Osnove informatike s primjenom računala 4. Arhitektura računala (hardware)
Prezentacija je bazirana na skripti: “Osnove informatike s primjenom računala”, Ljerka Luić, Sinopsis predavanja 2008
Pojam računala • s tehničkog aspekta računalo je uređaj za izvršavanje aritmetičko – logičkih operacija sa svrhom obrade, pohrane i analize podataka; • kako bi se osigurao uspješniji rad računalo se povezuje sa ostalim elementima čime te nastaje tzv. računalni sustav; • Računalo se sastoji se od sklopovske opreme i programske podrške • sklopovska oprema: mehaničke, električne, elektroničke, magnetske i optičke komponente i uređaje digitalnog računalnog sustava • sustav programske podrške: računalni programi kojima je sustav opskrbljen
2
Generacije računala • Prva generacija: građena od elektronskih cijevi; • Druga generacija: korištenje tranzistora; • Treća generacija: korištenje integriranih krugova; • Četvrta generacija: korištenje naprednijih arhitektura integriranih krugova; • Peta generacija: paralelna arhitektura i RISC procesori; • Šesta generacija: korištenje neuronskih mreža; • Sedma generacija: korištenje nano-tehnologije; 3
Klasifikacija računala (1) Prema njihovoj arhitekturi, prenosivosti i namjeni:
Digitalna računala
Super računala
Velika računala Mainframe
Mikroprocesorska računala
Osobna računala
Prijenosna računala
Laptop računala
Tablet PC
Serveri
Stolna računala
Džepna računala
4
Klasifikacija računala (2) U prvu razinu spadaju kategorije: • Super računala: računala koja se koriste za najzahtjevnije obrade podataka. Trenutno najbrže superračunalo je Fujitsu K Computer (Kobe, Japan) brzine 10.51 petaflops/s (10,51 x 1015 operacija sa pomičnim zarezom u sekundi). • Velika ili mainframe računala: koriste se kao podrška za rad velikih i složenih informacijskih sustava. • Mikroprocesorska računala: temelje se na snazi i mogućnostima mikroprocesora koji može imati jednu ili više jezgri. 5
Klasifikacija računala (3) • Mikroprocesorska računala se u dvije osnovne skupine: • Serveri: koriste se za pružanje različitih vrsta usluga korisnicima npr, web server, server baza podataka i sl. • Osobna računala: namijenjena su radu pojedinačnog korisnika, a mogu se podijeliti na: • Laptop / Notebook; • Džepna računala; • Tablet PC
6
Arhitektura velikih računala (1) • Centralna jedinica;
Upravljački signali
Udaljeni terminali
Podaci i instrukcije Terminali
• Periferne jedinice;
Registri
Procesor
Upravljačka jedinica
• Memorija;
Cash
Aritmetičko logička jedinica
Ulazna jedinica
Izlazna jedinica Radna memorija
Adapteri - kanali
Vanjska memorija
7
Arhitektura velikih računala (2) Centralna jedinica • u užem smislu riječi može se promatrati kao računalo; sačinjena je od osnovnih i dodatnih komponenti: • Procesor; • Radna memorija; • Kanali; Procesor Sastoji se od: • • •
upravljačke jedinice: upravlja i angažira sve druge uređaje; aritmetičko – logička jedinice: izvršava aritmetičko – logičke operacije registara i među-memorije (engl. Cache): memorija u sklopu procesora koja se koristi za prikupljanje instrukcija i podataka unutar procesora 8 kako bi se ubrzao rad.
Arhitektura velikih računala (3) Radna memorija: koristi se za privremeno pohranjivanje aplikacija i podataka koji sudjeluju u procesu obrade podataka;
Kanali: koriste se za komunikaciju i razmjenu podataka između centralne i perifernih jedinica. Njih zadatak je rasterećenja glavnog procesora od ovih funkcija; 9
Arhitektura velikih računala (4) Periferne jedinice periferne jedinice se dijele u 4 grupe uređaja: • • • •
ulazne jedinice; izlazne jedinice; vanjske memorije; terminali;
• ulazne jedinice: unos podataka iz okoline sustava; • izlazne jedinice: prezentacija rezultata obrade podataka u okolinu sustava; • vanjske memorije: trajna pohrana i brzo aktiviranje aplikacija i podataka; • terminali: ulazno / izlazni uređaji s pomoću kojih korisnik komunicira s procesom obrade podataka koji se odvija u 10 centralnoj jedinici;
Arhitektura osobnih računala (1) Mikroprocesor
Međumemorija
Matična ploča Sabirnica
Integrirani kontroleri
Chipset
Adapteri
ROM
RAM
11
Arhitektura osobnih računala (2) Centralna jedinica osobnog računala Kućište • kutija u kojoj je smještena centralna jedinica; • osigurava napajanje električnom energijom; • osigurava hlađenje; • unutar njega se montiraju mnoge periferne jedince; Centralna jedinica centralna jedinica osobnog računala sastoji se od četiri osnovne komponente: • • • •
matična ploča; procesor; memorija; adapteri i kontroleri;
12
Arhitektura osobnih računala (3) Matična ploča Matična ploča čini osnovu arhitekture centralne jedinice osobnog računala Osnovne komponente su: • sabirnica (engl. bus); • specijalizirani skup integriranih krugova matične ploče (engl. chipset); • integrirani kontroleri; Sabirnica međusobno povezuje sve komponente koje su ugrađene ili se naknadno priključuju na matičnu ploču. Postoje tri vrste sabirnica: • adresna; • podatkovna; • kontrolna;
13
Arhitektura osobnih računala (4) Specijalizirani skup integriranih krugova (chipset) matične ploče je skupina čipova koji čine „logiku“ matične ploče. Čine ga dvije osnovne komponente: Northbidge: čip koji upravlja komunikacijom najbržih perifernih komponenti: procesora, radne memorije i grafičke kartice; Southbridge: čip koji upravlja komunikacijom sporijih perifernih komponenti kao što portovi, sabirnice, mrežne i memorijske komponente;
Integrirani kontroleri integrirani kontroleri upravljaj komunikacijom između uređaja koji se spajaju na matičnu ploču kao što su tastatura, monitor,
14
Arhitektura osobnih računala (5) Mikroprocesor mikroprocesor – integrirani logički sklop koji predstavlja središnje mjesto izvođenja svih operacija; Osnovni parametri mikroprocesora su: • • • • •
daljina riječi; širina sabirnice; brzina; arhitektura; broj jezgri:
duljina riječi: broj bitova koji se obrađuje u jednom ciklusu – 8-bitni, 16-bitni, 32-bitni, 64-bitni... širina sabirnice: broj bitova kji mogu biti preneseni u jednom ciklusu između procesora, memorije i drugih uređaja računala; brzina procesora: učestalost taktova izražena u Hz (MHz, GHZ...)
15
Arhitektura osobnih računala (6) Arhitektura: • RISC (Reduced Instruction Set Computer) – rastavljanje naredbi na manje dijelove koje se izvršavaju istovremeno i istom brzinom. Danas dominantna arhitektura • CISC (Reduced Instruction Set Computer) – izvršavanje cijele naredbe. Svaki moderni mikroprocesor sadrži skup naredbi za prevođenje CISC u RISC radi zadržavanja kompatibilnosti. Procesori se također mogu podijeliti na: • procesori nepromjenjive arhitekture; • procesori promjenjive arhitekture: ili FPGA (Field-Programmable Gate Array): pored ugrađene procesorske jezgre ugrađeni su programibilni logički sklopovi. 16
Arhitektura osobnih računala (7) Broj jezgri prema broju jezgri procesori mogu biti: • procesori sa jednom jezgrom; • procesori sa više jezgri (2 – 4096) Sve jezgre mogu biti izvedene kao samostalne, neovisne jedna o drugoj ili kao jezgre koje dijele resurse (neke jezgre nadziru i koordiniraju rad, a druge vrše obradu podataka)
17
Arhitektura osobnih računala (8) Memorija Memorija je funkcijska jedinica digitalnog računala zadužena za primanje, pohranu i predaju digitalnih podataka; Vrste meorija u centralnoj jedinici: • ROM; • RAM; • Međumemorija; ROM (Read Only Memory): memorija čiji sadržaj se nikada ne mijenja. Sadržaj memorije je moguće samo čitati; RAM (Random Access Memory): radna memorija s izravnim pristupom čiji je sadržaj moguće mijenjati. Trtenutno je najzastupljenija DDR3 (Doubla Data Rate) memorija. Međumemorija (Cache): memorija velike brzine koja se koristi za osiguranje optimalne iskoristivosti procesora pohranjivanjem veće količine podataka od 18 trenutno potrebne;
Arhitektura osobnih računala (9) Adapteri i kontroleri Adapteri i kontroleri su mala specijalizirana mikroračunala sa vlastitim procesorima i memorijama. Vrste adaptera i kontrolera u centralnoj jedinici: • • • • •
Disk kontroler; Grafička kartica; Zvučna kartica; Mrežne kartice; Portovi;
Disk kontroler služi za upravljanje magnetskim diskom i njegovim priključkom na sabirnicu; Grafička kartica služi za generiranje video signala koji će biti prikazan na ekranu osobnog računala: Zvučna kartica: služi za podršku multimedijalnim sadržajima i igrama; Mrežna kartica se koristi za priključivanje računala na lokalnu mrežu;
19
Arhitektura osobnih računala (10) Portovi Na osobnom računalu nalaze se slijedeći portovi: • • • •
Serijski port; Paralelni port; Port za igru; USB port:
Serijski port se koristi za komunikaciju sa perifernim jedinicama koje zahtijevaju serijsku komunikaciju (npr. miš, modem, dodatni uređaji...). Serijski je moguće povezati dva računala tzv. nul – modem kabelom; Paralelni port se koristi za priključivanje pisača ili specifične opreme. Brzina prijenosa podataka je visoka, ali je domet ograničen na par metara;
20
Arhitektura osobnih računala (11) Portovi Port za igru: obično se nalazi na zvučnim karticama i koristi se za priključivanje igrače palice (joystick); USB (Universal Serial Bus) najnoviji standard serijskog porta. Razvijen je u tri standarda USB 1.1 brzine 0,19 MB/s, USB 2.0 brzine 60 MB/s, USB 3.0 brzine 400 MB/S. Izveden je u tri varijante Type (A, B), mini (A,B), Micro (A,B).
21
Arhitektura osobnih računala (12) Periferne jedinice osobnog računala • • • •
ulazne jedinice; izlazne jedinice; vanjske memorije; ulazne jedinice
Tipkovnica Prva razvijena ulazna jedinica. Sastoji se od alfanumeričkih, kontrolnih, funkcijskih i specijalnih tipki. Raspored tipki: QWERTY (englesko govorno područje), QWERTZ (Njemačka i dio Europe) , AZERTY (Francuska), FGĞIOD (Turska)... Prvotna tastatura bila je namijenjena engleskoj abecedi, a širenjem računala definirane su se tastature za posebne jezike. Korištenjem kodnih stranica definiran je popis koja tipka daje koji znak;
22
Arhitektura osobnih računala (13) Miš Analogni uređaj koji se koristi kad korisnik radi sa grafičkim radnim sučeljem; Opremljen je sa dvije ili sa dodatnim tipkama koju mogu povećati njegovu učinkovitost; Izvedbe: mehanička, optička, žičana, bežična .
23
Arhitektura osobnih računala (14) Skener (Scanner) • Digitalizira forme otisnute na nekom mediju koji može biti: • refleksni: papir ili plastične podloge; • transparentni: filmovi, dijapozitivi... za dodatnu obradu skeniranih sadržaja potrebno je instalirati dodatnu progransku podršku; pogodan za OCR (Optical Character Recognition), odnosno optičko prepoznavanje znakova otisnutih na papiru. Npr. moguće je otisnuti tekst digitalizacijom „prebaciti“ u digitalni oblik u aplikaciju za obradu teksta.
24
Arhitektura osobnih računala (15) Monitor Primarni izlazni uređaj osobnog računala. Pojavljuje se u nekoliko tipova: • CRT (Catode Ray Tube): ekran izrađen na tehnologiji katodne cijevi; • LCD (Liquid Crystal Display) ekran izrađen na tehn. tekućih kristala;
25
Arhitektura osobnih računala (16) Pisači i ploteri Najstarija izlazna jedinica računala. Omogućavaju ispis na papiru i pojavljuju se u izvedbama kao: •
Iglični (matrični) pisač: udaranjem iglica u traku prenosi se zapis na papir. Mogu tiskati više kopija od jednom. U radu su vrlo glasni i spori
•
Tintni (ink-jet): boju iz tonera na papir prenose preko mlaznica vrlo malog promjera. Vrlo su jeftini, ali mogu vrlo brzo trošiti boju prilikom tiskanja fotografija.
•
Laserski pisač: korištenjem laserskih lampi i bubnja fini prah tonera se „lijepi“ na površinu papira. Vrlo su brzi i ne stvaraju veliku buku. Ovisno o formatu i broju boja mogu biti vrlo skupi. 26
Arhitektura osobnih računala (17) Sublimacijski pisači: zagrijavanjem prenose boju do medija (platno, papir, plastika). Imaju izvanrednu kvalitetu tiska, ali uz vrlo visoku cijenu. Ploter je kategorija pisača koja ima mogućnost tiskanja na mediju većih dimenzija (do nekoliko metara). Pogodni su za tiskanje nacrta i postera. Zbog zahtjeva za preciznošću na velikim dimenzijama, mogu biti vrlo skupi.
27
Arhitektura osobnih računala (18) Vanjske memorije Tvrdi disk - magnetski ili tvrdi disk (HDD - Hard Disk Drive) koristi magnetni medij za pohranu podataka. Medij se vrti brzinom od 4.000 – 15.000 okretaja u sekundi. Iznad rotirajućih ploča s magnetnim premazom lebdi glava za čitanje i pisanje na udaljenosti od 0,07 mm. Danas se koriste u dimenzijama od 1,8″, 2,5″ i 3,5″ dok je 5,25″ zastario. Sučelje tvrdih diskova: • • •
ATA i SATA sučelje: koristi se za kućna i poslovna računala. Niže su cijene, velikog su kapaciteta te imaju malu brzinu rotacije ploča. SCSI: koriste se na radnim stanicama i serverima radi velike brzine pristupa podacima. Imaju velike brzine rotacije, ali manji kapacitet. Kapacitet od 20 MB – 3.000 GB (3 TB) 28
Arhitektura osobnih računala (19) Solid State Disk • kao i tvrdi disk ima funkciju pohrane velike količine podataka. Osnovna prednost je da nema pomičnih dijelova, tiši su u radu, rade velikim brzinama i u radu troše malo energije. • Osnovni nedostaci su visoka cijena i mali kapacitet. Neke izvedbe imaju ograničeni broj zapisivanja (do 1,5 milijuna puta). • Kombinacijom tvrdog diska i SSD-a dobiva se medij za pohranu podataka koji radi velikom brzinom (pokretanje operativnog sustava sa SSD-a) te velikog kapaciteta (podaci na HDD-u) • Kapacitet od 1- 256 GB) 29
Arhitektura osobnih računala (20) CD / DVD / Blu-Ray • CD (Compact Disk) optički medij koji za čitanje koristi laser. Prvotno je bio namijenjen za prijenos glazbe, ali je brzo postao pogodan medij za prijenos podataka • Kapacitet 650 (74 min) - 870 MB (99 min) • DVD (Digital Versatile Disc) optički medij znatno većeg kapaciteta od compact diska. Prvotno je namijenjen za pohranu video zapisa visoke kvalitete. Mogućnost zapisivanja podataka s obje strane na dva sloja (sa svake strane). Kapacitet: • 4.7 GB (jednostrani zapis, jedan sloj) • 8.5–8.7 GB (jednostrani zapis, dva sloja) • 9.4 GB (dvostrani zapis, jedan sloj) • 17.08 GB (dvostrani zapis, dva sloja) 30
Arhitektura osobnih računala (21) Blu-Ray Disk • Optički medij koji koristi laser u plavom dijelu spektra. • Namjenjeni su pohrani filmova u punoj HD rezoluciji (1.920 x 1.080). • Kapacitet 27 Gb u jednoslojnom, a 54 GB u dvoslojnom zapisu podataka.
31
