Základní pojmy

  • Multitasking: Současný provoz více úloh na jednom počítači, kdy jedna úloha probíhá na popředí a ostatní probíhají na pozadí. Dovoluje lepší využití CPU. V případě, že uživatel pracuje interaktivně s nějakým programem, který většinu času čeká na zadání jeho požadavků, je možné, aby procesor prováděl např. nějaký náročný matematický výpočet. Je-li na počítači s jedním procesorem provozováno více programů, je procesor přidělován postupně vždy na určitou dobu, tzv. časové kvantum (asi 0.1 s), všem provozovaným programům. Podle způsobu práce rozlišujeme dva druhy multitaskingu:
    • kooperativní multitasking: procesor je operačním systémem přidělen jednomu programu, který jej má v držení tak dlouho, dokud jej sám nevrátí zpět operačnímu systému. Ten jej pak přidělí jinému programu. Nevýhodou je, že program nemusí procesor navrátit v dostatečně krátkém časovém úseku, což způsobí dojem, že ostatní programy nepracují. Ještě horší případ nastane ve chvíli, kdy program procesor nevrátí vůbec (např. zhavaruje). Tato situace vede ve většině případů k havárii celého systému.
    • preemtivní multitasking: procesor je přidělen programu pouze na určitou dobu a po jejím uplynutí jej sám operační systém programu odebere a přidělí jinému programu. Z toho vyplývá, že nemohou nastat stavy uvedené u kooperativního multitaskingu. Nevýhodou tohoto řešení je vyšší náročnost na hardwarové vybavení počítače.
  • Integrovaný obvod – Elektronická součástka realizující určité množství obvodových prvků neoddělitelně spojených na povrchu nebo uvnitř určitého spojitého tělesa, aby se dosáhlo ucelené funkce elektronického obvodu
  • Diskrétní režim práce počítače – Způsob práce počítače, kdy je do paměti počítače zaveden program, data a pak probíhá výpočet. V průběhu výpočtu již není možné s počítačem dále interaktivně komunikovat. Tento způsob práce byl charakteristický pro počítače první generace.
  • Řadič (Controller) -Zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost signálů ovládajících připojené zařízení. Jedná se tedy o zařízení, které řídí činnost jiného zařízení.
  • Registr – Velmi rychlé paměťové místo malé kapacity (jednotky bytů) umístěné většinou uvnitř procesoru počítače.
  • Paměť se sekvenčním přístupem: paměť, u které je nutné při přístupu k místu s adresou n nejdříve postupně přečíst všechna předcházející místa (0 až n-1)
  • Paměť s přímým přístupem: paměť, která dovoluje přistoupit okamžitě k místu s libovolnou adresou
  • ROM: paměť určená pouze ke čtení dat
  • RAM: paměť určená ke čtení i zápisu dat
  • Vnější (periferní): paměť sloužící k dlouhodobějšímu uchování dat. Realizovaná většinou na principu magnetického (popř. optického) záznamu dat. Ve srovnání s operační pamětí bývá přístup k jejím datům pomalejší.
  • Vnitřní (operační): paměť sloužící pro uchování momentálně zpracovávaných dat a programů. Realizovaná většinou pomocí polovodičových součástek.
  •  Vstupní / výstupní zařízení (I/O devices – Input / Output):
    • Zařízení určená pro vstup i výstup dat. Např. disky (pevné, pružné), páskové mechaniky
  • BIOS (ROM BIOS) (Basic Input Output System):
    • Programové vybavení uložené v paměti
    • ROM (EPROM, EEPROM, Flash) zajišťující nejzákladnější funkce (např. zavedení OS).

Druhy výpočetních systémů, přehled, vývoj a historie

Počítače se rozdělují do tzv. generací, kde každá generace je charakteristická svou konfigurací, rychlostí počítače a základním stavebním prvkem. Generace počítačů:

Generace Rok Konfigurace Rychlost (operací/s) Součástky
0. 1940 Velký počet skříní Jednotky Relé
1. 1950 Desítky skříní 100 – 1000 Elektronky
2. 1958 do 10 skříní Tisíce Tranzistory
3. 1964 do 5 skříní Desetitisíce Integrované obvody
3.1/2 1972 1 skříň Statisíce Integrované obvody (LSI)
4. 1981 1 skříň desítky milionů Integrované obvody (VLSI) 
  1. generace:

První generace počítačů přichází s objevem elektronky, jejímž vynálezcem byl Lee De Forest a která dovoluje odstranění pomalých a nespolehlivých mechanických relé. Tyto počítače jsou vybudovány prakticky podle von Neumannova schématu a je pro ně charakteristický diskrétní režim práce. Při tomto zpracování je do paměti počítače zaveden vždy jeden program a data, s kterými pracuje. Poté je spuštěn výpočet, v jehož průběhu již není možné s počítačem interaktivně komunikovat. Po skončení výpočtu musí operátor do počítače zavést další program a jeho data. Diskrétní režim práce se v budoucnu ukazuje jako nevhodný, protože velmi plýtvá strojovým časem. Důvodem tohoto jevu je „pomalý“ operátor, který zavádí do počítače zpracovávané programy a data. V tomto okamžiku počítač nepracuje a čeká na operátora.

V této době neexistují vyšší programovací jazyky, z čehož vyplývá vysoká náročnost při vytváření nových programů. Neexistují ani operační systémy.

  1. generace:

Druhá generace počítačů nastupuje s tranzistorem, jehož objevitelem byl John Barden a který dovolil díky svým vlastnostem zmenšení rozměrů celého počítače, zvýšení jeho rychlosti a spolehlivosti a snížení energetických nároků počítače. Pro tuto generaci je charakteristický dávkový režim práce. Při dávkovém režimu práce je snaha nahradit pomalého operátora tím, že jednotlivé programy a data, která se budou zpracovávat, jsou umístěna do tzv. dávky a celá tato dávka je dána počítači na zpracování. Počítač po skončení jednoho programu okamžitě z dávky zavádí program další a pokračuje v práci.

V této generaci počítačů také začínají vznikat operační systémy a první programovací jazyky, jako jsou COBOL a FORTRAN.

  1. generace:

Počítače třetí a vyšších generací jsou vybudovány na integrovaných obvodech, které na svých čipech integrují velké množství tranzistorů. U této generace se začíná objevovat paralelní zpracování více programů, které má opět za úkol zvýšit využití strojového času počítače. Je totiž charakteristické, že jeden program při své práci buď intenzivně využívá CPU (provádí složitý výpočet), nebo např. spíše využívá V/V zařízení (zavádí data do operační paměti, popř. provádí tisk výstupních dat). Takové programy pak mohou pracovat na počítači společně, čímž se lépe využije kapacit počítače.

S postupným vývojem integrovaných obvodů se neustále zvyšuje stupeň integrace (počet integrovaných členů na čipu integrovaného obvodu). Podle počtu takto integrovaných součástek je možné rozlišit následující stupně integrace:

Označení Anglický název Český název Počet logických členů
SSI Small Scale Integration Malá integrace 10
MSI Middle Sclae Integration Střední integrace 10 – 100
LSI Large Scale Integration Vysoká integrace 1000 – 10000
VLSI Very Large Scale Integration Velmi vysoká integrace 10000 a více

Integrované obvody je možné vyrábět pomocí různých technologií, z nichž každá má svůj základní stavební prvek a díky němu poskytuje specifické vlastnosti:

  • TTL (Transistor Transistor Logic): rychlá, ale drahá technologie. Jejím základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor. Její nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie a z toho vyplývající velké zahřívání se takovýchto obvodů.
  • PMOS (Positive Metal Oxid Semiconductor): technologie používající unipolární tranzistor MOS s pozitivním vodivostním kanálem. Díky tomu, že MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem a nikoliv elektrickým proudem jako u technologie TTL, redukuje nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se však o pomalou a dnes nepoužívanou technologii.
  • NMOS (Negative Metal Oxid Semiconductor): technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním vodivostním kanálem. Tato technologie se používala zhruba do začátku 80. let. Jedná se o levnější a efektivnější technologii než TTL a rychlejší než PMOS.
  • CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor): technologie spojující v jednom návrhu prvky tranzistorů PMOS i NMOS. Tyto obvody mají malou spotřebu a tato technologie je používána pro výrobu velké čáti dnešních moderních integrovaných obvodů.
  • BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxid Semiconductor): nová technologie spojující na jednom čipu prvky bipolární technologie i technologie CMOS. Používána zejména firmou Intel k výrobě mikroprocesorů.

Von Neumannovo schéma výpočetního systému x Harvardská architektura (porovnání, rozdíly)

Von Neumannova architektura je v informatice označení pro jednoduché schéma programovatelného počítače, které používá jednu sběrnici, na kterou jsou připojeny všechny aktivní prvky (procesor, paměť, vstupy a výstupy).

Podle tohoto schématu se počítač skládá z pěti hlavních modulů:

  • Operační paměť : slouží k uchování zpracovávaného programu, zpracovávaných dat a výsledků výpočtu
  • ALU – Arithmetic-logic Unit (aritmetickologická jednotka): jednotka provádějící veškeré aritmetické výpočty a logické operace. Obsahuje sčítačky, násobičky (pro aritmetické výpočty) a komparátory (pro porovnávání)
  • Řadič: řídící jednotka, která řídí činnost všech částí počítače. Toto řízení je prováděno pomocí řídících signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům. Reakce na řídící signály, stavy jednotlivých modulů jsou naopak zasílany zpět řadiči pomocí stavových hlášení
  • Vstupní zařízení: zařízení určená pro vstup programu a dat.
  • Výstupní zařízení: zařízení určená pro výstup výsledků, které program zpracoval

Ve von Neumannově schématu je možné ještě vyznačit dva další moduly vzniklé spojením předcházejících modulů:

  • Procesor: Řadič + ALU
  • CPU – Central Processor Unit (centrální procesorová jednotka): Procesor + Operační paměť

Princip činnosti počítače podle von Neumannova schématu

  1. Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet.
  2. Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat
  3. Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem počítače. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti.

Von neuman

Harvardská architektura je počítačová architektura, která fyzicky odděluje paměť programu a dat a jejich spojovací obvody. Název pochází z elektromechanického počítače Harvard Mark I – zástupce 0. generace, který implementoval tuto architekturu. Mark I měl strojové instrukce uloženy na děrované pásce (o šířce 24 bitů) a data na elektromechanických deskách (23 číslic široké).

U harvardské architektury není potřeba mít paměť stejných parametrů a vlastností pro data a pro program. Paměti můžou být naprosto odlišné, mohou mít různou délku slova, časování, technologii a způsob adresování. V některých systémech se pro paměť programu používá typ paměti ROM (read only memory), přičemž paměť dat vyžaduje typ paměti RWM (Read-Write Memory).

Dvojí paměť umožňuje paralelní přístup k oběma pamětím, což zvyšuje rychlost zpracování. Umístění programu v paměti ROM může významně přispět k bezpečnosti systému (program nelze modifikovat).

Sběrnice (BUS), řadič (CONTROLLER)

Sběrnice (anglicky bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresových a datových vodičů v případě paralelní sběrnice nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem.

V případě modulární architektury elektronického zařízení nebo počítače je sběrnice po mechanické stránce vybavena konektory uzpůsobenými pro připojení modulů.

  • ISA – starší typ pasivní sběrnice, šířka 8 nebo 16 bitů, přenosová rychlost < 8 MB/s
  • PCI – novější typ „inteligentní“ sběrnice, šířka 32 nebo 64 bitů, burst režim, přenosová rychlost < 130 MB/s (260 MB/s)
  • AGP – jednoúčelová sběrnice určená pro připojeni grafického rozhraní (karty) k systému, přenosová rychlost 260 MB/s – 2 GB/s
  • PCI-X – zpětně kompatibilní rozšíření sběrnice PCI
  • PCI-Express (PCIe) – nová sériová implementace sběrnice PCI
  • USB – sériová polyfunkční sběrnice, 2 diferenciální datové vodiče + 2 napájecí vodiče 5 V/500 mA, široké použití, verze 1.1 přenosová rychlost 12 Mb/s (~1,43 MB/s), 2.0 přenosová rychlost 480 Mb/s (~57 MB/s), 3.0 přenosová rychlost 4800 Mb/s (~572 MB/s)
  • FireWire – sériová polyfunkční sběrnice, široké použití, 50 MB/s
  • RS-485 – sériová průmyslová sběrnice, (někdy jako proudová smyčka), do prostor s vysokým elektromagnetickým rušením
  • I²C – sériová sběrnice, < 100 kb/s, adresace 128 zařízení, komunikace a řízení v elektronických zařízení

Řadič je elektronická řídicí jednotka, realizovaná sekvenčním obvodem, která řídí činnost všech částí počítače. Toto řízení je prováděno pomocí řídicích signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům (dílčím částem počítače). Reakce na řídicí signály – stavy jednotlivých modulů – jsou naopak zasílány zpět řadiči pomocí stavových hlášení. Dílčí částí počítače je např. operační paměť, která rovněž obsahuje řadič, který je podřízen hlavnímu řadiči počítače, jenž je součástí CPU.

Mikroprocesory, architektury CPU

Mikroprocesor (zkráceně µP či uP) je v informatice označení pro centrální procesorovou jednotku (CPU), která je jako celek integrována do pouzdra jediného integrovaného obvodu nebo nejvýše několika mála integrovaných obvodů. Mikroprocesor je víceúčelové programovatelné zařízení, které na vstupu akceptuje digitální data, zpracuje je pomocí instrukcí uložených v paměti a jako výstup zobrazí výsledek. Mikroprocesor představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro uložení dat používádvojkovou soustavu.

Druhy mikroprocesorů

  • CPU (Central Processing Unit) – hlavní (mikro)procesor počítače (v minulosti však CPU neměl vždy podobu mikroprocesoru)
  • GPU (grafický procesor) – hlavní mikroprocesor grafické karty
  • APU (Accelerated Processing Unit) – CPU a GPU v jednom pouzdře
  • matematický procesor (FPU), označovaný také jako matematický koprocesor, dnes je většinou integrovaný s CPU v jednom pouzdře.
  • zvukový procesor
  • signálový procesor (DSP procesor)
  • jiné specializované procesory

RISC (anglicky Reduced Instruction Set Computing) označuje v informatice jednu z architektur mikroprocesorů. RISC označuje procesory s redukovanou instrukční sadou, jejichž návrh je zaměřen na jednoduchou, vysoce optimalizovanou sadu strojových instrukcí, která je v protikladu s množstvím specializovaných instrukcí ostatních architektur. Přesná definice označení RISC není jasná, avšak často se používá popisnější název architektura load-store, který lépe vyjadřuje fakt, že celkový počet instrukcí RISC procesoru může být paradoxně vyšší, než u jiných architektur.

CISC (anglicky Complex Instruction Set Computing) označuje v informatice skupinu procesorů vyznačujících se podobným návrhem sady strojových instrukcí. Označení complex vyjadřuje skutečnost, že strojové instrukce pokrývají velmi široký okruh funkcí, které by jinak šly naprogramovat pomocí jednodušších již obsažených strojových instrukcí (například násobení je možné nahradit sčítáním a bitovými posuny).

Základní deska, čipové sady

Deska plošného spoje tvořící základ celého počítače. Základní deska obsahuje:

  • Procesor (mikroprocesor)
  • Patici pro numerický koprocesor (popř. osazený koprocesor)
  • Obvody čipové sady
  • Rozšiřující sběrnici (bus)
  • Paměti
  • Vyrovnávací cache paměť
  • Sloty umístěné na rozšiřující sběrnici pro připojení rozšiřujících karet
  • CMOS paměť
  • Hodiny reálného času
  • Akumulátor zálohující CMOS paměť

Vzhledem k tomu, že u novějších procesorů (80486 a vyšší) je již numerický koprocesor integrován přímo na čipu procesoru, není nutné, aby základní deska obsahovala patici pro jeho zapojení. Základní deska dále může obsahovat:

  • Vstup / výstupní porty (I/O – Ports)
  • Řadič pružných disků
  • Rozhraní pevných disků
  • Videokartu (videoadaptér)

systémový řadič: obvod, který řídí společnou činnost jednotlivých obvodů základní desky a realizuje následující funkce:Zařízení jako jsou procesor, numerický koprocesor, řadič cache paměti, paměti a obvody čipové sady jsou společně propojeny pomocí tzv. systémové sběrnice (CPU bus), která umožňuje jejich rychlou vzájemnou komunikaci. Čipová sada je tvořena obvody s následující funkcí:

    • generuje hodinové signály
    • vytváří adresy pro paměti RAM
    • generuje řídící signály pro paměťový subsystém
    • zabezpečuje RESET systému po připojení elektrického napájení nebo stisku tlačítka RESET
  • řadič sběrnice: zabezpečuje komunikaci mezi systémovou sběrnicí a rozšiřující sběrnicí, dále obsahuje rozhraní reproduktoru a rozhraní paměti EPROM
  • buffer dat: obvod, který slouží k zachycování dat a jejich přepínání mezi jednotlivými datovými sběrnicemi osobního počítače

Rozhraní, kabeláž, konektory

Rozdělení obvodů rozhraní

  1. Podle způsobu propojení
    • drátové (elektrické, optické)
    • bezdrátové
  2. Podle druhu signálu
    • analogové
    • digitální
  3. Podle směru komunikace
    • jednosměrné
    • obousměrné
  4. Podle účelu:
    • univerzální (např. USB, RS-232, LPT, Bluetooth, IrDA, atd.)
    • grafické (s výstupem D-SUB, DVI, HDMI, Display Port)
    • zvukové (jack 3.5’’, S/PDIF)
    • síťové (síťová karta – drátová, bezdrátová)

USB

USB vzniklo za spolupráce firem Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, NEC, Microsoft a Philips. Nahrazuje rozsáhle používaný sériový port RS-232. Univerzální sériová sběrnice ulehčuje obecně práci uživateli a má větší šířku pásma než sériový port RS-232. První specifikace USB byla navržena v roce 1995, jako levné univerzální rozhraní pro externí zařízení, která vystačí s nižší průchodností dat. Jeho účelem bylo sjednotit způsob připojování těchto periférií.

Skutečného rozšíření se dočkalo až v roce 1998, a to pravděpodobně díky dvěma faktům. Jednak byl na trh uvedený revoluční počítač iMac firmy Apple. Tento barevný poloprůhledný počítač byl jako první na světě vybaven pouze porty USB a podnítil výrobce k většímu zájmu o výrobu USB periférií a příslušenství. Počítačů iMac se prodalo za celou dobu produkce několik miliónů kusů a mimo své úlohy na rozšíření USB znamenal také návrat firmyApple na stoly běžných spotřebitelů. Druhým podnětem pro zahájení hromadné výroby USB periferií bylo uvedení operačního systému Microsoft Windows 98 (25 milionů prodaných licencí za rok 1998). Do té doby používané Windows 95 totiž podporovaly USB pouze od verze OEM Service Release 2.1 bez možnosti doinstalování do starších verzí, koncové verze Windows 95 (tzv. „krabicové“) USB nepodporovaly vůbec.

USB 1.1

Ve verzi USB 1.1 existují pomalá (Low-Speed) zařízení s přenosovou rychlostí 1,5 Mbit/s (187,5 kB/s) a rychlá zařízení (Full-Speed) s rychlostí 12 Mbit/s (1,5 MB/s). USB 1.1 však nebylo schopno konkurovat vysokorychlostním rozhraním, např. FireWire (IEEE 1394) od firmy Apple (400 Mbit/s; až 63 zařízení).

USB 2.0

V roce 1999 se začalo uvažovat o druhé generaci USB, která by byla použitelná i pro náročnější zařízení (např. digitální kamery). Tato nová verze, označovaná jako USB 2.0, přišla v roce 2000 a nabídla maximální rychlost 480 Mbit/s (60MB/s) v režimu Hi-Speed, avšak zachovala zpětnou kompatibilitu s USB 1.1 (režimy Low-Speed a Full-Speed).

USB 3.1 generace 1

Třetí verze (označovaná také jako Superspeed USB) byla hotová již 17. listopadu 2008, ale pravděpodobně kvůli finanční krizi se její masové rozšíření opozdilo a rozvíjet se začíná až roku 2010. USB 3.1 disponuje více než 10× větší rychlostí, přenosová rychlost je 5 Gbit/s (625 MB/s). Nová technologie má 9 vodičů namísto původních 4 (datové vodiče jsou již 4), přesto zpětně podporuje USB 2.0 a slibuje možnou nižší spotřebu energie (díky Power managementu). Díky tomu je možné používat libovolnou kombinaci zařízení a portů USB 2.0 a USB 3.1.

USB-C (USB-Type C)

3. prosince 2013 byl znám konkrétní návrh standardu a konektoru (nazývaného typ C). Ten se má rozměry blížit variantě microUSB, svými vlastnostmi konektoru Lightning od Applu. Stejně jako ten půjde typ C USB 3.1 zasunout oběma směry navíc i vzhůru nohama, takže bude opět lehčí potmě zapojit nabíječku. První zařízení s novým USB-C se začala objevovat v polovině roku 2014. (Nový MacBook). Nový konektor nebude disponovat pouze datovou prostupností 10Gb/s, ale může být použit i k napájení. Maximem je 5A při 20V, tedy 100W (v porovnání se starší verzí je to až 400x více), což bude dostačovat i pro napájení většiny notebooků. Tento konektor je kompatibilní s: Linux, Windows 10, Windows 8.1, OS X, Android 6 a Chrome OS. USB typu C má na obou stranách stejný konektor skládající se z 24 kontaktů (12 shora, 12 zespoda). Díky již zmíněným zajímavostem bude USB-C používáno ve téměř ve všech zařízení.

Příklady využití: nabíjení zařízení, jako datový kabel, pro připojení k internetu, k přenosu obrazu (jako HDMI).

FireWire

FireWire (označované jako i.Link nebo IEEE 1394) je standardní sériová sběrnice pro připojení periférií k počítači. Díky své technické jednoduchosti a pořizovací ceně nahrazuje dříve používané způsoby připojení, především SCSI. V současné době jsou k dispozici dvě verze FireWire – původní s šestipinovým kabelem označovaná dnes jako FireWire 400 neboli IEEE 1394a s rychlostí 400 Mbit/s a FireWire 800 neboli IEEE 1394b s rychlostí až 800 Mbit/s a devítipinovým kabelem.

Zařízení vstupu a výstupu

Vstupní zařízení je hardware, kterým obsluha počítače nebo jiného přístroje pořizuje data. Obvykle slouží jako součást uživatelského rozhraní, může ale jít např. i o specializované teplotní apod. senzory nebo čtečky čárových kódů.

  • počítačová myš
  • trackball
  • touchpad
  • haptická rukavice
  • světelné pero
  • dotyková obrazovka
  • joystick
  • gamepad
  • pedál
  • scanner
  • webová kamera
  • videokamera
  • mikrofon
  • čtečka

Výstupní zařízení je hardware, který předává data od počítače k uživateli. Příklady výstupních zařízení jsou monitor, tiskárna, plotter nebo reproduktory, sluchátka.