Információ- technológiai alapok 9. ÉVFOLYAM INFORMATIKA ÁGAZAT 1

Tartalom A4 sima, vagy vonalas füzet Kizárólag ez a tantárgy lehet benne 2

Tartalom 3

4

5

6

7

8

9

10

Számítógép architektúrák  Azt a kifejezést, hogy „számítógéparchitektúra” először az IBM System/360-as gépcsalád tervezői használták.  Értelmezésük szerint „a számítógéparchitektúra alatt a számítógép azon felépítése értendő, amelyet egy alacsony szintű nyelven programokat fejlesztő szakembernek kell ismernie ahhoz, hogy korrekt programokat tudjon írni a gépre”.  Ebbe az értelmezésbe beletartozott  az utasításkészlet,  az utasításszerkezet,  a címzési módok,  a regiszterek és  a memória deklarálása, de a tényleges hardverstruktúra (implementáció) és annak (áramköri) megvalósítása viszont nem. 11 dr. Kovács György SZÁMÍTÓGÉP-ARCHITEKTÚRÁK HEFOP 3.3.1–P /1.0 Forrás:

Számítógép architektúrák A számítógép-architektúra szintjei  áramköri tervezés  logikai tervezés,  programozás  processzor-memória sínek. 12 dr. Kovács György SZÁMÍTÓGÉP-ARCHITEKTÚRÁK HEFOP 3.3.1–P /1.0 Forrás: Számítógép architektúrák értelmezése absztrakciós szinteken  Mikrogép-szint (Megjegyzendő, itt a mikrogép nem mikroszámítógépet jelent, hanem a processzor mikroprogramozott működésére utal.)  Processzor-szint  Számítógép rendszer-szint  Operációs rendszer-szint

Mikroprocesszor architektúrák _41_mikrovezerlok_alkalmazasa/ch02s02.html Forrás: Neumann architektúra: a programkód és az adatok ugyanabban a memóriamodulban helyezkednek el Harvard-architektúra: A számítógépek az adatokat és a programutasításokat elkülönítve tárolják

Mikroprocesszor architektúrák _41_mikrovezerlok_alkalmazasa/ch02s02.html Forrás: A módosított Harvard-architektúra esetében a program- és adatmemória elválasztása már nem annyira szigorú. Megtartja a Harvard- architektúra fő előnyét, hogy a CPU egyidejűleg hozzáfér az adat- és programtárhoz. A leggyakoribb módosításban külön adat- és programmemória cache található, miközben mindkettő ugyanazt a címteret, ill. memóriát használja. Amíg a CPU a cache memóriát használja, tiszta Harvard-architektúrájú gépként működik. Mikor közvetlenül fordul a memóriához, már Neumann-architektúrájú gépként viselkedik, mivel a programkódot adatként vagy fordítva, az adatokat programkódként kezelheti. Ez széles körben elterjedt a modern processzorok, mint pl. az ARM vagy akár az x86-os architektúra körében

Mikroprocesszor architektúrák _41_mikrovezerlok_alkalmazasa/ch02s02.html Forrás: A módosított Harvard-architektúra esetében a program- és adatmemória elválasztása már nem annyira szigorú. Megtartja a Harvard- architektúra fő előnyét, hogy a CPU egyidejűleg hozzáfér az adat- és programtárhoz. A leggyakoribb módosításban külön adat- és programmemória cache található, miközben mindkettő ugyanazt a címteret, ill. memóriát használja. Amíg a CPU a cache memóriát használja, tiszta Harvard-architektúrájú gépként működik. Mikor közvetlenül fordul a memóriához, már Neumann-architektúrájú gépként viselkedik, mivel a programkódot adatként vagy fordítva, az adatokat programkódként kezelheti. Ez széles körben elterjedt a modern processzorok, mint pl. az ARM vagy akár az x86-os architektúra körében

Számítógépek főbb egységei 16 Forrás:

Memóriák 17

 A memória egy olyan elektronikus adattárolást megvalósító hardvereszköz, amely bájtokba szervezve (azaz a kettes számrendszeren alapulva) tárolja az éppen futó programokat és az ehhez szükséges adatokat, amelyeket a processzor gyorsan elér és feldolgoz.  A processzor csak olyan műveletek elvégzésére és csak olyan adatok feldolgozására képes, melyek a memóriában vannak.  A memóriát szokás elsődleges tárolónak hívni (mert a háttértárakat pl. a merevlemezt másodlagos tárolónak hívjuk).  A memória fontosabb típusai a RAM, a ROM, a PROM, az EPROM, az EEPROM és a Flash memória.  A memória cellákból épül fel, amelyekre címmel hivatkozunk. Egy cella 1 bit információ eltárolására képes, a memória maga pedig bit vagy bájt szervezésű. Memóriák 18 Készítette: Oravecz István Felkészítő tanár neve: Táncos Zsolt Iskola neve: Szolnoki Műszaki Szakközép-és Szakiskola Jendrassik György Gépipari Tagintézmény

Memóriák 19 Készítette: Oravecz István Felkészítő tanár neve: Táncos Zsolt Iskola neve: Szolnoki Műszaki Szakközép-és Szakiskola Jendrassik György Gépipari Tagintézmény Fixérték tárolók Írható-olvasható tárolók Át nem programozható memóriák Átprogramozható memóriák ROMPROM EPROMEEROM SRAMDRAM Maszk- programo- zott áram- körök A felhasz- náló ál- tal egy- szer prog- ramozhat- tó eszkö- zök Röntgen vagy ult- raibolya sugárzás- sal töröl- hető és elektro mos úton progra- mozható áramkörök Elektro- mos úton törölhető és átprog- ramozható fixérték- tárak Statikus RAM-ok tartalmu- kat feszült- ség alatt fris- sítés nélkül megőrzik Dinamikus RAM-ok tartalmukat csak néhány ms ideig őrzik meg, frissítésre szorulnak

RAM ( Random Access Memory) A véletlen elérés vagy közvetlen elérés a számítástudományban egy adattárolónak az a tulajdonsága, hogy a benne tárolt adatok elérési ideje nem függ a lekérdezésük sorrendjétől, más szóval az adatok véletlen sorrendben történő lekérdezése ugyanolyan hatékony, mint bármilyen más sorrend. RAM 20 Wikipédia Forrás: Felejtő? Nem felejtő? Operatív tár? Háttértár?

 Frissítési ciklus: ms  Olcsóbb  egy kondenzátorból és egy tranzisztorból állnak  rendszermemóriaként használják  SRAM-nál lassabb működés,  kis méret  kicsi energiafogyasztás. DRAM vs. SRAM 21 Forrás:  Az információt két állapottal rendelkező kapcsolók (flip-flop- ok) tárolják  nem kell frissíteni  ára magasabb  adatait megőrzi, amíg a berendezés feszültség alatt van (áramszünet esetén az itt tárolt adatok elvesznek)  nagy az energiafogyasztásuk  nagyon gyors hozzáférést igénylő cache-ként használják

DRAM vs. SRAM 22 Forrás: Wikipédia

DDRx órajelei 23 Forrás:

Cache memória 24 Forrás:

Processzortípusok, foglalat, hőelvezetés 25

Mágneses háttértárolók 26

 A háttértárak hosszú ideig, a tápfeszültség kikapcsolása után is megőrzik a számítógépen végzett munkánk eredményeit, illetve a gép működtetéshez szükséges programokat.  A háttértárakon az éppen nem futó alkalmazásokat, eredményeket, adatokat tároljuk Miért használunk háttértárolókat? 27 - Forrás:

Mi a winchester? A winchester olyan elektromechanikus adattároló berendezés, amely  az adatokat mágnesezhető réteggel bevont merev lemezen tárolja.  Az adatok írása, olvasása a forgó lemez felett, alatt mozgó író/olvasó fejek segítségével történik  A lemez állandó fordulatszámmal forogva elhalad a fej előtt  Fizikailag nem érintkezik a fej a lemezzel.  A lemez forgásából származó légmozgás felhajtó erőt gyakorol a fejre, a fejet pedig torziós rugó nyomja a lemez felé. A két erő kiegyenlítődése következtében a fej a lemez felületétől mért néhány tized mikrométerre repül.  Nagyobb tárolókapacitása, mint az operatív tárnak, jellemzően manapság 300GB…4TB  Adatátviteli sebessége lassabb, mint az operatív tárnak. 28

A mágneses háttértárak felépítése

A mágneses háttértárak felépítése

 Tároló kapacitása kisebb. 1,2MB, 1,44MB  Az író-olvasó fej rányomódik a lemeztányérra  Kisebb adatátviteli sebességű  Cserélhető lemez Miben különbözik a floppy a winchestertől? 31

A floppy felépítése 32 tankonyvtar.huForrás:

 Neve: Mágnesszalag,vagy streamer  Felépítése: két alapvető fő darabja van:  Az adatok tárolását végző adathordozó (mágnesszalag):  A meghajtó (drive) tartalmaz egy villanymotort, ami a szalagot mozgatja (tekeri).  A mágneslemezes egységekkel ellentétben itt nem mozdulnak el az író- olvasó fejek (2 db), hanem az adathordozó szalag mozdul el a fejek között.  Az adatok tárolása hasonló a kazettás magnetofonokhoz,  Az adatokat csak sorosan, azaz a felvitel sorrendjében lehet elérni. Soros (szekvenciális) elérésű mágneses háttértár 33

 Elsősorban adatok archiválására használatosak. A szalagos tárolókat jól alkalmazhatjuk mentések végzésére.  Az elérhető kapacitás 40Mb és 10Gb közti  Az adatátviteli sebesség 1-10Mb/perc nagyságrendbe esik. A streamer jellemzői 34 tankonyvtar.huForrás:

A merevlemezen az adatok tárolása mágneses jelek formájában történik. Azok a µm alatti méretű tartományok, melyek mágnesezettségi iránya a 0 és 1 biteknek felel meg, szintén egy spirál mentén helyezkednek el. Az adatok írása (törlése és újraírása) a forgó lemezhez közel helyezett mikrométeres tekercs segítségével történik, az áram iránya határozza meg a lemez anyagának felmágnesezését. A mágneses lemezen tárolható hatalmas adattömeg gyors kiolvasását az olvasófejben alkalmazott "spinszelep" biztosítja, HDD írás-olvasás 35 Fizikai Szemle 2006/5. B3. o. DIGITÁLIS ADATTÁROLÁS - I. Mihály György BME, TTK, Fizikai Intézet Forrás:

A könnyen mágnesezhető réteg érzékeli a lemez mágneses terét, és ahogyan az alatta forgó spirálszakaszon váltakozik a mágnesezés iránya, ugyanúgy billeg a mágnesezettsége. A spin-szelep billegő mágnesezettségű rétege egy rögzített mágnesezettségű réteg alatt helyezkedik el. Egy ilyen elrendezés elektromos ellenállása függ attól, hogy a két réteg egyformán, vagy ellentétesen van mágnesezve, így egyszerű ellenállásméréssel lehet a billegő mágnes jelét detektálni. Ez teszi lehetővé, hogy 1 bit kiolvasása néhány nanomásodperc (1 ns = s) alatt megtörténjen. HDD írás-olvasás 36 Fizikai Szemle 2006/5. B3. o. DIGITÁLIS ADATTÁROLÁS - I. Mihály György BME, TTK, Fizikai Intézet Forrás:

 A mágneses háttértároló korongján elemi mágnesek helyezkednek el. (mágneses domének)  Minden mágnes, É-D, vagy D-É irányú.  A mágneseket mágneses fluxus veszi körül, melynek iránya, a mágnes irányától függ.  Ez a fluxus, annak irányától függő feszültséget kelt az olvasófejben, miközben elhalad alatta.  Az indukált feszültség iránya felel meg a bináris nullának, vagy 1-nek A mágneses jel olvasásának elve a streamerben 37

 A mágneses háttértároló korongján elemi mágnesek helyezkednek el. (mágneses domének)  Minden mágnes, É-D, vagy D-É irányú.  A mágnesek irányát megfelelően nagy külső mágneses térrel megfordíthatjuk  Ezt a mágneses teret az író-olvasó fejbe vezetett feszültséggel keltjük.  Az író-olvasó fejbe vezetett feszültség irányától függ, milyen irányba állítjuk a lemeztányér elemi mágnesét. A mágneses jel írásának elve a streamerben! 38

Optikai háttértárolók 39

Optikai háttértárolók  Az optikai tárolórendszerekre jellemző, hogy az írás és olvasás lézersugárral történik.  Nevüknek megfelelően optikai eljárást használnak (fényvisszaverődés, polarizáció, szórás, fénytörés) az adatok írására és olvasására. 40

Előnyök: nagy adatsűrűség  Az optikai tárolókat több tulajdonságuk markánsan megkülönbözteti a mágneses tárolási technológiától:  az optikai tárolókra nagy tárolási sűrűség jellemző.  Ennek oka, hogy a fény sokkal kisebb felületre fókuszálható, mint a mágneses tárolók elemi tárolófelülete. 41

Előnyök: hosszú élettartam  Másik előnyös tulajdonság az élettartam: az optikai tárolók élettartamát évtizedekben mérik. 42

Előnyök: alacsony ár  Az optikai adathordozó előállítási költsége általában alacsony, az árat lényegében a lemezen lévő programok, adatok, zeneszámok és egyéb információk piaci értéke határozza meg, ami mellett az előállítási költség eltörpül. 43

A CD meghajtó felépítése 44

A CD meghajtó felépítése 45

A CD médiumának felépítése 46

A CD médiumának felépítése  Az optikai tároló felületén az adatok rögzítésekor kis méretű mélyedéseket hozunk létre, amelyeken a leolvasáskor a lézersugár szétszóródik, míg az adathordozó-réteg eredeti felületéről visszaverődik, amit fényt érzékelünk, és vissza alakítjuk adatokká. 47

A CD médiumának felépítése  Átmérője 8 vagy 12 centiméter.  Az adatokat egy spirál alakú, belülről kifelé vezető barázdákkal ellátott sáv tárolja, amelyekbe a gyártásnál felülről gödröket (pit) sajtolnak bele.  A fényvisszaverő alapot, amelyben ezek a pitek vannak, landnak nevezzük. 48

A CD médiumának felépítése  Az alumínium réteget védőréteggel borítják.  A CD anyaga szénszálas műanyag (polikarbonát)  1,2 mm vastag  Csak az egyik oldalán vannak adatok 49

A CD médiumának felépítése 50

A kezdetek  A CD-k legismertebbje az Audio Compact Disk.  Abban az esetben, ha a hangon kívül képek és szövegek is tárolhatók, CD-ROM-ról beszélünk. 51

Tény, hogy amikor a Philips és a Sony a 70-es évek végén, 80-as évek elején kialakították a lemez paramétereit, a kivitelező Philips technikusai egy 11,5 centiméter átmérőjű, 60 perces prototípust ajánlottak, a Sony azonban ragaszkodott egy nagyobb kapacitású koronghoz. A kezdetek 52

 A legenda egyik verziója szerint Beethoven 9. szimfóniája volt a Sony- vezető Norio Ohga kedvenc darabja, és olyan lemezt akart, amire ez a zenemű is ráfér.  Egy másik változat szerint egy másik Sony vezető, Akio Morita felesége régi vágyát akarta teljesíteni a beethoveni időtartammal.  Egy harmadik szerint pedig maga Herbert von Karajan karmester kérte, ajánlotta ezt a hosszúságot. A kezdetek 53

 Egyszer írható és nem törölhető.  Előállítása már kis darabszámban is kifizetődő.  Nagy adatmennyiségek kedvező áron történő terjesztésére alkalmas.  Tárolókapacitása 650 Mbyte.  150 Kbyte/s adatátviteli sebesség. A kezdetek 54

 Az adatok leolvasásához infravörös lézert használnak, melynek hullámhossza CD lemez esetében 780 nm. Az olvasás folyamata 55

 A lemezek felületén sík területek (land) és apró gödrök vagy lyukak (a lézer szemszögéből nézve - mivel a lemezt alulról olvassák - dudorok) (pit) találhatók.  Ezek váltakozása kódolja a tárolt információt.  Ezek a gödrök csak a gyárilag nyomott lemezek esetén jelentenek igazi mélyedéseket, az írható lemezeknél egyszerűen más optikai tulajdonságú felületet takarnak.) Az olvasás folyamata 56

 A lézer a landról jól visszaverődik (a szabvány legalább 70%-ot ír elő),  a pitekről azonban jóval kevesebb fény jut a detektorba (kb. 30%), ugyanis a pitek úgy vannak kialakítva, hogy (a lézer szemszögéből) magasságuk a lézer hordozóbeli hullámhosszának (kb. 500 nm) kb. az egynegyede (kb. 125 nm). Az olvasás folyamata 57

 A lézer a landról jól visszaverődik (a szabvány legalább 70%-ot ír elő),  a pitekről azonban jóval kevesebb fény jut a detektorba (kb. 30%), ugyanis a pitek úgy vannak kialakítva, hogy (a lézer szemszögéből) magasságuk a lézer hordozóbeli hullámhosszának (kb. 500 nm) kb. az egynegyede (kb. 125 nm). Az olvasás folyamata 58

Az olvasás folyamata 59

Az olvasás folyamata  A lézer nemcsak a pitet, hanem a környező land-ot is megvilágítja.  A pitről és a landről visszaverődő fény között fél hullámhossz útkülönbség lesz (a pit felé egy negyed hullámhosszal rövidebb utat kell megtennie a fénynek és visszafelé is egy negyed hullámhosszal kevesebbet). 60

 A két ellentétes fázisú hullám gyengíti egymást, a fényérzékelő dióda kisebb fényerősséget fog észlelni. Az olvasás folyamata 61

A CD-írás technikái  lyuk technológia: (CD-R) kb. 10mW-os lézersugárral lyukat éget a tükrözőrétegbe, így onnan az olvasó lézerfejbe kevesebb fény verődik vissza 62

 Buborék technológia: (CD-R) az írólézer hatására a felvételréteg elpárolog, ezzel kis buborékot hoz létre a tükröző műanyag rétegben. A buborékról nem verődik vissza fény az olvasó lézerfejbe A CD-írás technikái 63

 mintázatváltás: (CD-R) Alapja, hogy a hordozóra felvitt fémtükör felülete szórt fényt ver vissza, de a fémréteget lézersugárral felmelegítve a felülete kisimul, és az adott pontban jó tükör lesz belőle. A CD-írás technikái 64

 mintázatváltás: (CD-R) Alapja, hogy a hordozóra felvitt fémtükör felülete szórt fényt ver vissza, de a fémréteget lézersugárral felmelegítve a felülete kisimul, és az adott pontban jó tükör lesz belőle. A CD-írás technikái 65

 fázisváltós technológia: (CD-RW)  Ezt a technológiát főleg a CD-RW írására használják, de az egyszer írható lemezekre is alkalmazható. Az adathordozó anyaga kétféle állapotú lehet: kristályos állapotban jól tükröző felületet képez, amorf állapotban pedig elnyeli a fényt. A CD-írás technikái 66

 cd-nél nagyobb tárolókapacitású  optikai háttértároló  pitek kisebbek  track távolság kisebb  több rétegű lemez  többoldalas kivitelű is létezik  gyors 10Mbit/s DVD Digital Versatile Disk 67

DVD Digital Versatile Disk DVD-5Egy oldalEgy réteg4.7 GB DVD-9Egy oldalKét réteg8.5 GB DVD-10Két oldalEgy réteg9.4 GB DVD-18Két oldalKét réteg17 GB 68

 a lézer színe kék,  optikai eszköz  25 GB-os,  létezik dupla, ami 50 GB-os  gyors, 36 Mbit/s Blu-ray 69