2. Hardwarová konfigurace počítače

Počítačová skříň, vstupní a výstupní zařízení, architektura počítačů

Architektura počítače je konkrétní způsob realizace počítače (zařízení na zpracování dat).

Zahrnuje stanovení vnitřní reprezentace dat, operací, které se s nimi budou provádět, specifikaci funkčních bloků počítače a jejich propojení, formát strojových instrukcí.

Vychází z Von Neumannova schématu počítače publikovaného v roce 1945. Toto schéma definuje základní strukturu a principy počítače řízeného programem uloženým v paměti. Moderní počítače z tohoto schématu vycházejí, ale v různých detailech se od něj liší. Tzv. harvardská architektura používá oddělenou paměť pro program a pro data.

Počítač se skládá z procesoru = CPU (central processing unit, je složen z řadiče, aritmeticko-logické jednotky a rychlé paměti malého rozsahu – tzv. sady registrů), vnitřní paměti, vstupních a výstupních zařízení a vnější paměti. Ve vnitřní paměti jsou uložena data, program i výsledky výpočtů. Program se skládá ze strojových instrukcí. Řadič řídí činnost všech částí počítače pomocí řídících signálů, které zasílá jednotlivým modulům a reaguje na stavová hlášení těchto modulů.

Architektura procesoru významně ovlivňuje architekturu celého počítače. Jedná se především o velikost slova procesoru (jak velkou informaci lze zpracovávat), způsob adresování paměti a vstupně-výstupních zařízení, instrukční sadu procesoru, způsob komunikace mezi řadiči vstupně-výstupních zařízení a procesorem a o to, zda existují další zařízení, která řídí přístup k sběrnici.

Sběrnice (bus) je sada vodičů propojujících jednotlivé části počítače. (Systémová) sběrnice se dělí na tři části:

• datová sběrnice – přenos dat mezi jednotlivými částmi počítače, šířka datové sběrnice se rovná velikosti slova procesoru
• adresní sběrnice – předávání adresy při adresování vnitřní paměti nebo zařízení
• řídicí sběrnice – přenos řídicích signálů, např. čtení/zápis, paměť/vstupně výstupní zařízení, signalizace přerušení, akceptování přerušení

Slovo procesoru je největší počet bitů, který počítač při práci s daty zpracovává najednou (zjednodušeně řečeno 8bitový procesor je schopen počítat s čísly od 0 do 2^8 = 256, 16bitový s čísly od 0 do 2^16 = 536 atd.).

Pro zvýšení výkonu počítače se používají počítače s více procesory. Může se jednat o univerzální nebo specializované procesory (např. grafický procesor).

Počítačová sestava je tvořena komponentami, které jsou mezi sebou propojeny:

Skříň počítače (základní jednotka, case) - bedna, v níž jsou umístěny všechny potřebné součástky.

Vstupní zařízení: zařízení určená pro vstup programu a dat.

• textová: klávesnice, rozpoznávání písma, rozpoznávání řeči
• s ukazatelem: myš, touchpad, trackpoint, dotyková obrazovka
• herní zařízení: joystick, gamepad, pedál
• snímání obrazu a/nebo zvuku: scanner, webová kamera, videokamera, mikrofon, čtečka

Výstupní zařízení: zařízení určená pro výstup výsledků, které program zpracoval.

• monitor, tiskárna, plotter, reproduktory, sluchátka

Mimo uvedené komponenty může být k počítači připojeno další libovolné zařízení – periferie.

Základní deska, sběrnice (PCI, PCI Express), rozhraní ATA, USB 2.0/3.0

Základní deska (mainboard, motherboard) je základní hardware počítače. Jedná se o plošný spoj osazený potřebnými integrovanými obvody. Hlavním úkolem základní desky je propojit jednotlivé součástky počítače do fungujícího celku a rozdělit jim elektrické napájení, které základní desce poskytuje zdroj. Základní deska umožňuje zapojení procesoru (pomocí patice) a operační paměti. Další komponenty (např. grafické karty, zvukové karty, pevné disky, mechaniky) se připojují pomocí rozšiřujících slotů nebo kabelů, které se zastrkávají do příslušných konektorů.

Nejdůležitější integrované obvody jsou zabudovány v čipové sadě (chipset). Dva čipy se označují jako northbridge (zajišťuje komunikaci mezi CPU, RAM a grafickou kartou) a southbridge (I/O operace, komunikace mezi disky, USB, LAN, audio). Čipová sada rozhoduje o tom, jaký procesor a operační paměť lze k základní desce připojit.

Základní desky existují v různých formátech. Dříve se používal formát AT, kde byl pouze konektor pro připojení klávesnice, a ostatní periferie se připojovaly pomocí kabelů. Nyní se používá formát ATX, kde jsou přímo k desce připojeny různé vstupně-výstupní konektory.

Součástí základní desky je baterie. Jejím úkolem je udržovat při vypnutí počítače nastavení BIOSu a času (datum, hodina) v paměti CMOS. BIOS (basic input output systém) je základní programové vybavení počítače, zajišťuje komunikaci mezi hardware a softwarovým vybavením počítače.

Rozšiřující sloty umožňují připojit k počítači další zařízení. Některá zařízení se do základních desek běžně integrují, například zvuková, grafická nebo síťová karta.

Některé konektory základní desky:

• interní – nachází se na ploše základní desky, připojovaná zařízení jsou uvnitř počítačové skříně

• PCI a PCI–Express (nástupce PCI a AGP, není zpětná kompatibilita) – pro grafickou, zvukovou nebo síťovou kartu.
• ATA (IDE), Serial ATA (SATA), M.2 a U.2 jsou sloty pro připojení pevných disků a vysokorychlostních SSD disků.
• DIMM sloty slouží k zapojení modulů RAM. Moderní základní deska počítače má obvykle alespoň čtyři sloty.
• I/O porty jsou zařízení určené pro komunikaci procesoru s okolím: mohou být paralelní (přenášejí několik bitů současně) a sériové (přenos po 1 bitu).
• AGP – konektor pro rychlé grafické karty, postupný přechod na PCI Express.
• AMR, CNR – zvláštní sloty pro modemy, zvukové karty, síťové karty

• externí – se nachází na zadním panelu základní desky
• video konektory (DVI, HDMI)
• audio konektory
• datové konektory (USB, RJ45, eSATA)
• USB (Universal Serial Bus)
• náhrada mnoha sériových a paralelních rozhraní, lze připojit všechna možná zařízení, např. klávesnici, myš, externí disk, bluetooth adaptér atd.
• schopnost připojení a odpojení zařízení za chodu počítače
• od verze USB 2.0 možnost připojení výkonných zařízení (skenery, tiskárny, externí disky), verze USB 3.0 umožňuje vyšší rychlost připojení a je zpětně kompatibilní, poslední verze USB 4.0 má přenosovou rychlost 40 Gbit/s
• síťové konektory (LAN)

Procesor (cache, patice, frekvence, počet jader), pevný disk, disk SSD, fragmentace, RAID

Procesor je hlavní výkonnou jednotkou celého počítače. Adresové a datové sběrnice procesoru mají určitou šířku, která se neustále zvyšuje spolu s vývojem nových generací procesorů (8bitů,16bitů, 32bitů, 64bitů, 128bitů). Tato šířka udává, kolikabitový je daný procesor a určuje, jak velká čísla lze zpracovávat (datový typ integer). Počet jader procesoru značí, kolik subprocesorů je v jednom CPU obsaženo. Procesory se přitom dělí o výpočty a data sdílejí.

CPU patice určuje rozhraní procesoru. Procesor je tak možné zapojit jen do desky, která jej podporuje.

Cache je paměť používá v řadičích disků a v procesorech. Ukládá kopie dat z operační paměti a data se pak čtou odtud. Tím s čtení z paměti zrychluje a výpočetní výkon se zvyšuje.

Frekvence (neboli takt) procesoru se udává v gigahertzech. Udává, kolik výpočtů se provede za jednu sekundu.

Výrobci procesorů: Intel (procesory Pentium, Celeron, Intel Core), AMD (procesory Athlon, Duron, Sempron, Ryzel), Motorola, SUN, IBM, Macintosh.

Pevný disk (HDD, Hard Disk Drive) je elektromechanické zařízení pro záznam a čtení adresovatelných dat, paměť o velké kapacitě a s pomalejším přístupem než operační paměť RAM. Používá se v počítačích jako sekundární a záložní paměť. Ukládání a čtení probíhá pomocí magnetické indukce.

Data jsou na pevném disku uložena v podobě magnetického záznamu. Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava.

Data jsou na povrchu pevného disku organizována do soustředných kružnic zvaných stopy, každá stopa moderního disku obsahuje pevný počet sektorů. Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku.

Pevné disky obsahují pohyblivé mechanické součásti a jsou náchylnější k poruchám než jiné součásti počítače. Zvláště s běžícími disky je třeba zacházet velmi opatrně. Částečnou ochranou proti nárazu hlaviček do povrchu disku je tzv. parkování čtecích hlav. Při vypnutí disku se automaticky uloží hlavy mimo datovou oblast.

Solid-state drive (SSD) je typ datového média, který ukládá data na polovodičovou flash paměť. Oproti klasickým pevným diskům neobsahuje pohyblivé mechanické části (menší riziko poškození), má mnohem nižší spotřebu elektrické energie a vyšší rychlost při čtení a je dražší v poměru ke kapacitě.

Pro jeden počítač lze použít oba typy disků (SSD na operační systém, HDD na data), existuje i SSHD, který kombinuje obě technologie.

Pro připojení pevných disků k počítači jsou používána různá rozhraní: 

• ATA (PATA) – jednodušší, levnější, lze připojit dva disky
• SATA (Serial ATA) - vyšší rychlost (6 Gbit/s), optimalizace datových přenosů, možnost připojování disků za chodu systému, menší rozměry kabelů
• SCSI - u komerčních počítačů, pro dosažení vyššího výkonu, na jedno rozhraní je možné připojit více periférií, a to i různých typů
• USB, FireWire, eSATA 
• rozhraní pro externí disky umístěné mimo skříň počítače
• přenosová rychlost USB: USB 3.1 až 10 Gbit/s, USB 3.2 až 20 Gbit/s), USB 4.0 verze 2.0 až 80 Gbit/s

Největší výrobci pevných disků: Western Digital, Seagate a Toshiba.

Fragmentace je způsob rozmístění dat (souborů) na pevném disku, kdy se jednotlivé části nacházejí na různých místech disku a volná paměť je tak rozdělena do menších bloků. Může snižovat výkon, někdy může způsobit i selhání celého systému. Defragmentace je změna uspořádání bloků dat na disku tak, aby soubor byl poskládán do jednoho celku. Dobře navržený systém by měl sám hlídat stav fragmentace a v případě, že hrozí selhání, reagovat spuštěním defragmentace.

SMART je technologie, která slouží ke sledování vlastností a chování pevného disku a za určitých podmínek dokáže předvídat selhání pevného disku. Pro zvýšení bezpečnosti uložených dat se používá technologie RAID. Zabezpečení je realizováno specifickým ukládáním dat (prokládání, zrcadlení) na více nezávislých disků, kdy jsou uložená data zachována i při selhání disku. RAID je ochrana před fyzickým selháním disku, nenahrazuje zálohování dat.  

Paměť RAM, ROM, CMOS, základní deska, napájení

Přídavné karty, grafika (typy)

Externí zařízení a rozhraní

POJMY: bezeztrátová komprese, LAN, RAR