Архитектура рачунарског система

Архитектура рачунарског система

Централна јединица

Централна јединица се састоји  од кућишта у коме се налазе:

  • основна (или матична) плоча (system board, motherboard, main-board),
  • контролери,
  • портови,
  • дискови (јединице спољашњих меморија),
  • графичка картица и
  • извор напајања.

Погледајте ове видео записе:

 

 


Поред ових делова унутар кућишта постоји и одређен број празних утичница (”слотова”) на које се могу укључити и друге картице као, на пример, факс/модем и мрежна картица.

Кућишта (case) код стоних (desktop) рачунара се према облику деле на:

  • desktop кућишта (хоризонтално постављена, обично је на њима монитор)
  • tower кућишта (вертикално постављена)

Вертикална кућишта се према величини деле на:

  • велика (big tower)
  • средња (mid tower)
  • мала (small tower)

На основној плочи налазе се прикључна места за процесор, меморију, магистрала, скуп чипова који контроличе рад рачунара и прикључци (слотови) за додатне картице. Поред тога, на основној плочи могу се налазити и контролери за дискове и дискетне јединице и прикључци за повезивање рачунара са другим уређајима (портови).

Процесор (CPU, Central Processing Unit) је основна јединица (основни уређај) сваког рачунара. Он управља радом рачунара и извршава све аритметичке (рачунске) и логичке операције односно наредбе које су задате програмом.

Процесор се састоји од:

  • аритметичко – логичке јединице (ALU – Arithmetic Logic Unit) која извршава аритметичке и логичке операције
  • контролно – управљачке јединице (CU – Control Unit) која контролише проток података кроз рачунар и управља рачунаром

Видети функционалну организацију хардвера

Карактеристике процесора су одређене његовом архитектуром, а то су:

  • брзина процесора,
  • дужина процесорске речи,
  • радни такт и
  • интерни кеш.

Брзина процесора изражава се у милионима операција које процесор може да обради у једној секунди – MIPS-овима (Miollion Instructions Per Second) или MFLOPS-има (Million Floating Point Operations Per Second).

Процесор није саставни део основне плоче, него се на основној плочи само налазе конектори за његово прикључивање. Због велике брзине рада долази до великог загревања процесора па се на њега монтира додатни вентилатор који га хлади.

Познато је да су подаци ускладиштени у рачунару у регистрима који се састоје од одређеног броја битова (8, 16, 32, 64, 128… бита). Дужина процесорске речи је број битова који се једновремено преноси и обрађује унутар процесора.

Радни такт
 је учесталост импулса које генерише сат – специјално електронско коло којима се иницирају операције процесора. Мери се у GHz.

Меморија

Меморија је простор у рачунарском систему у коме су ускладиштени подаци и програми.

Постоје вишеструки критеријуми за поделу меморија.

Основна подела подразумева физички положај односно место где се налазе:

  • Унутрашње меморије се налазе на матичној плочи (електронске компоненте)
  • Спољашње меморије се налазе ван матичне плоче (носачи података)

 

Унутрашње меморије

На основној плочи налазе се три типа унутрашњих меморија:

  • кеш (cache memory),
  • ROM и
  • RAM

Видети функционалну организацију хардвера

Капацитет меморије изражава се бројем бајтова, односно већим јединицама: кило и мегабајтима.

Кеш меморија(cache memory) је врло брза меморија која се налази у самом процесору (интерни кеш) или уз њега (екстерни кеш). Ова меморија има вишеструко брже време приступа од обичне меморије. Због тога се у њој држе подаци који се често користе. Приликом првог захтева за подацима они се копирају из главне RAM меморије  у кеш. Када су следећи пут потребни исти подаци, процесор их прво потражи у овој меморији. Ако су подаци ту, процесор им приступа много брже.

ROM (Read Only Memory) представља статички део меморије који може само да се чита. Њен садржај се не губи по искључењу рачунара. Користи се за ускладиштавање програма и података који су често потребни, на пример, за инструкције за покретање рачунара при укључивању.

RAM (Random Access Memory) представља највећи део меморије и у њу корисник може да уписује садржај и да га чита. У њој се за време рада рачунара налазе програм и подаци са којима рачунар тренутно ради. По искључењу рачунара садржај ове меморије се губи. Дакле, она је радна или оперативна меморија. Важна карактеристика меморије је и време приступа, тј. време које протекне између захтева меморији за податком и добијања податка из меморије. RAM меморија није саставни део основне плоче, него се на основној плочи налазе конектори (меморијски слотови) на које се она прикључује у облику меморијских модула: DIMM (dual in-line memory module). Некада су се користили SIMM (single in-line memory module)

Бафери (buffer) су делови RAM меморије које неки програми алоцирају за своје потребе. На пример, ако рачунар не може довољно брзо да обрађује податке који му се достављају, они се привремено депонују у бафер док не стигну на обраду, да се не би прекидао процес уношења. Слично, при штампању, ако штампач на може довољно брзо да одштампа податке, они се шаљу у бафер, где чекају у реду за штампу.

 

Спољашње меморије

Спољашње меморије се налазе ван матичне плоче и служе за трајно складиштење података.

Код спољашњих меморија разликујемо две компоненте:

  • јединицу спољашњих меморија (уређај који чита и/или уписује податке на ту спољашњу меморију)
  • саму спољашњу меморију (носач података)

Код неких спољашњих меморија те две компоненте су у једној целини (хард диск, флеш).

  • Хард диск (HDD – Hard Disk Drive) је главна спољашња меморија фиксирана у кућишту на којој су инсталирани програми и на коју се снимају подаци. Када се неки програм покрене, он се са хард диска учитава у радну (оперативну) меморију рачунара. Када се у програму обраде подаци, резултати те обраде одн. фајлови се снимају на хард диск. Подаци се снимају магнетним путем, у концентричним круговима (цилиндрима) на површини тврдих округлих плоча (дискова). Данашњи хард дискови имају капацитет од по неколико TB.
  • SSD (Solid State Drive, Solid State Disk) је све доминантнији тип хард диска који нема покретне механичке компоненте и на који се подаци уписују електронским путем попут флеш меморије. SSD је знатно бржи и скупљи од класичног хард диска али има мањи капацитет.
  • Поред интерног хард диска који је фиксиран у кућишту и има улогу главне спољашње меморије постоје и преносиви тј. екстерни хард дискови.
  • Дискета (FD – Floppy Disk) је превазиђена и готово заборављена спољашња меморија али овде је помињем због велике примене у прошлости. Радила је магнетним путем и постојале су дискете пречника 5,25 ” od 1,2 MB и дискете пречника 3,5 ” od 1,44 mb. Уређај за дискету је Floppy Disk Drive који чита и уписује податке на дискету. (” је инч = 2,54 cm)
  • CD (Compact Disc) je оптичка спољашња меморија што значи да се подаци уписују и бришу ласером. Постоје CD-R  дискови (Recordable) код којих се подаци могу снимити само једном i CD-RW diskovi (Rewritable) који се могу више пута уписати и обрисати. Уређаји за CD одн. јединице су: CD Reader (читач који само чита податке са CD-a) i CD Writer (чита и уписује податке на CD). Меморијски капацитет CD-a је od 650 do 870 MB, најчешћи у употреби је био 700 MB.
  • DVD (Digital Versatile Disc, Digital Video Disc) je унапређена оптичка спољашња меморија, наследник CD-a, која има капацитет од 1,46 do 17,08 GB, најчешћe у употреби  4,7 GB. Постоје DVD-R  дискови (Recordable) код којих се подаци могу снимити само једном i DVD-RW diskovi (Rewritable) који се могу више пута уписати и обрисати. Уређаји за DVD одн. јединице су: DVD Reader (читач који само чита податке са DVD-a i CD-a), DVD Writer (чита и уписује податке на DVD i CD), DVD Combo (чита податке са DVD-a i CD-a a уписује податке само на CD)
  • Флеш (Flash) је преносива меморија која се прикључује преко USB порта на коју се уписују подаци електронским путем. Она је посебан вид EEPROM memorije. Mеморијских je капацитета од 4, 8, 16, 32, 64, 128 GB
  • Меморијскa картице (Memory Card или Мemory Cartridge) је носач података који поред рачунара има примену и код дигиталних фотоапарата и мобилних телефона. Најзначајнији стандарди одн. типови су SDHC (Secure Digital High Capacity) , mini SD, micro SD, CompactFlash (CF), MultiMediaCard (MMC). Ради на истом принципу као и флеш али има свој уређај (Memory Card Reader). Mеморијских je капацитета од 4, 8, 16, 32, 64, 128, 200 GB

 

Са аспекта сталног присуства података одн. трајности података све меморије можемо поделити на:

  • Volatile (несталне, испарљиве) меморије које губе свој садржај када се компјутер искључи (све унутрашње меморије осим ROM-a)
  • Non – Volatile (сталне, неиспарљиве) меморије у којима се подаци налазе и након искључивања рачунара (ROM и све спољашње меморије)

 

Oсновна подела меморије обично се врши на основу брзине приступа. По овом критеријуму меморије се могу поделити у четири групе:

  • Регистри;
  • Кеш меморија;
  • Примарна меморија;
  • Секундарна меморија.

На врху лествице (слика 5.1.) налазе се регистри. То су меморијске ћелије уграђене у процесор и у њима се налазе подаци које процесор тренутно обрађује. На пример, ако је потребно извршити аритметичку операцију над два броја, ти бројеви се најпре смештају у регистре. Регистри су меморија која привремено чува податке.

Кеш меморија је веома брза меморија која такође чува податке привремено и представља бафер змеђу примарне меморије и процесора. Наиме, кеш меморија обично садржи делове података за које се претпоставља да ће их процесор често користити. На овај начин се смањује број приступа споријим меморијама чиме се повећава искоришћеност процесора и побољшава ефикасност система. Кеш меморија се обично налази у самом процесору, али се делови могу наћи и ван њега..

Примарна (главна) меморија садржи инструкције и податке са којима процесор тренутно оперише, па се из тог разлога још назива радном меморијом. Брзина ове меморије није као код кеш меморије, али је значајно бржа од секундарне меморије. Посебна врста примарне меморије је RAM меморија (Random Access Memory). Овај назив се односи на то да процесор може директно да приступи било ком делу RAM меморије, при чему време приступа не зависи од локације и садржаја података. У рачунарству се термин „меморија“ обично односи на ову врсту меморије. То је меморија која привремено чува податке и без које рачунар не може да функционише. Друга врста примарне меморије је ROM меморија (Read Only Memory). За разлику од RAM-а, ROM чува податке када је рачунар искључен. Могуће је само читање података из РОМ-а. Многи рачунари поседују малу количину ROM меморије која садржи критичне програме који служе за покретање оперативног система.

Секундарна меморија не губи садржај након престанка рада рачунара, па се због тога користи за трајно чување података. Да би процесор приступио подацима из секундарне меморије, најпре је потребно да се они учитају у радну меморију. Због тога се секундарна меморија назива и спољашња (екстерна) меморија. Примери секундарне меморије су хард диск, CD, DVD итд. Време приступа подацима из ове меморије зависи од њихове локације. Секундарна меморија није неопходна за рад рачунара.

Меморија се састоји од низа меморијских ћелија које могу да сачувају најмању количину података – бит. Битови се организују у бајтове – групе од по 8 битова. На већини рачунара ово је најмања адресибилна јединица, што значи да сваки бајт има своју адресу и може му се директно приступити.

image001

Kонтролна јединица, магистрале, портови

Контролна јединица управља целокупним радом рачунара, одређује која је наредба следећа на реду за извршавање, узима је из меморије, интерпретира, и издаје одговарајуће наредбе процесору и контролише њихово извршење. Контролна јединица је реализована на основној плочи сетом чипова који имају одговарајуће улоге.

Магистрала (bus) је комуникациони пут састављен из електричних кола помоћу којих се размењују информације међу компонентама.
У рачунару постоје три кључне магистрале:

  • магистрала података (data bus) – користи се за размену података између процесора и меморијских локација,
  • адресна магистрала (address bus) – преноси адресе које генерише процесор, којима се специфицирају меморијске локације на које се уписују подаци или са којих се читају подаци ради обраде,
  • контролна магистрала (control bus) – служи за пренос управљачких и контролних сигнала од процесора ка компонентама и обрнуто.

Прикључци (слотови) служе за прикључивање додатних уређаја. Састоје се од утичница на које се прикључују контролери различитих јединица или саме јединице (картице), нпр.звучна картица.

Портови су прикључна места која служе за повезивање осталих уређаја који имају стандардизоване прикључке. Постоје серијски и паралелни портови. Код серијских портова битови једног бајта излазе кроз порт један по један. А код паралелних портова сви битови једног бајта излазе истовремено паралелним путем. Због назначене особине паралелни портови су бржи од серијских. USB порт (Universal Serial Bus) је серијски порт намењен за повезивање периферних уређаја.

Графичка картица је уређај који податке ускладиштене у рачунару у дигиталном облику претвара у одговарајуће аналогне сигнале који контролишу приказивање слике на екрану. С обзиром на то да су екрани који се користе за персоналне рачунаре, за приказивање слике на екрану користи се техника позната под именом битмапирање. Код ове технике сваком пикселу на екрану придружује се један бит или више битова у меморији.

Kод монохроматских монитора довољно сваком пикселу екрана придружити један бит у ком се меморише јединица, ако је пиксел осветљен, или нула, ако није. Код монитора у боји број битова који се придружују једном пикселу зависи од броја боја које се желе приказати на екрану.

Ако се једном пикселу придружи 8 битова, он може да прикаже 28 (или 256) различитих боја. Са придружених 16 битова један пиксел може да прикаже 216 (или 65.536) различитих боја (High Color), а са придружених 24 бита један пиксел може да прикаже 224 (или 16,777 милиона) различитих боја (True Color).

Да се за ове сврхе не би трошила меморија рачунара, графичка картица има сопствену меморију. Капацитет ове меморије зависи од производа броја пиксела на који је подељен екран (резолуције) и броја боја по пикселу који се жели приказати.

Извор напајања је важан део кућишта. Он обезбеђује електричну енергију за напајање свих компоненти унутар кућишта и због тога мора да има довољан капацитет да омогући напајање постојећих компонената и евентуалних каснијих проширења.

Улазне јединице

Улазни уређаји су сви они уређаји (тастатура, миш, трекбол, тачпед, џојстик, графичка табла, скенер, микрофон, камера, фотоапарат итд.) који омогућују унос података или програма из околине у рачунар.

Подаци могу бити звук, слика, покрет, температура, готово увек су у облику непогодном за директан унос у рачунар. Те податке треба одговарајућим конверторима и склоповима претворити у електричне сигнале прихватљиве рачунару.

Тастатура је примарни уређај за уношење података у рачунар. Број тастера зависи од врсте и намене тастатуре (84-101). Основне групе тастера су: алфанумерички, нумерички, за померање курсора, функционални и контролни тастери (Esc, Ctrl, Shift, Tab). Код појединих модела постоје додатне групе тастера који се користе за уобичајене задатке карактеристичне за оперативни систем коме је намењена тастатура (zoom фотографија, управљање мултимедијалним садржајем).

Миш је уређај за показивање и избор објеката на екрану. Са доње стране се налази механизам за регистровање померања по радној површини. Некада је механизам био механичко – електронски, док се у данашње време заснива на оптици (LED или ласерски) и не садржи покретне делове. Са горње стране се налазе командни тастери.

Излазне јединице

Монитор је важан део рачунара јер се преко њега врши комуникација корисника са рачунаром. Он даје на увид кориснику шта рачунар ради. Када корисник уноси податке, они се приказују на екрану.

Монитори се могу класификовати према коришћеној технологији на:

  • CRT (Cathode Ray Tube) – монитори са катодном цеви. Код њих слика настаје ударом електронског млаза у фосфоресцентни заслон екрана тако да тачка која је ударена засветли. Брзим кретањем електронског млаза и честим обнављањем његовог прелаза преко екрана добија се слика.
  • LCD (Liquid Crystal Display) – монитори се течним кристалом. Течни кристал је желатинозна маса, која је смештена између електрода. Под деловањем напона на електроде, честице кристала се оријентишу у одређеном смеру пропуштајући само одређени део светлосног спектра. Пропуштањем жељеног дела спектра и блокирањем нежељеног одређује се интензитет и боја светлосног елемента (пиксела).
  • LED (Light Emitting Diode) – монитори са светлосним диодама. Диоде су поређане у облику мреже (свака диода је један пиксел). У зависности од примљеног сигнала, свака диода засветли одговарајућим интезитетом светла чиме се формира слика на екрану.
  • GPD (Gas Plasma Display) – монитори са гасном плазмом. Састоје се од минијатурних сијалица напуњених гасом, послаганих у мрежу између две стаклене плоче.

Mонитори се деле на:

  • монохроматске мониторе (цела површина екрана је у једној боји, а слова, цртежи или слике у различитим интезитетима друге боје) и
  • мониторе у боји – колор мониторе (сваки пиксел се састоји из три основна пиксела боја RGB.

Монитори се разликују и по њиховој величини, која се мери, као и код телевизијских пријемника, дијагоналом екрана (ова величина се изражава у инчима 1” = 2,56цм): 15”, 17”, 19”, 21”, 22”…

Штампачи (принтери) су излазне јединице за прављење текстуалних и графичких докумената. Засновани су на три основне технологије и деле се на:

  • матричне,
  • ласерске, и
  • штампаче са млазницама (инк-јет).

Матрични штампачи су најстарији. Раде на истом принципу као и писаће машине. Глава штампача удара преко траке по папиру и оставља траг на месту ударца. Глава за штампање састоји се од ударних иглица које су тако сложене да могу нацртати било који знак померањем главе налево или надесно. Постоје три врсте глава за матричне штампаче са: 9, 18 и 24 иглице. Брзина штампања ових штампача изражава се у броју знакова у секунди (cps – characters per second) и зависи како од штампача, тако и од квалитета отиска који се жели добити. Предности ових штампача су релативна једноставност, ниска цена штампача и потрошног материјала. Недостаци су мала брзина штампања, бучност, а карактер графике ограничен је на ниво информативног.

Ласерски штампачи имају извор ласерских зрака који мења интезитет у зависности од добијеног сигнала. Када је ваљак изложен ласерском зраку, набој на ваљку се мења, што делује на тонер. Тонер се преноси на папир и тако настаје слика. Начин рада ових штампача сличан је раду машина за фотокопирање. Брзина штампања изражава се бројем страна у минуту (најчешће 12 до 16). Предности су највећа брзина штампања, добра резолуција и најбољи контраст. Ови штампачи поред текста омогућавају и квалитетно штампање цртежа и слика.

Штампачи са млазницама раде слично матричним, само што немају траку, а уместо главе за штампање имају цевчице кроз које под притиском избацује загрејано мастило. Приликом додира са папиром, мастило се хлади и стврдњава. Број млазница одређује квалитет отиска. Типичан штампач има 48 млазница. Предности ових штампача су велика резолуција, добар контраст, тишина при раду, брзина већа од матричних, али мања од ласерских, знатно бољи изглед графике и релативно ниска цена самог штампача и могућност штампања у боји.

Oстале јединице

Скенери су уређаји који преносе слику у рачунар у облику растера (битмапа). Појављују се у различитим облицима: као ручни, аутоматски или као скенери великог формата. Скенер прелази постепено преко слике. Из светлосног извора емитује светлост која се рефлектује од слике и прима оптичким делом уређаја који региструје интезитет и боју одговарајућег пиксела на слици.

Плотери су специјализовани уређаји за цртање квалитетнијих цртежа и/или цртежа већих димензија. Према начину рада, плотери се могу поделити на векторске и растерске. Векторски плотери су плотери са перима, а растерски су фотоплотери, електростатички и термални.