Temat2: I.Bezpieczna praca przy komputerze, II.Budowa komputera

Plan zajęć:

1.1 Bezpieczna praca przy komputerze

1.2 Budowa komputera

1.3 Ogólny schemat systemu komputerowego

1.4 Architektura komputera

1.1 Bezpieczna praca przy komputerze

Praca przy komputerze może być przyczyną wielu problemów zdrowotnych. Korzystając z komputera, nie należy zapominać o trzech najważniejszych dla naszego zdrowia zadaniach:

1. Stworzyć odpowiednie stanowisko pracy przy komputerze.
2. Dbać o właściwą higienę pracy.
3. Dbać o swoją sprawność fizyczną.

 Czynniki szkodliwe:

Dłuższa praca przy komputerze niesie ze sobą duże zagrożenie dla naszego zdrowia. Wiele osób zatrudnionych przy komputerach skarży się na bóle głowy, kręgosłupa, łzawienie oczu, napięcie mięsni, ogólne rozdrażnienie. Należy zdawać sobie sprawę, że pracujący monitor komputerowy emituje:

-pole elektrostatyczne;

-pole elektromagnetyczne;

-promieniowanie nadfioletowe powodujące zapalenie spojówek i zarumienia skóry;

-śladowe promieniowanie rentgenowskie.

Oprócz promieniowania, negatywne skutki może wywołać:

-odbicie oświetlenia zewnętrznego od ekranu monitora, które zmusza do nadmiernego wytężania wzroku,

-migotanie obrazu, rozmycie kolorów i brak ostrości, co powoduje szybkie zmęczenie wzroku.

1.2 Budowa komputera

1. Definicja systemu komputerowego

System komputerowy (ang. computer system) – układ współdziałania dwóch składowych: sprzętu komputerowego orazoprogramowania, działających coraz częściej również w ramach sieci komputerowej. Można mówić o następujących poziomach takiego systemu: sprzęt komputerowy, system operacyjny (oprogramowanie systemowe), oprogramowanie użytkowe (aplikacje).

2. Zadania systemu operacyjnego:

- Zarządzanie zasobami maszyny. System operacyjny optymalizuje wykorzystanie poszczególnych urządzeń wchodzących w skład komputera oraz steruje nimi. Specjalne moduły wchodzące w skład systemu operacyjnego (sterowniki) udostępniają aplikacjom jednolity sposób programowania urządzeń (interfejs), dzięki czemu każdy nowy sprzęt będzie współdziałać ze wszystkimi aplikacjami, o ile producent sprzętu przygotuje odpowiedni sterownik. 
- Gromadzenie danych na dyskach i zarządzanie nimi. Każdy system operacyjny jest wyposażony w moduł obsługujący system plików. System plików to struktura danych umieszczonych na dysku, która pomaga logicznie uporządkować dane, dzieląc je na pliki i grupując w katalogach. 
- Maszyny wirtualne. System operacyjny udostępnia aplikacji tzw. maszynę wirtualną, czyli uproszczony obraz maszyny, na której pracuje aplikacja. System udostępnia aplikacji szczegóły dotyczące komputera oraz dodatkowe rozszerzenia, które ułatwiają pracę (np. katalog udostępniony przez sieć aplikacja widzi tak samo, jak znajdujący się na lokalnym dysku. Aplikacja korzystająca z takiego katalogu nie zajmuje się obsługą sieci. Aby mogła się tam dostać, system operacyjny udaje, że jest to katalog lokalny i udostępnia go aplikacji). 
- Wielozadaniowość. Na jednym komputerze może działać wiele aplikacji jednocześnie. Każda otrzyma własną maszynę wirtualną i będzie mogła działać tak, jakby była jedyną aplikacją pracującą na komputerze. Dzięki temu nie trzeba specjalnie przystosowywać aplikacji, aby mogła "podzielić się" maszyną z innymi (np. przez zwrócenie procesora innej aplikacji). 
- Interakcja z użytkownikiem. Tę rolę spełnia zewnętrzna warstwa systemu, nazywana powłoką (shell), która umożliwia użytkownikowi uruchomienie aplikacji. W środowiskach graficznych do tej części systemu zalicza się również standardowe elementy interfejsu wykorzystywane przez aplikacje, np. standardowe okienka dialogowe, kontrolki itd. 
- Komunikacja z innymi maszynami. To jeden z najważniejszych elementów systemu. Dzięki modułom obsługującym sieć mamy dostęp zarówno do Internetu, jak i do dysków komputera stojącego na sąsiednim biurku lub do drukarki sieciowej.

3. Przykłady systemów operacyjnych

Linux to system operacyjny oparty o jądro Linux. Pierwsze takie jądro zostało udostępnione publicznie w 1991 roku, a stworzone zostało przez programistę Linusa Torvaldsa. Linux znalazł swoje zastosowanie jako podstawowy system operacyjny serwerów (WWW, FTP, pocztowych i baz danych), zapór sieciowych i routerach.  Linux znajduje również zastosowanie na rynku komputerów biurowych i domowych, a kilka państw jest nawet w trakcie wdrażania systemu Linux do administracji państwowej. Ponadto ze względu na bezpieczeństwo, stabilność, możliwość audytu i łatwość modyfikacji kodu źródłowego z Linuksa korzystają agencje wywiadowcze, wojsko oraz kontrwywiad. 

Mac OS to system operacyjny komputerów Macintosh. Pierwsza wersja systemu weszła do użytku publicznego w 1984 roku. Upowszechnione przez nią takie standardy graficznego interfejsu jak okna, rozwijalne menu, kursor myszy, kosz na niepotrzebne pliki stały się od tej pory podstawą współczesnych systemów operacyjnych. Mimo tak intuicyjnego interfejsu, system miał kilka poważnych wad, jak np. brak wielozadaniowości z wywłaszczeniem, czy w pełni bezpiecznej pamięci. Jego ostatnia wersja była oznaczona numerem 9.2.2., a w 2001 roku wprowadzono OS X, inaczej Mac OS 10 stworzony w oparciu o całkiem nowe rozwiązania systemowe. 

Zasada działania komputerów (r.6) 

1.3 Ogólny schemat systemu komputerowego

1. Opis najważniejszych części składowych systemu komputerowego

I. Pamięć komputera

a) Pamięć wewnętrzna

b) Pamięć zewnętrzna

II. Magistrala

III. Procesor

I. Pamięć komputera

Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji). Potocznie przez "pamięć komputerową" rozumie się samą pamięć operacyjną.

a) Pamięć wewnętrzna

Pamięć ROM Read Only Memory to pamięć tylko do odczytu. Wczesne pamięci faktycznie były niezapisywalne, obecnie za pomocą specjalnych programów jesteśmy wstanie zmienić zawartość pamięci ROM.
Zawiera zapisane na stałe programy np. BIOS. 
BIOS jest to program zapisany w pamięci ROM. Jest bardzo ważny, ze względu na zadania, jakie pełni:

-uruchamia pracę komputera

-zawiera zbiór prostych programów regulujących komunikację między urządzeniami wewnętrznymi

-wykonuje test sprawności sprzętu przy uruchomieniu (POST)

-odpowiada za wczytanie systemu operacyjnego z dysku

Pamięć RAM Random Access Memory to pamięć o swobodnym dostępie. Możemy wyróżnić pamięć operacyjną i pamięć Cache. Pojemność mierzymy w B, kB, MB, TB. 
Podział pamięci operacyjnej w zależności od adresu:

-Konwencjonalna 0 - 640 kB

-Górna 640 kB - 1 MB

-Rozszerzona EMS, XMS >1MB

-Wysoka pierwsze 64kB pamięci o adresie powyżej 1MB

b) Pamięć zewnętrzna 

Z niej wczytywane są uruchamiane programy i potrzebne dane. Służy do przechowywania danych. Pamięć zewnętrzna nie ma charakteru ulotnego, jaki ma pamięć wewnętrzna. Pamięć zewnętrzna ma głównie postać pamięci dyskowej. Zapis danych (na dyskach magnetycznych) - przy użyciu głowic poruszających się nad dyskami. Dyski powleczone są warstwą magnetyczną. 

Dysk podzielony na ścieżki i sektory. Ścieżki to współśrodkowe okręgi, są one podzielone na sektory.  Strukturę ścieżkowo-sektorową na dysku tworzymy poprzez komendę formatowania.

Dysk elastyczny - FDD
Używane w tej chwili to dyskietki 3½” o pojemności 1,44 MB rzadziej 720kB, dwustronne. Do odczytu trzeba mieć stację dyskietek. Stacja dyskietek posiada napęd mechaniczny, wprawiający dyskietkę w ruch obrotowy i dwie głowice zapisująco-odczytujące.
Dysk twardy (stały) - HDD
W skład urządzenia wchodzi: jeden lub więcej dysków metalowych lub szklanych pokrytych warstwą magnetyczną oraz obsługujący te dyski mechanizm. Dysków nie da się wyjąć z mechanizmu (dlatego też nazywają się stałymi).

II. Magistrala

Magistrala (ang. bus) – zespół linii przenoszących sygnały oraz układów wejścia-wyjścia służących do przesyłania sygnałów między połączonymi urządzeniami w systemach mikroprocesorowych. 

Linie złożone z trzech współdziałających szyn:

- sterująca (kontrolna) – określa czy sygnał ma zostać zapisany, czy odczytany;

- adresowa (rdzeniowa) – określa z jakiej komórki pamięci sygnał ma zostać odczytany lub do jakiej komórki pamięci sygnał ma zostać zapisany;

- danych – tą szyną przepływają dane.

Magistrala jest elementem dzięki któremu system komputerowy staje się jedną całością. Szerokość magistrali (liczba równoległych ścieżek szyny danych) określa, ile bitów może ona przesłać za jednym razem (w jednym takcie).

Rozróżniane są 2 typy magistrali:

- jednokierunkowa (simplex) – dane przepływają tylko w jednym kierunku

- dwukierunkowa (duplex) – dane mogą przepływać mogą w obu kierunkach; możliwe są tu dwa przypadki: 

*dane mogą jednocześnie przepływać w obu kierunkach (full duplex);

*dane w danym momencie mogą przepływać tylko w jednym kierunku (half duplex).

III. Procesor

Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit), GPU (ang. Graphics Processing Unit) – urządzenie cyfrowesekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak:

- zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,

- jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,

- układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,

- inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.

 1.4 Architektura komputera

Architektura komputera – sposób organizacji elementów tworzących komputer. Pojęcie to używane jest dosyć luźno. Może ono dzielić systemy komputerowe ze względu na wiele czynników, zazwyczaj jednak pod pojęciem architektury komputera rozumie się organizację połączeń pomiędzy pamięcią, procesorem i urządzeniami wejścia-wyjścia.

Innym, stosowanym potocznie znaczeniem terminu "architektura komputera" jest typ procesora wraz z zestawem jego instrukcji. Właściwszym określeniem w tym przypadku jestmodel programowy procesora (ang. ISA – Instruction Set Architecture).

Architektura von Neumanna

Architektura von Neumanna – pierwszy rodzaj architektury komputera, opracowanej przez Johna von Neumanna, Johna W. Mauchly’ego oraz Johna Presper Eckerta w 1945 roku. Cechą charakterystyczną tej architektury jest to, że dane przechowywane są wspólnie z instrukcjami, co sprawia, że są kodowane w ten sam sposób.

W architekturze tej komputer składa się z czterech głównych komponentów:

- pamięci komputerowej przechowującej dane programu oraz instrukcje programu; każda komórka pamięci ma unikatowy identyfikator nazywany jej adresem

- jednostki sterującej odpowiedzialnej za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjne przetwarzanie

- jednostki arytmetyczno-logicznej odpowiedzialnej za wykonywanie podstawowych operacji arytmetycznych.

- urządzeń wejścia/wyjścia służących do interakcji z operatorem

Temat 2: Logiczna budowa komputera

1. Opis i schemat logicznej budowy komputera

2. Opis współpracy procesora z innymi elementami i urządzeniami perefyryjnymi

2.1Charakterystyka sygnałów sterująch  pamięcią i urządzeniami pereferyjnymi wysyłanych przez procesor (s.99)

Procesor -stanowi główny element komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji. Składa się on z układów sterujących, arytmometru oraz rejestrów . Układy sterujące odpowiadają za: dostarczenie arytmometrowi danych do obliczeń z pamięci operacyjnej, przekazywanie wyników obliczeń z powrotem do pamięci oraz właściwą kolejność przetwarzania. W arytmometrze odbywają się wszystkie obliczenia realizowane przez komputer. W rejestrach procesora przechowuje się adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i wyniki obliczeń. W wyróżnionym rejestrze nazywanym licznikiem rozkazów jest umieszczany adres miejsca w pamięci wewnętrznej zawierającego bieżący rozkaz dla procesora. Praca procesora odbywa się w tzw. cyklach rozkazowych.

Przebieg jednego cyklu rozkazowego można opisać za pomocą następującego algorytmu:

1. Zawartość miejsca pamięci wewnętrznej wskazywanego przez licznik rozkazów LR zostaje przesłana do układów sterujących procesora,
2. W układach sterujących następuje rozdzielenie otrzymanej informacji na dwa pola: pole operacji i pole argumentów. Pole operacji zawiera adres rozkazu, który należy wykonać. Pole argumentów zawiera adresy, pod którymi są przechowywane dane oraz adres przeznaczenia wyniku.
3. Na podstawie wyznaczonych adresów następuje przesłanie z pamięci wewnętrznej argumentów do odpowiednich rejestrów, a na podstawie adresu rozkazu arytmometr wykonuje odpowiednie działanie (operację arytmetyczną lub logiczną) na zawartościach rejestru.
4. Wynik przetwarzania (wynik wykonanej operacji) jest wysyłany do pamięci wewnętrznej pod adres przeznaczenia wyniku.
5. Następuje zmiana wartości licznika rozkazów LR tak, aby wskazywał on kolejny rozkaz dla procesora.

Cykl rozkazowy procesora można opisać również za pomocą narysowanego niżej schematu blokowego:

3.Zależności między procesorem a pamięcią oraz urządzeniami wejścia-wyjścia opisanymi za pomocą magistrali danych

Magistrala - jest zbiorem przewodów elektrycznych oraz specjalnych gniazd połączonych ze sobą równolegle, tak aby umożliwić przesyłanie danych, adresów i sygnałów sterujących pomiędzy procesorem, pamięcią wewnętrzną i urządzeniami peryferyjnymi komputera. Magistrala składa się z szyny sygnałów sterujących, szyny danych i szyny adresowej. Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach czasowych (podobnie jak w przypadku procesora), z tym, że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności pracy całego systemu komputerowego.

4. Elementy jednostki centarlnej 

a) schemat komputera

c

• Zatoki montażowe 3,5".
• Przycisk "RESET" - służy do zrestartowania komputera, gdy ten się zawiesił.
• Przycisk zasilania - załączanie komputera.
• Line Out Jack - analogowe wyjście audio do podłączenia słuchawe lub zestawu głośnikowego stereo (kolor zielony).
• Porty USB.
• Mic IN Jack - gniazdo mikrofonowe (kolor różowy).
• Zatoka montażowa 5,25".
• Napęd optyczny (np. nagrywarka DVD)
• .
• Przełącznik napięcia 110/230V (jeśli występuje).
• Gniazdo zasilania.
• Przycisk zasilania.
• Tylni panel komputera (więcej informacji w punkcie "Tylni panel komputera").
• Zatoki montażowe kart rozszerzeń PCI.
• Zatrzaski pokrywy bocznej obudowy