Bevezetés a számítástechnikába Fodor Attila Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kar Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék foa@almos.vein.hu 2010 október 19/27.
Bevezetés Hardware (jelentése : fémcikk) Software (jelentése nincs szójáték a HW szóból) Részei: Program Dokumentáció A hardware fő feladatai: adatok bevitele adatok tárolása adatok feldolgozása adatok kivitele (Az irányítást a központi vezérlő egység végzi (CPU)) Beviteli, kiviteli eszközöket (strange) perifériális egységeknek nevezzük Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 2 / 66
Neumann János (1903-1957) Neumann elv Matematikus, fizikus A számolás gépesítésével foglalkozott Neumann elv (1945 - EDVAC) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 3 / 66
Neumann elv (ismétlés) Neumann elv soros utasítás (utasítások végrehajtása időben egymás után történik) kettes (bináris) számrendszer használata belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására teljesen elektronikus működés széles körű felhasználhatóság központi vezérlőegység alkalmazása Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 4 / 66
Számítógép felépítése Számítógép perifériák csatlakozása/csoportosítása Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 5 / 66
Számítógép felépítése A számítógépek architektúrájának elvi felépítése Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 6 / 66
Központi vezérlő egység (CPU) Számítógép felépítése Feladata programutasítások végrehajtása zárt hatásláncú kombinációs hálózat különböző egységeket utasít (beállít) A processzor gépi kódú utasításokat hajt végre, melyeket a memóriában tárol tárolja, rendkívül gépközeli, ismerni kell a processzor felépítését processzor függő, ami a kompatibilitást befolyásolja Műveleti Kód + Operandusrész Assembly programozási nyelv tömör nincs felesleges feladatvégzés kis tárigényű ALU aritmetikai és logikai utasítások végrehajtása (+,-,*,/) alap logikai függvények és relációk kiértékelése Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 7 / 66
A számítógép részegységei Számítógép felépítése Operatív tár Az éppen futó programot és a program végrehajtásához szükséges adatok egy részét tartalmazza (Neumann) I/O processzor perifériák kezelése CPU tehermentesítése CPU periféria (adatforgalom) DMA (Direct Memory Access) Működése gépenként különböző Háttértárolók Mozgó alkatrészeket tartalmaz (optomágneses, mágneses, lézerholografikus) előnyei: nagy tárolókapacitás, külső tápellátás nélkül tárol, nagyobb tárolási idő hátrányai: lassú Mozgó alkatrészeket nem tartalmazó (Flash, EEPROM, SSD) előnyei: gyors hozzáférés Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 8 / 66
A számítógép részegységei Számítógép felépítése MMI (Man Machine Interface) párbeszédes perifériák (billentyűzet, képernyő, stb.) az ember a leglassabb periféria Adatátviteli berendezések különböző távolságú átvitelre használjuk (1m-től x km-ig) általában gép-gép közötti kapcsolatot valósítanak meg Software célja a felhasználó sokoldalú és hatékony segítsége!!! SW-eket háromféle csoportba sorolhatjuk: 1. felhasználói szoftverek 2. rendszerközeli szoftverek (utility, segédprogram) 3. rendszer szoftver (BIOS, operációs rendszerek) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 9 / 66
Számítógép felépítése és a használt oprerációs rendszerek IBM, ESZR gépek OS operációs rendszer PDP, MSZR, VAX RSX11 és a VMS operációs rendszer APPLE MAC OS operációs rendszert IBM PC/XT/AT DOS, Win 3.x, OS/2, Windows 95/98/Me, WINDOWS NT/2000/XPVista/7; LINUX, (Solaris, VxWorks) operációs rendszerek Workstation UNIX és a SOLARIS operációs rendszereket Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 10 / 66
CPU Jellemzői CPU sebesség: a végrehajtott utasítások száma másodpercenként (MIPS = Millions of Instruction Per Second) Ez a legegyszerűbb művelet sebességét méri (NOP) MFLOPS: Azt mutatja meg, hogy hány darab lebegőpontos műveletet hajt végre 1s alatt órajel frekvencia (MHz, GHz) adat-, címbusz szélessége (bit) utasításkészlet (RISC, CISC) tranzisztorok száma magok száma tokozás (lábkiosztás) - foglalat típusa hűtés (hűtőbordák, ventillátor) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 11 / 66
CPU - Moore szabály CPU Tranzisztorok száma 18 hónaponként megkétszereződik azaz: változatlan áron évről évre egyre nagyobb teljesítményű számítógépet kaphatunk Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 12 / 66
CPU - Moore szabály 2 CPU Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 13 / 66
CPU - Moore szabály 3 CPU Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 14 / 66
CPU - Technológia CPU Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 15 / 66
CPU - Tokozás CPU Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 16 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU PC, PC/XT 1972, 8008-as, 8080-as 1978, 8086-os, 8088-as, 10 MHz 1983, 80168-as, 80188-as, 16 MHz Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 17 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU PC/AT (286) 1984, 80286-os, 20 Mhz Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 18 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU PC/AT (386) 1985, 80386-os, 4 Gbyte memória kezelése, 33 Mhz 386SX, 386DX változatok Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 19 / 66
CPU Processzortípusok (Intel) PC/AT (486) 1989, 80486-os, párhuzamos végrehajtás, cache beépítése, 50 MHz 1992, DX2 jelű változat, az órajel sebességének duplájával működött 1994, DX4 jelű változat, az órajel sebességének háromszorosával működött (hűtés fontossága) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 20 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Pentium, Pentium Pro, MMX 1995, 64 bites adatbusz, 200 MHz órajel frekvencia Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 21 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Pentium II, Xeon 1997, Slot 1 foglalat, 2 cache gyorsítótár Xeon szerverekbe szánt változat Celeron, Celeron A 1998, a Pentium II olcsóbb változata, L2 cache a processzorba építve, teljesítménye jól tuningolható Pentium III, IV 2001, Pentium II továbbfejlesztése Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 22 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Hyper-Threading Technology Többszálas CPU-k megjelenése (P4-től) Pentium M Noteszgépekhez készült processzor Intel Core2/Quad Több magos processzorok megjelenése Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 23 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Intel Atom Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 24 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Intel Quad magja MISC - Minimal Instruction Set Computer QPI - (Intel) QuickPath Interconnect Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 25 / 66
Processzortípusok (Intel) CPU Intel Core i7/i5 Több magos processzorok Új foglalat i5 - nomál felhasználásra i7 - nagyobb kapacítású (felső kategória) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 26 / 66
CPU Processzortípusok (Intel) Intel i7 Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 27 / 66
CPU Processzortípusok (Intel) Intel i7 (Core6 Gulftown) (32nm-es technológia) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 28 / 66
CPU Processzortípusok (Intel) Intel i7 (Core6 Gulftown) Wafer Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 29 / 66
CPU Több magos processzorok (Wafer) Intel 22nm-es technológiával gyártott Wafer Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 30 / 66
CPU Több magos processzorok (Wafer) AMD Phenom Quad Wafer (45nm-es technológia) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 31 / 66
Memóriák Memóriák Feladata: állapot tárolása (0 vagy 1) adat beírása, törlése adat kiolvasása Jellemző tulajdonságai Elérési idő Nagyság (bit, Byte, KByte, MByte, GByte) Tokozás Tápfeszültség Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 32 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Relé A relék hátrányai: nagy méret nagy fogyasztás rendkívül lassú (0.1 s-os reagálási idő ) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 33 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Relé A relék további hátránya: Külső környezetre érzékeny Öregednek a relék mozgó alkatrészei Az első "Computer BUG" Harvard Mark II (1945 szeptember 9.) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 34 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Elektroncső Hátrányai nagy a fogyasztása (nagyobb, mint a relé) nagy hővezetés kis megbízhatóság Előnye: gyors (reléhez képest) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 35 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Elektroncső Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 36 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Elektroncső Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 37 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória Mágneses elven működik A mágneses tulajdonságát egy anyag úgy veszítheti el, ha nincs másik mágneses mező a közelben, ami kioltaná, ahogy melegítjük. (T c a jele az ehhez szükséges hőmérsékletnek) Ha mágneses mezővel akarjuk kioltani µ r 1, ahol µ r az anyag relatív permeablilítása B = µḣ U i = dφ dt Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 38 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória A méretet minimalizálni kellett, ezért egysoros tekercsekből áll. De ha a soron végigmegy az áram az egész sor felmágneseződik. Emiatt oszlopokat is létrehoztak. Csak ott fog felmágneseződni, ahol a két áramerőség összeadódik, mert csak itt elég nagy az áramerősség. (Így tárol adatot) A kiolvasás úgy történik, hogy beírunk egyet Ha a tekercs 1 volt, akkor nem történik semmi φ = konstans U i = 0 Ha a tekercs 0 volt, akkor felmágneseződik a mag φ változik U i 0 Kiolvasás után vissza kell írni az eredeti állapotot Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 39 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 40 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória Előny: kishelyen is elfér (kisebb, mint a tranzisztoros) nem kell külső áramforrás 1 mikroszekundumos elérési sebesség a számítógép kikapcsolása után is megtartották az adatot Hátrány: óvni kell őket az erős mágnese tértől és a magas hőmérséklettől: T curie B = 0 lemágneseződik Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 41 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Ferritgyűrűs memória Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 42 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Tranzisztor Előnyei: kis méret nagyon megbízható gyors Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 43 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - TTL Előnyei: kisebb méret kisebb fogyasztás nagyobb élettartam Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 44 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Open Collector/Totem pole OC - Open Collector (Huzalozott) Totem pole Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 45 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Tri State 3 állapot Hamis 0 Igaz 1 lebegő (nagy impedanciás) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 46 / 66
Memóriák Memória megvalósítási módjai - Késleltető művonal Szovjet találmány A piezzo elektromos kristályba érkező hullám a kristály belsejében lelassul majd amikor kilép újból gyorsabb lesz. (Ez viszont gyengíti a hullámot, ezért egy erősítővel pótolni kell az elvesző energiát.) Az adatot addig keringetjük, amíg nincs rá szükségünk. TV-knél terjedt el: PAL soridejű késleltető. Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 47 / 66
Memóriák osztályozása Félvezető technológiás memóriák RAM (Random Access Memory) Írható Olvasható ROM (Read Only Memory) Csak olvasható Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 48 / 66
MOS FET Félvezető technológiás memóriák MOS FET technológia (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Gate, Drain, Source Frissíteni kell, mert egyébként elveszik az adat Kiolvasás visszaírás Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 49 / 66
CMOS technológia Félvezető technológiás memóriák Complementer MOS P, N típusú FET nem igényel nagy áramot (na nagyságrend) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 50 / 66
CMOS technológia Félvezető technológiás memóriák Ellenütemű vezérlés CMOS memóriák a leggyorsabbak!!! CMOS - SRAM (Statikus RAM): BIOS (Basic Input Output System) Teleppel való kiegészítés után nagy idejű tárolás. Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 51 / 66
CMOS technológia Félvezető technológiás memóriák Példa: Egy CMOS IC felépítése Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 52 / 66
Dinamikus RAM RAM kondenzátorként viselkedik (1 bit-hez 1 tranzisztor kell) nagyon kicsi Gate-ről elszöknek az elektronok frissíteni kell frissítési ciklus egyszerű struktúra, könnyen integrálható olcsó PC-nél: SIMM az egyoldalas memória modul, DIMM az kétoldalas memória modul Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 53 / 66
FPRAM, EDORAM RAM FPRAM (Fast Page RAM) DRAM-nál a sor- és oszlopcímeket csak párosával adhatjuk ki a címzés hosszadalmas, és folyamatosan frissiteni kell Mátrixszervezés egyszerű sebességnövelő módszer 40%-os sebességnövelés EDORAM (Extendid Data Out RAM, kiterjesztett adatkimenetű RAM) FPRAM- hoz képest mintegy 20%- kal a hagyományos DRAM- hoz képest mintegy 60%- kal gyorsítja a memóriaműveleteket Csökkentett kiolvasási idejű Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 54 / 66
RAM SDRAM (Synchronous DRAM, szinkron DRAM) Alapgondolat: a processzor órajelével működjön a memória kiküszöbölhetőek a szinkronizálás hiányából adódó várakozási ciklusok. SDRAM felfogható úgy is mint két EDORAM párhuzamos kapcsolása Megvalósítás: a memóriát két területre (bankra) osztják a memóriavezérlő miközben az egyik bankból olvas vagy ír a másiknak már átadja a rá vonatkozó memóriacímet mikor az első bank adatai feldolgozásra kerültek, azonnal rendelkezésre áll a kiolvasásra szánt adat Mindkét memóriabank lapszervezésű Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 55 / 66
Statikus RAM RAM Két állapotú kapcsolóelemek tárolják az információt (áramköri kialakításúk szerint flip- flopok) Gyorsabbak a korábbi RAM- oknál Nagyon gyorsak és drágább az előállításuk, kevéssé integrálható, kevesebb energiát fogyasztanak Elsősorban gyorsító (cache) memóriaként használják, nem igényel frissítést Fajtái: Aszinkron SRAM Szinkron SRAM Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 56 / 66
DDR SDRAM RAM Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) 2 adatátvitel egy órajelciklus alatt Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 57 / 66
DDR2 SDRAM RAM Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) 4 adatátvitel egy órajelciklus alatt Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 58 / 66
RAM, Soros RAM RAM RAM Írható olvasható memória véletelen hozzáférésű memória bármikor bármelyik cella tartalma írható, olvasható Soros RAM beírás és kiolvasás sorrendje kötött (ugyanolyan sorrendbe olvassuk ki az adatokat, mint amilyen sorrendbe beírtuk őket) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 59 / 66
RAM Verem elrendezésű memória, CAM Verem elrendezésű memória mindig az utolsó adat olvasható ki belőle először (beírás fordított sorrendjében történik a kiolvasás) CAM (Content Addressable Memory) Tartalom szerint címezhető Azt tudja csak megmondani, hogy van-e benne az az adat, amit keresünk AI (Artificial Intelligence) (mesterséges intelligencia) kutatásokra használják, még fejlesztés alatt van. Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 60 / 66
Laser holografikus memória RAM Ha lehűtik a kristályt (GaAs, InSb kristály) és UV fénnyel (CO 2 lézerrel működne) megvilágítják, akkor megváltoztatja a törésmutatóját Előnye lenne: nem kell külső energiaellátás térbeli információtárolást tenne lehetővé hozzáférési idő (1<ns) Gond: kicsi hőmérséklet kellene (cseppfolyós levegővel lehetne megoldani) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 61 / 66
ROM Maszkprogramozott memória, PROM Maszkprogramozott memória gyártó által programozott belső huzalozás határozza meg programozásuk történhet újrahuzalozással légmentes párologtatással. vannak egységes ROM-ok is PROM (Programable ROM) OTP (One Time Programable) egyszer programozható Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 62 / 66
PROM ROM Fuse PROM A programozói feszültséggel kiégetik a biztosítékot Tokozott PROM Olcsó, de csak egyszer programozható kivéve: gyárilag UV vagy röntgen fénnyel Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 63 / 66
EPROM ROM Ereaseible Programable ROM (törölhető ROM) A törlés UV fénnyel történik egy kvarcablakon keresztül Drágább, mint a tokozott PROM Nem csak gyárilag programozható (üzemszerűen általában csak olvasásra használják) Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 64 / 66
EPROM ROM Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 65 / 66
EEPROM (E 2 PROM), Flash ROM Electronically Ereaseible Programable ROM Feszültség hatására törölhető Flash Memória EEPROM egy speciális változata Flash memóriák tipusai NOR párhuzamos adathozzáférés (relatív drága, relatív kisebb kapacitás) NAND soros adathozzáférés (relatív olcsó, relatív nagy kapacitás) Tulajdonságai: Multigate 100-10000-szer írható 100 évig megtartja az adatokat Felhasználás Flash memória (100 000 írási ciklus) MP3 lejátszók, Digitális fényképezőgépek, kamerák, stb. Fodor Attila (Pannon Egyetem) Bevezetés a számítástechnikába 2010 október 19/27. 66 / 66