3. előadás Számítógép generációk, PC-k Dr. Kallós Gábor 2014 2015 1
Tartalom Számítógép generációk Első, második és harmadik generáció Negyedik generáció PC-k Moore-törvény Memóriák; ROM és RAM Perifériák Processzorok Párhuzamos végrehajtás Általános jellemzők, IBM kompatibilis PC-k Fizikai felépítés Alaplap Processzor Háttértárak Gépünk teljesítményadatai, elérési idők 2
A számítógépek fejlődésének fázisait az ún. számítógép-generációkhoz tartozó gépek fontosabb technikai és logikai tulajdonságaival érzékeltethetjük Újabb eszközök és ötletek alapján egyre gyorsabb és megbízhatóbb gépeket építettek Az 1950-es évektől: a számítógép-tervezés és -készítés ipari méreteket öltött Első generáció (kb. 1955-ig) Elektroncsöves technika Aritmetikai egységeik (általában) csak az egész számok kódjaival tudtak számolni Lebegőpontos műveletekre programot kellett készíteni Minden program gépi nyelven készült Könnyítés: nem feltétlenül kettes számrdsz.ben kellett az utasításkódokat leírni, hanem nyolcasban, vagy tizenhatosban. Ezt kellett az I eszköz segítségével konvertálni kettes rendszerre és bejuttatni az operatív memóriába. A tartalmat megőrző memória mérete pár bájtnyi volt, a gépet működtető programot jellemzően háttértárról kellett betölteni a memóriába Gyakran: a gép az első végrehajtandó utasításokat is a háttértárról kapta Proc.centrikus felépítés, a külső berendezéseket (I, O stb.) a CPU közvetlenül vezérelte, ezért a szg. sebessége jóval kisebb az elektronikus alkatrészek (a CPU, a memória) sebességénél A perifériák sok lassú mechanikus alkatrésszel rendelkeztek 3
Második generáció (1955 65) Elektroncsövek helyett kisméretű és sokkal gyorsabb félvezető diódák, tranzisztorok Gyorsabb CPU Bonyolultabb áramkörök hozhatók létre (kisebb helyfoglalás, kisebb mértékű melegedés) A gépek mérete jelentős mértékben lecsökkent, üzembiztonságuk megnőtt Teljesítményük, sebességük az 1 MIPS értéket is elérte Memóriaépítés: ferritgyűrű (minden bithez egy-egy mágnesezhető pici gyűrű) Sokkal kisebb helyfoglalás, sokkal nagyobb memóriakapacitás Ha a számításokhoz kicsi volt a memória (jóval gyakrabban előfordult, mint ma), akkor az éppen nem használt kódokat/adatokat háttértárakra írták visszaolvashatóság A tárolás elve a mágnesezhetőségen alapult, az (egységről általában levehető) adathordozók szalag- vagy lemezformájúak I/O műv.ekre: a CPU helyett önállóan működő perifériaproc.ok Így az I/O műveletek elvégzése alatt a CPU további utasításokat tudott végrehajtani Megszakítások kezelése, prioritások*: lásd jegyzet A számítógép működ(tet)éséhez segédprg.okat készítettek Ezek voltak az operációs rendszerek előfutárai Kialakult az ipari szoftvergyártás Szoftver: a különböző programok, programrendszerek gyűjtőneve Hatékony eszközök kellenek a szoftvertermékek előállítására: első magas szintű programozási nyelvek 4
Harmadik generáció (1965 1979 k.) Integrált áramkörök alkalmazása a szg.építésben 1958 k.: megjelentek az első (szilícium alapú) integrált áramkörök, amelyekbe miniatűr méretben akár több száz dióda, tranzisztor volt beépítve Következmény: csökkent a gépek mérete, arányosan nőtt a működési sebességük és négyzetes arányban csökkent az energiafogyasztásuk. Tárolási kapacitásuk megsokszorozódott. Olyan operációs rendszerek, amelyek képesek egyszerre több program futtatására is (egy felhasználó futtathat több programot, ill. egyszerre több felhasználó használhatja a gépet) Operációs rendszer: olyan programrdsz., amely képes arra, hogy a felhasználó minimális segítségével teljesen automatikusan működtesse a szg-et, és kényelmessé tegye a felhasználók feladatait megoldó prg.ok használatát is Technológiák több program egy időben való futtatásának biztosítására (részletek: lásd jegyzet) Multiprogramozás: az operatív memóriában több felhasználói program lehet, a programok között sorrendiség (prioritás), I/O hívások alatt a következő program futhat Multitaszking: szintén több program futása lehetséges, minden programhoz időszelet, ennek letelte után a következő indul stb.; kellően sűrű váltásoknál párhuzamosnak látszó működés Nagyon fontossá vált a memória megfelelően biztonságos kezelése Nem szabadott megengedni, hogy az együtt futó prg.ok egymás mem.területére írjanak (esetleg olvassanak) A memória kevésnek bizonyulhatott az elindított programok futtatásához, mo.: virtuális memóriakezelés Ezzel a technikával látszólag az operatív tár méreténél nagyobb (virtuális vagy látszólagos) memória volt használható Op. rdsz-ek modularitása: ezek a modulok piramisszerűen egymásra épülve a hétköznapi felhasználó elől elrejtették a gép valódi működését, ezzel megnőtt a működés biztonsága Modulok létrehozását támogató, sőt, speciális feladatok programozására alkalmas magas szintű programozási nyelvek, nőtt a programozói munka hatékonysága 5
Negyedik generáció (1977 k. ) Magasabb fokú integráltság Az integrált áramkörök gyártástechnológiája továbbfejlődött (pl. LSI Large Scale Integration: magas integráltsági fokú áramkör) Kisebbekre cserélhetők lettek a még mindig elég nagyméretűnek számító elektronikus és mágneses elven működő alkatrészekből álló egységek Ezzel jelentősen tovább csökkent a számítógépek mérete; + lehetőség új egységek megjelenésére a szg.-ken Ezek megépítésére eddig vagy nem volt szükség, vagy nem volt lehetőség Új részek: az operációs rendszerben szoftveres úton megoldott funkciókat váltottak le hardver megvalósításra, ill. új szolgáltatásokat nyújtottak a szg. biztonságos működéséhez Ilyen új egységek Nagy kapacitású megmaradó tartalmú memória Kisméretű, nagykapacitású, közvetlen hozzáférésű írható, olvasható memória-áramkörök Direkt memória-hozzáférést biztosító áramkörök, memória-hozzáférést szabályozó áramkörök A Neumann-architektúra szűk keresztmetszete az adatok áramlása a CPU és a mem. között Programozható perifériavezérlők, új periféria- és háttértár-csatlakozók A fejlődés közben is folytatódott, egyre kisebb és kisebb méretű eszközök/egységek Megjelentek a (mikro)processzorok Manapság már a zsebben is elfér egy olyan teljesítményű számítógép, amely a generáció kezdetén még szobaméretű volt 6
7
8
Negyedik generáció (folyt.) Tartalmukat megőrző (csak olvasható) memóriák Klasszikus változat: ROM (Read Only Memory, csak olvasható memória) Tartalmát a gyártáskor rögzítik. Ez a tartalom nem változtatható, megmarad akkor is, ha nem kap áramellátást. Felhasználása elvileg korlátlan idejű. Általában direkt elérésű (minden memóriaegység közvetlenül címezhető, tartalma kiolvasható függetlenül attól, hogy az előtte vagy utána lévő mem.egységek tartalmát elolvasta-e a szg. vagy sem) PROM (Programable Read Only Memory; elavult) Nem gyárilag égetik be a tartalmat, hanem egy speciális programíró berendezéssel a felhasználója (egyszer), és ezután csak olvasható módon érhető el a (megőrzött) tartalom Ennek továbbfejlesztett változata: EPROM (Erasable Programable, törölhető programozható csak olvasható memória; elavult) Csak speciális eszközzel törölhető és írható újra, az a szg., amiben a memória van, ezt a törlést/újraírást nem tudja elvégezni A gyártáskor általában ebbe a memóriába is beleégetik a kezdő tartalmat, törlése UV-fénnyel történhet, ezután új tartalom írható rá Legújabb változatok: EEPROM memóriák (Electrically Erasable Programable Read Only Memory, elektromosan törölhető programozható csak olvasható memória) A csak olvasható itt: a memória tápfeszültség nélkül is megőrzi tartalmát, nem szükséges újraírással frissíteni, a használat során csak olvasni kell a tartalmát Ha kell, a tartalom kicserélhető, átírható. Ezt az átírást akár a számítógéppel is elvégezhetjük. Flashmemória: speciális EEPROM memória, háttértárként is használható. Ilyen memória található a mai pen drive-okban is. 9
Negyedik generáció (folyt.) Tartalmukat elvesztő (írható-olvasható) memóriák; RAM (Random Access Memory) Szó szerinti fordítás: véletlen elérésű memória (de: a ROM-ot is így érjük el!) Nem igazán szerencsés elnevezés, valójában: a mem.egységeket tetszőleges sorrendben, a címük alapján lehet kiválasztani és a tartalmat kiolvasni/megváltoztatni (jobb lenne: direkt elérésű ) Az elérési idő nem függ a memóriaegység helyétől Három típust mutatunk be Dinamikus RAM vagy DRAM Bitjeit olyan elektronikus elemek (kondenzátor és tranzisztor) alkotják, amelyek tartalma kiolvasáskor, illetve az idő előrehaladtával akkor is elveszik, ha feszültség alatt van. Bizonyos idő elteltével a tartalmat frissíteni kell (dinamikus). Működése relatíve lassú, de előállítási költsége viszonylag olcsó, általánosan elterjedt. Szinkron DRAM, röviden SDRAM (Synchronous Dynamic Random ) Olyan memória, amit az órajel segítségével a többi egységgel szinkronban lehet elérni (csak akkor fogad, küld, ha az órajel ezt lehetővé teszi) Statikus RAM vagy SRAM Alkotóelemei (egy bit: 2 tranzisztor) csak akkor vesztik el a tartalmukat, ha a tápfesz. megszűnik (nincs szükség állandó frissítésre), ezért elérési ideje jóval kisebb, mint a DRAM-é. Előállítási költsége viszont nagyságrenddel nagyobb, elsősorban spec. mem.ként és nem operatív mem.nak használják. Az SRAM tipikus alkalmazásai: CPU regiszterek ill. gyorsítótárak (cache-memóriák) Cache-mem: viszonylag kiskapacitású (kezdetekkor pár száz B, manapság pár KiB is lehet) memóriák, ide a lassúbb operatív mem.ból kódokat másolnak, hogy a CPU innen olvassa ki, ha szüksége lesz rá. Gyorsítótár használható a perifériák, a háttértárak és az operatív mem. közti forgalom lebonyolítására is. 10
Negyedik generáció (folyt.) *Közvetlen memória-hozzáférés DMA (Direct Memory Access) Gyakori feladat: nagymennyiségű adatot/kódot kell másolni mem.tartományok között, ill. I/O eszközök és a mem.tartomány között. Gazdaságtalan lenne, ha ezt csak a CPU végezné. Megoldás: DMA áramkör, a CPU tehermentesítésére alkalmazzák A CPU-nak elegendő csak elindítania a feladatot, és érzékelni a befejezését (részletesebben lásd jegyzet) De: nem minden I/O-tevékenység jelent nagy kódmozgást. Pár bájtnyi input kód, aminek ráadásul a szg. működésére azonnali hatással kell lenni, a DMA-vezérlő nélkül is a CPU-hoz juthat (pl. egér elmozdulásából keletkező kódok). A memória fizikai menedzselése, az MMU Kezdetekben: a memóriát az operációs rendszerek menedzselték Egyszerűsítés: a memóriamenedzselés egy részét új (fejlett) áramkörök segítségével valósították meg Új egység: MMU (Memory Management Unit), ezzel a virtuális memória kezelése gyorsabbá és biztonságosabbá vált Hogyan használhatunk (látszólag) az operatív tár méreténél nagyobb (virtuális vagy látszólagos) memóriát? (részletesebben lásd jegyzet) Megvalósítás: a memóriát logikailag (egyenlő) sorszámozott lapokra osztották, ezeket rendelték a futtatandó programhoz. Ha a prg. a neki kiosztottnál nagyobb területet igényelt volna, akkor a teljes munkater.nek csak egy része került az operatív mem.ba, a többi háttértáron maradt. Ha szükség volt a háttértáron lévő program- vagy adatkódra, az op. rdsz. kicserélte az éppen nem használt lapot a mem.ban arra a részre, ami a program folytatásához kellett (memórialapozás). 11
Negyedik generáció (folyt.) MMU (folyt.) A virtuális memória kezelése (folyt.) Az MMU ezt a feladatot átvette az operációs rendszertől (logikai lapok és fizikai lapkeretek, swap-fájl) 12
Negyedik generáció (folyt.) *Perifériavezérlők Gond: a perifériák (de még a háttértárak is) sokkal lassúbbak, mint a CPU Már az 1960-as években is megpróbálták a vezérlésüket függetleníteni a központi vezérlőtől de akkoriban technikai problémák akadályozták ezt 1970-es, 80-as évek (miniatürizálás, gyors mem.típusok): ezek a nehézségek enyhültek, lehetőség a perifériavezérlés önálló egységekkel való megoldására Kezdetben egyszerű vezérlők, önálló munkavégzési képesség (utasítások végrehajtása), majd megszakításkérés (ha kész) Később a vezérlőkhöz memóriát, sőt műveletvégző egységet is építettek. Ezek az eszközök a számítógép részei voltak (esetleg: bővítményként a gépbe építhetők). Még később: intelligens perifériák, a számítógéptől független memóriával, vezérlővel és műveletvégző egységgel Manapság szinte mindegyik periféria (háttértár) ilyen Periféria-portok A számítógépbe épített perif.vezérlők csatlakozóin (portjain) lehet a perifériákat a szg.hez csatlakoztatni Kezdetben minden perifériának külön vezérlője volt (azaz: más csatlakozó!), később a perifériacsoportok kaptak vezérlőt, és szoftveres úton (meghajtóprogrammal) volt képes a vezérlő a perifériát kezelni Manapság általánosan elterjedt az USB (Universal Serial Bus, általános soros busz), portjára (csatlakozó pontjára) megfelelő sw.támogatással szinte bármelyik periféria csatlakoztatható 13
Negyedik generáció (folyt.) Periféria-portok (folyt.) Az USB-t használó eszközök köre igen széles: egér, játékvezérlő, lapolvasó, nyomtató, digitális fényképezőgép, webkamera, külső merevlemez stb. Az USB soros, pont-pont közötti kapcsolatot biztosít a számítógép (host) és a külső eszköz (device) között Elméletileg 127 eszköz csatlakozását teszi lehetővé egy számítógéphez Manapság: három USB verzió (szabvány) Sebességüket megabit/másodpercben (egy másodperc alatt átvitt bitek száma Mb-ben) adjuk meg Az 1.1-es és 2.0-ás változatában azonos csatlakozókat és kábeleket használnak, a 3.0-ás változatban változtatás a megnövekedett sebesség miatt (kék színű csatlakozók) 14
Negyedik generáció (folyt.) Processzorok Trend: az I/O vezérlése fokozatosan önállóvá vált, a CU-ra főként csak a memória (esetenként csak a virtuális változat) kezelése és az ALU irányítása maradt Az időszak elején: lassú memória (meghatározta a prg.ok futási idejét, lassította a proc.ot ), a CU-k utasításkészlete bonyolult és sok utasításból állt; összetett utasításkészletű számítógép (CISC, Complex Instruction Set Computer) Később: gyorsabb memóriák; lehetővé vált az utasítások egyszerűsítése, számuk is csökkent Igaz, hogy ugyanannak az eredménynek eléréséhez négy-öt egyszerűbb utasítás kellett, de ezeket az utasításokat akár tízszer gyorsabban lehetett végrehajtani (jelentős gyorsulás) Ilyen számítógép: csökkentett utasításkészletű (RISC, Reduced Instruction Set Computer) Miniatürizálás növekedésével: lehetőség az addig különálló regisztertömb, CU és ALU egybeépítésére, ez a közös egység a processzor. Az egyetlen chipben megvalósított processzor a mikroprocesszor. Fontos kutatási feladattá vált a processzorok sebességének növelése (okok: memóriák további gyorsulása, fejlettebb technikák a kezelésükre stb.) Ígéretes lehetőség: párhuzamos végrehajtás (a soros utasítás-végrehajtás helyett) Neumann maga is vizsgálta későbbi dolgozataiban 15
Negyedik generáció (folyt.) Párhuzamos végrehajtás Alapprobléma: hogyan lehet megoldani, hogy az utasítás-végrehajtáskor a CPU éppen nem működő részeit is ellássuk munkával; ill. mily módon lehet egyszerre több utasítást is végrehajtani Többféle javaslat született, de megvalósításukhoz kezdetben még nem volt megfelelő technikai háttér Később, az integrált áramköri technológiával lehetővé vált ezeknek a javaslatoknak a megvalósítása, sőt újabb megoldások is születtek A modern számítógépek szinte mindegyike alkalmaz valamilyen párhuzamos technológiát, annak ellenére, hogy tudjuk: bizonyos utasítások nem végezhetők el párhuzamosan (adatfüggőség, elő- és utóidejűség) Pipeline (csővezeték) technológia A legegyszerűbb, leggyakrabban (és régóta) használt lehetőség az utasítások párhuzamos végrehajtására Ötlet: a processzor egyes részei képesek egyszerű párhuzamos működésre, kb. mint egy szerelőszalag a gyárban Az első utasítás dekódolása majd végrehajtása közben a felszabadult beolvasó egység már olvassa a memóriában a másodikat, majd ha lehetséges az ezt követőt stb. A pipeline annál hatékonyabb, minél több részre, fokozatra (stage) sikerül szétosztani egy utasítás végrehajtását 16
Negyedik generáció (folyt.) Párhuzamos végrehajtás/pipeline technológia (folyt.) Egyszerű példa: a soros végrehajtás hat időegység alatt két utasítást, a pipeline ezalatt négy utasítást fejez be, így rövidebb idő alatt futtatja le ugyanazt a programot *Problémák a pipeline technológiával: elágazások nehezen építhetők be, nem független operandusoknál gond van (késleltetés szükséges; részletesebben lásd jegyzet) 17
Negyedik generáció (folyt.)/párhuzamos végrehajtás (folyt.) Szuperskalár-processzorok (több ALU-val rendelkező processzorok) Ötlet: az utasítás-végrehajtáskor a legtöbb időt az ALU működése veszi el (művelet-végrehajtás), ezért növelhető a teljesítmény több ALU beépítésével egy processzorba Az ilyen CPU-k egy órajelperiódus alatt több utasítás végrehajtását is befejezhetik, az adatfüggőségek itt is késleltetéssel küszöbölhetők ki (out-of-order utasítás végrehajtás: a késleltetés alatt más tev.-ek) Vektorprocesszorok Speciális célra kifejlesztett processzorok, adatregisztereik többszörözve vannak (regisztervektor) Innen kerülnek az adatok/kódok a vektorművelet elvégzésére képes ALU-hoz, ami ugyanazt a műveletet végzi el mindegyik reg.tartalmon A feltöltés, kiolvasás, kódátvitel gyors eszközökkel történik, így a proc. rendkívül gyors A vektorproc.kat általános célú processzorral kombinálva, illetve speciális egységekben (pl. videokártyákban) használják Multiprocesszoros rendszerek Eddig: a processzor bizonyos részeinek megsokszorozása, itt: több teljes értékű processzor Egyenrangú processzorok (mindegyikre rá lehet bízni bármelyik folyamat végrehajtását): szimmetrikus multiproc.os rendszer, SMP (Symmetric MultiProcessing). Több processzor egyetlen chipen: többmagos technológia Nem egyenrangú processzorok (mindegyik más-más feladat elvégzésére alkalmas): aszimm. multiprocesszor-rendszer, AMP (Asymmetric MP, először ezt hozták létre) 18
Negyedik generáció (folyt.) A szoftverek és a szoftvertermékeket előállító eszközök fejlődése Operációs rendszerek: karakteres felület helyett grafikus (lásd később) Strukturált programozást támogató programozási nyelvek A programokat olyan struktúrákból (programelemekből) építjük fel, amelyeknek végrehajtása az első utasításukkal kezdődik, és az utolsóval fejeződik be Objektumszemlélet, objektumorientált programozási nyelvek A program objektumok rendszere, a működés során az objektumok kölcsönhatása, beszélgetése szolgáltatja annak a feladatnak a megoldását, amihez a program készült Vannak előre definiált objektumosztályok (mintakollekciók), és sajátok is létrehozhatók *Logikai programozás Teljesen új szemlélet, a szakértői rendszerek kifejlesztésének igénye inspirálta Nem ut.okra épül, következtetési szabályokat definiál, és axiómákat ír le. Ezek gyűjteménye a program. A program futása: válasz keresése a felhasználó által feltett eldöntendő kérdésre (az axiómákra támaszkodva és a következtetési szabályokat felhasználva); lehetséges kimenetelek: nincs válasz, ill. a válasz igen vagy nem Erre a programozási stílusra próbálták 2000 környékén megépíteni a tervek szerint ötödik generációs számítógépet. A fejlesztők szerint sikerrel, a piac szerint nem (még nincs ilyen gép). Párhuzamos működést támogató programozási eszközök Megadható, hogy a program mely részeit lehet párhuzamosan végrehajtani, és azt is, hogy a párhuzamos végrehajtást hogyan kell vezérelni Új algoritmusok, amik a feladatot párhuzamosan végrehajtható folyamatokkal oldották meg Ezzel teljessé vált a párhuzamos technológia: párhuzamos algoritmus, program és végrehajtás 19
Személyi számítógépek PC-k Személyi számítógép vagy PC (personal computer) tágabb értelemben: olyan általános célú számítógép, amely mérete, ára és szolgáltatása alapján Bárki számára megvásárolható; Különösebb (mély) hozzáértés nélkül használható a munkahelyen, otthon; Sőt némelyik akár utazás közben vagy az utcán séta közben is PC szűkebb értelemben: a személyi számítógépek egy családja, az IBM kompatibilis PC Az IBM (a világ egyik legnagyobb informatikai vállalata) egyaránt foglalkozik hardvergyártással és szoftverfejlesztéssel is Első ilyen, olcsó, moduláris felépítésű számítógép (a PC-család első képviselője ): 1981 aug., azonnal sikert aratott Később újabb és újabb modellek, kedvező eladási adatok, más cégek is beszálltak (csökkenő árak) Ma már az IBM nem gyárt személyi számítógépeket, PC üzletágát 2005-ben eladta a kínai Lenovonak 20
Személyi számítógépek PC-k Az asztali változat fizikai felépítése nem sokat változott a megjelenése óta A különböző részegységek az alaplaphoz (2) csatlakoznak Ezen helyezkedik/helyezkednek el a processzor (3) ill. a memóriamodulok (4) csatlakoztatására szolgáló foglalatok, valamint a bővíthetőséget biztosító csatlakozók A gépet bővíthetjük pl. szabványos bővítőkártyákkal (5), merevlemezes (HD, 8) vagy optikai (CD, DVD, 7) meghajtókkal A fenti eszközök a tápellátást biztosító tápegységgel (6) együtt a szg.házban (1) kaptak helyet A gépház hátulján további csatlakozók találhatók a külső perifériák, billentyűzet (9), egér (10), monitor (11) csatlakoztatására Ezek a perifériacsatlakozók vagy közvetlenül az alaplapra vannak építve, vagy bővítőkártyákra szereltek, és ezeken keresztül csatlakoznak az alaplaphoz 21
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés (folyt.) Részegységek cseréje, bővíthetősége (lásd még lent is) Asztali gépek: moduláris felépítés, így a részegységek mindegyike cserélhető akár másik gyártó kompatibilis termékére is Hordozható számítógépek: a mobilitás fontosabb a bővíthetőségnél/cserélhetőségnél Legfeljebb az operatív memória bővíthető, más nem A részegységek cseréje is csak korlátozottan lehetséges (legtöbbjük felépítése a gyártóra jellemző, más cégek termékei a cseréhez sem használhatók) Szabványos kivitelezésűek általában a háttértárak, a CD-meghajtók és esetleg a processzor (ezek szükség esetén más gyártmányú termékekkel is helyettesíthetők) Alaplap (mainboard vagy motherboard) Egy nyomtatott- és integráltáramkör-rendszert tartalmazó lap Áramköreinek többsége a tápegységről kapja a működéséhez szükséges elektromos feszültséget Kisebb részük: elemről (esetleg akkumulátorról), állandó feszültség Legfontosabb integrált áramkörei: memóriavezérlő (MMU), megszakításkezelő, DMAvezérlő, órajelgenerátor, valós idejű óra, flashmemória *Az alaplap integrált áramköri lapkáinak összessége a lapkakészlet, más szóval a chipset Az alaplap beépített áramkörei meghatározzák (azt is), hogy milyen processzor, memória és bővítőkártya használható 22
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés (folyt.)/alaplap (folyt.) *Két fontos kapcsolatot megvalósító áramkör: északi és déli híd (bridge) Feladatuk: a kül. működésű kódtovábbító rendszerek összehangolása, kódok átalakítása (részletesebben lásd jegyzet) Északi híd: a CPU-t a memóriával és a PCIe-busszal (gyors PCI-busz; Peripheral Component Interconnect express) köti össze Déli híd: a PCI-buszt a lassú ISA-busszal (Industry Standard Architecture) köti össze A processzor és az operatív memória nem része az alaplapnak, szabványos foglalatokba illesztve kapcsolhatók hozzá *Ugyanígy kapcsolódnak a különböző bővítőkártyák (a PC-hez kapcsolható perifériák bővítésére) Ezek a kártyák a PCI proc.független buszra csatlakoznak A mai modern gépeken a perifériacsatlakozók egy részét az alaplapra integrálták Az alaplapon található a PC elindításához szükséges ROM is Régebben: BIOS-chip, most: flashmemória (csak az op. rdsz. betöltését indítja el) 23
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés (folyt.) Processzor Memória Az első IBM PC-ben: Intel Corporation 8088-as processzora (1979), ez az 1978-as 8086-os processzor egyszerűsített változata A fejlesztésnél kiemelkedően fontos volt a kompatibilitás megőrzése, ezért a későbbi gépek is a 8086 proc.család tagjaira (286, 386, 486, Pentium stb.; összefoglaló nevükön az x86 architektúrájú proc.okra) épültek Nemcsak az Intel gyárt x86 architektúrájú processzort. Kisebb-nagyobb konkurens cégek (voltak): AMD, VIA, Transmeta, Cyrix. Egy tipikus modern x86 architektúrájú asztali PC-be szánt processzor 64 bites (x86-64 architektúra, azaz: regisztereinek mérete 64 bit), 2 3 GHz frekvenciájú órajelen működik, és az ismertetett technikai megoldások szinte mindegyikét alkalmazza 20 30 fokozatú pipeline, szuperskalár-működés, out-of-order utasítás-végrehajtás, vektorutasításkészlet stb. Az IBM PC-kben (mint a legtöbb általános célú szg.ben) az SDRAM-ot használják operatív tárként Több, egymással nem kompatibilis típus ( evolúció ), az alapvető működési elv változatlan Napjainkban leginkább DDR2 és DDR3 SDRAM memóriákkal találkozhatunk a gépekben (DDR Double Data Rate, kétszeres adatátviteli sebesség) Különböző formátumú modulok az asztali gépekben és a laptopokban *(ez utóbbi: SO-DIMM (Small Outline Dual In-line Memory Module) DDR RAM) 24
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés (folyt.) Memória (folyt.) Megkülönböztethetőség érdekében: a csatlakozó felület kiképzését megváltoztatták (szakadási helyek) Háttértárak A legalapvetőbb: merevlemezes egység, HDD (Hard Disk Drive), adathordozója a merevlemez, a HD (Hard Disk) Klasszikusan: mágneses elven Működés: egy mágnesező/indukciós részt tartalmazó egység (író/olvasó fej) írja fel/olvassa le a kódokat egy kör alakú gyorsan forgó lemez mágnesezhető felületére/felületéről Egy lemezmeghajtón több, egy tengelyre, egymás fölé szerelt lemez is lehet, általában mindegyikhez két író/olvasó fej tartozik Adatok logikai tárolása: koncentrikus körök (sávok, track-ek) mentén, a sávok szektorokból állnak (egymás alatt lévő sávok: cilinderek) Az író/olvasó fejeket egy mozgatható karrendszerre szerelik, ezáltal érhetők el a sávok Egy szektor tartalma egy művelettel írható/olvasható (volt), de a mai HDD-k már több szektort tudnak együtt kezelni Egy szektor mérete: az első HDD-kben általában 256 bájt, manapság 512 bájt A winchester kapacitása eleinte: néhány 10 MB; napjainkban: több TB Az átvitel gyorsítására itt is alkalmaznak cache-t, amit a vezérlő elektronikával és a csatolófelülettel együtt a merevlemez-meghajtóba építenek A merevlemezen tárolt kódok logikai egységeket alkotnak, fájlok és fájlrendszer (op. rdsz-ek) 25
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés/háttértárak (folyt.) *HDD-k csatlakoztatása: legújabban SCSI (Small Computer System Interface) busz, korábban SATA (Serial Advanced Technology Attachment) busz (soros átvitellel) A merevlemez-meghajtók általában a szg. belső egységei, de léteznek külső HDD-k is A HDD különösen érzékeny a külső behatásokra, tönkremehet! Fájljainkról mindig, a merevlemezről pedig időnként készítsünk biztonsági másolatot Léteznek segédprogramok a meghibásodás-jelzések figyelésére és a biztonsági mentés (automatikus) elkészítésére Legújabb fejlesztések: flashmemóriás háttértárak (egyik fajtájuk a külső egységként használható pen drive) Ezek teljesen elektronikus működésű SSD (Solid-State Drive, szilárdtest meghajtó) tárolók Csak korlátozott számú újraírást viselnek el, ezért kiegészítő áramkörök gondoskodnak a cellák egyforma terheléséről és a hibás cellák helyettesítéséről Általában SATA-buszra csatlakoztathatók, de készülnek USB-re csatl.ható SSD-k is Előny (a HDD-khez képest): mozgó alkatrészt nem tartalmaznak, kezelésükhöz nem kell külön meghajtó egység Vezérlőjük a memóriával egy egységet alkot Hátrány: kevésbé megbízhatók, jóval hamarabb tönkremennek, mint a HDD-k 26
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés/háttértárak (folyt.) Optikai elven működő tárolóegységek Archiválásra, nagymennyiségű kód/adat megőrzésére alkalmasak Típusai (meghajtók és lemezek): CD (Compact Disc, kompaktlemez), DVD (Digital Versatile Disc, digitális sokoldalú lemez), BD (Blu-Ray Disc, kék sugár lemez, a Blu az angol blue szóból) A meghajtók az adathordozó-lemezek írására és olvasására egyaránt képesek A lemezek rétegezett szerkezetűek, az adathordozó egy fényvisszaverő képességű vékony fémréteg (lehet több ilyen is), amin létrehozott gödrök (pit) és púpok (bump) jelenítik meg a tárolandó kódokat (fényáteresztő, fémréteg, lakkréteg, címke) Leolvasás: lézersugárral átvilágítjuk a (fényáteresztő) lemezt, a sugár visszaverődik a felette lévő tükröződő felületről (a gödrök és púpok helyén a visszavert fény intenzitása más és más lesz). A különbséget érzékeli egy detektor, amelynek kimenetéből erősítés és hibajavítás után megkapható a tárolt kód. Az adatok elhelyezkedése: spirális pálya mentén A tárolható kód/adatmennyiség függ a tároló rétegen lévő púpok, gödrök sűrűségétől, ill. a lemez adathordozó rétegeinek számától 27
Személyi számítógépek PC-k Fizikai felépítés (folyt.) Háttértárak/optikai elven működő tárolóegységek (folyt.) Tipikus tárolási kapacitások egyoldalas, egyrétegű 12 cm átmérőjű lemezek esetében Az optikai tárolók valódi háttértárként való alkalmazása (még) nem elterjedt, mivel a meghajtók lassúak (elsősorban az írás tart sokáig), és adathordozóik sem mindig újraírhatók Általában nagy tömegű statikus adat(kód) tárolásakor használjuk őket Tipikus elérési idők (nagyságrendek) Regiszter: 10 9 sec (nanosec) Memória: 15 150 nanosec Cache mem.: 3 10 nanosec (többszintű) Perifériák (háttértárak): néhányszor 10 3 sec (millisec) 28
Személyi számítógépek PC-k Gépünk teljesítményadatai (CPU-z program, lásd még: mérnök hallgatók gyakorlati anyagai, C100) Kiolvasni: Processzor frekvencia, típus Magok száma (Cache méretek) Memória mérete, típusa 29
Személyi számítógépek PC-k Információk gépünk részegységeiről (eszköz + driver) 30
Ha még további kérdéseink vannak Külön köszönet: Pukler A. és Lovas Sz. kollégáimnak 31
Zh kérdés minták Generációk, Neumann-elvek 32