Technické vybavení počítačů Ing. Jaroslav Bernkopf 5. ledna 2015
OBSAH 1. 2.
Bezpečnost ........................................................................................................8 Demontáž...........................................................................................................9
2.1
Nástroje...........................................................................................................9
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2
Pořádek na pracovišti....................................................................................10
2.2.1 2.2.2 2.3
3.
Obaly.......................................................................................................10 Drobné součástky ...................................................................................11
Konfigurace počítače ....................................................................................11
2.3.1 2.3.2 2.4
Nástroje hardwarové .................................................................................9 Nástroje softwarové ..................................................................................9 Nástroje literární ......................................................................................10
Softwarová konfigurace ...........................................................................11 Hardwarová konfigurace .........................................................................11
Vymontování desek.......................................................................................12 Prevence ..........................................................................................................13
3.1
Teplo .............................................................................................................13
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2
Odvod tepla prouděním vzduchu ............................................................13 Napájecí zdroj .........................................................................................13 Vnější teploty...........................................................................................13
Prach.............................................................................................................14
3.2.1 3.2.2
Prach a tepelné zatížení .........................................................................14 Prach a mechanické poškozování...........................................................14
3.3
Magnetické pole ............................................................................................14
3.4
Statická elektřina ...........................................................................................15
3.5
Tekutiny ........................................................................................................15
3.6
Zapínání, vypínání ........................................................................................15
4. 5. 6.
Sestava počítače .............................................................................................16 Základní deska (motherboard) .........................................................................17 Procesory .........................................................................................................18
6.1
Činnost ..........................................................................................................18
6.2
Vlastnosti ......................................................................................................18
6.3
Zpracování více programů najednou.............................................................19
6.4
Vlastnosti vybraných procesorů Intel.............................................................20
6.5
Přehled procesorů Intel .................................................................................23
6.6
Mezníky ve vývoji procesorů .........................................................................25
6.7
How Cache Works ........................................................................................25
7.
Paměť ..............................................................................................................27 2
7.1
Rozdělení paměti v počítači ..........................................................................27
7.2
Operační paměť ............................................................................................27
7.3
Konvenční paměť ..........................................................................................28
7.4
Rozšířená paměť ..........................................................................................28
7.5
Oblast vyšší paměti .......................................................................................28
7.6
Vyrovnávací paměť .......................................................................................28
7.7
Virtuální paměť..............................................................................................28
8.
Sběrnice ...........................................................................................................29
8.1
Základní rozdělení sběrnic ............................................................................29
8.1.1 8.1.2
Paralelní sběrnice ...................................................................................29 Sériové sběrnice .....................................................................................29
8.2
Sběrnice PCI .................................................................................................30
8.3
Sběrnice AGP ...............................................................................................31
8.4
PCI Express ..................................................................................................32
8.5
Rychlost paralelních sběrnic .........................................................................32
8.6
Čipová sada (chipset) ...................................................................................35
8.7
Násobiče, děličky kmitočtu ............................................................................36
9. 10.
Řadiče a ovladače ...........................................................................................37 Rozhraní ..........................................................................................................38
10.1
Rozhraní pro disky .....................................................................................38
10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4
Rozhraní řady IDE ................................................................................38 Rozhraní Serial-ATA ............................................................................39 Rozhraní SCSI .....................................................................................40 Porovnání SATA a SCSI ......................................................................41
10.2
Paralelní rozhraní .......................................................................................42
10.3
Sériové rozhraní .........................................................................................42
10.4
USB............................................................................................................43
10.5
IEEE 1394 (FireWire, i.Link).......................................................................44
11.
Vnější paměti ...................................................................................................46
11.1
Disketové a diskové jednotky .....................................................................46
11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.1.6 11.1.7 11.2
Disketové jednotky ...............................................................................46 Pevné disky ..........................................................................................46 Geometrie: Hlavy, stopy, cylindry, sektory, clustery .............................46 Systémy ukládání souborů ...................................................................47 Organizace dat v systémech FAT ........................................................48 Systémové disky ..................................................................................53 Fyzické umístění hlavních oblastí disku v systému s FAT ...................53
Jednotky CD-ROM .....................................................................................55
11.2.1
Způsob uložení dat...............................................................................55 3
11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 11.2.7 11.2.8 11.2.9 11.2.10
Detekce a oprava chyb ........................................................................56 Kapacita ...............................................................................................57 Způsoby vkládání disků ........................................................................57 Konektory a přepínače na zadní straně ...............................................57 Konektory a ovládací prvky na panelu .................................................57 Formáty CD ..........................................................................................58 Výkonnost CD-ROM.............................................................................60 Vypalování CD - základní pojmy ..........................................................60 Údržba a prevence CD......................................................................61
11.3
Digital Versatile/Video Disk (DVD) .............................................................61
11.4
Magnetopáskové jednotky .........................................................................62
12.
Zvukové karty ...................................................................................................63
12.1
Vzorkování .................................................................................................63
12.1.1 12.1.2 12.2
Syntéza zvuku hudebních nástrojů ............................................................65
12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.3
Napěťové rozlišení ...............................................................................63 Rychlost vzorkování .............................................................................64 FM syntéza...........................................................................................65 Tabulková syntéza (Wave table) ..........................................................66 Zvukové soubory ..................................................................................66
Uspořádání a počet zvukových kanálů.......................................................66
12.3.1 Monofonie ............................................................................................66 12.3.2 Stereofonie ...........................................................................................66 12.3.3 Systémy X.1 .........................................................................................66 12.3.4 Systém 5.1 ...........................................................................................67 12.3.5 Systém 6.1 ...........................................................................................67 12.3.6 Systém 7.1 ...........................................................................................67 13. Grafické karty ...................................................................................................68 13.1
Základní části grafické karty .......................................................................68
13.2
Parametry grafických karet ........................................................................69
14.
Monitory ...........................................................................................................72
14.1
Konstrukce a funkce...................................................................................72
14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.2
Parametry ..................................................................................................74
14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.2.4 14.3
Obrazovkový (CRT) monitor.................................................................72 LCD monitor .........................................................................................72 Ovládací prvky .....................................................................................73 Rozlišení, rozteč bodů ..........................................................................74 Obnovovací kmitočty ............................................................................74 Rozměr obrazovky ...............................................................................74 Připojení ...............................................................................................75
Pomocné funkce ........................................................................................76
14.3.1 14.3.2
Řízení spotřeby energie .......................................................................76 Spořiče obrazovky................................................................................76 4
15.
Napájecí zdroje ................................................................................................77
15.1
Výhody .......................................................................................................77
15.2
Blokové schéma napájecího zdroje............................................................77
15.3
Připojení k napájení ...................................................................................78
15.4
Napájecí konektory základní desky ............................................................78
15.5
Napájecí konektory diskových jednotek .....................................................79
15.6
Nucené chlazení ........................................................................................80
15.7
Zajímavé závady ........................................................................................81
15.8
Záložní zdroje ............................................................................................81
16.
15.8.1 Typy záložních zdrojů ..........................................................................81 Klávesnice........................................................................................................82
16.1
Zásady prevence a údržby .........................................................................82
16.2
Druhy klávesnic ..........................................................................................82
16.3
Připojení .....................................................................................................82
17.
Myš ..................................................................................................................84
17.1
Princip ........................................................................................................84
17.2
Připojení .....................................................................................................84
17.3
Údržba .......................................................................................................85
18.
17.3.1 Jiné závady, příčiny, odstranění ...........................................................85 Tiskárny ...........................................................................................................86
18.1
Typy tiskáren ..............................................................................................86
18.1.1 18.1.2 18.1.3 18.1.4
Jehličkové tiskárny ...............................................................................86 Laserové tiskárny .................................................................................86 Inkoustové tiskárny ..............................................................................87 Porovnání laserových a inkoustových tiskáren.....................................88
18.2
Připojení tiskáren .......................................................................................89
18.3
Parametry tiskáren .....................................................................................89
18.3.1 Rychlost ...............................................................................................89 18.3.2 Rozlišení ..............................................................................................89 19. Oživení mrtvého počítače ................................................................................90 19.1
Co zkontrolovat nejdříve ............................................................................90
19.1.1 19.1.2 19.1.3 19.1.4 19.1.5 19.1.6 19.1.7 19.1.8 19.1.9
Záruka ..................................................................................................90 Viry .......................................................................................................90 Dokumentace .......................................................................................90 Nedávné změny ...................................................................................90 Úsporné režimy napájení .....................................................................90 Přetaktování .........................................................................................90 Neověřený software .............................................................................90 Neobvyklé konfigurace .........................................................................90 Vnější kontakty .....................................................................................91 5
19.2
Nalezení vadného dílu ...............................................................................91
19.2.1 19.2.2 19.3
Hledání závady pomocí dvou počítačů ................................................91 Hledání závady pomocí jednoho počítače ...........................................92
Zavádění systému BIOS ............................................................................92
19.3.1 HW předpoklady zavedení systému BIOS ...........................................92 19.3.2 BIOS ....................................................................................................92 19.3.3 Činnosti počítače po zapnutí ................................................................93 20. Instalace desek ................................................................................................94 20.1
Konfigurace ................................................................................................94
20.1.1 20.1.2 20.1.3 20.1.4 20.2
Instalace základní desky ............................................................................98
20.2.1 20.2.2 20.2.3 20.3
Adresy vstupních a výstupních portů ...................................................94 Kanály přímého přístupu do paměti (DMA) ..........................................96 Úrovně přerušení (IRQ) ........................................................................96 Adresy přídavných ROM, RAM ............................................................98 Hardwarové nastavení .........................................................................99 Softwarové nastavení...........................................................................99 Výměna baterie ....................................................................................99
Technologie „Plug and Play“ ......................................................................99
20.3.1 Činnost .................................................................................................99 20.3.2 Podmínky kompatibility ......................................................................100 20.3.3 Omezení ............................................................................................100 21. Zálohování .....................................................................................................101 21.1
Co je nutné zálohovat ..............................................................................101
21.1.1 21.1.2 21.1.3 21.2
Média .......................................................................................................101
21.2.1 21.2.2 21.2.3 21.2.4 21.2.5 21.2.6 21.3
22.
Diskety ...............................................................................................101 Páskové jednotky ...............................................................................101 Výměnné disky ...................................................................................102 Kompaktní disky .................................................................................102 Pevné disky ........................................................................................102 Síť ......................................................................................................103
Způsoby zálohování .................................................................................103
21.3.1 21.3.2 21.3.3 21.3.4 21.3.5 21.4
Konfigurace HDD a počítače ..............................................................101 Programy............................................................................................101 Data ...................................................................................................101
Četnost ...............................................................................................103 Fyzické uložení ..................................................................................103 Programy............................................................................................103 Kapacita média ..................................................................................103 Příklad ................................................................................................103
Závěr ........................................................................................................104
Škodlivé programy (Malware) ........................................................................105
22.1
Druhy Malware .........................................................................................105 6
22.2
Druhy virů .................................................................................................105
22.3
Způsoby utajení virů .................................................................................106
22.4
Prevence ..................................................................................................106
22.5
Antivirové prostředky................................................................................107
22.5.1 22.5.2 22.6 23.
Hardwarové prostředky ......................................................................107 Softwarové prostředky .......................................................................107
Postupy při napadení virem .....................................................................107
Počítačové sítě ..............................................................................................109
23.1
Možnosti přenosu dat mezi počítači .........................................................109
23.2
Rozdělení sítí ...........................................................................................109
23.2.1 23.2.2 23.3
Podle rozsahu ....................................................................................109 Podle média .......................................................................................109
Předpoklady pro správnou funkci sítě ......................................................109
23.3.1 23.3.2 23.3.3
Hardware ...........................................................................................109 Software .............................................................................................109 Konfigurace ........................................................................................109
23.4
Síťová zařízení .........................................................................................109
23.5
Malá domácí síť .......................................................................................109
23.5.1 Dva počítače ......................................................................................109 23.5.2 Tři počítače ........................................................................................109 23.5.3 Připojení k internetu ...........................................................................109 24. Literatura ........................................................................................................110
7
1. Bezpečnost Při práci s počítačem (i s jinými elektronickými zařízeními) jde o bezpečnost - člověka - dat - počítače a ostatních zařízení Bezpečnost člověka je důležitější než všechno ostatní. Protože ale všechny složky bezpečnosti spolu úzce souvisí, probereme je dohromady. Při práci s počítačem dodržujeme tyto zásady: a) Před každou manipulací s počítačem a jeho periferiemi všechna dotčená zařízení vypneme síťovým vypínačem. Pokud tak neučiníme, při rozpojování a zapojování kabelů se mohou poškodit stykové obvody, při přemisťování počítače se může poškodit pevný disk (hlava při otřesu hrábne do aktivní magnetické vrstvy a poškodí ji). b) Před demontáží jakéhokoliv přístroje vytáhneme síťovou šňůru ze zásuvky. Jinak je vedení od síťové přívodky přístroje až po síťový vypínač stále pod napětím a může způsobit úraz. c) Demontáži počítače se pokud možno vyhneme. Nejdříve vyzkoušíme všechny možnosti softwarové nápravy. Obvykle bývá chyba jinde než v hardware. d) Zvláště se vyhýbáme demontáži zdroje a monitoru. e) Pokud k demontáži zdroje nebo monitoru přece jen musí dojít, dáváme pozor na zbytková napětí, která mohou zůstat na kondenzátorech v síťové části a vysokonapěťovém zdroji. f) Zdroj v žádném případě nezapínáme naprázdno, tj. bez připojené základní desky. Kvůli maximální účinnosti je zdroj stavěn na určitý minimální odběr. Pokud tento odběr nemá, může se zdroj poškodit. g) Před každým zásahem do počítače zálohujeme data.
8
2. Demontáž Většina z dále uvedených zásad platí pro demontáž libovolného zařízení.
2.1 Nástroje Dále uvedené nástroje si pořídíme hned po zakoupení počítače, především nástroje softwarové. Rozumný uživatel počítače v každém okamžiku počítá s katastrofou, která přichází vždy v nejnevhodnější chvíli. Následující výčet je pouze námět. Každý si postupně vytvoří vlastní množinu nástrojů, které mu nejlépe vyhovují.
2.1.1 Nástroje hardwarové • šroubovák o velký plochý o malý plochý o velký křížový o malý křížový • pinzeta • kleště o ploché o štípací stranové • skalpel • pájka • krabičky na drobné součástky • multimetr
2.1.2 Nástroje softwarové a) Systémové diskety, disky Činnosti, ke kterým se dříve hlavně používaly systémové diskety, tj. úpravy a formátování disků, jsou v moderních systémech obsaženy v nabídce pod správou disků. Např. ve Windows XP se tam dostaneme cestou Tento počítač (pravé tlačítko myši) – Spravovat – Správa disků Dále tyto činnosti můžeme provádět výběrem z nabídek, které dostáváme při instalaci operačního systému Windows. Pro případ nouzového spouštění počítače je dobré mít startovací CD s diagnostickými a opravářskými programy. Takové CD je možno stáhnout např. z http://www.ultimatebootcd.com/
b) Diagnostické programy a nástroje Diagnostické programy slouží k ověření funkce částí počítače a k nalezení případných chyb. Nástroje slouží ke změnám konfigurace počítače. Můžeme je • koupit • získat zdarma freeware verze na internetu • získat od dodavatele hardwaru a softwaru
9
Příklady diagnostických programů a nástrojů Komerční (nutno koupit) Partition Magic (www.partitionmagic.com) – nástroj pro vytváření a úpravy oddílů (partitions). Freeware • Sandra (www.sisoftware.net/sandra) – diagnostika. Možno koupit i profesionální verzi s mnoha funkcemi navíc. • UltimateBoot (http://www.ultimatebootcd.com/) – mnoho programů pro diagnostiku a opravy PC. Možno stáhnout přímo v podobě image, které je možno rovnou vypálit a tak získat systémové CD. • SIW (http://www.gtopala.com/resume.html) – System Information for Windows – podrobné informace o HW i SW počítače. Od dodavatele HW, SW • Dodavatelé pevných disků dodávají diagnostické programy a nástroje pro svoje (bohužel obvykle jen pro svoje) disky. • Ve Windows XP najdeme například: o dxdiag – diagnostika rozhraní DirectX o gpedit.msc – nástroj pro nastavení zabezpečení o ipconfig – zjištění konfigurace sítě o regedit – nástroj pro úpravy registrů o winmsd – informace o konfiguraci systému o msconfig – nástroj pro konfiguraci systému Některé z uvedených nástrojů Windows XP je možno spouštět z příkazového řádku i přes tlačítko Start – Spustit ..., některé jen přes tlačítko Start – Spustit ...
2.1.3 Nástroje literární • Scott Mueller: Upgrading and Repairing PCs • Minasi Mark: IBM PC - velký průvodce hardwarem • Dembowski Klaus: PC v tabulkách
2.2 Pořádek na pracovišti Pořádek na pracovišti je nejen podmínkou úspěšné práce, ale také je často jedinou věcí, kterou zákazník - laik umí posoudit. Přehled a pořádek se lépe udržuje, máme-li dostatek prostoru. Zajistíme si proto dostatečný pracovní prostor a nezmenšujeme ho zbytečně hromadami obalů, součástí a nářadí.
2.2.1 Obaly Papírové a plastové obaly hned po vybalení uložíme, aby se nepoškodily a nepřekážely při další práci. Záruční, dodací listy, faktury, návody k použití, manuály nenecháme v krabicích, ale pečlivě uložíme zvlášť. Ihned při rozbalování kontrolujeme úplnost dodávky. Pokud něco chybí, vyhotovíme zápis a ihned reklamujeme. Podmínkou úspěšné reklamace v záruční době bývá předložení přístroje v původním balení. Proto originální obaly skladujeme alespoň po dobu záruky. 10
2.2.2 Drobné součástky Drobné součástky, šroubky apod. ukládáme do misek nebo krabiček. V počítači bývá několik druhů šroubků, které mají skoro stejný průměr, ale jiný druh závitu. Našroubovat šroubek do nesprávného otvoru lze snadno, ale obvykle jen jednou. Závit se poškodí a šroubek nedrží. Kromě toho šroubek, který patřil do tohoto otvoru, pak musíme našroubovat do jiného nesprávného otvoru. Šroubky, upevňující pevné disky nebo disketové jednotky, nesmíme nahradit delšími. Došlo by k poškození vnitřku zařízení. Z uvedených důvodů se vyplatí ukládat každý druh šroubků do zvláštní krabičky.
2.3 Konfigurace počítače Pokud počítač nedokážeme opravit, alespoň ho po rozebrání musíme opět složit do původního stavu. Pracujeme-li chaoticky a při opětné montáži už nemáme ponětí, „jak to vlastně bylo“, nepodaří se nám to. Při demontáži si myslíme, že je všechno jasné, při zpětné montáži jsme bezradní. Původní stav softwaru i hardwaru je proto nutno si pečlivě zaznamenat.
2.3.1 Softwarová konfigurace Před každým zásahem do počítače musíme mít zálohu • datových souborů • programů • konfigurace O možných způsobech zálohování pojednává dále zvláštní kapitola.
2.3.2 Hardwarová konfigurace Před zásahem do součástí počítače zakreslíme na papír nebo vyfotíme • pořadí a polohu jednotlivých desek (nebývá nezbytné pro funkci, je užitečné pro optimální vedení kabelů) • polohu konektorů a kabelů • orientaci konektorů a kabelů (podle barev vodičů nebo podle označení kontaktu č. 1) • polohu přepínačů DIP a propojek (jumpers) • konektory, na které není připojeno nic Obdobné informace zaznamenáme o konektorech na zadní stěně počítače. Orientaci kabelů podle vodiče č.1 nebo podle barev zakreslíme fixem také přímo do počítače: na šasi, na kabely, na samolepky. Jeden z krajních vodičů plochého kabelu mívá odlišnou barvu - vodič č.1. Někdy bývá vývod č. 1 konektoru označen číslicí na desce plošného spoje. Někdy je označen vývod č.2, protože č.1 je na opačné straně desky. Vývod č.1 může být označen i odlišným tvarem pájecí plošky: Např. všechny pájecí plošky konektoru jsou kulaté, jen u vývodu č.1 je ploška čtvercová. U některých konektorů je tvarem nebo tzv. klíčem zajištěno, že se nedají zasunout jinak než správně. U mnohých konektorů to zajištěno není. Zasunout konektor obráceně může znamenat poškození zařízení na obou koncích kabelu. Pokud žádnou orientační značku na kabelu nebo konektoru nenajdeme, musíme se o jejich jednoznačné označení postarat sami (dříve než je demontujeme!).
11
2.4 Vymontování desek Zásady: a) Před každým dotekem vnitřku počítače se nejprve dotkneme jeho kostry, abychom vybili případnou statickou elektřinu. b) Před vyjmutím desky od ní odpojíme všechny kabely. c) Nejde-li deska vytáhnout, kýváme s ní v rovině desky, nikoliv napříč. d) Nedotýkáme se konektorů, plošných spojů ani součástek. e) Vytažené desky neskládáme na sebe. Při manipulaci s větším počtem desek je můžeme prokládat molitanem nebo bublinkovým igelitem. f) Má-li baterie pérové kontakty, odoláme pokušení zkontrolovat je: I mžikové odpojení baterie může způsobit ztrátu dat v paměti CMOS.
12
3. Prevence Předcházet poruchám je lepší než opravovat. Počítač může být ohrožen těmito vlivy: • teplo • prach • magnetické pole • statická elektřina • voda a jiné korozívní látky • zapínání, vypínání
3.1 Teplo Každé zařízení jednou bude mít poruchu. Tato porucha přijde tím dříve, čím větší je (pracovní) teplota zařízení. Škodlivý vliv tepla lze omezit těmito opatřeními: • větrání • správné dimenzování napájecího zdroje • provoz v bezpečném rozsahu vnějších teplot • odstraňování prachu
3.1.1 Odvod tepla prouděním vzduchu Uvedené zásady správného větrání platí nejen pro počítače, ale i pro všechny jiné elektronické přístroje. Ventilátory jsou standardním vybavením počítačů. Uživatel musí dbát, aby mohly správně plnit svoji funkci. Zásady: a) Proudění vzduchu z ventilátoru nesmí být omezeno zakrytím nebo přiražením počítače těsně ke zdi. b) Při poruše ventilátoru uložíme data a počítač až do opravy dále nepoužíváme. c) Proudění vzduchu musí být účinné, musí procházet přes hlavní díly počítače. Pokud vymontujeme nějakou kartu a mezeru po jejím panelu nezakryjeme slepým panelem, může se např. stát, že vzduch se nasává tímto otvorem a proudí hned do sousedního zdroje a ventilátorem ven, místo aby ochlazoval díly počítače. d) Přirozené proudění vzduchu nesmí být ničím omezeno (např. televizory vídáme obložené ozdobnými dečkami svrchu, skladištěm časopisů zdola, a ještě vtlačené do těsného výklenku v nábytkové stěně).
3.1.2 Napájecí zdroj Zdroj musí být dostatečně dimenzován, tj. přizpůsoben odběru počítače. Je-li zdroj na hranici svých možností, je méně spolehlivý a kvůli zvýšené teplotě se dříve pokazí. Kromě toho může být příčinou záhadných výpadků a občasné chybné funkce počítače. Potřebný a skutečný výkon zdroje zjišťujeme především před rozšiřováním počítače přídavnými kartami, disky, CD-ROM, pamětí. Výkon zdroje může poklesnout časem, když jeho elektrolytické kondenzátory vyschnou a zmenší svoji kapacitu.
3.1.3 Vnější teploty Rozsah povolených vnějších teplot bývá udán v dokumentaci zařízení, např. 10° - 40° C. Protože ale vyšší teplota znamená menší spolehlivost, budeme se snažit, aby teplota počítače byla raději nižší než vyšší a horní hranici povolených teplot nebudeme využívat. 13
Na počítač nenecháme svítit slunce, nestavíme ho k tepelným zdrojům. Přineseme-li počítač za mrazivého dne zvenku do vytopené místnosti, nesmíme ho hned zapnout. Na studených dílech počítače v teplé místnosti kondenzuje voda, která pod napětím může způsobit poškození počítače zkratem. Kondenzaci vody nejlépe zabráníme, když necháme počítač 1-2 hodiny v obalu a tak zabráníme přístupu vlhkosti k němu. Při transportu počítače bráníme jeho prochladnutí např. tím, že ho dopravujeme raději v kabině, než v nákladním prostoru automobilu. Některé části počítače se při provozu rychle zahřejí. Zapneme-li ihned velmi studený počítač, může to znamenat rychlou teplotní změnu o několik desítek stupňů. I tím se může počítač poškodit.
3.2 Prach 3.2.1 Prach a tepelné zatížení Usazený prach je velmi dobrým tepelným izolátorem. Součástky se pod ním zahřívají a brzy se porouchají. Prach ucpává větrací otvory a brání proudění vzduchu. Prach s kondenzovanou vlhkostí může také způsobit zkrat. Okolí počítače udržujeme v čistotě. Prach ale odstraňujeme při vypnutém počítači. Jinak je zvířený prach nasát ventilátorem počítače jako vysavačem. Počítač by neměl stát přímo na zemi, protože pak nasává prach přímo tam, kde ho je nejvíc. Někdy se doporučuje občasné preventivní rozmontování počítače a odstranění prachu. Máme-li obavu ze „zbytečného“ rozmontování, odstraňujeme prach alespoň tehdy, když rozděláváme počítač z nějakého jiného důvodu. Prach nejlépe odstraníme vysavačem, na který připevníme tenkou gumovou nebo plastovou hadičku, se kterou se bezpečně dostaneme do všech koutů. Vyfoukáme-li prach stlačeným vzduchem, je to možná razantnější a efektnější, ale umožníme tím, aby se vyfoukaný prach usadil jinde.
3.2.2 Prach a mechanické poškozování Prach se skládá kromě jiného i z drobných částic písku. Ty způsobují rychlé opotřebení pohyblivých součástí, především diskových a disketových jednotek, ventilátorů. Nebezpečný je cigaretový kouř, který obsahuje jemné částečky popela a zároveň lepkavý dehet. Ten se usadí všude a prach se pak na něj lepí.
3.3 Magnetické pole Magnetické pole škodí především disketám a pevným diskům. Účinky magnetického pole mohou být • destruktivní (nevratné), např. poškození dat na disku • nedestruktivní (vratné), např. deformace obrazu na monitoru Některé záludné zdroje magnetického pole: • telefon (starší typy s elektromagnetickým zvonkem) • magnety pro připevňování papírů na nástěnku • magnetické držáky na kancelářské sponky • magnetické šroubováky • reproduktory Klasické skleněné obrazovky monitorů (CRT) používají magnetické vychylování. Proto vnější magnetické pole může způsobit zkreslení jejich obrazu. Toto zkreslení může být • statické od stejnosměrného magnetického pole, např. od permanentního magnetu 14
• pohyblivé od střídavého pole, např. větrák, zdroj, jiný monitor. Při práci se dvěma monitory CRT (grafika, programování, DTP) může být nutné postavit monitory několik desítek cm od sebe, aby se vzájemně nerušily. Tyto problémy nemají monitory LCD, které magnetické pole neprodukují, ani jím nejsou ovlivňovány.
3.4 Statická elektřina Zásady: • Před každým dotekem vnitřku počítače se nejprve dotkneme jeho kostry. • Při práci na vnitřku počítače pokud možno nenosíme syntetické oblečení. • Nemanipulujeme s integrovanými obvody víc než je nezbytné. • Integrované obvody bereme pokud možno za pouzdro, ne za vývody. • Pro převoz a skladování integrovaných obvodů a desek používáme antistatické obaly. • Používáme buď nízkonapěťovou pájku, nebo hrot pistolové pájky spojíme se zemí pájeného zařízení. • V náročných provozech instalujeme polovodivou podlahu a používáme uzemněný náramek.
3.5 Tekutiny Nesmíme dovolit proniknutí jídla a nápojů do počítače. Proto u počítače nepijeme, nejíme, nekouříme. Skříň typu „tower“ nedáváme pokud možno přímo na podlahu, byla by při úklidu ohrožena vodou. Pro práci v náročném prostředí se prodávají vodotěsné kryty klávesnice, které klávesnici účinně chrání, a přitom nejsou skoro znatelné. V případě zaplavení počítače jednáme rychle: Počítač okamžitě vypneme, rozebereme, vyčistíme. Opláchnutí desky čistou vodou je šetrnější než nechat na ní zbytky nápoje, který bude dlouhodobě působit korozi. Kontakty přímých konektorů se dobře čistí mazací gumou. Počítač znovu zapneme až po dokonalém vysušení.
3.6 Zapínání, vypínání Při každém zapnutí nebo vypnutí přístroje vznikají napěťové a proudové rázy, které přístroj ohrožují. V počítači jsou přitom nejvíce ohroženy monitor a jeho obrazovka a pevný disk. Když přerušujeme práci na krátkou dobu, počítač nevypínáme. Někteří odborníci dokonce doporučují počítač nevypínat vůbec. Rozumná hranice může být půl hodiny.
15
4. Sestava počítače Počítač se skládá především z těchto dílů: • základní jednotka • monitor • klávesnice V základní jednotce obvykle je: • základní deska (= motherboard) • napájecí zdroj • pevný disk (Hard Disk Drive - HDD) o řadič HDD • disketové jednotky (Floppy Disk Drive - FDD) o řadič FDD • grafická karta • zvuková karta • CD ROM o řadič CD ROM • rozhraní (= interface) o Ethernet o modem o Wi-Fi o Bluetooth o USB o paralelní o sériové o IEEE 1394 Řadiče HDD, FDD, CD ROM už se neosazují jako samostatné zásuvné desky, jsou integrovány na základní desce.Dají se ale koupit samostatně, což můžeme využít při poruše řadiče na základní desce.
16
5. Základní deska (motherboard) Na základní desce je umístěna většina obvodů počítače. K základní desce jsou připojeny vnější části počítače (např. klávesnice, myš) pomocí konektorů na zadní stěně. Do konektorů (slots) jsou zasunuty zásuvné desky (např. grafická karta, zvuková karta). Při výměně základní desky je nutno počítat s tím, že různé typy mohou mít rozdílné rozměry a umístění upevňovacích otvorů. Na základní desce obvykle je • procesor (Central Processing Unit - CPU) • operační paměť RAM • paměť ROM s programem BIOS • paměť CMOS pro uložení konfigurace počítače • systémové hodiny • rozhraní klávesnice • řadiče FDD, HDD, CD ROM • konektory (= slots) pro přídavné desky • zvuková karta • grafická karta • rozhraní - paralelní - sériové - USB - FireWire - PS/2 - Ethernet • sběrnice propojující všechny části základní desky Při výběru základní desky jsou důležitá především tato hlediska: • Výrobce procesoru – rozhodujeme se např. mezi značkami AMD nebo Intel. • Typ procesoru – základní deska musí mít příslušný typ soklu pro daný procesor, musí být schopná dodat potřebný hodinový kmitočet. • Čipová sada – určuje vlastnosti základní desky v podobné míře jako procesor. Propojuje procesor s pamětí a dalšími obvody, obsluhuje provoz na sběrnicích, má obvody pro rozhraní disků, připojení periferií, integrovanou grafickou i zvukovou kartu. Kvalitní čipová sada dělá dobrou základní desku. • Typ a kapacita paměti – základní deska musí mít správné konektory pro zvolený typ paměti, musí umožňovat osazení dostatečného objemu paměti, a to i s rezervou pro případné budoucí rozšíření. • Sloty pro sběrnice – při koupi musíme uvážit, jaké přídavné desky budeme chtít provozovat a v jakých sběrnicích. Např. zda budeme chtít místo integrované zvukové karty používat kartu do slotu PCI, zda budeme mít velké nároky na grafiku a budeme potřebovat dvě propojené grafické karty ve slotech PCI-Ex. Počet slotů musí poskytovat dostatečnou rezervu i pro případné budoucí rozšiřování sestavy PC. • BIOS – výrobce, vlastnosti, možnosti pozdější aktualizace.
17
6. Procesory Procesor (CPU = Central Processing Unit) je univerzální integrovaný obvod, který na základě programu řídí činnost počítače. Jednotlivé instrukce programu vyzvedává z operační paměti RAM nebo ROM.
6.1 Činnost Procesor komunikuje s pamětí a dalšími zařízeními pomocí sběrnic. Na adresovou sběrnici vysílá adresu (= binární číslo) místa, na které chce zapsat nebo ze kterého chce číst. Na datovou sběrnici při zápisu vyšle zapisovanou hodnotu (= binární číslo), při čtení z ní přečte hodnotu vyslanou osloveným zařízením. Řídicí sběrnice při tom určuje, zda operace s pamětí bude čtení nebo zápis.
6.2 Vlastnosti a) Rychlost Rychlost procesoru závisí na • hodinovém kmitočtu, kterým je jeho činnost řízena • šířce a rychlosti datové sběrnice (FSB – Front Side Bus) • účinnosti zpracování instrukcí • paměti cache • koprocesoru • počtu jader
b) Šířka sběrnic Čím širší je datová sběrnice, tím rychlejší je přenos a zpracování dat. Čím širší je adresová sběrnice, tím větší paměť lze ovládat.
c) Rychlost datové sběrnice Čím větší je taktovací kmitočet datové sběrnice, tím větší je rychlost přenosu dat. Sběrnice mezi procesorem a základní deskou (FSB – Front Side Bus) je u moderních procesorů řízena tak, že na jednu periodu řídicího kmitočtu se vykoná více přenosů dat (např. čtyři)1. Podobnou techniku používaly už dříve grafické karty AGP. Příklad Je-li řídicí kmitočet této sběrnice např. 133,3 MHz, přenosy dat nastávají čtyřikrát rychleji, tj. s efektivním kmitočtem 533 MHz. Při šířce datové sběrnice 64 bitů, tj. 8 bajtů, je pak rychlost přenosu dat 533 MHz * 8B = 4,2 GB/s.
d) Hodinový kmitočet Moderní procesory pracují s vyšším taktovacím kmitočtem, než je kmitočet sběrnice. Interní kmitočet pro jádro procesoru se z kmitočtu sběrnice získává násobením. Např. Intel Core i7 2,8 GHz získává interní kmitočet 2,8 GHz násobením kmitočtu sběrnice 133 MHz číslem 21.
e) Účinnost zpracování instrukcí Vyšší typy procesorů jsou i při stejném hodinovém kmitočtu rychlejší než jejich předchůdci, protože zpracovávají instrukce s větší účinností. Používají přitom např. dynamické vykonávání instrukcí (Dynamic Execution). To umožňuje analyzovat instrukce programu daleko 1
Říká se tomu „Quad Pumping“, tj. „čtyřnásobné pumpování.
18
dopředu, předvídat větvení programu, a podle toho podle potřeby měnit pořadí vykonávaných instrukcí, připravovat si potřebná data, tipovat instrukce, které budou zapotřebí a vykonávat je předem.
f) Paměť cache Pro zrychlení práce procesoru se používá rychlá vyrovnávací paměť (cache), do které si procesor odkládá velmi často používaná data. Dnešní procesory mají paměť cache vestavěnou. Proto je práce s ní mnohem rychlejší, než s hlavní pamětí. Ušetří se tak i kapacita sběrnice, která může být využita pro jiná zařízení. Paměť cache procesoru mívá tři úrovně, které se liší rychlostí a kapacitou. Cache úrovně 1 (Level 1) pracuje s rychlostí jádra procesoru. Je-li tedy taktovací kmitočet procesoru udáván 2,8 GHz, cache L1 pracuje na tomto kmitočtu. Cache úrovně 2 (Level 2) má větší kapacitu a je pomalejší než L1. L3 má ještě větší kapacitu a je opět pomalejší než L2. Tabulka 1 ukazuje příklad kapacit pamětí cache čtyřjádrového procesoru Intel Core i7. Z ní je vidět, že každé jádro má svoje vlastní paměti L1 a L2, zatímco L3 je společná pro všechna jádra. Každá paměť L1 je rozdělená na část pro data a část pro instrukce. Název Kapacita L1 Data Cache 4 x 32 KBytes L1 Instructions Cache 4 x 32 KBytes L2 Cache 4 x 256 KBytes L3 Cache 8192 KBytes Tabulka 1: Kapacity pamětí cache procesoru Intel Core i7
g) Koprocesor Matematické operace s plovoucí řádovou čárkou lze zrychlit pomocí koprocesoru. Je to speciální procesor, který sleduje činnost hlavního procesoru. Vyskytnou-li se v programu matematické instrukce, převezme řízení, provede tyto instrukce, předá výsledky hlavnímu procesoru a opět mu přenechá řízení. Dnešní procesory mají koprocesor vždy vestavěný.
h) Počet jader Má-li procesor jen jedno jádro, může v jednom okamžiku řešit jen jednu úlohu. Má-li jader víc, může současně řešit více úloh, tj. může vykonávat více programů najednou. Jakým přínosem bude více jader, záleží na tom • zda jednotlivá jádra vystačí pro svoje úlohy jen s vlastní pamětí cache, nebo zda budou muset sdílet společnou cache, nebo dokonce využívat hlavní paměť RAM • jak dobře je vyřešená komunikace celého procesoru s ostatním počítačem, tj. zda si nebudou jednotlivá jádra vzájemně překážet např. při předávání výsledků ven • jak jsou jednotlivé úlohy nezávislé, případně jakou komunikaci mezi sebou vyžadují; pak bude důležité, jakou možnost vzájemné komunikace jádra mají • zda je program napsán tak, aby využíval činnost více jader Podle toho, jak jsou splněny uvedené předpoklady, může být výkon procesoru na určité sadě úloh až tolikrát větší, kolik má procesor jader. Čtyřjádrový procesor tedy může mít výkon až čtyřnásobný. Pokud ale ty předpoklady splněné nejsou, přínos více jader bude mnohem menší.
6.3 Zpracování více programů najednou Chráněný (protected) mód umožňuje spuštění více programů najednou, je podmínkou pro provoz Windows 3.11 a následujících. Umožňuje pouze jejich spuštění, nikoliv současný běh. 19
Programy, které nejsou právě aktivní, tj. v pozadí, jsou zmrazené. Např. stahování souboru z internetu by se v tuto dobu zastavilo. Ve své době byl chráněný mód velkým pokrokem, umožnil např. snadné přepínání mezi textovým editorem a slovníkem. Multitasking umožňuje současný chod více programů najednou, je podmínkou pro provoz Windows 95 a následujících. Chod programů je současný jen zdánlivě. Ve skutečnosti, máli procesor jen jedno jádro, musí šikovně přebíhat mezi programy tak, aby uživatel měl zdání současnosti. Stahování z internetu se v pozadí nezastaví, běží dál. Hyper-threading, česky „mimořádně účinné proplétání“. To umožňuje skoro tak účinné zpracování dvou současně běžících úkolů, jako by úkoly byly řešeny dvěma samostatnými procesory.
6.4 Vlastnosti vybraných procesorů Intel Následující látka, která je kurzívou (ležatým písmem), je nepovinná. U každého procesoru jsou zde popsány jen ty vlastnosti, které ho odlišují od předchozích procesorů. Zděděné vlastnosti již popisovány nejsou. 8088 – Uvnitř šestnáctibitová, navenek osmibitová datová sběrnice umožňuje ušetřit vývody na procesoru a pájecí body na desce. Dále umožňuje vývojářům snadnější přechod z předchozích osmibitových procesorů. Schopnost adresovat pouze 1MB paměti. 80286 – Plně šestnáctibitová datová sběrnice, možnost adresovat paměť nad 1MB. Chráněný (protected) mód umožňuje spuštění více programů najednou, je podmínkou pro provoz Windows 3.11 a následujících. 80386 – Dvaatřicetibitová datová sběrnice, interní paměť cache. Multitasking umožňuje současný chod více programů najednou, je podmínkou pro provoz Windows 95 a následujících. Pentium – Šedesátičtyřbitová vnější datová sběrnice, dvaatřicetibitová interní datová sběrnice (Pentium obsahuje dva dvaatřicetibitové procesory, které se ale navenek chovají jako jeden – na rozdíl od moderních dvoujádrových procesorů). Pentium 4 – Vnější systémová sběrnice (Front Side Bus – FSB) využívá podobnou techniku jako AGP 4x. Díky tomu jsou přenosy po sběrnici taktovány čtyřnásobným kmitočtem. Paměť cache pro instrukce uchovává instrukce po jejich dekódování, nikoliv před, jako u předchozích typů. Dekódované instrukce jsou zde uloženy v podobě tzv. mikrooperací (μOPs). Protože instrukce je v paměti uložena už dekódovaná, tj. připravená k okamžitému použití, neztrácí se při vykonávání týchž instrukcí v krátkých programových smyčkách čas jejich opětovným dekódováním. To urychlí práci krátkých programových smyček, ve kterých se instrukce stále opakují. Pentium 4 umožňuje tzv. „hyper-threading“, česky „mimořádně účinné proplétání“. To umožňuje skoro tak účinné zpracování dvou současně běžících úkolů, jako by úkoly byly řešeny dvěma samostatnými procesory. Příklad: Dvě nákladní auta se mají současně vyložit do skladu, na úkolu pracuje jen jeden člověk a má k dispozici jen jeden dopravník. Člověk ztrácí čas neustálým přebíháním mezi oběma auty a jeho práce je pomalá (Obrázek 1: Dva úkoly, jeden procesor). Budou-li na vykládce pracovat dva lidé se dvěma dopravníky, práce bude mnohem rychlejší (Obrázek 2: Dva úkoly, dva procesory).
20
Budou-li pracovat dva lidé a na dopravník budou klást střídavě zboží z jednoho a z druhého auta, dopravník bude lépe využitý a práce bude skoro tak rychlá, jako se dvěma dopravníky (Obrázek 3: Dva úkoly, hyper-threading). Celeron – Levnější varianta procesorů Pentium. Liší se především menší pamětí cache L2. Pentium D – První dvoujádrový procesor, obsahuje dva procesory v jednom pouzdře. Je navržený pro provozování mnoha aplikací současně. Procesor již nepodporuje technologii HyperThreading, protože díky dvojici jader v jednom procesoru ji už nepotřebuje.
21
Obrázek 1: Dva úkoly, jeden procesor
Obrázek 2: Dva úkoly, dva procesory
Obrázek 3: Dva úkoly, hyper-threading 22
6.5 Přehled procesorů Intel 8088 8086 80286 80386 80386 80486 80486 Pentium SX DX SX DX Vnější datová sběrnice 8 16 16 16 32 32 32 64 Vnitřní datová sběrnice 16 16 16 32 32 32 32 32 Adresová sběrnice 20 20 24 24 32 32 32 32 Adresovatelná pam. 1M 1M 16M 16M 4G 4G 4G 4G Interní koprocesor A A Cache L1 8k 8k 8k 8k 8k data 8k instr. Cache L2 (typicky) Instrukce MMX Instrukce SSE Instrukce SSE2 Hyper-threading Počet jader 1 1 1 1 1 1 1 1
Pentium MMX 64 32 32 4G A 16k data 16k instr. A 1
Pentium Pro 64 32 36 64G A 8k data 8k instr. 256k 1
Tabulka 2: Přehled nejstarších procesorů Intel
23
Pentium II 64 32 36 64G A 16k data 16k instr. 512k A 1
P II Celeron 64 32 36 64G A 16k data 16k instr. 128k A 1
Pentium Pentium 4 Pentium D III 64 64 64 32 32 36 36 64G 64G A A A 16k data 8k data 2x16k 16k instr. 12k μOPs 512k 512k 2x1M A A A A A A A A A N 1 1 2
Processor Intel Pentium
Introduced 1993/03
Clock Rate 1.2 GHz - 3.33 GHz
Fabrication 32 nm, 45 nm, 65 nm
TDP
Number of Cores Single,
5.5 W - 73 W Double Single,
45 nm, 65 nm, 90 nm, 130 nm, 5.5 W - 86 W 180 nm, 250 nm Double 130 nm, 180 nm, 17 W - 34.5 W Single 250 nm
Intel Celeron
1998/04
266 MHz - 3.6 GHz
Intel Pentium III
1999/02
450 MHz - 1.4 GHz
Pentium 4 Extreme Edition
2000/11
3.2 GHz - 3.73 GHz
90 nm, 130 nm
Pentium 4
2000/11
1.3 GHz - 3.8 GHz
65 nm, 90 nm, 21 W - 115 W Single 130 nm, 180 nm
Pentium M
2003/03
800 MHz - 2.266 GHz 90 nm, 130 nm
5.5 W - 27 W Single
Pentium D/EE
2005/05
2.66 GHz - 3.73 GHz
95 W - 130 W Double
65 nm, 90 nm
92 W - 115 W Single
Single, Intel Core 2
2006/06
1.06 GHz - 3.33 GHz
45 nm, 65 nm
5.5 W - 150 W
Intel Atom
2008/04
800 MHz - 2 GHz
45 nm
0.65 W - 13 W
Double, Quad Single, Double
Intel Core i7
2008/11
1.6 GHz - 3.33 GHz
45 nm
45 W - 130 W Quad
Intel Core i5
2009/09
1.06 GHz - 3.46 GHz
32 nm, 45 nm
17 W - 95 W
Bus Speed
L2 Cache L3 Cache
800 MHz, 1066 MHz, 2x256 KB 0 KB - 3 2.5GT/s, 5 GT/s - 2 MB MB 66 MHz, 100 MHz, 133 0 KB - 1 MHz, 400 MHz, 533 MB MHz, 800 MHz 256 KB 100 MHz, 133 MHz 512 KB 512 KB - 1 0 KB - 2 800 MHz, 1066 MHz MB MB 400 MHz, 533 MHz, 256 KB - 2 800 MHz, 1066 MHz MB 1 MB - 2 400 MHz, 533 MHz MB 533 MHz, 800 MHz, 2×1 MB 1066 MHz 2×2 MB 533 MHz, 667 MHz, 1 MB - 12 800 MHz, 1066 MHz, MB 1333 MHz, 1600 MHz 400 MHz, 533 MHz, 667 MHz
512 KB - 1 MB
4.8 GT/s, 6.4 GT/s
4×256 KB
6 MB - 8 MB
2.5 GT/s
256 KB
4 MB - 8 MB
1066 MHz, 1600 MHz, 256 KB 2.5 GT/s
3 MB - 4 MB
Double, Quad Intel Core i3
2010/01
2.4 GHz - 3.06 GHz
Tabulka 3: Přehled dalších procesorů Intel
24
32 nm
35 W - 73 W Double
6.6 Mezníky ve vývoji procesorů Procesor 80286 80386 Pentium Pentium III Pentium 4 Pentium D
Přináší adresování paměti nad 1 MB protected mode (podmínka pro Windows a další programy) 32 bitů multitasking (podmínka pro Windows 95 a další programy) vnější datová sběrnice 64b SSE instrukce pro multimediální a 3D aplikace Hyper – threading Dva procesory (jádra) v jednom pouzdře Tabulka 4: Přínosy hlavních procesorů Intel
6.7 How Cache Works To learn how the L1 and L2 cache work, consider the following analogy. This story involves a person (in this case you) eating food to act as the processor requesting and operating on data from memory. The kitchen where the food is prepared is the main memory (SIMM/DIMM) RAM. The cache controller is the waiter, and the L1 cache is the table you are seated at. L2 cache will be introduced as a food cart, which is positioned between your table and the kitchen. Okay, here's the story. Say you start to eat at a particular restaurant every day at the same time. You come in, sit down, and order a hot dog. To keep this story proportionately accurate, let's say you normally eat at the rate of one bite (byte?) every four seconds (233MHz = about 4ns cycling). It also takes 60 seconds for the kitchen to produce any given item that you order (60ns main memory). So, when you first arrive, you sit down, order a hot dog, and you have to wait for 60 seconds for the food to be produced before you can begin eating. Once the waiter brings the food, you start eating at your normal rate. Pretty quickly you finish the hot dog, so you call the waiter and order a hamburger. Again you wait 60 seconds while the hamburger is being produced. When it arrives again you begin eating at full speed. After you finish the hamburger, you order a plate of fries. Again you wait, and after it is delivered 60 seconds later you eat it at full speed. Finally, you decide to finish the meal and order cheesecake for dessert. After another 60-second wait, you can again eat dessert at full speed. Your overall eating experience consists of mostly a lot of waiting, followed by short bursts of actual eating at full speed. After coming into the restaurant for two consecutive nights at exactly 6 p.m. and ordering the same items in the same order each time, on the third night the waiter begins to think; "I know this guy is going to be here at 6 p.m., order a hot dog, a hamburger, fries, and then cheesecake. Why don't I have these items prepared in advance and surprise him, maybe I'll get a big tip?" So you enter the restaurant and order a hot dog, and the waiter immediately puts it on your plate, with no waiting! You then proceed to finish the hot dog and right as you were about to request the hamburger, the waiter deposits one on your plate. The rest of the meal continues in the same fashion, and you eat the entire meal, taking a bite every five seconds, and never have to wait for the kitchen to prepare the food. Your overall eating experience this time consists of all eating, with no waiting for the food to be prepared, due primarily to the intelligence and thoughtfulness of your waiter. This analogy exactly describes the function of the L1 cache in the processor. The L1 cache itself is the table that can contain one or more plates of food. Without a waiter, the space on the table is a simple food buffer. When stocked, you can eat until the buffer is empty, but nobody seems to be intelligently refilling it. The waiter is the cache controller who takes action and adds 25
the intelligence to decide what dishes are to be placed on the table in advance of your needing them. Like the real cache controller, he uses his skills to literally guess what food you will require next, and if and when he guesses right, you never have to wait. Let's now say on the fourth night you arrive exactly on time and start off with the usual hot dog. The waiter, by now really feeling confident, has the hot dog already prepared when you arrive, so there is no waiting. Just as you finish the hot dog, and right as he is placing a hamburger on your plate, you say "Gee, I'd really like a bratwurst now; I didn't actually order this hamburger." The waiter guessed wrong, and the consequence is that this time you have to wait the full 60 seconds as the kitchen prepares your brat. This is known as a cache miss, where the cache controller did not correctly fill the cache with the data the processor actually needed next. The result is waiting, or in the case of a sample 233MHz Pentium system, the system essentially throttles back to 16MHz (RAM speed) whenever there is a cache miss. According to Intel, the L1 cache in most of its processors has approximately a 90 percent hit ratio. This means that the cache has the correct data 90 percent of the time and consequently the processor runs at full speed, 233MHz in this example, 90 percent of the time. However, 10 percent of the time the cache controller guesses wrong and the data has to be retrieved out of the significantly slower main memory, meaning the processor has to wait. This essentially throttles the system back to RAM speed, which in this example was 60ns or 16MHz. The main feature of L1 cache is that it has always been integrated into the processor core, where it runs at the same speed as the core. This, combined with the hit ratio of 90 percent or greater, makes L1 cache very important for system performance.
26
7. Paměť 7.1 Rozdělení paměti v počítači Podle možnosti čtení / zápisu: • RAM o o • ROM o o o o o
dynamická statická ROM PROM EPROM EEPROM Flash ROM
Podle adresy: • Konvenční paměť (0 – 640 k ) • Oblast vyšší paměti (640 – 1024 k) • Rozšířená paměť (nad 1024k)
Podle způsobu užití např.: • • • • •
Operační paměť CMOS Videopaměť Vyrovnávací paměť Virtuální paměť
7.2 Operační paměť Operační paměť je taková paměť, do které má procesor přímo přístup prostřednictvím své adresové a datové sběrnice (na rozdíl např. od videopaměti na grafické kartě nebo paměti CMOS, do kterých procesor přímý přístup nemá). Do operační paměti patří • konvenční paměť • oblast vyšší paměti • rozšířená paměť Rozsah [kB] Název
Obsah
0 - 640 Konvenční paměť – Conventional Memory, Base Memory Data BIOSu, tabulka adres přerušení (Interrupt Vector Table)
640 - 1024 Oblast vyšší paměti Upper Memory Area, Upper Memory Blocks Komunikace se grafickými kartami, rozšíření BIOSu pro grafické a jiné karty, BIOS ROM
Tabulka 5: Rozdělení operační paměti 27
1024 - .... Rozšířená paměť Extended Memory Data a programy pro operační systém i pro uživatele
7.3 Konvenční paměť Anglicky Conventional Memory, Base Memory. První počítače PC/XT s procesorem 8088 mohly adresovat pouze 1 MB paměti. Část tohoto 1 MB ale byla navíc vyhrazena pro „služební“ účely, a proto pro uživatele zbylo jen 640 kB. V zájmu kompatibility bylo toto dělení zachováno i u následujících počítačů, které už používaly modernější procesory. Pro dnešní procesory a operační systémy už hranice 640 kB není žádným omezením, protože bez problémů používají paměť nad 1 MB. Dnes kvůli kompatibilitě jsou v konvenční paměti stále umístěna data BIOSu (jakýsi zápisník pro BIOS) a tabulky adres přerušení (Interrupt Vector Table). O přerušení bude pojednáno v kapitole o konfiguraci základní desky.
7.4 Rozšířená paměť Anglicky Extended Memory. Rozšířená paměť je v podstatě veškerá paměť nad 1 MB..
7.5 Oblast vyšší paměti Anglicky Upper Memory Area = UMA (oblast vyšší paměti). Na adresách 640-1024 kB jsou vyhrazené oblasti pro BIOS ROM, pro komunikaci se starými grafickými kartami, pro rozšíření BIOSu grafických, síťových a jiných karet. Tyto oblasti na sebe nenavazují. Paměť 640-1024 kB je tedy roztříštěna na malé části. Proto také se této paměti také říká Upper Memory Blocks = UMB (bloky vyšší paměti). BIOS je umístěn v bloku těsně pod hranicí 1024kB.
7.6 Vyrovnávací paměť Anglicky cache. Vyrovnávací paměť je úsek paměti vyhrazený pro dočasné uložení často používaných dat. Výrazně zrychluje vyhledání a načtení dat. Při práci s vnějšími pamětmi (FDD, HDD, CD-ROM) se jako vyrovnávací paměť obvykle používá část operační paměti. Ukládání, výběry a mazání dat jsou řízeny např. tak, aby ve vyrovnávací paměti byla buď data nejčastěji používaná, nebo data použitá naposledy. Vyrovnávací paměť se používá také pro zrychlení práce procesoru. Podrobnosti viz v části o procesorech.
7.7 Virtuální paměť Pokud paměť RAM nestačí nárokům systému, je možno vytvořit na pevném disku tzv. virtuální paměť, která se vzhledem k systému a k programátorovi chová jako paměť RAM. Je to nouzové řešení, protože disk je podstatně pomalejší než paměť RAM.
28
8. Sběrnice Sběrnice je skupina vodičů s podobnou funkcí, určená k propojení částí počítače (procesor, RAM, ROM, disky, porty, ...). Všechny propojené části jsou sběrnicí spojeny paralelně. Je-li např. datová sběrnice počítače šestnáctibitová, skládá se z vodičů označených D0 až D15. Stejnojmenné datové vývody všech zařízení v počítači (procesor, ROM, RAM, ...) jsou vzájemně propojeny. Např. vývod D0 na paměti ROM, D0 na paměti RAM, D0 na procesoru, ... jsou propojeny vodičem označeným D0. Čím širší je datová sběrnice (čím větší počet vodičů má), tím rychlejší přenos dat může zprostředkovat. Čím širší je adresová sběrnice, tím větší paměťový prostor může ovládat. Pojem sběrnice se používá také pro označení univerzálního rozhraní, používaného pro připojení přídavných desek (např. ISA, PCI, VLB). Sběrnice v tomto smyslu pak obsahuje datovou, adresovou a řídicí sběrnici a napájecí vodiče. Obrázek 4 ukazuje část základní desky s konektory sběrnic PCI, PCI-Ex 16, PCI-Ex 1. Provoz na sběrnici se musí řídit pevnými pravidly, aby nedocházelo ke konfliktům mezi jednotlivými částmi počítače.
8.1 Základní rozdělení sběrnic 8.1.1 Paralelní sběrnice Paralelní sběrnice přenáší mnoho bitů po mnoha vodičích najednou. Všechny datové vodiče jsou obousměrné. Obousměrné znamená, že se data přenášejí po stejných vodičích oběma směry, tam i zpět. Po stejných vodičích se tedy data přenášejí při zápisu i při čtení. Probíhá-li přenos jedním směrem, nemůže současně probíhat přenos i druhým směrem. Všechna zařízení jsou na sběrnici připojena paralelně a musí se dělit o přenosovou kapacitu sběrnice. Když spolu komunikují dvě zařízení, nemohou sběrnici používat ostatní zařízení.
8.1.2 Sériové sběrnice Sériová sběrnice používá malý počet vodičů. V základní verzi používá pro přenos jedním směrem jen jediný datový vodič, pro přenos druhým směrem druhý vodič. Každý z datových vodičů je jednosměrný. Ale vzhledem k tomu, že je pro každý směr k dispozici samostatný vodič, může mezi dvěma zařízeními probíhat zároveň komunikace jedním i druhým směrem. Např. může současně probíhat zápis do pevného disku a čtení z něj. V počítačových sítích se takovému provozu říká full duplex. Zařízení jsou na sběrnici připojena hvězdicově. Uprostřed hvězdice je přepínač (switch), jehož funkce je podobná jako funkce přepínače v počítačové síti. Přepínač dokáže zprostředkovat současnou komunikaci více dvojicím zařízení.
29
Obrázek 4: Konektory sběrnic na základní desce
8.2 Sběrnice PCI2 Sběrnice PCI je úspěšná a stále se používá. Její vlastnosti: - 64 datových vodičů, umožňuje ale i 32 (např. s procesorem 80486) - řídicí kmitočet 33 MHz (v nových verzích 66 nebo 133 MHz) - sdílené řízení sběrnice - bus mastering - programové nastavení desek Plug and Play 2
PCI = Peripheral Component Interconnect
30
Typ PCI
Šířka datové sběrnice [bit]
PCI 32 PCI 66 MHz 32 PCI 64-bit 64 PCI 66 MHz / 6464 bit PCI – X 64 1. Tabulka 6: Varianty sběrnice PCI
Řídicí kmitočet [MHz] 33 66 33 66
Přenosová rychlost [MB/s] 133 266 266 533
133
1066
Užití desktop
server
8.3 Sběrnice AGP3
Obrázek 5: Propojení rozhraní AGP se systémem
AGP je jednoúčelová sběrnice sloužící pouze pro připojení grafické karty. Často je považována za pouhý port (slovo „port“ má i v názvu), protože slouží jen ke spojení dvou zařízení (procesor – grafická karta) a není rozšiřitelná. AGP poskytuje grafické kartě přímý přístup k operační paměti RAM. Tím se velmi zjednodušuje komunikace mezi procesorem a grafickou kartou. Tato komunikace už nemusí probíhat jen přes vyhrazený úsek ve vyšší paměti (UMB). Sdílení operační paměti
RAM mezi procesorem a grafickou kartou má tyto výhody: • Operační RAM je levnější než RAM na grafické kartě . • Je možno přidělit grafické kartě velikost RAM podle potřeby. Tím se odstraní plýtvání / nedostatek RAM, ke kterému dochází u klasických grafických karet. • Opakující se trojrozměrné části obrazu (textury), které jsou náročné na kapacitu paměti, mohou být grafickým procesorem vytvářeny přímo v operační paměti, a pak jsou v okamžiku potřeby kopírovány do paměti grafické karty. Přesto i grafické karty s AGP mají i svoji vlastní paměť RAM pro uložení hotového obrazu, který je právě zobrazován. Je totiž třeba, aby tato paměť byla rychlejší, než jsou běžné operační RAM. Dostatečná kapacita této paměti umožní vytváření nových obrazů (stránek) v pozadí a přechod na novou scénu okamžitě, pouhým přepnutím stránky paměti. Vytvoření nového rozhraní AGP odlehčilo sběrnici PCI, která je díky tomu propustnější pro ostatní zařízení. Sběrnice AGP používá dvaatřicetibitovou datovou sběrnici a taktovací kmitočet 66 MHz. Pro sběrnici AGP zavedla zrychlení přenosů přes sběrnici tak, že během jednoho taktu hodinového signálu se provede více přenosů dat. 3
AGP = Accelerated Graphics Port = urychlený grafický port
31
Například v základní verzi 1x dochází během jedné periody hodin pouze k jednomu přenosu dat, ve verzi 2x ke dvěma, ve verzi 4x ke čtyřem, ve verzi 8x k osmi přenosům. Sběrnice AGP byla vytlačena sběrnicí PCI Express. Ale všechny výhody, uvedené zde pro AGP, platí i pro grafické karty se sběrnicí PCI Express, popisovanou dále.
8.4 PCI Express Sběrnice PCI Express je sériová a její datové vodiče jsou jednosměrné. Datové vodiče jsou proto dvoje, pro každý směr přenosu zvlášť. Řídicí kmitočet je 2,5 GHz. Základní verze PCI Express x1 je jednobitová. Umožňuje přenosovou rychlost 250 MB/s každým směrem. Verze PCI Express x16 je šestnáctibitová. To znamená, že je použito 16 vodičů pro přenos jedním směrem, 16 dalších vodičů pro přenos druhým směrem. PCI Express x16 u grafických karet rychle vytlačila sběrnici AGP. Sběrnice PCI - Ex používá topologii „hvězda“. Pro připojení každého zařízení se používá samostatná sada vodičů. Každé zařízení tedy má k dispozici samostatnou PCI Express sběrnici. Díky nízkému počtu vodičů to není problém. Jednotlivá zařízení se proto nemusí dělit o přenosovou kapacitu. Vlastnosti jako Bus Mastering a Plug and Play jsou samozřejmostí.
8.5 Rychlost paralelních sběrnic Maximální přenosová rychlost sběrnice závisí na počtu jejích datových bitů a řídicím kmitočtu sběrnice. Např. má-li sběrnice Nd = 32 datových vodičů a je řízena kmitočtem f = 33 MHz, může 33-milionkrát za sekundu přenést 32 bitů. Její přenosová rychlost Vb v bitech za sekundu tedy je ܸܾ = ݂ ∗ ܰ݀ ܸܾ = 33MHz ∗ 32b ܸܾ = 1056 ܾܯ/ݏ Přenosová rychlost VB v bajtech za sekundu pak je ܸܾܸ = ܤ/8 ܸ = ܤ1056/8 ܸ = ܤ132ܤܯ/ݏ V prvních PC běžely sběrnice stejnou rychlostí jako CPU (4,77 MHz, 6 MHz, 8 MHz, ...). To později začalo působit problémy s kompatibilitou. Sběrnice už nestíhaly běžet tak rychle, jako procesory. Proto se dnes sběrnice dělají s řídicím kmitočtem menším, než kmitočet procesoru. Další sběrnice (např. PCI a AGP) dosahují zvětšení rychlosti přenosu zvětšením šířky přenášených slov i zvětšením řídicího kmitočtu. Další zrychlení činnosti sběrnice může umožnit „bus mastering“, který umožní spolupráci více procesorů na jedné sběrnici. Nedosáhne se sice zvýšení maximální možné rychlosti, ale lepším využitím sběrnice se dosáhne větší skutečné rychlosti. 1.
32
20 N 24 N 32 A A
N N A A A
4*) 8*) 33 133/266 266 533 1 066 2 132 250+250 4000+4000
Souvisí s procesorem
Přenosová rychlost [MB/s]
8 16 32 32/64 32 32 32 32 1+1 16 + 16
PnP
8 8 8 33 66 66 66 66 2 500 2 500
Bus Mastering
Počet datových vodičů
Počet adresových vodičů
Řídicí kmitočet[MHz]
Sběrnice PC ISA EISA PCI AGP 1x AGP 2x AGP 4x AGP 8x PCI Express x1 PCI Express x16
8088 80286 80386 Pentium Pentium II
*) Pro každý přenos dat jsou potřebné nejméně dva cykly hodin. Tabulka 7: Vlastnosti vybraných sběrnic
33
Obrázek 6: Typické blokové schéma počítače 34
8.6 Čipová sada (chipset) Jednotlivé sběrnice v počítači jsou od sebe a od procesoru odděleny obvody, kterým se říká čipová sada, anglicky chipset. Hlavními součástmi čipové sady jsou mosty (bridge). Podle polohy na schématu se most může nazývat „North Bridge“, „South Bridge“. Oddělení sběrnic od procesoru čipovou sadou umožňuje zrychlit činnost systému tím, že jednotlivé části systému mohou spolu komunikovat i v době, kdy jiná sběrnice je zaneprázdněna přenosy dat mezi jinými částmi systému. Provoz s více procesory (bus mastering) je na sběrnici řízen tzv. „arbitrem4 sběrnice“. Funkci arbitra vykonává čipová sada. Chce-li zařízení s vlastním procesorem (např. řadič disku) řídit sběrnici, musí požádat arbitra. Ten pak povolí použití sběrnice na předem určený maximální počet hodinových cyklů.
4
Arbitr = ten, kdo má právo soudit a rozhodovat sporné případy
35
8.7 Násobiče, děličky kmitočtu Jednotlivé části počítače jsou řízeny různými hodinovými kmitočty. Tyto kmitočty jsou obvykle na sobě závislé. To znamená, že hodinový kmitočet jednoho zařízení se získává dělením nebo násobením hodinového kmitočtu jiného zařízení.
Násobič CPU (CPU multiplier) Hodinový kmitočet pro řízení jádra procesoru se získává násobením kmitočtu sběrnice FSB (Front Side Bus).
Dělicí poměr paměti (memory divider) Dělicí poměr paměti udává poměr mezi hodinovým kmitočtem paměti a FSB (DRAM : FSB Ratio).
Příklad Hodinový kmitočet FSB fFSB = 400 MHz, násobič CPU NCPU = 8, dělicí poměr paměti nMEM = 5 : 4. Hodinový kmitočet jádra procesoru fCPU je fCPU = fFSB x NCPU = 400 MHz x 8 = 3 200 MHz Hodinový kmitočet paměti fMEM je fMEM = fFSB x nMEM = 400 MHz x (5 : 4) = 500 MHz Z uvedeného vyplývá, že při přetaktování můžeme změnou jedné hodnoty změnit i ostatní hodnoty. Na to je citlivá především paměť. Proto se doporučuje před přetaktováním nastavit rychlost paměti na minimální hodnotu a zrychlováním paměti se zabývat, až když je jasné, že ostatní části systému pracují spolehlivě.
36
9. Řadiče a ovladače Řadič (controller) je hardwarové zařízení, které slouží k propojení počítače s přídavným zařízením (např. HDD, displejem, CD-ROM). Hlavní funkce řadiče • Přizpůsobení rychlosti zařízení a rychlosti CPU • Převod formátu a napěťových úrovní dat 1. Ovladač (driver) je program, který řídí činnost řadiče nebo jiného zařízení a jeho spolupráci s počítačem. 1.
Příklad Scanner je k počítači připojen řadičem SCSI (HW), který je obvykle na zásuvné kartě. Činnost řadiče je řízena ovladačem (SW), který je s kartou dodáván na disketě nebo CD. Je také možno použít standardní ovladače, poskytované operačním systémem, např. Windows. Nové verze ovladačů je možno od výrobce stáhnout z Internetu.
37
10. Rozhraní Rozhraní je soustava hardwarových a softwarových prostředků, která umožňuje komunikaci mezi počítačem a dalšími zařízeními.
10.1 Rozhraní pro disky Pro jednoduchost budeme dále hovořit o rozhraní pro disky. U vyšších typů rozhraní pak upozorníme na možnost připojení i dalších zařízení. Rozhraní pro disk je zařízení, které umožňuje komunikaci mezi diskem a sběrnicí počítače. Skládá se z technického vybavení (HW) a programového vybavení (SW).
10.1.1 Rozhraní řady IDE a) Rozhraní IDE5 Toto rozhraní zavedlo elektroniku řadiče vestavěnou do disku (předtím býval řadič jako zvláštní deska mimo disk). Rozhraní IDE je zastaralé a už se nepoužívá. Je ale stále kompatibilní s novými disky EIDE a Ultra-ATA. To znamená, že nový disk by pracoval ve starém rozhraní, starý disk v novém rozhraní.
b) Rozhraní EIDE6 EIDE má dva konektory. Na každý z nich je možno pomocí jednoho kabelu připojit až dva disky nebo jiná zařízení (CD ROM, pásková jednotka). Celkem je tedy možno připojit 2 x 2 = 4 zařízení. EIDE je rovněž zastaralé, nepoužívá se už.
c) Rozhraní ATAPI Jednotky CD-ROM a DVD-ROM používají podmnožinu EIDE, tzv. ATAPI7. Je to rozhraní, které poskytuje množinu příkazů pro práci s výměnnými médii. Pro IDE, EIDE i ATAPI se používá stejný konektor i stejný kabel. Jednotku CD-ROM IDE/ATAPI je tedy možno připojit na konektor (E)IDE.
d) Rozhraní Ultra ATA8, PATA9 Po nástupu sériového rozhraní SATA (viz dále) se paralelnímu rozhraní Ultra ATA začalo říkat PATA. PATA je další z rozhraní, odvozených z původního IDE. Je zpětně kompatibilní s IDE, EIDE. Pokud použijeme disk PATA ve starším rozhraní, které je kompatibilní, ale nepodporuje PATA, disk bude pracovat, ale nebude plně využita jeho rychlost. Pokud do rozhraní PATA připojíme disk IDE nebo EIDE, bude pracovat svou rychlostí, tj. rychlost PATA nebude plně využita. K připojení se používá kabel, který je stejně široký jako kabel EIDE, má rovněž 40 kontaktů v konektoru, ale místo 40 vodičů obsahuje 80 vodičů: Každý druhý vodič je spojen se zemí, aby se zlepšila ochrana proti rušení a přenos mohl být rychlejší.
5
IDE = Integrated Drive Electronics EIDE = Enhanced IDE = rozšířené IDE 7 ATAPI = AT Attachement Packet Interface 8 Další názvy: Ultra DMA, ATA-133, DMA-133, UDMA, PATA 9 Parallel ATA 6
38
Jak napovídají další názvy v poznámce pod čarou, Ultra ATA používá vysokorychlostní přímý přístup do paměti DMA10-33 (66, 100, ...), umožňující rychlost přenosu 33 (66, 100, ...) MB/s. Pro řízení přenosu se zde nepoužívá řadič DMA na základní desce, ale řadič vestavěný v jednotce disku. Podrobnosti o přímém přístupu do paměti budou uvedeny dále v kapitole o konfiguraci desek.
10.1.2 Rozhraní Serial-ATA Serial-ATA (SATA) je rozhraní pro připojení disků, které vývojově vychází z paralelního rozhraní ATA (≅ EIDE) a je s ním zpětně kompatibilní – ne sice hardwarově, ale softwarově. To znamená, že pokud BIOS, operační systém a aplikace pracují s paralelním ATA, budou pracovat i se sériovým. Data procházejí po kabelu sériově, to znamená, že se posílají po jednom bitu. SATA používá tenký kabel, jehož konektory mají pouze 7 kontaktů a jsou široké pouze 14 mm. Konektory jsou na obou koncích kabelu stejné, oba konce kabelu jsou tedy záměnné. Maximální délka kabelu je 1 m. Tenké, dlouhé a ohebné kabely umožňují snadnější instalaci disků, zlepšují proudění vzduchu uvnitř skříně. Konfigurace SATA je snadnější než EIDE také proto, že odpadá nutnost rozlišovat disky pomocí propojek master-slave. Adresy jednotlivých disků jsou jednoznačně určeny konektory, do kterých jsou disky připojeny.
Obrázek 7: Konektor SATA
10
DMA = Direct Memory Access = přímý přístup do paměti
39
Obrázek 8: Sedmipinový datový konektor SATA Typ SATA SATA-150 SATA-300 SATA-600
Obrázek 9: Napájecí konektor SATA
Šířka sběrnice Taktovací kmitočet Přenosová rychlost 1 1 500 MHz 150 MB/s 1 3 000 MHz 300 MB/s 1 6 000 MHz 600 MB/s Tabulka 8: Parametry jednotlivých typů SATA
SATA je levnou a rychlou konkurencí pro SCSI (viz dále). Je jednodušší na instalaci, levnější a zpětně kompatibilní s disky řady IDE (EIDE, Ultra ATA, PATA).
10.1.3 Rozhraní SCSI11 Zatímco EIDE je pouze rozhraní, SCSI je spíše systémová sběrnice s inteligentními řadiči a s vlastní CPU v každém SCSI zařízení. Tyto řadiče dokáží vzájemnou spoluprací maximálně využít kapacitu sběrnice. Řadiče dokážou vykonávat úlohy samostatně, takže SCSI zařízení méně zatěžují systémovou sběrnici a procesor. Využívá se při tom sdíleného řízení systémové sběrnice se současným provozem více procesorů. Těchto výhod se využívá v serverech s mnoha disky. SCSI dokáže kromě disků obsloužit i CD–ROM, scannery, optické disky, pružné disky ZIP a JAZ, páskové jednotky. Řadič je vestavěn přímo v zařízení (např. diskové jednotce), proto zásuvnou desku v počítači už nenazýváme „řadič“, ale „skupinový adaptér“. Tento adaptér je velmi jednoduchý, proto stihne obsloužit až 16 zařízení. SCSI zařízení mohou být interní (uvnitř počítače) i externí. Interní i externí zařízení mohou být připojena na jeden adaptér, např. tak, že kabel k interním zařízením vede na jednu stranu od desky adaptéru, kabel k externím na druhou stranu (Obrázek 10).
11
SCSI [skázi] = Small Computer Systems Interface = rozhraní malých počítačových systémů
40
Obrázek 10: Připojení externích a interních SCSI zařízení způsobem „daisy-chain“ Sběrnice musí být na zařízeních na koncích řetězců zakončená odpory. Tyto odpory bývají součástí každého zařízení a aktivují se propojkou nebo spínačem. Na zařízeních uvnitř řetězce odpory naopak nesmějí být aktivované. Všechna zařízení na sběrnici jsou rozlišena adresami, které mohou nabývat hodnot 0 – 15. Tyto adresy se nastavují posuvnými nebo otočnými přepínači na zařízeních. Žádná dvě zařízení nesmějí mít stejnou adresu. Rychlost přenosu je velká. Různé verze SCSI se liší řídicím kmitočtem a šířkou datové sběrnice. Rozhraní SCSI je výhodné především když • operační systém dokáže využít multitasking s během více úloh najednou • počítač má „inteligentní“ sběrnici s možností sdíleného řízení sběrnice s více CPU • chceme připojit více zařízení a jejich počet chceme v budoucnu rozšiřovat
10.1.4 Porovnání SATA a SCSI Disky SCSI jsou vhodné do náročných sestav diskových polí, např. RAID. Tam mohou mít disky SATA problémy, když se potřebují zotavit z drobné chybičky, která by jinak neměla velký vliv na spolehlivost a rychlost. Takové zotavení okamžik trvá, a během tohoto okamžiku disk neodpovídá a jeví se jako nedostupný. Pak může být kvůli tomu označen jako vadný. Diskovému poli pak může trvat i několik hodin, než přerovná svoje data. Během této doby je jeho funkce špatná. U disků SCSI je taková událost mnohem méně pravděpodobná.
41
Vlastnost Cena Výkonnost Snadnost použití
SATA Malá Velká pro jednoduché sestavy nebo jednoduché úlohy, malá pro složité sestavy nebo multitasking Dobrá pro malý počet zařízení, špatná pro velký počet zařízení
Rozšiřitelnost na velký počet Malá zařízení Podpora velkého počtu různých Ne druhů zařízení (scanner, ZIP, ...) Šíře sortimentu HDD, CD-ROM Velká
SCSI Velká Velká Velká pro velký počet zařízení Velká Ano Malá
Proč je SCSI dražší než SATA Náročnější hardware: Řadič v disku je složitější. Adaptér nebývá součástí základní desky, je nutno koupit ho jako zásuvnou kartu. Menší vyráběná množství: Výroba v menších sériích je dražší. Pověst, pověry: Zařízení SCSI jsou určena pro náročnější sestavy a pro zákazníky, kteří mají dost peněz. Zařízení SCSI jsou považována za lepší než SATA (i když v mnohých případech nejsou). To vše výrobcům umožňuje nasadit vyšší ceny.
10.2 Paralelní rozhraní Paralelní rozhraní obsahuje osm datových vodičů a několik vodičů pro řízení přenosu. Podle firmy, která je zavedla, se paralelní rozhraní často nazývá Centronics. PC může mít až tři paralelní porty12, které se nazývají LPT113 až LPT3. Pro připojení tiskárny se obvykle používal kabel s 36pólovým konektorem Centronics a 25pólovým konektorem DSUB (sameček). V obchodě ho dostaneme pod názvem „kabel Centronics“, nebo „paralelní kabel k tiskárně“. Datové vodiče původně byly jednosměrné (z počítače ven), nyní umožňují i přenos z připojeného zařízení do počítače. Obousměrnost paralelního rozhraní je nutná pro zpětný přenos informací z moderních tiskáren a pro připojení dalších zařízení, např. jednotky ZIP. Paralelní porty se zvýšenou rychlostí přenosu se nazývají EPP14. Jsou velmi vhodné pro zařízení, která jejich rychlost mohou využít, např. jednotky ZIP. Mód paralelních portů (Normal, EPP, případně další) bývá možno nastavit programem SETUP. Paralelní rozhraní používá 25kolíkové konektory. Konektor na zadní stěně počítače je „samička“.
10.3 Sériové rozhraní Sériové rozhraní se nazývá také asynchronní nebo RS15 232. Je to obousměrné rozhraní pro nízké a střední rychlosti přenosu. Data jsou přenášena sériově po jednotlivých bitech. Rychlost přenosu bývá do 115 000 bitů/s. Sériové rozhraní se používá k připojení myši, modemu16, databanky, k propojení počítačů mezi sebou.
12
port = konkrétní konektor, kterým rozhraní vystupuje z počítače LPT = Line PrinTer = linková tiskárna 14 EPP = Enhanced Parallel Port 15 RS = Recomended Standard = doporučená norma 16 modem = MODulátor + DEModulátor. Zařízení pro přenos dat pomocí telefonního vedení. 13
42
Jména portů sériového rozhraní v DOSu jsou COM1 a COM2. Teoreticky jsou možné i COM3 a COM4, ale ty mají omezené použití, protože většina PC dovede obsluhovat pouze dva sériové porty. Proto je možno mít COM1 nebo COM3, ale ne oba, COM2 nebo COM4, ale ne oba. COM1 totiž používá stejné přerušení jako COM3, COM2 používá stejné přerušení jako COM4. Máme-li v počítači instalovány porty COM1 a COM2 a instalujeme kartu modemu, která si přináší třetí sériový port, mohou nastat problémy. Sériové rozhraní používá 25kolíkové a 9kolíkové konektory. 9kolíkový konektor obsahuje pouze podmnožinu signálů, které pro většinu aplikací postačují. Konektor na zadní stěně počítače je „sameček“.
Cvičení Jak dlouho asi bude trvat přenos 100 MB z jednoho počítače na druhý při použití sériového rozhraní s rychlostí přenosu 115 000 bitů/s?
10.4 USB17 USB je rychlé rozhraní s obousměrným sériovým přenosem dat.
Propojení K jednomu počítači lze připojit až 127 zařízení. Zařízení jsou připojována hvězdicově (Obrázek 11). K rozvětvení se používají rozbočovače (anglicky hubs). Rozbočovače jsou buď samostatné (na obrázku External Hubs), nebo vestavěné v nějakém zařízení. Zařízení s vestavěným rozbočovačem se nazývá kombinované zařízení. Např. klávesnice na obrázku obsahuje rozbočovač, který umožňuje připojit jedno další zařízení, např. myš. Signál nesmí k určitému zařízení procházet přes více než pět rozbočovačů.
Kabely Jednotlivé propojovací kabely mohou mít délku až 3m (nestíněné, pro menší přenosovou rychlost), nebo až 5m (stíněné, pro větší přenosovou rychlost). Kabel obsahuje čtyři vodiče: VCC, -Data, +Data, Ground. Konektor je na každém konci kabelu jiný. Konektory se do protikusů neupevňují šroubky, pouze se zaklapnou.
17
USB = Universal Serial Bus
43
Obrázek 11: Příklad připojení vnějších zařízení pomocí rozhraní USB
Rychlost USB 1.0 poskytuje dvě přenosové rychlosti: 12 Mb/s a 1,5 Mb/s. Pro využití vyšší rychlosti musí být vhodný kabel a musí být splněny určité požadavky na napájení rozbočovačů. Verze USB 2.0 umožňuje přenosovou rychlost až 480 Mb/s.
Napájení Připojená zařízení mohou být z rozhraní USB i napájena. Kabelem se rozvádí 5V/0,5A. Pokud zařízení nemá vlastní napájecí zdroj a je tedy napájeno z USB, pak pro další zařízení, připojené na jeho rozbočovač, už je k dispozici pouze omezená kapacita napájení.
Výhody Systém s USB je skutečně "Plug and Play". To znamená, že zařízení lze k počítači připojovat nebo je odpojovat, aniž by bylo nutné počítač vypínat, restartovat, nebo instalovat ovladače pro nové zařízení. Nově připojené zařízení je ihned automaticky identifikováno a jsou mu automaticky přiděleny potřebné ovladače. Všechna zařízení (až 127), připojená k jednomu počítači, používají pouze jedno přerušení (IRQ). To velmi usnadní instalaci tam, kde by jinak docházelo ke konfliktům mezi požadavky na přerušení od připojených zařízení. Na základní desce je možno ušetřit konektory pro zásuvné desky, které by jinak byly nutné k připojení některých zařízení. K propojení systému stačí méně (a tenčích) kabelů.
Podmínky využití Operační systém Windows 95 OSR 2.1 nebo vyšší. Základní deska s výstupem USB (nebo adapter PCI→USB).
10.5 IEEE 1394 (FireWire, i.Link) IEEE 1394 je rychlé rozhraní s obousměrným sériovým přenosem dat. Název FireWire zavedla firma Apple, i.Link firma Sony.
Propojení K jednomu počítači lze připojit až 63 zařízení. Zařízení mohou být připojována kaskádovitě jedno za druhým (daisy-chain).
44
Kabely Propojovací kabely mohou mít délku až 4,5 m. Úplný kabel obsahuje šest vodičů: jeden pár datový, jeden pár hodinový, +5V, zem. Konektory jsou šestikolíkové (obsahují všechny signály) a čtyřkolíkové (nemají napájení). Čtyřkolíkové konektory se používají např. u videokamer, které mají vlastní napájení.
Rychlost Verze 1394 (skoro totožná s 1394a) má přenosovou rychlost 200 až 400 Mb/s. Verze 1394b umožní rychlosti až 1600 Mb/s a později dokonce 3200 Mb/s.
Napájení Připojená zařízení mohou být z rozhraní 1394 i napájena. Kabelem se rozvádí 5V/1,5A.
Výhody Systém s 1394 je skutečně "Plug and Play". To znamená, že zařízení lze k počítači připojovat nebo je odpojovat, aniž by bylo nutné počítač vypínat, restartovat, nebo instalovat ovladače pro nové zařízení. Nově připojené zařízení je ihned automaticky identifikováno a jsou mu automaticky přiděleny potřebné ovladače.
Využití Připojení rychlých zařízení, jako jsou videokamery, skenery, tiskárny, HDD, CD-ROM.
45
11. Vnější paměti 1. Literatura: Computer 99/3/58 Disketové jednotky, pevný disk, optické disky, magnetopáskové jednotky, výměnné disky ZIP a JAZ, flash disky, jsou tzv. vnější paměti počítače. Od vnitřní paměti počítače se liší tím, že mohou být umístěny i vně počítače, přičemž jsou s počítačem obvykle propojeny kabelem. Další odlišností je to, že obvykle obsahují nejen polovodičové, ale i mechanické (pohyblivé) díly.
11.1 Disketové a diskové jednotky Mechanické uspořádání a organizace dat jsou u diskových i disketových jednotek obdobné. Proto pro ně budeme většinou používat společný název „disky“. Informace se v soustředných kružnicích zapisují do magnetické záznamové vrstvy, která je nanesena na otočný kotouč. Narozdíl od páskových pamětí (např. magnetofon u osmibitových počítačů) lze informace zapisovat i číst v libovolném pořadí. Doba potřebná k nalezení informace je dána především dobou, kterou čtecí hlava potřebuje pro přesun nad příslušnou stopu. Médium pevných disků i disket se před prvním použitím musí formátovat. Disketové jednotky i pevný disk potřebují pro svoji činnost adaptér. Ten bývá buď na zvláštní kartě, nebo na základní desce. Pokud je na základní desce, lze ho při poruše nastavením v SETUPu odstavit a použít adaptér na zvláštní kartě.
11.1.1 Disketové jednotky Záznamové médium u disketové jednotky (FDD - Floppy Disk Drive) je výměnné. Disketa je tenký ohebný kotouč z plastické hmoty pokrytý magnetickou vrstvou. Je uzavřený v pouzdře z papíru nebo plastu. Rozměr Kapacita 3.5" 720k, 1.44M Diskety s menší kapacitou lze nouzově formátovat i v jednotce pro větší kapacitu, např. disketu 720k v jednotce 1.44M. Záznam pak ale nemusí být spolehlivý: Úzká hlavička 1.44M nemůže na disketě vytvořit široké stopy odpovídající hustotě 720k. Vůbec se nedoporučuje diskety ani jiná média formátovat na vyšší kapacitu, než pro kterou jsou určeny. Akce může být zpočátku zdánlivě úspěšná, později se ale data vytrácejí.
11.1.2 Pevné disky Pevný disk (HDD - Hard Disk Drive) je vzduchotěsně zabudován v pouzdře, proto jeho médium nelze vyměňovat. Jeho mechanika je velmi jemná. Má velkou záznamovou kapacitu. Obsahuje několik disků s několika záznamovými hlavami. Je podstatně rychlejší než disketová jednotka. Kapacita je podstatně větší než u disket: 80 – 120 – ... 300 ....GB.
11.1.3 Geometrie: Hlavy, stopy, cylindry, sektory, clustery Pevný disk obsahuje jeden nebo více otočných kotoučů pokrytých z každé strany magneticky tvrdým materiálem. Kotouče jsou na společné ose a otáčejí se synchronně. Ke každé straně každého kotouče přiléhá jedna čtecí/záznamová hlava. Všechny hlavy jsou na společném mechanismu, který je všechny najednou nastavuje do potřebné vzdálenosti od středu kotoučů.
46
Záznam se na kotouče ukládá v soustředných stopách. Tyto stopy jsou neviditelné, jsou vytvořeny magneticky. Narozdíl od gramofonu nebo CD jsou tyto stopy kruhové, nikoliv spirálové. Každá stopa je rozdělena na určitý počet sektorů. Nejmenší možná oblast, kterou je možno na disku adresovat (alokovat) se podle typu disku skládá z jednoho nebo více sektorů a nazývá se cluster. Stopy stejného průměru na Obrázek 12: Vnitřní uspořádání pevného disku všech površích kotoučů tvoří pomyslné válce neboli cylindry. Protože jsou hlavy na společném mechanismu, jsou vždy všechny nastaveny ve stejném cylindru.
Příklad Disketa 3,5“ 1,44 MB má jeden kotouč, ten má dva povrchy, na každém povrchu je 80 stop, každá stopa je rozdělena na 18 sektorů. Kapacita jednoho sektoru je 512 bajtů. Celková kapacita diskety je proto 2 x 80 x 18 x 512 = 1 474 560 bajtů.
11.1.4 Systémy ukládání souborů a) FAT 1.
1. 1. 1. 2.
Souborový systém FAT používá tzv. alokační tabulku souborů (File Alocation Table = FAT). V této tabulce jsou uloženy informace o umístění (alokaci) souborů a jejich částí. Každý oddíl (partition) má dvě shodné tabulky FAT, které se vzájemně zálohují. Na disku jsou uloženy takto: Zaváděcí záznam
1.
FAT1 1.
FAT2 1.
Kořenový adresář
1.
Ostatní adresáře a soubory
Podrobnosti o tabulce FAT budou uvedeny dále.
FAT 16 1. 1.
1. 2.
Systém FAT16 byl využit v systému MS-DOS a v první verzi Windows 95. Jednotlivé clustery jsou očíslovány šestnáctibitovými čísly. To znamená, že může být vytvořeno nejvýše 216 = 65 536 clusterů, přičemž maximální velikost jednoho clusteru je 64 kB. Z toho vyplývá i maximální kapacita oddílu naformátovaného tímto systémem: 1. 216 * 64 kB = 4 GB Při clusterech velkých až 64 kB se však zbytečně plýtvá místem na disku při ukládání malých souborů, protože žádný soubor nemůže zabrat na disku méně místa než jeden celý cluster. FAT16 se už proto nepoužívá.
FAT 32 1.
FAT32 se využívá v systémech Windows od verze 95 OSR2. 47
1.
Clustery jsou očíslovány dvaatřicetibitovými čísly. Proto jich může být podstatně víc a mohou být menší. Disk může mít velkou kapacitu a přitom se neplýtvá kapacitou při ukládání malých souborů.
b) NTFS18 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
NTFS se využívá v operačních systémech řady NT (Windows NT, 2000, XP). I velké disky mohou mít malé clustery, proto se zbytečně neplýtvá kapacitou při ukládání malých souborů. Pro pojmenování souborů se používá 16bitové kódování Unicode, což umožňuje pojmenovat soubor v libovolném jazyce. Logické disky i soubory mohou být rozprostřeny přes více fyzických disků. Poškozené soubory mohou být rekonstruovány. NTFS používá tzv. transakční zaznamenávání akcí, což při pádu systému dává možnost obnovit data. Např. přemístění souboru se skládá ze dvou operací: a) Kopírování souboru na nové místo b) Vymazání souboru na starém místě Proběhnout musí buď obě operace, nebo žádná. Pokud by proběhla jen jedna operace, buď se bude tentýž soubor vyskytovat na obou místech, nebo na žádném. Oba případy jsou špatné (druhý je asi horší). V transakčním systému se operace zaznamenávají tak, že v případě výskytu chyby je možno tyto záznamy využít k návratu do posledního správného stavu.
1.
c) Porovnání systémů uložení souborů Teoretické hranice velikostí souborů a oddílů nejsou vždy využívány. Praktické využité hranice mohou být v různých operačních systémech rozdílné. 1.
Maximální velikost oddílu
Systém
Maximální velikost souboru
FAT16
4 GB
1.
4 GB
FAT32
4 GB
1.
32 GB
NTFS
16 TB
1.
256 TB
Tabulka 9: Maximální velikost souboru a oddílu v různých systémech ukládání (typické hodnoty dle firmy Microsoft) 1. 1.
Z tabulky je vidět, že systémy FAT nejsou vhodné pro zpracování videa, kde je nutno pracovat s velkými soubory (např. jedna hodina záznamu Mini DV zabírá na disku 13,5 GB).
11.1.5 Organizace dat v systémech FAT a) Alokační tabulka: FAT19 Definice Alokační tabulka je speciální oblast na disku, která obsahuje informace o poloze uložených souborů a jejich částí. Poprvé je vytvořena při formátování disku. Není volně přístupná 18 19
NTFS = New Technology File System FAT = File Allocation Table = tabulka umístění souborů
48
uživateli a upravuje se automaticky při manipulacích se soubory a adresáři na disku. Kvůli bezpečnosti se obvykle vytvářejí a udržují dvě stejné kopie tabulky. Pak se dají snadno zjistit nesrovnalosti a chyby a případně je odstranit porovnáním obou tabulek. FAT bývá často napadána viry, protože je to jednoduchý způsob, jak zabránit přístupu k datům.
Účel Adresář obsahuje informaci o poloze počátečního clusteru, FAT určuje, kde leží zbytek (zbytky) souboru. Číslo počátečního clusteru tedy představuje propojení mezi adresářem a FAT.
Organizace Každý cluster na disku má odpovídající položku (tj. jedno číslo) v tabulce FAT. Toto číslo může v systému FAT16 nabývat těchto hodnot: Hodnota Význam 0000 Cluster není přiřazen (využit), je volný FFFF (EOF = End Of File) Poslední cluster souboru FFF7 (Bad = špatný) Cluster obsahuje vadné sektory a nesmí se používat Jiné číslo Ukazatel na další cluster souboru Každému clusteru na disku tedy náleží jedna položka v tabulce FAT, která říká, že Cluster je volný 0000 Příslušný soubor v tomto clusteru končí FFFF Cluster je vadný, nemá se používat FFF7 Pokračování souboru se najde v clusteru číslo ... např. 4B8E
Velikost clusteru Šířkou čísel ve FAT je dán počet nejmenších adresovatelných částí disku – clusterů. Jsouli čísla ve FAT 16bitová, disk může obsahovat až 216 = 65536 clusterů. Velikost clusteru je proto určena podílem kapacita logického disku 65536 Přitom ale velikost clusteru v bajtech musí být vyjádřena nejbližší vyšší mocninou dvou. Proto, kdyby velikost clusteru podle uvedeného podílu vycházela např. 7565 bajtů, velikost clusteru musí být nejbližší vyšší mocnina dvou, tj. 8192 (= 213). Protože takto nahoru zaokrouhlená velikost je větší, vejde se těchto zaokrouhlených, větších, clusterů méně než 65 536.
Příklad Disk má kapacitu 2 112 455 000 bajtů. Velikost clusteru (nezaokrouhlená) by byla 2 112 455 000 = 32 223,5 bajtů 65536 Nejbližší vyšší mocnina dvou je 215 = 32 768. Proto velikost clusteru musí být 32 768 bajtů. Počet clusterů této velikosti, které se vejdou do kapacity disku, bude 2 112 455 000 = 64 467 32 768 V systému FAT16 čím větší disk, tím větší jsou clustery. Jelikož je cluster nejmenší adresovatelnou částí disku, nelze do něj zapsat víc než jeden soubor, i kdyby přitom ani zdaleka 49
nebyla využita kapacita clusteru. Kdybychom totiž do jednoho clusteru zapsali dva soubory, měly by oba soubory stejnou adresu (tj. číslo clusteru), a to je nepřípustné. Když tedy do clusteru o velikosti 32 768 bajtů zapíšeme soubor o velikosti 50 bajtů, zabereme na disku ne 50 bajtů, ale celou kapacitu clusteru, tj. 32 768 bajtů. Dvaatřicetibitová tabulka FAT umožňuje použití menších clusterů a tím zabraňuje přílišnému plýtvání kapacitou disku.
Příklad uložení souboru v systému FAT16 Soubor REFERAT.TXT má 11 120 bajtů a je uložen na disku, kde jeden cluster má 2 048 bajtů. Začátek souboru je uložen v clusteru č. 40. Adresář udává (kromě jiného) také tyto informace o souboru:
Položka Jméno Přípona Počáteční cluster Velikost
Obsah REFERAT TXT 40 11 120
Soubor by měl zabrat 11 120 = 5,43 clusteru. 2 048 Protože ale clustery nejsou přidělovány po částech, ale vždy jenom celé, bude tomuto souboru přiřazeno 6 clusterů, tj. 12 288 bajtů. Tabulka FAT bude v příslušných položkách obsahovat např. tyto hodnoty: Položka č. Hodnota Význam ....................... .......................... .......................... 39 FFFFH EOF, konec nějakého jiného souboru 40 41 41 42 číslo clusteru s následující částí souboru 42 44 43 FFF7H vadný cluster 44 102 číslo clusteru s následující částí souboru ....................... .......................... .......................... 102 103 číslo clusteru s následující částí souboru 103 FFFFH EOF, konec souboru
b) Adresáře Adresáře (složky) jsou útvary na disku, které slouží k seskupování a organizování souborů a dalších adresářů. Pro každý soubor nebo další adresář, které jsou v adresáři uloženy, je v adresáři záznam o délce 32 bajtů, který obsahuje informace o něm (Tabulka 10).
50
Popis Velikost [B] Jméno 8 Přípona 3 Atributy 1 Rezerva 10 Datum poslední aktualizace 2 Čas poslední aktualizace 2 Počáteční cluster 2 Velikost souboru 4 Celkem 32 Tabulka 10: Informace, které jsou o každém souboru uloženy v jeho adresáři
Jméno může mít v DOSu nejméně jeden, nejvýše 8 znaků. Nesmí obsahovat jiné znaky, než písmena bez diakritiky a číslice (plus několik výjimek, které však raději nepoužívat). Jméno je využito také pro označení smazaných souborů: Smazaný soubor se ve skutečnosti nesmaže, pouze se označí jako smazaný. Označení se provede nahrazením prvního znaku jména speciálním znakem E5H20. Tím dá systém na vědomí, že prostor, zabraný tímto souborem, může být využit pro zápis jiného souboru. Pokud si po nechtěném vymazání souboru uvědomíme chybu včas, můžeme pomocí dosovského příkazu UNDELETE nebo nějakého manažeru soubor obnovit. Přitom musíme zadat první písmeno jména, které bylo přemazáno. Přípona může mít nula až tři znaky (není tedy povinná). Pokud záznam patří jménu disku („Volume Label“), je pro toto jméno použit prostor „Jména“ i „Přípony“. Proto jméno disku může mít až 11 znaků. Atributy dávají bližší informace o tom, jak by se mělo se souborem nebo adresářem zacházet. Využití atributů Read-Only 00000001 ale není při zpracování souborů povinné. Například je-li atribut Hidden 00000010 „Read-Only“ nastavený na 1, diskový manažer při pokusu o mazání souboru může (ale nemusí) obsluhu varovat. System 00000100 V kořenovém adresáři má svůj záznam i jméno disku. Volume Label 00001000 V tomto záznamu je atribut „Volume Label“ nastavený na 1. „Directory“ odlišuje adresář od souboru. Directory 00010000 „Archive“ se nastaví vždy, když se v souboru provede Archive 00100000 změna. Pokud zálohovací program po každém zálohování tento Tabulka 11: Atributy bit smaže, bude při příštím zálohování vědět, které soubory se od poslední zálohy změnily. souboru nebo adresáře Attribute
Bit Code
Datum a čas informují o tom, kdy byl soubor nebo adresář naposled změněn. Počáteční cluster obsahuje číslo clusteru, ve kterém je umístěn začátek souboru nebo adresáře. Další části souboru nebo adresáře se pak hledají podle alokační tabulky FAT. Velikost souboru jednak informuje o velikosti souboru v bajtech, jednak může být použita při kontrole celistvosti souborů: Pokud udávaná velikost souboru neodpovídá počtu clusterů, které má soubor zabírat podle tabulky FAT, je zřejmé, že je někde chyba. Některé z uvedených informací zobrazuje dosovský příkaz DIR.
20
Při zobrazení takového souboru příkazem UNDELETE nebo nějakým manažerem je tento první znak obvykle zobrazován jako otazník.
51
c) Kořenový adresář Kořenový adresář (root directory) je na disku jediný. Je základem celé adresářové struktury, z něj se rozbíhají ostatní adresáře. Počet položek (souborů a adresářů) v kořenovém adresáři je omezený, protože kořenovému adresáři je vyhrazena pevná oblast disku, kterou už nelze po jejím vytvoření rozšiřovat. Nemůžeme tedy do kořenového adresáře nahrát libovolný počet malých souborů, i kdyby přitom nebyla překročena kapacita disku. Například do kořenového adresáře diskety 1,44 MB lze nahrát 224 souborů. Pokud potřebujeme na disketu nahrát více souborů, vytvoříme podadresář a do něj soubory umístíme.
Cvičení: Jak velké místo (v bajtech) je na disketě 1,44 MB vyhrazeno kořenovému adresáři?
d) Podadresáře Každý podadresář má ve svém nadřízeném adresáři dvaatřicetibajtový záznam, který obsahuje informace, uvedené výše. V tomto záznamu je atribut „Directory“ nastaven na 1 a v položce „Velikost souboru“ je nula. Podadresáře jsou umístěny v datové oblasti disku. Proto mohou obsahovat libovolný počet souborů a podadresářů (výše uvedená Tabulka 10 se v něm může opakovat pro tolik souborů, dokud stačí kapacita disku). V každém adresáři je i záznam, obsahující údaje o něm samém. V položce „Jméno“ je tam uvedeno „.“ (tečka). To umožňuje programům, aby si zjistily, ze kterého adresáře byly spuštěny. Dále je v každém adresáři i záznam, obsahující údaje o nadřízeném adresáři. V položce „Jméno“ je tam uvedeno „..“ (dvě tečky). Popsané uspořádání adresářů a podadresářů umožňuje procházet strukturou adresářů oběma směry.
e) Dlouhé názvy souborů Systém dlouhých názvů musí být kompatibilní s původním systémem krátkých názvů. To znamená, že staré DOSovské programy musí soubor s dlouhým názvem vidět pod jednoznačným krátkým názvem a zároveň nesmějí systém dlouhých názvů poškodit. Soubor s dlouhým názvem dostane do svého záznamu v adresáři do položky „Jméno“ tzv. alias, což je krátké jméno, pod kterým se soubor jeví pro DOSovské programy. Alias se vytvoří z prvních šesti znaků dlouhého názvu (přičemž se vynechají mezery a další nepřípustné znaky), ke kterým se přidá pořadové číslo tak, aby krátký název byl v rámci svého adresáře jednoznačný. Např. pro dlouhý název „11 Disky Rozhraní.doc“ se vytvoří alias „11DISK~1.DOC“. Pokud by v tomtéž adresáři existoval ještě soubor „11 Disky Zálohování.doc“, dostal by tento soubor alias 11DISK~2.DOC“. Tak je zajištěno, že DOSovské programy vidí soubor pod přijatelným a jednoznačným DOSovským názvem. Dlouhé jméno se pak uloží do dalších záznamů (každý po 32 bajtech). Aby DOSovské programy nebyly zmatené z těchto dalších záznamů, které pro ně nedávají smysl, nastaví se atributy těchto záznamů tak, aby si jich DOSovské programy nevšímaly. Proto se nastaví atributy Read-only, Hidden, System a Volume label. Tato kombinace atributů je natolik nesmyslná, že DOSovské programy si těchto záznamů opravdu nevšímají. Některé chytřejší programy, např. Norton Disk Doctor, ale považují takovou kombinaci atributů za chybu a iniciativně takovou „chybu“ opraví. Tím v okamžiku zničí strukturu dlouhých názvů na disku. Další problém může nastat se zálohovacími programy, které vidí pouze krátké názvy (alias), a pod těmi také ukládají soubory do zálohy. Když potom někde nastane chyba a my chceme obnovit soubory ze zálohy, zjistíme, že dlouhé názvy zmizely.
52
11.1.6 Systémové disky a) Hlavní zaváděcí záznam - Master Boot Record Systémový disk (disketa ale ne) obsahuje takzvaný hlavní zaváděcí záznam (Master Boot Record, MBR). MBR je program, jehož úkolem je najít a zaregistrovat všechny logické disky, potom najít zaveditelný oddíl (bootable, active partition), načíst program v jeho prvním sektoru (= DBR, viz dále) do paměti a předat tomuto programu další řízení. Zaveditelný oddíl najde podle tabulky, která je součástí MBR a nazývá se tabulka rozdělení disku na oddíly (Partition Table).
b) Zaváděcí záznam - DOS Boot Record Systémový disk (i disketa) obsahuje tzv. zaváděcí záznam DOSu (DOS Boot Record, DBR). DBR je program, jehož úkolem je najít dva skryté systémové programy (IO.SYS a MSDOS.SYS), načíst je do paměti a předat řízení IO.SYS.
c) Činnosti počítače při zavádění systému DOS Dále předpokládejme, že daný počítač může zavádět systém z jednotek A: a C: a to v uvedeném pořadí. Činnosti počítače při zavádění systému pak jsou následující: • Obrátí se na jednotku A: aby zjistil, je-li připravená zavést systém. • Dejme tomu, že jednotka A: není připravená. Obrátí se tedy na jednotku C:. • Z jednotky C: načte do paměti hlavní zaváděcí záznam (MBR – Master Boot Record) a spustí program v něm obsažený. Tento program najde zaveditelný oddíl (bootable, active partition). • Načte do paměti zaváděcí záznam DOSu (DBR – DOS Boot Record) a spustí program v něm obsažený. • DBR načte do paměti skryté soubory IO.SYS a MSDOS.SYS a spustí program v IO.SYS. • IO.SYS načte a interpretuje CONFIG.SYS. • IO.SYS načte z kořenového adresáře příkazový soubor COMMAND.COM a předá mu řízení. • COMMAND.COM načte a provede AUTOEXEC.BAT.
11.1.7 Fyzické umístění hlavních oblastí disku v systému s FAT Hlavní oblasti jsou na disku umístěny v tomto pořadí: a) hlavní zaváděcí záznam – MBR b) zaváděcí záznam DOSu – DBR c) tabulka umístění souborů – FAT d) kořenový adresář e) data Položka a) je na pevném disku jen jediná. Na disketě není vůbec, protože disketu nelze dělit na oddíly a logické disky. Položky b) až e) se na fyzickém disku vyskytují tolikrát, kolik logických disků fyzický disk obsahuje. Zaváděcí záznamy DOSu, které jsou na logických discích v rozšířeném oddílu (extended partition), zůstávají nevyužité. Při startu počítače je použit pouze zaváděcí záznam na primárním oddílu (primary partition). Položky MBR, DBR a kořenový adresář mají předem danou velikost. Z toho vyplývá, že maximální počet položek (souborů a/nebo adresářů) v kořenovém adresáři je omezený. Pokud na takové omezení narazíme např. při ukládání velkého počtu souborů, můžeme vytvořit podadresář a soubory uložit do něj. Rozměr podadresáře totiž už není omezen a přizpůsobí se počtu v něm obsažených souborů / adresářů, protože podadresáře jsou umístěny v datové oblasti disku.
53
Počet položek FAT je roven počtu clusterů v datové oblasti. Pokud při vytváření clusterů byl rozměr clusteru zaokrouhlen směrem nahoru, pak počet clusterů bude menší než 216 = 65 536. Celkový rozměr všech „služebních“ oblastí je určen při rozdělování disku na oddíly (partitions) a na logické disky programem FDISK.
54
11.2 Jednotky CD-ROM Chip 4/2000 str. 78; PC Magazine 4/2000 str. 120; www.cdr.cz Kompaktní disk (CD = Compact Disc) je optické paměťové médium, které se čte pomocí laseru. Kompaktní disky umožňují uložení velkého množství dat. Některé jsou určeny jen pro čtení (CD ROM21), některé umožňují i jednorázový zápis (CD-R22), případně opakované přepsání (CD-RW23). Užívají se pro distribuci velkých programových a datových balíků a pro zálohování dat.
11.2.1 Způsob uložení dat a) Fyzikální princip Počítačové disky CD používají stejný fyzikální princip jako audio disky. Používají ale speciální datový formát, který umožňuje ukládat počítačová data. Zatímco na magnetickém disku je mnoho soustředných stop, záznam na CD má podobu jediné spirály, dlouhé asi 5 km. Záznam je tvořen 1. jamkami („pits“) ve spirále. 1. Obrázek 13: Řez kompaktním diskem ukazuje vrstvy, ze Zbývající povrch spirály se kterých se disk skládá. nazývá pevnina („land“). Vrstva se záznamem je těsně pod potiskem nebo nálepkou. Proto je disk citlivější na poškrábání ze strany potisku než z druhé strany. Mechanickým nosičem je disk z průhledné umělé hmoty o tloušťce asi 1,2 mm. Čtecí hlava se pohybuje tak, že může číst místa od vnitřního až po vnější průměr disku. Vysílací část hlavy vysílá pomocí laserové diody laserový paprsek. Ten se od pevniny odrazí dobře, od jamek se odrazí málo. Snímací část hlavy vyhodnotí množství odraženého 1. světla a podle toho se 1. Obrázek 14: Způsob kódování nul a jedniček. Přechod určí, zda na osvětleném místě disku je jamka land → pit nebo pit → land = 1, žádný přechod = 0. nebo pevnina.
21
CD-ROM = Compact Disc Read Only Memory CD-R = ..... Recordable = .... zapisovatelné 23 CD-RW = .... Recordable, reWritable = .... zapisovatelné, přepisovatelné 22
55
b) CD-ROM U disku CD-ROM se na nosič z průhledného plastu mechanicky vylisuje obrazec spirálové stopy s jamkami („pits“) a hladkými plochami („land“). Pak se tento obrazec pokryje tenkým kovovým povlakem a na ten se nanese ochranný lak.
c) CD-R CD-R mají předlisované spirálové stopy, které vedou záznamový laser. Mezi průhledným nosičem a odraznou kovovou vrstvou je tenká vrstva barviva, citlivého na světlo. Při zápisu se na tuto vrstvu zaostří laserový paprsek velké intenzity, který způsobí trvalou změnu barvy barviva. Takto osvětlená místa mají menší odrazivost a chovají se tedy při čtení jako jamky. Protože je změna barvy trvalá, je možno na určité místo disku zapisovat jen jednou. Barvivo je citlivé na intenzivní světlo. Dlouhodobé osvětlení přímým sluncem může způsobit ztrátu dat.
d) CD-RW U disku CD-RW je odrazná vrstva vytvořena ze slitiny, která může být buď v krystalickém stavu (pak má velkou odrazivost), nebo v amorfním24 stavu (pak má malou odrazivost). Při vytváření „jamek“ se velkým výkonem zapisovacího laseru odrazná vrstva zahřeje na velkou teplotu, asi 500-700 °C, při které se vrstva dostane do kapalného stavu. Po vychladnutí se vrstva dostane do amorfního stavu, ve kterém má malou odrazivost. Tím se vytvářejí jamky, tj. místa s malou odrazivostí. Při mazání se menším výkonem zapisovacího laseru odrazná vrstva zahřeje na menší teplotu, asi 200 °C. Po vychladnutí se vrstva dostane do krystalického stavu, ve kterém má velkou odrazivost. Tím se vytvářejí pevniny, tj. místa s velkou odrazivostí. Při zápisu nových dat laser střídá velký a malý výkon a tím zapisuje jamky a pevniny. Popsané procesy se podobají procesům, užívaným při zpracování oceli: Kalením se vytváří krystalická, tvrdá struktura oceli. Žíháním se vytvoří amorfní, měkká struktura.
11.2.2 Detekce a oprava chyb Kompaktní disky jsou velmi odolné proti poškození dat. Částečky prachu nebo dokonce škrábance na povrchu disku nemusí způsobit snížení kvality zvuku nebo chybu čtení dat. Ochrana proti ztrátě dat má několik úrovní: • samoopravný kód - Error Correcting Code - ECC • interpolace • přídavný samoopravný kód Samoopravný kód užívá přídavné informace nahrané na disku a speciální rozmístění dat. Pomocí speciálního algoritmu25 je pak možno zjistit a opravit chybějící data. Pokud nelze obnovit data pomocí samoopravného kódu, je možno u audio přehrávačů použít tzv. interpolaci26. Například z posloupnosti čísel 400, 525, 650, 825, 1100 kvůli chybě jedna hodnota vypadne: 400, 525, 650, ___, 1100. Pomocí lineární interpolace můžeme chybějící hodnotu odhadnout jako střední hodnotu mezi 650 a 1100, což je 875. Tato hodnota sice není přesná, ale pro reprodukci zvuku je dostatečně blízká. Lidské ucho není schopné takovou chybu rozpoznat.
24
Amorfní = beztvarý, nekrystalický algoritmus = postup řešení problému 26 interpolace = odhad mezihodnot na základě znalosti sousedních hodnot 25
56
U počítačových dat a programů na CD-ROM je interpolace bezcenná. V posloupnosti bajtů počítačového programu musí být všechny hodnoty přesné, žádnou nelze odhadovat. S nepatrně odlišnou hodnotou i jediného bajtu by funkce programu mohla být zcela jiná. Proto CD-ROM používají ještě přídavný samoopravný kód. Na každých 2 048 bajtů dat se přidá ještě dalších 304 bajtů pro detekci a opravu chyb. Za cenu obětování části kapacity získáváme mimořádně velkou odolnost proti ztrátě dat.
11.2.3 Kapacita Na datový disk lze uložit asi 650 MB „užitečných“ dat. Protože ale na každých 2 048 bajtů "užitečných" dat je nutno nahrát i 304 bajtů pro detekci a opravu chyb, skutečná kapacita disku proto musí být větší než 650 MB (asi 747 MB, viz dále odstavec o CD-DA). Hudební CD nepoužívají tak důkladné zabezpečení, proto se na ně vejde více "užitečných" bajtů. Standardní hudební CD má kapacitu 74 minut zvukového záznamu (650 MB dat). Nové disky mají kapacitu 80 minut hudebního záznamu (700 MB dat).
11.2.4 Způsoby vkládání disků a) Výsuvné lůžko CD se vkládá do lůžka, které se mechanicky vysouvá z jednotky. Lůžko se zasouvá zpět buď po stisku tlačítka, nebo zatlačením na lůžko, nebo po určité době automaticky. Nevýhody: Zranitelnost: Při nesprávném vložení se disk může vzpříčit a může se poškodit jak disk, tak jednotka. Také se to může stát, když během dlouhé manipulace s diskem se lůžko náhle automaticky zasune. Nemožnost svislé orientace disku: Disk nemůže být vkládán a používán ve svislé poloze, protože za provozu by nebyl správně veden a po vysunutí by z lůžka vypadl. Některé jednotky mají po obvodu disku držáčky, které vysunutý disk přidrží i ve svislé poloze. Tyto jednotky je možno montovat i svisle.
b) Přímé vkládání Přímé vkládání se používá hlavně u přehrávačů pro automobily a domácnosti.
11.2.5 Konektory a přepínače na zadní straně Konektory a přepínače na zadní straně jednotky CD-ROM jsou obdobné jako u pevných disků: Přepínač Master – Slave – Cable Select, čtyřkolíkový konektor pro napájení, konektor EIDE nebo SCSI. Proti pevným diskům jsou zde konektory navíc: • čtyř nebo tříkolíkový konektor pro přímé propojení zvukového výstupu jednotky CD-ROM a vstupu zvukové karty • konektor pro výstup zvukového signálu v digitální podobě (některé jednotky)
11.2.6 Konektory a ovládací prvky na panelu • • • • • •
Tlačítko pro vysunutí / zasunutí lůžka Výstup pro stereofonní sluchátka Regulace hlasitosti pro sluchátkový výstup Tlačítko Start - Stop Tlačítka Další / Předcházející stopa Otvor pro nouzové vysunutí CD
Vzhledem k tomu, že programy pro přehrávání CD umožňují ovládat všechny funkce jednotky pomocí myši nebo klávesnice, není nutné, aby jednotka měla na panelu všechny uvedené ovládací prvky. 57
Výstup pro sluchátka lze v nouzi použít pro připojení magnetofonu nebo jiného zařízení. Kvalita signálu je pak ovlivněna interním zesilovačem (podobně jako u linkového výstupu), který není příliš kvalitní. Další nevýhoda je, že výstupní úroveň signálu závisí na nastavení regulátoru hlasitosti. Nejlepší kvality přenosu signálu z jednotky CD-ROM do zvukové karty se dosáhne při číslicovém přenosu signálu: Buď zvláštním kabelem který propojuje číslicový výstup CD-ROM s číslicovým vstupem zvukové karty (k dispozici jen u některých CD-ROM / karet), nebo přes sběrnici počítače.
11.2.7 Formáty CD Pevné disky (HDD) používají různé druhy vnitřních formátů: Každý má jiný počet stop, hlav, sektorů. Protože ale jejich médium není výměnné, nemusí jeden magnetický disk fungovat ve více jednotkách - stačí, když každý funguje v té své. Vestavěné řadiče v jednotkách zajistí, že všechny jednotky s různými vnitřními formáty se navenek budou tvářit stejně. U kompaktních disků se rovněž používá několika různých formátů. Protože ale médium je výměnné, je nutné, aby každá jednotka byla schopná různé formáty přečíst, případně zapsat. Není možné dodatečně "naformátovat" kompaktní disk, jak se to dělá s pevným diskem, a tím stanovit jeho vnitřní strukturu.
Single-session27, Multi-session Počet sessions, které jsou na kompaktním disku, znamená počet spojitě zapsaných bloků dat na disku. U pevného disku nebo diskety se při každém novém zápisu mění alokační tabulka (FAT), která umožňuje pozdější vyhledání jednotlivých souborů a jejich částí. U hudebních kompaktních disků a u jiných hromadně lisovaných disků není možná pozdější změna obsahu. Jejich alokační tabulka se proto zapíše jednou provždy a celý disk se může zapsat jako jeden spojitý blok dat. Takový disk se nazývá "single-session" a je uzavřený, další zápis na něj není možný. U datových disků je žádoucí mít možnost po nahrání jedné session přidávat do volného místa další data. Záznam na takovém disku proto nesmí být uzavřený. Alokační tabulka musí být schopna přijmout další informace o umístění nově přidaných dat. Protože ale není možno alokační tabulku měnit (médium je „read-only“), musí být možnost alespoň přidávat další její části. A tak se s každou přidanou session přidá i další část alokační tabulky. Jednotka, která má číst "multisession", musí proto být schopna vyhledat všechny části alokační tabulky, ležící na různých místech disku. Z disku, který byl nahrán jako "single-session", ale není uzavřený, lze nahráním dalších „sessions“ udělat "multi-session".
Médium HDD Single-session (uzavřený) Multi-session
Alokační tabulka proměnný obsah pevný obsah možnost přidání dalších částí
Compact Disk Digital Audio (CD-DA) Norma určuje formát dat pro digitální audio a také fyzické specifikace disků: rozměr disku, rozteč stop, způsob zápisu a čtení dat. CD-DA používá vzorkovací kmitočet 44,1 kHz, 16-bitové vzorky a stereofonní záznam. Za sekundu se tedy uloží 44 100 * 2 * 2 = 176 400 bajtů = 1,411 megabitů. Pro 74 minut záznamu
27
session = sezení, zasedání, schůze, zátah
58
je zapotřebí 176 400 * 60 * 74 = 783 216 000 bajtů, to je asi 747 MB28. Pro každou minutu záznamu je tedy zapotřebí asi 10 MB.
CD-ROM Digital Data (CD-ROM, ISO 9660) Pro uložení dat jsou použity dva módy: Mód 1: Slouží k uložení „opravdu číslicových“ dat, u kterých nelze připustit ztrátu ani jediného bajtu, např. programů. Na každých 2048 čistých dat je dalších 304 bajtů, sloužících k detekci a opravě chyb. Rychlost čtení čistých dat je tedy v mechanice se základní rychlostí (1x) 2048 176400 = 153600B/s 2048 + 304
Mód 2: Slouží k uložení dat, u kterých je možno připustit chyby, např. grafika, audio a video. Nepoužívá tak důkladné zabezpečení jako mód 1, proto se na stejnou plochu disku vejde více užitečné informace.
CD Extra CD Extra obsahuje kromě audia i data. Data jsou umístěná tak, že ani běžné přehrávače CD-DA nemají se čtením problémy (viz např. CD Sting).
CD Text CD Text je CD-DA disk, který obsahuje přídavné textové nebo grafické informace (např. jméno autora, názvy skladeb, ...). Přídavné informace jsou umístěny ve „služební“ části disku tak, aby nevadily běžnému přehrávači CD-DA.
Video CD (VCD, SVCD) Speciální formát CD pro uložení komprimovaného videa na CD. Používá se komprese MPEG. Na CD je několik adresářů, ve kterých jsou kromě vlastního souboru MPEG uloženy i různé „služební“ informace. Pro přehrávání je nutný stolní přehrávač DVD nebo kompatibilní jednotka CD ROM. Používají se dvě kvality: Video CD (VCD) používá kompresi MPEG 1 a rozlišení 352 x 288. Na běžné CD se vejde asi 74 minut videozáznamu. Kvalita odpovídá špatnému záznamu VHS. Super Video CD (SVCD) používá kompresi MPEG 2 a rozlišení 480 x 576. Na běžné CD se vejde asi 30 minut videozáznamu. Kvalita je mnohem lepší a odpovídá dobrému záznamu VHS. VCD nebo SVCD a DVD (viz dále) se hodí např. pro zálohování a přehrávání domácího videa. Pro převod videa z kamery na CD nebo DVD jsou nutné: • digitální kamera s digitálním výstupem • „zachytávací“ karta (catch card) pro PC, která umožní přehrání videa z kamery do PC, nebo • rozhraní Fire Wire (IEEE 1394, iLink) • SW pro editaci a tvorbu videa • vypalovačka CD, DVD • výkonný počítač 1.
28
1 MB = 220 B = 1048576 B
59
11.2.8 Výkonnost CD-ROM Rychlost přenosu dat Přenosová rychlost je rychlost, s jakou jsou data přenášena z CD do počítače. Je to množství dat, které je možno přenést za sekundu. Přenosová rychlost je úměrná rychlosti otáčení disku, jak ukazuje tabulka: Relativní rychlost otáčení 1x 2x 4x 8x .......... 32x .......... 48x ..........
Přenosová rychlost [kB/s] 150 300 600 1200 .......... 4800 .......... 7200 ..........
Tato úměrnost však platí, jen pokud není přenosová rychlost omezena jinými faktory, hlavně rychlostí sběrnice nebo HDD. Proto přenosové rychlosti udávané pro rychlejší jednotky jsou spíše teoretické. Relativní rychlost otáčení je vztažena k rychlosti otáčení klasického hudebního CD.
Doba přístupu Doba přístupu je čas od vydání povelu ke čtení do vyhledání dat a začátku čtení. Doba přístupu je u CD-ROM asi desetkrát horší než u HDD.
Vyrovnávací paměť (cache) Vyrovnávací paměť je úsek v operační paměti RAM, vyhrazený pro práci s vnějšími pamětmi. Může významně urychlit činnost CD-ROM tím, že umožní, aby se data, která budou pravděpodobně za okamžik požadována, připravila do vyrovnávací paměti v době, kdy jednotka nemá co dělat. V okamžiku, kdy požadavek na tato data opravdu přijde, je možno použít je z vyrovnávací paměti a není nutno čekat na jejich nalezení a přenesení z disku. Operační systémy jako Windows přidělují a obsluhují vyrovnávací paměť automaticky.
Buffer Buffer je zařízení nebo oblast v paměti, sloužící pro přechodné uložení dat. Rychlost vybírání dat se obvykle liší od rychlosti ukládání. Narozdíl od vyrovnávací paměti nejsou ukládání, výběry a mazání dat řízeny žádnou zvláštní logikou. U CD-ROM je buffer přímo vestavěn do jednotky. Podobně jako vyrovnávací paměť (cache), tak i buffer významně urychluje činnost CD-ROM.
11.2.9 Vypalování CD - základní pojmy Track = stopa. Např. každá písnička na CD-DA tvoří samostatnou stopu. Session je spojitě zapsaný blok dat, při jehož zápisu nebyl vypnut laser. Table of contents (TOC) je tabulka obsahující čísla stop a odkazy na jejich začátky. Je tedy obdobou tabulky FAT, která se používá u magnetických disků. Disk-At-Once (DAO) je způsob záznamu, při kterém je celý disk nahrán najednou bez vypnutí laseru. Po skončení záznamu se disk uzavře a už na něj nelze nahrávat. Session-At-Once (SAO) je podmnožina Disk At Once, která se používá při tvorbě CD Extra. Nejdříve se na disk nahraje první session, obsahující audio stopy. Vypalovací laser se 60
vypne, ale CD se zatím neuzavře. Pak se na disk nahraje druhá session s daty, po které se disk uzavře. Lead in je místo, které se na začátku každé session vynechává pro zápis TOC. Obsahuje také informaci o tom, že disk je multisession a udává následující adresu, která je k dispozici pro zápis. Lead in se zapisuje při uzavírání session (až v té době jsou všechny potřebné informace známé). Lead out je oblast na konci každé session, která říká, že byla ukončena část s daty. RAW je schopnost vypalovačky vypálit přesnou kopii zdrojového CD bez ohledu na umělé chyby, které byly do zdrojového CD vloženy jako ochrana proti kopírování. BURN Proof = Buffer UnderRuN Proof česky znamená odolnost proti podtečení bufferu. Když vypalovačka tuto vlastnost nemá, dojde ke zničení média, pokud data pro vypalování nejsou dodána tak rychle, jak je třeba. Vypalovačka BURN Proof v takovém případě korektně ukončí zápis a když dojdou nová zdrojová data, naváže s nimi v místě, kde prve zápis ukončila.
11.2.10 Údržba a prevence CD • • • • • • • •
Nedotýkat se povrchu CD, brát ho jen za vnitřní a vnější hranu. Uchovávat CD v pouzdrech. Je-li nutné očistit CD, použít měkký suchý hadřík, žádnou vodu nebo rozpouštědla. Disk otírat ve směru od středu k okraji. Nečistit stranu CD s nápisem. Nelepit na CD štítky, způsobily by nevyváženost a vibrace při otáčení. CD-R popisovat velmi opatrně, měkkým fixem. Nevystavovat CD extrémním teplotám, slunečnímu záření a vlhkosti.
11.3 Digital Versatile/Video Disk (DVD) Scott Mueller: Upgrading and Repairing PCs, str.851 DVD používá disky stejného průměru jako CD-ROM a používá také podobný způsob zápisu. Má ale několik odlišností, kterými dosahuje vyšší kapacity, a to především: Odlišnost proti CD ROM Zvýšení kapacity Menší délka jamek asi 2x Menší rozteč stop asi 2x ------------------------------------------Celkem 6,80x Aby bylo možno použít menších rozměrů jamek a stop, DVD používá laser s menší vlnovou délkou než CD-ROM. Má-li být jednotka DVD schopná přečíst i CD, musí mít dva lasery s různými vlnovými délkami.
61
Obrázek 15: Porovnání hustoty záznamu CD a DVD Kromě uvedených zvýšení kapacity je možno dále použít záznam na obou stranách disku, a/nebo ve dvou vrstvách. Při záznamu ve dvou vrstvách je bližší vrstva poloprůhledná a zaostřením laseru se určí, zda se bude číst z bližší nebo vzdálenější vrstvy. Dosažitelné kapacity DVD Počet vrstev na každé straně
1 2
Počet stran disku 1 2 4,7 GB 9,4 GB 8,5 GB 17 GB
Při kapacitě 4,7GB a s kompresí MPEG-2 je možno dosáhnout následujících hracích dob pro video s plným rozlišením na celé obrazovce (full-screen) a s plnohodnotným pohybem (fullmotion): Vlastnosti Tři zvukové kanály v CD kvalitě Čtyři kanály s titulky Jeden zvukový kanál
Hrací doba [min.] 135 160
Jednotky DVD používají rozhraní EIDE nebo SCSI, podobně jako CD ROM. Pro přehrávání filmů s kompresí MPEG-2 je vhodné mít hardwarový dekodér buď na samostatné desce, nebo na grafické kartě. Pokud není dekomprese MPEG-2 hardwarová, musí se dělat softwarově, což klade velké nároky na kvalitu a čas procesoru.
11.4 Magnetopáskové jednotky Magnetopáskové jednotky užívají pro záznam podobného principu jako video. Používají se k pravidelnému zálohování velkého množství dat. Jejich nevýhodou je sekvenční (postupný) přístup, který znesnadňuje vyhledávání.
62
12. Zvukové karty Mueller 562
Definice Zvuková karta je zařízení, které umožňuje zesílení, záznam, tvorbu a reprodukci zvuků pomocí počítače.
12.1 Vzorkování Analogový signál musí být před číslicovým zpracováním vzorkován, tj. převeden na posloupnost čísel, představujících vzorky signálu. Tento převod se provádí pomocí analogovědigitálních převodníků. Vzorky se odebírají v pravidelných časových intervalech (tj. v určitých časových rozestupech) a přidělovaná čísla mohou nabývat jen určitých hodnot (v určitých napěťových rozestupech). Čas i napětí se ve vzorkovaném signálu proto mohou měnit jen po určitých malých kouscích, kvantech. Proto říkáme, že signál je po převodu na čísla kvantován. Nemůže se už měnit spojitě, ale jen po skocích, daných kvantováním. Kvalita převodu závisí na počtu rozlišitelných napěťových úrovní signálu a na rychlosti vzorkování.
12.1.1 Napěťové rozlišení Napěťové rozlišení je počet napěťových úrovní, které na signálu dokážeme rozlišit a „očíslovat“. Čím více úrovní máme očíslovat, tím větší a delší čísla na to potřebujeme, tím více míst musí obsahovat výsledné dvojkové číslo. Má-li analogově-digitální převodník osm výstupních vodičů, může dávat osmibitové číslo, a může tedy vyjádřit 28 = 256 napěťových úrovní. Čím větší je počet napěťových úrovní, na které můžeme signál při vzorkování dělit, tím jemnější rozdíly v úrovni signálu můžeme rozlišit, tím lepší je tzv. napěťové rozlišení. Při lepším napěťovém rozlišení můžeme zaznamenat slabší signály, případně slabší změny v síle signálů. Čím lepší napěťové rozlišení, tím větší může být poměr nejsilnějšího signálu k nejslabšímu. Tento poměr má být co největší a říká se mu (podle různých norem) poměr signál / šum, odstup signálu od šumu, nebo dynamika. Čím větší je počet rozlišitelných úrovní, tím lepší může být dynamika. Starší levné zvukové karty používaly pro záznam velikosti vzorků osmibitová čísla a mohly tedy rozlišit jen 28 = 256 napěťových úrovní. Osmibitové karty proto mají malou dynamiku, protože nedokáží rozlišit signály s malou amplitudou. Jejich teoreticky dosažitelná dynamika vyjádřená v decibelech je jen D = 20 log 256 = 48 dB Dnešní zvukové karty používají 16-bitová čísla a mohou rozlišit 216 = 65536 úrovní. Mají teoreticky dosažitelnou dynamiku D = 20 log 65 536 = 96 dB Hudební CD používají 16 bitů na vzorek, mohou tedy rozlišit 65536 úrovní a jejich teoreticky dosažitelná dynamika je 96 dB. Prakticky je dosažená dynamika vždy menší kvůli nedokonalosti (hlavně šumu) zařízení, kterými se signál zpracovává.
63
u
u
t
t
a) b) Obrázek 16: Ztráta informace napěťovým (svislým) kvantováním - a) původní signál, b) signál po rekonstrukci Z obrázku (Obrázek 16) je patrné, že kvůli nedostatečnému napěťovému rozlišení došlo při vzorkování signálu ke ztrátě informace o malých napěťových změnách signálu.
12.1.2 Rychlost vzorkování Na rychlosti vzorkování závisí horní mezní kmitočet zpracovaného signálu. Čím rychlejší vzorkování, tím vyšší horní mezní kmitočet. Vzorkovací kmitočet musí být teoreticky alespoň dvojnásobkem nejvyššího přenášeného kmitočtu, prakticky musí být ještě vyšší. Vzorkovací kmitočty zvukových karet bývají volitelné. Hudební CD používají 44 100 vzorků za sekundu. Mohly by tedy teoreticky přenášet kmitočty až do 44100 fm = = 22050 Hz 2 Praktický kmitočtový rozsah je ale menší, asi do 20 000 Hz.
Obrázek 17: Ztráta informace časovým vzorkováním. Rychlý signál se zákmity - a) původní signál, b) signál po rekonstrukci
64
Z obrázku (Obrázek 17) je patrné, že kvůli nedostatečné rychlosti vzorkování došlo ke ztrátě informace o rychlých změnách signálu, tj. o vysokých kmitočtech.
12.2 Syntéza zvuku hudebních nástrojů Syntézu zvuku potřebuje např. skladatel, který při skládání hudby použije počítač a výsledky své práce chce uložit ve formě souborů. Dále ji potřebujeme pro přehrávání takto vytvořených souborů.
12.2.1 FM syntéza Při FM syntéze jsou zvuky tvořeny na základě znalosti hlavních znaků jednotlivých nástrojů. Základními znaky hudebního zvuku jsou • výška tónu (kmitočet základní harmonické) • barva tónu (obsah vyšších harmonických) • způsob vzniku, trvání a zániku zvuku Hudební zvuk je skládán z harmonických kmitočtů tak, aby se dosáhlo správné výšky a barvy tónu. Zároveň je signál amplitudově modulován tak, aby se dosáhlo věrného dojmu vzniku, trvání a zániku zvuku. Zvuky se tvoří pomocí zvláštního obvodu - syntezátoru. Syntezátor na zvukové kartě je obdobný těm, které se používají v elektronických klávesových nástrojích. Hudební zvuk má čtyři hlavní fáze (Obrázek 18): A
nastup attack
pokles decay
trvani sustain doznivani release
t
Obrázek 18: Čtyři hlavní fáze hudebního zvuku 1. Signál na obrázku by mohl odpovídat např. úderu do struny kytary nebo klavíru: Těsně po úderu se struna rychle a silně rozezní (nástup – attack), poté síla zvuku rychle poklesne (pokles – decay). Není-li struna tlumena, je pak schopna ještě dlouho znít a síla zvuku klesá jen pomalu (trvání – sustain). Když nakonec muzikant strunu utlumí (dotekem ruky u kytary, pedálem u klavíru), tón rychle zanikne (doznívání – release). Syntéza FM se také nazývá ADSR (Attack - Decay - Sustain - Release), protože pro tvorbu zvuků jednotlivých nástrojů užívá především znalost uvedených fází.
65
12.2.2 Tabulková syntéza (Wave table) Zvuková karta má k dispozici celé průběhy zvuků hudebních nástrojů v podobě vzorků. Tyto průběhy mohou být uloženy buď v paměti ROM na zvukové kartě, nebo se v případě potřeby nahrávají z HDD do operační paměti počítače. Řešení s ROM je kvalitnější, ale i dražší. Proto mnohé karty sice možnost tabulkové syntézy mají, ale paměť ROM není v patici osazena a lze ji dokoupit dodatečně. Jednoduché zvukové karty používají pro každý nástroj pouze jediný vzorek zvuku o určitém kmitočtu, který při generování tónů různé výšky přehrávají různými rychlostmi. Dochází přitom k podobnému efektu, jako při přehrávání gramofonové desky různými rychlostmi. Ale např. nejvyšší tón na klavíru se od nejnižšího liší nejenom kmitočtem. Proto kvalitnější karty mají pro každý nástroj uloženo několik tónů různých výšek, aby imitace nástrojů byla co nejvěrnější.
12.2.3 Zvukové soubory Soubory, k jejichž vytvoření byla použita tabulková syntéza, obsahují přímý záznam průběhu zvukového signálu. Nejčastěji mívají příponu *.wav, případně *.voc, *.au. Soubory vytvořené FM syntézou obsahují digitální instrukce, charakterizující výšky tónů a další parametry hudebního signálu. Proto je možno tyto soubory editovat a hudební signál dodatečně měnit. Mívají přípony *.mid, *.rmi. Syntéza FM umožňuje velmi hutný záznam skladeb. Vytvořené soubory (*.MID) jsou podstatně kratší než soubory vzorkované (*.WAV). Hudební věrnost je ale horší. Syntéza FM má k dispozici návod, jak tvořit zvuk, zatímco tabulková syntéza má k dispozici přímo hotový zvuk. Mezi oběma způsoby syntézy je obdobný rozdíl jako mezi vektorovým zobrazením a bitmapou.
12.3 Uspořádání a počet zvukových kanálů 12.3.1 Monofonie Monofonní reprodukce používá pouze jeden kanál, stačí při ní tedy jen jeden reproduktor. Při monofonní reprodukci není možné rozlišit prostorové umístění jednotlivých zdrojů zvuku, např. nástrojů v orchestru. Monofonní reprodukci známe např. z telefonu.
12.3.2 Stereofonie Stereofonní reprodukce používá dva kanály. Potřebuje dva reproduktory nebo dvě sluchátka. Při stereofonní reprodukci je možno rozlišit umístění jednotlivých zdrojů zvuku, např. nástrojů v orchestru. Je ale možno určit jen „vpravo“, „vlevo“, „uprostřed“. Všechny zvuky přicházejí zpředu, žádné nepřicházejí zezadu.
12.3.3 Systémy X.1 Pro dokonalejší prostorový vjem je nutno použít více kanálů než dva. Moderní systémy přidávají jeden kanál vpředu uprostřed (Center) a jeden kanál specializovaný na hluboké tóny (Subwoofer). Tento kanál je ta jednička za tečkou. Subwoofer, na rozdíl od ostatních reproduktorů, může být v místnosti umístěn skoro libovolně, protože člověk stejně není schopen určit polohu zdroje hlubokých tónů. Další kanály se přidávají dozadu za posluchače, aby bylo možno vytvořit dojem opravdu prostorového zvuku. Tím dostáváme systémy 5.1, 6.1, 7.1. Ty se využívají u disků Blue-Ray a u počítačových her.
66
12.3.4 Systém 5.1
Obrázek 19: Uspořádání reproduktorů 5.1
12.3.5 Systém 6.1
Obrázek 20: Uspořádání reproduktorů 6.1
12.3.6 Systém 7.1
Obrázek 21: Uspořádání reproduktorů 7.1
67
13. Grafické karty Grafická karta je obvod, který umožňuje komunikaci procesoru s monitorem. Může být součástí základní desky, dražší a výkonnější karty jsou konstruovány jako zásuvné desky.
13.1 Základní části grafické karty ROM
RAM
Synchronizační obvody
Akcelerátor
DAP
Sběrnice
H V R G B
Monitor
Grafická karta
Obrázek 22: Blokové schéma grafické karty s analogovým výstupem
Sběrnice slouží k propojení grafické karty se základní deskou. Sběrnice pro grafické karty, se kterými se dnes můžeme setkat: • PCI • AGP • PCI expres Nejstarší a nejpomalejší z uvedených sběrnic je PCI, nejnovější a nejrychlejší je PCI expres. Paměť RAM si pamatuje obraz, který se má zobrazit na displeji. Každému bodu na displeji odpovídá místo v paměti, ve kterém je zapsáno, jakou barvou má tento bod svítit. Pro vysvětlení souvislostí mezi obrazem v paměti a obrazem na monitoru se nejlépe hodí dnes už nemoderní monitor s klasickou obrazovkou. Jak se v obrazovce elektronové paprsky pohybují po řádku a vykreslují jednotlivé body, tak jsou z paměti vybírány informace o tom, jakými barvami mají tyto body svítit. Podle toho je modulována (měněna) intenzita paprsků, odpovídajících základním barvám (R, G, B = Red, Green, Blue = červená, zelená, modrá). Protože pohyb paprsků po obrazovce je velmi rychlý, musí být velmi rychlá i paměť RAM i všechny navazující obvody. Grafické karty PCI-Ex mohou využívat operační paměť buď k rychlým přesunům dat z / do své paměti RAM, nebo mohou využívat trojrozměrné složky obrazu (textury) přímo z operační paměti, aniž by je musely kopírovat do své paměti RAM. Můžeme se ptát, proč grafická karta nepoužívá pro uložení a zobrazování obrazu operační paměť, když má do ní snadný přístup a kapacita v operační paměti je levnější než ve speciální paměti RAM na grafické kartě. Především ten „snadný“ přístup je přes sběrnici, kterou používají i mnohá další zařízení včetně procesoru. Všechna tato zařízení by stále musela čekat, protože zobrazení na monitoru musí mít přednost, nemůže se zastavit. Podobá se to situaci, kdy máme příruční sklad na protější straně ulice. Dopravou zboží přes ulici neustále zdržujeme provoz na této ulici i sebe. Proto se vyplatí mít tento příruční sklad obrazů na „své“ straně ulice, tj. přímo na grafické kartě.
Další informace viz výše v kapitolách o paměti a sběrnicích. Akcelerátor (GPU – Graphics Processing Unit) analyzuje obrazová data v paměti RAM a převádí je na digitální informaci o okamžitém jasu jednotlivých barev v jednotlivých bodech obrazovky. 68
Vzhledem k procesoru se v grafice chová podobně jako koprocesor v matematických instrukcích. Vykonává velkou část práce, kterou by jinak musel udělat procesor. Akcelerátor dostane od procesoru parametry grafických útvarů (rámečků, oken, trojrozměrných útvarů, ...) a sám se postará o jejich rozkreslení do jednotlivých bodů. Digitálně - analogové převodníky převádějí digitální informaci na analogové signály a ty posílají do monitoru. Okamžitá napětí těchto signálů odpovídají jasu právě zobrazovaného bodu v červené (R - Red), zelené (G - Green) a modré (B - Blue) barvě. Při propojení grafické karty přímo s LCD monitorem pomocí číslicových signálů nejsou digitálně - analogové převodníky zapotřebí (viz dále kapitola o monitorech). Synchronizační obvody vyrábějí synchronizační impulsy pro horizontální (H) a vertikální (V) vychylování paprsku v obrazovce monitoru. Synchronizace obrazu zde pracuje na stejném principu jako v televizi. ROM obsahuje rozšíření BIOSu, kterým se při startu počítače zavede program pro obsluhu grafické karty a zpracování obrazových informací (viz dále kapitolu o zavádění systému). Dále obsahuje sady znaků, používaných při zobrazení v textovém režimu. Textový režim grafické karty vidíme např. těsně po zapnutí počítače, když jsou vypisovány první hlášky BIOSu.
13.2 Parametry grafických karet Rozlišovací schopnost vyjadřuje, kolik obrazových bodů může karta umístit na obrazovku a v jakém uspořádání (např. 800 x 600, 1024 x 768, 1920 x 1080). Např. údaj 1024 x 768 znamená, že karta může zobrazit 1024 bodů vodorovně a 768 bodů svisle. Na obrazovce potom je 768 řádků po 1024 bodech. Počet barev závisí na velikosti paměti RAM grafické karty a na zvoleném rozlišení. Čím větší zvolené rozlišení, tím méně může být zobrazovaných barev. Color Depth
Number Bytes of Storage Common Name of Displayed Colors Per Pixel for Color Depth
4-Bit
16
0.5
Standard VGA
8-Bit
256
1.0
256-Color Mode
16-Bit
65,536
2.0
High Color
24-Bit
16,777,216
3.0
True Color
Tabulka 12: Příklady barevného zobrazení a jejich náročnosti na paměť Velikost RAM určuje dosažitelnou rozlišovací schopnost a dosažitelný počet barev. Čím více bodů se má zobrazit, čím větší barevnou hloubku chceme použít, tím větší kapacitu musí mít RAM, aby se do ní informace o všech zobrazovaných bodech vešly. Pokud se u některých grafických karet udává jako parametr 64, 128 nebo dokonce 256 bitů, nejedná se o šířku sběrnice, se kterou karta komunikuje s procesorem. Jedná se o šířku interní sběrnice na grafické kartě mezi pamětí RAM a akcelerátorem (GPU). Příklad: • kapacita RAM = 1 MB • zvolené rozlišení = 1024 x 768 • požadovaný počet barev = 256
69
Máme-li mít možnost zobrazit 256 barev, musíme mít možnost tyto jednotlivé barvy „očíslovat“. Budeme k tomu potřebovat 256 čísel, např. 0 až 255. Budeme používat dvojková čísla (jsme uvnitř počítače). Jak dlouhé dvojkové číslo dokáže vyjádřit rozsah 0 až 255, tj. 256 různých kombinací nul a jedniček? Tříbitové číslo dokáže vyjádřit 8 kombinací (protože 23 = 8): b2 b1 b0 N 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 1 3 1 0 0 4 1 0 1 5 1 1 0 6 1 1 1 7 Tabulka 13: Osm možných kombinací tří bitů Osmibitové číslo dokáže vyjádřit 256 kombinací (protože 28 = 256): b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 N 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 1 1 1 1 1 0 254 1 1 1 1 1 1 1 1 255 Tabulka 14: 256 možných kombinací osmi bitů K očíslování 256 barev tedy potřebujeme osmibitová čísla. Barvu každého bodu bude vyjadřovat jedno osmibitové číslo. Osm bitů je jeden bajt, na každý bod tedy potřebujeme jeden bajt (1B). Bodů je 1024 x 768. Na každý bod 1 bajt. Potřebujeme tedy 1024 x 768 x 1 = 786 432 B paměti, což je méně než 1 MB, který je k dispozici. Obraz s tímto rozlišením a barevnou hloubkou se do paměti vejde. Budeme-li chtít zobrazit 216 = 65 536 barev, budeme pro očíslování všech barev potřebovat 16 bitů, to je 2 bajty (2B). Celková potřebná kapacita paměti RAM bude 1024 x 768 x 2 = 1 572 864 B, což je více, než je k dispozici. Obraz s tímto rozlišením a barevnou hloubkou se do paměti nevejde. S touto kapacitou RAM tedy 256 barev zobrazit lze, 65 536 barev zobrazit nelze. Toto byl jen „školní“ příklad, který nám pomůže uvědomit si, jak je obraz v paměti uložen a jaký má nárok na kapacitu paměti. Kapacita pamětí RAM grafických karet je dnes nesrovnatelně větší, a proto takovéto problémy už neřešíme.
Taktovací kmitočet paměti RAM určuje rychlost paměti RAM a má podstatný vliv na výkonnost grafické karty.
70
Kmitočty rozkladu určují rychlost, s jakou je možno obnovovat obraz (určují kmitočet blikání obrazovky). Čím větší rozlišení zvolíme, tím pomaleji bude obraz vykreslován, tím více bude obrazovka blikat (viz dále kapitolu o monitorech). Použitá sběrnice rozhoduje o rychlosti, s jakou probíhá komunikace mezi kartou a procesorem. Historická sběrnice ISA umožňovala přenos s taktovacím kmitočtem 8 MHz a šířkou slova 16 bitů, sběrnice PCI s kmitočtem 33 MHz a šířkou slova 32 bitů (ve vyšších verzích dokonce 66 MHz a / nebo 64 bitů). Ještě rychlejší byla sběrnice AGP. Sběrnice PCI-Ex je z dosavadních sběrnic nejrychlejší (viz kapitolu o sběrnicích). Taktovací kmitočet GPU je kmitočet, kterým je řízen akcelerátor (GPU). Přetaktováním se sice zvýší výkon, ale také se zvýší produkce tepla, zhorší se spolehlivost a zkrátí životnost grafické karty.
71
14. Monitory Monitor je zařízení, které na svém displeji zobrazuje textové a grafické informace.
14.1 Konstrukce a funkce 14.1.1 Obrazovkový (CRT) monitor Obrazovkový monitor pracuje na stejném principu jako zobrazovací část klasického televizoru. Jeho hlavní částí je skleněná obrazovka. V zadní části vzduchoprázdné obrazovky jsou tři elektronové trysky, které emitují elektronové paprsky pro zobrazení tří barev: červené, zelené, modré. Stínítko obrazovky je pokryto trojicemi bodů, které jsou schopny zářit červeně, zeleně, modře, jsou-li ozářeny elektronovým paprskem. Aby různobarevné body na stínítku byly ozářeny vždy jen odpovídajícím jedním paprskem ze tří, je těsně za stínítkem děrovaná maska z tenkého plechu, která nedovolí paprsku, aby ozářil bod jiné barvy, než která mu náleží. Jednotlivé body na obrazovce jsou ozařovány vždy jen po krátký okamžik. Poté elektronový paprsek pokračuje dále, aby mohl ozářit další body na stínítku. Každý bod tedy jen bliká: Kratší dobu svítí, delší dobu nesvítí. Proto se obraz na obrazovce musí obnovovat mnohokrát za sekundu, aby uživatel nepostřehl blikání jednotlivých bodů.
14.1.2 LCD monitor Obraz se skládá z bodů, tvořených tekutými krystaly. Tekuté krystaly jsou zezadu prosvětlovány. Jejich průhlednost se ovládá elektrickým napětím pro každý bod obrazu zvlášť. Jeli krystal bez napětí, je průhledný, světlo za ním je viditelné a bod se jeví jako bílý. Když se na krystal přivede napětí, stane se neprůhledným, světlo za ním není vidět a bod se jeví jako černý. Molekuly tekutých krystalů jsou dlouhé. Když jim dáme pokoj, srovnají se rovnoběžně v nějakém náhodném směru. Ze světla, které necháme krystalem pronikat, projdou jen vlny s určitou polarizací, tj. orientované souhlasně s molekulami krystalu. Když tekutý krystal „nalijeme“ k jemně drážkované destičce, srovnají se jeho molekuly v blízkosti té destičky rovnoběžně s drážkami v destičce. Když tekutý krystal uzavřeme mezi dvě velmi blízké drážkované destičky, přičemž drážky na jedné destičce jsou kolmé k drážkám na druhé destičce, budou molekuly tekutého krystalu u jedné destičky orientovány např. „od severu k jihu“, zatímco u druhé destičky kolmo, tj. „od východu k západu“. Molekuly „mezi“ budou natočené tak nebo tak, podle toho, ke které destičce budou blíže. Představíme-li si, že cestujeme krystalem od jedné destičky ke druhé, musíme se nejdříve prodírat dlouhými molekulami jdoucími „od severu k jihu“, stáčíme se stále víc doprava, až před výstupem se prodíráme molekulami jdoucími „od východu k západu“ (Obrázek 23). Světlo, které chce krystalem pronikat, musí být na vstupu orientováno (polarizováno) „od severu k jihu“, ale během průchodu se bude muset stáčet doprava, doprava, až na výstupu je stočené „od východu k západu“. Takto vyrobený krystal tedy otáčí polarizaci světla o 90°. Když na tento tekutý krystal přiložíme napětí, jeho Obrázek 23: Molekuly molekuly se srovnají podle tohoto napětí (ne už podle drážek na tekutého krystalu se srovnají destičkách), a krystal nebude s polarizací světla dělat nic. podle drážek na stěnách 72
Obrázek 24: Tekutý krystal bez napětí otáčí polarizaci světla (vlevo), s napětím neotáčí
Do tekutého krystalu budeme pouštět světlo přes polarizační filtr „sever – jih“ a za něj dáme filtr „východ – západ“ (Obrázek 24). Světlo krystalem a filtry projde, jen pokud krystal pootočí polarizaci světla o 90°, tj. bez napětí. Přiložíme-li na krystal napětí, přestane otáčet polarizaci světla o 90°, a světlo na výstupu neprojde filtrem „východ – západ“. Popsané schopnosti a možnosti ovládání napětím musíme zajistit pro všechny body displeje. Budeme tak mít zajištěno černobílé zobrazení. Pro barevné zobrazení musíme to všechno zajistit třikrát pro tři základní barvy. Prosvětlení za tekutými krystaly můžeme zajistit zářivkami nebo diodami LED. Diody LED mají menší spotřebu díky své lepší účinnosti. Jejich spotřebu lze dále snížit
ovládáním jejich jasu podle jasu scény. Displeje s LED prosvětlením jsou tenčí. Pokud zdroj světla umístěný za tekutými krystaly svítí stále stejně, takový displej bude mít špatný kontrast. Jeho černá nebude dobře černá, protože i „uzavřeným“ krystalem vždy trochu světla pronikne. Dále takový displej bude mít velkou spotřebu, protože zdroj světla na prosvětlení musí svítit pořád. Prosvětlení může být zajištěno diodami LED pro každý bod zvlášť. Intenzitu takového prosvětlení je možno regulovat podle toho, jak silně má určitý bod svítit. Má-li bod být černý, je možno jeho prosvětlení dokonce úplně zhasnout. To znamená, že černý bod může být opravdu černý. Kompromisem mezi prosvětlením společným pro celou plochu a regulací každého jednotlivého bodu je prosvětlení regulovatelné pro skupiny bodů. Regulací intenzity prosvětlení se zlepšuje kontrast. Dále se šetří elektrická energie, proto LED Obrázek 25: Prosvětlení pomocí displeje mají malou spotřebu. společného zdroje světla (vlevo), nebo pomocí jednotlivých LED (vpravo)
14.1.3 Ovládací prvky Digitální ovládací prvky mohou být představovány např. jedním tlačítkem pro volbu ovládané veličiny, dvěma tlačítky (Up, Down) pro změnu vybrané veličiny. On Screen Display (OSD) umožňuje zobrazení nabídky na obrazovce monitoru a nastavení vlastností monitoru pomocí této nabídky.
73
14.2 Parametry 14.2.1 Rozlišení, rozteč bodů Rozlišení monitoru se udává v počtu bodů, které je monitor schopen zobrazit. Např. rozlišení 1024 x 768 znamená, že monitor je schopen zobrazit 1024 bodů vodorovně (vedle sebe) a 768 bodů svisle (nad sebou). Rozlišení je nutno volit přiměřeně k rozměru obrazovky. Zvolíme-li příliš velké rozlišení na malé obrazovce, části obrazu (písmena, ikony) budou příliš malé a špatně čitelné. Naopak při malém rozlišení na velké obrazovce se obraz může jevit "hranatý", tj. složený ze čtverečků. U LCD monitorů je důležité tzv. nativní neboli přirozené rozlišení. Je to rozlišení, které odpovídá skutečnému počtu bodů displeje. Má-li monitor např. 1280 x 1024 bodů, jeho nativní rozlišení je 1280 x 1024. Na grafické kartě bychom měli nastavit rozlišení také 1280 x 1024. Tak dosáhneme nejkvalitnějšího zobrazení, protože nebudeme monitor nutit, aby něco zobrazoval „mezi body“, což neumí29. Rozteč obrazových bodů (rozměr bodu, pixel, dot pitch) udává, jaká je nejmenší možná vzdálenost dvou zobrazených bodů. Hodnota 0,26 mm je dobrá, hodnoty nad 0,28 mm jsou pro práci s větším rozlišením nepřijatelné.
14.2.2 Obnovovací kmitočty Obraz na obrazovce se musí obnovovat (tj. vykreslovat) znovu a znovu mnohokrát za sekundu. Pokud toto obnovování není dostatečně rychlé, obraz bliká. Čím větší rozlišení, tím je obnovování obtížnější, protože obraz obsahuje více podrobností a skládá se z více řádků, které se musí nakreslit. Aby blikání nebylo patrné, musí být obnovovací kmitočet alespoň 60 Hz, lépe však 72 Hz. Při stejném obnovovacím kmitočtu je blikání patrnější na větším monitoru, protože větší část jeho obrazu je vnímána tzv. periferním viděním, které má vyšší mezní kmitočet než vidění uprostřed zorného pole. Protože zvláště při velkém rozlišení je těžké dosáhnout dostatečného obnovovacího kmitočtu, některé monitory umožňují použít tzv. prokládané zobrazení. Při tomto způsobu se nekreslí celá obrazovka (tj. celý snímek) najednou, ale nadvakrát. Nejprve se nakreslí liché řádky obrazu, pak se mezi ně vloží sudé řádky. Tak se celý snímek skládá ze dvou proložených půlsnímků. Oko se nechá oklamat půlsnímkovým kmitočtem a nevnímá, že skutečný snímkový kmitočet je poloviční. Prokládané zobrazení se úspěšně používá v televizorech. U počítačového monitoru, kde jsou nároky na kvalitu zobrazení mnohem větší, je ale nevhodné. Příklad: Určitý monitor má maximální řádkový kmitočet 56 kHz. Při rozlišení 1024 x 768 musíme na vykreslení jednoho snímku nakreslit 768 řádků. Snímkový kmitočet tedy může být maximálně fs = 56 000 : 768 = 72,9 Hz Kmitočty rozkladu, které poskytuje grafická karta, musí být alespoň tak dobré, jako kmitočty monitoru. Jinak by kvůli kartě (která je mnohem levnější než monitor) nebylo možno vlastností monitoru využít.
14.2.3 Rozměr obrazovky Při udávání rozměru obrazovky je nutno rozlišovat: Nominální (jmenovitý) rozměr je dán rozměrem "skla" obrazovky, přičemž značná část skla může být schovaná za plastovým krytem monitoru. V komerční dokumentaci monitorů se udává právě tento nominální (jmenovitý) rozměr. Užitečný rozměr je omezen několika faktory, především: 29
Narozdíl od obrazovkových monitorů, jejichž zobrazení je „měkčí“, protože paprsek může ozářit „svůj“ bod i jen zčásti, případně může částečně ozářit dva sousední body.
74
Část obrazovky je zakryta plastovým krytem. Viditelné okraje obrazovky mají horší parametry obrazu: Jsou méně ostré, deformované, kvalita barev je horší. Plastový kryt před obrazovkou není obdélníkový. Proto není možno využít ani viditelnou plochu obrazovky beze zbytku. Tyto omezující faktory nejsou u LCD monitorů. Proto např. patnáctipalcový displej u notebooku může mít větší užitečný rozměr, než sedmnáctipalcový obrazovkový monitor.
14.2.4 Připojení Obrazovkové monitory dostávají obrazový signál z počítače v podobě tří analogových napětí, která v každém okamžiku určují jas tří základních barev, ze kterých se skládá právě zobrazovaný bod. LCD monitor potřebuje tuto informaci v číslicové podobě. Pokud je spojen s klasickou grafickou kartou, dochází po cestě signálu z karty do monitoru ke zbytečnému převodu DA, AD (Obrázek 26). Tím může dojít ke zhoršení kvality. Proto je vhodné, aby LCD monitor byl vybaven digitálním vstupem DVI (Digital Video Input) a Obrázek 26: Připojení LCD monitoru analogovým (nahoře) a aby grafická karta měla digitálním (dole) kabelem odpovídající digitální výstup. Digitální vstup LCD monitoru může být • DVI-D (Digital), přijímá pouze digitální signál • DVI-I (Integrated), přijímá jak digitální, tak i analogový signál • HDMI – v digitální podobě přijímá obraz i zvuk DVI-D je podmnožinou HDMI. Pomocí jednoduchého adaptéru je možno připojit výstup HDMI na vstup DVI, nebo výstup DVI na vstup HDMI. Ale v obou případech se přenese jen obraz. DVI-D je také podmnožinou DVI-I. DVI-I kromě digitálního obrazu obsahuje i analogový obraz, vhodný pro starší analogové monitory. Vztahy mezi jednotlivými normami ukazuje Obrázek 27.
75
Obrázek 27: Vztahy mezi normami HDMI, DVI-I a DVI-D
14.3 Pomocné funkce 14.3.1 Řízení spotřeby energie Monitory obvykle snižují svůj příkon ve dvou stupních. Stand-by mód (se sníženým příkonem) odpojuje některé obvody monitoru a snižuje jeho příkon částečně. Po stisku libovolné klávesy se monitor vrací k normální činnosti. Shut down mód (vypnutí) snižuje příkon na minimum, případně vypíná monitor úplně. Probuzení z tohoto módu se může u různých monitorů lišit.
14.3.2 Spořiče obrazovky Pokud by se na obrazovce často a dlouho zobrazoval tentýž obraz, mohlo by dojít k únavě těch bodů stínítka, které při tom září velkým jasem. Při zobrazení jiných obrazů by pak byl patrný stín toho obrazu, který vypálení stínítka způsobil. Proto se začaly používat spořiče obrazovky programy, které po určité době nečinnosti nahradí obraz na stínítku jiným. Tento náhradní obraz by měl mít snížený jas a neměl by být statický, aby průměrné zatížení jednotlivých částí stínítka bylo přibližně stejné. Spořiče obrazovky byly zavedeny v době monochromatických monitorů, které byly k poškození obrazovky náchylné. U dnešních obrazovkových a zvláště pak LCD monitorů už tato péče není nutná. Je vhodné vypnout spořič obrazovky před spuštěním náročné činnosti, která na počítači poběží bez zásahu obsluhy, např. před vypalováním CD. Jinak se může stát, že při aktivaci spořiče dojde ke krátkodobému přerušení nebo zpomalení hlavní činnosti, což může znamenat zničení vypalovaného média.
76
15. Napájecí zdroje V PC se používá tzv. spínaný napájecí zdroj. Ten usměrní síťové napětí a z tohoto ss napětí rychlým spínáním „dávkuje“ energii do nízkonapěťových obvodů.
15.1 Výhody Spínané zdroje mají velkou účinnost, jsou lehčí a méně objemné než klasické zdroje „lineární“. Nejsou citlivé na kolísání síťového napětí. Mnohé mají zaručenou funkci např. od 90 do 260 V a při kmitočtu 50 i 60 Hz.
15.2 Blokové schéma napájecího zdroje D1
S
L
+5V síť
C1
+
+ C2
D2
Řízení
Obrázek 28: Zjednodušené blokové schéma napájecího zdroje Činnost: Dioda D1 usměrňuje síťové napětí a nabíjí kondenzátor C1. Na tomto kondenzátoru je nebezpečné napětí odpovídající špičkové hodnotě síťového napětí. Spínač S je blokem "Řízení" ovládán tak, aby na výstupu bylo požadované stejnosměrné napětí. Při sepnutí spínače S začíná protékat proud z C1 přes S a tlumivku L do kondenzátoru C2. Kondenzátor C2 se tímto proudem nabíjí, napětí na něm stoupá. Tlumivka se brání změnám proudu, proto při sepnutí spínače S proud tlumivkou stoupá pomalu. Tím tlumivka omezuje proudový náraz, který by jinak vzniknul při propojení kondenzátorů C1 a C2. Když napětí na kondenzátoru C2 dosáhne požadované hodnoty (v příkladu na obrázku +5 V), blok „Řízení“ rozpojí spínač S. Tlumivka se opět brání změně proudu, tentokrát se brání jeho poklesu. To znamená, že tlumivka se dále snaží proud obvodem protlačit, i když spínač S je už rozepnutý. Kdyby v zapojení nebyla dioda D2, tento proud by mohl rozepnutým spínačem S protéci, a tím ho prorazit. Dioda D2 ale tento proud na sebe převezme, a tím umožní tlumivce L, aby vybila svoji energii do kondenzátoru C2. Blok "Řízení" snímá výstupní napětí a podle něj ovládá spínač S. Např. je-li výstupní napětí příliš nízké, blok "Řízení" ponechá spínač S sepnutý po delší dobu. Kmitočet spínání spínače S je desítky až stovky kHz. Protože zdroj pracuje na vysokém kmitočtu, vycházejí transformátory, tlumivky a filtrační kondenzátory podstatně menší a levnější než při kmitočtu 50 nebo 60 Hz. Uvedené schéma je velmi zjednodušené. Především zde není vyřešena otázka bezpečnosti: Výstupní obvody nejsou oddělené od sítě. Skutečný zdroj musí obsahovat ještě transformátor, který toto oddělení zajistí. 77
15.3 Připojení k napájení Síťová šňůra přivádí síťové napětí do zdroje přes trojhranný konektor (vstupní). Síťový vypínač je mechanický, obvykle kolébkový na zadní stěně skříně, a elektronický. Elektronický vypínač, ovládaný tlačítkem na předním panelu, neovládá přímo síťové napájení, ale pouze dává základní desce pokyn, aby napájení zapnula nebo vypnula. Díky elektronickému ovládání je možno napájení ovládat i programově, nebo dokonce na dálku. Přepínač síťového napětí umožňuje volbu síťového napětí 110 nebo 220 V. Pokud by tento přepínač byl nastavený špatně, po připojení počítače k síti by skoro určitě došlo ke zničení zdroje.
15.4 Napájecí konektory základní desky Wire #
Signal
Wire #
Signal
1
+3.3V
11
+3.3V
2
+3.3V
12
-12V
3
Ground
13
Ground
4
+5V
14
Power On
5
Ground
15
Ground
6
+5V
16
Ground
7
Ground
17
Ground
8
Power Good
18
-5V
9
+5V Standby
19
+5V
10
+12V
20
+5V
Tabulka 15: Hlavní konektor napájení základní desky
Signály v hlavním napájecím konektoru Signál „Power Good“ vede ze zdroje na základní desku. Po zapnutí počítače začnou nabíhat napájecí napětí. Čipová sada vygeneruje signál reset pro procesor a drží ho aktivní tak dlouho, dokud nedostane signál "Power good" ze zdroje. Signál „Power Good“ tak dává po náběhu zdroje čipové sadě na vědomí, že napájecí napětí už je v pořádku a že je možno zahájit činnost procesoru a ostatních částí. +3.3 V: Snížené napájecí napětí pro procesor se s velkou účinností vyrábí ve spínaném zdroji, a nemusí se vyrábět pomocí analogových stabilizátorů na základní desce. To snižuje příkon a teplotu uvnitř skříně. +5 V Standby: Slouží k napájení těch částí základní desky, které jsou v činnosti i ve vypnutém stavu. Power On: Vede ze základní desky do zdroje a ovládá jeho zapnutí – vypnutí. Varování Část základní desky je pod napájením, i když je počítač ve stavu "Vypnuto". Proto před prací uvnitř počítače vždy vypneme mechanický vypínač a vytáhneme síťovou šňůru. 78
Pomocné napájecí konektory základní desky Základní desky používají pomocné konektory pro posílení napájení procesoru a grafické karty. Tyto konektory mají různé tvary a různé počty a rozložení kontaktů. Na to je nutno dát pozor při instalaci základní desky. Pokud použitý zdroj nemá příslušný konektor, je možné použít přechodky, připojené na konektory pro napájení diskových jednotek.
15.5 Napájecí konektory diskových jednotek Užívají se dvě velikosti, obě mají stejné zapojení kontaktů: Wire #
Signal
Color
1
+12V
Yellow
2
Ground
Black
3
Ground
Black
4
+5V
Red
Tabulka 16: Zapojení napájecích konektorů diskových jednotek Správná orientace konektorů je zajištěna jejich tvarem. Přesto se někdy, zvláště u menšího typu, dají napájecí konektory hrubou silou zasunout obráceně. Chceme-li připojit více jednotek, než kolik máme těchto konektorů, můžeme použít rozdvojku typu "Y". Následující obrázky byly převzaty z http://www.playtool.com/pages/psuconnectors/connectors.html, kde je mnoho dalších užitečných informací o napájecích konektorech.
Obrázek 29: Napájecí konektor pro diskové jednotky (větší typ)
79
Obrázek 30: Napájecí konektor pro diskové jednotky (menší typ)
Obrázek 31: Napájecí konektor pro diskové jednotky SATA Pozor: Ventilátor na procesoru má obvykle napájecí napětí 12 V, přesto ale používá červený vodič a ne žlutý.
15.6 Nucené chlazení Ventilátory U některých konstrukcí hlavní ventilátor vysává vzduch ze skříně, u jiných žene vzduch naopak dovnitř. Dále se používají další přídavné ventilátory, hlavně pro chlazení procesoru a grafické karty. Chceme-li chlazení uvnitř skříně vylepšit dalším ventilátorem, musíme dobře uvážit, kam ho umístit a jak orientovat jeho proud vzduchu. Jinak by se mohlo stát, že by přidaný ventilátor proudění uvnitř skříně nejen nepodpořil, ale naopak zhoršil.
Kapalinové chlazení Chlazení kapalinou se běžně používá v podobě tzv. tepelných trubic (heat pipes). To jsou trubice z tepelně dobře vodivého materiálu, naplněné parami kapaliny, např. vody, lihu, acetonu. Na horkém konci trubice se kapalina vypařuje, a tím trubici ochlazuje. Na chlazeném konci páry kapaliny kondenzují a kapalina znovu stéká k horkému konci. Tak dochází k přenosu tepla od horkého konce k chlazenému. 80
15.7 Zajímavé závady Po zapnutí se počítač zastaví, nenaběhne. Po restartu v zapnutém stavu ale naběhne. Příčina: Při zapnutí počítače je zdroj více zatížen, např. roztáčením disků. Je-li zdroj na hranici svých možností, nedokáže dodat dostatek energie. Při „teplém“ restartu už se ale disky točí, takže zdroj není tolik zatížen. K tomuto stavu může dojít např. postupným vyschnutím elektrolytických kondenzátorů ve zdroji. Po instalaci nové grafické karty nefunguje mechanika DVD. Po zasunutí média se mechanika ani neroztočí a počítač se restartuje. Přeinstalování celého systému nepomohlo. Příčina: Slabý zdroj. Při roztáčení DVD má mechanika velký odběr, který způsobí pokles napájecího napětí a restart počítače.
15.8 Záložní zdroje Záložní zdroje (Uninterruptible Power Supply - UPS) se používají k překlenutí krátkých výpadků síťového napájení, aby uživatel měl možnost uzavřít aplikace a uložit data. Na tuto činnost obvykle stačí několik minut. Záložní zdroj musí být schopen napájet požadovanou dobu počítač i monitor.
15.8.1 Typy záložních zdrojů Off-line: Za normálního provozu je počítač napájen rovnou ze sítě. Když dojde k výpadku sítě, přepne se napájení počítače na měnič, napájený z baterie. Doba, která uplyne od přepnutí napájení ze síťového na bateriové, musí být tak krátká, aby ji počítač dokázal pokrýt z rezervy svého zdroje. Tento typ chrání jen proti výpadkům napájení, nechrání dobře proti jiným problémům v síti (přepětí, rušení, kolísání napětí). Line-interactive: Vznikly vylepšením předchozího typu. Mají lepší přepěťové ochrany a vstupní filtry, kratší dobu přepnutí. Kvůli snaze o co nejkratší dobu přepnutí mohou tyto zdroje falešně reagovat na nestabilitu vstupního napětí nebo na řídicí signály, které rozvodné závody používají k přepínání tarifů a zapínání spotřebičů na tzv. „noční proud“. On-line: Počítač je trvale napájen z měniče, který je napájen z baterie, trvale dobíjené ze sítě. Doba přepnutí neexistuje, protože při výpadku sítě se nic nepřepíná. Tyto zdroje mají menší účinnost, protože měnič běží stále. Dobře stabilizují výstupní napětí i jeho kmitočet. Dobře odfiltrují všechno, co se děje na vstupu.
81
16. Klávesnice Klávesnice slouží pro vkládání povelů a alfanumerických dat do počítače.
16.1 Zásady prevence a údržby a) Nelít do klávesnice tekuté, nesypat sypké věci. To znamená nejíst, nepít a nekouřit u počítače. b) Nepoužívanou klávesnici přikrývat. Oprava klávesnice se obvykle nevyplatí vzhledem k náročnosti opravy a nízké ceně nové klávesnice. Před rozebráním klávesnice si zaznamenáme rozložení kláves.
16.2 Druhy klávesnic Základní počet kláves je 101 nebo 102. Klávesnice pro Windows má navíc klávesy, kterými se dají vyvolat nabídky. Jedna klávesa je ekvivalentní kliknutí na ikonu „Start“, druhá je ekvivalentní stisku pravého tlačítka myši. Klávesnice může obsahovat další speciální klávesy pro ovládání hlasitosti a dalších funkcí. „Zalomená“ klávesnice (Natural Microsoft Keyboard) má umožňovat snadnější psaní všemi deseti. Zatím není příliš rozšířená. Při nákupu počítače v zahraničí pozor na klávesnice s neamerickým popisem. Např. německá klávesnice má popis horní řady a některých dalších kláves velmi odlišný a znaky jako @#$%^&* se na ní špatně hledají. Na popis českých kláves lze koupit trvanlivé samolepky. Kdo píše všemi deseti, musí při koupi notebooku dávat pozor, zda klávesy mají standardní rozteč (skoro vždy mají). U tzv. subnotebooků se šetří místem ještě víc. Klávesy s písmeny mají třeba standardní rozměry, ale ostatní klávesy mohou být ošizené, což znesnadňuje psaní.
16.3 Připojení a) Klasický konektor DIN 1.
Kulatý konektor (velký) s pěti kontakty je nejstarším způsobem připojení. U nových počítačů se nepoužívá.
b) PS/2 K připojení se používá „malý“ konektor DIN. Nevýhodou je možnost záměny s konektorem myši, který má stejné rozměry. Zaměníme-li klávesnici PS/2 s myší PS/2, žádné z obou zařízení nebude fungovat, ale nepoškodí se. Protože konektor PS/2 pro klávesnici (pro myš) se stejně k ničemu jinému nehodí, je dobré připojit klávesnici (myš) do konektoru PS/2 a ušetřit tím např. konektor USB.
c) USB 1. 1.
Připojení pomocí USB má tu výhodu, že klávesnici je možno připojit ke kterémukoliv jinému USB zařízení, které má k dispozici volný konektor. Protože ale klávesnice USB nejsou dosud obvyklé, může se stát, že taková klávesnice nebude s počítačem pracovat, protože BIOS nebude mít příslušný ovladač.
82
d) Bezdrátové připojení Bezdrátové připojení poskytuje volnost pohybu. Musíme se ale starat o dobrý stav baterie. Infračervené spojení Spojení infračerveným světlem vyžaduje přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem. Proto je méně výhodné. Radiové spojení Radiové spojení nevyžaduje přímou viditelnost. Nejčastěji se používá technologie Bluetooth. Má dostatečnou rychlost i dosah, a nemá velké nároky na spotřebu energie. Funguje na vzdálenost několika metrů.
83
17. Myš 17.1 Princip Klasická myš obsahuje kuličku a dva otočné válečky. Každý váleček je spřažen s kruhovou clonou, která má po obvodu paprskovité zářezy. Po stranách clony jsou na jedné straně umístěny infračervené svítivé diody, na druhé straně snímače. Otáčející se clona přerušuje světelný tok mezi diodou a snímačem, a tak vznikají elektrické impulsy, které informují počítač o pohybu myši. Aby bylo možno rozlišit nejen rychlost pohybu, ale i jeho směr, jsou u každé clony dva senzory. Ty jsou proti zářezům na cloně natočeny tak, že podle pořadí impulsů přicházejících z jednotlivých snímačů je možno určit směr otáčení. Kombinace informací z obou clon je možno zjistit směr i rychlost pohybu v obou osách. Třetí váleček je pomocný, vodicí. Optická myš nemá žádné pohyblivé díly. Snímá obraz podložky miniaturní kamerou a vyhodnocuje změny polohy obrazu pomocí čipu DSP (Digital Signal Processing). Podložku si osvětluje diodou LED. Narozdíl od prvních optických myší dnes není nutná speciální podložka. Není vhodná lesklá podložka, která svými odrazy může zmást vyhodnocovací obvody.
17.2 Připojení a) Sériový port Konektor má 9 nebo 25 kontaktů. Pokud má konektor myši jiný počet kontaktů, než konektor počítače, použijeme redukci. Většina počítačů má dva sériové porty: COM1 a COM2. Myš může být připojena ke kterémukoliv z nich. Řadič při inicializaci myši obvykle prozkoumá oba porty a zjistí, ke kterému je myš připojena. Pokud to nezjistí, je nutno mu to nějak sdělit (hlavně, je-li myš na COM2, nebo když jsme právě změnili její připojení). Je-li myš připojena přes sériový port, využívá systémové zdroje (= system resources, tj. přerušení, adresy, ...) prostřednictvím portu. Proto při případných konfliktech s jinými zařízeními je nutno zkoumat příslušný sériový port.
b) Port PS/2 Způsob připojení pochází z počítačů IBM řady PS/2. Myš se připojuje pomocí tzv. mini-DIN konektoru. Bohužel je tento konektor fyzicky záměnný s obdobným konektorem pro připojení klávesnice. Elektrické propojení ale není kompatibilní. Nemůžeme tedy zapojit myš do konektoru klávesnice a naopak. Port PS/2 je to dobrým řešením připojení myši, protože tím nezabíráme žádný sériový port ani systémové prostředky, potřebné pro jiná zařízení. Port PS/2 využívá přerušení IRQ12, které je skoro vždy volné.
c) USB Připojení, které nevyžaduje žádné systémové zdroje. Myš je možno připojit nejen přímo k počítači, ale i k libovolnému jinému USB zařízení, které má volný výstupní USB port, např. ke klávesnici.
d) Bezdrátové připojení Při spojení infračerveným světlem je nutná přímá viditelnost mezi myší a rozhraním. To je nevýhodné, proto se tato technika přestala používat.
84
Při rádiovém spojení není přímá viditelnost nutná. Spojení spolehlivě funguje na vzdálenost několika metrů. To je výhodné např. při prezentacích. Nejčastěji se používá technologie Bluetooth. Má dostatečnou rychlost i dosah, a nemá velké nároky na spotřebu energie. Oba způsoby bezdrátového připojení mají stejnou nevýhodu: Je nutno starat se o baterii.
17.3 Údržba Když se pohyblivé díly mechanické myši znečistí, pohyb kurzoru je nepravidelný, trhaný. K odstranění špíny je nejvhodnější smotek vaty na zápalce, namočený v lihu. Optická myš prakticky žádnou údržbu nepotřebuje. Je dobré zajistit kabelu dostatečnou pohyblivost, aby se soustavně nelámal stále v jednom místě. Pokud se v práci myši objeví nepravidelnosti, které lze dočasně odstranit manipulací s kabelem, je narušený některý vodič v kabelu, pravděpodobně hned u výstupu z myši. Některé myši nepracují při prudkém osvětlení, např. na přímém slunci.
17.3.1 Jiné závady, příčiny, odstranění 1. (Nepovinné) Závada Příčina Pohyb Pohyblivé díly kurzoru je myši jsou nepravidelný znečištěny. a trhaný Myš Fyzický problém: nepracuje, Myš není vidět, systém myš protože není nevidí připojena. Programový problém: Špatný ovladač nebo problémy s portem.
Myš nepracuje s novou verzí určitého programu, přestože se starou verzí pracovala.
Starý ovladač
Řešení Očistit válečky smotkem vaty na zápalce, namočeným v lihu. Kuličku otřít vlhkým hadrem, vnitřek myši vyfoukat. Ověřit správné fyzické připojení kabelů, zasunutí kabelů do konektorů. Ověřit průchodnost myšího kabelu. Zkusit jinou myš stejného typu, zda na tomto počítači funguje. Zkusit, zda nefungující myš funguje na jiném počítači. Ověřit propojení mezi základní deskou a výstupním konektorem na zadní stěně PC. Jedná-li se o myš PS/2, ověřit, není-li zapojena do konektoru pro klávesnici PS/2. Je-li myš na sériovém portu, může jít o problém tohoto portu. Vyřešit konflikty systémových zdrojů, týkající se tohoto portu. Po výměně základní desky zkontrolovat, zda nezůstaly zapojeny staré kabely, propojující základní desku s konektory na zadní stěně. Tyto kabely totiž mohou být pro každou základní desku jiné. U myši PS/2 zkontrolovat, zda nedochází ke konfliktu u přerušení IRQ12. Pokud zapojujeme myš PS/2 na sériovém portu pomocí redukce, musíme mít tzv. "combo" myš. Tyto "combo" myši jsou udělány tak, aby zvládly obojí připojení. Sehnat novou verzi ovladače k myši.
85
18. Tiskárny 18.1 Typy tiskáren 18.1.1 Jehličkové tiskárny Princip jehličkové tiskárny se podobá psacímu stroji: Papír je posouván otočným válcem. Před papírem podél válce jezdí tisková hlava. Místo typů (kovových písmen) jsou zde v tiskové hlavě jehličky uspořádané ve svislé řadě. Jehličky jsou z hlavy vysunovány elektromagneticky pomocí bowdenů. Jehličky tisknou obraz na papír přes textilní pásku napuštěnou barvivem. Nedoporučuje se obnovovat vypsanou pásku pomocí razítkové barvy. Takto obnovená páska stejně dlouho nevydrží a kvalita tisku je horší. Ale hlavně dochází k poškozování drahé tiskové hlavy, která je náhražkovou barvou naleptávána. Výhody: • možnost psát dokument i s kopiemi přes kopírovací papír • levný provoz Nevýhody • hlučnost • pomalost • špatná kvalita tisku
18.1.2 Laserové tiskárny Laserová tiskárna pracuje na podobném principu jako kopírka. Laserovým paprskem se obraz přenese na válec pokrytý polovodivou vrstvou citlivou na světlo a nabitou záporným elektrostatickým nábojem. Neosvětlená místa si tento záporný náboj podrží, zatímco osvětlená místa se stanou vodivými, a jejich záporný náboj zmizí do tělesa válce. Záporně nabitý toner je neosvětlenými místy se záporným nábojem odpuzován, zatímco na osvětlených místech se přichytí. Toner se pak přenese z válce na papír a tam se zahřátím stabilizuje.
1.
1. Obrázek 32: Princip laserové tiskárny
1. Laserové tiskárny jsou velmi kvalitní, ale drahé. 86
18.1.3 Inkoustové tiskárny Tisková hlava je posouvána ve směru tištěných řádků podél papíru. Papír je posouván ve směru kolmém na řádky pomocí otočného válce podobně jako v psacím stroji. Tisková hlava obsahuje jeden nebo více zásobníků (cartridge) s inkoustem. Součástí zásobníků jsou inkoustové trysky, které stříkají na papír mikroskopické kapky inkoustu. Inkoust je z trysek vypuzován tepelně nebo piezoelektricky.
a) Druhy inkoustu Kapalný inkoust 1.
Kapalný inkoust na vodní bázi se používá u většiny inkoustových tiskáren. Vpíjí se do papíru, proto na obyčejném papíru je barevný tisk nedokonalý, mdlý. Pro dosažení nejlepší kvality je nutno použít speciální papír.
Tuhé inkousty Místo klasického inkoustu se používají speciální barevné vosky. Vosky se před tiskem musí rozehřát, což trvá několik minut. Vosk po dopadu na papír okamžitě tuhne a nemůže se tudíž rozpíjet ani vsakovat jako vodní inkoust. To umožňuje kvalitní tisk i na obyčejném papíru. Kapky je možno nanášet na papír přesněji než s klasickým inkoustem. Je možno vytvořit více barevných odstínů a barevný rozsah je proto širší.
b) Techniky nanášení vodního inkoustu Tepelná technika Tepelná technika má pro každou trysku miniaturní komůrku, ve které je topné tělísko. Když má z trysky vystříknout inkoust, přivede se do topného tělíska elektrický impuls o délce 1-2 ms. Tím se inkoust přivede do varu a vzniklá pára ho vytlačí z komůrky tryskou ven. Inkoust je velmi namáhán prudkými tepelnými změnami, proto musí být kvalitní (a drahý). Piezoelektrická technika Komůrky s inkoustem obsahují piezoelektrický krystal, který vlivem elektrického napětí změní tvar a vypudí kapičku inkoustu tryskou ven. Inkoust není namáhán tepelnými změnami. Proto trysky piezoelektrických hlav nejsou tak náchylné k ucpání zaschlým inkoustem. Piezoelektrické inkoustové tiskárny jsou hlučnější než tepelné. 1. 1. frequently asked questions (FAQs) 1.
How does Micro Piezo technology compare to thermal technology?
1.
FileID: KB020019EN
1. 1. 1. 1. 1.
Epson's Micro Piezo technology outperforms thermal technologies in all areas: Pressure method - Micro Piezo uses more efficient electromechanical technologies as opposed to Thermal technology. Print head life - Micro Piezo heads are Permanent whereas Thermal heads are disposable. Ink flexibility range Micron Piezo can use a wider spectrum of inks. Micro Piezo technology provides the highest resolution, smallest dot size, precise dot volume, precise dot shape, precise dot placement, and fastest head firing times. Thermal technology creates satellites and misting which Micro Piezo technology eliminates.
87
c) Vytváření barev Inkoust může být černý nebo barevný. Barevné inkousty jsou obvykle tři. Pro barevný tisk nejlepší kvality se někdy používají přídavné barevné náplně (např. Photo Cartridge firmy HP), které se vkládají místo náplně s černým inkoustem. Barvy obrazu jsou potom skládány ne ze tří, ale ze šesti barevných inkoustů. Pro nejvyšší barevnou kvalitu je nutno používat speciální papíry, které prodražují provoz. Základní barvy pro tisk jsou jiné než pro televizi nebo monitor. Aditivní míšení barev V obrazovkách se používá tzv. aditivní (sčítací) míšení barev. Používají se barvy RGB (Red – Green – Blue, tj. červená, zelená, modrá. Jednotlivé barvy (světla) se sčítají tak, že všechny tři barvy (světla) dohromady vytvoří bílou barvu (světlo). Subtraktivní míšení barev V tiskárnách se používá subtraktivní (odčítací) míšení barev. Základní barvy jsou CMY (Cyan – Magenta – Yellow, tj. azurová, purpurová, žlutá). Častěji se používá zkratka CMYK, kde poslední písmeno znamená blacK, tj. černá. Jednotlivé barvy působí jako filtry tak, že určitá barva propustí z širokého spektra bílé barvy papíru jen jednu určitou barvu. Např. žlutá barva odfiltruje z bílé barvy všechny barvy kromě žluté. Jsou-li tedy na papír naneseny všechny tři barvy, tak odečtou z bílé barvy všechny její složky a zbude barva černá. Následující tabulka porovnává inkoustové tiskárny podle toho, jak zajišťují běžný barevný tisk. 1. Tiskárna 1. Obsahuje inkousty 1. Hodnocení 1. Černobílá 1. černý 1. Nepíše barevně 1. Černou barvu skládá ze tří barevných inkoustů. Černá 1. jen barevné barva je pak nekvalitní a drahá, tisk je pomalý. 1. Po vypsání jedné barvy je 1. černý 1. Barevná nutno vyhodit i ty inkousty, 1. barevné ve společné náplni které ještě nejsou vypsané. 1. Při vypsání jedné barvy není 1. černý nutno vyměňovat i nevypsané. 1. barevné ve třech samostatných Větší pořizovací, menší náplních provozní náklady. 1. Tabulka 17: Porovnání inkoustových tiskáren
18.1.4 Porovnání laserových a inkoustových tiskáren Kvalita tisku inkoustových tiskáren je srovnatelná s laserovými. Jejich pořizovací cena je přitom podstatně menší. Provozní cena inkoustových tiskáren ale může být naopak vysoká kvůli drahému inkoustu. Výrobci nalákají zákazníky na velmi levnou tiskárnu, potom ale dostanou svoje peníze zpět za drahý inkoust. Inkoustové tiskárny spotřebují velmi málo elektrické energie. Jejich příkon je řádově jednotky wattů. Příkon laserových tiskáren je mnohem větší. Laserové tiskárny mívají podstatně větší hmotnost. Barva z laserové tiskárny je vodostálá, protože je zapečená do papíru. Barva z inkoustové tiskárny obvykle vodostálá není. To může být důležité při tisku úředních dokumentů, např. vysvědčení. 88
18.2 Připojení tiskáren Paralelní port je náchylný k rušení. Proto by kabel z paralelního portu neměl být delší než 2 m. Kabel je tlustý, konektory drahé. Dnes je toto připojení na ústupu. Používá se většinou v kombinaci s modernějším rozhraním, nejčastěji USB. Sériový port může mít kabel až 15 m dlouhý, ale je pomalý. Užíval se pro některé jehličkové tiskárny. Dnes se už nepoužívá. USB připojení je výhodné. Dnes je nejpoužívanější. Je dostatečně rychlé, kabel je tenký, nezabírá paralelní port, který je tak možno případně využít pro něco jiného. Bezdrátové připojení umožní snadnou instalaci tiskárny. Nejčastěji se používá rozhraní Bluetooth. Síťové připojení umožní využití tiskárny z více pracovišť. Taková tiskárna má vestavěnou síťovou kartu, nemusí být tedy připojena přímo na žádný počítač. Fire Wire (IEEE 1394) se používá u velmi rychlých (a drahých) tiskáren. 1. 1. U moderních způsobů připojení jako USB nebo bezdrátového může nastat problém při tisku z DOSovských programů. Pak je nutno použít rezidentní program, který i DOSovské tisky přesměruje na moderní rozhraní. 1.
18.3 Parametry tiskáren 18.3.1 Rychlost Rychlost tiskárny se obyčejně udává v počtu vytištěných stránek za minutu. Tento údaj záleží na následujících okolnostech: • zvolená kvalita tisku (např. Koncept – Normální – Nejlepší) • tisk barevný nebo černobílý • obsah tištěné stránky Měření rychlosti tiskáren není nijak normalizováno, každý výrobce užívá jinou metodiku. Proto jsou údaje různých výrobců porovnatelné jen částečně.
18.3.2 Rozlišení Rozlišení se udává v počtu bodů na palec (dots per inch – dpi), např. 4 800 x 1 200 dpi. Tento údaj znamená, že tiskárna dokáže do rozměru jednoho palce (25,4 mm) umístit v jednom směru 4 800 bodů, v kolmém směru 1 200 bodů. Nepodařilo se mi zjistit, který směr je který. Podle některých pramenů větší číslo odpovídá vertikálnímu, podle jiných horizontálnímu směru.
89
19. Oživení mrtvého počítače Pokud počítač nereaguje vůbec na nic, nelze spustit žádný diagnostický program. Je nutno zjistit, který díl je vadný. Předtím je vhodné prověřit následující body.
19.1 Co zkontrolovat nejdříve 19.1.1 Záruka Pokud je počítač v záruce, rozhodně je lépe využít záruky a nechat dodavatele, aby problém vyřešil.
19.1.2 Viry Neobvyklé chování počítače může být způsobeno i virem. Abyste to zjistili, budete potřebovat dobrý antivirový program. Nenechte se ale nachytat na „virové“ řešení příliš snadno. Pokud zapnete počítač a nestane se vůbec nic, nebo se neroztočí harddisk, nebo systém zatuhne při úvodním testu paměti RAM, váš problém s největší pravděpodobností není virový, ale hardwarový.
19.1.3 Dokumentace Když instalujete nový hardware nebo software, měli byste vždy přečíst příslušnou dokumentaci – přinejmenším poté, co se objeví problémy.
19.1.4 Nedávné změny Vzpomeňte si, kdy jste naposled provedli změny v hardwarové nebo softwarové konfiguraci počítače. Pokud před změnou potíže nebyly a po ní se objevily, s největší pravděpodobností je příčinou problémů změna konfigurace. Vzpomínejte, kdy naposled počítač fungoval správně a co se od té doby změnilo. Nejlepší je všechny změny a zásahy do HW a SW konfigurace si zaznamenávat. Pokud vám zákazník tvrdí, že žádné změny v konfiguraci neprováděl, ve vší zdvořilosti mu nevěřte – nikdy vám to nepřizná.
19.1.5 Úsporné režimy napájení Různé úsporné režimy napájení počítače („Power Management“) mohou být užitečné, ale není vhodné je zkoušet zároveň se změnami konfigurace počítače.
19.1.6 Přetaktování Zvýšení taktovací frekvence procesoru a / nebo sběrnice může přinést nepatrné zvýšení rychlosti počítače. Častěji ale přináší problémy, které jsou těžko identifikovatelné a které zdánlivě pocházejí z úplně jiných zdrojů.
19.1.7 Neověřený software Používáte-li programy z neověřených zdrojů, například beta verze nebo programy od přátel či z internetu, tyto programy mohou způsobovat nevysvětlitelné chyby systému, projevující se zdánlivě úplně jinak a jinde.
19.1.8 Neobvyklé konfigurace Čím originálnější je hardwarová nebo softwarová konfigurace vašeho počítače, tím více si říkáte o problémy.
90
19.1.9 Vnější kontakty Jste-li připojeni k síti, k internetu nebo k velkému množství periferních zařízení, zrušte toto spojení, dokud nenajdete příčinu problémů.
19.2 Nalezení vadného dílu V následujícím textu předpokládáme, že v počítači je pouze jediná závada. Při hledání vadného dílu uděláme vždy jen jednu změnu a hned kontrolujeme, zda problém zmizel. Pokud uděláme více změn najednou a problém zmizí, nebudeme vědět, která změna vedla k odstranění problému. Například pokud nahradíme zároveň grafickou kartu a zvukovou kartu zaručeně dobrými kusy a počítač začne fungovat, nebudeme vědět, zda je závada ve zvukové kartě nebo v grafické kartě. Podobně při rekonstrukci počítače postupujeme jen po malých krocích, přičemž po každém kroku kontrolujeme funkčnost počítače. Jednotlivé kroky je dobré si zapisovat, zvláště máme-li na starost větší množství počítačů. Při příští opravě se může hodit, známe-li historii minulých oprav: Například můžeme takto zjistit, že se určitá závada u určitého kusu stále opakuje. Sešit pro záznamy o opravách může mít např. tyto rubriky: Číslo Datum opravy 78 79 26.1.03
80 1. 1. 1.
Značka
Číslo
Majitel Příznaky
Brave
789 458 Deza
Něco v něm hrká. Po zapnutí se roztočí větráky, jinak nic.
Příčina
Poznámka
1) Sponka ze sešívačky. 2) Přerušený vodič +5V mezi HDD a zdrojem.
Zvídavý účetní sundává kryt, nikdy se nepřizná. Viz též opravy 58, 65.
Tabulka 18: Příklad zápisů v deníku oprav Při hledání závady mohou pomoci diagnostické LED a/nebo displeje, umístěné na základní desce. Jejich významy jsou popsány v manuálu základní desky.
19.2.1 Hledání závady pomocí dvou počítačů Metodu můžeme použít, máme-li k dispozici další stejný počítač. Po jednom vyměňujeme díly mezi oběma počítači, dokud nedosáhneme toho, že původně vadný počítač funguje, původně dobrý nefunguje. Závada pak je v dílu, který byl naposledy vyměněn. Abychom neskončili se dvěma vadnými počítači, je nutno předem vyloučit „agresivní“ závadu na dílu, který dodává energii jiným dílům. Agresivním dílem může být napájecí zdroj (napájí všechny díly počítače), interface klávesnice (napájí klávesnici), USB (napájí některá zařízení USB). Proto podezřelý zdroj z jednoho počítače nezkoušíme v jiném počítači, abychom (pokud vadný zdroj dává příliš velké napětí) nezničili i druhý počítač. Pro zkoušení zdroje je nejvhodnější přípravek s měřicími svorkami a s umělými zátěžemi pro jednotlivá napětí.
91
19.2.2 Hledání závady pomocí jednoho počítače • • • • •
Metodu použijeme, nemáme-li k dispozici náhradní díly. Odpojíme / vymontujeme všechno, kromě CPU napájecího zdroje základní desky reproduktoru RAM
1. Po zapnutí počítače by se měly stát tři věci: a) Ventilátory se točí b) Ozve se jedno pípnutí, oznamující funkčnost napájecího zdroje c) Ozve se kombinace krátkých a dlouhých pípnutí, oznamující nepřítomnost grafické karty. Obvykle je to jedno dlouhé a dvě krátká. 1. Pokud se tyto věci nestaly, počítač nezavedl systém BIOS. Závada je ve zdroji, základní desce nebo reproduktoru30. Na základní desce může závadu působit CPU, ROM, RAM. Pokud se uvedené věci staly, pak zdroj, základní deska, reproduktor jsou pravděpodobně v pořádku. Jelikož předtím, v plné sestavě, se systém BIOS nezaváděl, pravděpodobně je vadný některý z odpojených / vymontovaných dílů. Postupně vracíme odpojené / vymontované díly a po každém zkontrolujeme funkčnost počítače. Začneme grafickou kartou a monitorem. Vadný je ten díl, po jehož připojení počítač opět přestane zavádět systém BIOS. 1. Jestliže po přidání posledního dílu počítač funguje, jsou možná tato vysvětlení: 1. a) Počítač nefunguje jen při zvýšené teplotě. Při rozebírání a skládání vychladnul a proto začal přechodně fungovat. 2. b) Na desce, v kabelu nebo v konektoru byl nebo stále je nedokonalý kontakt.
19.3 Zavádění systému BIOS Při hledání závady "mrtvého" počítače je dobré znát, jaké činnosti se po zapnutí počítače mají provádět. Znalost posloupnosti těchto činností může pomoci při identifikaci závady.
19.3.1 HW předpoklady zavedení systému BIOS Předpokladem správného zavedení systému BIOS je funkčnost napájení a těchto částí základní desky: - CPU - cache - ROM - hodiny - spodních 64 kB RAM
19.3.2 BIOS Jsou-li hlavní části HW funkční, začne se po zapnutí nebo resetu provádět program, směřující k zavedení operačního systému. Tento program je součástí BIOSu. BIOS je uložen v paměti ROM. Jen tak je zajištěno, aby byl k dispozici ihned po zapnutí, aby se s vypnutím napájení nevymazal. BIOS je uložen v horních 64k prvního megabajtu, tj. na adresách 960k až (1024k - 1) dekadicky (tj. F0000 až FFFFF hexadecimálně). 30
Je dobré mít funkčnost reproduktoru ověřenou už v době, kdy žádné problémy nejsou.
92
Procesory Intel a kompatibilní při startu jako první krok vyzvednou instrukci na adrese FFFF0 (tj. 1024k – 16 = 1 048 560 dekadicky). Buď tato nebo některá z nejbližších následujících adres musí obsahovat skok na nižší adresy, aby program „nevyběhl“ z rozsahu adres, vyhrazených pro BIOS.
19.3.3 Činnosti počítače po zapnutí a) Zapne se napájecí zdroj a začnou nabíhat napájecí napětí. Čipová sada vygeneruje signál reset pro procesor a drží ho aktivní tak dlouho, dokud nedostane signál "Power good" ze zdroje. b) Procesor začne práci skokem na adresu FFFF0, kde je začátek BIOSu. Tam najde první instrukce pro svoji činnost. c) BIOS provede tzv. POST, tj. "Power-On Self Test", neboli test po zapnutí. Při tomto testu se zkontroluje: registry a příznaky procesoru kontrolní součet paměti ROM řadič DMA řadič přerušení a časovač grafická karta Pokud při tomto testu zjistí závažnou chybu, zavádění systému skončí a chyba je ohlášena akusticky. d) BIOS zjistí přítomnost grafické karty. V její paměti ROM najde program - rozšíření BIOSu pro obsluhu grafické karty. Zavede tento program do vyšší paměti (UMB – Upper Memory Blocks) a spustí ho. Tím inicializuje grafickou kartu. Přitom se na obrazovku vypíše hlášení o typu grafické karty. e) BIOS hledá další zařízení, která si přinášejí svoje rozšíření BIOSu. Je to např. řadič EIDE nebo síťová karta. Najde-li tyto programy, zavede je rovněž do UMB, spustí je a tím inicializuje příslušná zařízení. f) BIOS zobrazí svoje úvodní informace. Je to především - výrobce, verze, datum výroby BIOSu - způsob spuštění programu SETUP (obvykle klávesa DEL) - logo systému, logo "Energy Star" - sériové číslo BIOSu g) BIOS provede další testy, např. test paměti, jehož průběh můžeme sledovat na obrazovce. h) BIOS vyhledá další zařízení, např. COM, LPT, FDD, HDD. i) BIOS vyhledá a nakonfiguruje zařízení Plug and Play. j) BIOS zobrazí souhrnnou tabulku s informacemi o systému. k) BIOS vyhledá zařízení, které obsahuje operační systém. Postupuje přitom v pořadí, které je určeno nastavením "Boot Sequence" v programu SETUP. Hledá přitom "Boot Record" (zaváděcí záznam). l) BIOS po nalezení zaváděcího záznamu spustí program v něm obsažený a předá mu řízení. m) Není-li nalezeno žádné zařízení s operačním systémem, zobrazí se chybové hlášení a počítač ztuhne.
93
20. Instalacedesek 20.1 Konfigurace Konfigurace desky je nastavení jejích systémových prostředků31 tak, aby deska mohla správně pracovat a zároveň nerušila činnost ostatních zařízení v počítači. Konfigurace se provádí nastavením propojek, přepínačů, nebo programově. Programová konfigurace může být buď spuštěna a řízena uživatelem, nebo automatická (desky PnP). Konfigurace obsahuje především nastavení těchto systémových prostředků: • adresy vstupů / výstupů (I/O) • kanály přímého přístupu do paměti (DMA) • úrovně přerušení (IRQ) • adresy přídavné ROM • adresy přídavné RAM Abychom při konfigurování desek měli naději na úspěch, je dobré znát obvyklá přiřazení adres I/O, přerušení, IRQ, adres ROM, RAM (viz např. v literatuře Mueller, Minasi, Dembowski) a umět využívat diagnostické programy, umožňující zjistit současná přiřazení (např. Správce zařízení Windows).
20.1.1 Adresy vstupních a výstupních portů Vstupní a výstupní porty slouží pro přenos menších množství dat dovnitř nebo ven z počítače (konektory na zadní stěně počítače). Tyto vstupní a výstupní porty jsou vidět a jejich činnost si umíme dobře představit.
Obrázek 33: Vstupní a výstupní konektory na zadní stěně počítače
31
Prostředky, systémové prostředky, resources = to, co deska potřebuje pro svoji komunikaci s počítačem: adresy IO, přerušení, přímý přístup do paměti, adresy RAM a ROM
94
Vstupní a výstupní porty ale také slouží pro ovládání zařízení uvnitř počítače, např. grafické karty, pevného disku, zvukové karty. Tyto vstupní a výstupní porty nejsou vidět, ale fungují stejně jako ty na zadní stěně počítače.´ Když procesor potřebuje poslat písmeno (tj. bajt) do tiskárny, pošle tento bajt na příslušný konektor na zadní stěně. Tento konektor má svoji adresu. Procesor tedy pošle ten bajt na tuto adresu. Je to adresa výstupu, protože bajt jde z počítače ven. Přesněji řečeno, bajt jde z procesoru ven. Protože to, jestli se jedná o vstup nebo výstup, se určuje vzhledem k procesoru. Jde-li bajt z procesoru ven, je to výstup. Jde-li dovnitř, je to vstup. (Podobně se hodnotí operace s pamětí: jde-li bajt z procesoru ven, je to zápis do paměti. Jde-li bajt do procesoru dovnitř, je to čtení z paměti.) Když procesor potřebuje nastavit rozlišení grafické karty, pošle příslušné číslo do grafické karty na adresu toho jejího registru, který si má tuto hodnotu pamatovat. Číslo, které přistává v grafické kartě, opouští procesor, proto je to výstupní operace. Adresa, na kterou se číslo posílá, je proto adresa výstupu. Grafická karta tak obsahuje několik adres výstupů, na které procesor posílá čísla, kterými ji nastavuje. Grafická karta také obsahuje několik adres vstupů, ze kterých si procesor čte parametry grafické karty, např. už zmíněné rozlišení. Adresová sběrnice je použita pro rozlišení • míst v paměti • vstupních a výstupních portů Podobně, jako je možno provádět čtení nebo zápis s buňkami paměti, je možno provádět čtení nebo zápis i se vstupními – výstupními zařízeními (I/O). I když se pro paměť a I/O používá tatáž adresová sběrnice, jsou tyto dvě množiny na sobě nezávislé. Jsou rozlišeny zvláštním vodičem v řídicí sběrnici. Paměťových míst je mnohem více (např. 4G) než I/O (64k). Příklady I/O: • řadič HDD • sériový port • paralelní port • řadič klávesnice • řídicí registry o grafické karty o síťové karty Podobně jako dvě paměťové buňky, ani dvě I/O zařízení nemohou mít stejnou adresu. Některá zařízení, např. klávesnice, řadič HDD, mají svoje adresy pevně určené a neměnné. U jiných zařízení, např. zvukové karty, lze jejich adresy změnit. Změnou adresy určitého zařízení můžeme • odstranit konflikt s jedním zařízením (a způsobit konflikt s jiným) • trefit se do adresy, která je volná
95
20.1.2 Kanály přímého přístupu do paměti (DMA1) Při přesunu dat z přídavného zařízení (např. HDD) do paměti jsou tyto možnosti: Metoda Cesta dat Způsob 2 Programovaný vstup / výstup (PIO ) Po bajtech HDD → CPU, CPU → RAM Po blocích DMA HDD → RAM ULTRA DMA (Sdílené řízení sběrnice - HDD → RAM Po blocích bus mastering) Při přenosu dat z HDD do RAM pomocí programovaného vstupu / výstupu procesor v jednom kroku vyzvedne bajt z HDD, ve druhém kroku uloží tento bajt do RAM. Ke každému kroku musí vyzvednout z paměti instrukci programu, která mu řekne, co dělat (proto „programovaný“ vstup / výstup). CPU Přenos DMA probíhá bez účasti procesoru. Přenos je řízen speciálním obvodem, tzv. řadičem DMA. Ten umožňuje přenosy DMA v osmi Obrázek 34: PIO kanálech. Tyto kanály musí být přiřazeny jednotlivým přídavným zařízením tak, aby Radic nedocházelo ke konfliktům. V moderních PC systém DMA obsazuje z kanálů 0 – 7 pouze kanál 2, a to pro řadič pružného disku. Ostatní kanály bývají volné. Řadič DMA souvisí se sběrnicí ISA, se HDD RAM kterou byl zaveden. Proto také používá její taktovací kmitočet (8 MHz) i její datovou sběrnici. Proto je klasické DMA pomalé. U počítačů s rychlou CPU a rychlou sběrnicí proto je metoda PIO rychlejší než Obrázek 35: DMA klasické DMA. Např. pro styk s HDD se už klasické DMA nepoužívá. Radic U moderních HDD se používá tzv. HDD ULTRA DMA, které pro organizaci přenosů používá sdílené řízení sběrnice (bus mastering). Disk si přináší svůj řadič DMA, který má HDD RAM vestavěný v sobě. Tím se přenos DMA stane nezávislým na starém pomalém řadiči. To umožňuje použít pro přenos moderní sběrnici s velkým Obrázek 36: Ultra DMA taktovacím kmitočtem a velkou šířkou. Při tomto způsobu přenosu se tedy řadič HDD stává řadičem DMA a řídí přenos po sběrnici sám. Proto nejsou požadavky na klasické kanály DMA a nedojde ke konfliktu ze zařízeními, které klasické DMA používají. Přenos už nesouvisí s pomalou sběrnicí ISA, proto je rychlý. HDD
RAM
20.1.3 Úrovně přerušení (IRQ) • • 1 2
CPU se může o splnění úkolu, který zadá pomalému zařízení, dozvědět dvěma způsoby: polling (dotazovací metoda) přerušení
DMA = Direct Memory Access = přímý přístup do paměti PIO = Programmed Input / Output = programovaný vstup / výstup
96
a) Dotazovací metoda Při dotazovací metodě procesor pravidelně kontroluje adresu vstupního zařízení, na které se má objevit informace o splnění úkolu. Např. tiskárna je propojena s počítačem pomocí paralelního portu. Ten obsahuje výstupní zařízení pro odesílání znaků z počítače do tiskárny a dále vstupní zařízení pro přenos informací z tiskárny do počítače. Procesor pomocí výstupního zařízení vyšle znak do tiskárny. Další znak může být vyslán teprve až tiskárna oznámí, že předchozí znak zpracovala. Procesor proto periodicky kontroluje vstupní zařízení, na kterém mu tiskárna oznámí svoji připravenost. Procesor by během dotazování teoreticky mohl dělat i jiné činnosti, prakticky ale pod DOSem nedělá nic jiného. Proto při dotazovací metodě dochází k velkým ztrátám času.
b) Přerušení Při komunikaci metodou přerušení má přídavné zařízení právo přerušit činnost procesoru a vyžádat si od něj obsluhu. Procesor pracuje na hlavním úkolu a když je přerušen, obsluze přídavného zařízení věnuje pouze nezbytně nutnou dobu. Proto nedochází ke zbytečným ztrátám času. Bude-li tiskárna podle předchozího příkladu používat místo dotazovací metody přerušení, pak po odeslání znaku do tiskárny se procesor může věnovat jiné činnosti, a k obsluze tiskárny se vrátit, až mu tiskárna pomocí přerušení oznámí, že požaduje další znak. Přídavná zařízení přerušují činnost procesoru prostřednictvím tzv. řadiče přerušení. To je obvod, který od přídavného zařízení přijme signál přerušení, vyhodnotí jeho prioritu3 a rozhodne, zda bude požadavek zpracován hned, nebo zda musí čekat na dokončení rozdělaných přerušení s vyšší prioritou. Když na přerušení dojde řada, předá je řadič procesoru. Zároveň řadič procesoru sdělí, na které adrese leží program pro obsluhu přerušení a umožní procesoru uložit si návratovou adresu. Návratová adresa je místo v programu, na které se má procesor po dokončení obsluhy přerušení vrátit, aby mohl pokračovat v rozdělané činnosti. V PC je 16 linek přerušení (č. 0 až 15). Na každou z těchto linek může být připojeno maximálně jedno přídavné zařízení. Každá linka má určitou prioritu, žádné dvě linky nemají stejnou prioritu. Čím menší číslo přerušení, tím vyšší je jeho priorita. Přijde-li další přerušení v době, kdy ještě není dokončena obsluha předchozího, řadič podle priority přerušení rozhodne, které z nich bude obslouženo dříve. Přicházejí-li další přerušení s vyšší a vyšší prioritou, může tak být v jednou okamžiku rozděláno několik obslužných programů najednou.4 Některé sběrnice umožňují, aby jednu linku přerušení sdílelo více desek. Aby sdílení linky přerušení bylo možné, musí k tomu být přizpůsobena sběrnice i dotčené desky. Taková kombinace nastává málokdy, proto se sdílení linek přerušení raději vyhneme.
3 4
Priorita = naléhavost, přednost Pozor, to není multitasking. Přerušené programy jsou opravdu „přerušené“, jejich činnost se zastavila.
97
Využití některých linek přerušení: Linka Zařízení Poznámka 0 časovač 1 klávesnice 2 přechod od IRQ9 bývá využito pro kaskádní řazení řadičů přerušení 3 COM2 nebo COM4, viz dále 4 COM1 nebo COM3, viz dále 5 6 řadič FDD 7 LPT1 8 hodiny, kalendář 9 přechod na IRQ2 bývá využito pro kaskádní řazení řadičů přerušení 10 11 12 13 koprocesor 14 řadič HDD 15 Počítač může mít sériový port COM1 nebo COM3, ale ne oba najednou, protože oběma je přiřazena tatáž linka přerušení. Podobně může mít COM2 nebo COM4, ale ne oba najednou. V PC jsou použity dva řadiče přerušení, každý pro vstup osmi přerušení. IRQ2 a IRQ9 bývají využity pro kaskádní řazení těchto řadičů přerušení. Proto je radno se jim vyhnout.
20.1.4 Adresy přídavných ROM, RAM Některé přídavné desky mají vlastní ROM, ve kterých je zapsáno např. to, jak se mají tyto desky obsluhovat (viz popis činností počítače po zapnutí). Různé desky nesmějí mít svoje ROM nastavené na stejné adresy. Některé desky mají adresu své ROM danou pevně, neměnnou. U jiných je sice možno adresu ROM změnit, ale může to způsobit havárii, i když přitom nedošlo ke konfliktu s jinými deskami. Klasické grafické karty používají pro komunikaci mezi procesorem a svojí ROM a RAM část adresového prostoru v oblasti UMB:
grafický režim 640 – 704 kB
Grafická karta RAM textový režim 736 – 768 kB
ROM oba režimy 768 – 800 kB
Tabulka 19: Umístění RAM a ROM grafické karty VGA v oblasti UMB
20.2 Instalace základní desky Základní deska musí být informována o všech důležitých zařízeních v počítači (HDD, FDD, koprocesor, paměť, taktovací kmitočet procesoru ...). Tuto informaci může dostat • hardwarově: přepínače a propojky • softwarově: záznam v paměti, která není závislá na napájení
98
V dnešních počítačích se pro změny konfigurace základní desky používá především softwarový způsob.
20.2.1 Hardwarové nastavení Jakým způsobem mají být nastaveny propojky, např. pro určitý taktovací kmitočet procesoru nebo pro určitou kombinaci paměťových modulů, je nutno zjistit v dokumentaci základní desky.
20.2.2 Softwarové nastavení Informace o konfiguraci musí být uložena tak, aby se neztratila po vypnutí napájení, tj. např. v paměti • CMOS s baterií • EEPROM • Flash ROM Obsah paměti s konfigurací základní desky se mění pomocí programu SETUP. Ten je uložen s BIOSem v paměti ROM a spouští se po startu počítače stiskem nějaké klávesy nebo kombinace kláves. Nejčastěji je to klávesa DEL. Jiné možné kombinace kláves: Esc Ins Enter
Ctrl + Alt +
20.2.3 Výměna baterie Pokud počítač vyžaduje po každém zapnutí znovu konfiguraci základní desky, je pravděpodobně vadná baterie a je nutno ji vyměnit. Měníme-li připájenou baterii, před vyjmutím staré baterie si poznamenáme její orientaci. Má-li základní deska konektor pro připojení externí baterie, není nutno starou baterii vypájet. Po připojení externí baterie přestavíme na desce propojku, která určuje, ze které baterie bude paměť napájena.
20.3 Technologie „Plug and Play“ „Plug and Play“ (→ Plug‘n Play → PnP) znamená “Zasuň a hrej si”. Je to systém, který má umožnit automatickou konfiguraci desek bez zásahu uživatele. Deska PnP kompatibilní má obvody, které systému umožňují desku identifikovat a dotázat se jí, které systémové prostředky ke své činnosti potřebuje.
20.3.1 Činnost Po zasunutí nové desky systém PnP provede následující činnosti: Příklad výsledku činnosti Adaptér SCSI Adaptec 2942 1 přerušení, blok 256 adres IO, 16 KB ROM IRQ 5, 7, 9, 10, 11, 14; jakýkoliv 256bajtový blok adres IO od 60k do 64k; jakákoliv adresa ROM od C0000 do E0000 Nastavit prostředky tak, aby nebyly v konfliktu IRQ 5, IO od 62 000, ROM od D0000 s jiným zařízením Vyhledat (nebo si vyžádat) a nakonfigurovat ovladače desky Zavést systém obvyklým způsobem Činnost Rozpoznat druh desky Zjistit, které prostředky deska potřebuje a kolik Zjistit, v jakém rozsahu jsou prostředky přijatelné
99
Popsané činnosti se zběžně provádějí při každém zavádění systému do počítače. Při akci, kterou vyvoláme volbou typu „Přidat nebo odebrat hardware“, se provádí mnohem důkladnější průzkum. Máme-li potíže s deskou nebo deskami, můžeme takto počítači přikázat nový průzkum hardwaru, při kterém mohou být objeveny nesrovnalosti, které potíže působily. Systém PnP vlastně provádí souhrn činností, které jinak při ruční konfiguraci desek musí udělat uživatel. Po instalaci nové desky se mohou změnit systémové prostředky ostatních desek.
20.3.2 Podmínky kompatibility Aby systém byl PnP kompatibilní, musí splňovat tyto podmínky: • • • •
základní deska je PnP kompatibilní má nevolatilní paměť pro zaznamenání výsledků průzkumu zařízení BIOS obsahuje podprogram pro automatickou konfiguraci desek přídavné desky jsou PnP kompatibilní
20.3.3 Omezení Systém PnP nemůže obsloužit desky, které nejsou PnP kompatibilní. Použijeme-li např. starou zvukovou kartu, nadále budeme potřebovat diskety s jejím konfiguračním softwarem.
100
21. Zálohování Každý díl počítače může mít poruchu. Je nutné s tím počítat a všechny podstatné informace zálohovat tak, aby po odstranění poruchy bylo možno pokračovat v práci bez zbytečných ztrát. 1. Je nutné mít promyšleno • co je vhodné zálohovat • na jaká média • jakým způsobem
21.1 Co je nutné zálohovat • • •
MBR, partition table, CMOS data programy
21.1.1 Konfigurace HDD a počítače 1.
Pomocí programu DISKTOOL, DISKEDIT nebo podobného zálohujeme zaváděcí sektor, tabulku rozdělení oblastí a obsah CMOS. Tyto zálohy je nutno dělat znovu při každé změně konfigurace. Obnovení těchto údajů z neaktuální zálohy by mělo tragické následky.
21.1.2 Programy Po zakoupení programu okamžitě vyrobíme záložní kopii média a originál uložíme. Instalaci provádíme z kopie. Tím také ověříme její funkčnost.
21.1.3 Data 1.
To, co pomocí počítače vytváříme, se postupně stává cennějším než vlastní počítač. Platí to především v podnicích, úřadech, bankách, kde data uložená v počítačích jsou životně důležitá. Co je v této kapitole řečeno o zálohování, týká se tedy především dat.
21.2 Média 1.
Zálohovat je možno na • diskety • páskové jednotky • výměnné disky • CD • HDD • síť
21.2.1 Diskety 1.
1.
Nevýhodou disket je malá kapacita, výhodou jednoduchost manipulace a dostupnost na všech počítačích. Malá kapacita znesnadňuje ukládání velkých souborů. Při uložení velkého množství dat na více disket je nebezpečí, že při poruše jedné diskety se stanou nepoužitelnými i data na dalších disketách. Je-li zapotřebí přenést na disketě soubor, který i zapakovaný je větší než kapacita diskety, je možné využít schopnosti pakovacích programů rozdělit zálohu na více disket.
21.2.2 Páskové jednotky Páskové jednotky umožňují záznam stovek MB. Tato kapacita je dostatečná pro uložení objemů řádově GB (použijeme-li kompresi). 101
Nehodí se pro nic jiného než zálohování, protože data se ukládají „sériově“ podobně jako na magnetofonovou kazetu a vyhledávání je proto zdlouhavé. Vyhledávání jednotlivých souborů však sotva přichází v úvahu. Spíše budeme po ztrátě dat obnovovat obsah celého disku. 1. Páskové jednotky a jejich média nejsou drahé, vezmeme-li v úvahu jejich záznamovou kapacitu.
21.2.3 Výměnné disky Výměnné disky ZIP, JAZ svou kapacitou a rychlostí leží mezi HDD a FDD. Umožňují snadný záznam řádově 100 MB. Výhodnější jsou jednotky LS 120, které umožňují záznam asi 120 MB na speciální médium, ale mohou pracovat i s klasickými disketami. S rozšířením kompaktních disků ztratily výměnné disky na významu. Velmi perspektivní jsou flash-disky. Dá se očekávat, že budou postupně nahrazovat klasická záznamová média, včetně pevných disků.
21.2.4 Kompaktní disky Kompaktní disky (CD) mají velkou kapacitu, médium je levné, disky jsou čitelné libovolnou jednotkou CD-ROM. To znamená, že při obnově dat na jiném počítači nemusíme pořizovat a instalovat speciální hardware a software. Co se zdá být nevýhodou – záznam u disků CD-R nelze přepisovat – je ve skutečnosti výhodou. K poruše souboru v počítači může dojít, aniž bychom o tom věděli. Pokud starší verze záloh po určité době přemazáváme novějšími verzemi, můžeme si také přemazat starou (ještě dobrou) verzi novou verzí, která už je bez našeho vědomí porušená. Když ale k zálohování používáme CD-R, máme k dispozici množství starých a ještě starších verzí, ke kterým se můžeme vrátit.
21.2.5 Pevné disky a) Výměnné pevné disky 1.
Do počítače se zabuduje držák, do kterého se zvenku zasouvá pouzdro, které obsahuje pevný disk. Ten je přes držák připojen k napájení a k diskovému rozhraní počítače. Máme-li tento systém použít k pravidelnému zálohování, měli bychom si pořídit více (pokud možno stejných) pevných disků, které všechny umístíme do samostatných držáků. Pokud pro pozici tohoto výměnného disku použijeme funkci BIOSu „Autodetect“, nemusí ani být všechny disky stejné. 1. Pevné disky mají velmi dobrý poměr cena / kapacita, porovnáme-li je např. s cenou média pro jednotky Zip. Mají krátkou dobu přístupu a velkou přenosovou rychlost, používají standardní rozhraní a jsou velmi spolehlivé. 1. Nevýhody: Pevné disky jsou snadno zranitelné, např. při pádu na zem. Smějí se zasouvat a vyjímat pouze při vypnutém napájení.
b) Zabudované pevné disky Máme-li v počítači více než jeden fyzický disk, můžeme jeden disk použít pro zálohování dat z druhého disku a obráceně. Máme-li jen jeden fyzický disk, můžeme takto použít logické disky. Podobně můžeme pro zálohování dat z jednoho počítače použít disk ve druhém počítači. Zálohování je snadné a dá se automatizovat. Je tudíž velká naděje, že je budeme pravidelně provádět. Pokud ale dojde k ukradení nebo zničení počítače, spolu s daty zmizí i záloha. Některé poruchy hardwaru a některé viry rovněž mohou zničit data na obou discích. Proto je tento způsob vhodný pro krátkodobé zálohování, jako doplněk ostatních způsobů. Nejjednodušší ochranou proti vymazání pevného disku formátováním je dát mu jméno (label). Při pokusu o formátování si systém vyžádá toto jméno a tím se vyloučí formátování omylem a znesnadní formátování ve zlém úmyslu. 102
1.
21.2.6 Síť Pro zálohování můžeme použít počítače, se kterými jsme spojeni sítí. Tento systém tak velmi dobře vyhovuje doporučení, že záloha má být uložena na jiném místě než originál. Můžeme použít i prostor, který nabízejí některé servery na internetu. Velmi účinné je zálohování dat z jednotlivých počítačů sítě na síťovém serveru. Toto zálohování může probíhat automaticky např. v noci nebo o víkendu.
21.3 Způsoby zálohování 21.3.1 Četnost Podle důležitosti dat a náročnosti zálohovací procedury volíme vhodný interval zálohování. Tem může být od několika minut (ukládání rozepsaného textu během práce) do dnů, týdnů, ... (uložení obsahu celého HDD). 1. Důležitá data nelze zálohovat jen v jednom exempláři. Pokud bychom omylem nebo díky poruše přepsali platnou zálohu vadnými daty, musíme mít možnost návratu k jiné verzi zálohy. V nejjednodušším případě udržujeme dvě verze (diskety, soubory, ...). Např. na disketu s názvem „LICHÝ“ ukládáme ve dnech s lichým datem, na disketu „SUDÝ“ ve dnech se sudým datem. 1. Pro náročnější data budeme udržovat více starších verzí. Budeme mít diskety (soubory, ...) s názvy „Pondělí“, „Úterý“, .... Pak i v případě vícenásobné chyby při ukládání záloh máme možnost návratu ke starší a ještě starší verzi dat.
21.3.2 Fyzické uložení Zálohování se velmi usnadní, jsou-li data ukládána na samostatný fyzický nebo alespoň logický disk, nebo alespoň do samostatného adresáře. Při zálohování pak není nutno vždy znovu přemýšlet, co a kde je nutno zálohovat. 1. Pro případ krádeže, požáru, ... musí být alespoň starší zálohy uloženy jinde než počítač a pokud možno na více místech.
21.3.3 Programy S HW pro zálohování obvykle dostaneme i doporučený zálohovací program. Další možnosti nabízí např. WinZip, BACKUP pod Windows. Sami si vytvoříme dávkové soubory pro různé úrovně zálohování. Přitom můžeme použít prosté kopírování nebo kompresi. V každém případě ukládáme soubory včetně cesty. Užití dávkových souborů usnadní práci a především omezí možnost zapomenout na některou část dat. Při ukládání záloh je vhodné využívat archivní příznak, který je u souborů automaticky nastavován při změně.
21.3.4 Kapacita média Pro zálohování je vhodné vybrat takové médium, které umožní uložení celého objemu dat najednou. Pokud budeme svoje data zálohovat na dvacet disket, zálohování bude pracné. Během celé operace budeme muset na počítač dohlížet a vyměňovat diskety. Konečným důsledkem pak bude, že raději nebudeme zálohovat. Kromě toho záloha na dvaceti disketách je málo spolehlivá – stačí porucha jedné diskety a celá záloha může být ohrožena.
21.3.5 Příklad 1. Uživatel má na starost tři počítače: • notebook 103
• PC doma (PCD) • PC na pracovišti (PCP) 1. Nejvíce používá PC doma, nejdůležitější jsou data v notebooku. V PC doma má dva logické disky, jeden z nich zcela vyhradil pro data (D:). V PC na pracovišti má dva fyzické disky, jeden z nich zcela vyhradil pro data (D:). Interval Činnost Minuty Automatické ukládání Denně notebook → diskety (pondělí, úterý, ... ) notebook → PCD PCD → flash → PCP (změny) PCP → flash → PCD (změny) 1x týdně PCD → *.ZIP (uložit na C:) 1 x za dva týdny PCD → *.ZIP → CD-ROM Popsaným způsobem udržuje na discích vyhrazených pro data doma i na pracovišti identická data. To mu jednak umožňuje kdykoliv a kdekoliv pokračovat v jakékoliv práci, jednak to dává možnost obnovy dat, pokud by došlo k poruše na jednom z datových disků. 1. Pro přenášení změn na flash-disku a pro zabalení na *.ZIP používá WinZip, pro ostatní činnosti používá vlastní dávkové soubory. WinZip umožňuje ukládání souborů včetně cest a dále práci s příznakem „archiv“, což je pro zálohování výhodné.
21.4 Závěr Ke ztrátě dat kvůli nedokonalému zálohování u vás jednou skoro určitě dojde. Kombinováním různých způsobů zálohování, pravidelností a důsledností ale můžete tuto příhodu oddálit a možnost ztráty dat minimalizovat. Programy a služby pro zálohování • přes internet (Carbonite) • celého systému včetně konfigurace (ShadowProtect http://www.storagecraft.com/shadow_protect_desktop.php)
104
22. Škodlivé programy (Malware) Škodlivé programy jsou záměrně navrženy tak, aby škodily počítačům a jejich uživatelům. Vlastnosti škodlivých programů • Spouštějí se bez vědomí a proti vůli uživatele. • Množí se a rozšiřují se na další soubory a počítače. • Nežádoucím způsobem mění chování počítače, programy, data, struktury disků. • Zabírají systémové prostředky počítače (procesor, paměť, místo na disku). Tím zpomalují počítač. • Zabírají přenosovou kapacitu sítě. Tím zpomalují síťovou komunikaci. • Vnucují nežádané reklamy. • Sbírají a zneužívají citlivé informace, např. hesla k bankovním účtům.
22.1 Druhy Malware •
•
•
• •
Virus se množí, šíří se z jednoho počítače na druhý. Pro svoji činnost a šíření potřebuje spolupráci člověka: např. dvojklik na přílohu e-mailu nebo návštěva infikovaného webu. Worm aktivně prohledává internet, vyhledává počítače se slabou nebo žádnou ochranou, okamžitě je infikuje a z nich opět vyhledává a šíří se dál. Je zcela samostatný. Pro svoji činnost a šíření nepotřebuje člověka, proto se šíří velmi rychle. Trojský kůň se tváří jako užitečný program, např. hra, ve skutečnosti ale škodí. V počítači se snaží najít slabé místo (zadní vrátka = backdoor), kterým by bylo možno vpustit jiné škodlivé programy. Proto se trojským koňům také říká Backdoors. Trojský kůň se nedokáže sám rozmnožovat, tím se liší od viru. Spyware sbírá informace o počítači a jeho uživateli. Tyto informace pak mohou být zneužity např. k napadení bankovního účtu. Adware je program, který do počítače stahuje a na něm zobrazuje reklamy, obvykle v podobě vyskakovacích oken.
22.2 Druhy virů •
•
•
Viry napadající zaváděcí sektor (boot sector) a alokační tabulku (FAT): Také se jim říká systémové viry. Napadají snadno zranitelný zaváděcí záznam (= program), který je na každé systémové disketě nebo systémovém disku. Zaváděcí záznam je spouštěn při každém startu počítače. Virus, který se usídlí v zaváděcím záznamu, je aktivován v okamžiku, kdy je systém nejzranitelnější. Virus tak má možnost převzít řízení činností, které jsou pro správnou funkci počítače životně důležité. Obvykle se šíří infikovanými (nejen systémovými) disketami. Viry napadající programové soubory: Přímo napadají a mění programové soubory, obvykle *.EXE a *.COM. Když je program spuštěn, virus se aktivuje. Obvykle se nahraje do paměti a tam čeká na okamžik, kdy bude moci nakazit další programové soubory. Viry napadající makra: Využívají vestavěných programovacích jazyků v programech jako MS Word a MS Excel. Tyto programovací jazyky umožňují uživateli tvořit krátké programy makra, které automatizují často prováděné operace. Zatímco klasické viry jsou programy ve strojovém kódu, které napadají programové soubory, makro-viry jsou programy ve vyšším programovacím jazyku, které napadají datové soubory, např. *.doc, *.xls. Jejich další činnost je ale obdobná: Šíří se do dalších souborů, ničí je, nebo mění jejich funkci. 105
•
Viry napadající BIOS: Jsou schopny přepsat BIOS, pokud je uložený ve Flash ROM5. Po zásahu takového viru počítač obvykle není schopen vůbec nastartovat. Některé základní desky mají propojku, která může přepsání BIOSu zabránit.
22.3 Způsoby utajení virů a) Polymorfismus: Česky mnohotvárnost. Některé viry dokáží během svého života měnit svůj vzhled a rozměr. Jednoduché antivirové programy, které pouze hledají posloupnosti znaků, charakteristické pro jednotlivé viry, pak takový virus nejsou schopny odhalit. b) Stealth: Česky pohybující se a jednající skrytě. Tyto viry dokáží maskovat změny, které provedly na disku a budit zdání, že systém není infikován. Například virus měnící velikost souborů může zůstat rezidentně v paměti, hlídat dotazy na velikost souborů a odpovídat na ně falešně tak, že změna velikosti napadených souborů není odhalena. Podobně virus, který napadl zaváděcí sektor, hlídá pokusy o čtení zaváděcího sektoru a odpovídá na ně tak, jako kdyby zaváděcí sektor byl čistý. c) Disassembly Protection: Česky ochrana proti zpětnému překladu. Autor takového viru používá triky, které znesnadňují převedení strojového kódu viru do asembleru, tj. do podoby, kterou je možno lépe analyzovat. Vytvoření antivirového programu je proto obtížnější. d) Adresářové viry: Nemodifikují napadený soubor. Místo toho jen změní ukazatel v příslušném adresáři tak, aby místo na původní soubor ukazoval na virus. Při pokusu o spuštění napadeného programu se nejdřív spustí virus a až potom vlastní program. Soubor napadeného programu přitom vůbec není změněn.
22.4 Prevence Prevence je lepší než léčba. Je lepší zabránit virům v přístupu do počítače, než potom s pochybnými výsledky odstraňovat viry a škody jimi napáchané. Při ochraně počítače před viry je vhodné dbát na zásady, které je možno nazvat "digitální hygiena": • GIGO - Garbage in, garbage out: Česky "Svinstvo dovnitř, svinstvo ven". Dovolíme-li na svém počítači provozování programů pochybného původu a kvality (svinstvo dovnitř), nesmíme se divit, když budou viry ničit výsledky naší práce (svinstvo ven). Virus nemůže v počítači sám od sebe vzniknout. Může se do něj dostat jen zvenku. • Mnoho kontaktů znamená mnoho rizika: Čím více cestami je počítač propojen s jinými počítači, tím větší je riziko nákazy. Je-li počítač zapojený do velké lokální sítě, přes ni je dále připojený na internet, zpracovává se na něm mnoho disket z jiných počítačů, je jeho nakažení virem velmi pravděpodobné. • Za pirátství se platí: Může se stát, že svůj počítač nakazíme z originálního média řádně koupeného, ale je to velmi nepravděpodobné. Na druhou stranu je nákaza velmi pravděpodobná u programů nelegálně kopírovaných na další a další počítače. • Mnoho psů - zajícova smrt: Měli bychom si rozmyslet, komu dovolíme práci na svém počítači. Má-li počítač mnoho uživatelů, je těžké prosadit důsledné dodržování "digitální hygieny". Samostatnému počítači, na kterém se provozuje stálý software a který má jen jediného uživatele, hrozí mnohem menší riziko nákazy, než počítači, na kterém pracuje mnoho uživatelů. • Zálohování jako poslední záchrana: Zálohování nezabrání virům v jejich činnosti, ale může být poslední záchranou v případě, že opravdu došlo k poškození dat virem. Pravidelné zálohování se proto vyplatí.
5
Flash ROM - paměť ROM, kterou je možno za určitých okolností přepsat
106
22.5 Antivirové prostředky 22.5.1 Hardwarové prostředky • • •
•
Ochrana disket proti zápisu: Je-li disketa chráněna proti zápisu, žádný virus se na ni nemůže nahrát. Odpojení FDD: Nejúčinnější ochranou před nakaženými disketami je odpojení disketové jednotky. Lze to doporučit hlavně tam, kde k počítači mají přístup děti. Boot Sequence: Česky posloupnost pokusů o zavedení systému. Tato posloupnost by měla být programem SETUP nastavena tak, aby začínala diskem C, např. „C, A, CDROM“. Začíná-li posloupnost písmenem A (např. A, C, CDROM), při každém startu se počítač snaží natáhnout systém nejdříve z diskety. Je-li zaváděcí záznam diskety nakažen virem, virus se spustí a má možnost rozšířit se do počítače. Pozor: Nakažený zaváděcí sektor může mít i datová, tj. nesystémová, disketa. Virus Warning: Česky varování před viry. Většina základních desek umožňuje nastavit pomocí programu SETUP hardwarovou antivirovou ochranu. Hardware při pokusu o zápis do zaváděcího záznamu disku vypíše varování a umožní uživateli podezřelou akci ukončit. Narozdíl od rezidentních programů s podobnou funkcí tato ochrana nezpomaluje činnost systému a není snadné ji programově obejít. Nevýhodou je množství falešně pozitivních hlášení, která dostáváme při práci s FDISKem, při formátování disků nebo při instalaci systému. Antivirová ochrana může způsobit zatuhnutí počítače například při instalaci Windows. Proto před začátkem instalace systému antivirovou ochranu vypneme (Disable), po instalaci ji opět zapneme (Enable).
22.5.2 Softwarové prostředky • •
•
Standardní vyhledávače: Spouštějí se ručně na vyžádání uživatele. Uživatel také určí, co se bude kontrolovat a v jakém rozsahu, co se má dělat v případě nalezení viru. Rezidentní vyhledávače: Antivirový program se spustí při startu počítače. Pak zůstává trvale zavedený v paměti a automaticky kontroluje různé činnosti, které by mohly být výsledkem činnosti viru, např. přístupy na disketu, pokusy o zápis do zaváděcího sektoru, pokusy o formátování HDD, otevírání souborů, zápisy do existujících programových souborů. Šance na zachycení viru je velká, ale cenou je zpomalení kontrolovaných činností, množství falešně pozitivních hlášení, případně konflikty s jinými programy. Programy spouštěné (a ukončené) při startu: Při každém startu provádějí rychlou kontrolu zaváděcích sektorů a systémových souborů. Snaží se zachytit virus ještě předtím, než se nastartuje systém a tím zabránit viru v rozšíření.
22.6 Postupy při napadení virem 1. Při zjištění viru v počítači jsou možné tyto kroky: e) Ověření, zda se opravdu jedná o virus a ne jen falešně pozitivní hlášení f) Odstranění viru / vyléčení zasažených souborů pomocí antivirového programu g) Vymazání zasažených souborů, nahrazení zdravými h) Formátování zasaženého disku i) FDISK j) Umytí zasaženého disku Ad a) – ověření Je dobré konzultovat problém s odborníkem a zjistit na Internetu vlastnosti hlášeného viru a zkušenosti jiných uživatelů. Pokud by hlášení bylo falešně pozitivní a my bychom podnikli 107
některý z následujících kroků, riskovali bychom v lepším případě zbytečnou práci, v horším případě ztrátu dat. 1. Ad b) – vyléčení antivirem 1. Nejméně vhodná metoda. Pokud je hlášení falešně pozitivní, dovolíme antivirovému programu zásah do zdravého souboru a budeme zbytečně „vrtat zdravý zub“. I když hlášení nebylo falešné, oprava souboru nemusí být dokonalá, případně může způsobit jiné chyby, které se ke všemu nemusí projevit hned. 1. Ad c) – vymazání souborů 1. Umožní úplné odstranění viru za předpokladu, že opravdu objevíme všechny zasažené soubory. Datové soubory obnovíme ze zálohy, programové z instalačních disket nebo CD. 1. Ad d) – formátování 1. Formátování je hrubá síla, která spolehlivě odstraní všechny soubory, ale přitom může virus nechat nedotčený, je-li usazen v zaváděcím sektoru. Možno doporučit jen pro diskety, kde je spolehlivé. 1. Ad e) – FDISK 1. FDISK představuje ještě hrubší zásah než formátování, a přitom ani ten nemusí virus odstranit. Jedná-li se o virus v zaváděcím sektoru, může pomoci nedokumentovaná funkce FDISK /MBR. Tato funkce ale může zničit nestandardní informace v zaváděcím sektoru, např. neDOSovské oblasti nebo boot-manager. 1. Ad f) – umytí disku h) Pomocí vhodného programu (např. DISKEDIT) přemažeme zaváděcí sektory, tabulku rozdělení disku (partition table) a tabulku FAT. Nejtvrdší, ale nejspolehlivější metoda. Je vhodnější než FDISK, se kterým rovněž přijdeme o všechno, ale viru se při tom nemusíme zbavit.
108
23. Počítačové sítě Počítačová síť je soustava zařízení, která umožňuje přenos dat mezi počítači a jinými koncovými zařízeními (např. tiskárny, kamery, snímače), a to bez použití přenosného média.
23.1 Možnosti přenosu dat mezi počítači Data mezi počítači můžeme přenášet dvěma hlavními způsoby: a) Přenosné médium (např. CD, DVD, HDD, flash disk) b) Síť c) ad a) Přenos dat pomocí přenosného média je jednoduchý, nevyžaduje propojení mezi počítači, hardware, software, konfiguraci. Vyžaduje ale cestování nebo posílání poštou. Tomuto přenosu dat se říkalo sneaker-net. Sneaker je sportovní obuv. Znamená to tedy: Nahraj data na něco, obuj tenisky a utíkej. ad b) Přenos dat pomocí sítě vyžaduje, aby mezi oběma počítači existovalo propojení – síť. K tomuto propojení je nutné mít vybavení hardwarem (síťová karta, Wi-Fi, kabely, přepínače), softwarem, konfiguraci (adresy, jména, hesla).
23.2 Rozdělení sítí 23.2.1 Podle rozsahu 23.2.2 Podle média
23.3 Předpoklady pro správnou funkci sítě 23.3.1 Hardware 23.3.2 Software 23.3.3 Konfigurace
23.4 Síťová zařízení 23.5 Malá domácí síť 23.5.1 Dva počítače 23.5.2 Tři počítače 23.5.3 Připojení k internetu
109
24. Literatura
110
