Osnova (1)

PV094 – Technické vybavení
počítačů

•
•
•
•
•

RNDr. Jaroslav PELIKÁN, Ph.D.

Základní pojmy
Historie počítačů
Architektura PC s periferiemi
Základní deska počítače
Procesory:
– procesory Intel (Desktop processors)

• Vnitřní paměti:

katedra počítačových systémů a komunikací
Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
Botanická 68a, 602 00 BRNO

– technologická realizace jednotlivých typů
pamětí
– paměti DRAM, FPM DRAM, EDO DRAM,
SDRAM, DDR SDRAM, RDRAM
– cache paměti (asociativní paměti)

kanc.: A209,  : +420 – 549 495 751
E-mail: pelikan@fi.muni.cz
http://www.fi.muni.cz/usr/pelikan

16/09/2014

Osnova (2)

Osnova (3)

• Rozšiřující sběrnice:

• Rozhraní pevných disků:

– sběrnice PC Bus, ISA, MCA, EISA, VL-Bus,
PCI, PCI-X, PCI Express

– rozhraní ATA (EIDE), Serial ATA, SCSI, SAS

• Grafické karty:

• Vnější paměti:

– grafické karty SVGA
– 3D akcelerátory
– port A.G.P.

– rozdělení materiálů podle magnetické vodivosti, vznik hysterézní smyčky
– pružné disky
– pevné disky

• I/O karty:
– komunikace pomocí sériového portu
– režimy paralelního portu (Normal, EPP, ECP)

• Modulace dat při záznamu na pevné disky:
– modulace FM, MFM, 2,7 RLL, ...
16/09/2014

3

16/09/2014

4

Osnova (5)

Osnova (4)
•
•
•
•
•
•

• Zvukové karty:
– záznam zvuku (vzorkování)
– reprodukce zvuku
– syntéza zvuku (FM, Wave)

• Reproduktorové soustavy
• Síťové karty
• Monitory:

Plasmové displeje
LED displeje
Klávesnice, polohovací zařízení
PCMCIA, PC Cards, CardBus, ExpressCard
Sběrnice USB a FireWire/IEEE 1394
Další vnější paměťová média:
– magnetické pásky (QIC, DAT)
– magnetické disky (SyQuest, Floptical, LS120,
Bernoulli, ZIP, Click!, JAZ, Castlewood Orb)
– optické disky (CD-ROM, DVD, BD)

– princip barevné obrazovky
– typy barevných obrazovek

• LCD panely
16/09/2014

2

5

16/09/2014

6

1

Literatura

Osnova (6)

• Pelikán, Jaroslav: Prezentace k přednáškám z předmětu
PV094 Technické vybavení počítačů
http://www.fi.muni.cz/usr/pelikan
• Meyer, Mike: Osobní počítač, Computer Press 2013
• Dembowski, Klaus: Mistrovství v HARDWARE,
Computer Press 2009
• Horák, Jaroslav: Hardware – Učebnice pro pokročilé,
Computer Press 2007
• Messmer, Hans-Peter – Dembowski, Klaus: Velká kniha
hardware, Computer Press 2005
• Mueller, Scott: Osobní počítač, Computer Press 2003
• Minasi, Mark: Velký průvodce hardwarem PC, Praha:
Grada 2002

• Tiskárny:
–
–
–
–

jehličkové tiskárny
tepelné tiskárny
inkoustové tiskárny
laserové tiskárny

• Scannery
• Přehled dalších zařízení
• Zkouška
16/09/2014

7

16/09/2014

Základní pojmy (2)

Základní pojmy (1)

• Program:

• Počítač:

– algoritmus zapsaný v programovacím jazyce,
který řeší nějaký konkrétní úkol
– na úrovni technického vybavení počítače se
jedná o posloupnost instrukcí

– stroj na zpracování informací

• Informace:
– data, která se strojově zpracovávají
– vše, co nám nebo něčemu podává (popř. předává) zprávu o věcech nebo událostech, které se
staly nebo které nastanou

• Instrukce:
– předpis k provedení nějaké (většinou jednoduché) činnosti realizovatelný přímo technickým
vybavením počítače
– např.: přičtení jedničky, uložení hodnoty do
paměti apod.

• Data:
– údaje, hodnoty, čísla, znaky, symboly, grafy, ...
16/09/2014

9

16/09/2014

10

Základní pojmy (4)

Základní pojmy (3)

• Firmware:

• Hardware (technické vybavení počítače):

– programové vybavení, které tvoří součást technického vybavení
– až na jisté výjimky nemůže být uživatelem modifikováno

– souhrnný název pro veškerá fyzická zařízení,
kterými je počítač vybaven

• Software (programové vybavení počítače):

• Řadič (controller):

– souhrnný název pro veškeré programy, které
mohou na počítači pracovat
– software je možné rozdělit do dvou skupin:

– zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost signálů ovládajících připojené zařízení
– jedná se tedy o zařízení, které řídí činnost jiného zařízení

 systémový software
 aplikační software
16/09/2014

8

11

16/09/2014

12

2

Základní pojmy (6)

Základní pojmy (5)
• Sběrnice (bus):
– soustava vodičů, která umožňuje přenos signálů
mezi jednotlivými částmi počítače
– pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé
části počítače komunikují a přenášejí data

• Integrovaný obvod:
– elektronická součástka realizující určité množství obvodových prvků neoddělitelně spojených
na povrchu nebo uvnitř určitého spojitého tělesa, aby se dosáhlo ucelené funkce elektronického obvodu
16/09/2014

13

• Vstupní/výstupní zařízení (I/O devices –
Input/Output):
– zařízení určená pro vstup i výstup dat
– např.:
 disky (pevné, pružné)
 páskové mechaniky

• BIOS (ROM BIOS) (Basic Input Output
System):
– programové vybavení uložené v paměti ROM
(EPROM, EEPROM, Flash) zajišťující nejzákladnější funkce (např. zavedení OS)
16/09/2014

Jednotky informace (1)

14

Jednotky informace (2)

• bit: 1 bit (binary digit – dvojková číslice):

• Word:

– základní jednotka informace
– poskytuje množství informace potřebné k rozhodnutí mezi dvěma možnostmi
– jednotka bit se označuje b
– může nabývat pouze dvou hodnot – 0, 1

– jednotka informace
– platí 1 W = 2 B = 16 b

• Poznámka:
– kromě této jednotky se také někdy užívá ještě
1 doubleword (DW)
– platí 1 DW = 2 W = 4 B = 32 b

• Byte:
– jednotka informace, která se označuje B
– platí 1 B = 8 b
16/09/2014

15

16/09/2014

Paměť (1)

Paměť (2)

• Paměť:
– zařízení, které slouží pro uchování informací
(konkrétně binárně kódovaných dat)
– množství informací, které je možné do paměti
uložit, se nazývá kapacita paměti a udává se
v bytech
– protože byte je poměrně malá jednotka, používá
se často následujících předpon

16/09/2014

16

17

Předpona Značka Zápis
kilo
k, K
1 kB
mega
M
1 MB
giga
G
1 GB
tera
T
1 TB

16/09/2014

Mocnina (B)
Převod (B)
210 B
1024 B
220 B
1048576 B
30
2 B
1073741824 B
240 B
1099511627776 B

18

3

Paměť (4)

Paměť (3)
• Paměť bývá rozdělena na buňky určité velikosti, z nichž každá je jednoznačně identifikována svým číslem. Toto číslo se nazývá
adresa paměti a velikost takovéto buňky,
která má svou vlastní adresu, se označuje
jako nejmenší adresovatelná jednotka.
Paměti je možné rozdělit do následujících
základních skupin:
16/09/2014

19

Paměť (5)

 Vnitřní (operační): paměť sloužící pro uchování
momentálně zpracovávaných dat a programů.
Realizovaná většinou pomocí polovodičových
součástek.
 Vnější (periferní): paměť sloužící k dlouhodobějšímu uchování dat. Realizovaná většinou na
principu magnetického (popř. optického)
záznamu dat. Ve srovnání s operační pamětí
bývá přístup k jejím datům pomalejší.
 RAM: paměť určená ke čtení i zápisu dat
 ROM: paměť určená pouze ke čtení dat
16/09/2014

20

Von Neumannovo schéma (1)

 Paměť s přímým přístupem: paměť, která dovoluje přistoupit okamžitě k místu s libovolnou
adresou
 Paměť se sekvenčním přístupem: paměť, u které
je nutné při přístupu k místu s adresou n nejdříve postupně přečíst všechna předcházející místa
(0 až n – 1)

Operační paměť
Vstupní zařízení

ALU

Výstupní zařízení

Řadič

 Registr:
Tok dat
Řídící signály řadiče
Stavová hlášení řadiči

 velmi rychlé paměťové místo malé kapacity
(jednotky bytů) umístěné většinou uvnitř procesoru počítače
16/09/2014

21

16/09/2014

Historie počítačů (1)

Von Neumannovo schéma (2)
Gen.
0.
1.
2.
3.
31/2.
4.

• John von Neumann (1945)
• ALU (Arithmetic-Logical Unit):
– obsahuje sčítačky, násobičky a komparátory

• Procesor = ALU + řadič
• CPU (Central Processor Unit)

Rok
Konfigurace
Rychlost (op/s) Součástky
1940 Velký poč. skříní
Jednotky
Relé
1950
Desítky skříní
100 – 1000
Elektronky
1958
Do 10 skříní
Tisíce
Tranzistory
1964
Do 5 skříní
Desetitisíce
IO
1972
1 skříň
Statisíce
IO (LSI)
1981
1 skříň
Desítky milionů IO (VLSI)

Ozn.
Anglický název
SSI
Small Scale Integration
MSI
Middle Scale Integration
LSI
Large Scale Integration
VLSI Very Large Scale Integration

– Procesor + operační paměť

16/09/2014

22

23

16/09/2014

Počet logických členů
10
10 – 100
1000 – 10000
100000 a více
24

4

Historie počítačů (2)

Historie počítačů (3)

• 1. generace:

• 2. generace:

–
–
–
–
–

vybudovány podle von Neumannova schématu
je pro ně charakteristický diskrétní režim
neexistují vyšší programovací jazyky
neexistují operační systémy
používají se především pro vědeckotechnické
výpočty
– ENIAC I, MARK-I, UNIVAC I, BECM
16/09/2014

– je pro ně charakteristický dávkový režim práce
– vznikají první operační systémy
– vznikají vyšší programovací jazyky (Fortran,
Cobol, Algol)
– používají se pro vědeckotechnické výpočty
a hromadné zpracování dat
– UNIVAC, IBM 1401, URAL 1
25

16/09/2014

26

Technologie výroby
integrovaných obvodů (1)

Historie počítačů (4)
• 3. generace:

• TTL (Transistor Transistor Logic):
– rychlá, ale drahá technologie
– základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor (NPN, PNP)
– nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie
a z toho vyplývající velké zahřívání se takovýchto obvodů

– začíná se objevovat paralelní zpracování
programů
– zdokonalují se operační systémy
– vznikají další vyšší programovací jazyky
(SIMULA, PL/1, C, Pascal, Prolog)
– IBM 360, UNIVAC, SIEMENS,
BURROUGHS, CDC

Kolektor
Báze
NPN

PNP
Emitor

16/09/2014

27

Emitor

16/09/2014

Technologie výroby
integrovaných obvodů (2)

28

Technologie výroby
integrovaných obvodů (3)

• Invertor v technologii TTL:

• PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor):
– technologie používající unipolární tranzistor
MOS s pozitivním vodivostním kanálem
– MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem
a nikoliv elektrickým proudem jako u technologie TTL
– redukuje nároky na spotřebu elektrické energie
– jedná se o pomalou a dnes nepoužívanou technologii

U = +5V
R
y=x
x

16/09/2014

Kolektor
Báze

29

16/09/2014

30

5

Technologie výroby
integrovaných obvodů (5)

Technologie výroby
integrovaných obvodů (4)
• NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor):
– technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním
vodivostním kanálem
– používala se zhruba do začátku 80. let
– levnější a efektivnější technologie než TTL
a rychlejší než PMOS

• CMOS (Complementary MOS):
– technologie spojující v jednom návrhu prvky
tranzistorů PMOS i NMOS
– obvody CMOS mají malou spotřebu
– používána pro výrobu velké části dnešních
moderních integrovaných obvodů
Drain
Gate
PMOS

NMOS
Source

16/09/2014

31

Drain
Gate

Source

16/09/2014

Technologie výroby
integrovaných obvodů (6)

32

Technologie výroby
integrovaných obvodů (7)

• Invertor v technologii CMOS:

• BiCMOS (Bipolar Complementary Metal
Oxide Semiconductor):

U = 5 - 15V

– technologie spojující na jednom čipu prvky
bipolární technologie i technologie CMOS
– používána zejména firmou Intel k výrobě mikrop
rocesorů (např. Intel Pentium)

PMOS
y=x
x
NMOS

16/09/2014

33

16/09/2014

34

Základní jednotka (1)

Základní jednotka (2)

• Obsahuje zpravidla:

– rozšiřující karty, např.:
•
•
•
•
•

– základní desku (mainboard, motherboard)
a zařízení na ní integrovaná
– procesor
– numerický koprocesor
– paměť:

grafická karta
zvuková karta
faxmodemová karta
síťová karta
a jiné

– napájecí zdroj

• vnitřní (operační)
• vnější (diskové jednotky, páskové jednotky, …)

– řídící jednotky pro vnější paměti
16/09/2014

35

16/09/2014

36

6

Periferní zařízení (1)

Periferní zařízení (2)

• Klávesnice
• Zobrazovací jednotka:

• Scanner
• Externí diskové jednotky, např.:

– monitor
– LCD displej

•
•
•
•

–
–
–
–

Myš, trackball
Tiskárna
Souřadnicový zapisovač (plotter)
Modem

16/09/2014

CD-ROM, CD-R, CD-RW
DVD, BD
magnetooptické disky
ZIP, JAZZ

• Zařízení připojitelná ke zvukové kartě
(reproduktory, mikrofon, syntetizátor)
37

16/09/2014

38

7