2. KAKO JE SESTAVLJEN RAČUNALNIK

Pogosto se dogaja, da ne vemo, kaj je tista minimalna zgradba, ki ji že lahko rečemo računalniški sistem. Posamezne dele, iz katerih je sestavljen računalnik, imenujemo tudi podsisteme računalnika.

Na sliki 2.1 je prikazan tak model, ki ga imenujemo tudi centralni oz. procesni del računalnika.

slika 2.1

2.1. DELOVNI POMNILNIK

Delovni pomnilnik (working storage) je tisti element, ki ločuje računalnik od navadnih računskih strojev. Vanj lahko zapišemo tako podatke, kot tudi navodila, kako bomo te podatke obdelovali. Kakovost pomnilnika merimo z njegovo kapaciteto, to je številom znakov, ki jih lahko zapišemo v pomnilnik in s hitrostjo, s katero lahko podatke odlagamo v pomnilnik. Najmanjši del pomnilnika je lokacija (pomnilna celica), ki ima enolično določen naslov. Velikost pomnilnika je v vsakem primeru končna in je omejena s številom možnosti

zapisa različnih naslovov.

Cel princip delovanja računalnika je grajen na sposobnosti razpoznavanja dveh električnih stanj – je napetost – ni napetosti. Po dogovoru označujemo ti dve stanji z logično ničlo (“0”) ali logično enko (“1”). Računalnik razpoznava in “razume” samo jezik ničel in enk in se podreja zakonom Booleove algebre. Eni taki ničli oziroma enki pravimo en bit, ki nam služi kot enota za podajanje množine informacije. Po ustaljenem standardu predstavimo en znak z osmimi biti, kar imenujemo en bajt. S kombinacijo n ničel in enk lahko predstavimo 2ⁿ različnih znakov. S pomočjo osmih različnih bitov lahko predstavimo vse znake na tipkovnici (priloga ASCII znakov). Velikost pomnilnikov je od nekaj kilo do nekaj deset mega znakov oziroma bajtov. (kilo = 1000 znakov, mega = 1000000 znakov).

Poznamo več tipov delovnih pomnilnikov:

ROM (Read Only Memory) je pomnilnik, iz katerega lahko informacijo samo beremo, ne moremo pa je zapisovati ali spreminjati. Torej v ROM proizvajalec zapiše stvari, ki jih uporabniki računalnikov naj ne bi spreminjali in ki so tako vitalnega pomena za računalnik, da enostavno ne sme obstajati možnost posega v ta del. Informacija pa se mora ohraniti tudi ob odsotnosti električne napetosti.

RAM (Random Access Memory) je pomnilnik, v katerega informacijo lahko pišemo in jo tudi beremo. Pogosto mu pravimo tudi pomnilnik z naključnim dostopom, saj imamo direkten dostop do posameznih lokacij (delov pomnilnika). Odziv je zato zelo hiter (nekaj nano oziroma mikro sec), tehnologija izdelave pa zato zelo zahtevna in draga. Za pomnilnike tipa RAM je značilno, da niso sposobni hraniti informacije ob odsotnosti električne napetosti. Za trajno hranjenje informacije potrebujemo torej drugačen medij; o tem bomo govorili v poglavju 2.4.

2.2. PROCESOR

To je podsistem računalnika, ki izvršuje dejanja, na osnovi podanih ukazov. Sestavljen je iz aritmetične logične enote, kjer se izvršujejo vse operacije in lastnih pomnilniških elementov, ki jim pravimo registri. V registrih se nahajajo trenutni operandi, delni in končni rezultati. Vsi podatki, ki jih v danem trenutku (ob izvrševanju nekega ukaza) ne potrebujemo, se shranijo v delovni pomnilnik, ki igra nekakšno vlogo hladilnika.

Procesor mora znati naslednje: – klicati operande iz delovnega pomnilnika; – izvajati aritmetične in logične operacije; – premikati vsebine registrov; – vračati informacije iz

registra v delovni pomnilnik.

V ALU prihajajo podatki o operacijah in operandih, iz nje pa izhajajo rezultati operacij. Vsako operacijo, ki jo ALU samostojno izvede, imenujemo elementarna operacija (na primer enostavno seštevanje). Vse druge operacije moramo prevesti (razbiti) na elementarne operacije. Elementarne operacije se izvajajo druga za drugo v določenih časovnih presledkih.

2.3. KRMILNA ENOTA

Ta podsistem nadzoruje in usklajuje delovanje posameznih enot (podsistemov) tako, da se algoritem (navodila), ki je podan računalniku v obliki programa, pravilno izvede. Krmilna enota vodi odvijanje programa v računalniku tako, da analizira korak za korakom vsak elementarni ukaz. Naslov naslednjega ukaza nam pove register, imenovan programski števec. Glede na rezultat analize sporoči, kateri podsistem mora biti v danem trenutku aktiven in kako naj deluje, da bo zagotovljeno pravilno izvajanje. Poleg tega organizira tudi prenos informacij (elementarnih ukazov) in njihovo obdelavo.

Krmilno enoto sestavljajo posebej organizirana elektronska vezja, ki opravljajo funkcijo pomnilnih celic (registrov) in funkcijo logičnih povezav z drugimi podsistemi. Program izvajamo tako, da posredujemo začetni naslov našega programa (zapiše se v programski števec), krmilna enota pa najde naslednji korak tako, da naslovu že opravljenega koraka prišteje ena. Štetje igra osnovno vlogo pri zaporednem izvajanju programa, odvija pa se v programskem števcu.

2.4. PERIFERNE ENOTE

Za komunikacijo sta vedno potrebna najmanj dva. Ljudje med seboj lahko komuniciramo, če govorimo v istem jeziku. V nasprotnem primeru smo se pač prisiljeni naučiti jezika, ki nam bo omogočal komunikacijo. Samo poznavanje jezika pa nam ne pomaga dosti ob potrebi po komunikaciji na daljavo. Za to potrebujemo nek medij oziroma napravo, ki nam omogoča tovrstno komuniciranje.

Pri komuniciranju z računalnikom smo na žalost mi tisti, ki se moramo prilagajati in se naučiti jezika, ki ga računalnik razpoznava, saj računalnik ni misleče bitje, pač pa samo daje tak vtis zaradi znanja, ki so ga ljudje v obliki programov vložili vanj. Računalnik ne misli! Izvaja samo navodila, ki smo mu jih posredovali.

Verjetno si ne predstavljate, da bi računalniku morali posredovati svoje želje s pomočjo zaporedij ničel in enk (v edinem jeziku, ki ga računalnik “razume”). Z računalnikom si želimo v obe smeri komunicirati v jeziku, ki je čim bližji našemu pogovornemu jeziku. Za to pa poleg ustrezne programske opreme potrebujemo še medije, prek katerih nam

je taka komunikacija omogočena. Torej mora računalnik imeti naprave, prek katerih lahko komunicira z uporabnikom, izpisuje, prikazuje ter shranjuje podatke. Vse te naprave spadajo v periferijo računalnika.

Človeštvo uporablja za predstavitev informacij urejena zaporedja črk, cifer in posebnih znakov (ločila itd.), računalnik pa živi v svetu električnih signalov. Zato potrebujemo nekega posrednika za komuniciranje, ki bo našo informacijo pretvoril v računalniku “razumljiv” jezik in računalnikovo informacijo v nam razumljivo obliko. To nam omogočajo vhodne in izhodne enote.

Ponavadi na centralni (procesni) del računalnika ni priključena samo ena vhodna oziroma izhodna enota, ampak jih je v splošnem več.

Naštejmo nekaj perifernih enot: zaslonski terminal, grafični terminal, digitalna tablica, miška, tiskalnik, risalnik, zunanji (periferni) pomnilniki, kot so magnetni trakovi, kasete, diskete, diski.

2.4.1 Zaslonski terminal

Zaslonski terminal je namenjen enostavni komunikaciji med človekom in računalnikom. Sestavljen je iz tipkovnice, ki je podobna tipkovnici pisalnega stroja in zaslona, ki spominja na TV zaslon. Prek tipkovnice posredujemo ukaze računalniku. Odtipkane znake vidimo na zaslonu, kar nam omogoča preverjanje in popravljanje ukazov. Prav tako na zaslonu vidimo odgovor (odziv) računalnika na vpisan ukaz, ki je lahko v obliki teksta ali grafične slike.

Slika na ekranu je predstavljena s točkami. Gostota točk je določena z resolucijo. Večja je resolucija, jasnejša je slika.

2.4.2 Digitalna tablica in miška

Ti dve vhodni enoti lahko uporabimo namesto tipkovnice. Pri takem načinu dela imamo nabor ukazov prikazan na ekranu, s premikanjem tablice ali miške pa izberemo željeni ukaz.

Digitalno tablico uporabljamo tudi za prerisovanje risb iz papirja na ekran oz. v računalnikov pomnilnik.

2.4.3 Tiskalnik

Uporabljamo ga v primeru, ko želimo izpis na papir. Izpisovanje je krmiljeno z računalnikom in je relativno počasno, saj je svet mehanike bistveno počasnejši od sveta elektronike. Pisanje s tiskalnikom je zelo podobno pisanju z električnim pisalnim strojem. Papir vstavimo v stroj in ga pomikamo naprej z valjem, na papir pa se odtiskuje izbrani

tekst. Poznamo več vrst tiskalnikov, ki se med seboj razlikujejo po kvaliteti in hitrosti izpisa (matrični tiskalnik, vrstični tiskalnik, laserski tiskalnik…).

2.5. PERIFERNI POMNILNIKI

Delovni pomnilnik je zaradi zahtevne tehnologije izdelave zelo drag. Omenili smo že, da ima vsaka lokacija svoj naslov; dostop do posamezne lokacije pa mora biti izredno kratek. Konstrukcija takega pomnilnika je tehnološko zahtevna. Ker gre za delovni pomnilnik tipa RAM, informacijo ob odsotnosti električne napetosti izgubimo. Zato so poskušali iznajti cenen pomnilni medij, ki lahko trajno hrani veliko množico podatkov. Ideja je bila v tem, da bi v delovnem pomnilniku imeli samo program, ki ga trenutno potrebujemo in podatke, ki jih s tem programom obdelujemo. Vsi ostali programi in podatki pa naj bi bili shranjeni na periferni pomnilni enoti, kjer so še vedno razmeroma hitro dosegljivi.

V vsakdanjem življenju lahko delovni pomnilnik primerjamo s človeškimi možgani, periferne pomnilnike pa s knjižnimi omaricami.

Izmed množice najrazličnejših metod so se sčasoma v praksi najbolj uveljavili magnetni mediji. Ti pomnilniki so ceneni, dostop do podatkov je počasnejši (nekaj 10 msec), njihova kapaciteta pa je za faktor 10 ali 100 in več večja od kapacitete delovnega pomnilnika. Njihova dobra lastnost je tudi možnost enostavnega transporta.

Informacije zapisujemo na pomnilni medij s pomočjo bralno-pisalnih glav.

Vse magnetne medije moramo imeti dobro zaščitene pred prahom in magnetnimi vplivi, da na njih ne pride do napak in s tem do uničenja podatkov.

2.5.1 Magnetni trak

Zgodovinsko gledano je bil magnetni trak prvi tip magnetnega pomnilnika. Lahko je to običajna kaseta ali pa več 100 metrov dolg svitek, ki je navit na kolute. Trak je običajno iz plastike, ki je prevlečena z železooksidno plastjo.

Organizacija podatkov na traku je zaporedna. To pomeni, da moramo podatke tudi brati zaporedno, kar je še posebno neprijetno v primeru, ko potrebujemo podatke, ki se nahajajo na različnih odsekih traku. Zato tudi težko govorimo o času dostopa do posameznih podatkov, saj je ta močno odvisen od tega, kje na traku se nahaja glava za branje. Veliko časa izgubimo s previjanjem traku.

2.5.2 Magnetni disk

Magnetni disk je okrogla kovinska plošča, na katero je nanesen tanek sloj magnetnega medija. Podatki so na mediju zapisani v obliki koncentričnih krogov, ki jih imenujemo sledi (tracks).

Vidimo, da so podatki na disku zapisani in dostopni na drugačen način, kot na magnetnem traku. Za dostop do podatkov, napisanih na disku, je potreben največ en vrtljaj diska. Ker je vsak podatek v bistvu direktno dostopen, pravimo da je disk naprava z direktnim (naključnim) dostopom. Dostop do podatkov na disku traja nekaj 10 msec.

Danes največ uporabljamo tako imenovane neizmenljive trde diske (winchester diske) in gibke diske (floppy disk).

Pri winchester diskih so magnetne plošče z glavami neprodušno zaprte in s tem zavarovane pred zunanjimi vplivi. Takšni diski imajo velike pomnilne kapacitete (nekaj 10 M bajtov) in ne potrebujejo vzdrževanja.

Diskete so tanke, prožne, okrogle magnetne plošče, zavarovane s kvadratnim papirnim ovitkom. So zamenljive. Zaradi svoje upogljivosti so dobile ime gibki diski. Diskete uporabljajo skoraj vsi mikroračunalniški sistemi, ker so majhne, prikladne za delo, skladiščenje in pošiljanje po pošti ter so relativno poceni. Na disketi lahko shranimo nekaj 100 K bajtov.