Podoba počítače

1. Skříň (case, bedna) – desktop a tower. Liší se podle toho, jaká je v nich základní deska.

2. Základní deska – mainboard, motherboard

Konkrétní podoba základní desky:

- mikroprocesor- usazen ve slotu nebo v soketu (patici)

- sloty sběrnic

- konektory

- baterie

- paměťové banky na operační paměti

- blok portů

- neoznačené integrované obvody (chipsety)

Je to deska plošných spojů s elektronickými obvody a konektory pro připojení dalších periferií počítače.

Obvody slouží pro podporu mikroprocesoru a sběrnic, konektory propojují jednotky umístěné mimo mainboard.

Známe 2 typy základních desek- starší AT (často označované Baby) a novější ATX (zavedeny firmou Intel). Výrobce základní desky ji musí vyrábět tak, aby spolupracovala s maximálním množstvím komponent dodávaných různými výrobci. Zároveň se musí deska vždy domluvit s operačním systémem.

K tomu slouží speciální program – BIOS.

Je to program umístěný v paměti typu ROM (ani po odpojení paměti od napájení se nevymaže.) Výstupy BIOSu k operačnímu systému jsou jednoznačné, to znamená že OS pracuje na každém PC. Nejznámnější výrobci BIOSu jsou firmy AMI, Award a Phoenix. Nikdo neumí vyrobit BIOS univerzální pro každou desku. Proto obsahuje program Setup, kterým se nastavují parametry BIOSu podle konfigurace konkrétního počítače.

Propojky (jumpery).

Některé parametry základní desky se nastavují nezávisle na BIOSu, k tomu slouží propojky, kontakty – piny, které se spojí a získá se potřebná vlastnost desky. Starší desky obsahují kromě propojek i miniaturní přepínače, zvané switch.

Z toho vyplývá, že BIOS (a jeho část Setup), jumpery a switche umožňují univerzálnost základní desky a její komunikaci s různými periferiemi, pamětmi, atd.

Popis základní desky

Ve slotu nebo socketu bývá osazen mikroprocesor, dále sběrnice, sloty rozhraní, konektory přídavných zařízení, napájecí konektor, paměťové banky pro operační paměť, baterie atd. Dále mnoho neoznačených integrovaných obvodů, s naprogramovanými instrukcemi, řídícími desku. Souhrnně se nazývají chipsety.

3. Mikroprocesory

MP zpracovává instrukce od programů, kterými je řízen a používá k tomu ostatní komponenty (paměti, disky, sběrnice, tiskárnu atd.). Jeho základní vlastností je programovatelnost (dá se řídit pomocí příkazů) a integrace (umístění, spojení) všech základních obvodů do jediného pouzdra. Jádrem je logický obvod, který dokáže zpracovat celou sadu jednoduchých mikroinstrukcí. Do těch každý příkaz zpracovává a převádí tzv. instrukční sada ( v té je psán program), převod se uskuteční pomocí jiného programu, obsaženém v MP.

Instrukční sada program MP převod do mikroinstrukcí provedení příkazů v nich obsažených.

Dvě koncepce mikroprocesorů – liší se podle velikosti instrukční sady:

- CISC (počítač s kompletní instrukční sadou) – převládá u PC, má co nejúplnější instrukční sadu, je levnější, ale pomalejší.

- RISC (počítač s omezenou instrukční sadou) – obsahuje základní instrukce.

MP je chemicky znečištěný křemík, fyzicky spousta tranzistorů. Jak pracuje? Data a programové příkazy má uloženy ve vnějších pamětech, momentálně zpracovávaná data si ukládá do registrů a má mechanismus, jak určit, kde tato data jsou – tzv. adresování.

Systém přerušení – MP dostane signál (např. od klávesnice), musí přerušit svou činnost a daný povel zpracovat. Po zpracování se vrací k původní činnosti. Aby neztratil uložená data, dává si je do paměti. Aby v tom neměl zmatek, pracuje ve dvou režimech – systémový a uživatelský.

Protože různé komponenty mají různou rychlost zpracování dat, je mezi ně dáván „mezisklad“ dat. tzv. paměti cache . Jednu (L1) má MP přímo v sobě, druhá (L2) na základní desce zrychluje pohyb dat mezi MP a operační pamětí.

Instrukce se většinou zpracovávají jedna po druhé, od Pentií umí MP zpracovávat několik mikroinstrukcí najednou. MP mají navíc i zrychlující mechanismus, zvaný pipeling – rozfázování instrukcí jako na pásu.

Nás zajímá především, jak se projevuje MP navenek – jeho vlastnosti:

Sledujeme:

- vnitřní šířka dat – schopnost MP zpracovat určité množství bitů najednou. Záleží na množství vodičů vedoucích od MP.

- vnitřní frekvence (takt) – také říkáme pracovní tempo, jde o impulsy el. proudu, proudící do MP. V současné době se pohybují až do 3 Ghz.

- vnější frekvence – určuje rychlost práce periferních modulů (mimo MP). Je vždy nižší než frekvence MP. Takt je tedy vždy násobkem externí frekvence. Tento poměr se dá u novějších základních desek nastavit programově. Jde vlastně o rychlost práce tzv. systémové sběrnice (FSB).

- napájecí napětí (1,5 – 3,3 V)

- chlazení.

Komunikace MP s okolím

Mikroprocesor komunikuje (spolupracuje při práci, přenosu dat, vyhledávání kde jsou v paměti atd.) s okolními komponentami několika způsoby.

a) pomocí sběrnic

- obecně sběrnicemi chápeme soustavu vodičů, jimiž proudí data, instrukce a adresy mezi komponentami PC. Podle toho, co jimi proudí, rozlišujeme sběrnice adresové a datové.

Vzhledem k funkci sběrnic na základní desce rozlišujeme sběrnici

- systémovou - front side bus (propojuje MP s obvody na základní desce)

- periferní (spojuje MP, resp. FSB) s okolím, je zakončena sloty.

Šířka dat i frekvence sběrnic je odlišná od MP.

Novější mikroprocesory pracují v režimu multimastering - provoz sběrnice řídí některá s rozšiřujících karet, neztrácí s nimi čas MP.

Typy sběrnic:

FSB - 64 bitová systémová sběrnice mezi procesorem a operační pamětí

ISA – používaná pro desky s MP 286 - dnes se s nimi již nepotkáváme

PCI – komunikují s MP typu Pentium

AGP - sběrnice pro grafické karty

PCI Express - univerzální sběrnice, nahrazuje všechny kromě FSB

Rozhraní (interface) – k deskám, zasunutých ve slotech, jsou připojeny periferie, k těm se přenášejí data určitými typy normovaných konektorů – rozhraními.

Používaná rozhraní:

- seriové

- paralelní

- USB

- PS 2

- Fire Wire ty mají svá logická jména (LPT, COM), obecně se jim říká porty.

b) IRQ – při přerušení je MP vytržen z práce zařízením, které si žádá obsluhu (může být hardwarové i softwarové). Toto přerušení spustí program uložený na určité adrese a speciálním obvodem (řadičem) začnou proudit data.

c) Přímý přístup do paměti (DMA) – způsob práce, kdy se odlehčuje MP a přenos dat mezi MP a pamětí řídí speciální řadič. Linek, jimiž proudí tato data, je několik a jsou napojeny do

zvláštní sběrnice.

Kdo vyrábí mikroprocesory?

a) firma Intel – historicky vyrobil řadu MP 088, 086, 286, 386, 486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium D a Pentium Core 2 Quad (vše v letech 1979 až 2007). Zavedla matematický koprocesor – pomocný MP, jenž provádí pouze matematické výpočty. Od 486 je integrován do MP. Levnější odnož Celeron.

b) AMD (advanced microdevices) – mikroprocesory Athlon, levnější verze Duron a Sempron.

c) VIA Cyrix – nyní C3 s označeními Samuel, Ezra.

Název	Firma	interní takt	externí frekvence
Pentium D	Intel	2800	840
Pentium IV	Intel	2700	533
Celeron	Intel	1800	400
Duron	AMD	1100	200
Athlon XP	AMD	1800	266
C 3Ezra	VIA	933	133

4. Paměti

Paměť počítače je hardwarové zařízení, určené na ukládání údajů a programů, podle kterých počítač pracuje.

Mikroprocesor čte z paměti programy, ukládá do ní výsledky své práce. Je jich v počítači více.

V zásadě je dělíme do tří základních skupin:

- registry a cache - paměťová místa přímo na chipu procesoru

- vnitřní paměti - bývají zpravidla osazeny do základní desky a připojeny k procesoru přímo prostřednictvím sběrnice

- vnější paměti - určené k dlouhodobému uchovávání údajů, jako úložiště, ze kterého se údaje

přenášejí do operační paměti.

Parametry pro posuzování pamětí:

- kapacita paměti - kolik bajtů je možno najednou v paměti uchovat

- přístupová (vybavovací) doba - čas od zadání požadavku do zpřístupnění požadované

informace

- přenosová rychlost - kolik dat je možno přečíst nebo zapsat za časovou jednotku

- přístup neboli způsob, jak se procesor dostane k informacím - buď postupně, nebo náhodně

(na základě adresy)

- energetická závislost a možnost zápisu

- princip záznamu (magnetický nebo elektrický nebo optický)

- spolehlivost - obvykle měřena dobou mezi 2 poruchami

Fyzikální princip paměti: elektronické prvky spojené vodiči, každý z nich nabývá stavu 0 nebo 1 (nese informaci o 1 bitu).

a) vnitřní paměti

Paměti typu ROM – dovolují pouze čtení, hlavním úkolem je pamatovat si data v době, kdy je počítač vypnutý. (příklad – použití pro uskladnění BIOSu).

CO je to stínování (shadowing) – načtení z ROM a uložení do RAM (je rychlejší).

Vývojově ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash-EPROM.

Paměti typu RAM

S nimi nejčastěji spolupracuje mikroprocesor. Jsou rychlejší, lze je použít k zápisu i ke čtenía v počítači je jich instalována větší kapacita. Rozlišujeme:

- statické SRAM

- dynamické - DRAM, SDRAM, DDR, RDRAM

- CMOS – speciální technologie

Základním dílem paměti je paměťový modul (SIMM, DIMM), zasunutý do banku na základní desce.

Logická organizace paměti: pravidlo, kterým se řídí přidělování paměti jednotlivým prostředkům (programy, operační systém, BIOSy atd.).

Dělí se na konvenční paměť, rezervovanou pamět a paměť nad 1 MB.

Operační systém při práci používá 16kovou soustavu.

Konvenční paměť – oblast I/O, oblast pro práci programů. První kilobajt je tedy vymezen pro vstupně výstupní adresy, přes něž komunikuje MP s okolím. Do 640 kB je používána pro DOSovské programy.

Rezervovaná paměť – 640 kB až 1 MB, adresy jsou rezervovány pro technické prostředky. Programy nepoužívají její prostředky.

Paměť nad 1 MB – používají programy pro svou práci. Termín multitasking – režim práce více programů najednou.

b) vnější paměti

Hard disk (pevný disk)

Jedna ze 2 obvyklých sekundárních pamětí – pevný disk a disketová mechanika.

Hlavní úkol – uchování dat, s nimiž MP momentálně nepracuje, ale v případě potřeby si je načte. Důležité je, že vypnutí počítače nezpůsobí ztrátu dat v těchto pamětech.

Obrázek pevného disku:

řadič

plotny

Paměť pracuje na magnetickém principu a má části:

- medium, na němž jsou uložena data (disky, kotouče, plotny)

- magnetické hlavy pro zápis a čtení

- mechanika, pohybující hlavami

- motorek, točící diskem

- řadič (řídí práci disku)

- deska rozhraní (komunikace s MP)

Plotny – tuhé kotouče s nánosem magnetické vrstvy, průměr plotny 3,5 palců, u notebooků 2,5 palců.

Fyzická struktura disku: jeho rozdělení, aby řadič mohl vyhledat data.

Stopy – soustředné kruhy na disku

Sektory- příčné dělení

Cylindry – část stop nad sebou

Nejmenší fyzická jednotka je 1 sektor (512 B)

Mechanika pohybu hlav:

- krokový motorek – natáčí hlavy nad každou stopu – dnes se již nepoužívá

- vystavovací cívka – hlava pozná, nad kterou stopou je, a na další se přenáší pomocí elektrického impulsu

Parametry (hodnoty) disku:

a) přístupová doba, tj. doba, za níž se vyhledají data, má 2 fáze:

- doba vystavení

- doba čekání

Celkově až 10 ms (pomalejší než operační paměť)

b) kapacita disku

Vývojově od 10 MB do dnešních 320 GB

c) spolehlivost disku

MTBF – střední doba mezi poruchami

S.M.A.R.T. – simulace selhání

d) rychlost otáčení disku (7200 – 15000 otáček za minutu)

e) řadiče pevných disků – zodpovídají za správné pohyby hlav, organizují zápis i čtení dat, spolu se sběrnicí zajišťují přenos dat mezi mikroprocesorem a diskem.

Typy řadičů:

- EIDE – standard IDE (integrovaný elektronický řadič)

- SCSI (tzv. skazi) – Small Computer Systém Interface) – je lepší, umí řetězit příkazy.

Záznam na disk se provádí pomocí dipólu – elektrický signál způsobí napětí – to se zapíše (udělá záznam) ve stopě disku.

Zásady práce s pevným diskem:

- chránit před otřesy, změnami teplot

- nevypínat PC na krátkou dobu

- doporučení zálohovat data

Logická struktura pevného disku – organizace paměťového souboru, aby údaje na disku byly rychle nalezeny. Je to umožněno pomocí zvláštních tabulek:

- MBR master boot rekord – zaváděcí záznam a tabulka oblastí

-FAT (file alocation table – tabulka umístění souborů.), nověji NTFS. Je jich několik druhů podle vývoje operačních systémů, umožňují přidělovat diskový prostor ukládaným souborům.

Zatímco základní fyzická jednotka pevného disku je sektor, logická jednotka obsahuje několik sektorů a nazývá se cluster. Tabulka FAT pak eviduje, v jakých clusterech jsou uloženy soubory. Někdy tyto soubory „rozbíjí“, a ukládá do sousedních clusterů. Dochází k jejich fragmentaci. Operační systém to umí řešit funkcí „Defragmentace disku“.

Disketové mechaniky

1. Diskety (floppy disky) – disketová mechanika je ve skříni počítače, data se ukládají a čtou z diskety. Mechanika obsahuje raménko s magnetickými hlavami, které se pohybují na povrchu diskety. Z tohoto důvodu dochází k většímu opotřebení diskety. Dříve měly průměr 5,25 palců, později 3,5 palců. Běžná disketa má kapacitu 1,44 MB. Dnes se od nich pro jejich malou kapacitu a nespolehlivost ustupuje.

2. ZIP diskety – o něco silnější než běžné diskety, kapacita dat až 250 MB, vyžadují zvláštní mechaniku, příliš se nerozšířily, vývoj šel jiným směrem.

3. Kompaktní disky – CD

Mají průměr 120 mm, uprostřed otvor 15 mm. Fyzicky je na povrchu spirálovitá stopa, informace jsou uloženy ve stopě v prohlubních, zvaných pity. Čtení a zápis je prováděn laserovým paprskem, pokud se v prohlubni odrazí jinam, dojde k vychýlení proudu. Kapacita CD je až 650 MB, délka záznamu 75 – 90 minut. CD mechanika se umísťuje rovněž do skříně počítače, liší se podle typu CD.

Klasické CD-ROM umožňují přehrávání (obrazové nebo zvukové soubory), vypalovací mechaniky umožňují provést záznam (CD-R), nebo přepsat záznam (CD-RW).

4. DVD – digital versatile (video) disk – jejich použití bylo vyvoláno potřebou filmového průmyslu. Zápis je prováděn rovněž laserem. Existují různé typy (DVD R, DVD RW, DVD +RW). Vyžadují zvláštní mechaniku.

5. USB disky a compact flashe – speciální přenosná zařízení malého rozměru o kapacitě až 16 GB, většinou se připojují přes USB port.