Számítógép-modellek Logikai modell A számítógépek hardverjellemzői Dr. Kallós Gábor Információ feldolgozás szerint: input-process-output Input: adatok bevitele a számítógépbe Billentyűzet, egér, lapolvasó (szkenner) Process (feldolgozás): műveletvégzés a számítógépben tárolt adatokon, memória Output: a feldolgozás eredményének megjelenítése a felhasználható által értelmezhető formában Monitor, nyomtató, fax A feldolgozáshoz kapcsolódik még az adatok átmeneti és hosszú távú tárolása (adattárolók) Merevlemez, optikai lemez, hajlékony lemezek, mágneskazetta Felépítés szerint: hardver-szoftver (megvalósítás: mikroprocesszor) + memória, perifériák Operációs rendszer, alkalmazói szoftverek 2009-2010. 2 Számítógép-modellek A számítógép felépítése Funkcionális modell + memória, I/O interfész, perifériák (I/O eszközök) Minimális konfiguráció Főként személyi számítógépekre nézzük, elsősorban IBM PC gépcsalád Számítógépház (néha nem különíthető el), benne: Alaplap (rajta: mikroprocesszor, ROM, RAM, vezérlőkártyák) Tápegység Winchester, (Floppy), CD Monitor, billentyűzet, egér (+nyomtató) 3 4 A számítógép felépítése: a Memória Központi feldolgozó egység (Central Processing Unit), részei: ALU (Arithmetic/Logic Unit, Aritmetikai/logikai egység) Számítási és összehasonlító műveleteket hajt végre a tárolt adatokon, a regisztereket módosítja CU (Control Unit, Vezérlő egység) Beolvassa a program utasításait a memóriából, parancsokat ad az ALU-nak Regiszterek Kis (néhány bájt) kapacitású, nagyon gyors tárolóhelyek a -n belül, számítások részeredményeinek a tárolására, ill. a működés irányítására Általános célú regiszterek Speciális célú regiszterek Program számláló (PC) Utasítás regiszter (IR) Memória cím regiszter (MAR) Memória adat regiszter (MDR) Állapot regiszter (SR) Gyors műveletek (binárisan) Összeadás, kivonás Eltolás, forgatás Elsődleges nagy kapacitású tároló komponens (operatív tár) Logikailag nagyon közel van a processzorhoz Rekeszekből áll, minden rekesz egyedi címmel rendelkezik A memória méretét behatárolja: A rekeszek mérete (8-tól akár 128 bitig) A megcímezhető memóriarekeszek száma (a MAR bitjeinek a száma) A utasítások operandus részéhez rendelt bitek száma A programok végrehajtási sebessége erősen függ attól, hogy mennyi memória áll rendelkezésre Sok adatot feldolgozó program futtatásakor kevés memória esetén a processzornak tétlenül kell várakoznia arra, hogy az adatok a memóriába töltődjenek, akár 50%-kal is nőhet a futási idő Tipikus memóriaméretek mostanában: 4-16 Gigabájt 5 6 1
Memóriatípusok: RAM (Random Access Memory, véletlen elérésű memória) Írható és olvasható memória A feszültség kikapcsolásakor elvész a benne tárolt tartalom DRAM (Dinamikus RAM) Ez a legáltalánosabban használt memóriatípus, olcsó Mp-enként kb. 1000-szer újra kell írni az aktuálisan tárolt adatokkal SRAM (Statikus RAM) Gyorsabb adatelérés, mint a DRAM-nál, de lényegesen drágább Jellemzően a gyorsító tárakban (cache) alkalmazzák ROM (Read Only Memory, csak olvasható memória) Stabil tároló, a benne tárolt tartalom a gép kikapcsolása után is megmarad A legkorábbi és még ma is használt legolcsóbb változatok tartalma később nem változtatható meg Ha tartalma mégis írható, akkor az olvasási sebességhez képest csak (nagyon) lassan PROM (Programozható ROM) Használata során egyszer programozható, de a folyamat visszafordíthatatlan (elavult) EPROM (Törölhető és programozható ROM) A törlés általában ultraibolya fénnyel hajtható végre (elavult) EEPROM (Elektronikusan törölhető és programozható ROM) Írásuk lassúbb, mint a RAM-oké (régebben: nagyságrendekkel, most: még mindig jóval lassúbb, de már gyorsul ) Ide tartozik (speciális esetként) a mostanában leginkább használatos flash memória is (pl. usb csatolású pendrive, de digitális fotógépekben is ezt találjuk) Szintén modern speciális eset: SSD (Solid State Drive), flash memóriás, félvezetőkkel megvalósított mozgó alkatrészek nélküli tároló, amely (külső) winchesterként csatlakoztatható a számítógéphez (általában laptopokban alkalmazzák) 7 Sín (bus) rendszer A működéséhez szükséges az egyes komponensek között adatokat mozgatni A páronkénti összeköttetés nem hatékony megoldás, ezért síneket használnak A sín elektromos jeleket továbbító vezetékek csoportja, négy típusú jelet továbbít Adat jelek (pl. számok, karakterek, utasítások kódja) Cím jelek (pl. memória rekeszek címe) Vezérlő jelek (a sínen történő adatforgalmat szabályozó jelek) Tápellátást biztosító jelek A működés szempontjából legfontosabb bus a processzort köti össze a memóriával A bus-ok típusai: Egy-egy kapcsolatot megvalósító Többpontos kapcsolatot megvalósító (broadcast bus) Egyéb fontos bus jellemzők: Adatátviteli kapacitás (az egységnyi idő alatt átvihető adatok mennyisége) Adat-bus szélessége (az egyszerre átvihető adatok szélessége bitekben) Bus vezeték maximális hossza 8 Példa: két szám összeadása egy egyszerű számítógép-modellben A tárolókban sorban benne vannak az utasítások Utasítás típusok: 1xx összeadás, 2xx kivonás, 3xx tárolás, 5xx betöltés, 901 beolvasás, 902 kiírás, 000 leállás Tároló címkéje 00 01 02 03 04 05 99 Gépi kód 901 399 901 199 902 000 000 utasítások Assembly kód IN STO 99 IN ADD 99 OUT COB DAT 00 Utasítás leírása ;Első szám beolvasása ;Szám tárolása ;Második szám beolvasása ;Két szám összeadása ;Eredmény kiírása ;Leállás ;Adat rekesz a szám tárolására 9 Modern megoldások a és a memória hatékony működésének megvalósítására CISC és RISC architektúrák CISC (Complex Instruction Set Computer, Összetett utasítás készletű számítógép), különböző hosszúságú utasítások Rosszul párhuzamosítható, lassú szubrutinhívások RISC (Reduced, Csökkentett ), az utasítások felépítése és hossza azonos, a CISC-hez képest egyszerű utasításkészlet A leggyakrabban használt utasításokat hagyták meg, végrehajtásuk nagyon gyors A bonyolultabb utasításokat szoftveres úton állítják elő az egyszerűbbekből Egy feladat a CISC-hez képest általában több lépésben hajtható végre Pipeline feldolgozás lehetősége (az utasítások átlapoltan futhatnak) Párhuzamos végrehajtásra alkalmas megoldások VLIW, EPIC (Very Long Instruction Word, Explicitly Parallel Instruction Computer) Pipeline feldolgozás Cache memóriák Gyorsítótár, a és a memória közé épülő tároló, a memória egy részének tartalmát tükrözi, duplikálja, címkéken keresztül érhető el Összefésült memória Egymás utáni sok memória elérés felgyorsítására, a processzor több MAR és MDR regisztert használ párhuzamosan 10 Az Intel processzorok fejlődése IBM, Hewlett Packard, Olivetti stb. gépekben Többprocesszoros számítógépek Processzor típusa 8088 (első PC-k) (50 kflops) 80286 80386 80486 Pentium (586-os PC) Pentium Pro Pentium II Pentium III (1 GFLOPS felett) Pentium 4 és Xeon (2000) Pentium M Pentium D Core 2 Duo és Dual-Core Xeon Dual-Core Itanium 2 Quad-Core Xeon és Core 2 Quad (50-60 GFLOPS) Bev. éve 1979 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000 2002 2005 2006 2006 2007 Tranzisztorok sz. 30 000 130 000 275 000 1 200 000 3 100 000 5 500 000 7 500 000 9 500 000 42 000 000 55 000 000 291 000 000 291 000 000 1 720 000 000 582 000 000 Órajel 5 MHz 6 MHz 16 MHz 25 MHz 66 MHz 200 MHz 300 MHz 500 MHz 1,5 GHz 1,7 GHz 3,2 GHz 2,93 GHz 1,66 GHz 2,66 GHz A teljesítmény növelésének egyik fontos lehetősége a miniatürizálás mellett a szálak ill. programok (valódi) párhuzamos futtatása Ennek az elvnek a megvalósítására az egyik korai technológia a szimmetrikus multifeldolgozás (Symmetric Multiprocessing, SMP ) volt, ahol kettő vagy több azonos teljesítményű proci csatlakozhat a közös memóriára (tdk. multiprocesszor, 1980-as évek) Ez az architektúra viszonylag kevés proci esetén működik csak jól (pl. 8, 16), a procik számának gyors növekedésével a memória elérésével kapcsolatos problémák (memóriaverseny) miatt már nem használható Több száz ill. ezer proci beépítését fejlettebb megoldásokkal érték el: nem-uniformizált memória hozzáférés (Non-Uniform Memory Access, NUMA ) ill. osztott közös memória (Distributed Shared Memory, DSM) (1990-es évektől) 80486-ig CISC, Pentiumtól felfelé RISC 11 12 2
Többmagos (multi-core) processzorok Kezdetben a multiprocesszoros architektúrákat úgy készítették el, hogy különálló -kat használtak (megfelelő összeköttetésekkel) Később merült fel az ötlet, hogy több procit is el lehet helyezni (összeköttetésekkel) egyetlen chip-en, ezt a technológiát nevezzük többmagos mikroprocesszornak A többmagos processzorok vázlatos felépítése (kicsit leegyszerűsítve): a magokhoz saját cache memóriák kapcsolódnak, ehhez busz- és memóriavezérlő, továbbá közös (másodszintű) cache memória A cache memória nagyon drága, és a címzés miatt nehéz a procihoz közel helyezni, ez szab határt az alkalmazásuknak (néhány MB az egyébként szokásos több GB helyett) A modern PC-k sok esetben már kettő ill. négymagos procival rendelkeznek 13 Az Intel 2005-ben publikált termékfejlesztési terve 14 Modern szuper- és nagyszámítógépek Szuperszámítógép a SZE-n Nagygépekben használt modern megoldások Blade szerver Régen: a szerver nagyméretű, torony kivitelű, általában különböző helyiségekben, saját rendszergazdával Később: kisebb méretű szerverek összekapcsolva, de saját infrastruktúrával (tápegység, monitor, billentyűzet) Mostanában: a szerverek egy házban, üzem közben is cserélhető eszközökkel (blade) Moduláris felépítés Szerverkártya tdk. független szerver, egy vagy több procit, memóriát, lemezeket és hálózati vezérlőket tartalmaz Opciókártya további funkciók, pl. vezérlők külső I/O eszközök eléréséhez Előnyök: támogatja a bővíthetőséget, fejlett hűtés és áramellátás, jó teljesítmény, könnyű szervizelés Infiniband ( határtalan sávszélesség, Infinite Bandwith) Új szabvány a szerverek közötti adatátvitelre A ki- és bemenő adatok két különböző egyirányú csatornán mozognak, és a csatorna párok többszörözhetők A szokásos régi hálózatban (Ethernet) tipikus átviteli értékeknél akár több százszor nagyobb sebességet tud, és skálázható (nem romlik a bővítésnél) Ma Magyarországon ez az egyik legnagyobb teljesítményű gép 1,248 TFLOP lebegőpontos számítási teljesítmény Több mint 200-szoros egy átlagos asztali személyi géphez képest HP Blade szerver 12 + 1 egyforma gép van benne, egy központi gép (head node), és 6x2 szerver (compute node) A gépekben: 3 GHz-es Intel Xeon procik A compute node-okban egyenként: 16 GB RAM, 250 GB-os SATA2 winchester (háttértár) és duál-négymagos proci (két darab négymagos chip) A 13. gép irányító funkcióval rendelkezik + még: 6 darab SAS háttértár ( csak 146 GB-os, de nagyon gyors) külön blade-ben A gépnek 6 darab tápegysége van, amelyeket a terheléstől függően kapcsolgat be 15 16 Szuperszámítógép a SZE-n Szuperszámítógép a SZE-n Működés közben (hot-swap) is cserélhető benne tdk. minden fontos alkatrész: szerverek, tápegységek, diszkek A szerver távmenedzselhető, a gépháznak saját IP címe és ezen elérhető kezelőfelülete van (pl. látjuk az aktuális fogyasztást, hőmérsékleti adatokat) Ennek a gépnek az erejét a nagyon gyors kapcsolattal összekötött, egyenként is erős szerverek adják, szemben pl. azzal a megoldással, amikor egyetlen nagy közös memórián dolgozik sok proci RedHat Linux operációs rendszer fut rajta 17 18 3
A számítógép felépítése: perifériák A perifériák csatolása Az egyes perifériák egymástól igen különböző sebességű és adatfeldolgozó kapacitású elemek, a rajtuk lebonyolított adatcsere gyakran igen bonyolult feladat Ezért nem közvetlenül, hanem vezérlőn (I/O modul vagy interfész) keresztül csatlakoznak a -hoz Ez a modul felelős az I/O műveletek végrehajtásáért az adott eszközön, főbb funkciói: Feldolgozza az általa vezérelt egységektől a hozzá érkező üzeneteket, és fogadja a -tól az I/O kezelő parancsokat A memóriából származó adatokat a pufferében átmenetileg tárolja, amíg azokat az I/O eszköz fel nem dolgozza Fizikailag vezérli az I/O eszközök működését I/O bus-ok Az I/O eszközök egy része közvetlenül a -t és a memóriát összekapcsoló rendszerbuszra köthető Más esetekben a rendszer bus-ra valamilyen köztes eszközt kell csatlakoztatni (bus interfész vagy bridge), ez teszi lehetővé az adatátvitelt Széles körben alkalmazott bus szabványok: SCSI (Small Computer System Interface), USB (Universal Serial Bus) 19 A perifériák típusai Háttértárak Floppymeghajtó (3,5, 1,44 MB) (elavult) Winchester (mostanában: 50-100 GB-) Cserélhető háttértárak (1 GB-) Logikailag: EEPROM, benne flash CD, olvasó és író (5,25, 700 MB) DVD (4,7 GB-) Monitor Nyomtató, rajzgép Billentyűzet Egér Levilágító, szkenner (Modem) 20 A mágneslemezes háttértár működése Mágnesezhető anyag az információ tárolására Hajlékony (floppy) és merev (winchester) lemezes egység Egy vagy több lemez, a lemeznek egy vagy mindkét oldala használható Olvasás/írás: A fej közelében nagy sebességgel halad el a mágnesezett felület Bájtok csoportjait (ún. adat blokkokat) tárolunk, írunk, olvasunk Sáv és szektor (512, 1024 vagy 2048 bájt) Mivel a forgási sebesség azonos, ezért a külső sávokon ritkábban helyezkednek el a bitek A winchesterek adatelérése gyors (pár mikrosec), a szerkezet tokozott Az optikai tárolók működése Az információt a lemez alsó oldala hordozza Karcolásra, zsírra, piszokra érzékeny Audio- és adat-cd, DVD olvasása és írása lehetséges írás: az erős lézerfény a vékony fémrétegben mélyedéseket hoz létre a kódolt információnak megfelelően Olvasás: a forgó lemez fémrétegéről a ferdén rávetített lézersugár visszaverődik, a fényérzékeny szenzor méri, hogy kiemelkedésről vagy mélyedésről történik a visszaverődés Kezdetben 150 KB/sec volt az átviteli sebesség (1x), ma pl. 48x-os olvasás és 10x-es írás a tipikus Házilagos írás kb. 50 példányig gazdaságos, afelett nagyüzemi gyártás célszerű Ilyenkor az alapos tesztelés után egy mesterlemezt készítenek, majd erről egy negatív másolatot, és utána ez alapján történik a sokszorosítás 21 22 Katódsugárcsöves monitor A legrégebben használt számítógépes megjelenítők, lassan kiszorulnak a piacról Eleinte fekete-fehér megjelenítés volt, ma már (természetesen) nagyfelbontású színes képet adnak A működési elv a televízióhoz hasonló: A monitor egy katódsugárcsőből és az ezt vezérlő elektronikából áll. A katódsugárcsőben van egy elektronforrás, amelyből elektronnyalábot állítunk elő. A nyalábot elektromágneses tér segítségével pontosan tudjuk irányítani, ill. igen gyorsan mozgatni, valamint az erősségét szabályozni. A kép a képernyőre vékonyan felvitt fluoreszcens anyag segítségével áll elő, az elektronnyaláb felvillantja a képpontokat A színes megjelenítőknél három elektronnyaláb van, ezek három különböző képpontot villantanak fel (piros, zöld és kék) Az elektronsugár igen gyorsan végigpásztázza a képernyőt, így az egymás után kirajzolt képpontokat a szemünk egy képnek érzékeli A képpontok nem világítanak folyamatosan! (passzív megjelenítés) Alacsony (60 Hz vagy alatta) frissítési frekvencia estén a vibrálás fárasztja a szemet Szemléltetés: 23 24 4
LCD monitor Folyadékkristályos eszközök, aktív megjelenítők, minden képpont folyamatosan világít Működési elv: A folyadékkristály részben fényáteresztő anyag, és elforgatja a rajta áthaladó fény polaritását. A forgatás mértéke elektromos feszültség hatására megváltozik. A polárszűrő által elnyelt fénymennyiség arányos a polarizált fény és a polárszűrő polaritása által bezárt szöggel. Fizikai felépítés: Világító háttér lap 1. polárszűrő folyadékkristály cellák színszűrő (színes monitornál) 2. polárszűrő műanyag vagy üveg lap (védelmi célból) A folyadékkristály paneljében mindegyik képponthoz tartozó feszültség külön beállítható A színszűrő piros-kék-zöld keveréssel állítja elő a színes képpontokat A kép végül a 2. polárszűrőn rajzolódik ki Nyomtatók Mátrixnyomtató Egymás alatt elhelyezkedő tűk nyomják a festékszalagot a papírra Már elavult technológia, de bérszámfejtéshez, számlanyomtatáshoz használják még ma is Tintasugaras nyomtató (360-720-1440 dpi) A fej (fúvóka) pontsoronként lövi a papírra az apró tintapettyeket az elektronika által kiszámolt helyeken Pl. a HP-nél hőelem melegíti fel a tintát, amelyben így gázrobbanás keletkezik, és ez repíti ki a tintacseppet Viszonylag olcsók, de az üzemeltetési költség magas (drága a papír és a festék) 25 26 Lézernyomtató (600 dpi vagy jobb minőség) Az elektronika által kiszámolt pontsort egy lézersugár rajzolja a előzőleg elektronikusan feltöltött szelénhengerre sorról-sorra. A lézer semlegesíti a szelénhenger töltését az érintett helyeken, és így kirajzolódik a látens kép. A henger egy ugyancsak elektromosan töltött festékport tartalmazó tartály elé fordul, és a semlegesített helyeken festék tapad rá. Ezután a henger a papírra fordulva ráviszi a festéket, majd a festékport magas hőmérsékleten fixálják. Az üzemeltetési költség viszonylag alacsony Korábban nagyon drágák voltak, de a különbség mostanában már nem nagy (a tintasugarasokhoz képest) Plotter (rajzgép) A számítógép által előállított vonalas rajzok (tervek, műszaki rajzok) megjelenítésére szolgál A gép valódi tollal rajzol, mintha egy robotkar mozgatná a tollat a papír felett, színes ábrák is készíthetők Szöveget is tud nyomtatni, van benne beépített karaktertábla Dobplotter: vízszintes tengelyű henger, amely felett a toll a tengely irányában mozgatható, a papír pedig erre keresztben mozog, akár előre-hátra Síkplotter: a papír mozdulatlan, a toll viszont két egymásra merőleges irányban mozgatható Újabban a dobplotterek mintájára poszter méretű tintasugaras nyomtatókat is készítenek már 27 28 Billentyűzet Egér Angol és magyar, 81-86 vagy 101-106 gombos, eredetileg az írógépek alapján Ma már nagyjából szabványos, de apró eltérések lehetnek Nemzeti billentyűzetek Fontos, hogy ismerjük és használjuk a gépelést és programkezelést gyorsító speciális billentyűket! Tab, Home, End, Ins, PgUp, PgDn stb. A 2. legfontosabb beviteli eszköz A grafikus programok igénylik azt, hogy a képernyő valamely pontjára rá tudjunk mutatni Forgó golyó + nyomógombok (változat: laptop egér) A golyó forgása a görgők segítségével elektromos jelekké alakul át Másik fejlesztési irány: optikai egér Kezdetben: fénykibocsátó dióda, csak speciális hálós egérpadon lehetett használni Most: mozgásérzékelő szenzor és képelemző chip, nem kell már speciális egérpad Várható, hogy hamarosan a wireless egerek is elterjednek 29 30 5
Szkenner Szkenner (scanner) beviteli eszköz, a képeket digitális jelsorozattá alakítja át Ezt a jelsorozatot egy, a szkennerhez tartozó szoftver alakítja tovább valamely szabványos adatformátumúra A szkennerek csoportosítása: Kézi szkenner komolyabb feladatokra nem alkalmas, pl. vonalkód leolvasónak használják Asztali vagy lapszkenner nagyjából úgy néz ki, mint egy fénymásoló, irodai feladatokra Dobszkenner igényes grafikai alkalmazásokra Nyomdai szkennerek A szkennerek fontosabb jellemzői: Tárgyméret asztali szkennernél pl. A/4-es Felbontás irodai feladatoknál jellemzően 300-1200 dpi, de nyomdai szkennernél 6000-8000 dpi is lehet A bevinni szándékozott kép lehet ránézeti (fotó) vagy átnézeti (dia), ez utóbbihoz a szkenner típusától függően diafeltét is szükséges lehet Működés: A szkenner erős fénnyel megvilágítja a letapogatandó tárgyat A képbeolvasás legfontosabb eleme a CCD (Charge Coupled Device), egy töltéscsatolt félvezető eszköz, amely méri a visszatükrözött fényt, és ennek arányában feszültséget generál A vízszintes felbontást a CCD-k sűrűsége adja (jellemzően 300-600-1200-2400 dpi), a függőleges felbontás a léptetésből adódik (hasonló értékek) A fizikai felbontás szoftveres úton a többszörösére növelhető A színes szkennerek általában RGB színmodellt használnak A bevitt szöveget képként kezeli a rendszer, az újbóli szöveggé alakításhoz optikai szövegfelismerő (Optical Character Recognition, OCR) programok szükségesek Az egyik legsikeresebb ilyen a magyar fejlesztésű Recognita 31 32 6