Konštrukcia PC

Konštrukcia číslicového počítača

Informace je význam jaký člověk přisuzuje údajům. Údaje (data) mohou mít různý tvar např. čísla, znaky, příkazy, povely atd. Fyzikální veličina nesoucí informaci se nazývá signál. Způsoby zpracování a využití signálů se zabývá informatika. Z hlediska počítačů jsou informace vstupující do počítače - informace vstupní a informace výstupní.

Počítače dělíme

• analogové
• číslicové
• hybridní

analogové - Pracují se spojitě měnícími se signály (veličinami) např. proud a napětí.

číslicové - Počítače vyjadřují veličiny číslicemi 0 a 1, které se zobrazují elektrickými veličinami.

hybridní - Spojují v sobě číslicové i analogové části počítače.

ANALOGOVÉ POČÍTAČE

Pro svoji činnost využívají modelování na základě matematických podobností. Dělí se z mnoha hledisek. Nejrozšířenější jsou elektronické a hlavní funkce vykonávají tzv. operační jednotky. Mohou být v provedení jak ss tak i v st. Pro vlastní modelování se používají ss. K jeho základním jednotkám patří tzv. pasívní jednotky (sčítací odpory, kondenzátory, derivační a integrační články). K aktivním částem patří operační zesilovač. Spojení aktivních a pasívních částí jsou tvořená vlastní operační jednotkou, které jsou určitý děj schopny modelovat. Podle funkce se dále dělí analogový počítač na matematické stroje, simulátory, trenažéry (pro výcvik pilotů letadel, lodí). Analogové počítače se neustále zdokonalují a slouží v technické praxi.

ČÍSLICOVÉ POČÍTAČE

Tyto počítače pracují se dvěma stavy 0 a 1. Od roku 1952 dominuje ve výpočetní technice Van Neumanova architektura, která se vyznačuje minimálními hardwarovými nároky a částečně i velmi jednoduchými softwarovými strukturami. Z těchto důvodů představuje tato architektura stále ještě páteř dnešní výpočetní techniky.
ARCHITEKTÚRA POČÍTAČA
Pod pojmom architektúra počítača rozumieme vzájomné prepojenie jednotlivých obvodov ( blokov ) počítača. Od nej závisí princíp činnosti počítača i jeho možností.

Hystoricky poznáme tri typy architektúry :

1) Harwardského typu (podľa Howarda Aikena)

Sú to tzv. počítače s vonkajším riadením ( 0. a 1. generácie ). Každá inštrukcia ( krok ) programu sa zadávala zvonku ( napríklad drôtové prepojky na paneloch počítača ENIAC - 1944 ). V súčasnosti sa vyrábajú niektoré procesory tohto typy - vysoko výkonné s rozdelenou zbernicou pre kód programu a dáta.

Hardwardská koncepcia na rozdiel od von Neumanovej predpokladá existenciu dvoch oddelených pamätí. V prvej sú uložené programy a v druhej sú uložené dáta. Programový kód a dáta sú uložené v oddelene adresovaných oblastiach pamäte. Môže sa prekrývať čítanie a vykonávanie inštrukcii.
Priechodnosť inštrukcii a dát možno zvýšiť:
• minimalizovaním času potrebného na vykonanie inštrukcie;
• rozdelením jednotlivých inštrukcii na menšie úseky, prekrývanie cyklov.

Hardvardská architektúra umožňuje paralelné spracovanie dát ( niekoľko paralelne zapojených ALU, keď fyzické oddelenie inštrukcii a dát umožňuje súčasný prístup k obom. - RALU rekonfigorovateľné ALU v ktorých načítanie dát sa vykoná 1 impulzom). Napríklad v mikroprocesore 80486 (obr.6) sa vnútri procesora používa hardvardská koncepcia s nezávislými zbernicami, ktoré umožňujú nezávislý prúd dát a adries a pre externý prístup k procesoru kvôli úspore vývodov sa používa princetónska koncepcia. Zvláštnu pozíciu medzi predošlými koncepciami zaujíma princíp tzv. zásobnikovo orientovaného procesora. Je to procesor, ktorý prijíma zvonka dáta v presne stanovenom poradí do svojej zásobníkovej pamäti a výsledky operácii ukladá zase do zásobníka.

Princetonská architektúra (podľa Johna von Neumana) - Von Neumanova koncepcia.  

Túto architektúru používajú všetky tzv. stroje s vnútorným riadením ( takmer všetky dnes používané počítače, čiže 1.,2.,3.,4. generácie ).
Program aj údaje ( dáta ), ktoré sú predmetom spracovaniasú v operačnej pamäti počítača, prenášajú sa spoločnou dátovou zbernicou.

Procesor má k dispozícii len jednu množinu adries a preferencia adries po uložení programu je v moci programátora. Tým vyniká možnosť spracovávať inštrukcie ako dáta a tak modifikovať program. Podľa tejto koncepcie sú postavené takmer všetky väčšie počítače, mikroprocesory a mikropočítače. Dnešné počítače na rozdiel od von Neumanovej schémy môžu pracovať s viacerými procesormi a tiež paralelne s viacerými programami zároveň (tzv. multitasking), čo vedie k efektívnejšiemu využívaniu strojového času. Program sa tiež nemusí v dnešných počítačoch zaviesť naraz celý ale je možné zaviesť len jeho časť a ostatné časti zaviesť až v prípade potreby. Dáta a inštrukcie podľa von Neumanovej koncepcie sú uložené v spoločnej pamäti.
Prístup k inštrukciám a dátam prebieha sekvenčne striedaním cyklov F a X ( F - Fetch - výber, X - Execute - vykonaj) :

• Cyklus F -> Obsah CS:IP definuje adresu pamäte. Z pamäte po dátovej zbernici vstupujúce dáta na základe kontextu sú interpretované ako operačný kód a vstupujú do registra inštrukcii , dekódujú sa a ukladajú sa do fronty inštrukcii.
• Cyklus X -> Po dekódovaní kódu inštrukcie sa vykoná vlastná inštrukcia, ktorej kód sa získal z fronty inštrukcii.

Dôsledok sekvenčného striedania cyklov F a X je nižšia priechodnosť dát a inštrukcii. Nie všetky inštrukčné cykly sa však obracajú k pamäti. Počas intervalu keď je zbernica voľná možno pristúpiť k pamäti a uskutočniť predvýber (prefetch) operačného kódu inštrukcie alebo operandu s tým, aby sa inštrukcia skôr zaradila do fronty (FIFO) predpripravených inštrukcii, ktoré sa budú vykonávať. Procesor tak spotrebuje menej cyklov strojového času. Ďalšie zefektívnenie sa dosahuje pomocou prekrývania dekódovania inštrukcie s posledným krokom vykonávania predošlej inštrukcie. zreťazené spracovanie inštrukcii-pipelining. (napriklad 4 stupňové pipeline: čítanie inštrukcie, dekodovanie, vykonanie, uloženie výsledku).

Procesor

Procesor je univerzálny číslicový systém ktorého funkcia nezávisí od vnútornej štruktúry (je ním iba obmedzená), ale od programu (0 a 1 privedené na zbernice). Centrálna riadiaca jednotka (CPU) je napojená na vstupné a výstupné zariadenia. Je to centrum spracovávania informácií.
Skladá sa z :
ALU
RJ

ALU - Aritmeticko Logická jednotka (unit) je výkonná jednotka, ktorá robí všetky aritmetické a logické operácie - výpočty - matematické (+ alebo -) alebo logické «,>, = ...).
Je to v podstate sčítačka v dvojkovej sústave doplnená o pomocné obvody , prípadne matematický coprocesor (od intel-486DX-...) na rýchle počítanie v pohybl. rádovej čiarke.

RJ - Riadiaca Jednotka - miesto, ktoré riadi celý proces toku údajov pomocou riadiacich signálov a zodpovedajúcich stavových funkcií. Na každý riadiaci signál odpovedá príslušná časť poslaním stavového signálu.
Riadiaca jednotka má na starosti vyberať programové inštrukcie z pamäti (programovateľný čítač – po každej inštrukcii zvýši svoju hodnotu o 1, ak jeho stav neovplyvní samotný výsledok inštrukcie - SKOK), dekódovať tuto inštrukciu pomocou dekodéra inštrukcií (pamäť-ROM) a riadiť ALU a ostatné obvody počítača.
Spojenie ALU a RJ je označované ako procesor (mikroprocesor, ....)

Moderné mikroprocesory majú " vlastný programovací jazyk ", nazývaný mikrokód - strojový kód procesora. V podstate to znamená, že z jednej inštrukcie vyrobenej programátorom dekodér inštrukcií vygeneruje sled el. impulzov na fyzickú realizáciu úloh.

CISC = Complet instruction set computer – úplná inštrukčná sada
RISC = Reduce instruction set computer - redukovaná inštrukčná sada

Zbernica

Zbernice (BUS) – Pod týmto pojmom rozlišujeme sústavu vodičov, ktoré zabezpečujú prenos signálov medzi jednotlivými časťami počítača. Pomocou týchto zariadení môžu jednotlivé komponenty počítača medzi sebou komunikovať. Zariadenia ako sú procesory, pamäte atď. sú prepojené tzv. systémovou zbernicou (CPU BUS).
Osobné počítače musia byť ľahko rozšíriteľné o nové prídavné zariadenia, ako sú zvukové karty, radiče diskov a pod. Toto je umožnené pomocou rozširujúcej zbernice, častejšie označovanej len ako zbernica.
Pamäte
Pamäť je (priestor), kde sa ukladajú spracovávané programy a údaje. Môžeme ho označiť aj ako internú pamäť alebo dočasnú pamäť. Okrem internej pamäti existuje externá pamäť, ktorá slúži najmä na ukladanie na trvalé uloženie dát.

Pamäť slúži na uloženie (zaznamenanie) informácií a inštrukcií vstupujúcich do počítača, medzivýsledkov, výstupných údajov ale aj grafických informácií a obrazoviek.

Pamäť počítača delíme na operačnú pamäť (vnútornú), zabezpečuje uschovanie údajov a programov v dobe, kedy počítač pracuje a na pamäť užívateľskú (vonkajšiu), ktorá slúži na dlhodobé uchovávanie údajov a programov v dobe, kedy je počítač vypnutý. Sú to polovodičové pamäte.
Vnútorné pamäte majú veľkú rýchlosť, ale spravidla malú kapacitu. Vonkajšie pamäte majú naopak veľkú kapacitu, ale nízku rýchlosť, resp. dlhý prístupový čas. Ak počítač potrebuje údaje z vonkajšej pamäti (z pevného disku alebo diskety), presunie ich do operačnej pamäti a tu ich ďalej spracováva.
Osobné počítače majú dva druhy operačnej pamäti: RAM a ROM. Permanentná pamäť ROM (z angl. Read Only Memory - pamäť len na čítanie) slúži na uchovanie základného programu, ktorý umožňuje komunikáciu počítača s vonkajšími zariadeniami, prípadne môže obsahovať operačný systém. Nie je závislá na dodávke elektrického prúdu a nie je možné meniť údaje v nej. V pamäti ROM počítača je špeciálny štartovací program. Tento program je po zapnutí počítača do siete automaticky spustený a zavedie do pamäti operačný systém, tak oživí hardware počítača a s počítačom je možno začať pracovať. Štartovací program je súčasťou základného programu osobného počítača, ktorý sa nazýva BIOS. Pamäte typu ROM sú lacnejšie ako pamäte typu RAM.

Programovateľná permanentná pamäť PROM je pamäť typu ROM, no na rozdiel od základného typu, ktorý prichádza k užívateľovi s presne nahraným programom od výrobcu, túto pamäť si môže užívateľ pevne naprogramovať.

Vymazateľná pamäť PROM alebo EPROM je opäť druh pamäti ROM, ktorú je možné vymazať (obyčajne ultrafialovým svetlom) a potom do nej uložiť údaje podľa vlastnej potreby.

RAM pamäť (z angl. RANDOM Access Memory) slúži na uchovávanie údajov a programov počas činnosti počítača. Z RAM pamäti je možné informácie nielen čítať, ale aj zapisovať ich do nej. Je závislá na dodávke elektrického prúdu, po vypnutí počítača sa údaje z nej strácajú.

CMOS-RAM - pamäť s nízkym príkonom (väčšinou s pomocnými obvodmi na beh reálneho času) zálohovaná akumulátorom.
Input / Output Port´s -- Vstupno / Výstupné Porty ( rozhrania )
IO PORT - Input Output Port ( vstupno - výstupné brány ). Sú obvody, pomocou ktorých počítač komunikuje s perifériami ( vonkajšími zariadeniami ). Tie sú pripojené na zbernice aby mohli komunikovať s ostatnými komponentami.

Personal Computer - PC - Osobný počítač

Osobní počítač (anglicky Personal computer, zkratkou PC, čte se pí sí, česky hovorově též označovaný jako písíčko nebo pécéčko) je označení pro typ počítače určený pro použití jednotlivcem (narozdíl od dřívějších střediskových počítačů).
Pojem byl používán již v průběhu 70. let 20. století, kdy společnost Apple a řada dalších uvedly první osmibitové osobní počítače na trh. Jako další zlomové datum se uvádí i lednu 1977, kdy vyšlo první číslo Personal Computing Magazine. Ale teprve s uvedením počítače IBM PC (IBM 5150) na trh v srpnu 1981 se ustálilo označení PC (nebo Personal computer) pro počítač s procesorem Intel x86 kompatibilní (tj. vnitřní architekturou a tím i komponentami a programovým vybavením slučitelný) s tímto modelem. Základem počítače je procesor neboli CPU, které se skládá z řadiče a z ALU (Aritmeticko logická jednotka).

Osobný počítač (PC) má stavebnicovú architektúru. Vo všeobecnosti je možné povedať, že zostava počítača PC sa skladá z nasledujúcich častí resp. podsystémov, dielov:
• základná procesorová doska tzv. matičná doska (motherboard),
• vnútorná pamäť (RAM, RWM aj ROM),
• prídavné dosky (tzv. karty),
• diskové zariadenia (FDD, HD, CD, OVO),
• vstupné zariadenie, najčastejšie klávesnica,
• výstupné zariadenia, štandardne monitor,
• skrinka počítača so stabilizovaným zdrojom napätia,
• prídavné vstupné a výstupné zariadenia ako napr. tlačiareň, myš, súradnicový zapisovač (ploter) a pod.

Modulárna výstavba PC umožňuje vel'kú variabilitu zostáv podľa požiadaviek užívateľa . Výrobcom hardwaru, zase dovoľuje špecializovať sa na výrobu určitého typu komponentov. Umožňuje to okrem iného aj rýchlejšiu obnovu vybavenia počítača, prípadne aj jeho neustále vylepšovanie.

Klasicfikácia počítačov

Pri rýchlom vývoji výpočtovej techniky je veľmi obťažne zvoliť jednotnú metodiku klasifikácie počítačov do kategórií. Pohľadov či kritérií podľa ktorých môžeme deliť počítače je niekoľko. V praxi sa najčastejšie stretávame s rozdelením podľa: Vyhotovenia a výkonu:
• Centrálne počítače (mainframe) - výkonné počítače vo výpočtových centrálach, určené na spracovanie extrémneho množstva údajov
• Minipočítače (servery) - medzičlánok medzi centrálnymi počítačmi a mikropočítačmi. Ich výkon postačuje na spracovávanie veľkého množstva údajov.
• Mikropočítače sa v súčasnosti delia na osobné a špeciálne počítače (určené pre riešenie úloh zo špecifickej oblasti).

Osobné počítače podľa prevedenia môžeme rozdeliť na:

• desktop - univerzálny stolový počítač,
• laptop - prenosný počítač - tento názov sa používal v počiatkoch rozvoja IT,.
• notebook - súčasný názov pre prenosný počítač, ktorý svojím výkonom a vybavením zodpovedá stolovým počítačom,
• palmtop - Sub-notebook - miniaturizovaný počítač s obmedzenou pamäťou, vo formáte menšom ako A4, nemáva žiadne rozširujúce komponenty ako mechanika pružných diskov alebo CD mechanika,
• PDA - osobný organizér - zariadenie spočiatku určené iba na organizovanie času - malo plánovací kalendár, hodiny a jednoduchú kalkulačku. V súčasnosti sa stáva komplexnejším nástrojom, ktorý rozširuje svoju funkcionalitu (výkon) a približuje sa k triede sub-notebookov.

Oblasti riešenia úloh:

• Univerzálne počítače - vysoká efektivita pri riešení čo najširšieho spektra úloh. Spracovávajú veľké množstvá údajov - numerických i nenumerických
• Problémovo orientované - riešenie úloh spojených najmä s informačnými systémami, riadiacimi systémami, systémov počítačom podporovaného navrhovania, diagnostiky
• Špecializované počítače - zamerané na riešenie jednej úlohy alebo veľmi úzkeho spektra úloh

Podľa účelu využitia:

• Univerzálne počítače - ich použitie vychádza zo spracovávaného programu
• Špeciálne počítače - tzv. jednočipové počítače (označované aj ako vstavané), ktoré sa používajú v špecializovaných zariadeniach.

Podľa komplexnosti inštrukčného súboru:

RISC a CISC - rozdiel je v tom aké vnútorné inštrukcie pozná procesor. Či len jednoduché (RISC) alebo komplexné (CISC).

Podľa počtu procesorov:

• Jednoprocesorové - majúce iba jeden procesor, ktorý spracováva všetky úlohy
• Viacprocesorové - spracovanie úloh sa rozdeľuje medzi všetky procesory.

Podľa základnej veľkosti spracovávaných údajov v procesore:

• 8 - bitové - počítače rady Sinclair Spectum, Comodore, PMD a pod
• 16 - bitové - prvé PC AT
• 32 - bitové - PC s procesorom Pentium
• 64 - bitové - PC s procesorom Itanium

Ďalšie delenie by mohlo byť z hľadiska historického, tak ako sa počítače vyvíjali, či podľa toho v akých sférach ľudskej činnosti sa s nimi stretávame.

MotherBoard - MainBoard - Základná Doska - Základná Procesorova Doska

Základná doska (Mainboard, Motheboard) je, ako už z názvu vyplýva základným stavebným kameňom PC. Určuje možnosti použita jednotlivých komponentov (procesor, pamäť, rozširuj. dosky, ...), ako i výkon systému a jeho rozšíriteľnosť. Dnes je na nej integrovaná väčšina riadiacich obvodov štandardných periférií. Je postavená na určitej rade integrovaných obvodov - čipovej sade (chipset).

Tá pozostáva z niekoľkých IO, z ktorých 2 majú výsadné postavenie:
- North Bridge - System Controller (niekedy s chladičom) - (MCH)
- South Bridge - Peripherial Bus Controller - (ICH2)

Centrom základnej dosky je vo všeobecnosti čipová sada (čipset), ktorá tvorí rozhranie medzi procesorom, radičom pamätí, zbernicami, vstupom a výstupom. Je to "komunikačné centrum" sprostredkujúce výmenu informácií medzi jednotlivými súčiastkami, ktoré sú uložené na základnej doske. Podľa čipovej sady je možné určiť aký typ procesora na základnej doske budeme používať, ako bude rýchlo procesor komunikovať atd'. Čipová sada nie je tvorená len jedným kusom integrovaného obvodu, aj keď by sa to na prvý pohľad dalo povedať, ale delí sa na časti, ktoré sa špecializujú na istú formu komunikácie.

Napríklad:

• NorthBridge - zabezpečuje komunikáciu medzi procesorovou zbernicou, grafickou zbernicou a zbernicou komunikujúcou s ďalšími časťami systému.
Tiež System Controller, je bližšie k procesoru a zaisťuje rýchle presuny dát medzi klúčovými oblasťami počítača. Najväčšou zbernicou FSB (Front Side Bus) je pripojený k procesoru a zaisťuje tak jeho úplnú komunikáciu s ostatnými časťami základnej dosky a PC samotného. Na northBridge sa tiež pamäťová zbernica. Jej rýchlosť býva väčšia, rovnaká alebo menšia, ako je rýchlosť FSB, a preto by frekvencii FSB mali zodpovedať tiež parametre pamäťových čipov.
• SouthBridge - má za úlohu zabezpečovať prepojenie medzi zbernicami PCI a ISA, ktoré pracujú na rôznych frekvenciách a zároveň zabezpečuje komunikáciu medzi IDE, USB zariadeniami a CMOS pamäťou,
• Super IO čip - čip, ktorý zabezpečuje pripojenie periférií k systému. Integruje viacero zariadení, ktoré pripájame do systému. Patrí sem radič disketovej mechaniky, dva sériové porty, jeden paralelný port. Je možné povedať, že v poslednom čase postupne význam tohto čipu klesá nakoľko sa pomaly prechádza z tradičného sériového a paralelného rozhrania na USB rozhranie.

Rozdelenie čipsetu na SouthBridge a NorthBridge platilo pri starších doskách (pri starších rozumieme podporu procesoru Pentium a vyššie po PIII). Pri novších doskách sa miesto označenia čipov SouthBridge a NorthBridge začali používať "rozbočovače" (HUB). Rozdiel nie je len kozmetický - v názve, ale hlavne v konštrukcii a prepojení oboch častí, ktoré je rýchlejšie ako PCI zbernica. Pre komunikáciu medzi oboma časťami sa teda používa špeciálne prepojenie a tým je PCI zbernica voľna. NorthBridge - má nové označenie MCH - memory controler hub SouthBridge - má nové označenie ICH - input output controler hub.
Zmena architektúry oboch čipov, bola vynútená najmä zvyšujúcou sa rýchlosťou procesorov . Kým v začiatkoch rozvoja PC bol len jeden špecializovaný výrobca čipových sád - firma Intel, tak v súčasnosti je na trhu viacero výrobcov, ktorý dodávajú svoje produkty všetkým výrobcom základných dosiek (okrem samotného Intelu a AMD , tí si vyrábajú čipové sady sami). Platilo aj platí, že výrobca procesorov navrhne okrem samotného procesora aj čipovú sadu, ktorá sa bude používať na základných doskách podporujúcich jeho procesor. Teda okrem samotných výrobcov procesorov, ktorý vyrábajú čipové sady pre svoje procesory, existujú aj výrobcovia podporujúci obe platformy.
Medzi takýchto výrobcov patria:
• VIA Technologies = VIA,
• Acer Laboratories = ALI,
• Silicon Integrated Systems = SiS.