Charakterystyka elementów komputera klasy PC

Główne podzespoły komputera

Trudno jest wytyczyć granicę między tym, co leży w kręgu zainteresowań organizacji, a co

architektury komputerów. Wskazanie, gdzie kończą się kwestie sprzętowe, a zaczynają

programowe, jest już zupełnie niemożliwe. Informatycy projektują algorytmy, które są potem

implementowane w postaci programów napisanych w którymś z języków programowania, takich

jak Java czy C. Ale co sprawia, że daje sieje w ogóle wykonywać? Oczywiście inny algorytm, który

też jest wykonywany przez jakiś algorytm i tak dalej — aż do poziomu maszynowego, na którym

algorytmy zostały zaimplementowane w postaci urządzeń elektronicznych. Współczesne

komputery stanowią właściwie implementację algorytmów wykonujących inne algorytmy. Ten

łańcuszek zagnieżdżanych algorytmów prowadzi nas do następującej reguły:

Zasada równoważności sprzętu i oprogramowania: wszystko, co może być wykonane za

pomocą oprogramowania, może też być realizowane w sposób sprzętowy, zaś wszystko,

do czego potrzebny jest określony sprzęt, może zostać wykonane za pomocą

odpowiedniego programu'.

Istnieje możliwość stworzenia wyspecjalizowanego komputera, który będzie realizował tylko jedno

zadanie, takie jak przetwarzanie tekstu, przeprowadzanie analiz finansowych czy obsługiwanie gry

Tetris. Można też napisać program, który będzie wykonywał te same funkcje, co określony

komputer specjalnego przeznaczenia, taki jak układ osadzony we wnętrzu samochodu czy

kuchenki mikrofalowej. W niektórych sytuacjach takie systemy są znacznie wydajniejsze od

skomplikowanych aplikacji dla komputerów ogólnego przeznaczenia. Zdarza się też, że lepszym

rozwiązaniem jest jednak napisanie programu. Zasada równoważności sprzętu i oprogramowania

mówi nam po prostu, że mamy wybór. Aby był on jak najlepszy, powinniśmy znać organizację i

architekturę komputerów.

Na najbardziej podstawowym poziomie komputer jest urządzeniem składającym się z trzech

elementów:Procesora, który interpretuje i wykonuje programy. Pamięci, w której przechowywane

są zarówno programy, jak i dane. Mechanizmu pozwalającego na wysyłanie i pobieranie danych ze

świata zewnętrznego. Gdy zaczniesz postrzegać komputery przez pryzmat tego, jakie czynności

wykonują ich poszczególne podzespoły, będziesz w stanie powiedzieć, co w danej chwili robi

komputer; będziesz też mógł to zmienić. Być może dojdziesz nawet do wniosku, że działasz

podobnie do komputera. Nie jest to tak absurdalne stwierdzenie, jak mogłoby się wydawać.

Weźmy na przykład pod uwagę studenta poznającego na wykładzie trzy elementy składowe

komputera. Jego mózg pełni rolę procesora, jego notatki to pamięć, a długopis lub pióro to

mechanizm wejścia-wyjścia. Pamiętaj jednak, że Twoje umiejętności wybiegają dalece poza

możliwości wszystkich zbudowanych obecnie komputerów, a także tych, które pojawią się w

dającej się przewidzieć przyszłości.

Przykładowy system

Słownictwo charakterystyczne dla świata komputerów często bywa mylące, nieprecyzyjne czy

wręcz onieśmielające. Przyjrzymy się przykładowemu systemowi komputerowemu,

reklamowanemu przez jedną z firm. Jest to typowe ogłoszenie tego typu, w którym aż roi się od

fraz „64 MB SDRAM". „64-bitowa karta dźwiękowa PCI", czy „32 KB cache L1".

Penlium III 667 MHz; 133 MHz 64 MB SDRAM

32 KB cache L1, 256 KB cache L2

30 GB EIDE HDD (7 200 RPM)

48X max CD-ROM

2 porty USB, 1 port szeregowy, 1 port równoległy

Monitor 19". Plamka 0,28 mm, AG, 1280 * 1024 przy 85 Hz

Karta graficzna Intel 3D AGP

Modem 56K PCI

64-bitowa karta dźwiękowa PCI

Wydaje się, że każda nauka ma własne jednostki miar. Informatyka nie jest tu wyjątkiem. Aby

informatycy mogli mówić sobie, jak szybki bądź jak pojemny jest dany podzespół, muszą

posługiwać się tymi samymi jednostkami. Gdy mówimy o pojemności jakiegoś elementu,

wyrażamy ją w tysiącach, milionach, miliardach lub bilionach znaków. W lewej części tabeli

wymieniono przedrostki, których się przy tej okazji używa. W informatyce potęgi dwójki są

znacznie ważniejsze od potęg dziesiątki, choć ludziom łatwiej jest posługiwać się tymi drugimi.

Ponieważ 1000 to prawie 2^10 (1024), możemy przybliżać potęgi 10 potęgami 2. Jednak mówiąc

o określonych właściwościach komputerów, częściej mamy na myśli znaczenie przedrostków

oparte na potęgach 2. Na przykład przez kilobajt (1 KB) pamięci rozumiemy zazwyczaj 1 024

bajty, a nie 1 000 bajtów. Jednak twardy dysk o pojemności 1 GB może mieć tak naprawdę

jedynie miliard (!) bajtów, a nie 2^30, czyli 1,7 miliarda. Dlatego zawsze warto czytać tekst

zapisany małą czcionką i upewnić się, co producent rozumie pod pojęciem 1 K, 1 KB czy 1 G.

Gdy chcemy powiedzieć, jak szybko zachodzi jakiś proces, używamy słów określających tysięczne,

milionowe, miliardowe lub bilionowe części sekundy. Stosowane w nich przedrostki wymieniono w

prawej części tabeli. Zauważ, że wykładniki poszczególnych potęg są liczbami przeciwnymi do

wykładników z lewej kolumny tabeli. Dlatego gdy ktoś mówi, że wykonanie jakiejś operacji trwa

jedną mikrosekundę, powinieneś uświadomić sobie, że w ciągu sekundy można wykonać ją milion

razy. Chcąc powiedzieć, ile operacji zachodzi w ciągu sekundy, posługujemy się określeniami z

przedrostkiem mega-, natomiast mówiąc o szybkości wykonywania tych operacji, stosujemy

przedrostek mikro-.Mikroprocesor to ta część komputera, która wykonuje wszystkie instrukcje

programów. Jest to „mózg" całego systemu. Reklamowany tu komputer zawiera mikroprocesor

Pentium III, pracujący z częstotliwością 667 MHz. Każdy komputer ma wbudowany zegar, który

synchronizuje pracę poszczególnych podzespołów. Wysyła on impulsy elektryczne do wszystkich

ważniejszych elementów komputera jednocześnie, gwarantując tym samym, że wszystkie dane i

instrukcje będą znajdowały się we właściwym miejscu i o właściwym czasie. Liczbę impulsów

zegara generowanych w czasie jednej sekundy nazywamy jego częstotliwością. Mierzy się ją w

cyklach na sekundę, czyli w hercach (Hz). Ponieważ zegary komputerów generują miliony

impulsów na sekundę, mówimy, że pracują one w zakresie megaherców (MHz). Wiele

współczesnych komputerów operuje już w zakresie gigaherców, generując miliardy impulsów na

sekundę. Ponieważ żadna czynność w komputerze nie może odbywać się bez zaangażowania

mikroprocesora, częstotliwość taktowania jego zegara ma kluczowe znaczenie dla wydajności

całego systemu. Mikroprocesor kom¬putera z naszego ogłoszenia pracuje z częstotliwością 667

milionów cykli na sekundę, więc sprzedawca umieścił informację „667 MHz". Jednak z faktu, że

mikroprocesor pracuje z częstotliwością 667 MHz, nie musi wcale wynikać, że jest on w stanie

wykonać 667 milionów operacji w ciągu sekundy ani że wykonanie każdej instrukcji trwa 1,5

nanosekundy. Każda instrukcja jest wykonywana przez określoną liczbę cykli zegara. Niektóre

„zmieszczą się" w jednym cyklu, ale większość wymaga większej ich liczby. Liczba instrukcji, jakie

mikroprocesor jest w stanie wykonać w trakcie jednej sekundy, jest proporcjonalna do

częstotliwości taktowania jego zegara. Z kolei liczba cykli zegara niezbędnych do wykonania danej

instrukcji maszynowej zależy zarówno od organizacji komputera, jak i od jego architektury.

Kolejną informacją, którą widzimy w ogłoszeniu, jest „133 MHz 64 MB SDRAM". 133 MHz odnosi

się do szybkości magistrali systemowej, czyli grupy przewodów przesyłających instrukcje i dane do

różnych miejsc we wnętrzu komputera. Podobnie jak prędkość mikroprocesora, szybkość

magistrali jest mierzona w megahercach. Wiele komputerów ma specjalną magistralę lokalną,

pozwalającą przesyłać dane z bardzo dużymi prędkościami (wymaganymi na przykład przy

generowaniu obrazu). Pełni ona funkcję „drogi szybkiego ruchu", łączącej pamięć bezpośrednio z

procesorem. Prędkość magistrali stanowi odgórne ograniczenie zdolności systemu do przesyłania

informacji.

Komputer z ogłoszenia ma też pamięć o pojemności 64 megabajtów (MB), która jest w stanie

pomieścić około 64 miliony znaków. Pojemność pamięci ma wpływ nie tylko na to, jakie programy

będziesz w stanie uruchamiać, ale także decyduje o tym, jak wiele aplikacji będziesz mógł

obsługiwać w tym samym czasie bez wyraźnego spowolnienia systemu. Zazwyczaj twórca aplikacji

lub systemu operacyjnego poinformuje Cię, ile pamięci jest wymagane do uruchomienia danego

oprogramowania.

Poza informacją o wielkości pamięci w ogłoszeniu wymieniono też jej typ. Jest to pamięć SDRAM,

czyli synchroniczna pamięć dynamiczna o dostępie swobodnym. Jest ona znacznie szybsza od

pamięci konwencjonalnej (niesynchronicznej), ponieważ potrafi zsynchronizować swoje działanie z

magistralą mikroprocesora (133 MHz.) Dla systemów z szybszymi magistralami opracowano nowe

rodzaje pamięci, takie jak RDRAM (ang. Rambus DRAM) czy DDR SDRAM (ang. Double Data Rate

Synchronous Dynamic Random Access Memory).

Kolejny wiersz ogłoszenia, „32 KB cache LI, 256 KB cache L2", również określa rodzaj pamięci.

Niezależnie od tego, jak szybka jest magistrala, przesłanie danych z pamięci do procesora zawsze

„chwilę" trwa. Aby zapewnić procesorowi szybszy dostęp do da¬nych, wprowadzono specjalny

rodzaj pamięci, zwany pamięcią podręczną (ang. cache). System prezentowany w ogłoszeniu ma

dwa rodzaje pamięci podręcznej. Cache pierwszego poziomu (LI) to pamięć mała, bardzo szybka i

wbudowana w mikroprocesor. Przyspiesza ona dostęp do często wykorzystywanych danych. Cache

drugiego poziomu (L2) to zbiór szybkich, wbudowanych układów pamięci, umieszczonych między

mikroprocesorem a główną pamięcią komputera. Zwróć uwagę, że pojemność pamięci cache

wyrażona jest w kilobajtach (KB), co oznacza, że jest ona znacznie mniejsza od głównej pamięci

komputera.

Komputer z ogłoszenia ma dysk 30 GB, a więc obecnie jest już dość mały. Pojemność twardego

dysku nie jest jedynym istotnym czynnikiem. Nawet duży dysk na niewiele nam się zda, jeżeli

będzie działał zbyt wolno. Dysk tego komputera wiruje z prędkością 7 200 obrotów na minutę

(RPM). Jest to dość szybki napęd. Wydajność twardego dysku jest zazwyczaj określana liczbą

milisekund potrzebnych do uzyskania dostępu do zgromadzonych na nim danych. Tak więc

prędkość obrotowa jest tylko jednym z czynników decydujących o całkowitej wydajności dysku.

Istotne znaczenie ma również sposób (interfejs), w jaki łączy się on z resztą komputera. Dysk z

ogłoszenia wykorzystuje interfejs EIDE (ang. enhanced integrated drive electronics). Jest to

opłacalny cenowo interfejs sprzętowy dla urządzeń pamięci masowych. Zawiera on specjalne

obwody zwiększające możliwości komputera w zakresie łączenia się z różnymi urządzeniami, jego

wydajność oraz pojemność pamięci. Większość urządzeń EIDE współdzieli główną magistralę

systemową z procesorem i pamięcią, w związku z czym szybkość przesyłania danych do i z dysku

zależy też od prędkości magistrali.

Podczas gdy magistrala systemowa jest odpowiedzialna za przesyłanie wszystkich danych we

wnętrzu komputera, porty pozwalają przesyłać je do i z urządzeń zewnętrznych, które są do niego

przyłączane. W naszym ogłoszeniu wymienione są trzy różne rodzaje portów: „2 porty USB, 1 port

szeregowy, 1 port równoległy". Większość komputerów ma dwa rodzaje portów: szeregowe i

rów¬noległe. Porty szeregowe przesyłają dane w postaci serii impulsów elektrycznych przez jedną

lub dwie linie danych. Porty równoległe korzystają z przynajmniej ośmiu linii danych, a impulsy

wysyłane są przez wszystkie linie jednocześnie. Reklamowany komputer jest też wyposażony w

specjalne złącze szeregowe, zwane portem USB (ang. universal serial bus). Jest to popularna

magistrala roz¬szerzeń, obsługująca technologię Plug-and-Play (zdolność do automatycznego

konfigurowania urządzeń) i umożliwiająca przyłączanie urządzeń „na gorąco", czyli ich podłączanie

i odłączanie w czasie pracy komputera.

W niektórych komputerach obok głównej magistrali systemowej znajdują się wydzielone

magistrale wejścia-wyjścia. Jedną z nich jest szyna PCI (ang. Peripheral Component Interconnect),

pozwalająca na podłączanie różnorodnych urządzeń peryferyjnych. Została ona opracowana przez

firmę Intel Corporation, jest wydajna i obsługuje standard Plug-and-Play. W ogłoszeniu mowa jest

o dwóch urządzeniach PCI. Jednym z nich jest modem, który pozwala komputerowi łączyć się z

Internetem. Drugie urządzenie to karta dźwiękowa, zawierająca podzespoły wymagane przez

głośniki komputera.

Zaraz za informacją o portach w ogłoszeniu znalazły się parametry monitora: „Monitor 19". Plamka

0,28mm. 1280 x 1024 przy 85 Hz". Monitory nie mają wpływu na szybkość i wydajność

komputerów, ale to od nich zależy w ogromnej mierze komfort pracy użytkownika. Monitor z

ogłoszenia obsługuje częstotliwość odświeżania równą 85 Hz. Oznacza to, że wyświetlany na nim

obraz jest odświeżany 85 razy na sekundę. Jeżeli częstotliwość odświeżania jest zbyt niska, obraz

może migotać lub falować. Powoduje to szybkie zmęczenie oczu, a u niektórych osób po dłuższym

okresie przesiadywania przed monitorem mogą nawet wystąpić bóle głowy. Kolejnym czynnikiem

obciążającym wzrok jest zbyt niska rozdzielczość. Im jest ona wyższa, tym obraz jest

dokładniejszy i przyjemniej się go ogląda. Rozdzielczość jest zdeterminowana przez szerokość

plamki monitora, czyli odległość między daną plamką (pikselem) a najbliższym pikselem tego

samego koloru. Im mniejsza plamka, tym ostrzejszy obraz. W tym przypadku mamy do czynienia

z monitorem o plamce 0,28 mm i z kineskopem z maską szczelinową (AG, ang. aperture grill).

Maska szczelinowa kieruje strumień elektronów rysujących obraz na ekranie na specjalną

fosforyzującą powłokę, wyściełającą wnętrze kineskopu. Monitory z maskami szczelinowymi dają

ostrzejszy obraz niż stare monitory, wyprodukowane z wykorzystaniem standardowych masek

punktowych. Prezentowany monitor współpracuje z kartą graficzną AGP (ang. accelerated graphics

port). Jest to interfejs graficzny opracowany przez firmę Intel specjalnie pod kątem grafiki 3D.W

świetle dotychczas podanych informacji można zastanawiać się, czy nie można by tworzyć

monitorów o dowolnie małej plamce, tak aby dawały one obraz o doskonałej rozdzielczości.

Niestety od wielkości plamki zależy możliwa do osiągnięcia częstotliwość odświeżania. Na przykład

odświeżenie 100 plamek trwa dłużej niż 50. Im mniejsze plamki, tym dłuższy każdy cykl

odświeżania. Eksperci zalecają ustawienie częstotliwości odświeżania na co najmniej 75 Hz. W

przypadku reklamowanego monitora częstotliwość jest o 10 Hz (a więc 13%) większa od

minimum.

Wiedza na temat działania komputera ma istotne znaczenie zarówno dla zwykłych użytkowników,

jak i dla doświadczonych programistów. Jako użytkownik powinieneś być świadomy mocnych i

słabych stron swojego komputera, tak abyś mógł podejmować świadome decyzje na temat jego

zastosowań, a tym samym żebyś korzystał z niego w sposób bardziej wydajny. Z kolei jako

programista powinieneś dokładnie wiedzieć, jak działa Twój sprzęt po to, abyś mógł pisać wydajne

i skuteczne programy. Na przykład tak banalna rzecz, jak algorytm wykorzystywany przez

komputer do odwzorowywania głównej pamięci na pamięć cache czy metoda przeplatania pamięci,

może mieć ogromny wpływ na to, czy będziesz chciał odwoływać się do elementów tablic za

pomocą kolumn czy wierszy.

Wycieczka do wnętrza komputera

Gdy zdejmiesz obudowę komputera, pierwszym elementem, jaki rzuci Ci się w oczy, będzie duże

metalowe pudełko z wentylatorem. To zasilacz. Zobaczysz też różne napędy, w tym twardy dysk,

napęd CD-ROM lub DVD i prawdopodobnie także stację dyskietek. We wnętrzu komputera

znajduje się też wiele układów zintegrowanych, mających postać małych, czarnych kwadratów z

wystającymi nóżkami. Ponadto zauważysz ścieżki elektroniczne (magistrale) i płytki drukowane

(karty rozszerzeń), wtykane w gniazda na płycie głównej. Jest to płytka drukowana, łącząca ze

sobą wszystkie podzespoły komputera, w tym CPU, pamięci RAM i ROM oraz całą gamę innych

potrzebnych komponentów

Płyta główna

Płyta główna (ang. motherboard) jest dla komputera tym, czym układ nerwowy dla człowieka.

Integruje działanie poszczególnych komponentów i umożliwia wzajemną komunikację. Od jakości

płyty głównej zależy bardzo często stabilność systemu i możliwość dalszej rozbudowy komputera.

Kształt płyty głównej oraz rozmieszczenie komponentów dopasowane są do rodzaju obudowy

komputera. Wśród istniejących typów możemy wyróżnić:

PC/XT - pierwszy standard płyt głównych opracowany przez IBM dla pierwszych

komputerów PC. Zyskał niezwykłą popularność ze względu na otwartą architekturę.

AT - następca PC/XT popularny w latach 90., w erze procesorów 386.

Baby AT - nieco zmniejszona wersja płyt AT.

ATX - ewolucja linii "Baby AT", obecnie najpopularniejszy rodzaj płyt głównych.

WTX - płyty główne dla potężnych stacji roboczych. Zwykle przeznaczone do montowania

w nich kilku procesorów i podpinania wielu twardych dysków.

Płyty główne w komputerach przenośnych są silnie zminiaturyzowane i zwykle wytwarzane przez

producenta danego urządzenia. Stąd też koszty ewentualnej naprawy lub rozbudowy laptopów są
tak wysokie.

Na płycie głównej rozmieszczone są złącza oraz gniazda do poszczególnych elementów komputera:

Procesor. Rodzaje istniejących gniazd (nazwa - obsługiwane procesory):

Socket 386 (zwany Socket 0) - AMD 386DX, najpierw tylko na podkładce Jatona.

Socket 1 - 486

Socket 2 - 486

Socket 3 - 486

Socket 4 - Wczesne Pentium (60-66 MHz)

Socket 5 - Pentium

Socket 463 (znany także jako as Socket NexGen) - NexGen Nx586

Socket 6 - 486

Socket 7 - Pentium

Super Socket 7 - AMD K6-2, AMD K6-III

Socket 8 - Pentium Pro

Slot 1 - Celeron, Pentium II, Pentium III

Socket 370 - Celeron, Pentium III, Cyrix III

Socket 423 - Pentium 4, wycofany tuż po wprowadzeniu

Slot A - Wczesny Athlon

Socket 462 (znany także jako Socket A) - Athlon, Duron, Ahtlon XP oraz Sempron

Slot 2 - Pentium II Xeon, Pentium III Xeon

Socket 478 - Pentium 4

Socket 479 - Pentium M

Socket 486 - 486

Socket 563 - Mobile Athlon XP

Socket 603 - Xeon

Socket 604 - Xeon

Socket 775 - (znany także jako LGA 775 i Socket T) - Pentium 4

Socket 754 - Athlon 64 i Sempron

Socket 939 - Athlon 64

Socket 940 - Athlon 64, Opteron

Socket AM2 (znany wcześniej jako Socket M2) - Athlon 64, Athlon 64 x2,

Sempron, Opteron 1xx

Slot 3 - Itanium

PAC418 - Itanium

PAC611 - Itanium 2

Slot B - DEC Alpha

Slot M - Itanium

Pamięć operacyjna

Karty rozszerzeń:

ISA 8-bit - złącze popularne w czasach PC-XT, krótkie, najczęsciej koloru

czarnego.

ISA 16-bit - złącze pojawiło się w PC-AT, jest to 8-bitowa ISA z dołożonym

segmentem. Popularne w 2-3-486, występuje do niektórych Pentiumów III. Można w nich

uruchamiać karty pod 8-bitową ISA. Odwrotnie nie zawsze.

VLB (VESA Local Bus) - stworzone specjalnie dla płyt 486 i kart graficznych,

którym przepustowość 16-bitowej ISA przestała wystarczać. Jest to 16-bitowa ISA z

dołożonym mniejszym i gęstszym segmentem, często brązowym.

EISA - rzadkie złacze w płytach serwerowych 486. Można w nie wkładać karty

ISA, ale i specjalne karty EISA, np. kontrolery wieloportowe (terminalowe) czy kontrolery

SCSI. Wygląda jak piętrowa ISA - na górze ISA, pod nią jeszcze jedna z większą ilością

progów i ograniczników. Najczęsciej koloru brązowego.

AMR - złącze do podłączenia modemu spotykane w niektórych płytach do Pentium

III Czasami jest to slot PCI wlutowany na opak.

PCI - stare złącze o małej przepustowości.

AGP - powszechnie wykorzystywane w urządzeniach wymagających transferu

dużych ilości danych, np. kart graficznych.

PCI Express - następca AGP, oferujący jeszcze większą szybkość transferu

Urządzenia składujące (twarde dyski, napędy optyczne).

Wejście zasilacza.

Porty urządzeń:

Port szeregowy (PS/2, COM, USB) - wykorzystywane do podłączania urządzeń

zewnętrznych.

Port równoległy (Centronics, SCSI, ATA).

Kontrolery poszczególnych złączy rozmieszczone są w tzw. mostach - północnym i południowym.

Pierwszy podłączony jest bezpośrednio do procesora i zawiera kontrolery pamięci oraz układów

graficznych. W południowym znajdują się kontrolery dźwięku, Ethernetu, dysków, portów

itd.Producenci wielu płyt głównych montują na nich zintegrowane układy graficzne i dźwiękowe.

Oferują one jedynie podstawowe możliwości, lecz dzięki nim nie trzeba montować droższych

układów, jeżeli nie są nam one potrzebne. Najważniejszymi układami na płycie głównej są jednak

chipset oraz BIOS. Chipset nadzoruje działanie całej płyty głównej, kontrolując przepływ

informacji. BIOS (ang. Basic Input/Output System) jest niewielkim układem aktywującym się tuż

po włączeniu komputera. Jego zadaniem jest zainicjowanie wszystkich urządzeń do pracy oraz

uruchomienie systemu operacyjnego z dysku twardego albo nośnika optycznego. O ile program

BIOS'a przechowywany jest w pamięci Flash, która nie gubi danych nawet po odłączeniu zasilania,

ustawienia startowe trzymane są w szybszym układzie wymagającym jednak stałej obecności

napięcia. Jest ono podtrzymywane nawet po wyłączeniu komputera przez baterię BIOS. Obecnie

montowane baterie mają trwałość ponad dziesięciu lat i ładowane są automatycznie, gdy komputer

pracuje.

Bateria BIOS zasila także zegar czasu rzeczywistego (RTC). Jest to niewielki układ scalony

odmierzający czas bez względu na stan komputera (uruchomiony, wyłączony). Oprogramowanie

komputera może odczytywać i modyfikować wskazania zegara. Jego obecność jest także

warunkiem istnienia systemów wielozadaniowych, gdzie procesor wykonuje w pewnej stałej

jednostce czasu poszczególne procesy i aplikacje sprawiając wrażenie, że pracują one

równocześnie. Jeżeli w systemie zainstalowany jest więcej, niż jeden procesor, mamy do czynienia

z fizyczną wielozadaniowością.

Procesor (CPU)

Sercem każdego komputera jest procesor zajmujący się wykonywaniem instrukcji wchodzących w

skład programów oraz aplikacji. Jest to niewielki układ scalony zamknięty w hermetycznej

obudowie ze złoconymi wyjściami, montowany na płycie głównej do specjalnego slotu. Angielska

oryginalna nazwa to CPU (od Central Processing Unit).Procesor może komunikować się z innymi

urządzeniami komputera poprzez magistrale danych, stamtąd także pobiera na bieżąco instrukcje

do wykonania. Współczesne procesory rozpoznają ponad pół tysiąca rozmaitych komend. Można

wśród nich wyróżnić:

Komendy skoku - skok do wybranej instrukcji

Komendy arytmetyczne

Komendy logiczne (logika Boole'a)

Komendy kopiowania

Jedną z podstawowych cech procesora jest długość słowa, czyli porcji danych, na której
wykonywane są operacje. Ma to bezpośrednie przełożenie na wydajność układu, ponieważ długość

słowa warunkuje też długość adresu komórki w pamięci operacyjnej. 32-bitowe procesory mogą

obsługiwać pamięci o maksymalnej pojemności 4 GB oraz radzą sobie z liczbami o długości do 32-

bitów. Na rynek wchodzi już jednak generacja układów 64-bitowych z dwa razy dłuższym słowem.

Do komunikacji procesora ze światem wykorzystywany jest zestaw rejestrów, z których każdy ma

długość pojedynczego słowa. Za ich pomocą wprowadzane są instrukcje, ustawiane tryby pracy

oraz dane, na których trzeba operować.

Pojedynczy procesor wykonuje w danym momencie instrukcje tylko jednego programu lub procesu

systemowego. Do zadań systemu operacyjnego należy szybkie przełączanie aplikacji, co daje nam

wrażenie wykonywania się wielu zadań w tym samym momencie. Możliwość tę nazywamy

wielozadaniowością. Dopiero zainstalowanie większej liczby procesorów, na co zezwalają niektóre

płyty główne, daje możliwość fizycznego wykonywania kilku aplikacji w tym samym momencie

dzięki podziałowi zadań.

Teoretycznym wskaźnikiem mocy procesora jest częstotliwość mówiąca, ile instrukcji na sekundę

jest w stanie przetworzyć dany układ. Np. procesor z zegarem 2 GHz powinien w teorii w tym

czasie wykonać 2 miliardy operacji. Jest to jednak założenie wyłącznie teoretyczne. Różne

operacje różnią się czasem wykonywania, a ponadto istnieje cała gama technik pozwalających na

osiągnięcie identycznej wydajności przy wolniejszym zegarze. Sztandarowym przykładem są tutaj

procesory firmy AMD, które mimo zegarów wolniejszych o 500-1000 MHz, mają porównywalną

wydajność, co produkty firmy Intel. Z drugiej jednak strony Intel opracował technologię Hyper

Threading, dzięki której jeden procesor zachowuje się tak, jak dwa i może równolegle wykonywać

dwa procesy.

Na rynku procesorów liczą się obecnie dwie firmy:

Intel - producent procesorów Pentium, Celeron, Centrino, Core, Itanium i Xeon.

AMD - producent układów Duron, Athlon, Sempron i Opteron.

Pamięć operacyjna (RAM)

Pamięć RAM jest pamięcią roboczą komputera, przechowywane są tam dane potrzebne aktualnie

do pracy komputera. Zawartość pamięci RAM jest jednak ulotna i znika po wyłączeniu zasilania

komputera. W odzielną pamięć RAM wyposażona jest karta graficzna, służąca do wyświetlania

grafiki na ekranie komputera.

Pamięć SIMM. Spotykane w komputerach klasy 386, 486 oraz Pentium. Ze względu na charakter

dostępu procesora Pentium do pamięci, wymagane było stosowanie pamięci SIMM w parach przy

współpracy z tym procesorem.

Wyróżniane są następujące typy pamięci SIMM:

SIMM30 - 30-pinowe kostki, współpracujące po dwie lub cztery. Spotykane w

komputerach 286 (b.rzadko) 386 i starszych 486. Po dolutowaniu do nich nóżek można włożyć

je do gniazdek SIPPów.

SIMM72 - Moduły 72-pinowe posiadajace charakterystyczny rowek, spotykane w 486

(bywały jednak 486 posiadające gniazda i SIMM30 i SIMM72) i Pentiumach. IBM stosował je w

późnych 386 (PS/1 Pro) jednakże IBMowskie SIMMy różniły się pod względem organizacji

pamięci od tych dzisiaj spotykanych.

Pamięć SDRAM (ang. Synchronous DRAM), podobnie jak pamięć typu FPM, jest pamięcią typu

DRAM. Pamięć ta pracuje z częstotliwością zewnętrznej magistrali systemowej (a więc

synchronicznie) i charakteryzuje się czasem dostępu rzędu 10 ns. SDRAM-y wyróżnia ponadto

wysoka teoretyczna przepustowość danych - 800 MB/s dla kości typu PC-100 i 1064 MB/s dla PC-

133 [3]. Pamięci SDRAM są wykonywane w postaci 168-pinowych modułów DIMM (ang. Dual In-

line Memory Module), obecnie zasilanych napięciem 3,3 V.

Pamięci RIMM spotykane często w stacjach roboczych (ang. Workstations), charakteryzuja sie

wysoka czestotliwością pracy, lecz długim czasem dostępu. Ich koszt produkcji jest zdecydowanie

większy, niż pamięci DIMM, przez co ich zastosowanie ogranicza sie do komputerów high-end. Na

płycie głównej muszą pracować w parach, a pozostałe sloty muszą zostać wypełnione tzw.

Terminatorami, inaczej pamięć nie będzie działać prawidłowo. Przykładem chipsetu obsługującego

te pamięci jest i840 stosowany w stacji Compaq AP-550 Workstation, oraz i860 stosowany w stacji

Compaq Evo W6000 Workstation.

DDR SDRAM (ang. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) – rodzaj

pamięci typu RAM stosowana w komputerach jako pamięć operacyjna oraz jako pamięć kart

graficznych. Produkcję pamięci DDR SDRAM rozpoczęto w 1999 roku. Jest ona modyfikacją

dotychczas stosowanej pamięci SDRAM (ang. Synchronous Dynamic RAM). W pamięci typu DDR

SDRAM dane przesyłane są w czasie trwania zarówno rosnącego jak i opadającego zbocza zegara,

przez co uzyskana została dwa razy większa przepustowość niż w przypadku konwencjonalnej

SDRAM typu PC-100 i PC-133. Kości zasilane są napięciem 2,5 V a nie 3,3 V, co wraz ze

zmniejszeniem pojemności wewnątrz układów pamięci, powoduje znaczące ograniczenie poboru

mocy.

Stosowane są dwa rodzaje oznaczeń pamięci DDR SDRAM. Mniejszy (np. PC-200) mówi o

częstotliwości, z jaką działają kości. Natomiast większy (np. PC1600) mówi o teoretycznej

przepustowości jaką mogą osiągnąć. Szerokość magistrali pamięci wynosi 64 bity. Przepustowość

obliczana jest metodą:

DDR-200 (PC-1600) – (64 bity * 2 * 100 MHz)/8 = 1,6 GB/s

DDR-266 (PC-2100) – (64 bity * 2 * 133 MHz)/8 = 2,1 GB/s

DDR-333 (PC-2700) – (64 bity * 2 * 166 MHz)/8 = 2,7 GB/s

DDR-400 (PC-3200) – (64 bity * 2 * 200 MHz)/8 = 3,2 GB/s

DDR2 SDRAM (ang. Double Data Rate 2 Synchronous Dynamic Random Access Memory) – kolejny

po DDR standard pamięci RAM typu SDRAM, stosowany w komputerach jako pamięć operacyjna.

Pamięć DDR2 charakteryzuje się wyższą efektywną częstotliwością taktowania (533, 667, 800,

1066 MHz) oraz niższym poborem prądu. Podobnie jak DDR, pamięć DDR2 wykorzystuje do

przesyłania danych wznoszące i opadające zbocze sygnału zegarowego.Pamięci DDR2 budowane

są w obudowach FBGA (ang. Fine-pitch Ball Grid Array). Mogą pracować w temperaturze do

70°C.Moduły pamięci DDR2 nie są kompatybilne z modułami DDR. Obecnie DDR2 obsługiwane są

zarówno przez procesory firmy Intel jak i AMD.

Różnice w stosunku do DDR:

Moduły zasilane są napięciem 1,8 V, zamiast 2,5 V.

Układy terminujące zostały przeniesione z płyty głównej do wnętrza pamięci (ang. ODT,

On Die Termination). Zapobiega to powstaniu błędów wskutek transmisji odbitych sygnałów.

DDR2 przesyła 4 bity w ciągu jednego taktu zegara (DDR tylko 2).

Podwojona prędkość układu wejścia/wyjścia (I/O) pozwala na obniżenie prędkości całego

modułu bez zmniejszania jego przepustowości.

Liczba styków została zwiększona ze 184 do 240.

Wycięcia w płytce pamięci umieszczone są w różnych miejscach, w celu zapobiegnięcia

podłączenia niewłaściwych kości.

Pamięci DDR2 nie są kompatybilne z ich poprzednikami. Wynika to z ilości styków, gęstości ich

rozstawienia, napięcia pracy oraz pewnych zmian konstrukcyjnych.

DDR3 SDRAM (ang. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (ver. 3)) –

nowy standard pamięci RAM typu SDRAM, będący rozwinięciem pamięci DDR i DDR2, stosowanych

w komputerach jako pamięć operacyjna.

Pamięć DDR3 wykonana jest w technologii 90 nm, która umożliwia zastosowanie niższego napięcia

(1,5 V w porównaniu z 1,8 V dla DDR2 i 2,5 V dla DDR). Dzięki temu pamięć DDR3 charakteryzuje

się zmniejszonym poborem mocy o około 40% w stosunku do pamięci DDR2 oraz większą

przepustowością w porównaniu do DDR2 i DDR. Pamięci DDR3 nie będą kompatybilne wstecz, tzn.

nie będą współpracowały z chipsetami obsługującymi DDR i DDR2. Posiadają także przesunięte

wcięcie w prawą stronę w stosunku do DDR2 (w DDR2 wcięcie znajduje się prawie na środku

kości).

Obsługa pamięci DDR3 przez procesory została wprowadzona w 2007 roku w chipsetach płyt

głównych przeznaczonych dla procesorów Intel oraz zostanie wprowadzona w 2008 roku w

procesorach firmy AMD.

Moduły DDR3:

PC3-6400 o przepustowości 6,4 GB/s, pracujące z częstotliwością 800 MHz.

PC3-8500 o przepustowości 8,5 GB/s, pracujące z częstotliwością 1066 MHz.

PC3-10600 o przepustowości 10,6 GB/s, pracujące z częstotliwością 1333 MHz

PC3-12700 o przepustowności 12,7 GB/s, pracujące z częstotliwością 1600 MHz

PC3-15000 o przepustowności 15 GB/s, pracujące z częstotliwością 1866 MHz

Zasilacz

Zasilacz, czyli PSU z ang.(Power Supply Unit), dostosowuje napięcie, prostuje prąd płynący z sieci

(Polska 230V), do potrzeb komputera na złącza ATX i inne. Standardowe napięcia to 3,3V, 5V i

12V, reszta to tzw. napiecia kontrolne, ktore służa do np. załączania zasilacza.Wyróżniamy wiele

złącz wyjśiowych z zasilacza:

24 pin - Obecnie stosowany do zasilania płyt głównych w standardzie ATX

20 pin - W starszych płytach, tez standardu ATX

4 pin - MOLEX do zasilania CD-ROMu, HDD...

6 pin - Stosowany do zasilania regulatorów napięcia na procesorze VMC lub wspomagania

karty graficznej. Port AGP x4 Pro jak i wejście PCI-E pobierają prad z tego złącza.

12 pin AT - dwa wtyki po 6 przewodów zasilających płytę AT. PC XT miał te wtyki

połączone czarnymi przewodami do siebie, jak i należy włączać wtyczki AT.

6 pin PCI AT - złącze w zasilaczach serwerowych klasy Pentium zasilające magistralę PCI.

Wyglada jak jedno złacze zasilania AT, ale posiada wyłącznie pomarańczowe i czarne

przewody.

3 pin AT Power - włącznik zasilacza AT zrealizowany w formie umożliwiającej przejęcie

kontroli nad zasilaczem przez płytę główną. Spotykany w serwerach i high-endowych

komputerach klasy Pentium. Podobne złącze w nowszych komputerach dawało płcie głównej

informacje o działaniu wiatraka.

12-pin XT - stosowane tylko we wczsnych komputerach klasy XT złacze powstające z

połączenia dwóch 6-pinowych złącz AT. Wtyczki od zasilacza AT w nim działają, jednakże

trudno je fizycznie włożyć ze względu na zwartą budowę gniazda.W komputerach stosuje się

tzw. zasilacze impulsowe.

Dysk twardy (HDD)

Dyski twarde HDD (ang. Hard Disk Drive) zostały tak nazwane z powodu swej sztywnej

konstrukcji. Dyski twarde nie zawsze były takie "twarde". Kiedyś, przed przenoszeniem dysku z

miejsca na miejsce, trzeba było zaparkować głowice, czyli uruchomić specjalny program, który

zajmował się przemieszczeniem głowic poza obszar magnetyczny dysku.

Dzisiaj dyski operacje takie wykonują automatycznie, ponadto są bardzo odporne na wstrząsy.

Dyski twarde zawierają w swej obudowie kilka, a nawet kilkanaście talerzy (standardowo 3 talerze

magnetyczne). Talerze wirują prędkością 3600-7200 obrotów na minutę (ang. RPM - Rounds Per

Minute), a niektóre dyski SCSI kręcą się z prędkością 15 000 RPM (250 obrotów na sekundę).

Wewnątrz pyłoszczelnej obudowy dysku twardego znajdują się (oprócz głowicy i talerzy): układy

sterowania silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic (służącym do pozycjonowania)

oraz głowicami zapisu/odczytu, a także inne układy sterowania i kontroli. Dzięki dużej prędkości w

ruchu obrotowym wytwarza się poduszka powietrzna pod głowicą zapisu/odczytu, dlatego łatwo

może ona być utrzymywana w stałej odległości od talerza (głowica nie dotyka dysku podczas

pracy!). Dzięki dużej prędkości obrotowej możliwe jest również uzyskiwanie dużych prędkości

transmisji danych.

Najważniejszymi parametrami dysków twardych są:

szybkość transmisji (transfer) danych,

prędkość obrotowa (5400 RPM, 7200 RPM, 15 000 RPM),

rozmiar pamięci podręcznej - wśród nowych dysków zazwyczaj 8MB,

Średni czas dostępu (ang. average access time) wyrażany w ms (np. 10ms). Na tę

wielkość składają się: średni czas wymagany do umieszczenia głowic nad odpowiednim

cylindrem (ang. average seek time), opóźnienie rotacyjne związane z umieszczeniem głowicy

nad wybranym sektorem, pojemność (popularnie 80 GB).

Należy tu zauważyć, że prędkość dysku zależy od wykorzystywanej technologii transmisji. Dyski

pracujące z magistralą SCSI, wykorzystując szybszy i wydajniejszy interfejs, pracują szybciej,

dyski obsługiwane przez interfejs EIDE, nawet używające trybu UltraAta/100 póki co, nie są w
stanie zagrozić "konkurencji".

Karta graficzna

Karta graficzna jest urządzeniem odpowiadającym za wyświetlanie obrazu na monitorze.

Współczesne karty graficzne oprócz wyświetlania obrazu, pełnią również funkcje akceleracji grafiki

trójwymiarowej, tzn. przejmują część zadań obliczeniowych odciążając tym samym CPU.Łączą się

z płytą główną poprzez złącze PCI, AGP lub PCI Express. Współczesne karty potrafią pracować w

parze z drugą identyczną kartą graficzną (tryb SLI w kartach NVidia, oraz CrossFire w kartach ATI)

dzięki czemu uzyskujemy wzrost wydajności 3D.Wyposażona jest zazwyczaj w szybką pamięć

RAM, w której przechowywany jest aktualnie wyświetlany obraz, a także tekstury (bitmapy

wykorzystywane do pokrywania powierzchni w grafice 3D).

Karta VGA (ang. Video Graphics Array) to standard firmy IBM, opracowany z myślą o aplikacjach

graficznych. Cechą wyróżniającą kartę VGA jest fakt, że wysyła ona do monitora sygnały

analogowe, dzięki czemu zwiększono ilość wyświetlanych kolorów. Zajmuje się tym

wyspecjalizowany układ przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC - ang. Digital Analog Converter),

który jest w stanie przedstawić każdą z barw w postaci określonej liczby poziomów (np. 64).

Standardowy sterownik VGA umożliwia wyświetlanie 25 wierszy znaków w 80 kolumnach (matryca

znaku 9x16). Znak może być wyświetlany w jednym z 16 kolorów, natomiast kolor tła dla każdego

znaku może być inny. W trybie graficznym karta VGA umożliwia wyświetlenie obrazu o rozmiarach

640x480 punktów przy 16 kolorach (wybranych z palety 256 kolorów). Maksymalną liczbę kolorów

- 256 - osiągnąć można przy rozdzielczości 320x200 punktów.

Karta SVGA Karty SVGA (ang. Super VGA) są rozszerzeniem techniki VGA. Sterowniki SVGA

wykorzystują tzw. technikę stronicowania, polegającą na kojarzeniu z niewielkim obszarem

pamięci (oknem), w przestrzeni adresowej, różnych fragmentów większego obszaru pamięci (stron

lub banków). Tak więc, zapis/odczyt adresu położonego wewnątrz okna, powoduje zapis/odczyt

odpowiadającego mu bajtu w banku. Rozmiar banku i okna wynosi zwykle 64 KB. Aby dostać się

do pamięci spoza bieżącego banku, należy zmienić zawartość rejestru sterującego położeniem

banku (ang. Bank Start Adress). Wszystko to po to, aby efektywniej wykorzystać 128 KB

przestrzeni adresowej, którą ma zarezerwowaną procesor na pamięć obrazu.

Dzięki takim, i wielu innym innowacjom, możliwe jest korzystanie z dużej pojemnościowo pamięci,

co umożliwia współczesnym kartom graficznym osiąganie rozdzielczości 1280x1024 i wyższych,

przy palecie kolorów 16.7 mln. (true color). Współczesna karta graficzna to wysoko-

wydajnościowy system mikroprocesorowy, na którego "pokładzie" znajduje się procesor graficzny,

szybka pamięć, magistrala łącząca te dwa elementy (często 64 bitowa), układ przetwornika

cyfrowo-analogowego (RAM-DAC) oraz kontroler CRT (ang. Cathode Ray Tube Controller).

Zadaniem przetwornika cyfrowo-analogowego jest zamiana cyfrowego sygnału karty na analogowy

sygnał RGB, sterujący monitorem. Zadanie kontrolera CRT polega na odczycie danych z pamięci, z

określoną częstotliwością (częstotliwość wyświetlania klatek) oraz na sterowaniu częstotliwością

synchronizacji pionowej (tzw. odświeżania ) i poziomej.

Więcej informacji na temat poszczególnych podzespołów komputera można znaleźć w

książce: "PC HARDWARE. Almanach" wydawnictwa O'Reilly (Helion) autorstwa Roberta

Bruce Thompsona i Barbary Fritchman Thompson.

Polecam również lekturę: "Struktura organizacyjna i architekturowa systemów

komputerowych" Lindy Null wydawnictwa Helion