سخت افزار کامپیوتر

1. سخت افزار کامپیوتر بخش اول کتاب توربان

2. محتوای فصل • مقدمه • CPU • حافظه کامپیوتر • سیر تکاملی سخت افزار • سلسله مراتب کامپیوتر • فناوری های ورودی و خروجی • شاخص های کلی فناوری

3. مقدمه • سخت افزار: ابزار فیزیکی که برای ورودی، پردازش، خروجی و فعالیت های حافظه در یک سیستم کامپیوتری استفاده می شوند. شامل: • واحد پردازش مرکزی • حافظه ی اولیه • حافظه ی ثانویه • فناوری های ورودی و خروجی • فناوری های ارتباطی • انتخاب سخت افزار روی سه عامل تمرکز دارد: • قابلیت (قدرت و تناسب با وظیفه) • سرعت • هزینه

4. واحد پردازش مرکزی • واحد پردازش مرکزی: محاسبات حقیقی و یا اصطلاحاً number crunching (انجام سریع محاسبات بزرگ) را در هر کامپیوتر انجام می دهد. CPU یک ریزپردازنده است که از میلیون ها ترانزیستور کوچک ساخته شده است که در یک مدار روی یک قرص سیلیکونی یا تراشه جاسازی شده اند. • واحد کنترل بخشی از CPU است که جریان اطلاعات را کنترل می کند. • واحد محاسبه و منطق(ALU): بخشی از CPU است که محاسبات ریاضی و مقایسه های منطقی را انجام می دهد. • ثبات ها: حافظه های با سرعت بالا در CPU هستند که حجم بسیار کمی از داده ها و دستورالعمل ها در دوره های زمانی کوتاه نگه می دارند.

5. واحد پردازش مرکزیادامه • قسمت های یک ریزپردازنده

6. واحد پردازش مرکزیادامه • نحوه کار پردازنده

7. واحد پردازش مرکزیادامه • چرخه دستورالعمل ماشین: چرخه پردازش کامپیوتر،سرعتی که به ازای تعداد دستورالعمل هایی که یک تراشه در هر ثانیه پردازش می کند اندازه گیری می شود. • سرعت پالس ساعت ( Clock speed ): سرعت از پیش تنظیم شده پالس ساعت کامپیوتر که تمام فعالیت های تراشه را زمانبندی می کند. • طول کلمه: تعداد بیت هایی که CPU در هر یک از فواصل زمانی می تواند پردازش کند. • پهنای باس: اندازه مسیرهای فیزیکی که داده ها و دستورالعمل ها به عنوان ضربه الکترونیکی روی چیپ جابجا می شوند. • پهنای خط: فاصله بین ترانزیستورها، هر چه کوتاه تر باشد، سرعت تراشه بیشتر است.

8. قانون مور • پیچیدگی ریزپردازنده ها هر دو سال یکبار به علت تغییرات زیر دو برابر می شود: • کوچک سازی هر چه بیشتر ترانزیستور ها • متراکم سازی و مناسب سازی لایه فیزیکی اجزای تراشه ها تا حد امکان. ( کاهش پهنای خط ) • به کار بردن عناصری در تراشه ها به منظور افزایش رسانایی استفاده از ارسنید گالیم و ژرمانیم سیلیسیم به جای سیلیسیم • قرار دادن دستورالعمل های پایه ای و اساسی در تراشه ها

9. طبقه بندی گسترده معماری ریزپردازنده ها: • CISC ( Complex Instruction Set Computing ) • RISC ( Reduced Instruction Set Computing ) • VLIW ( Very Long Instruction Word ) • EPIC ( Explicitly Parallel Instruction Computing )

11. میکرو کنترلر ها • تراشه های کامپیوتری که در محصولات و فناوری ها جاسازی می شود که معمولا هزینه پایین تر و نسبت به پردازنده ها، در کارهای کم تقاضاتر کاربرد دارند.

12. حافظه کامپیوتر • دو بخش اصلی : حافظه اولیه ـ حافظه ثانویه • بیت: تنها داده ای که کامپیوتر می تواند پردازش کند. • بایت: یک داده رشته ای 8 بیتی، که برای نمایش هر یک از عملگرهای ساده ریاضی یا حروف الفبا استفاده می شود. • ظرفیت حافظه • کیلو بایت • مگا بایت • گیگا بایت • ترابایت • پتا بایت • اگزا بایت

13. حافظه اولیه ـ حافظه اصلی • حافظه ای که برای نگهداری سه نوع داده زیر در دوره های زمانی کوتاه به کار می رود: • داده هایی پردازش شده توسط پردازنده • دستورالعمل های پردازنده مبنی بر چگونگی پردازش داده ها • برنامه های سیستم عامل برای مدیریت جنبه های گوناگون عملیات کامپیوتر • ثبات: بخشی از CPU با کمترین ظرفیت می باشند که تنها مقدار کمی از دستور العمل ها و داده ها را بلافاصله قبل و بعد از پردازش در خود نگه می دارد. • RAM: بخشی از حافظه اولیه که یک برنامه نرم افزاری و مقدار کمی داده را وقتی که از حافظه ثانویه آورده می شوند، در خود نگه می دارد.

14. انواع RAM • DRAM: گنجایش بیشتر، هزینه کمتر، سرعت کمتر، • SRAM: کاربردهای حساس به کارایی • MRAM: غیرفرار، استفاده از خاصیت مغناطیسی برای ذخیره داده به جای الکتریسیته، ترکیب سرعت SRAM و گنجایش بالای DRAM و غیرفراری flash • Cache: نوعی از حافظه اولیه که بلوک های داده ها را که زیاد مورد استفاده قرار می گیرند موقتاً در خود نگه می دارد. به دلیل فاصله کمتر تا CPU، از RAM سریعتر و دارای سه سطح می باشد: • L1 و L2: داخل پردازنده، L1 سریعتر و کوچکتر از L2 می باشد. • L3: روی بورد اصلی است ولی داخل پردازنده نیست. • ROM: نوعی از حافظه اولیه که دستور العمل های کلیدی معین در آن نگهداری می شود. این حافظه غیرفرار است و در صورت خاموش شدن کامپیوتر، دستورات باقی می مانند. • حافظه FLASH: نوعی حافظه قابل بازنویسی فقط خواندنی که فشرده، قابل حمل و نیازمند انرژی کمی می باشد.

15. حافظه ثانویه • فضای حافظه ای که می تواند میزان زیادی از داده ها را برای مدت زیادی نگه دارد. • حافظه ای غیر فرار • زمان خیلی بیشتری برای بازیابی داده ها نیاز است.( به دلیل طبیعت الکترومکانیکی آن) • از حافظه اولیه ارزانتر است. • می تواند در گونه های مختلف رسانه با فناوری های مختلف قرار گیرد.

16. حافظه ثانویهادامه • نوار مغناطیسی: یک حافظه ثانویه با دسترسی ترتیبی که معمولاً در یک قاب نوار یا کاست کوچک نگهداری می شود. به خاطر قیمت کم و توانایی کنترل میزان عظیمی از داده ها، هنوز رایج است. • دسترسی ترتیبی: نوعی از دسترسی که در آن سیستم کامپیوتر باید همه ی داده ها را به منظور مکان یابی بخش خاصی اجرا کند. • دیسک مغناطیسی: شکلی از حافظه ثانویه روی یک دیسک مغناطیسی که به ترک ها و سکتور هایی تقسیم بندی شده که حاوی آدرس هایی برای بخش های مختلف داده هستند.( دیسک سخت )

17. Hard drive: نوعی از حافظه ثانویه با دسترسی مستقیم که در آن داده ها را روی صفحه فلزی ذخیره می کند که به تراک های هم مرکز و سکتور های تقسیم شده است که بوسیله ی هد خوانده می شوند. • دسترسی مستقیم: دسترسی به داده ها که در آن هر بخش از داده ها به صورت غیرترتیبی بازیابی می شود.( استفاده از آدرس داده ها برای دسترسی به آن ها ) • دیسکت های مغناطیسی: نوعی از حافظه مغناطیسی با قابلیت حمل آسان و روی دیسک های پولیستری انعطاف پذیر.

18. حافظه های نوری: نوعی از حافظه های ثانویه که با استفاده از تابش لیزر روی سطح یک صفحه پلاستیکی بازتابنده، خوانده می شود. • CD-ROM: نوعی از حافظه ثانویه که فقط خواندنی است. • DVD: نوعی حافظه نوری که برای ذخیره سازی ویدئو های دیجیتالی یا داده های کامپیوتری مناسب است.

19. FMD-ROM( دیسک چندلایه فلورسنت ): نوعی حافظه نوری با ظرفیت بسیار بیشتر از DVDها. • Memory cards • دستگاه های حافظه انبساط پذیر: کارتریج های دیسک قابل تعویض که برای back up گرفتن از هارد دیسک مناسب می باشند.

20. سیستم حافظه سازمانی(Enterprise storage system ): یک سیستم مستقل و خارجی، دارای هوشمندی که مشتمل بر دو یا چند حافظه می‌باشد. • RAID(Redundant arrays of independent disks): یک سیستم حافظه سازمانی که گروهی از هارد درایو های استاندارد را به یک میکروکنترولر خاص که درایو ها را با هم هماهنگ می سازد، متصل می کند؛ طوری که یک هارد درایو به نظر می رسند.

21. NAS (Network-Attached Storage): یک سیستم حافظه سازمانی که در آن یک سرور خاص منظوره، خدمات حافظه ای را به کاربرانشبکه، ارایه می کند. • SAN(storage Area Network): یک معماری سیستم حافظه سازمانی برای ساختن شبکه های ویژه و اختصاصی که دسترسی سریع و قابل اطمینان به دستگاه های حافظه را به وسیله چند سرور ممکن می سازد. • Storage over IP: فناوری که با استفاده از پروتکل های اینترنتی داده های ذخیره شده را بین دستگاه ها، از طریق SAN منتقل می کند. به نام های IP over SCSI و یا iSCSI هم شناخته می شود.

22. سیر تحول سخت افزار • نسل اول، از سال های 1946 تا حدود 1956،کامپیوتر ها از لامپ های خلأ برای پردازش و ذخیره داده ها استفاده می کردند • مصرف توان زیاد • تولید گرمای زیاد • عمر کوتاه • نسل دوم، از 1957 تا 1963 از ترانزیستور ها استفاده می شد. • نسل سوم، از 1964 تا 1979، مدار های مجتمع • گسترش نرم افزارها برای مردم عادی

23. اوایل نسل چهارم، از 1980 تا 1995، استفاده از مدار های VLSI(very-large-scale integrated ) • صدها هزار مدار روی یک تراشه • ULSI، 10 میلیون ترانزیستور روی یک تراشه • بر اساس معماری فان نیومن ( پردازش دنباله ای اطلاعات، یک دستورالعمل در هر بار ) • اواخر نسل چهارم، از 1996 تا کنون، استفاده از مدار های GSI (grand-scale-integrated) • یک بیلیون ترانزیستور روی یک تراشه • پردازش موازی گسترده ( داده کاوی پایگاه داده های های عظیم )

24. سلسله مراتب کامپیوتر • Supercomputers • کامپیوترهای با بالاترین توان پردازشی در دسترس، استفاده در امور علمی و نظامی روی مجموعه داده های کلان. • Mainframe computers • کامپیوترهای بزرگ مورد استفاده سازمان های بزرگ برای انجام محاسبات حجیم و در دسترس هزاران کاربر • Midrange computers • محدوده servers تا minicomputrs : کوچکتر، ارزارنتر از Mainframeها که کارهای آنها را در محدوده های کوچکتر انجام می دهند و برای پشتیبانی شبکه و اشتراک فایل و نرم افزار به کار می روند.

25. Workstation computers • کامپیوترهای قدرتمند رومیزی که برای کاربردهای محاسباتی حجیم علمی، مهندسی و مالی استفاده می شوند. عموماً بر اساس معماری RISC ساخته می شوند. • Microcomputers • کوچکترین و ارزان ترین طبقه از کامپیوترهای همه منظوره، کامپیوترهای شخصی که بر اساس اندازه به انواع زیر تقسیم می شوند: • کامپیوترهای رومیزی شخصی (Fat-client systems) • Thin-client systems • Laptop & Notebook Computers • Mobile Devices

26. فناوری های ورودی و خروجی • فناوری های ورودی، به کاربر و یا سایر دستگاه ها اجازه می دهد تا داده ها را به کامپیوتر وارد کند. • دو نوع اصلی از ابزار ورودی : • Human data entry devices • Keyboards, mouse, joystick, touchscreen • Source-data automation devices • input data with minimal human intervention: Barcode scanner, optical mark reader

27. ابزار ورودی

28. ابزار ورودی

29. ابزار خروجی

30. ابزار خروجی

31. شاخص‌های کلی فناوری سخت افزار • نسبت هزینه-عملکرد تراشه ها • حافظه • کامپیوترهای self-healing ( خودترمیم ) • BlueSky محصول IBM • تارهای حسگر ( Sensor webs ) • مجموعه ای از جعبه های فلزی کوچک که به منظور جمع آوری انواع اطلاعات نصب می شود، با جعبه های نزدیک ارتباط برقرار می کند و در بعضی موارد به صورت بی سیم با دستگاه های خارجی وصل می شود. • نانوتکنولوژی • ساخت اشیا، دستگاه، یا سیستم هایی در مقیاس 1 تا 100 نانومتر. • محاسبات کوانتومی • استفاده از حالات اساسی یک ذره (کوانتوم) از ماده به عنوان واحد بنیادی محاسبه