1 Dopuručená literatura... 3 Matematika... 4 Historie matematiky... 4 Pravěk... 4 Starověk... 4 Středověk... 4 Novověk... 4 Historie počítačů... 6 Elektronické kalkulátory... 7 Kalkulátory dělíme na stolní, kapesní a vědecké... 7 Funkční celky kalkulátoru... 7 Zobrazení čísel kalkulátorem... 8 Operační systémy kalkulátorů pro vědeckotechnické výpočty... 8 Algebraický a matematický operační systém... 8 Úprava zápisu matematických výrazů před zpracováním na kalkulátoru... 9 Ověřování správnosti výsledků výpočtů... 10 Číselné soustavy... 12 Převody mezi číselnými soustavami... 12 Bit a byte... 13 Analogový a digitální signál... 15 Analogový signál... 15 Digitální signál... 15 Převody mezi analogovým a digitálním signálem... 15 Vzorkování vstupního analogového signálu... 16 Vzorkování vstupního analogového signálu... 17 Význam digitálního zpracování signálu... 17 Přenos analogového a digitálního signálu... 18 Sběrnice, paralelní a sériový přenos dat... 19 Sběrnice... 19 Přenos informací... 19 Paralelní a sériový přenos dat po sběrnici... 19 Převodník z paralelní informace na sériovou a naopak... 20 Synchronizace přenosu dat... 20 Synchronní a asynchronní přenos dat... 20 Způsob přenosu informace... 21 Architektura počítačů... 23 Von Neumannova koncepce počítače... 23 Harwardská koncepce počítače... 24 Rozdělení počítačů... 26 PDA, handheld, pocket PC... 26 Netbook (subnotebook)... 26 Tablet PC... 27 Notebook přenosný počítač... 27 Osobní počítač... 27 Workstation... 28 Servery obslužné počítače... 28 Mainframe sálový počítač... 28 Terminál (tenký klient)... 29 Superpočítač... 29 Standardy osobních počítačů... 30
2 IBM PC kompatibilní počítače... 30 Mac... 30 Osobní počítač a přídavná zařízení... 31 Skříně počítačů... 31 Napájecí zdroj... 34 Typy zdrojů... 34 Napájecí konektory a kabeláže... 35 Potřebný výkon PC zdroje... 36 Účinnost zdroje... 37 Účinnost zdroje... 38 Spolehlivost zdroje... 38 Nepřerušitelné zdroje napájení a přepěťové ochrany... 39 Princip činnosti UPS... 39 Přepěťové ochrany... 40
3 DOPURUČENÁ LITERATURA Horák J. Hartware Učebnice pro pokročilé Computer Press 2007; Horák J. Bios a Setup Computer Press 2006; Dembrovski Klaus Mistrovství v HARDWARE Computer Press 2009; časopisy: Computer, Chip dále mnoho zdrojů na internetu např.: TUwww.zive.czUT, www.svethardware.cz
4 MATEMATIKA Název pochází z řeckých slov mathematikos milující poznání a máthema věda; Matematika věda o prostorových a kvantitativních (velikost, počet, objem ) vztazích reálného světa. Historie matematiky Pravěk Pravěk potřeba vyjádřit počty kusů (úlovku, potomků ). Pravěcí lidé počítali jeden jelen, dva jeleni, tři jeleni, mnoho jelenů. K zapamatování počtu sloužily např. zářezy na kostech. Pravěký člověk nedokázal oddělit číslovku od počítaného předmětu (jelena). Teprve v průběhu dalších tisíciletí dochází tzv. abstrakci čísel, tedy k jejich osamocení (dvojka existuje i bez počtu skolených kachen). Starověk Vznikají starověké státy a říše, které, potřebují aplikovanou matematiku pro státní finance, obchod, stavebnictví, zeměměřičství, mořeplavbu, astronomii Nezávisle se v jednotlivých územních celcích (Mezopotámie, Egypt, Řecko, Řím, Mayiská říše, Čína, oblast islámu) rozvíjí algebra a geometrie, dochází k abstrakci čísel, počítá se s goniometrickými funkcemi, trojčlenkou, objevují a s různou přesností počítají π, znají pythagorovu větu Pro rozvoj matematiky byly důležité poznatky z Indie (Číny). Indové používali desítkovou poziční soustavu s číslicemi 1, 2 9 (např. 334 = 3*100 + 3*10 + 4*1). Objevují NULU (bez ní by poziční soustava nefungovala). Tyto znalosti přebírají Arabové a ve středověku se pak šíří do Evropy. Středověk Dochází až do období renesance k všeobecnému úpadku veškerého vědění. V 9 stol. mnich Gerbert (později se stal papežem Silvestrem II) v přestrojení za Araba získává znalosti v arabské knihovně v Cordóbě, při jejich prosazování je obviňován ze spojení s ďáblem. Matematik Fibonacci na základě poznatků, které získal od Arabů v severní Africe, vydává r. 1202 učebnici matematiky pro obchodníky (návody k rychlému sčítání, odčítání, dělení a násobení). V Evropě se začínají prosazovat arabské (indické) číslice. Fibonacciho posloupnost následující číslo je vždy součtem dvou předchozích. Novověk Matematika se začíná rozvíjet v Evropě v 17. a 18. stol, kdy průmyslová revoluce sebou přináší mnoho praktických technických problémů k řešení. Byla vytvořena analytická geometrie (Descartes, Fermat), vznikly základy integrálního a diferenciálního počtu (Newton, Liebnitz) a matematické analýzy (Euler, Lagrange, Laplace).
5 V 19. stol. přechod k současné matematice (Gauss, Cauchy, Bolzano ) vzniká teorie funkcí komplexní proměnné, množin, pravděpodobnosti, statistiky, logiky, statistiky, limit. Bernard Bolzano (1781 1848) narodil se a žil v Praze, kněz, filozof, matematik, 1805 profesorem náboženské nauky na UK, pro své reformátorské názory rozhodl rakouský císař František I o jeho sesazení. Roku 1843 se stal ředitelem Královské české společnosti nauk, je autorem nauky o funkcích, teorie množin. Bolzano byl největší český matematik, kterému bylo zakázáno publikovat, některé jeho objevy pak byly objevovány znovu. V současné době matematika využívá ke svým výpočtům a k modelování procesů superpočítačů a počítačů zapojených v sítích. Matematika se dnes skrývá pod mnoha jmény kybernetika, umělá inteligence, expertní systémy, statistika, rizikové analýzy, optimalizace, automatizace atd. 1. Vysvětli, co je poziční číselná soustava. 2. Proč je objev nuly v matematice důležitý? 3. Co je elementární matematika? 4. Kdo byl největším českým matematikem?
6 HISTORIE POČÍTAČŮ? Optické, kvantové, chemické, nebo biologické poèítaèe Optické, kvantové, chemické, nebo biologické poèítaèe? 5. Napiš, co jsou generace počítačů a co je pro jednotlivé generace typické
7 ELEKTRONICKÉ KALKULÁTORY Kalkulátor je stroj na zpracování údajů, který dovede provádět algebraické operace s operandy a operátory zadanými z klávesnice. Kalkulátory dělíme na stolní, kapesní a vědecké Stolní a kapesní kalkulačky slouží pro jednoduché výpočty a mají jen základní matematické funkce (+; -; :; *; %); Vědecké kalkulátory (datové procesory) jsou: o Standardní mívají víceřádkovou displej a mnoho vestavěných matematických funkcí); o Grafické větší displej, umožňují zobrazovat průběhy funkcí; o Programovatelné mohou si zapamatovat určitou posloupnost operací a tu pak samočinně provést. Umožňují např. opakované vyhodnocení algebraického výrazu s různými hodnotami proměnných. Po uložení programu do paměti vyžadují jednotlivé výpočty jen zadání hodnot vstupních proměnných a spuštění výpočtu; o Programovatelné grafické; o Kalkulátorové programy pro PC. Funkční celky kalkulátoru Klávesnice, vypínače, přepínače Počet a rozměr kláves rozhoduje v podstatě o rozměru kalkulátoru. Proto má většina kláves dva i více významů. Displej Displej kapesních kalkulátorů se vyrábí z tekutých krystalů. Má nepatrnou spotřebu, ale vyžaduje vnější osvětlení a příznivý zorný úhel. Stolní kalkulátory napájené ze sítě mají většinou displej zhotovený z aktivních optoelektronických prvků. Vnější osvětlení nevyžadují a displej je dobře čitelný i při méně příznivém zorném úhlu. Pozn.: Klávesnice a displej určují obvykle životnost kalkulátorů. Je třeba je chránit před mechanickým poškozením. Napájecí zdroj Napájecím zdrojem kapesních kalkulátorů jsou většinou stříbrozinkové, rtuťové či lithiové baterie v těsném provedení nebo solární články. Tiskárna Je-li potřebný písemný doklad o výpočtu, pak použijeme kalkulátor vybavený tiskárnou. Pozn.: Elektromechanické tiskárny mají ve srovnání s ostatními funkčními celky kalkulátoru nejmenší životnost.
8 Vlastní kalkulátor Skládá se z: Aritmetické a logické jednotky Klávesnice ALU (ALU) provádí vlastní výpočet; Řadiče a paměti konstant. Řadič řídí Registr Y Registr X činnost kalkulačky. V paměti konstant jsou uloženy programy pro výpočty a konstanty (π, e ); Displej Registrů jde o paměti sloužící pro zápis operandů (čísel, se kterými počítáme). Příklad výpočtu 1 + 2 1. Zadáme na klávesnici 1 - zapíše se do registru X a objeví se na displeji; 2. Zadáme + - iniciuje příslušný program v paměti konstant; 3. Zadáme 2 1 z registru X se přesune do registru Y a 2 se zapíše do registru X, na displeji je tedy 2; 4. Zadáme = - dojde k výpočtu, výsledek se zapíše do registru X a objeví na displeji. Pozn.: Po provedení operace je výsledek vždy uložen v registru X. V registru Y bývá po násobení uložen první operand, po ostatních operacích druhý operand. Zobrazení čísel kalkulátorem Vědecké kalkulátory zobrazují čísla obvykle s pohyblivou řádovou tečkou (čárkou), tj. ve tvaru x = M.10 p. Mantisa M je z intervalu < 1; 10) a bývá osmi nebo deseticiferná. Celé číslo p bývá z intervalu <-99; 99>. Určuje řád první cifry čísla x. Uspořádanou dvojici [M, p] nazýváme semilogaritmický nebo exponenciální tvar. Vložíme-li např. do kalkulátoru sekvenci: 0.0055 - pak se po převodu na číslo s pohyblivou desetinnou tečkou zobrazí jako 5.5e-3 Operační systémy kalkulátorů pro vědeckotechnické výpočty Podle postavení operátoru a operandu jednočlenných operací rozeznáváme zápis: Prefixový, tj. s operátorem před operandem, např. SIN 30; Postfixový, tj. s operátorem za operandem, např. 30 SIN; kde SIN je operátor, číslo 30 operand. U dvoučlenných operací se umisťuje operátor mezi operandy, např. 6 + 4. Algebraický a matematický operační systém Algebraický operační systém Řadič + paměť konstant Používá se u levnějších typů kalkulátorů. Jednočlenné operace se zadávají postfixově a provádějí se ihned po zadání operátoru. Všechny algebraické operační systémy dodržují tuto prioritu operací: 1. Jednočlenné operace (např. +/-, sin, x, 1/x, x, n!); 2. Dvojčlenná mocnina (y x ); 3. Násobení a dělení (*, ); 4. Sčítání a odčítání (+, -); 5. Vyhodnocení (=). Obsahuje-li výraz závorky, vyhodnocují se přednostně závorky vnitřní a pak závorky vnější.
9 Matematický operační systém Používá se u dražších typů kalkulátorů. Některé jednočlenné operace se zadávají postfixově (např. x 2, sin, log atd.), jiné prefixově (např. (-),, atd.), a to tak, aby zápis na kalkulátoru co nejvíce odpovídal zápisu matematického výrazu. Úprava zápisu matematických výrazů před zpracováním na kalkulátoru Zlomky Každý zlomek ve tvaru p / q (p 1) zapíšeme jako podíl p : q (p a q jsou matematické výrazy). Při této úpravě je nutné dát do závorky čitatele p, obsahuje-li některý z operátorů +,-. Jmenovatel q je nutné uzavřít do závorky, obsahuje-li některý z operátorů +, -, *. Je-li jmenovatelem zlomku součin, můžeme se obejít bez závorek, převedeme-li dělení součinem na postupné dělení jednotlivými činiteli: má pak tvar: a b c d e a b * c * d * e Dělení probíhá zleva doprava, protože všechny operátory mají stejnou prioritu. Zlomky s čitatelem 1 vyhodnotíme operátorem 1/x. Odmocniny Je-li pod odmocnítkem složený výraz, uzavřeme ho do závorky a před ni napíšeme odmocnítko. Např.: a + b zapíšeme: (a + b). Odmocniny, pro které není na klávesnici příslušný operátor, převedeme na mocniny s lomeným mocnitelem. Např.: 5 a + b zapíšeme jako: (a + b) (1 5). Mocniny Mocniny funkcí zapsané ve tvaru ln 2 a; sin 2 φ apod. přepíšeme na tvar (ln a) 2 ; (sin φ) 2. Pozn.: Jsme-li na pochybách, jak výraz upravit, pomůžeme si závorkami. Dvojice správně umístěných, byť i nadbytečných, závorek není na závadu. Zaokrouhlování Zaokrouhlování čísel na daný počet n platných číslic (n = 1, 2, 3...); Zaokrouhlování čísel na desetiny, setiny, stovky atd. Nejsou-li v čísle zakončeném nulami některé koncové nuly platnými číslicemi, je lépe zapsat číslo v exponenciálním tvaru. Má-li např. číslo a = 54 000 tři číslice platné, zapíšeme ho takto: a = 5,40 * 10 4. Zaokrouhlovaná čísla 1,249 9 1,250 1 141,84 141,95 Po zaokrouhlení na desetiny 1,2 1,3 141,8 142,0 Po zaokrouhlení na tři platné číslice 1,25 1,25 142 142
10 Zaokrouhlování výsledků výpočtů Při zaokrouhlování výsledků výpočtů postupujeme metodou platných číslic. Je založena na těchto pravidlech: Při výpočtu součtu nebo rozdílu najdeme číslo s nejvyšším řádem poslední platné číslice a na tento řád zaokrouhlíme součet nebo rozdíl. Např.: 38,483 1 + 512,6 = 551,1; V součinu nebo podílu ponecháme tolik platných číslic, kolik jich má činitel s nejmenším počtem platných číslic. Např.: 569 * 2,5 *10 3 = 1,4 * 10 6 ; Ve druhé a třetí mocnině ponecháme tolik platných číslic, kolik jich má základ. Např.: 3,60 2 = 13,0 3,60 3 = 46,7; Ve druhé a třetí odmocnině ponecháme tolik platných číslic, kolik jich má odmocněnec. Např.: 2,01 = 1,42 2,00.10 4 = 27,1 Ověřování správnosti výsledků výpočtů!!!!výpočty je třeba vždy zkontrolovat!!!! Logická kontrola Zamyslíme se, zda je výsledek reálný. Vlak nepojede rychlostí 1 235 km/s; Je-li několik rezistorů zapojených paralelně, výsledný odpor musí vyjít menší než je odpor ohmicky nejmenšího rezistoru; Na výstupu odporového děliče musí být napětí menší než je na jeho vstupu; Kontrola opakováním výpočtu (vždy!!!) Odhalí chyby vzniklé v důsledku omylů při zadávání vstupních údajů. Kontrola pomocí postupných výsledků a konečného výsledku Máme-li sečíst velké množství čísel rozdělíme si je do skupinek, vytvoříme dílčí součty a ty pak sečteme. Pozn.: Počítáme-li s úhly, je nutné kontrolovat zvolené jednotky úhlu (DEG, RAD, GRAD). (Zvláště nebezpečná je chybná předvolba jednotky grad (100 gradů je 90 ), protože chyby výsledků nejsou tak velké, aby byly patrné na první pohled.)
11 6. Napiš, k čemu slouží klávesa F-E vědecké kalkulačky ve Windows. 7. Proč výsledek výpočtu na kalkulačce obvykle zaokrouhlujeme? 8. Popiš, jak kalkulačka vypočte 2*3. (1. Zadáme 2 - ta se zapíše do registru ) 9. Co je zobrazení čísel s pohyblivou řádovou čárkou (tečkou)? 10 + 1 10. = 18 4 11. (4+10)/(14-9)= 5* 6 12. = 13 10 5 7 + 13. 2 = 6 14. (5+7/5)/2,023= a b + a + a b b 15. + a = a = 5; b = 1 16. a + b * c = a = 9,2; b = 6,1; c = 9 17. 5 5 4 2 a + b + a + b 2 = a = 5; b = 3 18. (7*10^2-2,71^4*7^(-1))^3= 19. ln(7,12)= 20. log(9,59)=
12 ČÍSELNÉ SOUSTAVY V běžné desítkové soustavě se používá deseti číslic (0, 1, 2, 3, 9) a základem je číslo 10. Každé desítkové číslo můžeme znázornit jako mnohočlen vyjádřený základními číslicemi 0 až 9 a mocninami základu 10. Např. 1 543,15 = 1*10 3 + 5*10 2 + 4*10 1 + 3*10 0 + 1*10-1 + 5*10-2 Čísla Základ číselné soustavy 10 2 16 0 0000 0 1 0001 1 2 0010 2 3 0011 3 4 0100 4 5 0101 5 6 0110 6 7 0111 7 8 1000 8 9 1001 9 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 F 16 10000 10 Převod čísla z libovolné soustavy do desítkové Pro číslo v libovolné číselné soustavě s libovolným základem obdobně platí: (N) z = p n *z n + p n-1 *z n-1 +... +p 0 *z 0 + p -1 *z -1 + p -2 *z -2 +...+ p -m *z -m kde z je základ - celé číslo větší než jedna a p jsou číslice soustavy, pro které platí 0 p i z 1. V číslicové technice používáme dvojkovou (binární) soustavu s číslicemi 0 a 1 a se základem 2. Šestnáctkovou (hexadecimální) soustavou používáme ke zjednodušení zápisu dvojkových čísel. Základ má 16 a číslice jsou: 0, 1,..., 9, A, B, C, D, E a F. Viz převodní tabulka. Převody mezi číselnými soustavami Předchozího mnohočlenu lze použít k převodu čísla s libovolným základem z do desítkové soustavy. Př.: Převeďte číslo 11011,01 z dvojkové soustavy do desítkové (11011,01) 2 = (?) 10. Řešení: (11011,01) 2 = 1*2 4 + 1*2 3 + 0*2 2 + 1*2 1 + 1*2 0 + 0*2-1 + 1*2-2 = (27,25) 10 Př.: Převeďte číslo 2C ze šestnáctkové soustavy do desítkové (2C) 16 = (?) 10. Řešení: (2C) 16 = 2*16 1 + 12*16 0 = (44) 10 Převod čísla z desítkové soustavy do libovolné soustavy Požadované desítkové číslo postupně dělíme základem z soustavy, do které převádíme, zapíšeme zbytek a každý výsledek opět dělíme z, až dostaneme nulový podíl. Číslicí s nejvyšším řádem v soustavě, do které převádíme, bude zbytek získaný posledním dělením. Př.: Převeďte číslo 23 z desítkové soustavy do dvojkové (23) 10 = (?) 2. Řešení: Požadované desítkové číslo postupně dělíme dvěma, zapíšeme zbytek a každý výsledek opět dělíme dvěma, až dostaneme nulový podíl. První číslicí ve dvojkové soustavě bude zbytek získaný posledním dělením.př.: Převeďte číslo 586 z desítkové soustavy do šestnáctkové (586) 10 = (?) 16. Výsledek po dělení 2 Zbytek 23 : 2 = 11 1 11 : 2 = 5 1 5 : 2 = 2 1 2 : 2 = 1 0 1 : 2 = 0 1 (23) 10 = (10111) 2 Výsledek po dělení 16 (Zbytek) 10 (Zbytek) 16 586 : 16 = 36 10 A 36 : 16 = 2 4 4 2 : 16 = 0 2 2 (586) 10 = (24A) 16
13 Snadný je převod do (z) dvojkové soustavy (2 4 =16); jednotlivé číslice šestnáctkové soustavy převádíme pomocí čtyř dvojkových bitů; dvojkové číslo rozdělíme odzadu do skupin po čtyřech bitech a postupně skupiny nahrazujeme šestnáctkovou číslicí (viz převodní tabulka). Např.: (10011001110) 2 = (0100 1100 1110) 2 = (4CE) 16 (36F) 16 = (0011 0110 1111) 2 = (1101101111) 2 Bit a byte Bit [b](čti bit) je základní jednotka binární (dvojkové) soustavy (číslice, místo pro číslici), je to informace vyjadřující dva stavy 0 1, (ano ne, pravda nepravda...). Počítače pracují v binární soustavě elektronickému spínacímu obvodu přiřazujeme 1, je-li sepnut, a 0 při rozepnutí (tzv. dvoustavová logika). Pro vyjádření složitější informace (například čísla) musíme složit několik bitů a utvořit slovo byte [B] ( čti bajt). Byte má osm bitů. Od byte jsou odvozeny větší jednotky: 1 Kilobyte 2 10 1024bytů 1 MB 2 20 1 048 576 1 GB 2 30 1 073 741 824 1 TB (Terabyte) 2 40 1 099 511 627 776 1 PT (Petabyte) 2 50 1 125 899 906 842 624 1 EB (Exabyte) 2 60 1 152 921 504 606 846 976 1 ZB (Zettabyte) 2 70 1 180 591 620 717 411 303 424 1 YB (Yottabyte) 2 80 1 208 925 819 614 629 174 706 176 Pozn.: V bitech udáváme např. přenosovou rychlost 56 Kbps (Kilobit per second = 56 000 bps) u modemu)). V bytech např. velikost HDD v PC: 500GB (GB = 1 073 741 824 B). Pro vyjádření všech alfanumerických znaků (čísel a písmen abecedy a znaků) stačí právě osmibitové slovo. V současnosti se často používá kód ASCII (American Standard Code for Information Interchange ), obsahuje 2 8 = 256 znaků. Prvních 128 je standardních, dalších 128 se používá pro znaky domácích abeced. Např.: znak % je vyjádřen (37) 10 nebo (00100101) 2 či (25) 16 ; znak Ř může být vyjádřen (252) 10 = (11111100) 2 = (FC) 16. Pro češtinu totiž existuje několik způsobů kódování (znakových sad): ISO-8859-2 (ISO Latin 2), Windows 1250 (CP1250), CP852 (PC Latin 2), bratří Kamenických KOI8-CS, které jsou vzájemně nekompatibilní. Více na www.cestina.cz.
14 Unicode moderní standard kódování znaků, který používá 8 až 32 bitů pro jeden znak (např. Unicode UTF-16 má 2 16 = 65 536 různých znaků), čímž se pokryjí znaky většiny jazyků na světě (ruština, arabština...), a který řeší problém globální výměny dat. Nevýhodou je vícenásobná délka textu (1 B 2 až 4 B) a tím i pomalejší zpracování dat a problémy se zpětnou (8-bitovou) kompatibilitou. 21. Vypočti: (21) 10 = (?) 2. 22. Vypočti: (10001111011) 2 = (?) 10. 23. Vypočti: (B12D) 16 = (?) 10. 24. Vypočti: (4CD12A) 16 = (?) 2. 25. Vypočti: (10011101110001) 2 = (?) 16. 26. Vypočti: (1023) 10 = (?) 2. 27. Vypočti: (2048) 10 = (?) 16. 28. Napiš, jak se liší bit od byte. 29. Napiš, jak se liší ASCII od Unicode. 30. Napiš, jaké umístění v ASCII tabulce má znak A a Á 31. Napiš, co víš o kódování češtiny.
15 ANALOGOVÝ A DIGITÁLNÍ SIGNÁL Informace a signál Informace data s určitým významem (informace ve sdělovacích prostředcích, technické informace jako např. rychlost, tlak, teplota ). Signál prostředek, který je možné používat k přenosu informací. V počítačové oblasti obvykle používáme jako signály vlastnosti elektrické energie (napětí, proud, frekvence), elektromagnetického vlnění (k přenosu dat) a světelných paprsků (optický záznam dat, přenos dat optickými vlákny). Analogový signál Analogový signál je spojitý v čase i ve veličině. Můžeme si představit, že má-li veličina v čase t hodnotu Y, bude mít v následujícím časovém okamžiku t + t hodnotu, která se y bude jen málo lišit od Y, tedy Y + y. Příklady: ručičkové hodiny, rtuťový teploměr, tlakoměr t Digitální signál Digitální signál je vyjádřen číslem, častěji posloupností čísel v desítkové, dvojkové, nebo v šestnáctkové soustavě, která představují průběh veličiny v čase. Počítače pracují právě s digitálními signály. Příklady: digitální hodinky, digitální teploměr, kalkulátor, číslicový počítač Převody mezi analogovým a digitálním signálem Často potřebujeme analogový signál zpracovat v počítači musíme ho nejprve převést na digitální v tzv. Analogově Číslicovém převodníku (též Analogově Digitální, A/D, A/Č převodník), zpracujeme ho (uložíme na disk, upravíme ). Na výstupu z počítače pak potřebujeme opět signál analogový pro monitor, reproduktory to zařídí Digitálně analogový převodník (Číslicově analogový, Č/A, D/A převodník)
16 Analogově digitální převodník Při převodu analogového (spojitého) signálu na číslicový nejprve odeberme v určitých konstantních časových intervalech (časovací impulsy na obr.) ze vstupního analogového signálu vzorky odpovídající okamžité hodnotě jeho amplitudy. Pak je každý vzorek převeden na odpovídající číslo. Představme si předchozí tlakovou vlnu zvuku převedenou mikrofonem na napětí a její převod na osmibitové dvojkové číslo. Vzhledem k tomu, že vstupní napětí nabývá i záporných hodnot, potřebujeme vyjádřit i záporná výstupní čísla jednou možností je jeden bit z výstupního čísla použít jako znaménkový. Na výstupu z A/Č převodníku je pak posloupnost čísel, které odpovídají časovému průběhu analogového vstupního signálu. Je-li např. maximální vstupní napětí 10 mv a převádíme-li toto napětí na sedmibitové dvojkové číslo (osmý bit je znaménkový) pak těchto 10 mv odpovídá číslu 01111111, tj. (127) 10 a jeden bit odpovídá přírůstku vstupního napětí 10 mv / 127 = 0,07874 mv. Např. napětí 5 mv bude převedeno na číslo 5 mv / 0,07874 = (63) 10 = (00111111) 2 to na našem obrázku odpovídá prvnímu vzorku (je bez popisku), druhý vzorek s napětím 7,4 V bude převeden na (01011110) 2, tj. (94) 10, atd. Číslicově analogový převodník časovací impulsy D/A převodník převádí v pravidelných časových intervalech (časovací impulsy na obr.) posloupnosti čísel na spojitý analogový signál. Každému dvojkovému číslu je přiřazena odpovídající analogová hodnota. Uvažujme např. sedmibitové vstupní číslo (+ jeden znaménkový bit) a maximální výstupní napětí 10 V. Nejmenší přírůstek napětí, odpovídající jednomu bitu vstupního čísla, bude 10 V / 2 7 = 10 V / 127 = 0,0787 V. Vstupnímu číslu 00000001 bude tedy odpovídat výstupní napětí 0,0787 V, číslu 00111111 bude převedeno na 4,9581 V což je přibližně (s kvantovací chybou) 5 V. t[s] časovací impulsy t[s]
17 Vzorkování vstupního analogového signálu V předchozím příkladu zvukového signálu jsme v jedné periodě odebírali 10 vzorků. Představme si, že budeme odebírat v jedné periodě signálu jen jeden vzorek (viz obr.) dojde k zásadnímu zkreslení signálu při jeho rekonstrukci. Je zřejmé, že s čím kratším intervalem (tedy větší vzorkovací frekvencí) budeme odebírat vzorky k převodu na čísla, tím bude výsledný záznam signálu kvalitnější. Shannon-Kotělnikovův teorém udává, kolik je třeba odebrat vzorků ze vstupního signálu pro dostačující kvalitu záznamu digitálního signálu: 1 T V, 2* f max kde T v je interval mezi odebráním dvou vzorků, f max je maximální frekvence signálu. Slovy Shannon-Kotělnikovův teorém říká, že ze vstupního signálu je třeba odebírat vzorky s frekvencí alespoň s dvojnásobnou než je maximální frekvence vstupního signálu. Při nižší vzorkovací frekvenci dochází ke ztrátě vyšších frekvencí vstupního signálu. Praktické použití Shannon-Kotělnikovova teorému V telefonii hovor je přenášen v rozsahu 300 4 000 Hz (rozsah lidské řeči), je tedy třeba vzorkovat min. 8 000 za sec., ve skutečnosti se vzorkuje s frekvencí 11 025 Hz. V záznamu zvuku na CD lidské ucho je schopno (v nejlepším případě!) slyšet zvuky s frekvencí od 20 Hz do 20 khz. S dostatečnou rezervou se vzorkuje s frekvencí 44 100Hz. Význam digitálního zpracování signálu časovací impulsy Rekonstrukce signálu v Č/A převodníku (malý počet vzorků zkreslení signálu) Výhody digitálního zpracování signálu Velký rozsah možností zpracování číslicovým systémem počítačem, např. editace zvuku obrázků, řízení průmyslových zařízení; Možnost zpracování i extrémně pomalých signálů; Snadné ukládání signálů (dat) do paměti; Vysoká přesnost zpracování signálů (lze použít 16, 32 bitových převodníků). Výhody digitálního přenosu Při přenosu je digitální signál vysoce odolný proti rušení; Případné chyby při přenosu lze různými metodami opravovat; Data lze snadno šifrovat je vyšší bezpečnost provozu; Dosahuje oproti analogovému vyšší rychlosti; Do jednoho frekvenčního kanálu se vejde více TV a rozhlasových programů současně (celý multiplex). Nevýhody digitálního zpracování signálů Nižší rychlost zpracování díky nutnosti použití A/D a D/A převodníků; Větší složitost a tím i poruchovost systému. t[s]
18 Přenos analogového a digitálního signálu Přenos analogového signálu Při analogovém přenosu signálu je tento na přenosové cestě vystaven rušení (šum elektronických součástek, atmosférické jevy (výboje, změny v atmosféře a ionosféře), rušení okolními spotřebiči a zařízeními (fén, el. svářečka, spínané zdroje elektronických zařízení) a útlumu (se vzdáleností od vysílače se vlivem prostředí snižuje amplituda signálu). Všechny tyto vlivy se projeví na přenášeném signálu a na vstupu přijímače dostáváme signál zkreslený (viz příjem analogové televize šum, interference přijímaných signálů hlavního a odražených ). Přenos digitálního signálu Přenášíme-li signál digitálně, projeví se na něm vliv rušení stejně jako u analogového. Ovšem při jeho zpracování v přijímači jsou jedničky (na obr. širší pulsy) a nuly (tenčí pulsy) i přes rušení vyhodnoceny správně. Přijímaný signál je možno rekonstruovat v plné kvalitě. 32. Napiš, kde se v PC setkáš s analogovým a číslicovým signálem. 33. Vysvětli, co je nejmenší přírůstek výstupního signálu Č/A převodníku a vypočti jeho hodnotu pro U výst = 10 V a 32 bitový převodník. 34. Proč je lepší digitální TV než analogová? 35. Co je vzorkovací frekvence a jakou musí mít hodnotu.
19 Sběrnice SBĚRNICE, PARALELNÍ A SÉRIOVÝ PŘENOS DAT Sběrnice je soustava vodičů sloužící k: Napájení měděné pásy v rozvodnách el. napětí a v rozvaděčích, v PC kablíky a dráhy plošného spoje na základní desce sloužící pro napájení jednotlivých komponent; Přenosu informací mezi zařízeními a jejich komponentami (kabeláž počítačových sítí, kablíky a soustavy vodičů na plošném spoji základní desky PC ). Přenos informací Paralelní a sériový přenos dat po sběrnici Při paralelním přenosu se přenáší najednou celé slovo, tedy skupina bitů, se kterými zařízení pracuje (slovo může mít 8, 16, 32 nebo 64 bitů). K tomu je potřeba příslušný počet souběžných (paralelních) vodičů. Při přenosu informace po souběžných vodičích dochází k jejich vzájemnému rušení, to omezuje rychlost přenosu a vzdálenost přenosu. Proto se tento paralelní přenos požívá na krátké vzdálenosti typicky pro propojení komponent na základní desce počítače a v PC. Na delší vzdálenost se používal paralelní přenos pro připojení tiskárny prostřednictvím paralelního portu (LPT). U sériového přenosu proudí bity slova jeden za druhým po jediném datovém vodiči v pravidelných časových intervalech. Při sériovém přenosu nedochází k vzájemnému ovlivňování jednotlivých bitů a přenos na delší vzdálenosti je rychlejší, než při paralelním. V současnosti se jednotlivá zařízení k PC (tiskárna, skener ) připojují pomocí sériové sběrnice (typicky USB) a přenos v počítačových sítích je sériový. Rychlá zařízení v PC (pevný disk) se též připojují sériově (SATA).
20 Převodník z paralelní informace na sériovou a naopak V zařízeních (PC) se obvykle data zpracovávají v paralelním tvaru. Před přenosem pomocí sériové sběrnice je musíme převést na sériový tvar a po přenosu je opět na přijímací straně převést na paralelní tvar. K tomu slouží tzv. převodník z paralelní informace na sériovou (viz obr. B) a opačně ze sériové na paralelní (viz obr. A) (a viz Elektronika v dalších ročnících). Paralel/ Sériový převodník Sériově/ Paralel převodník Synchronizace přenosu dat Činnost číslicových zařízení je řízena tzv. časovými (hodinovými) impulsy a časové impulsy též řídí vysílání dat vysílače a přijímání dat přijímacím zařízením. Při přenosu dat je potřeba zajistit, aby si za sebou jdoucí vysílaná data přijímací zařízení odebíralo ve vhodný časový okamžik, jinak může dojít k chybnému vyhodnocení přijímaných dat. To zajišťuje tzv. synchronizace (uvádění v časový soulad, sfázování) okamžiků, kdy jsou data vysílačem generována do sběrnice a po ustálení poměrů na sběrnici přečtena přijímacím zařízením, a tedy synchronizace časových impulzů vysílače a přijímače. Synchronní a asynchronní přenos dat Synchronní přenos dat Při synchronním přenosu dat jsou přijímací i vysílací zařízení řízeny stejnými časovacími (hodinovými) impulsy. Při náběžné hraně hodinového impulsu jsou data poslána z vysílače na sběrnici, při sestupné je čte přijímací zařízení. Doba trvání hodinového impulsu zajišťuje, že jsou data na sběrnici řádně připravena k odebrání přijímačem. Nevýhodou tohoto způsobu je, že k datovým vodičům musíme přidat zvláštní vodič, na kterém jsou časovací impulsy. Takovýto paralelní synchronní přenos se používá především při paralelním přenosu u vnitřních sběrnicí PC na základní desce. Asynchronní přenos dat Předchozí synchronní přenos dat potřebuje zvláštní hodinový vodič to je možné použít jen při krátkých vzdálenostech, a bylo by velmi nehospodárné ho používat u sériového přenosu k jedinému datovému vodiči bychom přidávali další, hodinový používáme tedy jeden společný vodič pro data i hodinové impulsy. U asynchronního přenosu dat dosahujeme synchronizace tak, že data rozdělíme do částí (do skupin bitů) a
21 na začátku přenosu každé skupiny předávaných bitů vložíme časový impuls, který seřídí generátor časových impulsů v přijímači. Synchronizační časový impuls, který se nazývá start bit, tedy obsahuje každá skupina vysílaných bitů zprávy. Sériovým synchronním přenosem též nazýváme přenos, kdy zvětšujeme počet přenášených bloků dat na jeden start bit. Způsob přenosu informace Informaci mezi zařízeními můžeme předávat buď jednosměrně (simplexně) od vysílače k přijímači, nebo obousměrně (duplexně), kdy obě zařízení mohou vysílat i přijímat. Simplexní přenos Přenos dat probíhá jednosměrně, vysílač vysílá, přijímač přijímá. Typicky takto přenos probíhá u rozhlasového a televizního přenosu. Semiduplexní přenos Používá simplexní přenos dat vysílač přijímač, ale s tím, že přijímač má možnost s vysílačem komunikovat jinou cestou např. telefonní linkou. Tohoto způsobu se v současnosti používá např. pro satelitní připojení k internetu požadovaná data ze serveru proudí k PC uživatele vysokou rychlostí přes satelit a spojení mezi uživatelským PC a poskytovatelem internetového připojení je telefonní linkou (pomalejší). Obdobně budou fungovat i chystané interaktivní služby (TV pořady dle výběru diváka...). Duplexní přenos Jde o obousměrný přenos, kdy obě připojená zařízení mohou současně vysílat i přijímat např. u telefonního spojení. Poloviční duplex (half duplex) Umožňuje komunikaci v obou směrech, ale ta nemůže probíhat současně. Nejprve vysílá jedno zařízení a druhé přijímá, pak vysílá druhé a první přijímá. Např. uvažujeme-li spojení dvou radiostanic (vysílaček), jsme omezeni jejich technickými možnostmi radiostanice buď vysílá, nebo přijímá jde o half duplex přenos. Oba účastníci hovoří i poslouchají současně nebo
22 Pro výše uvedené varianty způsobu přenosu informace jsou možné různé varianty dané možnostmi zařízení a spojovací cesty. Např. při přenosu optickým vláknem, které je simplexní, bychom mohli pracovat též v half duplexním způsobu přenosu, použijeme-li ale dvě optická vlákna, mohou obě zařízení pracovat v duplexu. 36. Uveď příklady sběrnicí. 37. Napiš, jaké jsou výhody a nevýhody paralelního a sériového přenosu dat. 38. Vysvětli, co je synchronní a asynchronní přenos dat a kde se používají. 39. Uveď příklady simplexního a duplexního přenosu informace
23 ARCHITEKTURA POČÍTAČŮ Blokové schéma počítače, které navrhl v r. 1945 americký matematik maďarského původu John von Neumann, se modifikované používá dodnes. Základní myšlenkou jeho koncepce bylo to, že počítač zpracovává data pomocí programu, který je též prezentován daty a tato programová data lze umístit též v paměti počítače, kde je lze jednoduše modifikovat, případně změnit za jiná (za jiný program) počítač se stává programovatelný a universální, protože změnou programu se může funkce počítače radikálně měnit. (Před von Neumannem se funkce počítače zadrátovávala pomocí drátových propojek mezi jednotlivými moduly počítače, to bylo velmi pracné a zdlouhavé, později se programovalo pomocí děrných štítků a pásek to zas bylo velice pomalé oproti rychlosti elektroniky v počítači.) Von Neumannova koncepce počítače Do paměti se pomocí vstupních zařízení vloží program pro zpracování dat, pak na vstupní zařízení (klávesnice, skener, CD mechanika ) přivádíme data ke zpracování ty jsou ukládána v paměti, odkud jsou odesílána ke zpracování do aritmeticko-logické jednotky. Program z paměti je přiváděn do řídící jednotky, která celý počítač řídí. Zpracovaná data jsou opět uložena v paměti a odtud jsou posílána na výstupní zařízení (monitor, tiskárna, akční člen regulátoru (spínač, ovládání ventilu ) Vstupní zařízení (Input) Vstupní zařízení převádí vstupní data do takové elektronické podoby tak, aby jim počítač rozuměl (stisk klávesy na binární kód, obrázek ve skeneru na soubor binárních dat...) a dále přes ALU jsou zapisována do paměti. Daty mohou být řady binárních čísel (např. z počítačové sítě, znaky z klávesnice, při zavádění programu do počítače ), či data, která je potřeba pro počítač zdigitalizovat (obrázek ve skeneru, teplota motoru, tlak ve válcích automobilu ). Řídící jednotka (řadič, Control Unit) Koordinuje všechny funkce počítače, podle programu určuje provádění jednotlivých instrukcí a vysílá do ostatních jednotek řídící signály a vyhodnocuje odezvy z těchto jednotek (vyšle signál tiskárnu připravit, vyhodnotí signál tiskárna připravena a dá pokyn k přesunu dat k tisku z paměti do tiskárny ). Aritmeticko-logická jednotka (ALU, Arithmetic and Logic Unit) Vykonává nejjednodušší aritmetické operace (na základě sčítání) a základní logické operace (NOT, OR, AND (budete se učit později)) s operandy, které jsou načteny z paměti. Dřívější ALU pracovaly s paralelními 8bitovými čísly, dnešní až s 64bitovými. Paměť (operační paměť, memory) Slouží k dočasné a trvalé úschově dat, se kterými počítač pracuje (např. zobrazení webové stránky, zápis znaku v textovém editoru ) a dále je v paměti uložen i program, který
24 počítač zpracovává a operační kódy jednotlivých instrukcí (podle nich řadič řídí činnost celého počítače (více v předmětu programování)). Výstupní zařízení (Output) Výstupní zařízení převádí výstupní data do nám srozumitelné podoby (monitor, tiskárna, reproduktorová soustava ), případně je výstupem (analogový) signál, který slouží k ovládání dalších zařízení (např. regulace topení počítačem na vstupu snímáme teplotu ve vytápěném objektu a teplotu venkovní, zpracujeme je v počítači a na výstupu je signál, který sepne/rozepne kotel topení). Podle koncepce von Neumanna jsou data i programy ve stejném formátu (binární kódování) a uloženy v jedné paměti. Harwardská koncepce počítače Vzniká několik let po koncepci von Neumanna na universitě v Harwardu. Paměť má rozdělenou na dva bloky zvlášť paměť pro zpracovávaná data a zvlášť paměť pro programy. Harwardská koncepce se častěji využívá pro jednoúčelové automaty a některé typy kalkulátoru. Srovnání obou koncepcí počítače Výhody harwardské koncepce: Oddělené paměti mohou být vyrobeny odlišnými technologiemi; Každá paměť může mít jinou velikost minimální adresovací jednotky; Dvě sběrnice umožňují přistupovat k datům i instrukcím současně; Program nemůže přepsat sám sebe. Nevýhody harwardské koncepce: Dvě sběrnice kladou vyšší nároky na řadič a prodražují počítač; Nevyužitou část paměti dat nelze použít pro program a nevyužitou část paměti pro program nelze použít k uložení dat. Výhody von Neumannovské koncepce: Rozdělení jedné společné paměti určuje programátor; Řadič přistupuje k datům i programu stejným způsobem jednodušší a tedy levnější; Jen jedna sběrnice levnější. Nevýhody von Neumannovské koncepce: Společné uložení dat i programu může mít při chybě za následek přepsání programu; Jen jedna sběrnice pomalejší. Dnešní počítač Může zpracovávat i několik úloh najednou a může mít více procesorů. Jako další vstupně/výstupní jednotkou je síťová karta pro připojení počítače do sítě. Paměť je rozdělena na vnější (pevný disk nebo SSD), která je trvalá s výpadkem napájecího napětí se informace neztrácí, a vnitřní (operační) paměť (RAM, DDR ), která je rychlá a do ní jsou načítány právě spuštěné programy, odkládány právě zpracovávaných data. Při výpadku
25 napětí je tato paměť vymazána, potřebná data, modifikované programy a jejich nastavení se přesouvají na vnější paměť (HDD), kde budou uložena a připravena pro další práci s nimi. 40. Napiš, z jakých zařízení se skládá dnešní počítač (klávesnice, zvuková karta, skener, mikroprocesor, joystick, flash paměť ) a do kterého bloku von Neumannova blokového schématu počítače patří. 41. Napiš, jak jsou propojena jednotlivá zařízení v počítači.
26 ROZDĚLENÍ POČÍTAČŮ Počítače můžeme rozdělit podle výkonnosti, podle velikosti, použití... PDA, handheld, pocket PC PDA, handheld, pocket PC (počítače do ruky a na ruku a kapesní počítače) - pod těmito názvy se skrývají maličké počítače, které používají klávesnice a nebo dnes častěji dotyková pera (stylus) a dotykové LCD displeje. Tyto počítače lze připojit k PC a vzájemně přenášet data (USB, BlueTooth ). Dražší PDA bývají vybaveny Wi-Fi pro bezdrátové připojení k síti, nebo GSM modulem pro mobilní komunikaci. Paměť je možno rozšířit paměťovou kartou. Operační systémy (OS) pro PDA Kapesní počítače využívající operační systém Pocket PC (2000 2002), Windows Mobile (2003 2010), Windows Phone 7 (2010) (dříve Windows CE), což jsou v podstatě pro PDA upravené OS Windows. Pro tento OS existují ořezané verze aplikací pro PC, jako např. MS Office, Akrobat Reader, Windows Media Player a další. Kapesní počítače založené na operačním systému Palm OS vyvinutým firmou Palm. Ta je také hlavním výrobcem PDA pro tento OS, dalšími výrobci jsou např. VISOR nebo SONY. Použití PDA Používají se jako inteligentní diáře s možností odesílání emailů, chytré telefony, k nahlížení do Internetu, přehrávání MP3, prohlížení fotografií; existují různé hry, jednoduché kancelářské aplikace, výukové programy pro výuku cizích jazyku, můžeme si pro ně psát programy... Netbook (subnotebook) Označuje přenosný počítač, který je lehký (okolo 1 kg), levný, s nízkou spotřebou (výdrž až 5 hod.), bývá menší než notebook. Netbook slouží především k poskytnutí přístupu k Internetu a umožňuje jednodušší kancelářské práce. U netbooků je obvyklé připojení k síti pomocí kabelu nebo Wi-Fi, a připojení k dalším zařízením pomocí USB, BlueToth, IrDA. Jejich vybavení je chudší než u notebooků menší displej a pevný disk (HDD), nemá jednotku CD-ROM/DVD-ROM, používají procesory s nízkou spotřebou energie (Intel Atom, AMD Geode ). Jako OS používají Windows nebo Linux.
27 Tablet PC Tablet PC (snímací PC) má větší dotykový displej, který je otočný a umožňuje měnit tablet PC na notebook. Displej je možné používat i na výšku, či jako běžný poznámkový blok. To vyžaduje použití specializovaného OS, například Windows XP Tablet Edition, který obsahuje nejenom podporu dotykového displeje, ale i umí rozpoznávat písmo psané dotykovým perem. Ostatní funkce jsou stejné jako u standardního PC. Cena těchto počítačů je vyšší než u notebooků, od 30 do 50tis Kč. Notebook přenosný počítač Mají být mobilní náhradou stolních PC a pracují na nich všechny aplikace a OS jako na PC. Klávesnice u notebooků má menší rozměry a méně kláves a místo myši se používá trackball (polohovací kulička) nebo touchpad (destička citlivá na dotyk). Vzhledem k malému prostoru uvnitř se téměř nedají rozšiřovat (pouze pomocí externích zařízení připojených přes USB nebo PCMCIA (přídavná karta pro připojení dalšího zařízení k notebooku)). Samozřejmostí je připojení notebooku do sítě (kabel, Wi-Fi, BlueToth ). Z důvodu horšího chlazení součástí mají notebooky menší životnost než klasický stolní PC. LCD displej má úhlopříčku až 18, výdrž práce na vestavěný akumulátor bývá dle velikosti displeje až 8 hod., používají úsporné procesory např. Intel Celeron Mobile, cena bývá od 10tis. Kč. Jedinou předností notebooku je jeho mobilita, pokud ho chceme používat ke stolní práci je vhodné ho doplnit o externí klávesnici, myš a displej. Osobní počítač Osobní počítač - Personal Computer (PC) stolní počítač, se kterým se běžně setkáváme v domácnostech a na pracovištích. Termín i vlastní počítače byly vytvořeny koncem sedmdesátých let minulého století jako protiváha sálovým počítačům. Běžná sestava PC se skládá z vlastního počítače umístěného ve skříni typu tower (věž), LCD monitoru, myši, klávesnice a reproduktorové soustavy. Současný trend je umisťovat počítač do skříně monitoru (All In One PC), nebo použití miniaturních skříní. Dále je možno sestavu PC doplnit o skener, tiskárnu, další monitor, projektor PC má síťovou kartu pro připojení do sítě, obvykle je možné ho rozšiřovat o další přídavné karty a zařízení (druhý HDD, lepší grafická karta ).
28 OS PC bývá u nás obvykle Windows XP, 7, méně se setkáme s jednotlivými verzemi Linuxu (Ubuntu, SuSe ), v Americe je též používá platforma Apple s operačním systémem MacOS. Procesory používají se od nejlevnějších Intel Celeron a AMD Sempron po nejdražší vícejádrové Intel Xeon a AMD Opteron, grafická karta může být levná integrovaná, nebo dle požadavků specializovaná pro hry, pro grafiku... Workstation Workstation pracovní stanice je název pro dřívější výkonnější osobní počítače. V osmdesátých letech minulého století byly samostatnou třídou počítačů od firem IBM, HP, SUN... Byly to osobní počítače, které díky výkonnému procesoru, rozsáhlým pamětem, špičkovou grafikou a sladění HW a SW přesahovaly výkon tehdejších PC. Dnes je díky vzrůstu výkonnosti PC setřen rozdíl mezi workstation a PC. Pojem workstation proto dostává obecný význam špičkově vybaveného osobního počítače určeného pro náročné výpočetní nebo grafické činnosti (víceprocesorové řešení, špičkový grafický výkon, velké a rychlé paměti, velkoplošné kvalitní LCD displeje; použití pro CAD návrhy, modelování, 3D grafiku, zpracování videa... Na obrázcích je workstation určená pro hry a konstruktérské strojařské pracoviště. Servery obslužné počítače Je to počítač v počítačové síti, který dalším počítačům poskytuje služby. V sítích typu klient-server musí současně vyřizovat požadavky mnoha uživatelů sítě a tomu odpovídá i jeho výkon. Je kladen velký důraz na jeho spolehlivost a bezchybný chod a rychlost (jednotlivé součásti od renomovaných výrobců, SSD disky, zálohování disků, použití záložního zdroje, antivirová ochrana a firewall). Server mívá svého správce. Mainframe sálový počítač Je to výkonný a extrémně spolehlivý a též drahý počítač určený pro náročné aplikace, k němuž jsou připojeny po místní síti tzv. terminály (jednoduché počítače), a který je přístupný i klientům po Internetu. Mainframe jsou nasazovány do provozů ve větších podnicích, nemocnicích, bankách atd. Mají velkou diskovou kapacitu, velkou vnitřní paměť, používá výkonné operační systémy (UNIX,
29 Solaris ) používají speciální hardware (HW) i software (SW). Dodavatelská firma (typicky IBM (Velká modrá)) zajišťuje soustavnou podporu pro SW, nové verze OS jsou 100% kompatibilní pro starší programy. Mainframe má rozměry větší lednice/lednic a umísťuje do klimatizovaných místností. Přístup k němu mají pouze specialisté. Význam mainframe je především v jeho nesmírně propracovaném systému spolehlivosti, díky němuž může být v nepřetržitém provozu (včetně výměny disků, procesorových jednotek ). Terminál (tenký klient) Zařízení složené z monitoru, klávesnice, myši a jednoduchého HW sloužící pro připojení po síti k výkonnému počítači (serveru, mainframe), na kterém spouští aplikace a používá jeho paměť. Na obrázku je vlevo tenký klient a vpravo server, ke kterému je připojen. Superpočítač Velmi výkonný a drahý počítač, schopný masivního paralelního zpracování dat. Superpočítače se používají při vědeckých výpočtech, v oblasti meteorologie, v molekulárním, genetickém, kosmickém výzkumu, při zpracování enormního počtu dat... Zatím co mainframe jsou běžné sériové výrobky, superpočítače jsou stavěné na zakázku a jejich hlavním hodnotícím kritériem je výpočetní výkon. Dnes jsou superpočítače obvykle sestavovány z běžných počítačů dodávají se kontejnery se sadami PC propojených vhodným SW a tyto kontejnery se dále propojují. Mají klimatizaci, vodní chlazení, dlouhoživotnostní HDD, vnitřní paměť bývá asi 2GB/jádro. V současnosti je největší superpočítač Jaguar fy Cray postavený na šesti jádrovém mikroprocesoru Opteron. Těchto jader má 224tis. Rychlost 1700 TFlops, spotřeba 7 MW. U nás např. superpočítač Amálka. Pozn.: TFlops Flops zkratka pro počet operací s reálnými čísly /s. Pozn.: Virtuální superpočítač uživatelé nabídnou své domácí PC připojené k internetu pomalé, poprvé použito k vyhledávání mimozemských civilizací.
30 Standardy osobních počítačů V současnosti existují ve třídě osobních počítačů dva rozdílné standardy: IBM PC kompatibilní počítače; Apple Macintosh. IBM PC kompatibilní počítače Jsou to počítače vzniklé klonováním původního originálního PC od firmy IBM. Jde o otevřenou platformu přístupnou různým výrobcům zařízení, která musí být vzájemně kompatibilní (např. do počítače si mohu dát zvukovou kartu od několika různých výrobců samozřejmě dle specifikace základní desky počítače). Používají nejčastěji mikroprocesory Intel nebo AMD. Jako OS se většinou používá MS Windows, méně často některé verze Linuxu (Ubuntu, SuSe ). Jejich rozšíření je v ČR stejně jako v Evropě v běžných kancelářích dominantní. Tomu jsou odpovídající i možnosti bezproblémového servisu a upgrade (vylepšování na současný standard) a většina software je tvořena právě pro tyto počítače. Mac Počítače Mac (Macintosh) vyrábí firma Apple a jsou třídou počítačů rozšířenou hlavně v USA, kde ovládají asi 10% trhu. Byly od samého počátku stavebnicově navrženy (základní deska a přídavné karty) to převzalo IBM pro své PC. Jsou uzavřenou platformou používaly mikroprocesory firmy Motorola a jako operační systém MacOS. Dnes jsou vyráběny hlavně ve variantě imac. Měli a mají vysoký výkon v grafických operacích a velmi dobrou podporu multimédií. Představují vysokou třídu v oblasti osobních počítačů. U nás se používají zejména ve specializovaných grafických studiích pro tvorbu profesionální grafiky a videa. V současnosti se montují do miniskříní nebo do monitoru (All In One). Nevýhodou je, mimo vyšší ceny i nedostatek programů a méně přístupný servis. V současnosti dochází ke sbližování obou platforem (imac na procesorech Intel). 42. Jaký je rozdíl mezi netbookem a notebookem? 43. Jaké platformy počítačů se dnes používají? 44. Jak funguje tenký klient a jaké má výhody oproti klasickému PC? 45. Napiš, kde máme ČR superpočítače a kde mainframy (konkrétně).
31 OSOBNÍ POČÍTAČ A PŘÍDAVNÁ ZAŘÍZENÍ Skříně počítačů Do počítačové skříně montujeme jednotlivé počítačové komponenty základní desku s rozšiřujícími kartami, pevné disky, DVD mechaniky, napájecí zdroj Důležité parametry skříní: Velikost a tvar skříně; Chlazení a hluk; Vzhled skříně, přístup do skříně. Velikost skříně Velikost a tvar skříně udává, kolik jednotek v ní lze umístit: Počet 3,5 pozic pro umístění HDD, čtečky karet, (FDD); Počet 5,25 pozic pro umístění DVD mechanik; DeskTop Počítačové skříně jsou podle velikosti a tvaru rozděleny do pěti skupin: BigTower; MiddleTower (MidiTower); MiniTower (MikroTower); DeskTop; Cube. Skříň se umísťovala se na stole a na ní se dával monitor. Varianty Slimline a Super-Slimline jsou nižší a mají malý vnitřní prostor skříně. Dle dnešních ergonomických požadavků by ovšem monitor měl být na pracovní ploše umístěn co nejníže. To je důvod, proč se desktop dnes téměř nepoužívá. Pozn.: Pojem desktop se dnes používá též obecně pro PC. Tower Varianty Tower (věž) umísťujeme jej obvykle mimo pracovní desku stolu (ne na zem otřesy, prach). Používané varianty jsou: BigTower největší skříň pro servery; MiddleTower pro nás nejvhodnější možno instalovat další komponenty; MiniTower nejmenší. Desktop, MicroTower, MidiTower a BigTower MiddleTower (MidiTower) Lze rozšiřovat o další zařízení, vhodný typ pro nás. Má čtyři až pět pozic pro zamontování 5,25 zařízení (DVD) a tři až pět pozic pro 3,5 pevné disky. Jsou určeny pro ATX desku (do skříně pro ATX desku se samozřejmě vejde i micro ATX deska (ale neplatí to naopak).
32 Před pořízením skříně je třeba si ověřit, zda se do něj pořizovaná základní deska vůbec vejde, a obdobně, zda se do ní a do skříně vejde grafická karta (některé typy jsou dlouhé). MiniTower (též se jí říká MicroTower) je nejmenší věží se značně omezeným místem pro další komponenty. Používá se především pro kancelářské PC. Cube Skříň Cube (kostka) je kompromisem mezi destopem a towerem a používá se především pro multimediální počítače např. pro HTPC (Home Theater PC, obývákové PC) a pro tzv. Barebone systémy. Cube se vyznačuje menšími skříněmi (nepředpokládá se rozšiřování o další komponenty), účelnějším vnitřním uspořádáním, umožňující lepší proudění vzduchu při chlazení. Vzhledově jsou konstruovány tak, aby byly vhodným doplňkem obýváku nebo kanceláře. U typu počítače All-In-One se montují počítačové komponenty přímo do skříně monitoru. Chlazení a hluk Některé komponenty PC (zdroj, mikroprocesor, grafická karta ) se při provozu zahřívají a je potřeba je chladit chladiči ofukovanými větráčky, samotná skříň má též chlazení větrákem. Počítač v provozu může díky větrákům a provozu pevných disků vydávat značný a nepříjemný hluk. Záleží na mechanických vlastnostech skříně a jejího větráku, zda bude tento hluk eliminovat nebo naopak ještě zvyšovat. Nejmenší hlučnost mají skříně z materiálu (kvůli váze raději hliníkový plech než ocelový) tloušťky 1 mm, bez postranních větracích otvorů a bez různých okének z plexiskla. Z hlediska chlazení a hluku je nejvýhodnější skříň, mající v zadní části větrák o průměru minimálně 120 mm (vyrábějí se až s 250 mm větrákem) s otáčkami řízenými dle teploty uvnitř skříně. Větráky s menšími průměry se musí otáčet rychleji to způsobuje hluk. Větrák by měl být nastaven tak, aby vyfukoval vzduch nasávaný předními otvory ven ze skříně. Větrák skříně by měl mít jen drátovou mřížku (perforovaný plech může způsobovat hluk diky turbulencím vzduchu). Kvalitní skříně mají kvůli hluku pružné (v gumě) uchycení disků, mechanik, ventilátorů a zdroje, tlumící podložky nalepené na bočnicích... Přístup do skříně a její vzhled Skříň by měla být rozebíratelná a mít dobrý přístup ke všem komponentům, snadno by se do ní měly vkládat rozšiřující karty a v přední části mít konektory USB, Audio, esata, FireWire, HDMI... Na estetiku PC skříně se klade stále větší důraz, před jejím
33 pořízením je třeba zvážit, zda bude viditelně umístěna, případně, že bude součástí obýváku a volit skříň i ze vzhledového hlediska. 46. V jaké skříni je počítač, na kterém pracuješ? 47. Napiš, podle jakých kriterií se vybírá počítačová skříň 48. Jak se dosahuje menší hladiny hluku u PC?
34 Napájecí zdroj Napájecí zdroj je zařízení, které dodává elektrickou energii potřebnou k napájení jednotlivých komponent počítače. Ze střídavého síťového napětí 230 V/50 Hz vyrábí několik malých stejnosměrných napětí 12 V; 5 V; 3,3 V rozdělených do jednotlivých větví. Výkon zdroje PC bývá 300W až 1 KW. Typy zdrojů Typ zdroje AT (Advanced Technology (pokročilá, vyspělá technologie)) se používal (od r. 1984) pro základní desky Baby-AT napájecí zdroj dodával pro napájení mikroprocesoru napětí 5V a to se na desce upravovalo na potřebnou hodnotu (např. 3,3V). Zdroj AT bylo možno vypnout jen síťovým vypínačem, který býval na přední straně počítače. Tato koncepce zdroje neumožňovala softwarové (programově řízené (pohotovostní režim)) zapínání. Formát zdroje ATX (firma Intel) se objevil v r. 1995 a sloužil k napájení desek ATX. Oproti AT typu měl SW vypínání a zapínání, tedy elektronické ovládání zdroje, a novou napájecí větev s napětím 3,3 V. Z formátu ATX se vyvinul formát ATX12V (r. 2002), oproti ATX má především proudově posílenou napájecí větev 12 V a 5 V. Jednotlivé verze se dále liší přidáním serial ATA konektoru, změnou Main Power konektoru na 2 x 12 pinů (z 2 x 10) a přidáním 2 x 2 pin konektoru (12 V Power konektor) pro napájení procesoru. Další typ zdroje formátu BTX (Balanced Technology Extended (vyvážená a rozvinutá technologie)) se snažila zavést v r. 2003 firma Intel. Toto označení týkalo se především celkové koncepce počítače a rozložení jeho komponent s důrazem na lepší chlazení spotřeba Pentií 4 byla neúnosná. Tento model se neujal, ostatně procesory Core 2 Duo už mají nižší spotřebu. Síťový vypínač u AT Pro skříně počítačů s nestandardními rozměry se používají zdroje s menšími rozměry, než mají ATX zdroje, jsou to např. typy TFX12V, SFX12V
35 Napájecí konektory a kabeláže Pro napěťové úrovně se používá barevné značení: Černá zem (GND, GROUND, COM); Červená +5 V; Žlutá +12 V; Modrá -12 V. Napájecí konektor Main Power Main Power napájí základní desku počítače a jeho varianty jsou: AT - dva konektory ozn. P8 a P9 po 6 pinech, jen u historických desek; ATX (ATX12V verze 1.3) konektor s 20 piny, používali se do nedávna; ATX (ATX12V verze 2.0) a BTX pro současné desky s 24 pinovým konektorem. Na obr.: PS-ON - zapíná ostatní napěťové okruhy; 5VSB na něm je 5V i v době, kdy jsou ostatní napájecí obvody vypnuty (je potřeba při vzbuzení počítače propojením s PS-ON); PW-OK ke kontrole napětí; COM, GND a GROUND zemní vodič. Konektor Power 12 V Napájecí konektor Power 12 V je 4 pinový a slouží k napájení procesoru. Vznikl v souvislosti s procesorem Pentium 4, kde je nezbytné ho používat pro posílení 12V větve konektoru Main Power. Musí být řešen oddělenou větví s vlastním proudovým limitem. Konektor AUX Byl obdobou Power 12 V u starších ATX zdrojů pro posílení napájení procesorů. Dnes se nepoužívá.
36 Napájení zařízení mimo základní desku Pro napájení pevných disků, DVD mechaniky, dříve disketové jednotky atd. se používá se plochých konektůrků vyvedených ze zdroje: Konektor Peripheral Power pro pevné disky a pro mechaniky DVD v počtu tři až osm; Konektor Floppy Drive Power sloužil pro disketové mechaniky; Konektor Serial ATA slouží k napájení pevných disků s rozhraním Seriál ATA, nemá-li ho zdroj lze použít redukci z Peripheral Power; Ostatní konektůrky např. pro napájení větráčků. Pozn.: Některá vnější zařízení (myš...) je možné napájet z vnitřního zdroje PC prostřednictvím USB portu. Potřebný výkon PC zdroje U skříní MiniTower se používají zdroje s výkonem asi 250 W, u nejpoužívanějších MidiTower 350 až 500 W.
37 Při stavbě PC z jednotlivých komponentů je důležité, mimo celkového výkonu zdroje, sledovat i zatížení v jednotlivých napájecích větvích, hlavně ve větvi 12 V. Musíme sečíst špičkové výkony u zařízení připojených na jednu napájecí větev a s dostatečnou rezervou volit vhodný zdroj. V tabulce jsou uvedeny informační spotřeby jednotlivých zařízení PC. Pozn.: Na webu lze najít PSU kalkulátor spotřeby sestavy, který po zadání použitých komponentů vypočte jejich celkovou špičkovou spotřebu a případně doporučí vhodné typy zdrojů. (Např. extreme Power Supply Calculator Pro).
38 Účinnost zdroje V obvodech napájecího zdroje se část elektrické energie přemění na tepelnou energii (především na spínacích tranzistorech, napěťových regulátorech a na usměrňovacích diodách (viz Elektronika)), která se vyzáří do okolního prostoru. Proto bude příkon zdroje vždy vyšší než jeho výkon činný. Např. při spotřebě komponentů 200 W a účinnosti zdroje 80 % trojčlenkou spočítáme, že ze sítě bude zdroj odebírat 250 W, přičemž oněch 50 W se protopí ve zdroji. Při výběru zdroje je třeba vybrat model s co nejvyšší hodnotou účinnosti, tím se nejen sníží spotřeba elektrické energie, ale nebude třeba tolik chladit zdroj, otáčky větráčku zdroje budou menší a zdroj tišší. Velmi prestižní značkou pro zdroje je certifikace 80+, která udává, že daný zdroj má při všech stupních zatížení účinnost vyšší než 80%. Toto ocenění má ještě další varianty: 80 plus Classic zaručuje účinnost min 80% při 20%, 50% a 100% zatížení; 80+ Bronze zajišťuje účinnost 20%-82%, 50%-85% a 100%-82%; 80+ Silver zaručuje minimální účinnost 20%-85%, 50%-88%, 100%-85%; 80+ Gold zajišťuje při účinnost 20%-87%, 50%-90%, 100%-87%. Na zdroji najdeme příslušné logo: Spolehlivost zdroje Kolaps zdroje může znamenat i zničení dalších komponentů počítače a ztrátu dat. Je velmi vhodné volit zdroj od renomovaného výrobce a rozhodně na něm nešetřit. Mezi kvalitní zdroje patří výrobky firem Fortron, Seasonic, Enermax, Thermaltake, Corsair, a před koupí je dobře se podívat na jeho hodnocení na Internetu. 49. Napiš, jaké zdroje se používají k napájení PC. 50. Uveď, co je typické pro AT a ATX zdroje. 51. Jak se dosahuje menší hladiny hluku zdroje PC? 52. Napiš, které konektory zdroje se používají pro základní desku, HDD, DVD mechaniku a větráčky.
39 Nepřerušitelné zdroje napájení a přepěťové ochrany Nepřerušitelné zdroje napájení UPS (Uninterruptable Power Supply) chrání PC před výpadkem proudu v síti a obvykle též proti napěťovým špičkám v rozvodné i počítačové síti. Při výpadku napájecího napětí jsou schopny dodávat několik (desítek) minut napájecí napětí z akumulátorové baterie, informovat o výpadku napájení operační systém a bezpečně ukončit všechny otevřené aplikace (bez ztráty dat), regulérně ukončit činnost operačního systému a počítač vypnout. Pro servery je použití UPS nezbytností. Zdroj stejnosměrného napětí a střídač Při výpadku síťového napětí je energie k napájení PC dodávána z akumulátorové baterie. Ta ovšem dodává malé stejnosměrné napětí a to je třeba převést na střídavé napětí sítě v tzv. střídači. Akumulátorovou baterii je nutné ze střídavé sítě dobíjet stejnosměrným proudem k tomu slouží zdroj stejnosměrného napětí. Princip činnosti UPS Podle principu činnosti UPS dělíme do tří skupin podle technologie, kterou UPS používají: Off-line UPS při výpadku síťového napětí, nebo jeho snížení, dojde k zapnutí střídače a přepnutí kontaktu relé a zařízení je napájeno z UPS to trvá několik milisekund, ve kterých počítač není napájen - to je z hlediska zálohovaného PC nepodstatné. Jde o nejlevnější typ UPS; On-line UPS počítač je napájen pouze jen z akumulátorových baterií, které jsou stále dobíjeny ze sítě. Z akumulátoru je pak napájen střídač, dodávající do počítače sinusové napětí 230 V/50 Hz. Servisní bypass spínáme při výměně akumulátoru. Oproti typu Off-line bývá střídač precizněji proveden a na výstupu dostáváme skutečně sinusové napětí, nedochází k výpadku napájení při přerušení dodávky el. proudu v síti, další výhodou je potlačení možných napěťových špiček v síti (atmosférické výboje). On-line uspořádání UPS je nejdražší jednak kvůli malé účinnosti a dále akumulátor je stále v provozu to zkracuje jeho životnost.