Otázka: Architektura počítače
Předmět: Informatika
Přidal(a): Karel Ztracený
Definice:
- hardware = technické vybavení počítače
- software = programové vybavení počítače
- základem fungování počítačů do dnešní doby je stále schéma samočinného počítače od amerického matematika Johna von Neumanna z roku 1945
schéma Johna von Neumanna
- „udělej tohle a dej vědět, jak to dopadlo“ – řadič posílá všem komponentám řídící signály (pomocí nich dohlíží na všechny ostatní části počítače) a od nich putují zpět stavová (kontrolní) hlášení
- ALU = aritmeticko-logická jednotka provádí potřebné aritmetické výpočty a logické operace, obsahuje sčítačky a násobičky pro výpočty a komparátory pro porovnávání dat
- operační paměť (RAM) je místo, kde jsou uložena data a instrukce potřebné k fungování počítače. Zde je uchováván právě zpracovávaný program / data a výsledky výpočtů
- vstupní zařízení přijímají data a instrukce od okolí (klávesnice, myš, skener…)
- výstupní zařízení předávají informace a výsledky ven z počítače (monitor, tiskárna…)
- ALU a řadič tvoří dohromady procesor (CPU)
-
- [záznam dat probíhá elektrickým proudem, PC má dostupné 2 stavy / impulsy (např. prochází / neprochází proud; kladný / záporný náboj apod.) – zápis dat tzv. binární číselnou soustavou (2 stavy popisují čísla „1“ a „0“)]
- [základní stavební jednotka procesoru = tranzistory]
procesor CPU
- CPU = Central Processing Unit = hlavní řídící ( obsahuje řadič, načítá storojové instrukce a třídí je mezi další moduly) a výkonová ( obsahuje ALU, probíhají zde všechny aritmetické výpočty) jednotka počítače
- výrazným způsobem určuje celkový výkon PC
funkce CPU:
- do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet
- do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí data, která bude program zpracovávat
- proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu výpočtu (spolu s ostatními moduly) řízena řadičem. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti.
- Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány přes ALU výstupnímu zařízení.
- procesor patří mezi tzv. integrované obvody. To jsou obvody, které jsou uvnitř jednoho pouzdra tvořené velkým počtem navzájem propojených součástek (v případě současných procesorů používaných v počítačích se jedná většinou o více než jednu miliardu tranzistorů)
- systémová sběrnice (FSB – Front Side Bus) zajišťuje obousměrný tok dat mezi procesorem a ostatními komponentami
- nejznámější výrobci jsou Intel a AMD
modely procesorů se liší parametry:
- a) počet jader: v dnešní době už více než 1 jádro (počet mezi 2 až 12 jádry)
- při porovnávání 2 a 4 jádrového procesoru – nelze říci, že rozdíl výkonu je dvojnásobný
- b) pracovní (taktovací) frekvence: pohybuje se v rozmezí 1 – 5 GHz (1GHz znamená 1 miliarda operací za vteřinu)
- u některých CPU se frekvence mění podle zatížení (větší zátěž – nastavení vyššího výkonu frekvence)
- c) vyrovnávací paměť cache: paměť, která je přímo součástí procesoru (L1, L2, L3)
- velmi rychlé čtení a zápis
- dočasně ukládá aktuálně zpracovávaná data
- drahá – kapacitně větší cache se tak objevuje jen u dražších modelů CPU
- kapacita se pohybuje v rozmezí 1 – 24 MB
- eliminuje čekání procesoru na data od ostatních, pomalejších komponent (protože paměť je integrována v procesoru)
- d) typ socketu, kterým se zapojuje do základní desky
operační paměť RAM
- [ notebooky mají poloviční velikost standardní RAM ]
- operační paměť RAM (= Random Access Memory = paměť s náhodným / libovolným přístupem) = obsahuje data a instrukce k bezprostřednímu chodu PC
- dočasné uchování informací
- po odpojení napájení se okamžitě vymaže
- takt – rychlost, jakou lze data měnit (dnes okolo 1600MHz)
- 32bitová umí pracovat pouze s maximálně 4 GB (od 1 až 232 = přesně 4 GB), tudíž nemá cenu snažit se zvýšit počet GB
- 64bitová zvládne 4 a více GB)
- může ovlivnit celkový výkon PC, především svou kapacitou (4 a více GB – méně paměti může, vzhledem k dnešním Windows a aplikacím, limitovat výkon)
- existují různé typy lišící se výší rychlosti a kapacity (dnes nejčastěji DDR4, dříve DDR3/2..)
- pracovní frekvence se pohybuje v rozmezí 2 – 3 GHz
- nejznámější výrobci jsou Corsair a Kingston
DIMM (RAM slot)
- Dual In-line Memory Module
- předchůdcem byly Single In-line Memory Modules
- podle normy ISO se jedná o zařízení pro čtení a zápis, kde se přístupová doba pro čtení a zápis pohybuje v řádu stovek nanosekund, na rozdíl od harddisku
- SRAM (statická RAM) má minimální příkon a velmi krátkou přístupovou dobu, ale cena je vysoká a má velkou spotřebu a pro vytvoření jedné buňky paměti (bitu) jsou potřeba 2 tranzistory, proto se používá jako mezipaměť uložená mezi procesorem a dynamickou RAM (cache)
- DRAM (dynamická RAM) je levnější a jednodušší na výrobu – uchovávání dat probíhá pomocí nabíjení kondenzátoru a bity jsou vytvářeny jenom jedním tranzistorem, nevýhodou je, že se musí obsah každé buňky refreshovat
- nejčastější pamětí je právě DIMM, která se dělí na podtypy: SDR (Single Data Rate – 133MHz), DDR 1, 2, 3, 4 (Double Data Rate, dvojitá frekvence 266MHz), SO-DIMM (zmenšená velikost pro notebooky)
základní deska
- mainboard / motherboard
- propojuje jednotlivé komponenty a poskytuje jim elektrický proud
- deska s plošnými spoji – socket pro procesor, sloty pro rozšiřující karty (grafická / zvuková / síťová…)
patice procesoru (socket)
- konektor sloužící k připojení procesoru (musí být kompatibilní se základní deskou)
- starší verze PGA (Pin Grid Array – krátké piny procesoru jsou uspořádány do čtvercového pole tak, aby souhlasily s otvory v socketu) je založena na principu procesor male – socket female. V dnešní době je nejčastější LGA (Land Grid Array) verze, která má princip opačný – v socketu jsou male piny a na procesoru jsou kontaktní plošky. Tato změna byla zavedena zejména kvůli častému poškození procesoru během manipulace.
- označení socketů – kdysi Socket 1, 2, 3…7, v dnešní době Socket 478, Socket T neboli LGA 775, Socket H2 neboli LGA 1555 a nejmodernější Socket H3 neboli LGA 1550 (pro Intel)
- pro AMD – Socket 754, Socket AM2+, Socket AM3
sběrnice (bus) = skupina vodičů zajišťující přenost dat a řídících povelů mezi zařízeními:
PATA slot (IDE)
- Paralell Advanced Technology Attachment
- jedná se o řadič – stará se o přenos dat mezi pevnými disky + mechanikami a ostatními částmi PC (především CPU a RAM)
- předchůdcem je ATA, dnes už málo používaná sběrnice sloužící pro připojování zařízení a uchování dat jako jsou pevné disky.
- ATAPI je rozšíření tohoto protokolu umožňující přenášet příkazy SCSI pro CD-ROM mechaniky.
- kabel má 40 pinů a jeho poslední verze umožňuje přenosovou rychlost až 133MB/s.
SATA slot
- Serial ATA
- jedná se o řadič
- sběrnice pro připojení velkokapacitních paměťových zařízení. Dosahuje vyšších rychlostí než ATA, protože přenos probíhá sériově na vysoké frekvenci až 6000MHz.
- podporuje také na rozdíl od předchůdce Hot Plug připojování a odpojování zařízení za chodu počítače
- rozhraní eSATA je používáno pro připojení vnějších datových zařízení (vyšší rychlost než USB)
JUSB
- soubor 9 pinů, na které se může připojit externí výstup USB nejčastěji pro přední panel
JFP1 a JFP2
- JFP1 je soubor 9 pinů sloužící k připojení tlačítka na zapnutí / vypnutí počítače, LED kontrolky zapnutí, tlačítka na reset a LED kontrolky pro práci HDD
- JFP2 má pouze 7 pinů, 4 v řadě k zapojení malého reproduktoru
FDD slot
- sloužil pro připojení disketové mechaniky, dříve pro nabootování operačního systému nebo jeho opravy z tzv. záchranných disket
- 34 pinů
- dnes bez využití (diskety mají malou kapacitu)
JSP1
- speciální port pro připojení S/PDIF (Sony & Philips Digital Interconnect Format) – digitální audio přenos
- využívá se zejména pokud je grafická karta bez konektoru HDMI a chceme používat kabel DVI místo něj se zvukem (např. spojení PC s televizí) – DVI se bude chovat jako HDMI, pokud se spojí konektor S/PDIF na grafické kartě s konektorem na základní desce
PCI sběrnice
- PCI slouží pro připojení periferií k základní desce
- PCI-Express nahradil PCI (dnes nejvyužívanější sběrnice)
- jeho nejčastější typy jsou x1 a x16 používané pro grafické karty
AGP – grafický slot
- nejstarším je sběrnice ISA (a její rozšířená verze EISA, VESA) používaná pro počítače IBM v době 2D akcelerátorů
- dále se používalo PCI, avšak nestačilo požadavkům grafických karet
- jeho nástupce byl AGP, navržen speciálně pro grafické karty, díky jeho rychlosti, na trhu se však neudržel dlouho
- byl nahrazen PCI-Express x16 slotem, jenž měl v první verzi propustnost 4GB/s jednosměrně a 8GB/s obousměrně a každou další verzí se jeho propustnost dvakrát zvětšovala, až do verze x32 3.0
Chipset
- jeden nebo více integrovaných obvodů (chipů), které jsou navrženy ke vzájemné spolupráci
- po načtení OS zprostředkovává komunikaci jednotlivých součástek
- u počítačů typu PC tento termín označuje 2 chipy – severní a jižní můstek (občas jsou spojeny v jeden chip)
Severní můstek
- zajišťuje přímou komunikaci mezi CPU, RAM, AGP/PCI-E sběrnicí a spojení s jižním můstkem
- některé typy obsahují integrovanou grafickou kartu
Jižní můstek
- známý také jako vstupně-výstupní řadič, který realizuje pomalejší funkce základní desky. Není přímo spojen s procesorem, na rozdíl od severního. Spojuje PCI sloty, IDE, SATA, USB, CMOS paměť, ethernet chip a audio chip
- zprostředkovává komunikaci s pamětí a přídavnými karty
- bývá propojen také se Super I/O chipem, jenž má na starost sériový port, paralelní port, disketovou mechaniku, klávesnici a myš
- pokračuje propojením s BIOSem
Externí vstupy a výstupy základní desky
USB
- Universal Serial Bus
- nejrozšířenější sériová sběrnice, která nahradila sériový port, paralelní port, gameport a PS/2 port (tiskárny, myši, klávesnice, fotoaparáty…)
- jeho první verze byla bohužel velmi pomalá s přenosovou rychlostí 0,2MB/s a 1,5MB/s a nebyla tak schopna konkurovat rozhraní Firewire (400MB/s) od Applu
- druhá generace nabídla 60MB/s
- na konci roku 2008 byla vydána USB 3.0 – desetkrát větší rychlost 625MB/s
- upoutala verze 3.1 s rychlostí 1,25GB/s, čímž se vyrovná konkurenčnímu Thunderbolt portu
- Firewire se nerozšířil mezi běžné uživatele (setkají se s ním profesionálové u digitálních kamer, vysokorychlostních externích disků nebo čteček paměťových karet)
VGA
- Video Graphics Array
- standard pro zobrazovací techniku
- vydaný IBM roku 1987 – tehdy rozlišení 640×480 při 16 barvách
DVI
- Digital Visual Interface
- vytvořen pro bezproblémovou komunikaci mezi zobrazovacími zařízeními (LCD monitor, televizor…)
- DVI-A slouží pro analogové monitory
- DVI-D pro digitální signál
- DVI-I slouží pro oboje
HDMI
- High Definition Multimedia Interface
- nekomprimovaný obrazový a zvukový signál v digitálním formátu
- barevně značené porty zvukové karty mají většinou stejný význam – růžový pro vstup mikrofonu, modrý audio, zelený hlavní stereo signál (přední reproduktory nebo sluchátka), černý zadní reproduktory, šedivý boční reproduktory, oranžový digitální S/PDIF výstup
LAN
- Local Area Network
- počítačová síť pokrývající malé území (domácnost)
- přenos v řádech GB/s (technologie Wi-Fi a Ethernet)
Typy základních desek
- nejpoužívanější u PC je typ ATX (Advanced Technology Extended) od Intelu (1995) – část obvodů na desce je neustále pod napájením na rozdíl od svého předchůdce AT (možnost automatického vypnutí)
- MicroATX v kancelářských počítačích (o 25% kratší)
- Mini-ITX jsou nejmenší běžně dostupné desky (většinou integrovaný procesor a grafická karta, málo možností rozšiřitelnosti) – používají se na All in One počítače
- BTX (Balanced TX) od Intelu měl nahradit ATX (lepší chlazení a napájení), ale neuchytil se
BIOS
- Basic Input Output System
- firmware (software pro řízení vestavěného systému) pro PC
- používá se při startu počítače pro inicializaci a konfiguraci připojených hardwarových zařízení a následnému spuštění či instalaci operačního systému
- kdysi uložen na základní desce ve stálé paměti ROM (Read Only Memory) / EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM – na rozdíl od ROM bylo možné ji přepisovat) a byl vyměnitelný
- dnes BIOS s flash pamětí a možností jednoduché aktualizace
- CMOS je název malé paměti, kam si BIOS všechna nastavení ukládá a kterou napájí malá baterie umístěná na základní desce. Nastavují se zde hodiny a čas, instalovaná záznamová zařízení, typ displeje apod.
chladič
- slouží k odvádění tepla (především z procesoru – zahříváním se zvyšuje vodivost a klesá spolehlivost)
- vyrovnává teplotu s okolím
zdroj
- napájí počítač energií, musí být dostatečně silný
- mění síťové napětí 230V na několik různých napětí pro počítač
- má na sobě přídavný větrák
skříň (case)
- slouží k mechanickému upevnění všech vnitřních dílů počítače
- šasi je kostra skříně s vytvořenými upevňovacími plochami a otvory
- síťový vypínač – používat co nejméně (nevypínat při přerušení práce)
- tlačítko Reset – restart počítače bez vypnutí, používat minimálně (raději Ctrl+Alt+Del) při „zamrznutí“ počítače
- dvířka optické mechaniky, signální diody, zásuvky pro připojení přívodní šňůry pro elektrický proud / monitoru, mřížka chladícího ventilátoru…
Dnešní počítače se od schématu JvN trochu odlišují:
- Podle Neumanna pracuje počítač vždy pouze nad jedním programem. Toto vede k velmi neefektivnímu využití strojového času, je tedy obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů najednou (= multitasking).
- Počítač může disponovat více než 1 procesorem.
- Existují zařízení umožňující vstup i výstup dat.
- Program se do paměti nemusí zavést celý. Je možno zavést pouze některou jeho část a ostatní části programu jsou zaváděny až podle potřeby.
