ELEKTRONICKÉ POČÍTAČOVÉ SYSTÉMY

Transkript

1 STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY, OSTRAVA ELEKTRONICKÉ POČÍTAČOVÉ SYSTÉMY (studijní text) Počítače třídy PC Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2 Obsah 1 Úvod - předmluva K počátkům historie počítačů Charles Babbage Konrad Zuse Vývoj za II. sv. války Harvard Mark I Von Neumann a EDVAC ENIAC EDSAC UNIVAC Počátky výpočetní techniky u nás Von Neumannova a Harvard architektura počítače Popis von Neumannovy architektury Popis Harvard architektury Otázky k probrané kapitole Základní deska Rozložení prvků na desce Zapojení základní desky Informace o základní desce Programy pro zjišťování informací Otázky k probrané kapitole Mikroprocesory Úvod k problematice mikroprocesorů Terminologie procesorů Architektury procesorů Mikroarchitektury procesorů Vlastnosti mikroprocesorů Instrukční sada Systém přerušení Paměť Cache Tepelná ochrana Napájecí napětí Chlazení mikroprocesorů Vnitřní a vnější frekvence Execute Disable Počet jader procesorů Procesory Core řady Intel A co dál? 32 nm technologie Procesory AMD Typy patic procesorů Instalace procesoru Instalace procesoru Intel Instalace procesoru firmy AMD Technologie výroby Komunikace mikroprocesoru s okolím Sběrnice Systémová sběrnice Uspořádání Intel Uspořádání AMD K Periferní (rozšiřující) sběrnice Sběrnice ISA Sběrnice PCI Sběrnice PCI express Informace o chipsetu Identifikace procesorů A ještě k tématu Otázky k probrané kapitole Úvod do problematiky operační paměti RWM RAM pamětí Úvod do problematiky operačních pamětí / 216

3 8.1.1 Účel operační paměti Struktura a funkce paměti Technické parametry DRAM pamětí Instalace a konfigurace paměťového modulu Otázky k probrané kapitole Paměti RAM (praktické cvičení) Hardwarová instalace paměťového modulu Softwarová diagnostika paměti RAM Testování paměťových modulů Vyhodnocení vlastností paměťových modulů Otázky k probrané kapitole Grafické adaptéry Úvod do problematiky grafických adaptérů Účel grafického adaptéru Struktura a funkce grafického adaptéru Technické parametry grafických adaptérů Instalace a konfigurace grafického adaptéru Otázky k probrané kapitole Pevné disky Úvod do problematiky pevných disků Význam pevných disků Fyzická struktura disků Logická struktura disků RAID Instalace a konfigurace disku Otázky k probrané kapitole Pevný disk (praktické cvičení) Hardwarová instalace pevného disku a nastavení BIOS Příprava logické struktury rozdělení a formátování disků Testování disků Vyhodnocení vlastností pevného disku Otázky k probrané kapitole Síťové adaptéry Úvod k síťovým kartám Vzdálené bootování Duplexní provoz MAC adresa Co se nachází na síťové kartě Integrované komponenty základních desek-síťové karty Instalace ovladače Informace o síťové kartě Otázky k probrané kapitole Zvukové adaptéry Úvod do problematiky zvuku Záznam analogového zvuku Co se nachází na zvukové kartě Zvukový procesor řadič zvuku Kodeky Příklady některých komerčních kodeků Operační zesilovače a výstupní obvody Komprese zvuku Formáty ztrátové komprese Formáty bezeztrátové komprese Zvukové karty používané v současných počítačích Audio Codec AC Zvuk HD Zvukové karty s X-Fi Software pro ovládání zvuku API S/PDIF / 216

4 Konfigurace vícekanálového zvuku Instalace zvukové karty Otázky k probrané kapitole Napájecí zdroje Umístění napájecího zdroje Základní rozdělení, blokové schéma Napětí a konektory Chlazení zdroje Spotřeba komponent Otázky k probrané kapitole BIOS Základní informace Funkce BIOS a jeho vrstvy Start systému Setup Paměť CMOS Chybová hlášení Otázky k probrané kapitole Zobrazovací jednotky Účel zobrazovací jednotky Základní dělení zobrazovacích jednotek Struktura a funkce zobrazovacích jednotek Principy technologií použitých ke konstrukci displejů zobrazovacích jednotek Princip CRT zobrazovacích zařízení Princip LCD zobrazovacích zařízení Princip plazmových zobrazovacích zařízení Podrobnější popis funkce vybraných zobrazovacích jednotek LCD Plazmové panely PALCD OLED Technické parametry vybraných zobrazovacích jednotek Samsung 20" SM 2043WM HP 20" L2045w Závěr LCD SAMSUNG PS 42 C 96 HD ECG 42 PHD Závěr Plazma Instalace a nastavení zobrazovací jednotky Instalace zobrazovací jednotky Nastavení zobrazovací jednotky Otázky k probrané kapitole Počítačové skříně Úvod Rozdělení skříní Otázky k probrané kapitole Záložní zdroje UPS Základní problémy s napájením Jak se ochránit před poruchami v elektrické síti Jednotky UPS Základní typy UPS Technické parametry zdrojů UPS Otázky k probrané kapitole Virtualizace PC Úvod do virtualizace PC VMware workstation Vytvoření virtuálního operačního systému Virtual PC Vytvoření virtuálního počítače s Microsoft Virtual PC Některé další produkty pro virtualizaci / 216

5 Otázky k probrané kapitole Souhrn vybraných cvičení Praktické cvičení realizace strukturované kabeláže Sestavení PC, instalace operačního systému, testovací programy Hardwarová instalace grafického adaptéru Zvuková karta praktické cvičení Vytvoření malé sítě s operačním systémem Windows Základní instalace OS Windows server OS Windows 2003-povýšení PC do role řadiče domény Instalace XAMPP Vytvoření bezdrátové sítě Wi-Fi Příloha Literatura / 216

6 1 Úvod - předmluva Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost umožňuje rozvíjet vzdělanostní společnost za účelem posílení konkurenceschopnosti ČR prostřednictvím modernizace systémů počátečního, terciárního a dalšího vzdělávání včetně propojení do komplexního systému celoživotního učení. Řešitelem projektu je společnost RPiC-VIP Ostrava, s. r. o., a dále v pozici partnera 14 odborných středních škol z Moravskoslezského kraje. Mezi partnery patří i Střední průmyslová škola elektrotechniky a informatiky, Ostrava. Hlavním cílem, který si řešitel s partnery ze středních škol stanovili, je zlepšení podmínek pro výuku technických oborů včetně motivace žáků k technickému vzdělávání. Projekt je sestaven z několika základních pilířů, mezi které patří i tvorba nových studijních materiálů. Vážený čtenáři, studijní text, který se Vám dostal do rukou, je výstupem projektu Podpora odborného vzdělávání na středních školách Moravskoslezského kraje. Partneři projektu se zavázali vytvořit celkem 28 nových studijních materiálů, které budou implementovány do procesu vzdělávání. V rámci citovaného projektu jsou autory vytvořeny a předloženy studijní opory, které jsou určeny všem studentům, zejména však studentům třetích a čtvrtých ročníků předmětu Elektronické počítače a jsou koncipovány jako materiál pro teoretické hodiny. Druhý díl opory je určen hodinám cvičení a praxe. Poděkování patří všem, kteří se spolupodíleli na tvorbě studijního materiálu, oponentuře obsahu i jazykové korekci, zejména však Ing. Janu Hořínkovi, Ing. Ladislavu Škapovi a Ing. Janu Patschkovi. Ing. Josef Lukosz koordinátor projektu na Střední průmyslové škole elektrotechniky a informatiky, Ostrava Ostrava prosinec / 216

7 2 K počátkům historie počítačů 2.1 Charles Babbage Za tvůrce prvního počítače je všeobecně pokládán anglický matematik Charles Babbage. V roce 1822 sestrojil diferenciální stroj pro výpočet hodnot kvadratických polynomů; později návrh rozšířil až na výpočet polynomů 10. stupně, ale pro technické problémy nebyl diferenciální stroj nikdy dokončen. V roce 1834 Babbage navrhl programově řízený mechanický číslicový počítač, který nazval analytický stroj. Jeho koncepce již v podstatě odpovídala běžným počítačům měl aritmetickou jednotku, paměť, vstupní jednotku a tiskárnu. Program však nebyl uložen v paměti, ale čten zvláštním snímačem. Přestože nebyl nikdy plně realizován, předběhl tehdejší dobu nejméně o 100 let a je považován za první univerzální počítač. 2.2 Konrad Zuse Ve třicátých a čtyřicátých letech dvacátého století vzniklo v dílně německého leteckého inženýra Konrada Zuse postupně několik počítačů. Nesly označení Z1 (1938, mechanický na horním obrázku spolu se svým konstruktérem), Z2 (1939, reléově-mechanický), Z3 (1941, reléový spodní obrázek) a Z4 (1944, reléově-mechanický). Stroj Z3 byl prvním funkčním reléovým volně programovatelným počítačem vůbec. 7 / 216

8 2.3 Vývoj za II. sv. války Také počítačům začaly vlády na počátku druhé světové války věnovat nebývalou pozornost. Zvýšená podpora vývoje výpočetní techniky a jejího potenciálního využití podstatným způsobem urychlila technický pokrok. Závod s časem o co nejlepší a nejvšestrannější počítač se odehrával nejenom ve Spojených státech a ve Velké Británii, ale samozřejmě i v nacistickém Německu. Zvláštní skupinou výpočetních systémů té doby byly šifrovací a dešifrovací stroje, které si vynutily válečné okolnosti. 2.4 Harvard Mark I V roce 1943 byl ve vývojových laboratořích IBM dokončen pod vedením Howarda Aikena elektromechanický počítač Mark I. Svým návrhem sice zaostával i za Babbageovým analytickým strojem, nicméně byl sestrojen a fungoval. Za rok byl darován Harvardské univerzitě (odtud jeho jiné označení Harvard Mark I). A jak vypadal a co uměl? Byl dlouhý téměř šestnáct metrů, vážil 5t a celkem obsahoval na tři čtvrtě miliónu součástek a něco málo přes 800 km drátových spojů. Mark I. byl elektronický reléový počítač, to znamená, že používal elektrické impulsy k tomu, aby hýbal s mechanickými částmi. Byl pomalý (tři až pět sekund na početní operaci). Aritmetika pracuje s pevnou desetinnou čárkou, pomocí výměnných desek je možno určovat počet desetinných míst. Příslušenství vstupu a výstupu zahrnuje čtečku a děrovačku děrných štítků, čtečku papírových pásek a několik tiskáren (psacích strojů). Každá ze šedesáti sérií otáčivých přepínačů může být použita jako pevný registr. Mark I. si program načítal z jedné papírové pásky, data potom z papírových pásek, děrných štítků nebo z pevných registrů (nepřipouštěl však podmíněné skoky). Jeho paměť byla založena na využití zbytkového náboje na stínítku CRT po dopadu elektronového paprsku, což je relativně dost nespolehlivé, ale poměrně levné a celistvější než cokoliv předtím. V následujících letech byl Mark I. mírně pozměněn tím, že připouštěl přechod mezi programovými páskami. Realizoval tedy jakýsi druh podmíněného podprogramového volání. Další úprava umožnila přidat podprogramy na výměnných deskách, které byly vyvolatelné z programu na papírové pásce. 2.5 Von Neumann a EDVAC Rok 1945 se stává rokem velkých počítačů" - v červnu maďarsko-americký matematik a chemik John von Neumann navrhl a popsal koncepci prvního počítače s uloženým programem, který byl později postaven pod názvem EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Tím dal základ dnes běžně používanému pojmu počítač s von Neumannovou architekturou". U tohoto přístroje je postup programu, stejně jako data, která mají být zpracována, kódován a uložen do paměti počítače. Program, sestávající ze sledu jednotlivých příkazů, obsahuje podmíněné příkazy, které umožňují zpětná a dopředná rozvětvení. Každý programový příkaz může být strojem změněn jako každý jiný operand. Tímto způsobem práce předstihuje tento stroj všechny dosavadní počítače. 8 / 216

9 2.6 ENIAC A: Napájení zdroje, B: Hlavní oscilátor (100 khz), C, E: Vychylovací obvody pro obrazovku, D: Obvody výběru adresy, F: Monitor zobrazující obsah paměti, G: Ovládací pult, H: Vysoko napěťový zdroj pro obrazovky, I: Generátor pulsů pro jednotlivá dekadická místa, J: Generátor časovacích signálů, K: Přenosný osciloskop, L: 6 paměťových obrazovek, M: Obvody pro regeneraci paměti, N: Odčítačka, P: Výběrové obvody a hradla, Q: Sčítačka, R: Násobička V roce 1945 byl na Elektrotechnické fakultě Pensylvánské univerzity uveden do provozu ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) první (elektronkový) univerzálně programovatelný stroj na zpracování informací (neboli samočinný počítač). Rodištěm stroje ENIAC se stala Moore School of Electrical Engineering, část univerzity of Pennsylvania ve Filadelfii, kde se realizoval tajný projekt Balistických laboratoří americké armády - ty měly v úmyslu postavit počítač využitelný při sestavování dělostřeleckých zaměřovacích tabulek. Již u tohoto projektu se objevily dva základní problémy, se kterými se jeho tvůrci potýkali i později, a to nesplnění časového plánu a pak překročení rozpočtu. ENIAC nebyl hotov ani do konce druhé světové války, přestože měl být nasazen již v jejím průběhu, a původně plánované náklady byly překročeny o 225 %. ENIAC obsahoval elektronek a kolem pěti miliónů pájených spojů, vážil kolem 30 tun a zabíral plochu asi 310 m 2. Jeho spotřeba elektrické energie se pohybovala okolo 140 kw (tolik tehdy potřebovala na své osvětlení značná část Filadelfie). 2.7 EDSAC Během let vznikl na MIT (Massachusetts Technical Institute) postupně Whirlwind, který pro Úřad amerického námořnictva pro výzkum a vynálezy se svým týmem zkonstruoval Jay W. Forrester. V původní podobě (během uvedených let se neustále zdokonaloval) měl elektronek a krystalových diod a zabíral plochu o rozloze 775 m 2. CRT paměť (Cathode Ray Tube Memory) a kapacitě bitových slov spotřebovala každý měsíc elektronky v hodnotě 32 tisíc dolarů. Whirlwind prováděl v průměru půl milionu součtů a padesát tisíc součinů za sekundu. Na jaře 1949 Jay W. Forrester zkonstruoval paměť založenou na principu magnetických jader s drátovou mřížkou pro adresaci jádra v podobě, v jaké byly později tyto paměti běžně používány. V letech tato paměť nahradila u Whirlwidu původní paměť CRT a vyřadila z konkurenčního boje ostatní typy pamětí. 9 / 216

10 2.8 UNIVAC Eckert a Mauchly dokončili v březnu 1951 UNIVAC - první počítač ve Spojených státech, který si mohl kdokoli (kdo na to měl) zakoupit. Ultrasonická paměť měla kapacitu tisíce dvanácticiferných slov a umožňovala provádění součtů či 555 součinů za sekundu. Jako sekundární paměť byly použity magnetické pásky z poniklovaného bronzu o šířce 1,27 cm, které na každých 2,5 cm délky uchovávaly 128 znaků. 2.9 Počátky výpočetní techniky u nás Dnešní uživatelé výpočetní techniky se mohou pousmát nad některými níže prezentovanými obrázky, ale nebýt rozvoje v posledních desítkách let, nesetkávali bychom se s výpočetní technikou na každém kroku: ve škole, v zaměstnání, veřejném životě Počátky výpočetní techniky v bývalém Československu jsou spojeny s pracovištěm, které neslo název Výzkumný ústav matematických strojů. Zde vznikl první československý samočinný počítač (SAPO) i naše další počítače první, druhé i třetí generace. SAPO (samočinný počítač) byl dokončn ve druhé polovině padesátých let jako první reléový počítač nulté generace. Obsahoval celou řadu unikátních prvků, po krátké době havaroval a nevyplatilo se jej opravovat. Dalším úspěšně dokončenčeným počítačem byl EPOS, kdy byly u první verze součástkovou základnou elektronky. Obsahovala také celou řadu unikátních prvků, byl čistě dekadický (12 dekadických číslic na slovo) a multiprogramování bylo řešeno výhradně hardwarovými prostředky, měl důkladné zajistění vůči chybám paměti. 10 / 216