Arhitektura računala - vuka.hrvlado/mtst2013/OI_2013_2_Arhitektura_racunala.pdf · •procesori sa više jezgri (2 – 4096) –Sve jezgre mogu biti izvedene kao samostalne, neovisne

1010

0101

Osnove informatike s primjenom računala ©2013

Arhitektura računala

1010

0101

Osnove informatike s primjenom računala ©2013 Stranica 2/45

Sadržaj

• građa osobnih računala

• centralna jedinica

• memorija

• sekundarna memorija

• ulaz/izlaz

• sabirnice i portovi

• elektronički otpad

1010

0101


Pojam računala

• s tehničkog aspekta računalo je uređaj za izvršavanje aritmetičko – logičkih operacija sa svrhom obrade, pohrane i analize podataka;

• kako bi se osigurao uspješniji rad računalo se povezuje sa ostalim elementima čime te nastaje tzv. računalni sustav;

• Računalo se sastoji se od sklopovske opreme i programske podrške

• sklopovska oprema: mehaničke, električne, elektroničke, magnetske i optičke komponente i uređaje digitalnog računalnog sustava

• sustav programske podrške: računalni programi kojima je sustav opskrbljen

1010

0101


Generacije računala

• 1. građena od elektronskih cijevi;

• 2. korištenje tranzistora;

• 3. korištenje integriranih krugova;

• 4. korištenje naprednijih arhitektura integriranih krugova;

• 5. paralelna arhitektura i RISC procesori;

• 6. korištenje neuronskih mreža;

• 7. korištenje nano-tehnologije;

1010

0101


Klasifikacija računala

digitalna računala

mikroprocesorska

Računala

Serveri

osobna računala

prijenosna računala

Laptop/Notebook

Tablet PC

Džepna računala

(Handheld)

Netbook

stolna računala superračunala

mainframe

1010

0101


Klasifikacija računala II

• U prvu razinu spadaju kategorije:

– Super računala: računala koja se koriste za najzahtjevnije obrade

podataka (rješavanje jednog velikog problema – npr. prognoza

vremena). Trenutno najbrže superračunalo je Tianhe-2

(Guangzho, Kina) brzine 33,86 petaflops/s (33,86 x 1015 operacija

sa pomičnim zarezom u sekundi) – 3,12 mil jezgri procesora.

– Velika ili mainframe računala: koriste se kao podrška za rad

velikih i složenih informacijskih sustava.

– Mikroprocesorska računala: temelje se na snazi i

mogućnostima mikroprocesora koji može imati jednu ili više

jezgri.

1010

0101


Superračunalo

• 2. superračunalo po snazi

• CRAY XK7 sustav, instaliran u US Dep. of Energy

– 17.59 petaflop/s

– 6.247 AMD Opteron procesora s 32 GB RAM

– 261.632 NVIDIA K20x jezgri s 6 GB RAM (ukupno 693.6 TB RAM)

– jedan od najefikasnijih sustava - 8.21 MW ili 2,143 Mflops/W

1010

0101


Klasifikacija računala III

• Mikroprocesorska računala se u dvije osnovne skupine:

• Serveri: koriste se za pružanje različitih vrsta usluga

korisnicima npr, web server, server baza podataka i sl.

• Osobna računala: namijenjena su radu pojedinačnog

korisnika, a mogu se podijeliti na:

– Laptop / Notebook;

– Džepna računala;

– Tablet PC

1010

0101


Arhitektura osobnih računala

Mikroprocesor

Međumemorija

Chipset

Matična ploča

Sabirnica

Integrirani

kontroleri

ROM RAM

Adapteri

1010

0101


Arhitektura osobnih računala II

• Kućište • kutija u kojoj je smještena centralna jedinica;

• osigurava napajanje električnom energijom;

• osigurava hlađenje;

• unutar njega se montiraju mnoge periferne jedince;

• Centralna jedinica – centralna jedinica osobnog računala sastoji se od četiri osnovne

komponente:

• matična ploča;

• procesor;

• memorija;

• adapteri i kontroleri;

1010

0101


• primjeri kućišta

1010

0101


Matična ploča

• Matična ploča čini osnovu arhitekture centralne jedinice računala

• Osnovne komponente su: – sabirnica (engl. bus);

– specijalizirani skup integriranih krugova matične ploče (engl. chipset);

– integrirani kontroleri;

• Sabirnica – međusobno povezuje sve komponente koje su ugrađene ili se

naknadno priključuju na matičnu ploču.

– Postoje tri vrste sabirnica:

• adresna;

• podatkovna;

• kontrolna;

1010

0101


Matična ploča II

1010

0101


Matična ploča III

• Specijalizirani skup integriranih krugova (chipset) matične ploče je skupina čipova koji čine „logiku“ matične ploče. Čine ga dvije osnovne komponente:

– Northbidge: čip koji upravlja komunikacijom najbržih perifernih komponenti: procesora, radne memorije i grafičke kartice;

– Southbridge: čip koji upravlja komunikacijom sporijih perifernih komponenti kao što portovi, sabirnice, mrežne i memorijske komponente;

• Integrirani kontroleri

– integrirani kontroleri upravljaj komunikacijom između uređaja koji se spajaju na matičnu ploču kao što su tastatura, monitor,

1010

0101


Središnji procesor

CPU

Središnji procesor

GPU

Grafički procesor

NB

Northbridge

SB

Southbridge

1010

0101


Središnji procesor II

• mikroprocesor – integrirani logički sklop koji predstavlja

središnje mjesto izvođenja svih operacija;

– Osnovni parametri mikroprocesora su:

• duljina riječi;

• širina sabirnice;

• brzina;

• arhitektura;

• broj jezgri:

• duljina riječi: broj bitova koji se obrađuje u jednom ciklusu – 8-bitni,

16-bitni, 32-bitni, 64-bitni...

• širina sabirnice: broj bitova kji mogu biti preneseni u jednom ciklusu

između procesora, memorije i drugih uređaja računala;

• brzina procesora: učestalost taktova izražena u Hz (MHz, GHZ...)

1010

0101


Središnji procesor III

• CPU (engl. Central Processing Unit)

PRIBAVI (fetch)

IZVRŠI (execute)

Dijagram prijelaza

1010

0101


Središnji procesor IV

• dijelovi procesora

– ALU (aritmetičko-logička jedinica)

– interni registri

– programski registri

• signal vremenskog vođenja (takt, engl. clock)

– tehnološka ograničenja

• koliko brzo mogu reagirati pojedini sklopovi

• brzina svjetlosti

– organizacijska ograničenja

• odziv memorije, U/I podsustava ...

– današnja brzina 3,6 GHz (uz hlađenje i 6 GHz)

1010

0101


Primjeri središnjih procesora

1010

0101


Arhitektura mikroprocesora

• Arhitektura:

– RISC (Reduced Instruction Set Computer) – rastavljanje naredbi

na manje dijelove koje se izvršavaju istovremeno i istom

brzinom. Danas dominantna arhitektura.

– CISC (Reduced Instruction Set Computer) – izvršavanje cijele

naredbe. Svaki moderni mikroprocesor sadrži skup naredbi za

prevođenje CISC u RISC radi zadržavanja kompatibilnosti.

• Procesori se također mogu podijeliti na:

– procesori nepromjenjive arhitekture;

– procesori promjenjive arhitekture: ili FPGA (Field-Programmable

Gate Array): pored ugrađene procesorske jezgre ugrađeni su

programibilni logički sklopovi.

1010

0101


Arhitektura mikroprocesora II

• Broj jezgri

– prema broju jezgri procesori mogu biti:

• procesori sa jednom jezgrom;

• procesori sa više jezgri (2 – 4096)

– Sve jezgre mogu biti izvedene kao samostalne, neovisne jedna o

drugoj ili kao jezgre koje dijele resurse (neke jezgre nadziru i

koordiniraju rad, a druge vrše obradu podataka)

1010

0101


Memorija

• funkcijska jedinica digitalnog računala zadužena za

primanje, pohranu i predaju digitalnih podataka;

• dvije vrste memorija – primarna i sekundarna

• primarna memorija – ROM i RAM

– jedino nju procesor direktno “vidi”

– svi programi i podaci sa kojima se trenutno vrši obrada

– nalazi se u memorijskim modulima utaknutim u matičnu ploču

1010

0101


Memorija II

– ROM

• ispisana memorija, stalna memorija, nepromjenljiva memorija –

memorija iz koje se može samo čitati

• poslije isključenja računala sadržaj ostaje nepromijenjen

– RAM

• glavna i najbrža memorija u računalu

• podatke prenosi do procesora preko sabirnice

– međumemorija (engl. Cash Memory)

• glavna funkcija: osigurati optimalnu iskoristivost procesora

• nekoliko je puta brža od RAM-a pa procesor koristi memoriju bez

čekanja

1010

0101


RAM DIP

SIPP

30-pin SIMM

72-pin SIMM

168-pin DIMM

168-pin DDR DIMM Rambus DRAM DD3 SO-DIMM

UNIVAC Mercury delay line

memory

Williams-Kilburnova cijev

1010

0101


Parallel ATA

Serial ATA

SCSI konektori

Disk portovi

1010

0101


Portovi

• Na osobnom računalu nalaze se slijedeći portovi: • Serijski port;

• Paralelni port;

• Port za igru;

• USB port:

– Serijski port se koristi za komunikaciju sa perifernim jedinicama

koje zahtijevaju serijsku komunikaciju (npr. miš, modem, dodatni

uređaji...).

– Serijski je moguće povezati dva računala tzv. nul – modem kabelom;

– Paralelni port se koristi za priključivanje pisača ili specifične

opreme. Brzina prijenosa podataka je visoka, ali je domet ograničen

na par metara;

1010

0101


Portovi II

– Port za igru: obično se nalazi na zvučnim karticama i koristi se za

priključivanje igrače palice (joystick);

– USB (Universal Serial Bus) najnoviji standard serijskog porta.

Razvijen je u tri standarda USB 1.1 brzine 0,19 MB/s, USB 2.0

brzine 60 MB/s, USB 3.0 brzine 400 MB/S. Izveden je u tri

varijante Type (A, B), mini (A,B), Micro (A,B).

1010

0101


28

Serijski port

Paralelni port

Port za igru

Type A Type B Type mini A Type mini B

Type micro B

USB 3

USB 3 micro

1010

0101


A/D i D/A konverzija

• analogni signal

– svaka prirodna pojava se ovako očituje

• digitalni signal

– samo diskretne, točno određene vrijednosti

• pretvorba

– računalo radi samo u diskretnim vrijednostima, pa je za unošenje

ili dobivanje informacija od računala potrebno te vrijednosti

pretvoriti u analogni signal

• monitor – u svjetlost

• pisač – količina tinte

• zvučna kartica – zvuk

• kamera – svjetlo u diskretne vrijednosti

1010

0101


A/D i D/A konverzija II

• uzorkovanje – koliko često se očitava signal

• broj bitova za kodiranje – broj mogućih nivoa

t

1010

0101


Periferne jedinice

• Periferne jedinice osobnog računala

– ulazne jedinice;

– izlazne jedinice;

– vanjske memorije;

– ulazne jedinice

• Tipkovnica

– QWERTY (englesko govorno područje), QWERTZ (Njemačka i dio

Europe) , AZERTY (Francuska), FGĞIOD (Turska)...

– QWERTY vs. Dvorak

– specijalne tipke i znakovi

– ergonomske tipkovnice

1010

0101


Periferne jedinice II

• Miš

– Analogni uređaj koji se koristi kad korisnik radi sa grafičkim

radnim sučeljem;

– Opremljen je sa dvije ili sa dodatnim tipkama koju mogu

povećati njegovu učinkovitost;

– Izvedbe: mehanička, optička, žičana, bežična

– TrackPoint, TouchPad, ...

1010

0101


Periferne jedinice II

• Skener (Scanner)

– Digitalizira forme otisnute na nekom mediju koji može biti:

• refleksni: papir ili plastične podloge;

• transparentni: filmovi, dijapozitivi...

– pogodan za OCR (Optical Character Recognition), odnosno

optičko prepoznavanje znakova otisnutih na papiru. Npr. moguće

je otisnuti tekst digitalizacijom „prebaciti“ u digitalni oblik u

aplikaciju za obradu teksta.

Skener negativa Skener A0 formata

1010

0101


Periferne jedinice III

• Monitor: Primarni izlazni uređaj osobnog računala.

Pojavljuje se u nekoliko tipova:

Video standardi • CRT (Catode Ray

Tube): ekran

izrađen na

tehnologiji

katodne cijevi;

• LCD (Liquid

Crystal Display)

ekran izrađen na

tehn. tekućih

kristala;

1010

0101


Periferne jedinice IV

• Pisači i ploteri

– Najstarija izlazna jedinica računala. Omogućavaju ispis na papiru

i pojavljuju se u izvedbama kao:

– Iglični (matrični) pisač: udaranjem iglica u traku prenosi se zapis

na papir. Mogu tiskati više kopija od jednom. U radu su vrlo

glasni i spori

– Tintni (ink-jet): boju iz tonera na papir prenose preko mlaznica

vrlo malog promjera. Vrlo su jeftini, ali mogu vrlo brzo trošiti

boju prilikom tiskanja fotografija.

1010

0101


Periferne jedinice V

− Laserski pisač: korištenjem laserskih lampi i bubnja fini prah

tonera se „lijepi“ na površinu papira. Vrlo su brzi i ne stvaraju

veliku buku. Ovisno o formatu i broju boja mogu biti vrlo skupi.

1010

0101


Periferne jedinice VI

– Sublimacijski pisači: zagrijavanjem prenose boju do medija

(platno, papir, plastika). Imaju izvanrednu kvalitetu tiska, ali uz

vrlo visoku cijenu.

– Ploter je kategorija pisača koja ima mogućnost tiskanja na

mediju većih dimenzija (do nekoliko metara). Pogodni su za

tiskanje nacrta i postera. Zbog zahtjeva za preciznošću na velikim

dimenzijama, mogu biti vrlo skupi.

Termalni pisač Iglični pisač

1010

0101


Sekundarne memorije

• Tvrdi disk - magnetski ili tvrdi disk (HDD - Hard Disk

Drive) koristi magnetni medij za pohranu podataka. • Medij se vrti brzinom od 4.000 – 15.000 okretaja u sekundi.

• Iznad rotirajućih ploča s magnetnim premazom lebdi glava za čitanje

i pisanje na udaljenosti od 0,07 mm.

• Danas se koriste u dimenzijama od 1,8″, 2,5″ i 3,5″ dok je 5,25″

zastario.

– Sučelje tvrdih diskova:

• ATA i SATA

• SCSI

– Kapacitet od 20 MB – 3.000 GB (3 TB)

1010

0101


Sekundarne memorije II

• Solid State Disk

– kao i tvrdi disk ima funkciju pohrane velike količine podataka.

Osnovna prednost je da nema pomičnih dijelova, tiši su u radu,

rade velikim brzinama i u radu troše malo energije.

– Osnovni nedostaci su visoka cijena i mali kapacitet. Neke izvedbe

imaju ograničeni broj zapisivanja (do 1,5 milijuna puta).

– Kombinacijom tvrdog diska i SSD-a dobiva se medij za pohranu

podataka koji radi velikom brzinom (pokretanje operativnog

sustava sa SSD-a) te velikog kapaciteta (podaci na HDD-u)

– Kapacitet od 1- 256 GB

1010

0101


Sekundarne memorije III

• CD / DVD / Blu-Ray

– CD (Compact Disk) optički medij koji za čitanje koristi laser.

Prvotno je bio namijenjen za prijenos glazbe, ali je brzo postao

pogodan medij za prijenos podataka

• Kapacitet 650 (74 min) - 870 MB (99 min)

– DVD (Digital Versatile Disc) optički medij znatno većeg kapaciteta

od compact diska. Prvotno je namijenjen za pohranu video

zapisa visoke kvalitete. Mogućnost zapisivanja podataka s obje

strane na dva sloja (sa svake strane).

• Kapacitet:

– 4.7 GB (jednostrani zapis, jedan sloj)

– 8.5–8.7 GB (jednostrani zapis, dva sloja)

– 9.4 GB (dvostrani zapis, jedan sloj)

– 17.08 GB (dvostrani zapis, dva sloja)

1010

0101


Sekundarne memorije IV

• Blu-Ray Disk

– Optički medij koji koristi laser u plavom dijelu spektra.

– Namjenjeni su pohrani filmova u punoj HD rezoluciji (1.920 x

1.080).

– Kapacitet 27 Gb u jednoslojnom, a 54 GB u dvoslojnom zapisu

podataka.

1010

0101


Primjeri – tvrdi disk

8 “ Tvrdi disk

5,25 3,5“ Tvrdi disk

1“ Tvrdi disk

1.8“ Tvrdi disk

2,5“ Tvrdi disk

1010

0101


Elektronički otpad

• metode zbrinjavanja – rastavljanje opreme

• ručno odvajanje dijelova koji se mogu obnoviti i ponovo upotrijebiti

– mehanička obrada

• uklanjanje štetnih dijelova, zatim usitnjavanje i rezanje da bi se izdvojile komponente koje se mogu reciklirati

– spaljivanje

• nakon što se spale gorivi dijelovi jednostavnije se mogu izdvojiti korisni metali

– kemijska obrada

– recikliranje

1010

0101


Elektronički otpad II

• prevencija

– upotrebljavati što manje količine materijala

– upotrebljavati manje različitih materijala

– za plastične dijelove odabrati kompatibilne polimere

– projektirati sve dijelove za jednaki vijek trajanja

1010

0101


Literatura

• PC računala iznutra i izvana

– Dario Sušanj

– 2002., Sysprint, Zagreb

Documents

Arhitektura računala - vuka.hrvlado/mtst2013/OI_2013_2_Arhitektura_racunala.pdf · •procesori sa više jezgri (2 – 4096) –Sve jezgre mogu biti izvedene kao samostalne, neovisne