Wykład 2 : Sprzęt komputerowy (40 s lajdów )

1. Wykład 2: Sprzęt komputerowy (40 slajdów) Informatyka Wykładowca: Prof. Anatoly Sachenko

2. Przegląd wykładu • Centralna jednostka przetwarzająca - procesor • Pamięć • Urządzenia wejściowe (wejścia) • Urządzenia wyjściowe (wyjścia) • Urządzenia wejścia/wyjścia • Nośniki danych

3. Centralna jednostka przetwarzająca • Centralna jednostka przetwarzająca (ang. CPU)jest podstawowym elementem komputera • Przeprowadza operacje arytmetyczne i logiczne, kontroluje procesy obliczeniowe i koordynuje całą pracę wszystkich urządzeń PC • Centralna jednostka przetwarzająca (procesor) zawiera: • Jednostkę arytmetyczno-logiczną(ALU - Arithmetic Logic Unit) • Układ sterowania (CU - Control Unit) • Magistralę Danych i Magistralę Adresową (Data bus, addresses bus) • Rejestry (Registers) • Licznik programów • Cache - szybka pamięć lokalna komputera o małej pojemności (8-1024 Kb) • Matematycznykoprocesor dla liczb zmiennoprzecinkowych

4. Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) • Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - część procesora wykonująca operacje arytmetyczne i logiczne na bajtach lub słowach • Układ sterowania (CU)- kolejna część procesora, odpowiedzialna za dekodowanie dostarczonych instrukcji i odpowiednie sterowanie pozostałymi jego blokami • Rejestry (Registers)-komórki pamięci o niewielkich rozmiarach, służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń (rejestry danych) oraz adresów lokacji w pamięci operacyjnej • Trigger – podstawowym elementem rejestru jest elektroniczna tablica, zdolna przechować jeden numer binarny (cyfrę kodu binarnego)

5. Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) • Nowoczesne procesorysąrealizowane w formiemikroprocesorów • Wizualnie (wygląd zew.)mikroprocesor(MP)jest obwodem scalonym— cienką, prostokątną płytką krzemową, • wielkości zaledwie kilku milimetrów kwadratowych • zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonych mu instrukcji • Jedna z części MP zajmuje się operacją gromadzenia kodów, inna –przechowywaniem kodów adresu • MP jest programowalnym cyfrowo elektronicznym elementem,który zawiera w sobie funkcje centralnej jednostki przetwarzającej (procesora), na pojedynczym półprzewodnikowym obwodzie scalonym

6. Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) • Jeden lub więcej mikroprocesorów zazwyczaj służą jakocentralna jednostka przetwarzająca (CPU) w systemie komputerowym, wbudowanym systemie, lub w urządzeniach „kieszonkowych”

7. Centralna jednostka przetwarzająca (kontynuacja) • Typy rejestrów: • Adder (układ sumujący)jest rejestrem ALU,uczestniczącym w każdej bieżącej operacji • Licznik instrukcjijest rejestrem CU, który odpowiada za adres następnej uruchamianej instrukcji • Odpowiada za automatyczny wybór programu z kolejnych komórek pamięci • Rejestr Instrukcjijest rejestrem CU przechowującym kod instrukcjiprzez okres czasuniezbędny do jej realizacji • Szybkości pracy procesora jest: MHz, GHz • 1981 PC : 5 MHz • Nowoczasny : 2000 MHz (2 GHz)

8. Pamięć – Jak jest zbudowana? • Pamięć składa się z elementów systemu binarnego -bitów, łączonych w grupy po 8 bitów, nazywanych bajtami (8 bitów = 1 bajt) • Wszystkie bajty są ponumerowane • Numer bajta jest nazywany jego adresem • Bajtymogą być łączone w komórki pamięci, które są nazywane słowami • Dla każdego komputera pojemność słowa jest ustalona jakodwa, czteryalbo osiem bajtów (kontynuacja…) (

9. Pamięć – Jak jest zbudowana?(kontynuacja) • To jednak nie wyklucza użycia przez pamięć innych, dłuższych komórek pamięci (na przykład half-word, double word) • Jedna liczba całkowita lub jedno polecenie(komenda) może byćprzedstawione w jednymsłowie • Przyjmowane są różne formy prezentowania informacji • Podział pamięci na słowadla czterobajtowychkomputerów jest zaprezentowany w tabeli poniżej: Bajt 0 Bajt 1 Bajt 2 Bajt 3 Bajt 4 Bajt 5 Bajt 6 Bajt 7 PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWO PÓŁSŁOWOPÓŁSŁOWO SŁOWOSŁOWO PODWÓJNE SŁOWO

10. Pamięć - RAM • RAM (Random Access Memory)rodzaj szybkiej pamięci, o niewielkiej pojemności, przechowująca dane • Jest bezpośrednio połączona z procesoremi zamierzona do zapisu, odczytu i przechowywania programów i przetwarzanych danych • Pamięć RAM jest używana tylko do czasowego przechowywania danych i programów, ze względu na fakt, że wszystkie informacje w pamięci RAM znikają, gdy komputer zostaje wyłączony • Dostęp do pamięci RAM jest bezpośredni, co oznacza, że każdy bajt pamięci posiada swój indywidualny adres • Przeciętna pojemność wynosiod 512 do 2048 Mb

11. Pamięć - RAM(kontynuacja) • RAMpamięcią opartą o półprzewodniki • Przyjmuje formę zintegrowanych obiegów • Pozwalana dostęp do przechowywanych danych w dowolnej kolejności — to znaczy dowolnejibez fizycznego poruszania ośrodka pamięci lub fizycznie czytającej główki • Kluczową przewagą (zaletą)RAMunad typami pamięci, które wymagają fizycznego ruchu jest to, że czasy odpowiedzi są krótkie i stałe • Krótkie ponieważ nie potrzebny jest ruch fizyczny(kontynuacja na następnym slajdzie)

12. Pamięć - RAM(kontynuacja) • Stałeponieważ czas potrzebny na odebraniefragmentu danychnie zależy od bieżącej odległości od główki fizycznej • Praktycznie tyle samo czasu jest potrzebne aby uzyskać dostęp do dowolnego fragmentu danych na chipie RAM

13. Pamięć - Cache • Cache lub scratchpad memory (pamięć notatnikowa, pamięć podręczna)jest bardzo szybką pamięcią o niewielkiej pojemności • Jest używana do wymiany informacji pomiędzy mikroprocesorem i główną pamięcią dla zmniejszenia różnicy w prędkości przetwarzania informacji przez procesor i wolniejszą pamięcią główną • Pamięć cache jest zarządzana przez Kontrolera • Kontroler analizuje bieżący program, próbując przewidzieć • jakie informacje i polecenia(komendy) będą potrzebne procesorowi w najbliższym czasie

14. Pamięć - Cache &Pamięć specjalna(kontynuacja) • Pamięć cache wykorzystuje mikro-obwody statycznej pamięci SRAM (Static RAM) • Jest charakteryzowana szybszą wydajnościąimniejszą pojemnością niż pamięć dynamiczna RAM (DRAM ) czy pamięć synchroniczna RAM (SDRAM) • ROM (Read-Only Memory) jest pamięcią tylko do odczytu • Nie jest uzależniona od zasilania • jest używana tylko do gromadzenia danych • które nie będą nigdy modyfikowane • Jej zawartość jest „szyta”specjalnie dla danego urządzeniapodczas jego tworzenia, tak, aby dane były przechowywane w sposób trwały (kontynuacja na następnym slajdzie)

15. Pamięć – Pamięć specjalna(kontynuacja) • Jest najczęściej używana do rozprowadzania (distribution)oprogramowania sprzętowego – oprogramowania, które jest blisko powiązane z określonym sprzętem komputerowym • Nowoczesnepółprzewodnikowe układy scalone ROM nie są od razu rozróżniane od podobnych do nich, układów scalonych takich jak moduł RAM • Układy scalone RAM mogą być odczytywane szybciej niż większość ROMów • Prędkość zapisu jest zawsze o wiele wolniejsza niż prędkość odczytu • Pamięć Flash jest pamięcią, która zależy od zasilania i obejmujeczęste, wielokrotne zapisywanie informacji • Zawarta w BIOSie (Basic Input/Output System)

16. Pamięć – Pamięć specjalna(kontynuacja) • BIOS (Basic Input/Output System)jest to zestaw programów przeznaczonych do automatycznych testów urządzeń po podłączeniu komputera i ładowania systemu operacyjnego • CMOS RAMjest to pamięć o niskiej prędkości działania i minimalnym zużyciu energii • Jest używana do przechowywania informacji o konfiguracji komputera (informacje dotyczące pamięci, dysków)i trybu jego działania • Pamięć video(VRAM) jest odmianą pamięci RAM, gdzie są zachowywane zakodowane obrazy • Jest zorganizowana, więc jej zawartość jest dostępna jednocześnie dla dwóch urządzeń: procesoraiurządzenia wyświetlającego

17. Urządzenia wejścia • Urządzenia wejściato sprzęt, który przetwarza dane z zewnątrz, tak aby były wykorzystane przezkomputer • Klawiatura komputerajest urządzeniemsłużącym do wprowadzania danych do komputera poprzez wysyłanie do niego sygnałów • Klawiatura posiadastandardowyzestaw klawiszy i kilka dodatkowych elementów sterujących –przyciski funkcyjne, przyciski sterujące oraz małą klawiaturę cyfrową • Manipulatory(mysz, joystick i inne) są specjalnymi urządzeniami, które są używane do kontroli kursora

18. Urządzenia wejścia (kontynuacja) • Joystickjest zwykłymbar-pen • Odchylenie od pozycji pionowej prowadzi do ruchu kursora w odpowiednim kierunku, po ekranie monitora • Jest często używany w grach komputerowych (obecnie częściej gamepad) • Myszjest urządzeniem wskazującym, wykrywającym dwuwymiarowy ruch względem podpierającej ją powierzchni • Ruch myszy jest tłumaczony na ruch kursora po ekranie

19. Urządzenia wejścia (kontynuacja) • Skanerjesturządzeniemanalizującymobrazy, tekst drukowany i rękopisyizamieniającym je naobraz cyfrowy • Kamery internetoweto małe kamery, których obrazy mogą być przesyłane przez sieć www, komunikatory internetowe, lub aplikacje służące do konferencji • Przykład: program Skype • Mikrofonjesttransduktorem sygnałów akustycznych na elektrycznelub sensoremzamieniającym dźwięk na sygnał elektryczny • Przykład: program Skype

20. Urządzenia wejścia (kontynuacja) • Ekrany dotykowe to powierzchnie wyświetlające które posiadają zdolność wyświetlania i odbierania informacji na tym samym ekranie. • Dzięki zastosowaniu takich ekranów można przekształcać dane w urządzeniu wejścia bez użycia klawiatury i/lub myszy jak podstawowego urządzenia wejścia. • Panel dotykowy to urządzenie wejścia, często używane w laptopach. • Reagują na ruch palca użytkownika. • Zastępują myszkę komputerową.

21. Urządzenia wejścia (kontynuacja) • Skaner to urządzenie które analizuje obrazki, drukowany tekst i pismo ręczne, po czym przekształca je w cyfrowy obraz. • Kamery Internetowe to małe kamery z których obraz można wykorzystywać w sieci WWW, do szybkiego przesyłania danych a także do video konferencji. • Przykład: program Skype • Mikrofon to urządzenie służące do przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne. • Przykład: program Skype

22. Urządzenia wyjścia • Urządzenie wyjścia to każda część komputera która służy do komunikowania wyników przetwarzania danych, wytworzonych przez system obróbki informacji(taki jak komputer), do świata zewnętrznego. • Projektor urządzenie projekcyjne służące do wyświetlania obrazów na ścianie lub ekranie projekcyjnym. • Wysyła sygnały kontrolujące jasność wiązki światła, synchronizuje sygnał wiązki • Monitor przekształci te sygnały w wizualizacje.

23. Urządzenia Wyjścia - Monitory • Monitor komputerowy to rodzaj sprzętu elektronicznego który wyświetla możliwe do obejrzenia obrazy wygenerowane przy pomocy komputera. Obrazy mają niestały charakter. • Rodzaje Monitorów: • cathode-ray tube (CRT) - kineskopowe • liquid crystal displays (LCD) • ekrany dotykowe • Istnieją karty graficzne, takie jak SVGA , SXGA , UXGA , VGA , pamięć video , XGA

24. Urządzenia Wyjścia (kontynuacja) • Głośnik, głośnik systemowy - przetwornik elektroakustyczny. Urządzenie elektryczne (odbiornik energii elektrycznej) przekształcające sygnał elektryczny w falę akustyczną.Wyrażenie głośnik może się odnosić do pojedynczych urządzeń (lub sterowników), a także do kompletnych systemów składających się z kilku głośników, sterowników i dodatkowej elektroniki • Drukarka to urządzenie drukujące które przenosi dane wytworzone przez komputer, w postaci drukowanego tekstu lub obrazów graficznych.Istnieje kilka rodzajów drukarek (następne slajdy)

25. Urządzenia wyjścia - drukarki • Drukarki igłowe wykorzystują kombinacje małych igieł uderzających w papier, które zmieniają sposób uderzenia, w zależności od tego co chcemy wydrukować • Każdy znak, wydrukowany na drukarce, składa się z 9, 18 lub 24 igieł, ustawionych w poziomą kolumnę. • Wadą tych tanich drukarek jest ich głośna praca i niska jakość wydruku. • Drukarki laserowe działają bardzo podobnie do kopiarek • Komputer tworzy w pamięci obraz strony tekstu i wysyła ją do drukarki

26. Urządzenia wyjścia - drukarki • Drukarki atramentowedrukują, tworząc znaki przy pomocy sekwencji atramentowych punktów (zobacz następny slajd) • Głowica drukarki posiada malutkie dysze przez które atrament dostaje się na papier • Te drukarki wymagają papieru dobrej jakości • Kolorowe obrazy są tworzone przy pomocy kolorowych tuszów • Ploterto urządzenie drukujące graficznie, podłączone do komputera • Może tworzyć skomplikowane wzory, w tym także rysunki inżynierskie, plany architektoniczne, mapy geograficzne i meteorologiczne. Niestety, są bardzo wolne z powodu mechanicznych mechanizmów

27. Urządzenie wyjścia – drukarka atramentowa

28. Urządzenie wejścia/wyjścia • Wejście/Wyjście, lub I/O, odnosi się do komunikacji pomiędzy systemem obróbki informacji(np.: komputer) i światem zewnętrznym - zwykle człowiekiem lub innym systemem obróbki informacji • Wejście to sygnały otrzymywane przez komputer, a wyjście to sygnały wysyłane • Na przykład klawiatury i myszki to urządzenia wejścia, a monitory i drukarki są urządzeniami wyjścia. • Urządzenia służące do komunikacji pomiędzy komputerami, takie jak modemy i karty sieciowe są urządzeniami wyjścia i wejścia

29. Urządzenia magazynujące - dyskietki • Urządzenie magazynujące służy do nagrywania(przechowywania) informacji. • Dyskietka to urządzenie przechowujące które składa się z cienkiego i giętkiego dysku magnetycznego, umieszczonego w plastikowej, kwadratowej obudowie. • Dyskietki są odczytywane i nagrywane przez stację dyskietek lub FDD(tego skrótu nie powinno się mylić z "fixed disk drive", który odnosi się do dysków twardych) • Wykorzystuje się je do przenoszenia danych pomiędzy komputerami, a także do dystrybucji programów • Sposób binarnego nagrywania danych na dyskietkach nazywany jest kodowaniem magnetycznym • Bieguny magnetyczne w środowisku układają się zgodnie z kierunkami biegunów północ-południe

30. Urządzenia magazynująca – dyskietki ZIP • Dyskietki Zip są wymienialnymi dyskietkami o średniej pojemności, wynalezionymi przez Iomega pod koniec 1994 r. • Początkowo miały pojemność 100 MB, w późniejszych wersjach wzrosła do 250 MB a następnie 750 MB • Ten rodzaj dyskietek zdobył największą popularność ze wszystkich dyskietek o dużych pojemnościach, jednak nigdy nie udało mu się zająć miejsca 3,5 calowych dyskietek. • Został wyparty przez system flash a także przez płyty CD i DVD i już nie jest wykorzystywany.

31. Urządzenia magazynujące - kardridże • Taśma magnetyczna była używana do przechowywania danych przez ponad 50 lat • Współczesna taśma magnetyczna jest wykorzystywana w kardridżach i kasetach • Urządzenie które dokonuje właściwego odczytu lub zapisu danych to napęd taśmowy • Autozmieniarki i biblioteki taśm są często używane do automatycznej obsługi kardridży • Przy przechowywaniu dużych ilości danych, taśma jest tańsza niż inne sposoby przechowywania. • Taśma magazynująca od zawsze była używana w dużych systemach komputerowych • Współcześnie używa się jej jako nośnika o dużej pojemności a także do archiwizowania i tworzenia kopii zapasowych. • W 2007 roku, kardridże o najwyższej pojemności (DLT-S4, LTO-4, SAIT-2) mogą przechowywać 800 GB danych bez kompresji.

32. Urządzenia Magazynujące – CD-Rom • CD-ROM (skrót wzięty od "Compact Disc read only memory" czyli "dysk tylko do odczytu") to dysk który zawiera dane dostępne dla komputera • Format CD na początku służył tylko do przechowywania i odtwarzania muzyki, jednak później został zaadaptowany do przechowywania jakichkolwiek danych. • CD-ROM'ów używa się do dystrybucji programów komputerowych, gier i aplikacji multimedialnych. Jednak można na nich przechowywać każdy rodzaj danych(nie większy niż pojemność dysku) • Niektóre płyty CD zawierają dane komputerowe i muzykę którą można odtworzyć na odtwarzaczu CD, przy czym dane mogę być wykorzystywane tylko przez komputer. • Noszą one nazwę Enchanced CD, lub też CD Extra i CD Plus, zawierają muzykę a także dane.

33. Urządzenia Magazynujące – CD-Rom (kontynuacja) • Pojemność płyt CD sięga 780 • Informacja o pojemności jest wydrukowana na dysku CD i nie ulega zmianie • Miejsce technologii CD-ROM zajmuje pomału DVD • Dvd ma taki sam rozmiar jak CD, ale jego pojemność może sięgać 17 GB, czyli jeden dysk DVD może zastąpić 20 standardowych płyt CD-ROM • Przenośna nagrywarka płyt - może odtwarzać normalne dane, a także nagrywać dane na płytach. • Ma pojemność 650 MB

34. Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy • Dysk twardy jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Urządzenie to nagrywa na twardym podłożu. • Nie zmienna pamięć(Non-valatile memory) NVM to rodzaj pamięci komputera która przechowuje dane nawet kiedy nie jest podłączona do prądu. • Przykładem NVM są pamięci flash, większość magnetycznych urządzeń przechowujących(dyski twarde, dyskietki), dyski optyczne, a także używana we wczesnych komputerach taśma papierowa.

35. Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja) • W przeciwieństwie do dyskietek, dysk twardy obraca się nieustannie • Został wyposażony we wbudowaną pamięć cache – 8 Mb, która zapewnia jego sprawne działanie

36. Urządzenia magazynujące – Dysk Twardy (kontynuacja) • Dyski Twardemają bardzo dużo pojemność: od 40 do 750 GB. We współczesnych modelach prędkość obrotów dysku sięga 7200 na minutę. Oznacza to że czas otrzymania danych wynosi 9ms, średni przesył danych wynosi do 60 MB/s • Istnieją dyski zewnętrzne i wewnętrzne • Na przykład, wewnętrzne dyski twarde mogą być częścią stałych systemów

37. Urządzenia magazynujące – Przenośne dyski Twarde • Przenośny Dysk Twardy(IHDD) jest zbudowany tak samo jak HDD, jest jednak przenośn i łączy się z komputerem za pomocą łącza USB(Universal serial bus) – jest to standardowy sposób połączenia w komputerach. • Na przykład: z Max Connect IHDD, Power Mac G5 może posiadać 9 dysków przenośnych, co pozwala systemowi ładować się z jednego dysku a resztę dysków ustawia w trybie RAIDED (Redundunt Array Of Inexpensive Disk) • Powoduje to 8x krotne zwiększenie prędkości w stosunku do normalnego Power Mac’a G5

38. Porównanie urządzeń magazynujących

39. Urządzenia Magazynujące – Formatowanie dysków • Formatowanie dyskujest procesem przygotowania partycji lub innego nośnika danych do zapisu danych. • Duże dyski mogę być podzielone na partycje, podzielone na sekcje logiczne, które posiadają własny system plików. • Formatowanie dysku można podzielić na dwa różne porcesy, formatowanie niskowoluminowe i wysokowoluminowe. • Formatowanieniskowoluminoweto formatowanie powierzchni dysku instalowanie numerów sektorów, które są rozpoznawane i wykorzystywane przez kontroler dysku • Formatowanie wysokowoluminoweto proces tworzenia wolnego miejsca dla plików, a także tworzenie sektora rozruchowego dysku.

40. Bibliografia • European Computer Driven Licence, Syllabus version 4.0, 2006. • Lecture Notes. Fundamentals of Informatics (e-version). Based on a book by L.Z.Shaucukova. Informatics (in Russian).Moscow, 2002. – 420 p. (translated and edited by Anatoly Sachenko). • William Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance (6th edition). Prentice Hall , 2002, 750 p. • Tucker (Editor-in-Chief), R. Cupper, F.P. Deek, and R. Noonan (Editorial advisors), Computer Science Handbook, Second edition, CRC Press, 2004, 2752 p. • Hysa B., Piekoszewska B., Rakowiecka K., Sobota M., Sołtysik-Piorunkiewicz A., Zdonek D., Zdonek I., : Laboratorium z podstaw informatyki w zarządzaniu. Część II. Wprowadzenie do MS Windows. MS Word. Wydawnictwo PŚ. Gliwice 2003. Skrypt nr 2324. • Kowalczyk G.: Word 2000 PL. Ćwiczenia praktyczne. Helion, Gliwice 2000. • J. Glenn Brookshear. Computer science an overview, Sixth edition, Addison Wesley, 2001, 688 p.