OSNOVE INFORMATIKE NOSITELJI KOLEGIJA prof. dr. sc. Niko MAJDANDŽIĆ doc. dr. sc. Roberto LUJIĆ VJEŽBE mr. sc. Mirjana ČIČAK Vjekoslav GALZINA, dipl.inž.
STROJARSKI FAKULTET – SLAVONSKI BROD TRG I. B. MAŽURANIĆ 2 GUNDULIĆEVA 22
035 44 67 18, 035 44 74 35
1
HARDWARE
- komponente računala
• Ulazne jedinice • Centralna jedinica • Izlazna jedinica • Vanjske memorije • Komunikacije
CENTRALNA JEDINICA Upravlja radom svih jedinica računala, memorira podatke i naredbe nakon ulaza te obavlja operacije matematičkih i logičkih računanja i uspoređivanja. Može se podijeliti na: - Aritmetičko-logičku jedinicu CPU - Central - Upravljačku jedinicu Processing Unit - Memorije - I/O sabirnice Centralna jedinica PC se sastoji od: osnovne ploče, procesora, internih i eksternih memorija, disketnog pogona, priključka za ostale jedinice konfiguracije, napajanja. Osnovna ili matična ploča je glavni dio PC računala. Na njoj se nalazi mikroprocesor, memorija i utičnice (slotovi) za kartice.
Upravljačka jedinica kontrolira i koordinira rad svih jedinica računalskog sustava. Svoju funkciju obavlja izdvajanjem odgovarajućih signala koji nastaju na osnovi naredbe iz programa koji se nalaze u radnoj memoriji i koji upravljačka jedinica čita tijekom izvođenja. Glavni zadaci: • Upravlja čitanjem i zapisom u radnu memoriju • Upravlja razmjenom podataka između radne memorije i aritmetičko-logičke jedinice • Upravlja radom aritmetičko-logičke jedinice • Sinkronizira rad pojedinih jedinica računala Aritmetičko-logička jedinica obavlja računske i logičke operacije. Obavlja samo 4 osnovne računske operacije i logičku operaciju usporedbe.
OSNOVNA PLOČA - MOTHERBOARD Osnovna ploča uvjetuje dalja proširenja i osigurava stabilnost sustava. Opća tendencija je danas da se povećava stupanj integracije osnovnih ploča, sve veći broj kontrolera se integrira na osnovnu ploču: • IDE (Integrated Device Equipment) i • EIDE (Enhanced Integrated Device Equipment) kontroleri za diskove, audio, video i mrežne kartice integrirane u jedan ili nekoliko čipova, modemi itd. Kod ovakvog rješenja ne pojavljuju se problemi kompatibilnosti u radu ovih jedinica i osnovne ploče. Radom osnovne ploče upravlja chip set. Najveći proizvođači upravljačkog chip seta za osnovne ploče su • Intel (www.intel.com), • Via (www.viahardware.com) i • Ali (www.ali.com).
Matična ploča (Motherboard) MBO Portovi za priključivanje perifernih uređaja (PS/2, COM, LPT i USB portovi) AGP utor za grafičku karticu PCI utori u koje se utaknu dodatne kartice (zvučna, mrežna, interni modem itd.) Višeslojna ploča kroz koju prolaze tanki vodovi
Podnožje za procesor
Podnožja za RAM memoriju
Baterija
IDE utičnice za disketni uređaj i čvrsti disk (do 4)
Slotovi za razna proširenja na osnovnoj ploči pokazuju što podržava osnovna ploča: • ISA (lndustry Standard Architecture), • ElSA (Extended Industry Architecture) i prošlost
Standard
• VLB (VESA Local Bus) • PCI (Peripheral Component Interconnect) slotovi, čija je sabirnica 32-bitna (kao VLB), a frekvencija rada je od 20 do 33 MHZ su dominantni.
Disk kontroleri osiguravaju stabilnost, sigurnost i prijenosnu brzinu podataka sa eksternog memorijskog medija • SCSI (Small Computer System Interface) nije predviđen samo za diskove, nego za sve ostale dijelove konfiguracije PC-računala koji su pripremljeni za takvu vrstu kontrolera. • RAID (Redundant Array of lnexpensive/ Idependente Disks) tehnologija pomoću istoimenog kontrolera, koji pored veće sigurnosti osigurava i brži pristup podacima smještajući neparne blokove podataka na jedan, a parne blokove na drugi disk (u slučaju postojanja dvije jedinice diska). Prijenos podataka sa diskova se danas obavlja po UDMA (Ultra Direct Memory Access) standardima.
Prijenos podataka sa diskova se danas obavlja po UDMA (Ultra Direct Memory Access) standardima. U novije vrijeme sve više dobije prednost brzi serijski prijenos podataka preko tankog kabla. Za takvu realizaciju postoje dva standarda: • USB (Universal Serial Bus) - osigurava brz serijski prijenos podataka (1,5 Mbit/s ili 12 Mbit/s - najnovija verzija predviđa 40 puta veće prijenosne brzine), napajanje uređaja (do 0,5 A) i mogućnost povezivanja maksimalno 127 uređaja • IEEE 1394 - (Firewire) - osigurava slične karakteristike prijenosa: brzinu od 200Mbit/s, maksimalan broj uređaja je 64, a napajanje uređaja je osigurano.
Na osnovnoj ploči se nalazi BIOS (Basic Input Output System) chip koji sadrži programe za testiranje stanja konfiguracije i pokretanje rada računala. Parametrima i načinom pristupa sklopovlju (hardware) upravlja BIOS osnovni sustav za nadzor rada sklopovlja. Operativni sustav preko BIOS-a objedinjuje sklopovlje u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu i omogućava ispravan rad programske potpore (software) koja koristi sklopovlje. Neki proizvođači osnovnih ploča stavljaju čak dva BIOS ROM chipa na ploču.
Osnovne ploče posjeduju ventilator (cooler). Procesori su oni dijelovi konfiguracije koji se najintenzivnije griju, tj. imaju najveću disipaciju energije. Idealna temperatura dijelova računala se nalazi između 30 i 45 °C.
Osnovne ploče koje odgovaraju ATX standardu imaju mogućnost da pojedine dijelove konfiguracije nakon određenog intervala vremena isključe iz aktivnog rada, štedeći tako energiju i produžavajući radni vijek odgovarajuće jedinice.
MIKROPROCESOR Prije procesori izvršavali strojne instrukcije samo pomoću hardware-a. Danas se izvršavaju pomoću mikroprograma. Podjela procesora na • CISC - (Complex Instruction Set Computer) i • RISC - (Reduced Instruction Set Computer) procesore.
Podatke od U/I uređaja treba vodičima prenijeti na računalo. Primjer. Zamislite el. trošila u kući. Kada bi se svako el. trošilo svojim vodičima spajalo na el. centralu, trebalo bi mnogo vodiča. Zato se oni spajaju na zajedničke vodiče koji vode do centrale.
Zamislite da je svaki uređaj na računalu (miš, tipkovnica, monitor, pisač, itd. spojen svojim vlastitim vodičima do procesora. To bi bilo previše vodiča. Zato se oni spajaju na zajedničke vodiče koji prenose informacije do procesora.
Kako se zove “magistrala” (skup vodiča) koji prenosi podatke od uređaja u računalu do procesora?
Sabirnica (eng. Bus) Mikroprocesor računala je povezan sa drugim dijelovima konfiguracije pomoću sabirnica = namjena je povezivanje električnim vodičima sastavnih dijelova računala u jedinstveni sustav = skup vodiča koji prenose podatke od ulazno-izlaznih uređaja do procesora = “magistrala” koja služi za brži prijenos podataka prema procesoru
Vrste sabirnica a) Unutarnje – služe za prijenos podataka unutar računala i izvedene su kao vodovi na matičnoj ploči, a postoje: • podatkovne (data bus) – specijalizirane za prijenos podataka između procesora i memorijskog podsistema ili perifernih uređaja • adresne (address bus) – za prijenos adresa • nadzorno-upravljačka (control bus) - služi za prijenos upravljačkih signala između aktivnog elementa obrade (procesora) i drugih dijelova hardware-a odnosno brine se za sinkronizaciju toka podataka b) Vanjske – služe za razmjenu podataka između vanjskih U/I uređaja i procesora i u obliku su višežilnog kabela
Vanjske sabirnice USB (eng. Universal Serial Bus) – namijenjene za priključivanje više uređaja na jedan priključak, koristi se za CDROM uređaj, miš, skener, i sl.
IEEE FireWire – za spajanje uređaja velikih brzina, npr. DVD
Da bi procesor mogao komunicirati s ulaznoizlaznim uređajima, za svaki je uređaj potreban program pogonitelj (driver). Funkcije programa pogonitelja (drivera): • identificiraju uređaj • preuzimaju kontrolu i • vrše sinkronizaciju rada.
Glavne značajke mikroprocesora su: - brzina rada, - tip, - količina podataka koja se može odjednom obraditi. 32-bitni procesori AMD Duron (700 MHz), Athlon i Thunderbird (1,2GHz), Intel Pentium 4 (1,5GHz) i IBM Power4 64-bitni procesori Intel Itanium IA-64 i AMD Sledgehammer. 128 -bitni procesori Crusoe radi sa VLIW (Very Large Instruction Word) instrukcijama
Snagu procesora mnogi određuju samo na osnovu njegove radne frekvencije. Takva procjena nije u potpunosti mjerodavna, jer brzina rada (obrade podataka) zavisi i od drugih karakteristika (od širine i brzine adresne sabirnice i sabirnice za podatke). Mogućnosti procesora se procjenjuju na osnovu sljedećih podataka: • broj, kapacitet i namjena njegovih registara, • broj jedinica za izvršavanje cjelobrojnih operacija i operacija kliznog zareza, • broj jedinica za dekodiranje i izvršavanje instrukcija, • konstrukcija jedinice za izvršavanje instrukcije, • nivoi, kapaciteti i brzine keš (cache) memorije integrirane na procesorskom chipu, • set ili skup strojnih instrukcija koji procesor može izvršiti.
Tip podnožja, naponski nivo procesorskog jezgra i tehnologija izrade (materijal i debljina povezivanja tranzistora unutar procesora) predstavljaju sekundarne pokazatelje koje informiraju o disipaciji i mogućnosti primjene procesora na osnovnim pločama.
MEMORIJA Uređena konačna jednodimenzionalna lista memorijskih lokacija (registara ili spremnika (pretinaca) u kojima se pohranjuju podaci, instrukcije i međurezultati obrade. U memorijske lokacije (adrese) podaci se upisuju ili iz njih čitaju.
U svakom računalskom sistemu postoji memorijska hijerarhija. Sastoji se od: • Registri - predstavljaju najviši nivo memorijske hijerarhije, nalaze se u samom procesoru, a brzina rada odgovara brzini procesora. Njihov broj i kapacitet su veoma mali i služe samo za privremeno memoriranje podataka (međurezultata i rezultata obrade). • Cache memorije - Ove memorije su nešto sporije od brzine rada registara, ali rade na približno istim frekvencijama kao i procesor. Njihov kapacitet je veći od ukupnog kapaciteta registara i predstavljaju skup medij za (uglavnom privremeno) memoriranje podataka. Danas se koristi maksimalno tri nivoa cache memorije U tim memorijama se na osnovi složenih algoritama odabiru i učitavaju podaci za koje se pretpostavlja da će biti potrebni procesoru.
Operacijska memorija - grubo za red veličine (deset puta) sporija od brzine rada procesora. Radna memorija prihvaća podatke i naredbe s ulaznih jedinica, pojedinačne naredbe daje upravljačkoj jedinici, razmjenjuje podatke i daje rezultate izlaznoj jedinici. Organizirana je kao skup lokacija od kojih svaka ima svoju adresu. Adresiranje može biti direktno i indirektno. Postoji nekoliko dijelova operacijske memorije - RAM (Random Access Memory) – sadrži podatke i programe koji se izvršavaju. Učitavanje novog programa briše prethodni. Pristupa se brzo i direktno. - ROM (Read Only Memory) – programi koji se mogu samo čitati
Tipovi RAM-a • DRAM (Dinamyc Random Access Memory) dosta velikog kapaciteta i jeftine cijene. Radna frekvencija od 18 MHz • EDORAM (Extended Data Out RAM), koji se i danas koristi u konfiguracijama i može da postigne radnu frekvenciju od 50 MHz. • SDRAM (Synchronous DRAM) memorija koja istina zahtjeva kompliciraniji kontroler (zbog podjele memorije na dva memorijska bank-a), ali je njena radna frekvencija 100 MHz, odnosno 133 MHz. Proizvođač memorije Rambus nudi DRDRAM (Direct Rambus DRAM) ili RDRAM (Rambus DRAM). Frekvencija rada RDRAM memorije je 800 MHz, a novija verzija radi na 1066 MHz (!).
Proizvođač memorije Micron, kao odgovor na Rambus memorije, je izbacio na tržište DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) tipovima memorije koji su jedva skuplji od običnih SDRAM (SDR SDRAM Single Data Rate SDRAM) memorija, a dvostruko su brži. Istraživači IBM-a eksperimentiraju na izradi statičkih RAM memorijama na nivou dimenzije atoma. Za potrebe grafičkih kartica je razvijena specifična VRAM (Video RAM) memorija čiji svaki bit sadrži podatak o jednoj točki slike ekrana. Parametri za procjenu memorije: • vrijeme pristupa • kapacitet glavne memorije.
HARDWARE
- komponente računala
• Ulazne jedinice • Centralna jedinica • Vanjske memorije • Izlazna jedinica • Komunikacije
VANJSKE JEDINICE MEMORIJE Uređaji za pohranu podataka Uređaji za pohranu su vanjske memorije koje služe za čuvanje računalnih podataka i programa, te njihov prijenos s jednog računala na drugo. Što su uređaji za pohranu podataka? Dio podataka potrebnih za rad računala može se pohraniti u radnu memoriju (RAM), koja omogućava brži pristup, ali je malog kapaciteta, i u nju ne stanu svi podaci potrebni jednom korisniku. Zbog toga su nužne vanjske memorije za pohranu.
raste potreba za pohranom veće količine podataka bržim i jeftinijim prijenosom podataka razvojem računala Arhiviranje Vrsta pohrane kod koje se pohranjuju podaci koji se vrlo rijetko koriste, a odlažu se na sigurno mjesto za buduću upotrebu.
Osnovne karakteristike uređaja za pohranu • Kapacitet • Prosječno vrijeme pristupa • Brzina prijenosa podataka Poželjne dodatne karakteristike su: • Postojanost podataka • Jednostavno rukovanje i male dimenzije • Pristupačnost cijene Tehnologije današnjice koje zadovoljavaju gornje karakteristike
Magnetska
Optička
Kapacitet uređaja za pohranu • mjeri se u megabajtima (MB) 1 MB= 1024 KB, ili 210 KB često se mjere zaokružuju na 1000, npr. 1 MB je približno 1000 KB ili 1 000 000 bajta (greška je pri tome oko 5%) Prosječno vrijeme pristupa = vrijeme potrebno da upravljačka jedinica pristupi do memoriranog podatka na nositelju • mjeri se u milisekundama (ms) Brzina prijenosa = količina podataka koja se u jednoj sekundi može prenijeti s vanjske memorije (uređaja) u glavnu memoriju i obrnuto
Koji su uređaji za pohranu? • magnetska vrpca • magnetski disk • izmjenjivi • neizmjenjivi • optički disk • magnetska kartica
MAGNETSKA VRPCA medij za pohranu podataka prevučena tankim slojem feromagnetskog materijala (željeznog oksida) Način rada: • Vrpca putuje ispred glava za pisanje, čitanje i brisanje • S pomoću magnetskog polja glave upisuju, brišu ili čitaju podatke (logičke 0 i 1 upisane su kao različite orijentacije magnetskih čestica) • Brisanje: glava za brisanje demagnetizira vrpcu, pa podaci nestaju
Način zapisa podataka na magnetsku vrpcu: • podaci se zapisuju jedan iza drugoga, sekvencijalno, tako da se novi mogu dodati samo na kraj već upisanih podataka. Za pristup do nekog podatka potrebno je proći sve podatke koji su zapisani prije njega. • podaci se zapisuju i čitaju u blokovima (ako su dva ili više sloga zapisana u jednom bloku, oni se zovi blokirani slogovi) • gustoća zapisa kod magnetskih vrpci mjeri se brojem bitova koje je moguće upisati na jedinicu duljine (danas oko 10 000 bitova po palcu)
Norme zapisa kod magnetskih vrpci • QIC (eng. quarter-inch cartridge) ili kazeta širine četvrtine palca prvi oblik kazeta za računala, kapacitet od 10 MB do više GB, podaci se zapisuju blokirano
• DAT norma (eng. digital audio tape)
Ima najbolje karakteristike, širina 4mm, male dimenzije i veliki kapacitet (oko 2GB na 90 m vrpce)
• PC/T VCR, D/CAS, i dr.
Prednosti i nedostaci magnetskih vrpci Prednosti: • niska cijena medija • najduže su u upotrebi, pa su dobar medij za arhiviranje Nedostaci: • sporost u brzini pristupa traženom podatku zbog sekvencijalne obrade • osjetljivost na vanjske utjecaje
