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
Obsah 1 Úvod - předmluva... 6 2 K počátkům historie počítačů... 7 2.1 Charles Babbage... 7 2.2 Konrad Zuse... 7 2.3 Vývoj za II. sv. války... 8 2.4 Harvard Mark I... 8 2.5 Von Neumann a EDVAC... 8 2.6 ENIAC... 9 2.7 EDSAC... 9 2.8 UNIVAC... 10 2.9 Počátky výpočetní techniky u nás... 10 3 Von Neumannova a Harvard architektura počítače... 13 3.1 Popis von Neumannovy architektury... 13 3.2 Popis Harvard architektury... 14 3.2.1 Otázky k probrané kapitole... 14 4 Základní deska... 15 4.1 Rozložení prvků na desce... 15 4.1.1 Zapojení základní desky... 18 4.2 Informace o základní desce... 18 4.2.1 Programy pro zjišťování informací... 19 4.3 Otázky k probrané kapitole... 19 5 Mikroprocesory... 20 5.1 Úvod k problematice mikroprocesorů... 20 5.1.1 Terminologie procesorů... 21 5.2 Architektury procesorů... 24 5.2.1 Mikroarchitektury procesorů... 25 5.3 Vlastnosti mikroprocesorů... 27 5.3.1 Instrukční sada... 27 5.3.2 Systém přerušení... 28 5.3.3 Paměť Cache... 28 5.3.4 Tepelná ochrana... 29 5.3.5 Napájecí napětí... 29 5.3.6 Chlazení mikroprocesorů... 30 5.3.7 Vnitřní a vnější frekvence... 30 5.3.8 Execute Disable... 31 5.3.9 Počet jader procesorů... 31 5.3.10 Procesory Core řady Intel... 32 5.3.11 A co dál? 32 nm technologie... 35 5.3.12 Procesory AMD... 35 5.3.13 Typy patic procesorů... 37 5.4 Instalace procesoru... 40 5.4.1 Instalace procesoru Intel... 40 5.4.2 Instalace procesoru firmy AMD... 41 6 Technologie výroby... 43 7 Komunikace mikroprocesoru s okolím... 49 7.1 Sběrnice... 49 7.1.1 Systémová sběrnice... 49 7.1.2 Uspořádání Intel... 50 7.1.3 Uspořádání AMD K8... 51 7.2 Periferní (rozšiřující) sběrnice... 52 7.2.1 Sběrnice ISA... 52 7.2.2 Sběrnice PCI... 53 7.2.3 Sběrnice PCI express... 55 7.3 Informace o chipsetu... 56 7.4 Identifikace procesorů... 56 7.4.1 A ještě k tématu... 57 7.5 Otázky k probrané kapitole... 58 8 Úvod do problematiky operační paměti RWM RAM pamětí... 59 8.1 Úvod do problematiky operačních pamětí... 59 2 / 216
8.1.1 Účel operační paměti... 59 8.1.2 Struktura a funkce paměti... 60 8.1.3 Technické parametry DRAM pamětí... 64 8.1.4 Instalace a konfigurace paměťového modulu... 66 8.1.5 Otázky k probrané kapitole... 67 8.2 Paměti RAM (praktické cvičení)... 68 8.2.1 Hardwarová instalace paměťového modulu... 68 8.2.2 Softwarová diagnostika paměti RAM... 69 8.2.3 Testování paměťových modulů... 76 8.2.4 Vyhodnocení vlastností paměťových modulů... 77 8.2.5 Otázky k probrané kapitole... 77 9 Grafické adaptéry... 78 9.1 Úvod do problematiky grafických adaptérů... 78 9.1.1 Účel grafického adaptéru... 78 9.1.2 Struktura a funkce grafického adaptéru... 79 9.1.3 Technické parametry grafických adaptérů... 81 9.1.4 Instalace a konfigurace grafického adaptéru... 82 9.1.5 Otázky k probrané kapitole... 83 10 Pevné disky... 84 10.1 Úvod do problematiky pevných disků... 84 10.1.1 Význam pevných disků... 84 10.1.2 Fyzická struktura disků... 85 10.1.3 Logická struktura disků... 91 10.1.4 RAID... 93 10.1.5 Instalace a konfigurace disku... 94 10.1.6 Otázky k probrané kapitole... 94 10.2 Pevný disk (praktické cvičení)... 95 10.2.1 Hardwarová instalace pevného disku a nastavení BIOS... 95 10.2.2 Příprava logické struktury rozdělení a formátování disků... 98 10.2.3 Testování disků... 99 10.2.4 Vyhodnocení vlastností pevného disku... 100 10.2.5 Otázky k probrané kapitole... 101 11 Síťové adaptéry... 102 11.1 Úvod k síťovým kartám... 102 11.1.1 Vzdálené bootování... 103 11.1.2 Duplexní provoz... 103 11.1.3 MAC adresa... 103 11.1.4 Co se nachází na síťové kartě... 104 11.2 Integrované komponenty základních desek-síťové karty... 105 11.3 Instalace ovladače... 107 11.3.1 Informace o síťové kartě... 108 11.3.2 Otázky k probrané kapitole... 109 12 Zvukové adaptéry... 110 12.1 Úvod do problematiky zvuku... 110 12.1.1 Záznam analogového zvuku... 111 12.2 Co se nachází na zvukové kartě... 112 12.2.1 Zvukový procesor řadič zvuku... 112 12.2.2 Kodeky... 112 Příklady některých komerčních kodeků... 113 12.2.3 Operační zesilovače a výstupní obvody... 113 12.3 Komprese zvuku... 113 12.3.1 Formáty ztrátové komprese... 114 12.3.2 Formáty bezeztrátové komprese... 115 12.4 Zvukové karty používané v současných počítačích... 115 12.4.1 Audio Codec AC 97... 116 12.4.2 Zvuk HD... 117 12.4.3 Zvukové karty s X-Fi... 117 12.4.4 Software pro ovládání zvuku... 118 12.4.5 API... 118 12.4.6 S/PDIF... 118 3 / 216
12.4.7 Konfigurace vícekanálového zvuku... 118 12.5 Instalace zvukové karty... 120 12.5.1 Otázky k probrané kapitole... 120 13 Napájecí zdroje... 121 13.1 Umístění napájecího zdroje... 121 13.2 Základní rozdělení, blokové schéma... 121 13.2.1 Napětí a konektory... 124 13.2.2 Chlazení zdroje... 127 13.2.3 Spotřeba komponent... 128 13.2.4 Otázky k probrané kapitole... 128 14 BIOS... 129 14.1 Základní informace... 129 14.2 Funkce BIOS a jeho vrstvy... 130 14.2.1 Start systému... 131 14.2.2 Setup... 131 14.3 Paměť CMOS... 133 14.4 Chybová hlášení... 134 14.4.1 Otázky k probrané kapitole... 134 15 Zobrazovací jednotky... 135 15.1 Účel zobrazovací jednotky... 135 15.2 Základní dělení zobrazovacích jednotek... 135 15.3 Struktura a funkce zobrazovacích jednotek... 135 15.4 Principy technologií použitých ke konstrukci displejů zobrazovacích jednotek... 136 15.4.1 Princip CRT zobrazovacích zařízení... 136 15.4.2 Princip LCD zobrazovacích zařízení... 136 15.4.3 Princip plazmových zobrazovacích zařízení... 138 15.5 Podrobnější popis funkce vybraných zobrazovacích jednotek... 139 15.5.1 LCD... 139 15.5.2 Plazmové panely... 145 15.5.3 PALCD... 148 15.5.4 OLED... 148 15.6 Technické parametry vybraných zobrazovacích jednotek... 151 15.6.1 Samsung 20" SM 2043WM... 151 15.6.2 HP 20" L2045w... 152 15.6.3 Závěr LCD... 152 15.6.4 SAMSUNG PS 42 C 96 HD... 153 15.6.5 ECG 42 PHD 62... 154 15.6.6 Závěr Plazma... 154 15.7 Instalace a nastavení zobrazovací jednotky... 155 15.7.1 Instalace zobrazovací jednotky... 155 15.7.2 Nastavení zobrazovací jednotky... 155 15.8 Otázky k probrané kapitole... 157 16 Počítačové skříně... 158 16.1 Úvod... 158 16.1.1 Rozdělení skříní... 158 16.1.2 Otázky k probrané kapitole... 162 17 Záložní zdroje UPS... 163 17.1 Základní problémy s napájením... 163 17.1.1 Jak se ochránit před poruchami v elektrické síti... 163 17.2 Jednotky UPS... 163 17.2.1 Základní typy UPS... 164 17.2.2 Technické parametry zdrojů UPS... 166 17.2.3 Otázky k probrané kapitole... 167 18 Virtualizace PC... 168 18.1 Úvod do virtualizace PC... 168 18.2 VMware workstation... 169 18.2.1 Vytvoření virtuálního operačního systému... 169 18.3 Virtual PC... 171 18.3.1 Vytvoření virtuálního počítače s Microsoft Virtual PC... 171 18.4 Některé další produkty pro virtualizaci... 175 4 / 216
18.4.1 Otázky k probrané kapitole... 176 19 Souhrn vybraných cvičení... 177 19.1 Praktické cvičení realizace strukturované kabeláže... 177 19.2 Sestavení PC, instalace operačního systému, testovací programy... 183 19.3 Hardwarová instalace grafického adaptéru... 185 19.4 Zvuková karta praktické cvičení... 195 19.5 Vytvoření malé sítě s operačním systémem Windows... 202 19.6 Základní instalace OS Windows server 2003... 204 19.7 OS Windows 2003-povýšení PC do role řadiče domény... 206 19.8 Instalace XAMPP... 210 19.9 Vytvoření bezdrátové sítě Wi-Fi... 212 20 Příloha... 214 21 Literatura... 215 5 / 216
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 2009 6 / 216
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
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
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 17 468 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 1948-1951 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 3 300 elektronek a 8 900 krystalových diod a zabíral plochu o rozloze 775 m 2. CRT paměť (Cathode Ray Tube Memory) a kapacitě 2 048 16bitových 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 1952-1953 tato paměť nahradila u Whirlwidu původní paměť CRT a vyřadila z konkurenčního boje ostatní typy pamětí. 9 / 216
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 8 333 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