső memóriában kell lenniük. (Nem csak a feldolgozandó adatok vannak a memóriában, hanem az őket feldolgozó utasítások is. Ezáltal automatikusan tud egy feladatsort elvégezni, hiszen a számítógép egy utasítás végrehajtása után a memóriából kiolvashatja a következő teendőt.) Univerzális számítógépet kell készíteni: (Nem csak egy feladat, hanem minden számítási feladat elvégzésére alkalmasnak kell lennie.) A számítógép soros működésű legyen. (A számítógép sorban, egymás után hajtja végre az utasításokat, de ezt olyan gyorsan teszi, hogy használója azt hiheti, mégis több feladatot végez el egyszerre.)
Számítógépek csoportosítása:
Szuperszámítógép: Nagy, akár szobányi méretűek lehetnek. A leggyorsabb és egyben legdrágább számítógéptípus. A szuperszámítógépek olyan egyedileg épített célszámítógépek, amelyeket egy adott, általában nagy számításigényű program lehető leggyorsabb végrehajtására használnak. Ilyen gépeket használnak például időjáráselőrejelzések készítéséhez, nukleáris robbantások szimulálásához, illetve mozifilmek csúcsminőségű animációinak, effektjeinek elkészítéséhez. Nagyszámítógép/mainframe [méjnfrém]: Valamilyen nagyobb vállalat hálózatát, munkáját irányító számítógép. Nagy mennyiségű adat feldolgozására és több, terminálokon keresztül kapcsolódó felhasználó kiszolgálására használt központi gép Ezek a számítógépek képesek egy időben nagyon sok program gyors futtatására. Áruk megközelítheti a szuperszámítógépekét. Asztali személyi számítógép/PC: Egyidejűleg egyetlen felhasználó kiszolgálására alkalmas számítógép. Vállalati vagy otthoni környezetben is használható, használati céljainak megfelelően különféle perifériák kezelésére képes. Elfogadható árszintje miatt a mindennapi életben leginkább elterjedt számítógép-kategória. Hordozható személyi számítógép: Olyan kézi eszközök, melyek számítógépes, telefonos, valamint hálózati szolgáltatásokat nyújtanak a felhasználó számára. Ilyen például az okostelefon, a laptop és a tablet is.
1. oldal 6. TÉTEL
Számítógép felépítése: A számítógép teljesítményét alapvetően a CPU és belső busz sebessége (a belső kommunikáció sebessége), a RAM mérete és típusa, a merevlemez sebessége és kapacitása határozza meg. A gyakorlatban a CPU és a memória az alaplapon helyezkedik el. Az alaplap egy többrétegű nyomtatott áramköri lap, amelyen különböző méretű és alakú csatlakozók helyezkednek el, melyek biztosítják az összeköttetést a hardvereszközök és a processzor között. Elméleti felépítés: Központi egység+ Perifériák o Központi egység: Processzor + Memória o A perifériák biztosítják a számítógépbe való bevitelt és kivitelt. Feladatuk a kommunikáció. o Háttértár: programok és adatok tárolása Fizikai valóság Hardver: Számítógép alkotórészeinek összessége. Alaplap: A számítógépbe épített hardver eszközöket tartalmazó és összekapcsoló integrált áramköri lap. (A számítógép nélkülözhetetlen részeinek rögzítésére szolgáló vékony szigetelő lemez.) Központi vezérlőegység/Processzor (CPU): A számítógép vezérlését végző egység. Feladata a számítási műveletek elvégzése. (Feladata a gép irányítása, a feldolgozási folyamatok vezérlése, az adatok feldolgozása, számítások elvégzése, a memóriában tárolt parancsok kiolvasása és végrehajtása, illetve az adatforgalom vezérlése. Az utasítások végrehajtásához a CPU átmeneti tároló helyeket, úgynevezett regisztereket használ, amelyek gyorsabban elérhetőek, mint a memória. Két fő része a vezérlőegység, valamint az aritmetikai és logikai egység.) Vezérlőegység (CU: Control Unit): A memóriában tárolt program dekódolását és végrehajtását végzi Aritmetikai-logikai egység (ALU: Arithmetical and Logical Unit): A számítási és logikai műveletek eredményének kiszámításáért felelős. Regiszterek: Az éppen feldolgozott adatokat tartalmazzák. Memória: Feladata a működő program és adatainak tárolása. 2 fajtája: ROM (Read Only Memory): Ez magyarul azt jelenti, hogy csak olvasható memória. (Ez korábban igaz is volt erre a memória fajtára, de ma már semmiképpen nem hívhatjuk őket csak olvashatónak. A technológia fejlődésével ugyanis ma már ezek a memóriák is írhatók, olvashatók és törölhetők, de az elnevezésük nem változott meg.) A számítógép elindításához szükséges programot (betöltő program) tárolja. Perifériákat vezérlő, gyárilag beépített program. A betöltő program ellenőrzi, hogy van-e monitor, billentyűzet, használható memória és hogy van-e a winchesteren operációs rendszer. Tartalma kikapcsolt állapotban is megmarad. RAM (Random Access Memory): Véletlen hozzáférésű, tetszőlegesen elérhető memóriát jelent. Írható és olvasható. Tartalma kikapcsoláskor törlődik. Jellemzője a gyorsító tár (cache memória). (A gyorsító tár feladata, hogy kiegyenlítse két különböző sebességű eszköz sebességkülönbségét.) Statikus (SDRAM): Nem szorul állandó frissítésre, ezért gyorsabb, de jóval drágább. Dinamikus (DDRAM): Állandó frissítésre szorul, ezért lassabb, de olcsóbb. (Számítógépeink operatív memóriája DDRAM típusú elemekből épül fel.) Hálózati kártya*: A hálózati kártya a számítógépek hálózatra kapcsolódását és az azon történő kommunikációját lehetővé tevő bővítőkártya. Manapság már az alaplapok többsége integrált formában tartalmazza. 2. oldal 6. TÉTEL
GPU*: A Graphics Processing Unit magyarul grafikai processzort jelent. A grafikus vezérlőkártya központi egysége, ami az összetett grafikus műveletek elvégzéséért felelős. A GPU feladata a grafikák létrehozásával és megjelenítésével közvetlenül kapcsolatba hozható magas szintű feladatok átvétele a CPU-tól, hogy annak számítási kapacitása más műveletek elvégzésére legyen felhasználható. A modern GPU-k 2D és 3D műveletek elvégzésére egyaránt alkalmasak, számítási teljesítményük akár a CPU-k ötvenszeresét (1 teraflops) is meghaladhatja, de utóbbival szemben csak műveletek sokkal kisebb körét tudják végrehajtani. Manapság két vezető gyártó van a piacon, az nVIDIA és az ATI céget felvásárló AMD. A versengések folyamatosan folynak a két gyártó között, van, amikor az egyik, van, amikor a másik cég kerül lépéselőnybe a vetélytárssal szemben. Persze ez attól is függhet, hogy adott programot (többnyire videojátékot) inkább melyik fent említett cég termékeire optimalizálják. Kis akkumulátor*: Biztosítja, hogy megmaradjanak a beállítások (pl.: óra), akkor is, ha a gép hosszasan ki van kapcsolva. Órajel-generátor*: Ez szolgáltatja az alap frekvenciát/sebességet, tehát mindennek a sebességét ehhez viszonyítják. (Működési sebesség fő meghatározója.) Portok: (Csatlakozók, amelyekre rádugják a perifériákat.) A számítógépen található kivezetések (portok) kapcsolják össze a számítógépet a külvilággal. Soros port: o Neve onnan ered, hogy adatáramláskor a bájtok 8 (7) bitje sorban egymás után halad át a porton. A port szabványos neve az RS-232. o Két csatlakozó terjedt el hozzá. (9, 25 tű) o A soros porton közlekedő adatok épségét a paritásbit ellenőrzi. o Maximális adatsebessége: 115 Kbps. o A soros portra például egeret vagy modemet csatlakoztathatunk. Párhuzamos port: o Neve onnan ered, hogy több éren át egyidejűleg több bit átvitele zajlik. (LPT1 és LPT2) o Kétféle csatlakozó terjedt el hozzá. (25; 36 pólusú) o A párhuzamos portra nyomtató, szkenner, hordozható winchester és szükség esetén más számítógép is csatlakozhat. USB port: o Különböző eszközeink biztonságos, gyors, géphez való kapcsolására találták ki az USB (Universal Serial Bus) csatlakozót. o Lehetséges olyan USB porthoz csatlakozó eszköz, amelyhez további USB-s eszközök csatlakoztathatók. Az ilyen eszközök USB hub-ként viselkednek. A kapcsolódó eszközöknek osztozniuk kell az átviteli sebességen. Az USB 1.1 sebessége 12 Mbps, míg az USB 2.0 maximálisan 480 Mbps sebességre képes. Az USB 3.0 akár 5Gb/s sebességre is képes, ami több mint 10x-ese az USB 2.0-as portoknak. Mbps: Olvasási sebesség. Megmutatja, hogy mennyi adat tud átmenni egy sec alatt. o A jelenlegi gépeken több (4-6) USB kivezetést találunk „A” típusú csatlakozóval. FireWire Port: o Nagysebességű soros sínnel rendelkező csatlakozó. o Általában 400 vagy 800 Mbps sebességet tud. o Nagy sebessége miatt elterjedten használják például digitális digitális videokameráknál adatátvitelre. UTP port: o Leggyakrabban alkalmazott kábeltípus az Ethernet hálózatokon. o Az UTP kábel számos hálózatban használt, 4 érpárból álló réz alapú átviteli közeg. o Az UTP kábeleknek mind a 8 rézvezetéke szigetelőanyaggal van körbevéve. Emellett a vezetékek párosával össze vannak sodorva, így csökkentik az elektromágneses és rádiófrekvenciás interferencia jeltorzító hatását. Az 3. oldal 6. TÉTEL
árnyékolatlan érpárok közötti áthallást úgy csökkentik, hogy az egyes párokat eltérő mértékben sodorják. o Maximális átviteli távolsága 100 m. o Egy routerhez, vagy ADSL modemhez kell csatlakoztatni őket, amennyiben szeretnék hozzáférni az internethez. Bár gépeket is egy hálózatba lehet kötni, így LAN kapcsolatot hozhatunk létre, de amennyiben a két gép egy routerbe van csatlakoztatva, ugyanúgy egy IP címmel rendelkeznek, így továbbra is egy LAN kapcsolatban lesznek egymással. PS/2 és AT*: o Mindkét portra csatlakozhat billentyűzet, illetve a PS/2 szabványú portra egér is. o Az AT és PS/2 csatlakozók egy-egy géptípusról kaptál nevüket. Buszok/Sínek: Hajszálvezetékek kötegei, amelyek az alaplapba dugva találhatók és ezeken keresztül közlekednek az adatok. (A számítógép belső komponensei közötti adatvitelt biztosító csatlakozó.) Címbusz: Ez a memória megszólításához szükséges. Szélessége meghatározza, hogy az adott alaplap mekkora méretű memóriát képes fogadni. Adatbusz: Ezen zajlik a végleges adatforgalom. Vezérlőbusz: Ezen közlekednek az egyes eszközök vezérlését végző jelek. Tápegység: A számítógépek feszültségellátását biztosítják. A 230 V-os váltóáramot alakítja át alacsony feszültségű árammá, mégpedig több féle feszültségre. (A tápegység a hálózati 230 V váltakozó feszültséget -12V +12V tartományba eső egyenfeszültségekre alakítja át.) Legfontosabb háttértárak*: Funkciója, hogy a programokat és az adatokat akkor is megmaradjanak a számítógépben, amikor nincs áram alatt. A háttértárak mágneses vagy optikai elven működnek és kapacitásuk széles skálán mozog. Mágneses háttértárak: Mágneses elven működik az adatok kezelése. (pl.: hajlékonylemez/floppy, merevlemez/winchester, mágnesszalagok, zip drive) Hajlékonylemez/Floppy: Merevlemez/Winchester (HDD): Solid-state drive (SSD): Optikai/Lézeres háttértárak: Optikai elven működik az adatok kezelése. Az optikai meghajtók lézerfény segítségével írják és olvassák az adathordozókat. (pl.: DVD, CD-lézersugár segítségével teszik rá az anyagokat a DVD/CD író/olvasó egységgel) CD (Compact Disc) DVD (Digital Versatile Disc) Blue Ray Mikro tranzisztoros háttértárak (pl.: pendrive, memóriakártya, mobil, digitális fényképező) Pendrive: Memóriakártyák: Perifériák*: Feladata a számítógép és a külvilág közti kommunikáció megvalósulása. Bemeneti perifériák: A külvilágból származó információkat digitalizálják és a számítógép számára értelmezhetővé teszik. Billentyűzet (Keyboard) Alfanumerikus gombok Numerikus gombok Váltóbillentyűk Funkciógombok Kurzorvezérlő gombok Egér Optomechanikus egér (golyós) Optikai egér 4. oldal 6. TÉTEL
Digitális kamera Scanner Joystick Mikrofon Kimeneti perifériák: A számítógépen található digitális információkat az ember értelmezhetővé/fogyaszthatóvá alakítja át. Monitor Katódsugárcsöves (CRT: Cathode Ray Tube Folyadékkristályos (LCD: Liquid Cristal Display Vékonyfilm tranzisztor (TFT: Thin Film Transistor) DVI, VGA, HDMI kimenet Nyomtató Mátrixnyomtató Sornyomtató Tintasugaras nyomtató Lézernyomtató Hőnyomtató Világító diódás nyomtató Rajzgép (plotter) Projektor Hangszóró/Hangfal/ Fülhallgató Típusai: Dinamikus hangszóró (legelterjedtebb típus) Lengőnyelves hangszóró Piezoelektromos hangszóró (piezoelektromosság jelenségét használja fel) Plazmahangszóró (folyamatos plazmaforrás) Forgóhangszóró Termoakusztikus hangszóró Átlátszó ionos vezető hangszóró Brai olvasó
számára
5. oldal 6. TÉTEL
