RSS
 

Archiwum dla kategorii ‘IV. Sprzęt komputerowy’

Multimedialne urządzenia konwergentne

18 wrz

Zjawisko integracji oraz konwergencji multimediów to proces polegający na łączeniu funkcjonalności wielu urządzeń w jednej postaci. Przykładem są inteligentne telefony komórkowe umożliwiające odtwarzanie plików muzycznych, skompresowanych filmów, pełniące jednocześnie funkcję dyktafonu, aparatu cyfrowego oraz kamery.

Cyfrowe asystenty PDA (Personal Digital Assistant) oprócz wymienionych funkcji mają też możliwość obsługi poczty elektronicznej, uruchomienia dodatkowych programów, umożliwiając jednocześnie synchronizowanie danych z komputerem osobistym. Wprowadzenie informacji odbywa się za pomocą ekranu dotykowego lub dedykowanych klawiatur. Do urządzeń tych można podłączyć dodatkowe akcesoria. Transmisja może następować standardową drogą poprzez przewodowe łącze szeregowe lub równoległe, jak również drogą bezprzewodową przy użyciu fal radiowych o różnych modulacjach.

Firma Apple wprowadziła nowoczesny ekran dotykowy Multitouch, który umożliwia jednocześnie rozpatrywanie wprowadzanych danych w wielu punktach aktywnej matrycy. Użytecznym rozwiązaniem jest wyposażenie iPhone’a w żyroskop, który reaguje na zmiany położenia urządzenia, odwracając odpowiednio ekran. System operacyjny zarządzający tym mikrokomputerem to Mac OS X 10.5 „odchudzony” do potrzeb urządzenia.

Konsole do gier stanowią kolejną grupę produktów łączących wiele funkcjonalności przy jednoczesnej miniaturyzacji.

 
 

Karty rozszerzeń

17 wrz

Poprzez instalację w jednostce centralnej kart rozszerzeń można osiągnąć dodatkowe możliwości komputera w zakresie grafiki, muzyki, dostępu do sieci komputerowej oraz możliwości rozszerzenia dostępu do urządzeń peryferyjnych poprzez interfejsy transferowe. Do podstawowych kart rozszerzeń należą:
- karty graficzne,
- karty dźwiękowe,
- karty sieciowe,
- karty kontrolerów.

Wydajne stacje robocze, z zwłaszcza stacje graficzne służące do obróbki obrazów cyfrowych oraz multimediów, są dodatkowo wyposażone w karty graficzne, mające własne układy pamięci oraz mikroprocesory. Standardowy interfejs AGP (Accelerated Graphics Port) jest stopniowo zastępowany przez szybki i nowoczesny PCI-E. Umożliwia on m. in. łączenie wielu kart graficznych szeregowo, dzięki czemu zwielokrotniona zostaje moc obliczeniowa oraz dostępna pamięć operacyjna. Karty te wspierają standardy obsługi grafiki 3D (ang. Third Dimenstion), tj. OpenGL oraz DirectX. Pierwszy z nich obsługiwany jest przez wiele systemów operacyjnych oraz platform sprzętowych. Z kolei Direct3D, wchodzący w skład API (Application Programming Interface) DirectX firmy Microsoft, jest wykorzystywany wyłącznie w systemach operacyjnych Windows

Karty dźwiękowe, zwane również muzycznymi, tworzą z komputera multimedialne centrum rozrywki, umożliwiając połączenie z zewnętrznymi systemami głośników w standardzie stereo, wielokanałowego dźwięku przestrzennego 5.1 (Dolby Digital) lub nowszych (DTS, THX).

Karty sieciowe i modemy to interfejsy komunikacyjne. Najpopularniejszymi w tym zakresie są karty sieciowe działające na podstawie standardu Ethernet.

Analogowe modemy telefoniczne powoli są zastępowane szybszymi technologiami, wykorzystującymi cyfrową transmisję danych za pomocą łączy telefonicznych. Nazwa „modem” pochodzi od połączenia dwóch przedrostków wyrazów: modulator oraz demodulator, oznacza ona zmianę sygnału cyfrowego na analogowy i odwrotnie.

Kontrolery to np. dodatkowe moduły USB, szybkie kontrolery FireWire czy też interfejsy obsługujące zewnętrzne zasoby dyskowe, jak np. eSATA czy SCSI. Karty te umożliwiają użytkowanie zewnętrznych urządzeń. Rozwiązanie takie ma istotną zaletę, gdyż może być stosowane w komputerach zarówno stacjonarnych, jak i przenośnych z zachowaniem jednakowej funkcjonalności.

 
 

Urządzenia pamięci masowej

16 wrz

Najbardziej popularne nośniki magnetyczne to dyskietki FDD (Floppy Disc Drive) oraz dyski twarde HDD (Hard Disc Drive). Wydajność dysków twardych jest zróżnicowana i zależy od wielu czynników, tj. czasu dostępu, wielkością pamięci podręcznej oraz liczba obrotów na minutę. W komputerach osobistych spotykane są dyski twarde o rozmiarze 2,5″ oraz 3,5″ i prędkościach mierzonych obrotami na minutę rzędu 5400 RPM (Revolutions Per Minute) oraz 7200 RPM. Wysokowydajne dyski twarde, wykorzystujące interfejsy SCSI oraz SAS stosuje się w minikomputerach, zwłaszcza w serwerach sieciowych, w których szybkość oraz bezpieczeństwo danych są krytycznymi elementami. Dyski takie charakteryzuje superszybki interfejs oraz liczba obrotów rzędu 15 000 RPM.

Dysk twardy składa się ze szklanych lub metalowych talerzy ułożonych w pakiet – stos na osi, pokrytych cienką warstwą materiału magnesowego. Ramię wraz z głowicą, zamontowane na tzw. serwomechanizmie, odpowiednio oddala się od osi lub zbliża do niej i za pomocą pól magnetycznych zapisuje dane na poszczególnych obracających się dookoła własnej osi talerzach napędzanych przez silnik dysku.

BUDOWA DYSKU TWARDEGO
Budowa dysku twardego

Talerz dysku jest podzielony na koncentryczne ścieżki, na których znajdują się sektory oddzielone odpowiednimi przerwami międzysektorowymi oraz międzyścieżkowymi. W nagłówku pojedynczego sektora znajdują się dane synchronizacyjne, po których następują właściwe dane, zakończone tzw. kodem ECC (Error Correcting Code) mającym cyfrowy zapis sumy kontrolnej, umożliwiający wykrywanie błędu zapisu.

W komputerach osobistych coraz częściej stosowane są programowe macierze dyskowe, zarządzające przez sam system operacyjny lub przez wbudowane oprogramowanie kontrolera RAID (Redundant Array of Independent Disks). Istnieje kilka rodzai macierzy RAID, różniących się zarówno wydajnością, jak i odpornością na awarię. Występują również hybrydy, oferujące połączenie możliwości poszczególnych typów.

Innymi popularnymi nośnikami danych są dyski optyczne, obsługiwane przez napędy optyczne w postaci odtwarzaczy lub nagrywarek. Pierwszym ich rodzajem były kompaktowe CD o pojemności 650 MB. Jako nośniki danych są one zastępowane przez dyski DVD (Digital Wersatile Disc), których pojemność jest kilkakrotnie większa dzięki zastosowaniu większej gęstości, krótszej fali lasera oraz innego koloru lasera. Można wymienić następujące standardy:
- DVD-R – jednokrotny zapis, wielokrotny odczyt,
- DVD-RW – wielokrotny zapis, wielokrotny odczyt,
- DVD+R – jednokrotny zapis, wielokrotny odczyt, lepsze do rejestracji materiałów audio-wideo,
- DVD+RW – wielokrotny zapis, wielokrotny odczyt, lepsze do rejestracji materiałów audio-wideo.

Dyski DVD wielokrotnego zapisu można zapisywać ok. 1000 razy. Nagrywarki DVD cechują się podstawową prędkością zapisu i odczytu. Poszczególne modele tych urządzeń oferują wielokrotność tej podstawowej wielkości, są wyrażane obecnie wielkością 4x/6x/8x do 24x. Prędkość odczytu z dysków optycznych jest mniejsza niż z dysków magnetycznych.

Dyski przenośne są wydajnymi oraz pojemnymi pamięciami typu flash. Jest to rodzaj nieulotnej pamięci typu EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory). Nośniki danych mogą mieć postać kart pamięci lub tzw. kluczy pendrive ze zintegrowanym wtykiem USB.

 
 

Urządzenia wyjścia

15 wrz

Standardowymi urządzeniami wyjścia są:
- monitory,
- drukarki,
- głośniki,
- słuchawki,
- projektory multimedialne.

Najbardziej popularne z nich to monitory i drukarki. Podstawowymi parametrami oceny monitorów są:
- wielkość plamki (piksela),
- rozdzielczość ekranu,
- częstotliwość odświeżania,
- przekątna ekranu.

Plamka, czyli piksel (ang. picture element) to najmniejszy element przedstawiający konkretny kolor wyświetlany na ekranie, drukowany lub skanowany. Piksel ekranu mierzony jest w ułamkach milimetra, a przedstawiony jako połączenie trzeb subpikseli ukazujących podstawowe kolory modelu RGB (Red Green Blue). Sterując jasnością subpikseli, można odwzorować dowolny kolor.

Rozdzielczość ekranu to liczba pikseli w pionie i poziomie ekranu. Obecnie standardami rozdzielczości ekranu i odpowiadającymi im parametrami wyrażonymi w pikselach są:
- XGA (1024 x 768),
- HDTV 720p (1280 x 720),
- WXGA (1280 x 800),
- WXGA+ (1440 x 900),
- SXGA (1280 x 1024),
- WSXGA (1600 x 1024).

Częstotliwość odświeżania to szybkość liczby wyświetleń obrazu na ekranie w ciągu sekundy, wyrażona w hercach (Hz). Powszechnie wykorzystywane monitory ciekłokrystaliczne wyświetlają obraz z częstotliwością 60 Hz. Przekątna ekranu, wyrażana w calach dla popularnych mikrokomputerów wynosi 21 cali.

Monitory można podzielić na następujące kategorię:
- monitory kineskopowe CRT (Cathode Ray Tube),
- panele ciekłokrystaliczne LCD (Liquid Crystal Display),
- panele plazmowe (Plasma Display Panel),
- panele elektroluminescencyjne OLED (Organic Ligkt-Emitting Diodes),
- projektory multimedialne.

Głównym podzespołem monitora kineskopowego CRT jest działo elektronowe, które „strzela” wiązkami elektronów w luminofor ekranu matrycy, pokrytego tysiącami fosforowych punktów, tj. pikseli. To właśnie on pobudzony wiązką elektronów emituje światło o odmiennej barwie.

Najnowsze generacje paneli LCD umożliwiają zmniejszenie grubości samego panelu przy jednoczesnym zwiększeniu wielkości przekątnej obrazu oraz ograniczeniu poboru energii. W przeciwieństwie do monitorów CRT, panele te mają określoną rozdzielczość natywną, ustawioną przez producenta, w której wyświetlany obraz jest najlepszy. Pozostałe parametry wpływające na jakość obrazu to:
- wielkość plamki określona w milimetrach – im mniejsza, tym lepszej jakości jest wyświetlany obraz,
- czas reakcji na zmianę koloru lub jasności,
- rodzaj matrycy (aktywna lub pasywna),
- kontrast,
- jasność,
- kąt widzenia.

Starsze modele paneli LCD wykorzystywały pasywny rodzaj matrycy, co jednocześnie wpływało na jakość obrazu oraz szybkość reakcji. Nowoczesne rozwiązania oparte na matrycach aktywnych, pozwalają na wyświetlanie jaśniejszego oraz bardziej ostrego obrazu.

Technologia wytwarzania monitorów LCD jest oparta na substancjach ciekłych kryształów. Światło przez nie przechodzące podąża za ułożeniem cząstek. Na ich położenie oraz sposób przenikania światła wpływa napięcie elektryczne. Pomiędzy dwoma warstwami szkła znajduje się warstwa ciekłych kryształów ułożonych pod różnym kątem względem siebie.

Kineskop panelu LCD dodatkowo jest wyposażony w filtr polaryzacyjny poziomy oraz pionowy. W przypadku monitorów LCD z aktywną matrycą elektrody generujące napięcie elektryczne są umieszczone na tylnej ścianie obudowy, wpływając na sposób skręcania się molekuł ciekłych kryształków względem siebie w jednej płaszczyźnie.

BUDOWA MONITORA LCD
Budowa monitora LCD

Monitor plazmowy składa się z warstw dielektrycznych, wewnątrz których znajdują się elektrody służące do wyświetlania, namagnesowanej warstwy, tylnej płyty ze szkła, elektrod adresowania, pikseli oraz osłony z fosforu, luminofora. Szlachetne gazy (neon i ksenon) zamknięte w komorach i doprowadzone do stanu plazmy, w wyniku promieniowania ultrafioletowego, emitują fotony światła, które uderzając w odpowiednio dobrany luminofor, emitują światło widzialne.

BUDOWA MONITORA PLAZMOWEGO
Budowa ekranu plazmowego

Monitory oparte na technologii OLED wykorzystują organiczne diody świecące, które uzyskują światło z organicznych polimerów.

Projektory multimedialne są powszechnie stosowane we wszelkiego rodzaju prezentacjach ruchomego obrazu.

Drukarki obecnie produkowane mają wiele interfejsów komunikacyjny – od równoległych portów LPT (Line Print Terminal), poprzez szybkie USB, po wbudowane serwery wydruku przewodowe lub bezprzewodowe.

Parametrami wyróżniającymi drukarki są rozdzielczość wydruku, szybkość wydruku na minutę oraz kolor. Rozdzielczość drukarek, ploterów czy skanerów może być określana w następujących jednostkach:
- DPI (Dots Per Inch) – liczba plamek na cal długości,
- LPI (Lines Per Inch) – liczba linii na cal długości.

Typowa rozdzielczość drukarek to 4800 DPI w pionie i 1200 DPI w poziomie. Przeciętna szybkość wydruku wynosi 40 stron na minutę druku monochromatycznego. Trzeci z parametrów – kolor, może być monochromatyczny lub kolorowy.

Wyróżnia się drukarki:
- igłowe,
- atramentowe,
- laserowe,
- termiczne,
- plotery,
- trójwymiarowe (3D).

Drukowanie na drukarce igłowej polega na uderzeniach głowicy przez taśmę barwiącą w papier. Głowice tych drukarek są 9- i 24-igłowe.

Drukarki atramentowe – poszczególne znaki drukowane są poprzez głowicę drukarki zawierającą mikroskopijne dysze, które wyrzucają atrament na papier lub folię.

Drukarki laserowe zapewniają wysoką jakość i szybkość druku. Proces druku przypomina fotokopiowanie. Drukarka umieszcza na papierze cząstki tonera. W tym celu wykorzystywane są wałki światłoczułe naświetlane światłem lasera, pomiędzy którymi przechodzi i jest dociskany papier. Dzięki temu toner z wałka przenosi się na papier. Drukarki zarówno atramentowe, jak i laserowe pozwalają na druk w kolorze.

Druki wieloformatowe, służące do zastosowań technicznych wykonywane są przez plotery.

Drukarki trójwymiarowe są wykorzystywane w pracowniach projektowych do wspierania modelowania i wytwarzania komputerowego CAD/CAM. Trójwymiarowy model komputerowy jest wytwarzany za pomocą drukarki i specjalnego materiału polimerowego jako prototyp.

 
 

Urządzenia wejścia

14 wrz

Wprowadzanie danych, a dokładniej interakcja pomiędzy użytkownikiem i interfejsem systemu operacyjnego zarządzającego komputerem, może się odbywać za pomocą urządzeń wejścia:
- klawiatura,
- mysz,
- trackball (kot),
- nietoperz (latająca mysz),
- ekran dotykowych,
- panel dotykowy (gładzik),
- klawiatura wirtualna,
- manipulator wskazujący,
- kamera internetowa,
- manipulator drążkowy (joystick),
- tablet graficzny,
- rysik,
- pióro świetlna,
- technologia rozpoznawania mowy,
- skaner,
- optyczne rozpoznawanie znaków OCR,
- pismo magnetyczne,
- elektroencefalograf.

Najpopularniejszym układem klawiszy klawiatury jest układ QWERTY. Oprócz standardowych klawiatur istnieją również klawiatury specjalnego przeznaczenia, wyposażone np. w czytnik Braille’a.

Myszy komputerowe to popularne urządzenia wskazujące, poruszające kursorem na ekranie komputera. W najnowszych modelach myszy optycznych wykorzystuje się technikę diod LED (ang. Light Emitting Diode) lub lasera, aby określić położenie kursora na ekranie w odniesieniu do płaszczyzny, po której porusza się mysz.

Trackball, czyli odwrócona mysz, działa w odwrócony sposób. Użytkownik steruje kursorem poprzez przesuwanie w określonym kierunku kulki kręcącej się wokół własnej osi.

Latające myszy (nietoperz) to urządzenia wskazujące wyposażone w żyroskop, które umożliwiają przekazywanie informacji do komputera o położeniu w trzech wymiarach.

Ekran dotykowy (ang. touchscreen), a także panel dotykowy, zwany też gładzikiem (ang. touchpad) zastępują powszechnie wykorzystywaną klawiaturę lub mysz komputerową.

Klawiatura wirtualna jest wyświetlana przez naświetlacz podłączony bezprzewodowo do komputera stacjonarnego, laptopa, itd. Wyświetla on obraz klawiatury na płaskiej, nieprzezroczystej powierzchni za pomocą światła lasera. Tak wyświetlona wirtualna klawiatura reaguje na uderzenia w wirtualne klawisze przez sensory podczerwieni.

Manipulator wskazujący (ang. pointing stick) jest urządzeniem wejścia tak funkcjonalnym jak myszka, manipulator drążkowy, gładzik czy kot. Jest umiejscowiony w środku klawiatury typu QWERTY głównie komputerów przenośnych oraz stacjonarnych.

Kamera internetowa (ang. webcam) służy do przekazywania bieżącego obrazu w systemach teleinformatycznych. Jakość obrazu określana jest wielkością jednostek rozdzielczości wyrażonej w megapikselach (MPX), a płynność obrazu – liczbą klatek na sekundę.

Joystick, czyli manipulator drążkowy służy do sterowania kursorem oraz innymi obiektami.

Tablet graficzny jest urządzeniem wejścia, które usprawnia proces tworzenia grafiki komputerowej przez kreślenie obiektów graficznych na jego powierzchni za pomocą rysika. Powierzchnia tabletu graficznego jest dokładnym odzwierciedleniem powierzchni monitora w mniejszej skali. W jego użytkowaniu duże znaczenie mają również siła nacisku oraz kąt nachylenia rysika na powierzchnię tabletu.

Rysik (ang. stylus), kształtem przypomina pióro lub ołówek, jest urządzeniem współdziałającym z ekranami dotykowymi. Używa się go w komputerach naręcznych PDA (Personal Digital Assistant) oraz tabletach PC.

Pióro świetlne – głównym zastosowaniem było wspomaganie pracy projektantów. Końcówka urządzenia zawierała materiał światłoczuły, który umożliwiał odczytywanie danych z ekranu monitora CRT oraz przesyłanie ich do komputera.

Technologia rozpoznawania mowy (Speech Recognition Technology – SRT) przekształca głos na cyfrową postać danych wejściowych. Inne zastosowania SRT to:
- sterowanie urządzeniami dźwiękiem/głosem,
- wprowadzanie głosem prostych danych,
- wypełnienie tekstem ustrukturyzowanych dokumentów,
- tworzenie e-maili,
- wyszukiwanie słów kluczowych w tzw. podcastach,
- symulatory lotnicze.

Skaner to urządzeni pozwalające na przekształcenie tekstu, pisma odręcznego, fotografii grafiki, obrazów i innych obiektów w postać cyfrową.

Optyczne rozpoznawanie znaków OCR (Optical Charakter Recognition) – dzięki niej możliwe jest rozpoznawanie odczyt pojedynczych znaków, całych wyrazów oraz tekstu wraz z tabelami i rysunkami. Technologia ta opiera się głównie na skanerach wykorzystujących współdziałanie luster i soczewek optycznych oraz na sieciach neuronowych, które analizują tekst pod kątem poprawności ortograficznej i gramatycznej w celu wyeliminowania błędów podczas interpretacji.

Pismo magnetyczne MICR (Magnetic Ink Charakter Recognition) – technologia ta pozwala odczytywać dane zapisane stylizowanym pismem magnetycznym.

Elektroencefalograf – pozwala na przekazywanie sygnałów sterujących odczytanych z elektromagnetycznego pola fal mózgowych człowieka.

Poza klasycznymi urządzeniami wejścia użytkowane są urządzenia automatyzujące zbieranie danych źródłowych. Do najczęściej używanych należą bankomat, czytnik kodów paskowych identyfikujących poszczególne towary, czytnik testów, pisma magnetycznego oraz pisma optycznego, a także odbiornik fal radiowych RFID (Radio Frequency Identification).

 
 

Konstrukcja jednostki centralnej mikrokomputera

13 wrz

Jednostka centralna stanowi najważniejszą część komputera. W zamkniętej obudowie znajdują się następujące elementy:
- płyta główna,
- pamięć operacyjna (RAM i ROM),
- procesor,
- karta graficzna,
- karta sieciowa,
- karta dźwiękowa,
- urządzenia służące do przechowywania danych.

Modularna struktura mikrokomputera umożliwia rozbudowę o kolejne kompatybilne komponenty w zależności od zapotrzebowania.

Najistotniejszą rolę w mikrokomputerze odgrywają trzy podstawowe elementy: płyta główna, pamięć oraz mikroprocesor. Dane są dostarczane za pomocą urządzeń wejścia, następnie przetwarzane przez mikroprocesor, zapisywane na dyskach magnetycznych lub optycznych i po przetworzeniu wprowadzane na urządzenia wyjścia.

Płyta główna (ang. mainboard) to płyta scalona pokryta warstwą miedzi z naniesionym wzorem ścieżek, składająca się z mikrokontrolerów oraz gniazd rozszerzeń pogrupowanych w dwóch mostkach – północnym oraz południowym. Pierwszy z nich jest połączony bezpośrednio z gniazdem procesora za pomocą wydajnej magistrali FSB (Front Side Bus). Jej przepustowość zależy od wspomnianych już parametrów, tj. długości słowa, szerokości samej magistrali oraz częstotliwości taktowania. Parametry te decydują bezpośrednio o liczbie transferowanych danych w jednym cyklu zegara.

W mostku północnym znajdują się mikrokontrolery układów pamięci oraz szyny graficznej (AGP lub PCI-E), umożliwiające transfer danych pomiędzy procesorem a kartą graficzną, czyniąc grafikę szybszą i bardziej realistyczną.

Mostek południowy płyty głównej jest zazwyczaj połączony za pomocą wolniejszych magistrali z kontrolerami innych magistral komunikacyjnych, dźwięku, urządzeń przechowywania danych, a także wydajnych interfejsów sieciowych.

Urządzenia do przechowywania danych, tj. dyski twarde, macierze dyskowe (RAID) czy napędy optyczne, są połączone z mostek południowym za pomocą interfejsów transferowych. Interfejsy te są elementami sprzętowymi do przesyłania danych między kontrolerami a urządzeniami teleinformatycznymi obsługiwanymi przez komputer. Podstawowymi ich parametrami są:
- przepustowość mierzona w megabitach na sekundę (Mbit/s) lub jednostkach wyższych kolejno o rząd,
- realny transfer mierzony w megabajtach na sekundę (MB/s) lub jednostkach wyższych kolejno o rząd.

Realny transfer jest zwykle niższy niż deklarowana przepustowość.

INTERFEJSY TRANSFEROWE
Interfejsy transferowe

Instrukcje programów i dane są wprowadzane do pamięci operacyjnej (wewnętrznej) komputera dostępnej przez procesor. Ma ona postać ulotnej pamięci o dostępie swobodnym RAM (Random Access Memory) oraz nieulotnej pamięci ROM (Read Only Memory). Zadaniem pamięci RAM jest przechowywanie programów podczas ich wykonywania. Szybkość oraz pojemność pamięci RAM jest ograniczona rodzajem wykorzystanej architektury. Popularna 32-bitowa architektura mikroprocesora x86 może maksymalnie obniżyć bez straty wydajności 4 GB pamięci RAM, podczas gdy 64-bitowa (x64) – 16 EB (eksabajtów). Obecnie powszechnie stosowane pamięci są oparte na modelu DRAM (Dynamic Random Access Memory).

Pamięć ROM zawiera stałe dane niezbędna do pracy komputera, w tym jego uruchomienia. Zapisany jest w nim tzw. firmware – program obsługujący określony mikrokontroler, czyli BIOS (Basic Input Output System). Jest to podstawowy system wejścia/wyjścia, który kontroluje działanie płyty głównej oraz jej podzespołów. Powoli jest on zastępowany przez EFI (Extensible Firmware Interface).

Ustawienia podstawowego systemu wejścia/wyjścia, tj. data czy konfiguracja częstotliwości taktowania procesora oraz magistral systemowych, są zapisywane w pamięci podręcznej, buforowej (ang. cache). Jednostką przetwarzającą danej jest mikroprocesor.

Mikroprocesor to pojedynczy układ scalony o wysokim stopniu integracji (VLSI – Very Large Scale of Integration), pełniący funkcję procesora, mikroprocesory są wykorzystywane powszechnie w technice komputerowej, także w układach sterujących innymi urządzeniami automatycznymi.

SCHEMAT FUNKCJONALNY PROCESORA
Schemat funkcjonalny mikroprocesora

Zgodnie z założeniem architektury mieszanej, poprzez magistralę danych procesor przekazuje dane do jednostki wykonawczej procesora. Wewnątrz tej jednostki następuje przetwarzanie danych stałoprzecinkowych za pomocą arytmometru (ALU) oraz zmiennoprzecinkowych za pomocą koprocesora (FPU). Dane te są przechowywane w komórkach pamięci wewnętrznej procesora, zwanej rejestrami. Program steruje przetwarzaniem danych, przekazując zadania do jednostki sterującej w postaci instrukcji, które kolejkowane są w bloku rejestrów rozkazów i dekodowane przez dekoder rozkazów. Zadaniem układu sterującego magistralą jest kontrola transferu danych pomiędzy procesorem a pamięcią operacyjną komputera.

ZADANIA PODZESPOŁÓW MIKROPROCESORA
Zadania podzespołów mikroprocesora

Produkowane obecnie mikroprocesory różnią się liczbą instrukcji, które mikroprocesor może przetwarzać. Pod tym względem wyróżnia się następujące modele procesorów:
- CISC (Complex Instruction Set Computers),
- RISC (Reduced Instruction Set Computers).

CISC cechuje się dużą liczbą złożonych i skomplikowanych rozkazów, niższymi częstotliwościami taktowania oraz powolnym działaniem dekodera rozkazów, wchodzącego w skład jednostki CU.

W następnych implementacjach dodawane są kolejne rdzenie procesorów oraz następuje rozwój maszyn wieloprocesorowych SMP (Symmetric Multiprocessing). Dalsze etapy rozwoju to technologia sprzętowej wirtualizacji – dzięki zastosowaniu specjalnych instrukcji procesora możliwe jest uruchomienie wielu systemów operacyjnych jednocześnie, bez spadku wydajności maszyny nadrzędnej.

Bardzo skomplikowana konstrukcja oraz liczba rozkazów procesorów typu CISC zmusiły producentów do opracowania nowej architektury, w której ograniczono liczbę rozkazów do kilkudziesięciu, zwiększono liczbę rejestrów oraz zmniejszono tryby ich adresowania. W taki sposób powstała architektura określana mianem RISC.

Wydajność funkcjonowania mikroprocesorów mierzy się poprzez MIPS (Million Instructions Per Second) i FLOPS (Floating point Operations Per Second). MIPS stanowi liczbę milionów operacji stałoprzecinkowych na sekundę, wykonywanych przez mikroprocesor. FLOPS to liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę.

Szybki rozwój technologii komputerowej, mimo swojej spontaniczności, podlega regułom, zasadom ogólnym, spośród których należy wymienić:
- prawo Moore’a,
- prawo masowej pamięci cyfrowej,
- prawo Metcalfe’a.

Prawo Moore’a – budowa współczesnych mikroprocesorów opiera się przede wszystkim na tranzystorach, których ekonomicznie optymalna liczba na chipie podwaja się co 18-24 miesiące. Prawo to było modyfikowane i uzupełniane, toteż występują jego następujące wersje:
- moc obliczeniowa komputerów podwaja się co 18 miesięcy,
- cena mocy obliczeniowej spada o połowę co 18 miesięcy.

Prawo masowej pamięci cyfrowej (ang. Law of Mass Digital Storage) – całkowita wielkość informacji cyfrowej podwaja się corocznie. Podczas gdy ilość cyfrowej informacji rośnie, koszt jej przechowywania spada w tempie wykładniczym.

Prawo Metcalfe’a – użyteczność sieci wzrasta proporcjonalnie do kwadratu liczby użytkowników do niej podłączonych. Prawo to oznacza liczbę powiązać w sieci, która ma n węzłów, wyrażoną matematycznie jako liczba:

(n (n – 1) ) / 2,
gdzie n oznacza liczbę użytkowników w sieci.

 
 

Klasyfikacja komputerów

12 wrz

Przyjmując jako kryterium moc obliczeniową oraz rozmiar, można podzielić komputery na:
- komputery osobiste,
- stance robocze,
- minikomputery,
- wielkie komputery (ang. mainframe),
- klastry i gridy,
- superkomputery.

Najbardziej popularną klasą komputerów są komputery osobiste, do której należą:
- desktop – stacjonarny, biurkowy,
- laptop, notebook – przenośny,
- netbook – przenośny, mniejsze gabaryty od laptopa,
- tablet PC – przenośny, z funkcją rysika, ekranu dotykowego, rozpoznawania pisma ręcznego, rozpoznawania mowy, komputery netbook i tablet PC zwane są również ultramobilnymi PC,
- palmtop, handheld – naręczny z funkcjami urządzeń cyfrowych,
- barebone – niewielkich rozmiarów komputer stacjonarny – multimedialne centrum rozrywki, łączące w sobie funkcje klienta popularnych usług internetowych oraz odtwarzacza multimedialnego.

Bardziej zaawansowaną i wydajną klasą od mikrokomputerów są dedykowane stancje robocze (ang. workstations). Łączą one bowiem cechy komputerów osobistych oraz efektywność serwerów sieciowych. Głównym zastosowaniem stacji roboczych są aplikacje graficzne o wysokiej rozdzielczości. W architekturze tego typu występują powszechnie:
- wieloprocesowość,
- wielordzeniowość,
- szybsze pamięci operacyjne RAM,
- wysokiej jakości interfejsy sieciowe, wykorzystujące jako medium transmisyjne włókna światłowodowe.

Kolejna grupę komputerów stanowią minikomputery. Można wyróżnić serwery zapewniające funkcjonalność usług sieciowych dla małych i średnich przedsiębiorstw oraz instytucji. Pojęcie „serwer” może mieć wiele znaczeń. W kontekście sprzętu oznacza wydajny komputer, którego architektura zorientowana jest sieciowo.

Wielkie komputery, zwane też komputerami głównego szeregu (ang. mainframe) składają się z kilkuset a nawet więcej procesorów. Moc takich maszyn pozwala na rozwiązanie najbardziej skomplikowanych problemów obliczeniowych, a także przetwarzanie ogromnych ilości danych mierzonych w eksabajtach.

Wydajność większą niż komputery mainframe można uzyskać dzięki zastosowaniu szybkiej komunikacji oraz połączeniu wielu jednostek komputerowych w jedną całość, tworząc w ten sposób spójną architekturę zwaną klastrem.

Klaster stanowią połączone jednostki komputerów, współpracujące se sobą w celu uzyskania zwiększonej mocy obliczeniowej, udostępniając tym samym zintegrowane środowisko pracy.

Rozproszonym systemem przetwarzania danych, który zarządza i integruje zasoby będące pod kontrolą różnych instytucji jest tzw. grid. Za pomocą otwartych protokołów i standardowych interfejsów łączy się z pozostałymi maszynami oraz dostarcza przetworzone odpowiednio dane i usługi.

Największe i najbardziej wydajne komputery są określane mianem superkomputerów. W rankingu najlepszych superkomputerów dominuje Hewlett-Packard oraz IBM.

Ogólna architektura i organizacja mikrokomputera nie różnią się znacząco od serwerów czy komputerów klasy mainframe. Wyraźną różnicę stanowi moc obliczeniowa oraz rodzaj stosowanych urządzeń wejścia-wyjścia.

 
 

Organizacja komputera

11 wrz

Rodzaj architektury komputera bezpośrednio określa jego organizację. Organizację komputera cyfrowego można przedstawić w postaci modelu zarówno logicznego, jak i fizycznego. Model logiczny można zaprezentować jako model wirtualnej maszyny, zawierającej siedem warstw funkcjonalnych:
- poziom 6: użytkownik,
- poziom 5: język oprogramowania wysokiego poziomu,
- poziom 4: asembler,
- poziom 3: oprogramowanie systemowe,
- poziom 2: kod maszynowy,
- poziom 1: sterowanie,
- poziom 0: logika cyfrowa.

Pierwszą z warstw organizacji logicznej komputera jest poziom użytkownika. Tworzą go funkcjonalne programy użytkowe oraz narzędziowe. Wykonując określone operacje, użytkownik spotyka się bezpośrednio z interfejsem, który może mieć postać zarówno graficzną (GUI – Graphical User Interface), jak i tekstową (CLI – Command Line Interface). Za pomocą tych interfejsów następuje interakcja użytkownika z komputerem i przetwarzanie danych.

Aplikacje komputerowe mogą być napisane w różnych językach programowania. W zależności od poziomu, w modelu warstw wyróżnić można następujący podział:
- języki programowania wysokiego poziomu,
- języki programowania niskiego poziomu.

Programy napisane w językach programowania wysokiego poziomu, aby przetworzyć określony algorytm, przechodzą przez warstwę 4, czyli asembler. Proces ten odbywa się w wyniku kompilacji lub interpretacji kodu programu, które powodują przekształcenie go na kod asemblera.

Programy z warstw 5 i 4 mogą być wykonywane dzięki funkcjonalności systemu operacyjnego wraz z licznymi bibliotekami na trzecim poziomie organizacji komputera. System operacyjny umożliwia:
- koordynowanie pracy podzespołów komputera za pomocą obsługi przerwań,
- ochronę danych i pamięci,
- tworzenie warstw abstrakcji,
- zapewnienie równoległości wykonywania operacji,
- zapewnienie jednolitego sposobu dostępu do podzespołów.

Instrukcje z poziomu systemu operacyjnego są przekazywane do warstwy 2 organizacji komputera, w której przekształcone są na kod maszynowy.

Kod maszynowy to binarny sposób opisu rozkazów procesora, unikalny dla każdej architektury mikroprocesora.

Kod ten umożliwia wykonywanie podstawowych operacji przez obwody elektroniczne za pośrednictwem zestawu rejestrów typów danych oraz list instrukcji procesora.

Operacje przekazane w postaci kodu maszynowego są interpretowane na poziomie pierwszym organizacji komputera, tj. sterowania przez podstawowe systemy wejścia-wyjścia. Głównym ich zadaniem jest przekazywanie cyfrowych sygnałów sterujących do układów elektronicznych, tj. mikroprocesor, pamięć RAM czy też magistrala systemowa.

Ostatecznie instrukcje te są przekształcane na poziomie zerowym w operacje logiczne, oparte na arytmetyce binarnej i wykonywane za pomocą podstawowych elementów elektrycznych, tj. bramki czy przewody.

Schemat nowoczesnych komputerów można odnieść do budowy podstawowego elementu, czyli mikrokontrolera, składającego się z jednostki centralnej, pamięci oraz urządzeń wejścia-wyjścia. Użytkownik przekazuje za pomocą urządzeń wejścia oraz interfejsu użytkownika systemu operacyjnego surowe dane, które jednostka centralna przetwarza, komunikując się z pamięcią operacyjną oraz programem, a następnie wprowadza informacje do urządzenia wyjścia.

Główną rolę w tej komunikacji odgrywa magistrala systemowa. Jej wydajność zależy od następujących parametrów:
- długości słowa (16, 32, 64 lub 128 bitów)
- częstotliwości zegara taktującego (wyrażana w MHz lub GHz)
- szerokości czyny danych (16, 32, 64 bity).

Częstotliwość zegara taktującego jest podstawową szybkością mierzoną w cyklach na sekundę z jaką komputer wykonuje pojedyncze operacje. Oznacza ona taktowanie zegara w rytm, którego są wykonywane podstawowe operacje w mikroprocesorze i pamięci.

Do typowych zadań procesora, czyli jednostki centralnej CPU, należą: działania arytmetyczne, działania na bitach, instrukcje skoków oraz kopiowanie danych pomiędzy rejestrami wewnętrznymi, a pamięcią wewnętrzną ROM i RAM.

 
 

Generacje i architektura sprzętu komputerowego

10 wrz

Komputer to urządzenie zbudowane z elementów elektronicznych, którego głównym zadaniem jest zgodne z zestawem instrukcji przetwarzanie danych w postaci cyfrowej.

Czynnikiem określającym daną generację jest opracowany i stosowany podzespół – elektromechaniczny, elektryczny, elektroniczny, neuronowy oraz biomolekularny.

GENERACJE KOMPUTERÓW
Generacje komputerów

Podzespoły stanowiące podstawę komputera każdej generacji są zorganizowane w logiczną, spójną całość, tj. architekturę komputera.

Architektura komputera to struktura komputera wyrażająca się doborem i sposobem łączenia jego układów oraz urządzeń składowych.

Architektura dotyczy zatem związków funkcjonalnych między elementami komputera. Czynnikiem określającym architekturę komputera może być zarówno szerokość danych, jak i rodzaj połączeń pomiędzy procesorem, pamięcią i urządzeniami wejścia-wyjścia, a także podstawowy zestaw instrukcji jednostki centralnej.

Podział maszyn liczących ze względu na sposób organizacji pamięci i wykonywania programu, architektury komputerów:
- von Neumanna/Princeton,
- harwardzka,
- mieszana, zwana również Harvard-Princeton.

Na podstawie założeń projektu węgierskiego matematyka Johna von Neumanna, opracowanego w 1945 roku powstał komputer pierwszej generacji – ENIAC, stworzony przez Johna W. Maychly’ego oraz J. Prespera Eckerta.

Najważniejsze założenia projektu von Neumanna/Princeton opierały się na trójpodziale funkcjonalnym komputera, składającego się z procesora, pamięci komputera oraz urządzeń wejścia-wyjścia. Projektując tę maszyną liczącą zakładano, że powinna ona mieć określoną listę instrukcji, które mogłyby przyjmować dane za pomocą urządzeń peryferyjnych, przetwarzając je oraz przechowywać w identyczny sposób jak dane rozkazów samego procesora.

W architekturze komputera, opracowanej według propozycji naukowców z Uniwersytetu Harvarda, w znacznej mierze zaadaptowano model von Neumanna. Jednak zasadniczą różnicą i innowacją było oddzielenie pamięci danych od pamięci rozkazów.

Kolejnym etapem rozwoju systemów komputerowych było połączenie architektury von Neumanna i harwardzkiej w mieszaną architekturę komputera. Dostęp do pamięci danych oraz pamięci rozkazów odbywa się za pomocą wspólnych magistral danych i adresów. Przykładem zastosowania mieszanej architektury jest rodzina mikrokontrolerów 8051, skonstruowanych w 1980 roku przez firmę intel. Mikrokontrolery to jednostki liczące w pojedynczym układzie scalonym (chipie), używane do sterowania urządzeniami elektronicznymi. Mikroprocesor do obliczeń potrzebuje wielu dodatkowych układów, tj. jednostka centralna (CPU), zintegrowana pamięć oraz układy wejścia-wyjścia. W mikrokontrolerze układy te są wbudowane bezpośrednio w jego strukturę.