Počítačová technika

Počítačová technika
ing. Zdeněk Prášil
OAMB
2
Poděkování:
Děkuji ing.Karlu Šulcovi a Miroslavu Mildovi za podnětné připomínky k obsahu
a formě těchto skript a své ženě za trpělivost, se kterou snášela, že jsem se půl roku
věnoval více práci na těchto skriptech než jí.
ing. Zdeněk Prášil, duben 1997
2
3-
1 Úvod
Tato skripta byla napsána pro potřeby Vyšší odborné školy ekonomické a
obchodní akademie v Mladé Boleslavi. Látka je obsahem přednášek v prvním ročníku
VOŠ. Vybrané partie je možno použít i v prvním pololetí prvního ročníku Obchodní
akademie, kde jsou v předmětu Výpočetní technika probírány teoretické základy
počítačové techniky. Dalším možným použitím je výuka ve volitelném předmětu
Počítačová technika ve třetím ročníku OA.
Úkolem těchto skript je seznámit studenty s hlavními trendy vývoje výpočetní techniky,
vybavit je potřebným pojmovým aparátem a umožnit jim orientaci při rozhodování o
nákupu a využití výpočetní techniky pro potřeby jejich budoucích zaměstnavetelů.
Vzhledem k rychlému vývoji v oblasti výpočetní techniky je třeba počítat s tím, že zde
obsažené informace velmi rychle zastarávají, proto autor předpokládá, že bude v
dalších letech vydávat doplňky k jednotlivým kapitolám, shrnující pokrok v příslušné
oblasti.
3
4
2 Vývoj výpočetní techniky
Výpočetní technika je do jisté míry považována za jeden ze symbolů moderní
doby. Často máme tendenci zapomínat na to, že snaha usnadnit si práci, a to i
intelektuální, je stejně stará jako lidstvo samo.
První pomůcky pro výpočty se objevují s rozvojem obchodu a peněžnictví asi před
3 až 4 tisíci lety. Jde o tzv. abakus, vypadající jako populární dětské počítadlo s
kuličkami. Na rozdíl od něj však umožňuje nejen sčítání a odčítání, ale i násobení a
dělení. Testy ukázaly, že obratný počtář s abakusem (v Rusku se používá pod názvem
„ščot“) provádí běžné výpočty rychleji, než běžný pracovník s elektronickou
kalkulačkou. Toto prastaré zařízení se v mnoha východních zemích s úspěchem používá
dodnes.
Dlouho jsme se domnívali, že vývoj výpočetních pomůcek ve starověku ustrnul na
úrovni abakusu. Archeologický nález z roku 1930, kdy byla při podmořských
vykopávkách potopené řecké lodi z 2.století před naším letopočtem vylovena podivná
hrouda „bronzových úlomků“, nevzbudil ve své době žádnou senzaci. Teprve v
šedesátých letech, po prozkoumání úlomků pomocí roentgenu, došlo k rozruchu.
Ukázalo se, že jde o přesnou soustavu ozubených kol (do té doby jsme se domnívali, že
lide dokáží přesná ozubená kola vyrábět až od 17. století), která navíc tvořila poměrně
komplikovaný mechanický počítací stroj, umožňující provádět astrologické výpočty.
Dodnes nikdo neví, jak je možné, že takový stroj mohl vzniknout o 19 století dříve, než
jsme tušili.
Prvním známým výrobcem mechanických počítacích strojů byl koncem 17. století
francouzský matematik B. Pascal. Vyrobil poměrně dokonalý mechanický kalkulátor,
umožňující provádět všechny hlavní matematické operace (včetně umocňování a
odmocňování a výpočtů se siny a cosiny). Pokusil se jej dále zdokonalit na skutečný
počítač, pracující na základě programu, čteného z děrných štítků, zemřel však dříve, než
byl schopen svou práci dokončit.
Moderní počítače se začínají rozvíjet až v souvislosti s 2. světovou válkou ve 40.
letech tohoto století. Rozvoj raket a letadel, stejně jako snaha o konstrukci jaderných
zbraní, vedla k potřebě rychle provádět velmi složité výpočty. Proto se během války jak
v Německu, tak i v USA a SSSR rozběhly práce na konstrukci elektronických počítačů.
První exempláře se však objevují až po roce 1945.
Objevuje se tzv. nultá generace počítačů. Jde o zařízení, pracující s využitím
elektromagnetických relé (elektromagnetické relé si můžeme představit jako elektrický
spínač ovládaný elektromagnetem). Šlo o experimentální zařízení, schopná provádět asi
deset operací za sekundu a se střední dobou mezi dvěma poruchami řádově několik
minut. Praktický význam ještě neměly, šlo pouze o ověřování některých obecných
konstrukčních principů.
Kolem roku 1948 nastupuje první generace počítačů. Jejich základním prvkem
je elektronka (vakuová skleněná baňka s několika elektrodami, schopná rovněž pracovat
jako spínací prvek). Tyto počítače již byly schopny provádět řádově stovky až tisíce
operací za sekundu a v provozu bez poruchy vydržely desítky minut až hodiny. Byly
velmi drahé, měly obrovskou spotřebu elektrické energie (každý počítač měl vlastní
malou elektrárnu) a zabíraly obvykle celou budovu. Prováděly se na nich různé výpočty
pro potřeby armády - především v souvislosti s vývojem raket a jaderných zbraní.
Komunikace s nimi byla možná pouze pomocí děrných štítků a děrných pásek,
programování probíhalo pomocí strojového kódu (každý krok počítače musel být
zaznamenán pomocí číselného kódu).
4
5-
Přibližně v roce 1955 se objevují počítače druhé generace počítačů. Jejich
základní součástí je tranzistor (polovodičová součástka, umožňující opět spínání a
rozpínání elektrických obvodů). Počítač se v této době stává vcelku běžným zařízením objevuje se ve školách, věděckých ústavech, úřadech, výrobních podnicích atd. Počítače
druhé generace provádějí až statisíce operací za sekundu, bezporuchový provoz trvá
několik dní. Prudce klesá cena počítačů a spotřeba energie. Jejich používání je
usnadněno formulací vyšších programovacích jazyků (první z nich v roce 1955 Fortran). Objevují se u nich různé vnější paměti - disky, magnetické pásky atd.
Komunikace s obsluhou je usnadněna zavedením počítačových tiskáren a zadáváním
příkazů pomocí elektrického psacího stroje.
Po roce 1970 hovoříme o třetí a později o tři a půlté generaci počítačů. Jejich
základním prvkem se stává integrovaný obvod (tedy celý funkční celek, tvořený mnoha
tranzistory, umístěnými díky pokroku technologie na jediné malé křemíkové destičce).
Tato generace trvá přes různé proměny a zdokonalení vlastně dodnes.
V roce 1974 dochází k historickému zlomu - firma Intel konstruuje první
mikroprocesor 4004. Od té doby se datuje vývoj moderní výpočetní techniky, jejímuž
popisu jsou věnována tato skripta.
5
6
3 Základní pojmy. Popis obecného počítače
Definice: Počítač je sekvenční automatický programovatelný elektronický stroj na
zpracování informací.
Tato definice vcelku dobře vystihuje hlavní rysy počítače, odlišující jej od jiných
zařízení. Především - je to stroj, tedy zkonstruovali a vyrobili jej lidé, aby si určitým
způsobem ulehčili práci. Používá se ke zpracování informace. Pro naše potřeby
vystačíme s poněkud intuitivní představou informace jako určitého údaje, odrážejícího
uspořádání okolní reality (existují samozřejmě nejrůznější další matematické,
kybernetické, filosofické atd. definice informace, ty však překračují rámec našeho
výkladu). Je elektronický, to znamená je složen z elektronických součástek a pracuje s
elektrickými veličinami - především s elektrickým napětím. Že jde o stroj automatický,
je celkem jasné. Obsluha do činnosti počítače zasahuje většinou jen nepřímo, počítač
pracuje po většinu doby bez zásahů obsluhy - automaticky. Sekvenční automat je
takové zařízení, jehož výstupy závisí nejen na vstupech, ale i na jeho předchozím
vnitřním stavu (příkladem sekvenčního automatu může být známý hlavolam, Rubikova
kostka - její stav vždy záleží nejen na pohybu, který s kostkou provedete, ale i na její
předchozí kombinaci). Programovatelnost říká, že činnost stroje není jednou pro vždy
daná, že je možno ji měnit tzv. programem.
3.1 Reprezentace informace v počítači
Informace v počítači mohou být trojího druhu. Mohou to být buď instrukce, nebo data,
nebo adresy.
Instrukce počítači určují, co má v určitém kroku udělat. Program potom můžeme
považovat za určitou sekvenci (řadu) instrukcí, vedoucí ke splnění požadované
úlohy.
Data
jsou informace, které počítač podle instrukcí zpracovává. Dělíme je na vstupní
data (co má počítač zpracovávat) a výstupní data (výsledek zpracovávání).
Adresy
určují odkud má počítač informaci získat, nebo kam ji má uložit. Adresovat
je možno, jak uvidíme dále, jak paměť, tak i vstupní nebo výstupní zařízení.
Všechny v současnosti pracující počítače patří mezi číslicové počítače (kdysi
existující analogové počítače vymizely již před dvaceti lety), to znamená, že všechny
informace, vyskytující se v nich, jsou v podobě čísel. Je nutné si uvědomit, že jedno a
totéž číslo může být v určité situaci instrukce, v jiné může jít o data a opět v jiné to
může být adresa.
Pro kódování čísel se v počítačích používá tzv. binární (dvojková) soustava,
pracující pouze se dvěma číslicemi 0 a 1. Potřeba pouhých dvou číslic, snadno
rozlišitelných dvěma stavy zařízení a proto snadno technicky realizovatelných, je
hlavním důvodem, proč se tato soustava používá u číslicových počítačů od počátků
jejich vývoje až dodnes. V současnosti se ustálila situace, kdy obě číslice jsou
reprezentovány úrovněmi elektrického napětí. Hodnotě 0 odpovídá napětí 0 až 0,4 V,
hodnotě 1 napětí větší než 2,4 V, typicky používanou hodnotou je 5 V (z důvodu snížení
zahřívání součástek se toto napětí postupně snižuje, některé procesory pracují i s
napětím 2,8 V).
6
7-
Srovnejme si dvojkovou soustavu s nám běžnou soustavou desítkovou (vycházející z
počtu našich prstů). Chceme-li zjistit, jaké množství určité číslo v desítkové soustavě
představuje, provedeme si podvědomě například tento převod:
3654,5 = 3.103 + 6.102 + 5.101 + 4.100 + 5.10-1 = 3000 + 600 + 50 + 4 + 0,5
Obdobně i binární číslo můžeme rozepsat takto:
10110111,110 = 1.27 + 0.26 + 1.25 + 1.24 + 0.23 + 1.22 + 1.21 + 1.20 + 1.2-1 + 1.2-2 +
0.2-3 = 128 + 0 + 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 1 + 1/2 + 1/4 + 0
Vidíme, že zápis binárních vychází velmi dlouhý a pro nás nepřehledný. Proto se
často binární hodnoty zapisují pomocí tzv. hexadecimálních číslic. (Pozor! V počítači
vystupují pouze binární čísla. Pomocí hexadecimálních číslic si je zapisujeme my, lidé,
aby byl zápis přehlednější.) Binární číslo rozdělíme na čtveřice binárních číslic a každou
tuto čtveřici zapíšeme pomocí jedné hexadecimální číslice. To ilustuje následující
tabulka:
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0
1
2
3
4
5
6
7
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
8
9
A
B
C
D
E
F
Číslo 1101001110100010 můžeme tedy zapsat D3A2.
Jedna binární číslice tvoří tzv. bit (1 b). Například číslo 1101 se skládá ze čtyř bitů. 8
bitů dohromady tvoří jeden byte (1 B) (čteme “bajt“) - tedy např. 11010101 je obsah
jednoho bytu. Obě tyto jednotky se používají rovněž pro vyjadřování množství
informace. Vyšší jednotky jsou např. 1kB = 1024 B, 1MB = 1024kB atd. (násobky jsou
dány mocninou čísla 2, která je nejbližší hodnotě 1000 - 210 = 1024).
Konkrétní binární číslo může kódovat nejrůznější informace. Jde-li o instrukci, jde o
kód instrukce. Všechny možné kódy instrukcí, které je počítač schopen provádět, tvoří
dohromady instrukční soubor počítače. Při zápisu instrukcí pomocí jejich číselných
kódů hovoříme o zápisu ve strojovém kódu. Že jde o instrukci je obvykle určeno
místem uložení v paměti.
Jde-li o data, může být informace kódována několika způsoby. Numerická data (tedy
číselné hodnoty, s nimiž se provádějí výpočty) mohou být vyjádřena přímo jako binární
čísla, nebo mohou být vyjádřena např. v tzv. BCD kódu (BCD = Binary Coded Decimal
- binárně kódovaná dekadická čísla). Vysvětleme si rozdíl mezi oběma kódováními
ukázkou na příkladu.
Mějme číslo 365 v dekadické soustavě. Pokud jej budeme převádět na binární číslo,
získáme
1.256
+
0.128 + 1.64 + 1.32 + 0.16 + 1.8 + 1.4 + 0.2 + 1.1 =
8
7
6
1.2 +0.2 +1.2 +1.25+0.24+1.23+1.22+0.21+1.20
tedy 36510 = 1011011012 = 16D (v hexadecimálním vyjádření)
7
8
Při zápisu v BCD kódu převádíme na binární číslo každou číslici dekadického čísla
zvlášť, tedy
36510 = 0011|0110|0101BCD
3
6
5
Zatímco binární kódování se používá především pro kódování dat pro výpočty, kód
BCD se objevuje především u vstupních a výstupních dat. Vzájemné převody obou
kódů nejsou pro počítač problém.
Znaková data (tedy např. texty, příkazy pro počítač atd.) se kódují převážně v kódech
odvozených od kódu ASCII, určeného pro znaky anglické abecedy, upravených pro
příslušnou národní abecedu. V češtině se používá nejčastěji kód Kamenických a Latin 2.
V těchto kódech je jednotlivým znakům přiřazeno určité binární číslo spolu s
označením, že jde o znak.
8
9-
3.2 Základní části počítače
Uspořádání základních částí počítače zachycuje von Neumannovo schéma (viz obr.).
Toto uspořádání základních částí počítače se od počítačů 1. generace dodnes podstatně
nezměnilo, tyto základní části se vyskytují i u dnešních počítačů.
ALU
data
data
informace
I/O
M
instrukce
adresy
adresy
C
kde I/O ............... vstupní a výstupní zařízení
M ................ vnitřní paměť počítače
ALU ............ aritmeticko-logická jednotka
C ................... řadič
Vstupní a výstupní zařízení (I/O) mají především charakter převodníku informace,
převádějí formu informace z podoby uvnitř počítače na podobu mimo počítač a
obráceně (např. grafická karta převádí informaci z binární podoby uvnitř počítače na
televizní signál zobrazitelný na monitoru).
Vnitřní paměť počítače umožňuje uchovávat a rychle vyhledávat informace. Přebírá
informace ze vstupních zařízení, předává je řadiči (instrukce) a aritmeticko-logické
jednotce (data), ukládá do sebe výstupní data a předává je výstupnímu zařízení.
Aritmeticko-logická jednotka je výkonným orgánem počítače. V ní se provádí
vlastní zpracování informací. Přebírá z paměti data, zpracovává je a ve zpracované
podobě je opět odesílá do paměti.
Řadič podle instrukcí programu řídí a koordinuje činnost všech částí počítače.
Přebírá z paměti instrukce programu, dekóduje je (tj. zjišťuje, jaké kroky musí počítač
jako celek i jeho jednotlivé části provést, aby byla instrukce splněna) a vysílá signály do
dalších částí počítače tak, aby zajistil provedení istrukce.
9
10
Základní myšlenkou von Neumannova schématu, pro kterou si dodnes
uchovává svůj význam, je komunikace mezi vstupními a výstupními zařízeními a
zbytkem počítače prostřednictvím paměti. Toto uspořádání umožňuje do určité míry
vyrovnat obrovské rozdíly v rychlosti mezi vstupními a výstupními zařízeními, často
omezenými rychlostí člověka (např. klávesnice), na jedné straně a ALU a řadičem na
straně druhé. Program a k němu příslušná data se nejprve uloží pomocí vstupního
zařízení do paměti. Po spuštění programu začne řadič přebírat instrukce, podle nich
nastavuje činnost ALU a ta zpracovává data. Výsledky se ukládají do paměti a na
výstupní zařízení se předávají až po skončení zpracování. Pokud je v paměti připraven
další program, může se hned spustit a nemusí čekat na ukončení činnosti pomalého
výstupního zařízení, např. tiskárny. Tím je dosahováno podstatně vyšší efektivnosti
práce počítače, než při jiných uspořádáních .
Podívejme se nyní na jednotlivé obecné části počítače trochu podrobněji.
3.2.1 Přehled pamětí
Ústřední částí obecného počítače podle von Neumannova schématu je paměť, přesně
řečeno vnitřní paměť. Sám název naznačuje, že kromě nich existují i paměti vnější.
Základní rozdíl je ve způsobu komunikace s ostatními částmi počítače.
Než se začneme dále bavit o pamětech, musíme si vysvětlit několik základních
pojmů. Paměť, která si uchovává uloženou informaci i bez dodávek energie, se označuje
jako paměť energeticky nezávislá. Paměť, která po přerušení dodávky energie ztrácí
uloženou informaci, je paměť energeticky závislá. Kapacita paměti vyjadřuje
množství informace, které je maximálně možno do paměti uložit, vyjadřuje se v B
(bytech), případně kB, MB, GB atd. Adresa označuje určité místo v paměti, na které je
možno uložit informaci. Obvykle je možno na jednu adresu uložit 1B informace.
Rychlost paměti se určuje jako průměr doby mezi vstupem adresy do paměti a
výstupem přečtené informace z paměti a (pokud to paměť umožňuje) obdobné doby
potřebné pro zápis informace.
Vnitřní paměti jsou přímo spojeny s řadičem a ALU. Hlavním požadavkem je tedy
u nich rychlost. Jsou to většinou polovodičové paměti, jejich
rozhodující charakteristikou je rychlost, která se pohybuje na úrovních
ms a nižších. U současných počítačů jejich kapacita bývá 8-32 MB,
nejsou však žádnou výjimkou ani počítače s podstatně většími vnitřními
pamětmi (např. 64MB a více).
Vnější paměti komunikují s počítačem prostřednictvím vstupních a výstupních
zařízení, jsou rozsáhlé a uchovávají informace, když počítač není v
chodu. Typickým příkladem jsou například magnetické disky.
Rozhodující charakteristikou je u nich kapacita a trvanlivost záznamu.
Běžně používané kapacity vnějších pamětí se dnes pohybují v rozsahu
500 MB až 2 GB, nejsou však výjimečné ani paměti větší. Všechny
vnější paměti jsou energeticky nezávislé.
ROM
klasická ROM
PROM
EPROM
RAM
SRAM
DRAM
vnitřní
paměti
vnější
10
1
Vnitřní paměti se dělí na paměti ROM a RAM.
Paměť ROM (read-only memory - paměť pouze pro čtení) je taková paměť, ze
které může počítač pouze číst. Je to paměť energeticky nezávislá, v
počítači jsou v ní obvykle uloženy programy, tvořící základ
operačního systému, např. tzv. BIOS. Paměti ROM se dělí na tři
skupiny - klasické paměti ROM, paměti PROM a paměti EPROM. Z
hlediska počítače není mezi nimi rozdíl, rozdíl je dán způsobem
ukládání informací do paměti.
Klasické paměti ROM jsou vyráběny ve velkých sériích a jejich obsah je vytvářen
již při výrobě. Dnes se používají především v oblasti spotřební
elektroniky.
Paměti PROM se dodávají prázdné, uživatel si do nich může mimo počítač
poměrně jednoduchým způsobem informaci zapsat, ale pouze jednou.
Jejich použití se vyplatí u malých sérií.
Paměti EPROM je možno mimo počítač určitým způsobem vymazat (ultrafialovým
světlem, elektrickým impulzem atd.) a uložit do nich novou informaci.
V poslední době se s nástupem nových technologií začaly více
používat paměti Flash EPROM, umožňující přeprogramování přímo
v počítači. U nových počítačů jsou typickou pamětí pro uložení BIOSu
- tedy základní skupiny programů, nutných pro rozběh a činnost
počítače (bude vysvětleno v kapitole o operačním systému)
Paměti RAM (random access memory - paměť s libovolným přístupem) umožňují
počítači zapisovat i číst informace. Jsou většinou energeticky závislé, i
když existují i speciální případy energeticky nezávislých pamětí RAM.
Dělí se na dvě hlavní skupiny - statické paměti SRAM a dynamické
paměti DRAM.
Statické paměti SRAM se vyznačují tím, že informace v nich uložená se může
měnit pouze vnějším zásahem (zapsáním jiné informace, příkazem ke
smazání, vypnutím zdroje energie atd.). Jejich základní součástí jsou
tzv. bistabilní klopné obvody (Jsou to elektronické obvody s jedním či
dvěma vstupy a dvěma výstupy, které se mohou nacházet v jednom ze
dvou tzv. stabilních stavů - ustálených stavů na výstupech. Buď je na
jednom z nich elektrické napětí odpovídající 0 a na druhém 1, nebo
obráceně. Vnějším impulzem se vyvolá přechod z jednoho stavu do
druhého. Tyto obvody umožňují uložit jeden bit informace.) Podle
typu tranzistorů, z nichž se skládají klopné obvody, se paměti dále dělí
na unipolární a bipolární. Z hlediska uživatele má toto rozdělení
význam v tom, že unipolární paměti RAM (někdy též označované
zkratkou CMOS) má menší spotřebu elektrické energie, než paměti
druhého typu, jsou však citlivější na dotykové napětí (nesmí se na ně
sahat nechráněnou rukou). Statické paměti jsou nejrychlejším typem
pamětí, jsou však velmi drahé, proto se používají pouze u tzv. pamětí
CACHE (viz. dále).
Dynamické paměti DRAM se skládají z miniaturních kondenzátorů (Kondenzátor
je elektronická součástka, která, připojí-li se na zdroj elektrické
energie, se nabije určitým elektrickým nábojem, což se na venek
projevuje tím, že se i po odpojení zdroje na ní udrží elektrické napětí.
Toto napětí s časem klesá, kondenzátor se vybíjí.). Dynamické se jim
11
12
říká proto, že je třeba informaci v nich uloženou neustále periodicky
obnovovat. Tento proces se nazývá REFRESH. Spočívá v tom, že
periodicky se z každé adresy v paměti informace přečte a opět se na
stejnou adresu zapíše. Paměti DRAM jsou výrazně lacinější, než
paměti SRAM a proto se v počítačích používají jako hlavní vnitřní
paměti. Je-li např. v prospektu uvedeno, že počítač má 8MB RAM, jde
jednoznačně o DRAM. Všeobecně lze říci, že paměti DRAM jsou
relativně pomalejší, v poslední době se však začínají objevovat
dynamické paměti typu EDO RAM, jejichž rychlost by měla postupně
dosáhnout rychlosti pamětí SRAM.
Podrobnější popis jednotlivých typů pamětí je v kapitole Vnitřní paměti.
Vnější paměti se dělí podle fyzikálního principu ukládání informace dělí
Vnější paměti
mechanické
děrné štítky
děrné pásky
magnetické
magnetické pásky
magnetické disky pružné disky (FD)
(diskety)
pevné disky (HD)
CD-ROM
CD-RAM
optické
Další, podrobnější popis těchto pamětí bude následovat v kapitole o vnějších
pamětech.
12
1
3.2.2 Řadič (C)
Jak jsme si uvedli výše, je hlavní úlohou řadiče podle instrukcí programu řídit a
koordinovat činnost ostatních částí počítače tak, aby byl program proveden. V dalším
výkladu si podrobněji popíšeme činnost řadiče a vysvětlíme pojem instrukční cyklus.
Nejprve se podívejme na schéma obecného řadiče - u dnešních počítačů je již
uspořádání poněkud odlišné, vychází však z principů, které si zde vysvětlíme.
Hlavní části obecného řadiče:
R.A.I. ...... registr adresy instrukce
R.I. ........... registr instrukce
D.I. ........... dekodér instrukce
G.Ř.I. ........ generátor řídicích impulzů
Vysvětlení některých termínů:
registr - vnitřní paměťové místo počítače,
umožňující obvykle pomocí
klopných obvodů uchovávat
jedno binární číslo.
generátor - můžeme chápat jako “zdroj“.
instrukce (z paměti)
R.A.I.
R.I.
D.I.
G.Ř.I.
adresa instrukce
(do paměti)
příznaky (z ALU)
řídící impulzy
Činnost řadiče je možno popsat ve čtyřech krocích:
1)
Vyhledání a načtení instrukce. V registru adresy instrukce je uložena
adresa instrukce, která má být v daném instrukčním cyklu provedena. Paměť
se přepne na čtení a odešle se do ní adresa instrukce z R.A.I. V paměti se
vyhledá paměťové místo s příslušnou adresou. Na tomto místě je uložen kód
instrukce, která má být prováděna. Tento kód se přečte a odešle do řadiče, kde
se uloží do registru instrukce R.I..
13
14
2)
Dekódování instrukce. Dekodér instrukce přečte kód instrukce z R.I. a
určí, jaké dílčí kroky je třeba provést pro vykonání instrukce. Podle toho
nastaví příslušným způsobem činnost generátoru řídicích impulzů G.Ř.I..
3)
Provedení instrukce. Tato část instrukčního cyklu se mění podle typu prováděné instrukce. Generátor řídicích impulzů vysílá postupně impulzy ostatním
částem počítače (vstupním/výstupním zařízením, paměti a ALU) tak, aby byla
příslušná instrukce provedena. U typické instrukce se zpracování skládá z
načtení dat do ALU, provedení operace s daty a z uložení výsledku do paměti,
u řady instrukcí však průběh vypadá odlišně.
4)
Nastavení adresy následující instrukce programu v R.A.I.. Jde o poslední
krok instrukčního cyklu, po něm začíná cyklus následující. Nová adresa
vzniká obvykle zvětšením obsahu R.A.I., v případě instrukcí skoku se adresa
načítá z paměti z místa za kódem instrukce (viz. dále).
Vysvětleme si ještě dvě podstatné podrobnosti tohoto schématu. Vidíme, že vstup z
paměti není možný pouze do R.I., kam se zapisuje kód instrukce přečtený z paměti, ale i
do R.A.I. Pro vysvětlení tohoto faktu si musíme uvědomit, že při běžném zpracovávání
programu se instrukce berou postupně z jednoho paměťového místa za druhým od
nejnižší adresy k nejvyšší. Některé instrukce však tuto posloupnost zpracovávání mění zpracování programu se může vrátit o několik instrukcí zpět, případně může některé
instrukce přeskočit - jak je v daném případě zapotřebí. Tyto instrukce se nazývají
instrukce skoku.
adresy
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
.
.
.
RAM
běžný směr zpracování
instrukcí programu
příklad skoku
zpět
V takovém případě následuje za kódem instrukce adresa místa v paměti, od kterého
má zpracovávání programu pokračovat. Tato adresa se přečte a zavede do R.A.I. a
zpracovávání programu v dalším cyklu pokračuje od této nové adresy.
Druhým významným detailem je vstup tzv. příznaků z ALU do generátoru
řídicích impulzů. Tento vstup respektuje skutečnost, že počítač rozeznává instrukce
nepodmíněné a podmíněné. Nepodmíněné instrukce se provádějí vždy, podmíněné
pouze tehdy, je-li splněna určitá podmínka. Tato podmínka se formuluje právě pomocí
příznaků, které si blíže vysvětlíme ve výkladu činnosti ALU. Zjistí-li dekodér, že jde o
14
1
podmíněnou instrukci, testuje G.Ř.I. nejprve hodnoty příznaků, a pouze tehdy, pokud
odpovídají nastavené podmínce, zahájí provádění instrukce. V případě, že neodpovídají
podmínce, instrukce se neprovede a rovnou se nastavuje adresa následující instrukce.
3.2.3 Aritmeticko-logická jednotka (ALU)
data z paměti M
F
A
TMP
příznaky (do C)
řídicí impulzy
OB
(z C)
data do paměti
¨
A ........ střadač
TMP.... pomocný registr
F.......... registr příznaků
OB....... operační blok
Obecná aritmeticko-logická jednotka se skládá ze tří registrů a operačního bloku.
Její funkce spočívá v zpracovávání dat podle řídicích impulzů z řadiče.
Střadač je jakýmsi ústředním registrem počítače. Vstupní data pro zpracování
procházejí vždy alespoň z části střadačem (potřebuje-li daná instrukce jeden operand,
prochází tento operand střadačem, potřebuje-li dva operandy, prochází jeden z nich
střadačem) a výsledek operace se před odesláním do paměti alespoň z části ukládá do
střadače.
Pomocný registr tvoří druhý vstup do operačního bloku, prochází jím v případě
potřeby druhý operand pro danou instrukci, a v případě, že se výsledek nevejde do
střadače, ukládají se do něj “přebývající“ bity výsledku.
Počet bitů střadače určuje velikost binárního čísla, jaké může operační blok v
jednom kroku zpracovat. Tento údaj označujeme jako délku slova počítače a hovoříme
o počítačích s délkou slova 4b, 8b, 16b, 32b, 64b atd.
Výkonnou částí ALU je operační blok. V něm se provádí vlastní zpracování dat.
Řídicí impulzy z řadiče přepínají jeho funkci na některou z možných operací. ALU
obecně umožňuje provádět tyto operace:
1) Aritmetické operace - obvykle sčítání, odčítání, násobení a dělení. Sčítání a odčítání je možné provádět buď s přenosem, nebo bez přenosu (bude vysvětleno
dále). Násobení a dělení se provádí buď bez znaménka, nebo se znaménkem.
15
16
Pokud se provádí násobení a dělení se znaménkem, využívá se nejvyšší bit čísla
jako znaménko (0 odpovídá +, 1 odpovídá -).
2) Logické operace - představují operace s výroky, tedy s tvrzeními, u kterým je
možno jednoznačně přiřadit hodnotu “pravda“ (TRUE), nebo “nepravda“
(FALSE). Tyto hodnoty jsou v počítači reprezentovány 1 a 0. ALU je obvykle
schopna provádět tyto logické operace:
NEGACE (NOT) - operace s jedním operandem
operand
výsledek
0
1
1
0
LOGICKÝ SOUČIN (AND) - operace se dvěma operandy
1.operand 2.operand
0
0
1
1
0
1
0
1
výsledek
0
0
0
1
LOGICKÝ SOUČET (OR) - operace se dvěma operandy
1.operand 2.operand
0
0
1
1
0
1
0
1
výsledek
0
1
1
1
Logické operace se provádějí s jednotlivými registry vždy bit po bitu. Aby bylo
operaci možno provést, musí být oba operandy stejně dlouhé.
Příklad: Logický součin dvou osmibitových čísel:
10110111
AND
10011010
10010010
3) Porovnávání - ALU je schopna porovnat mezi sebou dvě číselné hodnoty.
Porovnávání zjišťuje, zda platí pro dvě hodnoty =, <>, <, > ,<=,>= atd.
Porovnávání má charakter výroku, to znamená, že buď daný vztah platí, a potom
je výsledkem “pravda - TRUE“, nebo neplatí, a pak je výsledkem “nepravda FALSE“.
4) Rotace a posuvy - Rotace jsou operace, při kterých se bity v registru posunou o
jedno či více míst vlevo či vpravo, přičemž “přebývající“ bity jsou zapisovány
na “uvolněná“ místa na druhé straně registru
16
1
Příklad:
10101 se rotací o jedno místo
vlevo změní na 01011
rotace vlevo
Posuny jsou operace, při kterých se bity v registru posunou o jedno či více míst
vlevo či vpravo. přičemž “přebývající“ bity se ztrácejí a na “uvolněná“ místa se
zapisuje 0, 1, nebo se tam kopíruje poslední bit registru (podle typu instrukce).
Příklad:
posun o jedno místo vlevo
0
Tedy 11011 se posunem
o jedno místo vlevo
změní na 10110
Všechny složité operace s daty, které je počítač schopen provádět, musí být v
konečné fázi rozloženy na výše uvedené elementární operace. Z toho je možno si
alespoň částečně představit komplikovanost vytváření programů pro počítače ve
strojovém kódu.
Registr příznaků je velmi specifickým registrem počítače. Od ostatních registrů se
liší tím, že do něj není ukládáno binární číslo, ale každý bit má svůj specifický význam.
Tyto bity se označují jako příznaky (flaggs). U počítačů rozeznáváme dvě základní
skupiny příznaků:
Řídicí příznaky jsou bity, jejichž hodnota je nastavována uživatelem pomocí
určitých instrukcí. Nastavení hodnoty příznaku mění určitým
způsobem funkci počítače. Příkladem může být příznak, označovaný
jako TF, u procesorů řady 80x86. Nastavením tohoto příznaku na
hodnotu 1 přechází počítač do tzv. režimu krokování. Provede vždy
jen jednu instrukci programu a následující instrukci provede až po
opakovaném spuštění. Tento režim činnosti umožňuje kontrolovat
program instrukci po instrukci - používá se pro odlaďování programů
(hledání a odstraňování chyb v programech).
Stavové příznaky jsou bity, které jsou automaticky nastavovány při činnosti
počítače a signalizují stav ve střadači po ukončení operace. Příkladem
může být třeba bit ZF (zero), který nabývá hodnoty 1 pokud je
výsledkem operace hodnota 0. Podobně bit CF (carry) signalizuje tzv.
přetečení o jeden řád, tedy že výsledné číslo se do střadače o jeden řád
“nevešlo“.
Poznámka:
17
18
Tento bit umožňuje např. sčítat libovolně velká čísla na počítači ve více krocích (viz.
poznámka o aritmetických operacích výše).
Příklad
Při sčítání 8bitových čísel pomocí 4bitového počítače provedeme sčítání dolních čtyř bitů
bez přenosu a horních čtyř bitů s přenosem, tedy tak, že k součtu přičteme hodnotu bitu CF.
+
1101
0001
1110
+
0111
1100
1 0011
přenos do vyššího řádu
CF = 1
1111
tedy výsledek 11010111 + 00011100 = 11110011
Stavové příznaky se velmi často používají pro formulování podmínek v tzv.
podmíněných instrukcích.
Pro lepší představu si můžeme registr příznaků představit jako jakýsi kontrolní
panel. Stavové příznaky potom představují jakési kontrolky, jejichž rozsvícení
signalizuje určitý stav. Řídicí příznaky si potom můžeme představit jako vypínače,
jejichž sepnutím se spouští určitý specifický režim činnosti počítače.
Další podrobnosti o příznacích budou uvedeny v kapitole popisující jednotlivé
mikroprocesory.
3.2.4 Vstupní a výstupní zařízení (I/O)
Vstupní a výstupní zařízení slouží především jako určitý typ převodníků informace
z jedné podoby do druhé, zprostředkovávajících přenos dat mezi počítačem a vnějšími
zařízeními (např. monitorem, tiskárnou, myší atd.). Vezměme si jako typický příklad
třeba tzv. videokartu (grafickou kartu, grafický adaptér). Jde o typické výstupní zařízení
(osobní počítač není bez ní schopen pracovat). Vstupují do ní informace z počítače v
numerické podobě a vystupují v podobě televizního signálu pro monitor. V širším slova
smyslu můžeme za vstupní a výstupní považovat i různá periferní zařízení, připojovaná
k počítači a umožňující vstup nebo výstup informací.
Vstupní a výstupní zařízení dělíme podle dvou hledisek:
1) Podle směru předávání informace
Vstupní - slouží k zadávání informací do počítače. Například klávesnice,
myš, scanner, světelné pero, snímač optického čárového kódu atp.
Výstupní - jejich prostřednictvím počítač sděluje výsledky své činnosti, případně jimi působí na okolí. Typický příklad je tiskárna, monitor,
zvuková karta, plotter atp.
Vstupní i výstupní - tato zařízení mohou sloužit pro vstup i výstup
informací. Typickým příkladem jsou vnější paměti umožňující
zápis i čtení (magnetické paměti, optické disky CD-RAM), ale také
modem, síťová karta atp.
18
1
2) podle způsobu předávání informace:
Paralelní - u těchto zařízení je tolik spojovacích vodičů, kolik je bitů
přenášeného slova. Celé slovo se potom předává najednou v jediném
taktu. výhodou je vysoká rychlost přenosu, nevýhodou citlivost na
vnější rušivé vlivy (především elektromagnetická pole) a potřeba
relativně velkého počtu vodičů.
Příkladem zařízení s paralelním přenosem mohou být například vnější
magnetické paměti - disky, u kterých se
velmi rychle předává velké množství
informace na krátké vzdálenosti. Dalším
paralelním zařízením je tiskárna. V tomto
případě je nutno co nejrychleji předat
informace do tohoto pomalého zařízení a
uvolnit počítač pro další práci.
Sériová - u těchto zařízení se všechny bity slova předávají jeden po druhém po
jediném vodiči. Přenos slova tedy trvá tolik taktů z kolika bitů se
slovo skládá. Nevýhodou je podstatně menší rychlost přenosu.
Výhodou je potřeba jediné spojovací cesty. Sériový přenos se používá
především u přenosu na větší vzdálenosti a u zařízení přímo
komunikujících s člověkem (zde je komunikace z hlediska počítače
tak pomalá, že paralelní přenos by byl naprosto zbytečný). Typickým
příkladem může být klávesnice nebo myš.
Výběr vstupního nebo výstupního zařízení se provádí pomocí adresy. Tato
adresa se označuje jako port (brána). Objeví-li se např. na obrazovce počítače hlášení
“serial port 3F7“, znamená to, že konektor pro připojení sériového vstupního nebo
výstupního zařízení má adresu 3F7 (tedy 0011 1111 0111). Pomocí této adresy bude
počítač komunikovat se zařízením, které na tento konektor připojíme (např. s myší).
Tím jsme ukončili popis obecného počítače a s ním spojený výklad
základních pojmů a v dalším textu navážeme podrobnějším popisem skutečných
částí mikropočítače (vyjdeme z nejrozšířenějšího typu - IBM PC. Začneme tzv.
mikroprocesorem.
19
20
4 Mikroprocesory
4.1 Základní pojmy
Před popisem jednotlivých typů mikroprocesorů si budeme muset vysvětlit
alespoň některé z technických pojmů používaných při popisech těchto zařízení.
Integrovaný obvod vzniká na malé křemíkové destičce speciální technologií. Je
to vlastně elektronický prvek obsahující v sobě celý funkční celek (zesilovač, paměť,
mikroprocesor ...), složený z většího množství elementárních součástek (především
tranzistorů). U integrovaných obvodů hovoříme o tzv. hustotě integrace, tedy množství
těchto elementárních součástek na chipu (= destička čistého křemíku). V počátcích
technologie integrovaných obvodů byly na chipu řádově desítky tranzistorů, v
současnosti může jít o desítky, ale i o stovky tisíc či miliony.
Mikroprocesor je potom integrovaný obvod o vysoké hustotě integrace,
obsahující vždy v sobě kromě dalších částí aritmeticko-logickou jednotku a řadič. Sám o
sobě není schopen pracovat, potřebuje vždy řadu pomocných a podpůrných obvodů.
Společně s vnitřní pamětí a vstupním a výstupním zařízením tvoří základ celku, který
nazýváme mikropočítač. Existují i tzv. jednočipové mikropočítače, které v jediném
elektronickém prvku obsahují všechny uvedené části (včetně malé vnitřní paměti).
Mikroprocesor komunikuje se svým okolím prostřednictvím tzv. sběrnic.
Sběrnice (anglicky „bus“) je paralelní cesta přenosu informací. Šířka sběrnice je počet
bitů, které je po sběrnici možno přenášet současně v jediném okamžiku. V souvislosti s
mikroprocesory hovoříme o vnitřních sběrnicích a vnějších sběrnicích.
Vnitřní sběrnice jsou uvnitř mikroprocesoru (jedna nebo více) - přímo na chipu.
Propojují mezi sebou jednotlivé funkční celky mikroprocesoru. Při jejich konstrukci
není výrobce nijak omezen. Navrhuje je tak, aby mikroprocesor jako celek pracoval co
nejrychleji.
Vnější sběrnice propojují mikroprocesor s jeho okolím. Vzhledem k potřebě
propojovat mikroprocesor s dalšími součástkami (mnohdy i od jiných výrobců) musí
být vnější sběrnice určitým způsobem normalizovány. Většina výrobců respektuje
normy stanovené firmou Intel vzhledem k silnému postavení výrobků této firmy na
světovém trhu. Každý mikroprocesor má tři vnější sběrnice - datovou, adresovou a
řídící.
Po datové sběrnici jsou přenášena data a instrukce (jsou-li adresy součástí
instrukce, přenášejí se před dekódováním také nejprve po datové sběrnici do
mikroprocesoru). Je to obousměrná sběrnice, umožňující jak přenos informací z paměti
nebo vstupního/výstupního zařízení do mikroprocesoru, tak i opačným směrem (Pozn. U některých počítačů je datová sběrnice tvořena dvěma jednosměrnými sběrnicemi pro
přenos jedním a druhým směrem. Podle potřeby se přepíná na jednu nebo druhou
sběrnici. Dosahuje se tak větší rychlosti přenosu po této sběrnici). Šířka této sběrnice
určuje jednak maximální číslo, které může mikroprocesor zpracovat v jednom taktu
(tedy = 2n, kde n je šířka datové sběrnice), jednak i strukturu a maximální možný počet
instrukcí instrukčního souboru.
Adresová sběrnice je jednosměrná a slouží k přenosu adres z mikroprocesoru do
paměti, nebo vstupních/výstupních zařízení. Šířka sběrnice určuje maximální velikost
adresovatelné paměti mikroprocesoru (Mmax = 2n, kde n je šířka adresové sběrnice).
Řídící sběrnice slouží k přenosu řídících impulzů mezi mikroprocesorem a dalšími
obvody mikropočítače. Může mít různou šířku podle typu mikroprocesoru, vždy však
bude obsahovat tyto čtyři signály:
20
2
MEMR = „memory read“, nastavení paměti do režimu čtení
MEMW= „memory write“, nastavení paměti do režimu zápis
I/OR = „input/output read“, nastavení čtení ze vstupního/výstupního zařízení
I/OW = „input/output write“, nastavení zápisu na vstupní/výstupní zařízení
Důležitým parametrem mikroprocesoru je jeho tzv. pracovní (nebo-li taktovací)
frekvence mikroprocesoru. Mikroprocesor totiž nepracuje neustále, pracuje pouze v
přesně určených časových okamžicích. Pokusme si vysvětlit, proč tomu tak je:
a
c
e
b
d
Obr. Vznik hazardu
Představme si, že určitá část mikroprocesoru může být zapojena podle obrázku.
Vidíme, že signál a se dostane přímo na vstup c druhého bloku, zatímco signál b
nejprve musí projít prvním blokem. Žádný funkční blok nepracuje nekonečnou
rychlostí, signál b se tedy na vstupu d objeví s určitým zpožděním.
a
t
b
t
c
t
d
t
e
hazard
t
taktovací pulzy
t
Následkem toho na výstupu e vzniká tzv. hazard, tedy oblast, ve které výstup e
neodpovídá skutečným hodnotám vstupů a a b. Odstranění tohoto jevu je možné
zavedením taktovacích pulzů a úpravou obvodu tak, aby všechny změny probíhaly
pouze v okamžiku např. náběžné hrany taktovacího pulzu. Vzdálenost pulzů od sebe
musí být taková, aby spolehlivě proběhly všechny přechodové děje a na vstupu
21
22
následujícího funkčního bloku byly připraveny všechny vstupní signály. Počet
taktovacích pulzů za sekundu určuje pracovní frekvenci mikroprocesoru. Je celkem
jasné, že čím menší je nutná vzdálenost mezi pulzy (a tedy čím více může být pulzů za
sekundu), tím je činnost mikroprocesoru rychlejší.
Mikroprocesory se rozdělují ze dvou hledisek. První postihuje způsob jejich
zrychlování spolupráce s pamětí, druhé vychází ze struktury instrukčního souboru
mikroprocesoru. Dle prvního dělení rozeznáváme mikroprocesory registrově
orientované a sběrnicově orientované, dle druhého hovoříme o mikroprocesorech
RISC a CISC.
Již na počátku vývoje mikroprocesorů se ukázalo, že jedním z hlavních „úzkých
míst“ je komunikace s pamětí. Registrově orientované mikroprocesory omezují
komunikaci s pamětí pomocí poměrně velkého množství pomocných registrů, se
kterými může ALU a řadič komunikovat s nepatrnými časovými zpožděními. Tyto
registry je možno používat např. pro ukládání mezivýsledků při výpočtech a do paměti
se potom odešle teprve konečný výsledek. Při vhodné konstrukci programu je možno
značně omezit počet zápisů a čtení z paměti. Tato koncepce byla typická pro
mikroprocesory firmy Intel.
Sběrnicově orientované mikroprocesory mají jen malý počet vnitřních registrů,
zaměřují se však na optimální organizaci sběrnic a co největší urychlení přenosů mezi
pamětí a mikroprocesorem. Tento přístup byl typický např. pro firmu Motorola.
Postupem času se ukázalo, že žádný z těchto konstrukčních přístupů není
jednoznačně lepší než druhý. Obě vývojové linie se postupně sbližují - u registrově
orientovaných mikroprocesorů dochází k optimalizaci komunikace po sběrnicích a u
sběrnicově orientovaných se objevuje větší počet pomocných registrů (u mikroprocesorů
firmy Motorola 68040 se objevuje až 80 pomocných registrů). I když dnes toto rozdělení
poněkud ztratilo na významu, lze říci, že mikroprocesory vycházející původně z
registrové koncepce mají i dnes určité výhody při numerických výpočtech a
mikroprocesory vycházející původně ze sběrnicové koncepce rychleji pracují s grafikou.
Druhé rozdělení vychází z vývoje instrukčního souboru (připomeňme si instrukční soubor je soubor všech instrukcí, které je příslušný mikroprocesor schopen
dekódovat a provádět). V počátcích mikroprocesorů byla snaha poskytnout uživatelům
co nejširší instrukční soubor, aby bylo jejich programování co nejpohodlnější. Tyto
mikroprocesory jsou dnes označovány jako CISC (complete instruction set computer počítač s úplným instrukčním souborem).
Dekodéry těchto procesorů jsou poměrně velmi složité a vedou k určitému
zpomalování mikroprocesorů. Statistickým zkoumáním četnosti používání instrukcí v
činnosti počítače se navíc ukázalo, že instrukční soubor je možno rozdělit na dvě
poměrně ostře oddělené skupiny instrukcí. První je tvořena asi 40% instrukcí, které jsou
používány téměř neustále (jejich použití tvoří asi 90% prováděných instrukcí), ve druhé
je zbývajících téměř 60% instrukcí, které se vyskytují poměrně vzácně (asi v 10%
případů). Z těchto poznatků vycházeli konstruktéři mikroprocesorů RISC (reduced
instruction set computer - počítač s redukovaným instrukčním souborem). Instrukční
soubor je omezen na nejčastěji používané instrukce, dekodér je jednodušší a
mikroprocesor pracuje rychleji, jeho programování však bývá komplikovanější. V
současné době se zdá, že mikroprocesory RISC začínají převládat.
Určitý zvrat tohoto trendu přišel počátkem roku 1997, kdy se začínají objevovat
procesory s koncepcí VLIW (Very Long Instruction Word). Instrukce těchto procesorů
se skládají z řady dílčích mikroinstrukcí, typických pro procesory RISC. Tyto
mikroinstrukce jsou všechny přečteny v jediném kroku - jako u běžné instrukce
procesoru CISC. Provádějí se potom současně v řadě paralelně pracujících vnitřních
22
2
jednotek procesoru. Firma Intel chce tuto technologii, představující zajímavé spojení
principů CISC (bohatý výběr komplexních instrukcí, umožňujících snadnou tvorbu
programů) a RISC (rychlé, často paralelní provádění jednoduchých instrukcí) použít u
nových procesorů, označovaných ve vývoji jako P7.
O hlavních výrobcích uveďme, že firma Intel se věnovala rozvoji mikroprocesorů
CISC. Teprve její předposlední mikroprocesor Pentium naznačuje postupný přechod ke
koncepci RISC, který je potom završen u zatím posledního procesoru PentiumPro.
Další procesory, označované jako MMX, se potom zaměřují na zlepšení práce s
multimediálními aplikacemi. Konkurenční výrobci - Motorola, nebo DEC - se na RISC
orientovali od začátku a vývoj ukázal, že šlo o správné rozhodnutí (jejich procesory
dosahují dvoj- i vícenásobných rychlostí oproti výrobkům firmy Intel - nástup procesorů
VLIW tento trend pravděpodobně může zvrátit).
K mikroprocesorům se vyrábí řada pomocných obvodů, označovaných jako
koprocesory. Jde v podstatě o obvody, které přebírají některé úkoly mikroprocesoru a
provádějí je rychleji a efektivněji, než by je prováděl mikroprocesor sám. Typické
koprocesory jsou např. matematický koprocesor, provádějící za mikroprocesor
náročnější numerické výpočty (jde tedy o jakousi „kalkulačku pro mikroprocesor“ s jejíž
pomocí provádí rychleji výpočty, které by mu jinak dlouho trvaly), vstupní a výstupní
koprocesor, přebírající řízení komunikace se složitějšími soustavami periferních
zařízení (= např. tiskárny, diskové a disketové jednotky, číslicovo-analogové převodníky
umožňující převést výstup počítače na úroveň elektrického napětí, použitelného např.
pro řízení motorků robotů a NC obráběcích strojů, a pod.), nebo grafické koprocesory
umožňující rychle provádět složité operace s obrazem na monitoru počítače.
V dalším výkladu se budeme věnovat popisu mikroprocesorů firmy Intel. V
závěru kapitoly uvedeme základní informace o hlavních mikroprocesorech dalších
významných výrobců. (Pozn. - Na trhu jsou i mikroprocesory jiných firem než Intel, ale
většinou jde o napodobeniny procesorů Intel. Takové mikroprocesory se označují jako
klony).
4.2 Vývoj mikroprocesorů firmy Intel.
Firma Intel vyrobila v roce 1974 první mikroprocesor. Legenda praví, že se tak
stalo vlastně nedopatřením. Firma údajně vyvíjela řídící obvod pro numerickou televizi
na objednávku jakési japonské firmy. Vývoj se nepovedl, Japonci obvod nepřevzali a
Intel začal zkoumat, nejde-li obvod použít i pro něco jiného. Kupodivu - šlo to. A tak se
zrodil první čtyřbitový mikroprocesor později označovaný jako 4004. Ještě v témže roce
se objevila osmibitová verze 8008. V roce 1975 vznikl mikroprocesor 8080, který se ve
variantě 8080A stal vůbec nejmasověji vyráběným mikroprocesorem v dosavadní
historii. Dodnes se používá např. v obvodech číslicových regulačních zařízení.
Následníkem tohoto mikroprocesoru byl procesor 8085, jehož struktura je
prakticky totožná s předchozím typem, liší se zdokonaleným a rozšířeným instrukčním
souborem.
Zásadní změna koncepce nastala kolem roku 1978 s nástupem nového procesoru
8086. Počínaje tímto typem nastupuje řada procesorů, označovaná jako 80x86. Členy
této řady byly procesory 8088, 80186, 80286, 80386SX, 80386DX, 80486SX a
80486DX. Pro všechny tyto procesory platí tzv. kompatibilita shora, to znamená, že
všechny programy, vytvořené na starších typech procesorů, musí být bez problému
provozovatelné na novějších procesorech.
Procesor 8086 byl 16bitový, pracoval s 20bitovou adresovou sběrnicí (měl
možnost adresovat paměť o velikosti 1MB). Jeho pracovní frekvence se pohybovala
23
24
kolem 5 MHz. Tvořil základ známých počítačů PC XT. Vzhledem k tomu, že pro něj
byly navrženy první verze operačního systému DOS a celá řada programů počítá s
tímto procesorem, byl jeho instrukční soubor i systém adresování zachován i u
novějších procesorů v rámci tzv. reálného režimu činnosti procesoru (viz. dále).
Procesor 8088 vznikl úpravou 8086 pro práci v 8bitovém prostředí. V době vzniku
procesoru 8086 ještě totiž nebylo k dispozici dostatečné množství 16bitových
komponent počítače, proto se ukázalo jako výhodné provést tento ústupek, aby byla
usnadněna výroba počítačů PC XT do doby dostatečného rozvoje 16 bitových komponent. Procesory 8086 a 8088 mohly využívat matematický koprocesor 8087 a
vstupní/výstupní koprocesor 8089.
Nástupcem 8086 měl být nepříliš povedený procesor 80186. Nepřinesl žádná podstatná zlepšení, vyráběl se po poměrně krátkou dobu a v našem výkladu jej přeskočíme.
Podstatnou změnou byl procesor 80286, vyráběný od roku 1982. U tohoto
procesoru se poprvé objevuje v plném měřítku tzv. skalární architektura, umožňující
pipelining. Podrobněji tuto problematiku vysvětlíme v příslušném odstavci, v této části
stačí říci, že jde o zpracování instrukcí „jako na běžícím pásu“, tedy procesor je
rozdělen na jednotlivé více méně samostatné jednotky, které si mezi sebou předávají
práci. Současně je rozpracováno několik instrukcí. Jestliže jedna instrukce se provádí,
následující se již dekóduje, další načítá a pro ještě další se určuje adresa. Zpracovávání
instrukcí tak probíhá mnohem rychleji, než u předchozích typů procesorů. Procesor
80286 měl 16-bitovou datovou sběrnici a 24-bitovou adresovou sběrnici. Jeho taktovací
frekvence mohla dosáhnout až 25 MHz. Stal se základem nové řady počítačů,
označovaných jako PC AT, později, pro upřesnění, PC AT/286.
U 80286 se také poprvé objevují dva pracovní režimy - reálný, ve kterém se
procesor chová jako rychlý procesor 8086, a chráněný, ve kterém procesor plně využívá
všechny své možnosti. Nevýhodou bylo, že zatímco přepnutí z reálného režimu do
chráněného se provádělo nastavením jednoho z řídicích příznaků, přepnutí zpět bylo
možné jen restartováním procesoru signálem RESET. Další slabinou byly problémy při
zpracovávání instrukcí skoku. Instrukce pro zpracovávání byly vybírány z paměti v
pořadí adres míst v paměti. Pokud se vyskytla instrukce skoku, zjistila se až v konečné
fázi, tedy při výkonu instrukce. V té době bylo již rozpracováno několik nesprávně
načtených instrukcí, uložených na adresách za touto instrukcí skoku. Bylo nutno nově
načítat instrukce z cílového místa skoku, čímž se činnost procesoru podstatně zpomalila.
Tyto problémy byly odstraněny u následujícího typu, procesoru 80386. Tento
procesor, vyráběný od roku 1985, byl dodáván ve dvou verzích, označovaných 80386SX a 80386-DX. Obě verze uvnitř pracovaly jako 32-bitové, SX však navenek pracoval
jako 16-bitový procesor, DX byla i navenek 32-bitová verze. Toto rozlišení vzniklo
vzhledem k tomu, že v době vzniku procesoru 80386 nebyly dosud v dostatečném
množství k dispozici 32-bitové komponenty počítačů (jde tedy o podobný vztah, jako
mezi 8086 a 8088).
V dalším se budeme zabývat vlastnostmi procesoru 80386-DX. Měl 32-bitovou
datovou sběrnici i 32-bitovou adresovou sběrnici. Jeho pracovní frekvence mohla být až
40MHz. Uměl provádět tzv. předvýběr skoků a při načítaní instrukcí ke zpracování již
tuto instrukci respektoval. Určité problémy vznikaly u podmíněných instrukcí skoku procesor je při předvýběru nerozeznával od nepodmíněných a vždy vycházel z
předpokladu, že se skok provede. Další významnou změnou byla možnost přepínat
režimy činnosti pomocí řídicích příznaků oběma směry - nejen z reálného režimu do
chráněného, ale i zpět. V chráněném režimu existuje speciální podrežim, tzv. „režim
virtuální 8086“. V tomto režimu může procesor zpracovávat programy jak pro reálný,
tak i pro chráněný režim (bez neustálého přepínání z jednoho režimu do druhého - nutné
24
2
při zpracovávání více úloh současně (multitasking - viz. dále). Zavedením adresování s
možností tzv. stránkování bylo dosaženo možnosti adresovat prakticky libovolnou
paměť (až 64 TB). Tento způsob adresování byl tak úspěšný, že jej nebylo třeba měnit
ani u následujících typů procesorů (80486 a Pentium).
Procesor 80386-DX byl již tak rychlý, že tradiční dynamická paměť RAM začala
zdržovat činnost počítače s tímto procesorem. Aby bylo možno plně využívat rychlost
tohoto procesoru, bylo třeba radikálně zrychlit činnost paměti. Vzhledem k tomu, že
použití pamětí S-RAM příslušné velikosti by bylo ekonomicky neúnosné (výsledný
počítač by byl příliš drahý a nikdo by si ho nekoupil), bylo třeba najít takové uspořádání,
které by i s malou pamětí S-RAM dosáhlo požadovaných výsledků. Jde o zavedení
paměti CACHE.
Paměť CACHE je malá statická paměť RAM, vřazená mezi procesor a velkou
hlavní operační paměť typu D-RAM. Tato velká paměť je rozdělena na jednotlivé úseky
o takové velikosti, aby se do paměti CACHE vešly vždy alespoň tři tyto úseky. Při
činnosti počítače jsou potom úseky mezi pamětí CACHE a pamětí D-RAM přesouvány
tak, aby v paměti CACHE byl vždy úsek paměti, se kterým procesor právě pracuje, úsek
předcházející a následující.
1
2
3
4
5
...
CACHE (např 256 kB)
1 (4)
mikroprocesor
DRAM 8 MB
2 (5)
3 (6)
Princip paměti CACHE
Jestliže na počátku jsou v paměti CACHE úseky 1, 2 a 3, začne procesor nejprve
zpracovávat úsek 1. Po skončení práce přejde na úsek 2. Při přechodu na úsek 3 se úsek
1 uloží zpět do paměti D-RAM a na jeho místo se do paměti přesune úsek 4 atd.
Nedochází-li tedy v programu k příliš velkým skokům, je velmi vysoká
pravděpodobnost, že procesor najde informace, které potřebuje, v rychlé paměti
CACHE typu S-RAM a nemusí čekat na čtení z pomalé paměti D-RAM. Účinnost
paměti CACHE závisí mimo jiné na její velikosti - běžně se používá 128 kB, 256 kB a
512 kB. S rostoucí pamětí CACHE samozřejmě roste i cena počítače, je tedy třeba
25
26
vybrat při koupi počítače rozumný kompromis mezi technickými požadavky a
ekonomickými možnostmi.
Procesor 80386 byl doprovázen matematickým koprocesorem 80387, uměl však
spolupracovat i se starším koprocesorem 80287. Přítomnost koprocesoru a jeho typ se
signalizoval pomocí řídicích příznaků.
Po mikroprocesoru 80386 následoval v roce 1989 typ 80486. U něj již
nedocházelo k dalším změnám struktury. Hlavní rozdíl spočíval v doplnění procesoru
pamětí CACHE o velikosti 4 kB, umístěnou přímo na chipu a označovanou jako interní
paměť CACHE (na rozdíl od externí paměti CACHE, připojované stejně jako u
předchozího typu procesoru), a o matematický koprocesor (u 80486DX), který je rovněž
umístěn na chipu.
Vzhledem k rozlišení paměti CACHE na externí a interní dochází oproti 80386 k
určitým změnám příznaků - je možno volit, zda bude či nebude používána interní paměť
CACHE, zda tato paměť bude používána pro ukládání mezivýsledků bez současného
přepisu do externí paměti CACHE a do operační paměti atd.
Zdokonalování technologie výroby integrovaných obvodů vedlo ke zrychlení
vnitřní činnosti procesoru. Objevily se typy označované 80486 DX2 (-DX4 atd.), vnitřně
pracující s dvojnásobnou (či vícenásobnou) frekvencí, než na jaké pracují zbývající části
počítače. Výkonnost těchto procesorů je tak vysoká, že ze srovnávacích zkoušek
vycházely jako lepší než následující typ Pentium 75 MHz.
Procesorem 80486 končí řada procesorů 80x86. Nový procesor, prodávaný od
roku 1993 pod označením Pentium, přichází se zásadními změnami ve struktuře i v
principech činnosti. Současně se objevuje několik procesorů jiných firem, než Intel,
které se na tuto řadu snaží navázat odlišným způsobem. Jde např. o procesor firmy
NexGen Nx 586, nebo PowerPC, vyráběný ve spolupráci firmami Motorola, Apple a
IBM.
Hlavním rozdílem u Pentia oproti předchozím typům je přechod od koncepce
CISC, jejíž rozvojové možnosti se koncem osmdesátých let pravděpodobně vyčerpaly,
ke koncepci RISC. Aby byla zaručena slučitelnost s programy pro procesory CISC,
obsahuje procesor překládací paměť ROM, která umožňuje přeložit složitější instrukci
CISC na řadu jednodušších instrukcí RISC. Do jisté míry se tím zpomaluje činnost
procesoru, proto skutečně špičkových výkonů dosahuje procesor s programy, které byly
napsány přímo pro něj a které obsahují minimum komplexních instrukcí.
Dalším významným rysem je 64 bitová datová sběrnice. Adresová sběrnice
zůstává 32-bitová a způsob adresování se oproti předchozím typům 80386 a 80486
nemění. Součástí procesoru jsou dvě interní paměti CACHE o kapacitě 2 x 8 kB
(postupně se zvětšuje - u Pentia 200 MHz dosahuje až 128 kB). Jedna slouží jako instrukční paměť, druhá jako datová. Objevuje se zde tzv. superskalární architektura,
umožňující zpracovávání instrukcí formou dual pipeline. To znamená, že určité typy
jednoduchých instrukcí mohou být zpracovávány v každém kroku dvě současně
(představme si toto zpracování jako činnost dvou výrobních pásů vedle sebe).
Procesoru Pentium může pracovat buď jako tzv. Master, kdy provádí všechny výpočty a odesílá výsledky po sběrnicích, nebo, v případě zdvojení procesorů, také jako
Checker, který kontroluje své výsledky s hodnotami, které posílá na sběrnice Master a v
případě rozdílných výsledků signalizuje chybu. Umožňuje tak průběžné provádění
kontroly správnosti činnosti - každá instrukce je současně zpracovávána oběma
procesory a výsledek musí být totožný.
Matematický koprocesor umožňuje provádět výpočty s až 80 bitovými čísly. U
prvních procesorů Pentium byl tento koprocesor zdrojem některých chyb, které byly u
pozdějších sérií odstraněny.
26
2
První procesory Pentium dosahovaly taktovací frekvence 60 MHz, později
nastoupily procesory s frekvencí 75 MHz. Srovnávací testy ukázaly, že jejich výkonnost
neodpovídala ceně a že lacinější procesory 486DX2 a DX4 dosahovaly lepších
výsledků. Teprve Pentia s pracovní frekvencí nad 100 MHz přinášejí radikální zlepšení.
V současné době dosahují procesory Pentium pracovních frekvencí kolem 200 MHz
(leden 1997).
Nástupcem procesoru Pentium je od roku 1995 procesor PentiumPro. Jde již o
procesor čistě koncepce RISC. Superskalární architektura je dále rozvinuta tak, že je
možno v každém kroku zpracovávat až čtyři instrukce současně. V pouzdře procesoru
jsou dva čipy - na jednom je vlastní procesor a malá primární interní paměť CACHE a
na druhém je sekundární interní paměť CACHE o kapacitě 256 nebo 512 kB (u
špičkových procesorů se již dodává i varianta s kapacitou 1MB). Datová sběrnice nadále
zůstává 64 bitová, adresová je rozšířena na 36 bitů.
Důležitým novým rysem je i změna napětí, se kterými procesor pracuje. Rozdíl
mezi rovní 0 a 1 se zmenšuje na 1,5V, napájecí napětí klesá z 5 na 2,8V. Současně se
výrobce snaží snížit ztrátový výkon procesoru pod 20W a zabránit tak jeho nadměrnému
zahřívání (Potřeba účinného chlazení byla pro procesory Pentium typická). To vyžaduje
vývoj nových komponentů počítače, především nový řadič sběrnic a řadič pamětí RAM.
Rychlost procesoru může být až 300 milionů instrukcí za sekundu, pracovní frekvence
kolem 200 MHz (leden 1997). Problémem zatím je relativně vyšší cena.
V roce 1997 se začínají objevovat procesory Pentium/MMX a
PentiumPro/MMX. MMX označuje doplnění procesorů obvody pro zdokonalení práce
s multimediálními aplikacemi, spojujícími obraz, zvuk a text do jednoho komplexního
celku.
Ve vývoji je již další generace procesorů, pracovně označovaná P7 (Pentium bylo
vyvíjeno pod označením P5 a PentiumPro pod označením P6). Podrobnosti o nich
nebyly zatím publikovány.
4.3 Procesory ostatních firem
Velké množství výrobců procesorů je možno rozdělit na dvě skupiny - první,
větší skupinu, tvoří výrobci tzv. klonů, to znamená procesorů, které v podstatě
odpovídají výrobkům firmy Intel a liší se od nich především nižší cenou. V některých
případech přinášejí i dílčí zdokonalení oproti originálům - to platí především pro
procesory firmy NextGen a AMD.
Podstatně zajímavější je druhá skupina výrobců, kteří jdou od počátku vlastní
cestou. Mezi nimi dominují firmy Motorola, DEC a IBM.
Firma Motorola dodává procesory pod označením 680x0. Jde o určitou obdobu
řady procesorů Intel 80x86. Všechny tyto procesory vpodstatě vycházejí z koncepce
RISC a ze sběrnicové orientace. Výsledkem je u nich velmi dobrá práce s grafickými
programy - v této oblasti procesory Intel jejich náskok dodnes zcela nedohonily.
První z procesorů této řady, 68000, se vyráběl od roku 1979. I když byl vnitřně 32bitový, navenek komunikoval pomocí 16-bitové sběrnice. Adresy mohly být 24-bitové.
Jako varianta se vyráběl procesor 68008, umožňující komunikaci s 8-bitovým okolím.
Procesor 68010 přinesl rozšíření instrukčního souboru a určité změny ve
zpracovávání vnitřních přerušení. Objevují se u něj paměti CACHE, pracovní frekvence
dosahuje až 16 Mhz.
Procesor 68020 je již plně 32-bitový mikroprocesor s pracovní frekvencí 16 až 25
Mhz. Adresová i datová sběrnice jsou 32-bitové. Vyráběl se k němu matematický
27
28
koprocesor 68881(2). Kombinace tohoto procesoru s koprocesorem byla natolik
výkonná, že tvořila základ navigačního systému raket Pershing.
Další typy, 68030 a 68040, jsou sice ještě programově kompatibilní s předchozími
členy řady, jejich vnitřní struktůra je však značně odlišná. Objevují se u nich velké
vnitřní paměti CACHE, několikanásobné vnitřní sběrnice a širokou škálu vnitřních
registrů.
Zatím posledním produktem firmy Motorola, vyráběným ve spolupráci s firmami
IBM a Apple Macintosh, je procesor PowerPC. Jde o velmi univerzální procesor,
umožňující práci jak s komponenty počítačů řady IBM PC, tak i Apple Macintosh. Tím
je i vyřešen jeden z problémů počítačů firmy Apple Macintosh - nedostatek vhodných
programů. Na počítačích s PowerPC je možno provozovat jak programy pro IBM PC (a
to je většina programů, které jsou dnes na trhu), tak i pro Apple Macintosh.
Firma DEC (Digital Electronic Corporation) vyrábí procesory pod označením
Alpha. Tyto procesory se rovněž jednoznačně orientují na koncepci RISC. Jsou plně
64-bitové, vyrábějí se od roku 1992. Jejich architektura je založena na instrukcích o
konstantní šířce 32 bitů, oddělení registrů pro celočíselné proměné a pro čísla s
desetinnou čárkou a adresování prostřednictvím 64 bitové virtuální adresy. Specifikou
procesorů Alpha je PALcode (Privileg Architecture Library - privilegovaná
knihovna v rámci architektury). Jde o knihovnu programů pro obsluhu přerušení,
přepínání úloh atd. Tyto programy probíhají nezávisle na operačním systému, operace
probíhají přímo na úrovni hardwaru. Probíhají-li v režimu se zákazem přerušení, může
být celá posloupnost instrukcí prováděna jako jediná atomizovaná operace. Procesor
pracuje v režimu dual-pipeline (jako podstatně pozdější Pentium) a má možnost měnit
šířku a rychlost datové sběrnice dle potřeby (DB 64 až 128 bitů při 7.5 až 18.75 MHz).
Procesor obsahuje 8kB instrukční CACHE a 8 kB datovou CACHE. Jeho součástí jsou i
řídicí obvody pro externí paměť CACHE. Procesory se dodávají ve variantách 21064,
21066 a 21068 s pracovní frekvencí 33 až 275 MHz. Vzhledem ke své vysoké
výkonnost a poměrně vysoké ceně se uplatňují především u serverů, dodávaných firmou
DEC.
Posledním z významných výrobců procesorů je firma IBM, dodávající procesory
RS1000 a RS2000. Jde opět o procesory RISC. Určitým problémem u firmy IBM je
rozsáhlost její produkce, takže oddělení, produkující tyto procesory si zároveň
konkuruje s oddělením, spolupracujícím na vývoji PowerPC. Celkově však procesory
RS nepřesahují parametry popsaných procesorů Alpha a PowerPC.
28
2
5 Popis struktury jednotlivých typů mikroprocesorů
Popis struktury jednotlivých typů mikroprocesorů musíme začít procesorem 8080.
Není tomu tak z nějaké piety či vzpomínky na dávno překonaný procesor, ale proto, že
je relativně jednoduchý a je na něm možno poměrně snadno ukázat základní části
procesorů. Dále si popíšeme procesor 8086, protože všechny následující typy procesorů
až po Pentium umožňují práci v tzv. reálném režimu, kdy se procesor chová prakticky
stejně jako patřičně zrychlený procesor 8086. Procesor 80386 bude dalším významným
procesorem, který budeme muset podrobněji popsat. Jeho způsoby adresování paměti
jsou dále používány u všech dalších typů procesorů, stejně jako způsob přepínání z
úlohy do úlohy atd. V závěru si podrobněji popíšeme procesory Pentium a PentiumPro,
které tvoří současnou součástkovou základnu firmy Intel.
5.1 Intel 8080A
Tento procesor byl vyráběn firmou Intel od roku 1975. Šlo o osmibitový
mikroprocesor s 8 bitovou datovou sběrnicí a 16 bitovou adresovou sběrnicí (mohl tedy
pracovat s operační pamětí o velikosti 64 kB). Jeho klon byl od počátku 80. let vyráběn i
u nás a tvořil základ počítačů IQ-151, používaných v té době ve školách. Dodnes se tyto
procesory používají v obvodech pro číslicovou regulaci např. u některých průmyslových
provozů.
Na schématu je možno dobře ukázat základní části mikroprocesoru - aritmetickologickou jednotku ALU, řadič C a pole pomocných registrů. Všechny části procesoru
jsou mezi sebou propojeny 8-bitovou vnitřní datovou sběrnicí. Vstup a výstup mezi
vnitřní a vnější sběrnicí probíhá přes oddělovací datový registr (data se nejprve zapíší do
registru a odsud se předávají na sběrnici). Výstup adres na adresovou sběrnici je z
některého z adresových registrů přes zesilovač adres, který zaručuje udržení potřebných
napěťových úrovní na adresové sběrnici.
ALU se skládá ze střadače A, pomocného střadače ACT, pomocného registru
TMP, registru příznaků F, obvodu decimální korekce DAA a operačního bloku OB.
Operační blok pracuje s 8-bitovými čísly. Z aritmetických operací ovládá pouze
sčítání a odčítání. Násobení a dělení muselo být prováděno postupným sčítáním nebo
odečítáním. Logické operace zahrnovaly logický součet, logický součin, negaci a
exkluzívní logický součet (výsledek 1 pouze tehdy, je-li jedna vstupní hodnota 1 a druhá
0 - jsou-li oba vstupy 0, nebo oba vstupy 1, je výsledek 0). Procesor dále uměl
porovnávat dvě čísla - porovnávání se provádělo odečtením obou čísel, přičemž se
výsledek neukládal, pouze se podle něj nastavily stavové příznaky, ze kterých se
zjišťoval výsledek porovnání (Příklad: Porovnáme-li dvě stejná čísla, je výsledkem
jejich odečtení 0. Tento výsledek se signalizuje nastavením stavového příznaku ZERO
na 1. Je-li tedy po operaci porovnání příznak ZERO nastaven na 1, byla obě čísla
stejně velká). Rotace a posuvy byly možné pouze o jedno místo vpravo nebo vlevo.
Zapojení střadače A a pomocného střadače ACT umožňovalo uložit a ve dvou
krocích zpracovat 16-bitová čísla (např. při výpočtech s adresami). Pokud potřeboval
operační blok dvě čísla zároveň, vstupovalo druhé číslo přes pomocný registr TMP.
Střadač A sloužil též pro ukládání některých výsledků operací.
Schema mikroprocesoru Intel 8080A
29
A.C.T
A
T.M.P
Č.Ř.O
DAA
O.B.
F
D.I.
R.I.
PC
SP
Z
C
E
L
Zesilovač adresy
Inkrementor/Dekrementor
W
B
D
H
MX
Vnitřní sběrnice procesoru
AB (16 bitů)
Vstupní buffer
DB (8 bitů)
30
Pole pomocných registrů
RESET
φ
2
φ
1
SYNC
WAIT
READY
HLDA
HOLD
INTE
INT
DBIN
WR
30
3
Obvod dekadické korekce DAA prováděl převod čísel z binárního kódu do kódu
BCD (např. před výstupem výsledků výpočtu na výstupní zařízení). Příliš se neosvědčil
a u dalších typů procesorů byl nahrazen softwarově (programem pro přepočet z jednoho
kódu do druhého).
Registr příznaků obsahoval pouze stavové příznaky. Objevují se zde příznaky,
které se dále opakují i u dalších typů procesorů:
ZF - příznak ZERO. Nabývá hodnoty 1, pokud výsledek operace byl 0. Při nenulovém výsledku má hodnotu 0.
CF - příznak přetečení. Nabývá hodnoty 1, pokud byl výsledek operace větší než
8bitové číslo. Vzhledem k tomu, že procesor provádí pouze operace sčítání
a odčítání, nemůže být přetečení větší než o jeden řád.
SF - příznak znaménka. Nabývá hodnoty 1, pokud je výsledkem operace záporné
číslo. Pro kladná čísla a pro nulu má hodnotu 0.
PF - příznak parity. Tento příznak se používá pro zabezpečení dat při ukládání do
paměti, při čtení s pamětí, nebo při komunikaci se vstupním a výstupním
zařízením. U procesorů Intel se používá tzv. sudá parita, to znamená, že
obsahuje-li číslo sudý počet 1, je hodnota PF=1, obsahuje-li lichý počet, je
PF=0. Při ukládání do paměti se vždy s číslem ukládá i hodnota paritního
bitu (neukládá se tedy 8 bitů, ale 9). Po přečtení čísla se zkontroluje,
odpovídá-li hodnota paritního bitu počtu přečtených 1. Pokud tomu tak není,
došlo k chybě, která musí být signalizována a počítač nemůže dále pracovat.
Každého napadne, že tímto způsobem je možno zjistit jednu chybu (nebo,
přesněji řečeno, lichý počet chyb) v čísle. Dojde-li k sudému počtu chyb, nic
se nezjistí. Pravděpodobnost chyby je však tak malá, že výskyt dvou chyb v
jednom čísle je možno považovat za prakticky vyloučený.
Příklad:
Ukládání
11001100
PF=1
Přečtení
a) 10001100 PF=1
chyba!!
b) 10101100 PF=1
chyba,
ale
není
signalizována!!
AF = příznak pomocný přenos. Nabývá hodnoty 1 při přenosu ze spodních 4 bitů
čísla do horních 4 bitů čísla.
Příklad:
0000 1111
+
0000 0001
0001 0000
AF=1
31
32
Používá se především při převodech binárních čísel do kódu BCD. Zůstává
zachován i u vícebitových procesorů (16-bitových, 32-bitových atd.). U nich
jde o přenos mezi spodními a horními čtyřmi bity posledního bytu.
5.1.1 Řadič
Řadič se skládá z registru instrukce R.I., dekodéru instrukce D.I., časovacích
a řídicích obvodů ČŘO a dvou 16-bitových adresových registrů, čítače instrukcí
PC a ukazatele zásobníkové paměti SP, doplněných o inkrementor/dekrementor
I/D (inkrementace - zvětšení hodnoty čísla v registru o 1, dekrementace snížení hodnoty čísla v registru o 1).
Čítač instrukcí plní úlohu, kterou jsme si popsali u obecného řadiče pro
registr adresy instrukce. Obsahuje tedy vždy adresu instrukce, která bude
prováděna v daném instrukčním cyklu. Hodnota v tomto registru se mění buď
zápisem nové adresy instrukce (např. u instrukcí skoku), nebo postupným
zvyšováním hodnoty pomocí inkrementoru (u běžných, za sebou následujících
instrukcí). Registr je 16 bitový, takže obsahuje celou adresu instrukce, nemusí se
(na rozdíl od pozdějších procesorů) provádět žádné výpočty. Celá paměť je
procesoru kdykoliv přístupná, ochrana určitých oblastí, vyhražených např. pro
systémové proměnné (bude vysvětleno později), je poměrně obtížná. Operační
systém (= soustava programů, řídících komunikaci mezi jednotlivými částmi
počítače, organizujících ukládání informací do vnitřní nebo vnější paměti, řídících
vstup a výstup dat atd.) je u počítačů s těmito procesory obvykle velmi jednoduchý a býval často uložen v paměti ROM.
Ukazatel zásobníkové paměti je druhý 16 bitový adresový registr procesoru
8080A. Zásobníková paměť je úsek paměti RAM, využívaný poněkud speciálním
způsobem. Zásobníková se tato paměť nazývá proto, že je postupně zaplňována
informacemi, ukládanými jedna před druhou s tím, že čtení informací probíhá v
obráceném pořadí, než jak byly ukládány, tedy naposled uložená informace se čte
jako první (označení LIFO - last in first out). Konstruktérům to připomínalo
zásobník u samopalu, ze kterého je také naposled vložený náboj vystřelován jako
první. Zásobníková paměť se používá i u všech následujících typů procesorů
(např. pro ukládání informací nutných pro návrat do původního programu při
přerušení - viz. dále), proto si její činnost popíšeme podrobněji.
V registru SP (Stack Pointer) je uložena adresa tzv. dna zásobníku (stack
bottom). Při ukládání se vždy ukládají dva byty na adresy SP-1 a SP-2. Nová
hodnota v SP po prvním uložení bude adresa SP-2. Tento postup se opakuje při
každém ukládání do zásobníkové paměti (Postup při zápisu - zmenšit SP o 1, na
tuto adresu uložit první byte, zmenšit SP o 1 a na tuto adresu uložit druhý byte).
Při čtení se opět vždy přečtou dva byty z adres SP a SP+1. Nová hodnota v
registru SP po čtení bude SP+2 (Postup čtení - přečíst první byte, zvětšit SP o 1,
přečíst druhý byte, zvětšit SP o 1.).
Změny hodnot SP jsou, jak je pravděpodobně zřejmé, prováděny pomocí inkrementoru/dekrementoru.
32
3
zápis
čtení
SP-2
SP-1
SP
2. byte
SP
1. byte
SP+1
Dno zásobníku
SP+2
Obr. Princip činnosti zásobníkové paměti
Registr instrukce je 8-bitový. Po přečtení z paměti se do něj ukládá
vykonávaná instrukce. Dekodér instrukce je poměrně jednoduchý, procesor 8080A
pracoval s instrukčním souborem o 256 instrukcích. Časovací a řídicí obvody plní
jednak úlohy generátoru řídicích impulzů, popsaného v kapitole o obecném řadiči,
jednak vyhodnocují nejrůznější vnější řídicí signály, přepínají procesor do
požadovaných stavů atd. Vzhledem k tomu, že se podobné signály vyskytují i u
následujících procesorů, popišme se je zde podrobněji
WR signál oznamující výstup platných dat na datovou sběrnici (pruh nad
označením znamená, že v klidovém stavu je na tomto vývodu napětí
odpovídající logické 1, v aktivním 0).
DBIN signál přepínající směr přenosu dat po datové sběrnici. Je-li na něm
úroveň 0, přenášejí se data z procesoru na sběrnici (OUT). Je-li na
něm úroveň 1, přenášejí se data ze sběrnice do procesoru (IN).
INTE přijetí nebo odmítnutí žádosti o přerušení
INT žádost o přerušení
Přerušení je proces, umožňující procesoru řešit situace, kdy v době
práce na jednom programu přijde od některého vnějšího zařízení požadavek na provedení jiného programu (např. obslužného programu
33
34
příslušného zařízení). Aby bylo možno takové situace řešit, musí mít
každý program přiřazenu určitou prioritu (důležitost). Pracuje-li
procesor na programu s určitou prioritou a přijde požadavek na
přerušení (signál na vstup INT), dokončí vždy procesor nejprve tu
instrukci, kterou právě provádí. Potom porovná prioritu prováděného
programu s prioritou žadatele o přerušení. Je-li priorita prováděného
programu vyšší, procesor žádost odmítne (INTE = 0) a pokračuje v
práci na původním programu. Nový program spustí teprve po
skončení stávajícího. Je-li však priorita žadatele vyšší, uloží procesor
do zásobníkové paměti adresu instrukce, u které v původním
programu skončil, spolu s obsahem všech pomocných registrů, přijme
žádost o přerušení (INTE = 1) a spustí nový program. Po jeho
skončení načte ze zásobníkové paměti vše potřebné a pokračuje v
práci na původním programu.
HLDA splnění příkazu k zastavení
HOLD příkaz k zastavení
Zastavení procesoru je stav, ve kterém se procesor elektricky odpojí
od vnějších sběrnic. Používá se především při přímém přístupu do paměti (DMA). Při běžné komunikaci mezi vstupními a výstupními zařízeními a pamětí se totiž jednotlivé byty vždy nejprve uloží do střadače
A a odsud se odešlou na místo určení. Při přenosech většího množství
dat je tento způsob pomalý. Příslušné periferní zařízení potom vyšle
příkaz HOLD a po potvrzení odpojení mikroprocesoru signálem
HLDA převezme řízení vnějších sběrnic a provede komunikaci s pamětí přímo, bez vměšování mikroprocesoru. Po jejím skončení se procesor ze stavu zastavení dostane pomocí žádosti o přerušení (tu může
vyslat zařízení, které původně iniciovalo příkaz k zastavení a signalizuje tak, že již dále nepotřebuje DMA).
WAIT signalizace, že procesor je ve stavu čekání.
READY signál, že na datové sběrnici jsou data, která procesor potřebuje.
Čekání je stav, ve kterém se procesor nalézá, pokud pro svou práci
potřebuje data z některého vstupního zařízení (např. z klávesnice). Do
tohoto stavu se dostane automaticky např. po instrukci pro čtení ze
vstupního zařízení. Mikroprocesor nic neprovádí a čeká na signál
READY, který mu signalizuje, že potřebná data jsou na datové sběrnici a že si je může převzít. (Ve stavu čekání je procesor např. po rozběhu počítače, kdy počítač nic neprovádí a na monitoru bliká kurzor.
Po zadání příkazu a jeho odeslání klávesou ENTER se vytvoří signál
READY, procesor příkaz převezme a začne vykonávat...).
SYNC je synchronizační signál, oznamující ostatním částem mikropočítače
začátek pracovního cyklu a výstup tzv. stavového slova procesoru.
Synchronizace je nutná vzhledem k tomu, že mikroprocesor musí
prakticky každou instrukci provádět ve spolupráci s dalšími obvody (s
pamětí, vstupními a výstupními obvody atd.). Provedení každé instrukce se skládá ze dvou či více kroků, tzv. pracovních (nebo strojových) cyklů. V prvním cyklu dochází k vyhledání a k načtení instrukce
34
3
do registru instrukce a k dekódování instrukce, ve druhém a případně
v dalších cyklech k jejímu provedení a k nastavení adresy následující
instrukce. Na počátku každého pracovního cyklu musí mikroprocesor
jednak upozornit okolí, že začíná nový pracovní cyklus (k tomu slouží
právě signál SYNC), a jednak oznámit, co mají v daném cyklu dělat
další obvody mikropočítače (tedy, např. má-li být paměť v režimu zápis, nebo v režimu čtení atd.). To provádí vysláním binárního čísla na
datovou sběrnici - toto číslo se označuje jako stavové slovo
procesoru.
f1, f2 časovací signály, jejichž smysl byl vysvětlen v odstavci o časování
mikroprocesorů
RESET signál pro restartování procesoru.
5.1.2 Pole pomocných registrů
Mikroprocesor 8080A představoval typický registrově orientovaný
mikroprocesor, byl tedy doplněn polem pomocných registrů W, Z, B, C, D, E, H,
L. Jsou to 8 bitové registry, složené z klopných obvodů. Pro práci s 16 bitovými
čísly, např. s adresami, mohou být spojovány do registrových párů BC, DE a HL,
se kterými je potom možno pracovat jako s 16 bitovými registry.
Registry W a Z jsou tzv. interní registry procesoru. Procesor s nimi pracuje
podle své potřeby, ukládá si do nich informace při výkonu instrukcí, ale uživateli
nejsou přístupné. Příkladem jejich použití může být činnost při výměně hodnot
mezi dvěma registry, např. mezi D a E (viz. obr.)
1)
D
2)
3
D
3
5
5
E
W
5
E
3
3)
D
W
5
3
3
E
Obr. Výměna hodnot mezi dvěma registry
Registry B, C, D a E mohou být používány vcelku libovolně podle potřeb
uživatele při tvorbě programu. Jsou to běžně přístupné pomocné registry.
Registry H a L většinou nevystupují samostatně, ale jako 16 bitový
dvouregistr HL jsou používány pro adresování. (Procesor 8080A má jednoduché
registrové adresování, to znamená, že adresa požadovaného místa v paměti je
uložena v některém z registrů, odkud se v nezměněné podobě odesílá na
adresovou sběrnici. Jako adresový registr se běžně používá PC, SP a HL.)
5.1.3 Skupina mikroprocesoru.
Mikroprocesor 8080A byl ještě poměrně jednoduchý mikroprocesor, který
pro svou činnost potřeboval několik dalších podpůrných obvodů. Celek, tvořený
mikroprocesorem a jeho podpůrnými obvody se nazýval skupina
mikroprocesoru. Minimální skupina mikroprocesoru je potom minimální
provozuschopná kombinace mikroprocesoru a podpůrných obvodů. U procesoru
35
36
8080A je tato minimální skupina mikroprocesoru tvořena kromě mikroprocesoru
ještě generátorem hodin, dodávaným pod označením 8224, a budičem řídicí a
datové sběrnice, označovaným 8228.
0V
+6 V
-5 V
+12 V
adresová sběrnice (16 bitů)
mikroprocesor
8080A
HOLD
INT
INTE
XTAL
WR
RESIN
WAIT
READY
RESET
SYNC
BUDIČ
SBĚRNICE
8228
STSTB
BUSEN
datová sběrnice (8 bitů)
8224
φ2
řídicí sběrnice (5 bitů)
GENERÁTOR
READYIN HODIN
datová sběrnice (8 bitů)
φ1
DBIN
HLDA
Obr. Minimální skupina mikroprocesoru
Generátor hodin 8224 plní tři základní úlohy:
1) Generuje časovací signály f1 a f2 pro mikroprocesor. Základní frekvence
je dána krystalickým oscilátorem XTAL, který vytváří sinusové napětí o
pevné, neměnné frekvenci. Od tohoto napětí potom obvod odvozuje
obdélníkové signály f1 a f2 o potřebné frekvenci, tvaru a velikosti.
2) Synchronizuje vstupní signály RDYIN a RESIN s časovacími impulzy a
přetváří je na signály READY a RESET. Vzhledem k tomu, že činnost
procesoru probíhá v taktech, jak bylo vysvětleno v odstavci o časování,
mohou tyto signály vstoupit do procesoru pouze v okamžiku časovacího
impulzu. Stisknutí např. tlačítka RESET na počítači generuje signál
36
3
taktovací impulzy
RESIN. Generátor hodin tento signál přijme a pošle jej do procesoru až s
následujícím časovacím impulzem.
RESIN
t
RESET
t
t
Obr. Přeměna RESIN na RESET
3) Zpracuje signál SYNC z mikroprocesoru a přetváří jej na signál STSSTB,
který slouží pro synchronizaci dalších částí mikropočítače s
mikroprocesorem (potřebu synchronizace jsme vysvětlili v odstavci o
signálu SYNC).
Generátor hodin, plnící výše popsané funkce, je součástí všech
mikropočítačů, i těch s novými typy procesorů. V současnosti nejde o samostatný
obvod, ale je součástí integrovaného obvodu řídícího základní desku počítače.
Krystalický oscilátor je možno nalézt na této desce počítače, obvykle jde o
součástku v kovovém pouzdře, na kterém je uvedena výstupní frekvence
oscilátoru v MHz.
Budič řídící a datové sběrnice 8228 plní tyto dvě úlohy:
1) Přebírá a vyhodnocuje stavové slovo procesoru a generuje podle něj
signály pro řídicí sběrnici, kterými nastavuje činnost dalších obvodů
mikropočítače v daném pracovním cyklu.
2) Podle signálu DBIN a dalších řídicích signálů řídí směr přenosu
informací po datové sběrnici. Jsou tři možné stavy přenosu - přenos dat z
procesoru na sběrnici, ze sběrnice do procesoru, nebo zablokování
přenosu a faktické odpojení procesoru od datové sběrnice.
37
38
U novějších typů procesorů, počínaje 8086, jsou tyto funkce již
naintegrovány v mikroprocesoru a mikroprocesor řídí datovou sběrnici a generuje
signály pro řídicí sběrnici sám.
Mikroprocesor 8080A byl zatím nejmasověji vyráběným mikroprocesorem v
historii, vyráběl se dokonce i v Československu v 80. letech. V současnosti se
některé jeho klony stále ještě používají v jednodušších systémech číslicové
regulace, počítače s ním však jsou již historickou kuriozitou.
38
3
5.2 Intel 8086
Nástupcem procesoru 8080A se nestal jen o málo zdokonalený typ 8085,
lišící se pouze zdokonaleným instrukčním souborem, ale až 16 bitový procesor
8086 s 20 bitovou adresovou sběrnicí (umožňující adresovat v té době
neuvěřitelně velkou paměť - 1 MB), vyráběný od roku 1978. Přinesl natolik
zásadní změny, že po určitou dobu musel být dodáván ve verzi 8088, která
představovala určitý ústup zpět k 8 bitovým procesorům - bylo to nutné vzhledem
k tomu, že se v té době ještě nevyráběly další komponenty počítačů, schopné
pracovat s 8086.
Procesor 8086 (nebo 8088) se stal základem ve své době úspěšných počítačů
PC XT. Množství programů, které byly pro tento procesor napsány, si vynutilo
zachování základních rysů 8086 i u dalších procesorů firmy Intel. Byl proto u nich
zaveden tzv. reálný režim činnosti, kdy každý z novějších procesorů pracuje jako
velmi rychlá verze procesoru 8086. Proto se s činností 8086 seznámíme
podrobněji.
5.2.1 Blokové schéma
U procesoru 8086 se poprvé objevují náznaky dalšího vývoje směrem k tzv.
skalární architektuře a k pipeliningu. U předcházejících typů mikroprocesorů
probíhalo zpracování instrukce způsobem popsaným v kapitole o obecném řadiči.
Zpracovávala se vždy jen jedna instrukce v daném instrukčním cyklu. To
znamenalo, že vždy pracovala jen jedna část procesoru a ostatní stály (Např. v
době, kdy dekodér prováděl dekódování instrukce, nepracovala žádná jiná část
procesoru.).
Skalární architektura představuje takové uspořádání procesoru, kdy je
tento procesor rozdělen na jednotlivé funkční jednotky, provádějící víceméně
nezávisle na sobě jednotlivé kroky instrukčního cyklu. Jejich spolupráci si nejlépe
můžeme představit jako práci dělníků na výrobním pásu, kdy každý pracovník
vykonává určitou dílčí operaci a předává výrobek následujícímu. Na páse je v
každém okamžiku tolik rozpracovaných výrobků, kolik je u pásu pracovníků.
Pracovní čas každého z nich je efektivněji využit než kdyby pracovali každý
samostatně. Procesor tak může obdobně rozpracovat několik instrukcí současně např. zatímco jednu instrukci provádí, může následující dekódovat a další třeba
načítat atd.
U procesoru 8086 jde teprve o první kroky v tomto směru. Procesor je
rozdělen na dvě jednotky - jednotku řízení sběrnic BIU a výkonnou jednotku EU.
Jednotka BIU plní tyto úlohy:
1) Vypočítává adresy (způsob výpočtu popíšeme dále)
2) Řídí přenos dat po sběrnicích a generuje signály pro řídicí sběrnici.
3) Vyhledává a načítá instrukce do fronty instrukcí.
Fronta instrukcí je řada propojených registrů, které si předávají
informace jako v reálné frontě (např. v obchodě). Je-li první instrukce
odebrána ze fronty k dalšímu zpracování, posunou se ostatní ve frontě o
jedno místo dopředu a na uvolněné místo na konci fronty je možno načíst
další instrukci.
39
40
Jednotka EU
Jednotka BIU
Datové registry
AX
AH
AL
Segmentové registry
Střadač
CS
Kódový
segment
BX
BH
BL
Báze
CX
CH
CL
Čítač
DS
Datový
segment
DX
DH
DL
Data
SS
Zásobníkový
segment
ES
Extra
segment
IP
Čítač
instrukcí
Ukazatele a
indexové
registry
SP
Ukazatel
zásobníku
BP
Ukazatel
báze
SI
Zdrojový
index
DI
Cílový
index
Sčítačka (20 bitů)
- generování adres
Řízení sběrnic
fronta instrukcí
Operandy
D.I
6
5
A.L.U
4
Č.Ř.O
F
3
2
1
Obr. Blokové schéma 8086
Jednotka EU plní tyto úlohy:
1) Přebírá instrukce z fronty instrukcí
2) Dekóduje instrukce.
3)Provádí instrukce.
Obě jednotky pracují do jisté míry nezávisle jedna na druhé. Jednotka BIU
připravuje instrukce do fronty, jednotka EU je odebírá, dekóduje a provádí.
Procesor za běžných okolností nemusí čekat na přístupy do paměti a na čtení z
paměti, čímž se jeho činnost podstatně zrychluje.
40
4
Jednotka BIU ovšem načítá instrukce do fronty postupně, tak, jak jsou
uloženy v paměti (od nejnižší adresy k nejvyšší). Pokud je v programu instrukce
skoku, zjistí se to až při dekódovaní a provádění instrukce v jednotce EU.
Instrukce, načtené ve frontě, jsou nyní zbytečné, jednotka BIU se musí nastavit na
cílovou adresu skoku a fronta se načítá znovu. Instrukce skoku tedy dost podstatně
zpomalují činnost procesoru.
Adresování se provádí výpočtem, využívá se zde tzv. segmentové adresování. Princip tohoto adresování spočívá v tom, že celá paměť je rozdělena na
jednotlivé úseky, zvané segmenty. Adresu konkrétního místa v paměti potom
vypočteme jako součet adresy počátku příslušného segmentu a tzv. offsetu
(posunu), který říká, kolikáté paměťové místo v příslušném segmentu chceme
adresovat.
Výsledná 20 bitová adresa se skládá ze dvou 16 bitových čísel. První z nich
se bere z některého ze segmentových registrů v jednotce BIU. Přidáním čtyř 0 na
konec tohoto čísla získáme adresu počátku daného segmentu. Druhé představuje
offset, bereme je z některého z indexových registrů a přičteme je k adrese počátku
segmentu. Maximální délka segmentu je tedy 216 = 64kB.
Segmenty se mohou vzájemně překrývat, nejsou nijak chráněny proti
přepisu (ochrana musí být zajišťována programově).
paměť RAM
posun (offset)
=
adresa požadovaného
místa v paměti
adresované místo
Segment (64 kB)
+
počátek segmentu
Posun
(počet paměťových
míst od počátku)
adresa počátku
segmentu
Obr. Princip segmentového adresování
Příklady výpočtu adres:
41
42
a) Adresa instrukce:
CS
0000
+
CS ... segmentový reg. pro kódový segment
IP
IP ... čítač instrukcí
Fyzická adresa instrukce
Pozn.: Segment, obsahující instrukce programu, se označuje jako kódový
segment.
b) Adresa místa v zásobníkové paměti
SS
+
0000
SP
SS ... segmentový registr
zásobníkového
segmentu
SP ... ukazatel zásobníkové paměti
Fyzická adresa místa v zásob. paměti
Pozn.: Segment, obsahující zásobníkovou paměť, se označuje jako zásobníkový segment. Ukazatel zásobníku SP je na počátku nastaven na
maximální hodnotu (FFFF). Při ukládání do zásobníkové paměti se
ukládají opět dva byty, to znamená, že se SP při zápisu zmenšuje o 2
a při čtení zvětšuje o 2.
V jednom zásobníkovém segmentu může být několik zásobníkových
pamětí, je však třeba programově hlídat, aby nedošlo k jejich vzájemnému překrývání.
c) Adresa dat
DS
+
0000
např. SI nebo DI
DS ... segmentový registr datového
segmentu
SI, DI ... indexové registry
Fyzická adresa dat
Pozn.: Segment, obsahující data, se nazývá datový segment. Registry, které
obsahují offset dat, se nazývají indexové registry. V některých případech je možno offset vypočítávat i sečtením dvou indexových registrů.
d) Extra segment - jde o speciální segment, se kterým může uživatel nakládat jak potřebuje. Jeho počáteční adresu získáme přidáním čtyř 0 k
obsahu segmentového registru ES, offset se obvykle opět určuje pomocí indexových registrů.
Výpočet adresy probíhá ve 20 bitové sčítačce v jednotce BIU, adresa se neukládá do žádného registru a je rovnou odesílána na adresovou sběrnici. Kromě
42
4
této sčítačky obsahuje BIU obvody řízení sběrnic, čtyři výše popsané segmentové
registry, čítač instrukcí IP, rovněž popsaný výše, a šestičlennou frontu instrukcí.
Registry v této frontě jsou 8 bitové, jedna instrukce tedy může zabírat i několik
míst ve frontě. Jednotlivé byty jsou předávány do dekodéru v jednotce EU, po
každém předání se obsah zbývajících registrů posune o jedno místo ve frontě
dopředu a na uvolněné místo na konci fronty načte jednotka BIU další byte z
paměti. Jak jsme již dříve uvedli, tento postup dobře pracuje, pokud nedochází k
instrukci skoku. V případě skoku je třeba nově nastavit buď pouze hodnotu IP
(blízký skok), nebo IP i CS (daleký skok) a celou frontu načítat znovu.
Jednotka EU pracuje do jisté míry nezávisle na BIU. Jak jsme již uvedli,
dekóduje a provádí jednotlivé instrukce. Její operační blok může provádět výpočty
s 8-bitovými a 16-bitovými čísly, oproti 8080A má již instrukce pro provádění
násobení a dělení (dokonce ve dvou variantách - se znaménkem a bez znaménka).
Pozn.: Při násobení a dělení bez znaménka jsou násobena nebo dělena celá
8 bitová nebo 16 bitová čísla. Při násobení a dělení se znaménkem je
nejvyšší bit (na „levé“ straně čísla) používán jako znaménko, tedy
0=+, 1=-. Vlastní číslo je pak složeno ze zbývajících 7 nebo 15 bitů.
Registr příznaků F obsahuje příznaky AF, CF, ZF a PF se stejnou funkcí,
jakou jsme si popsali u procesoru 8080A. Přibývá zde příznak OF, který spolu s
CF signalizuje přetečení. Rozdíl je v tom, že příznak CF nabývá hodnoty 1 při
přetečení o jeden řád, OF při přetečení o více než jeden řád. Vzhledem k zavedení
funkcí násobení a dělení je třeba respektovat možnost, že výsledek násobení dvou
16-bitových čísel může být až 32 bitové číslo.
U procesoru 8086 se také poprvé kromě stavových příznaků objevují tři
řídicí příznaky, nastavované pomocí instrukcí a měnící podstatným způsobem
činnost procesoru:
IF - umožňuje nastavením hodnoty tohoto příznaku na 1 zakázat tzv.
maskovatelná přerušení (bude vysvětleno dále).
TF - nastavením tohoto příznaku na hodnotu 1 přejde procesor do režimu
krokování. V tomto režimu procesor neprovádí program jako celek, ale
provede vždy jen jednu instrukci a po ní přeruší svou činnost. Po dalším
spuštění provede další instrukci atd. Tento režim je využíván pro
odlaďování programů, kdy po každé jednotlivé instrukci můžeme
zkontrolovat, zda program provádí to, co jsme od něj očekávali.
DF - tímto příznakem je mění směr zpracovávání tzv. řetězců. Instrukční
soubor 8086 obsahuje skupinu instrukcí, které zpracovávají nikoliv
jednotlivá čísla, ale celé úseky paměti, označované jako řetězce. Tyto
úseky paměti je možno zpracovávat ve dvou směrech - od nejnižší
adresy k nejvyšší, nebo od nejvyšší adresy k nejnižší. Volba směru
zpracovávání je dána tímto příznakem. Je-li nastavena 0, je směr od
nejnižší adresy k nejvyšší, je-li nastavena 1, je směr od nejvyšší adresy
k nejnižší.
Systém přerušení je u 8086 podstatně propracovanější, než u předchozích
typů. U tohoto procesoru rozeznáváme přerušení externí a interní. Požadavek na
43
44
externí přerušení přichází z vnějšku, z jiných částí počítače, požadavek na interní
přerušení vzniká uvnitř procesoru, v průběhu zpracovávání přerušení.
Externí přerušení rozdělujeme na maskovatelná a nemaskovatelná. Tato
přerušení jsou rozlišena různými vstupy na pouzdře mikroprocesoru.
Nemaskovatelná přerušení musí být vždy vyhodnocována, není možno je zakázat.
Maskovatelná přerušení je možno zakázat nastavením příznaku IF na 1. Žádosti o
přerušení, přicházející na příslušný vstup procesoru, jsou potom ignorovány. Toho
se využívá tehdy, když procesor provádí část programu, kterou autor považuje za
natolik důležitou, aby bylo třeba zabránit všem méně významným přerušením.
Interní přerušení mohou vzniknout:
a) Kritickou chybou programu. Typickým příkladem takového přerušení
je přerušení, které vznikne, pokud dojde v běhu programu k dělení nulou.
b) Nastavením režimu krokování. Nastavením příznaku TF na 1 začne
procesor pracovat v režimu krokování, to znamená, že po každé instrukci dojde k
přerušení. Význam tohoto režimu jsme si vysvětlili výše.
c) Instrukcí. V programu můžeme přímo předepsat určité přerušení
podmíněnou nebo nepodmíněnou instrukcí. Podmíněná instrukce je vázána na
některý příznak, např. instrukce INTO se provede, pokud platí příznak OF=1.
Nepodmíněná instrukce má tvar INT n, kde n je přirozené číslo v rozsahu 0 až
255. Význam těchto čísel si vysvětlíme dále.
Nemaskovatelná (vstup NMI)
Externí (vnější)
Maskovatelná (vstup INTR)
Přerušení
Interní (vnitřní)
Krokování (TF=1)
Kritická chyba
(dělení nulou)
Podmíněné (INTO)
Instrukcí
Nepodmíněné (INTn)
Obr. Přerušení
Na nejnižších adresách paměti, od adresy 0, je úsek o délce 1 kB, vyhražený
pro tzv. vektory přerušení. Vektor přerušení je tvořen 4 byty, v 1 kB paměti je
tedy prostor pro 256 takových vektorů. Každé vnitřní i vnější přerušení má
přiděleno jedno číslo od 0 do 255. Při vyvolání určitého přerušení provede
procesor skok na vektor přerušení, jehož číslo odpovídá typu daného přerušení
(tedy, jde-li o INT 4, skočí na pátý vektor přerušení, protože první vektor
odpovídá INT 0). Čtyři byty tohoto vektoru obsahují adresu počátku segmentu a
offset místa, na kterém v paměti začíná obslužný program přerušení. Po skončení
programu přerušení pokračuje procesor buď
ve zpracovávání programu
44
4
následující instrukcí za instrukcí, která přerušení vyvolala, nebo např.
restartováním procesoru atd.
Příklad: Volání programu pro obsluhu myši
adresy
INT 0
INT 1
INT 2
INT 3
počátek segm.
posun
INT 4
1023
Hlavní program
Začátek programu
Volání přerušení
INT 4
Ovladač myši
Začátek ovladače
myši
Návrat do hlavního programu
Konec programu
Skok na adresu, obsaženou ve vektoru přerušení
Skok na příslušný vektor přerušení
Oblast vektorů přerušení (1 kB)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
provedení
Konec ovladače
myši
Obr. Volání ovladače myši pomocí přerušení
Určitou specifikou procesorů řady 80x86 jsou rozdělitelné pracovní
registry. 16 bitové registry AX, BX, CX a DX mohou být používány i jako dva 8
bitové registry AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH a DL (podobné dělení je možné i u
dalších, 32 bitových procesorů) . Každý z registrů má poněkud specifické použití.
Například registr CX slouží jako čítač opakování, to znamená, že číslo v něm u
tzv. instrukcí cyklu určuje, kolikrát se má určitá instrukce nebo skupina instrukcí
opakovat. Registr BX se používá pro převody mezi kódy, především pro převod z
binárního kódu do kódu BCD atd.
45
46
Procesor 8086 mohl pracovat ve dvou módech, v minimálním módu a v
maximálním módu. V minimálním módu pracuje v systémech s menším počtem
dalších obvodů. Veškeré řídící signály pro řídicí sběrnici si v tomto módu
generuje sám, musí být doplněn pouze generátorem hodin 8284A. V maximálním
módu pracuje procesor s v systémech s větším množstvím obvodů, kterým by
procesor sám o sobě nedokázal zaručit potřebné elektrické parametry signálu na
řídicí sběrnici. V tomto režimu musí být procesor doplněn řadičem sběrnice 8288.
Kromě těchto obvodů byl k procesoru 8086 dodáván matematický
koprocesor 8087 a koprocesor pro řízení vstupů a výstupů 8089.
46
4
5.3 Intel 80286
Procesor 80186, vyráběný jako nástupce 8086, byl komerčně neúspěšný a
dodával se pouze po krátkou dobu. Počítače vybavené tímto procesorem patří
svým způsobem mezi kuriozity.
Zásadní kvalitativní zlom přichází až v roce 1983 s nástupem procesoru
80286. Tento procesor s 16 bitovou datovou sběrnicí a 24 bitovou adresovou
sběrnicí znamenal další výrazný pokrok pipeliningu a skalární architektury.
DB 16 bitů
IU
BU
fronta instrukcí
fronta dekódovaných
instrukcí
EU
AB 24 bitů
AU
Obr. Jednotky 80286
Procesor je rozdělen na čtyři funkční jednotky, z nichž každá provádí určitý
krok instrukčního cyklu. Jednotky mezi sebou komunikují především pomocí
front.
Adresová jednotka AU provádí výpočet adresy způsobem, který si
popíšeme dále. Zatím si můžeme uvést, že způsob adresování závisí na tom, v
jakém režimu procesor právě pracuje. Adresová jednotka předává vypočtenou
adresu sběrnicové jednotce.
Sběrnicová jednotka BU řídí sběrnice, generuje signály pro řídicí sběrnici,
načítá z paměti instrukce a umísťuje je do šestičlenné fronty instrukcí. Odsud je
přebírá instrukční jednotka.
Instrukční jednotka IU přebírá instrukce z fronty, kam jí je připravila BU.
Provádí dekódovaní instrukcí a v dekódované podobě ukládá instrukce do další,
tříčlenné fronty, odkud je přebírá výkonná jednotka.
Výkonná jednotka EU přebírá dekódované instrukce a provádí je.
47
48
Zpracování instrukcí je velmi rychlé, pokud v programu nejsou instrukce
skoku. Problémem opět je, že v okamžiku, kdy EU provádí instrukci skoku, je již
v různých stádiích rozpracování několik dalších instrukcí, načtených ze špatných
adres. V takovém případě je nutno zpracovávání přerušit a načíst znovu instrukce
z cílové adresy skoku. je tedy jasné, že rychlost procesoru velmi záleží na způsobu
napsání programu.
Procesor může pracovat ve dvou režimech. Po zapnutí se nachází v tzv.
reálném režimu, ve kterém se chová jako rychlý procesor 8086, schopný pracovat
s větší pamětí (délka adresy není 20 bitů, jako u 8086, ale 24 bitů). Pomocí
nového řídicího příznaku PE je možno procesor přepnout do chráněného
režimu, ve kterém plně využívá svých možností, včetně specifického adresování,
odlišného způsobu zpracování přerušení atd. Přepnutí zpět do reálného režimu
je u 80286 možné pouze pomocí RESET.
Procesor je od počátku přizpůsoben tzv. multitaskingu (v chráněném režimu), to znamená, že je schopen současně mít rozpracováno několik úloh a
přeskakovat z jedné do druhé (typické např. u Windows). Pro tyto účely si
rozděluje paměť na jeden tzv. globální paměťový prostor a jeden či více (podle
počtu rozpracovaných úloh) lokální paměťový prostor. Globální paměťový
prostor je přístupný všem rozpracovaným úlohám, jednotlivé lokální prostory jsou
vždy vyhrazeny pouze pro jednu úlohu a ostatní úlohy do těchto částí paměti
nemají přístup.
V reálném režimu procesor adresuje obdobně jako 8086, to znamená, že výsledná adresa se skládá z adresy počátku segmentu a z offsetu. Rozdíl je v tom, že
výsledná adresa je 24 bitová, , že za 16 bitové číslo ze segmentového registru je
nutno přidat čtyři 0 před a čtyři 0 za číslo, abychom získali adresu počátku
segmentu. V reálném režimu je možno přímo adresovat pouze 1 MB paměti, další
paměť musí být adresována např. pomocí systému „expanded memory“ (bude
vysvětleno v kapitole o pamětech).
V chráněném režimu je situace poněkud odlišná. Především zde rozlišujeme
virtuální adresu a reálnou adresu.
REÁLNÁ PAMĚŤ
VIRTUÁLNÍ ADRESA
Offset (16 bitů)
Selektor (16 bitů)
Index (13 bitů)
TI
RPL
(2 b)
posun
GDT/LDT
8192
položek
tabulek
popisovačů
segmentů
GDT
nebo LDT
24 bitová
reálná
adresa
+
Popisovač segmentu (64 bitů)
Adresované místo v paměti
24 bitová adresa
počátku segmentu
(báze segmentu)
Obr. Určování adresy u 80286 v chráněném režimu
48
4
Virtuální adresa je tvořena dvěma 16 bitovými čísly, selektorem a offsetem.
Offset má stejný význam jako při běžném segmentovém adresování. Selektor se
však skládá ze tří částí (bráno zleva):
13 bitů tvoří Index,
1 bit TI
2 bity RPL
Nejsnáze je možno vysvětlit význam bitu TI. Má-li hodnotu 0, adresujeme v
globálním paměťovém prostoru, má-li hodnotu 1, adresujeme v jednom z
lokálních paměťových prostorů.
Dva bity RPL určují tzv. úroveň oprávnění, související s ochranou
jednotlivých částí paměti. Tento pojem si ještě dále vysvětlíme.
Index určuje číslo popisovače segmentů, který vybíráme z tabulky popisovačů segmentu. Je-li TI = 0, vybíráme popisovač segmentu z tabulky GDT.
Pokud je TI = 1, vybíráme z příslušné tabulky LDT (Jak je určováno z které je
mimo rámec těchto skript. Náročnějším zájemcům je možno alespoň naznačit, že
tabulka GDT obsahuje mj. i adresy počátků všech vytvořených tabulek LDT, takže
nejprve musíme v GDT vyhledat tuto adresu a potom teprve můžeme pracovat s
příslušnou tabulkou. Podrobnější popis např. viz. „Mikroprocesory Intel“, M.
Brandejs, nakladatelství GRADA 1991). Tabulka může obsahovat celkem 213,
tedy 8192 popisovačů segmentů.
Popisovač segmentu se u 80286 skládá z 8 bytů (jeho délka je tedy 64 bitů).
Můžeme si ho představit jako jakýsi kartotéční lístek, obsahující všechny
podstatné informace o příslušném segmentu. První dva byty zleva jsou nevyužity,
využívá je až procesor 80386 a další. Třetí byte vyjadřuje přístupová práva do
daného segmentu (jaký typ informací segment obsahuje, jak je chráněn, která
úloha nebo úlohy do něj mohou vstupovat atd.). Čtvrtý, pátý a šestý byte obsahují
bázi segmentu, tedy jeho 24 bitovou počáteční adresu. Sedmý a osmý byte
obsahuje limit segmentu, tedy jeho délku. Délka segmentu se u 80286 a dalších
procesorů tedy může měnit, u 80286 od 0 do 216, tedy 64 kB.
Popisovač segmentů (64 bitů)
0
(16 bitů)
Přístupová
práva
(8 bitů)
Báze segmentu
(24 bitů)
Limit segmentu
(16 bitů)
Obr. Popisovač segmentu 80286
Při výpočtu adresy se nejprve dle bitu TI určí, se kterou z tabulek GDT a
LDT se bude pracovat. Potom se podle indexu určí příslušný popisovač segmentu
z příslušné tabulky. Z něj se vezme báze segmentu a zkontroluje se, není-li offset
větší než limit segmentu. Potom se sečte báze segmentu a offset a tím se získá
reálná adresa v paměti RAM, kterou jednotka BU odešle na adresovou sběrnici.
Multitasking je realizován tak, že v globálním paměťovém prostoru je
vymezena určitá část pro tzv. tabulky TSS. Každá z úloh, které jsou otevřeny, má
49
50
svou vlastní tabulku TSS. Poloha těchto tabulek je zaznamenána pomocí
popisovačů TSS, uložených v tabulce GDT. Délka každé tabulky TSS je 44 bytů
(352 bitů) a při práci na příslušné úloze se do ní průběžně kopírují obsahy všech
registrů procesoru. Při přeskoku do jiné úlohy zůstane v tabulce TSS původní
úlohy zachován poslední stav procesoru při práci na této úloze. Při návratu do této
úlohy je tedy možno tento stav obnovit a pokračovat v práci na dané úloze tam,
kde jsme skončili.
Podle typu uložených informací se segmenty rozlišují na datové,
instrukční, systémové a bránové. Bližší podrobnosti o těchto segmentech je opět
možno nalézt ve zmíněné publikaci.
Z hlediska ochrany jednotlivých segmentů je používáno systému úrovní
oprávnění. V popisovači segmentů jsou v bytu přístupových práv dva bity,
zařazující příslušný segment do jedné ze čtyř úrovní oprávnění 00 (nejvyšší), 01,
10 a 11 (nejnižší). Není-li stanoveno jinak, jsou první tři úrovně vyhrazeny pro
různé funkce operačního systému a čtvrtá je pro uživatelské úlohy.
Existují jednoznačná pravidla, která určují, jaké úrovně oprávnění musí mít
jednotlivé segmenty při přechodu z jednoho segmentu do druhého. Jsou tedy
prakticky vyloučeny situace, kdy by nechtěně došlo k přemazání informací
jednoho programu činností jiného programu.
Přerušení v reálném režimu jsou obdobná, jako u 8086. V chráněném
režimu se číslo přerušení odvolává na jeden z 256 popisovačů segmentů s
rutinami obsluhujícími přerušení, který nalezne v tabulce IDT. I zde mohou být v
popisovači přerušení rozlišena na maskovatelná a nemaskovatelná. Přepnutí z
jedné úlohy do druhé s využitím TSS rovněž probíhá jako zvláštní typ přerušení.
Procesor 80286 byl doplněn matematickým koprocesorem 80287, který výrazně urychloval činnost výsledného počítače. Procesor 80286 byl základem
počítačů třídy PC AT/286.
50
5
5.4 Intel 80386 SX a DX
V roce 1985 se objevil nástupce procesoru 80286, 32 bitový procesor 80386.
Vyráběl se ve dvou variantách. Varianta 80386 SX vnitřně pracovala jako 32
bitový procesor, navenek však komunikovala pomocí 16 bitové datové sběrnice a
24 bitové adresové sběrnice. Hlavním důvodem jejího zavedení byla možnost
využívat starší typy komponentů počítačů, určené pro 80286 - šlo tedy o podobný
vztah, jako mezi 8086 a 8088. 80386 DX byl již plně 32 bitový mikroprocesor, to
znamená, že byl vybaven 32 bitovou datovou sběrnicí a 32 bitovou adresovou
sběrnicí. Šířka adresové sběrnice procesoru umožňovala přímo adresovat 4 GB
fyzické paměti a, s použitím stránkování, až 64 TB virtuální paměti.
(„Virtuální paměť“ je takový režim spolupráce mezi pevným diskem a
vnitřní pamětí, kdy počítač průběžně odkládá nepoužívané části informace na disk
a snaží se načítat předem z disku potřebné informace. Pokud by vše ideálně
fungovalo, měl by vždy potřebné informace ve vnitřní paměti a nemusel by čekat
na načítání z disku. Choval by se tedy jako kdyby jeho vnitřní paměť měla stejnou
kapacitu jako pevný disk. I když takového optimálního výsledku není nikdy běžně
dosahováno, vede použití virtuální paměti ke zrychlení práce počítače.)
Jde o tak velkou kapacitu paměti, že další změny adresování u následujících
typů procesorů již nebyly nutné a způsob adresování, který si popíšeme u 80386
DX platí i pro 80486 a Pentium.
U procesoru 80386 rovněž dochází ke změnám jeho vnitřní struktury.
DB 32 bitů
fronta instrukcí
IU
fronta dekódovaných
instrukcí
EU
BU
CPU
AB 32 bitů
SU
PU
Obr. Jednotky 80386
51
52
Segmentační jednotka SU a stránkovací jednotka PU slouží k výpočtu
adresy způsobem, který si popíšeme dále. Pokud není zapnuto stránkování, určuje
adresu pouze SU, pokud je zapnuto, podílejí se na výpočtu adresy obě jednotky.
Sběrnicová jednotka BU řídí komunikaci procesoru s okolím pomocí
sběrnic, organizuje přenos informací mezi procesorem, pamětí a vstupními a
výstupními zařízeními. Adresy přebírá z SU a případně i z PU.
Jednotka předvýběru instrukcí CPU vybírá prostřednictvím BU z paměti
instrukce a řadí je do 16 B dlouhé instrukční fronty. Částečně již respektuje
instrukci skoku - pokud na ni narazí, načítá další instrukce z cílové adresy skoku
bez ohledu na to, šlo-li o skok podmíněný nebo nepodmíněný. Zpoždění špatným
načtením instrukcí tedy nastává pouze tehdy, šlo-li o podmíněný skok, který se v
daném případě neměl provést.
Instrukční jednotka IU přebírá instrukce od CPU z fronty, dekóduje je na
mikroinstrukce a v dekódované podobě je ukládá do další fronty.
Výkonná jednotka EU přebírá dekódované instrukce z druhé fronty a co
nejrychleji je provádí.
V dalším popisu se soustředíme na 80386 DX. Procesor opět může pracovat
ve dvou režimech, v reálném a v chráněném. V reálném režimu se chová
obdobně jako velmi rychlý procesor 8086, je schopna adresovat 1 MB paměti, má
obdobně organizovaná přerušení atd. Přepínání do chráněného režimu je
realizováno pomocí řídicího příznaku. U 80386 je přepínání příznakem možné
oběma směry, není tedy k návratu do reálného režimu nutný RESET jako u 80286.
V chráněném režimu procesor plně využívá všech svých možností. Chráněný
režim je organizován tak, aby v něm bylo možno bez úprav spustit programy,
napsané původně pro chráněný režim 80286.
Vzhledem k tomu, že při multitaskingu je někdy třeba souběžně provozovat
úlohy pro reálný i pro chráněný režim, je u procesoru v chráněném režimu
zaveden tzv. režim virtuální 8086 (V86). V tomto podrežimu si procesor vyhradí
úsek paměti o délce 1 MB a ten zpracovává jako 8086, i když jinak pracuje v
chráněném režimu jako plný procesor 80386.
Adresování se liší podle režimu činnosti. V reálném režimu procesor opět
pracuje přímo maximálně s 1 MB, adresuje segmentově a délka vypočtené adresy
je, jako u 8086, 20 bitů. V režimu V86 pracuje v úlohách pro reálný režim opět s 1
MB paměti, ten však může být umístěn prakticky kdekoliv v reálné fyzické paměti
(nemusí jít o 1. megabyte reálné paměti, jako v reálném režimu). V chráněném
režimu procesoru 80386DX rozeznáváme při adresování tři typy adres - logickou
adresu, lineární adresu a fyzickou adresu.
52
5
LOGICKÁ ADRESA
Selektor (16 bitů)
Index (13 bitů)
TI
Offset (32 bitů)
RPL
(2 b)
GDT/LDT
+
8192
položek
popisovačů
segmentů
GDT
nebo LDT
32 bitová LINEÁRNÍ ADRESA
Popisovač segmentu (64 bitů)
32 bitová báze segmentu
Obr. Převod logické adresy na lineární
Logická adresa má podobnou strukturu jako virtuální adresa u 80286.
Skládá se také ze selektoru (16 bitů) a offsetu (32 bitů). Selektor má přesně stejné
složení (index, TI, RPL) jako u 80286. Offset je 32 bitový, to znamená, že délka
segmentu může být prakticky neomezená (až 4 GB). Rozdělení paměťového
prostoru na globální a lokální je obdobné, jako u 80286, stejný je i význam bitu
TI. Podle něj se určuje je-li adresované místo v segmentu, jehož popisovač je v
tabulce GDT (pro globální prostor), nebo v tabulkách LDT (lokální adresové
prostory jednotlivých úloh). Index potom určuje se kterým popisovačem segmentu
z příslušné tabulky chceme pracovat.
Popisovače segmentů jsou opět složeny z 8 bytů (64 bitů). První byte zleva
se spojuje s čtvrtým, pátým a šestým a dohromady tvoří 32 bitovou bázi
segmentu (adresu počátku). Druhý byte je rozdělen na 2 x 4 bity. První 4 bity se
připojují k třetímu bytu a rozšiřují popis přístupových práv na 12 bitů. Druhé 4
bity se přidávají k limitu segmentu (tedy k určení jeho délky) a rozšiřují jej na 20
bitů. Podle jednoho z bitů z přístupových práv se potom určuje měřítko, ve kterém
je limit udán. Je-li měřítko 1 B, je maximální velikost segmentu 1 MB. Je-li
zvoleno druhé měřítko, 4 kB, je maximální délka segmentu až 4 GB, jeho velikost
se ovšem mění podle hodnoty limitu v krocích po 4 kB.
Přístupová práva
celkem 12 bitů
Popisovač segmentu (64 bitů)
Báze segmentu 4 bity k 4 bity k
(prvních 8 bitů) přístup. limitu
Přístupová práva
právům segmentu
63
55
47
39
Limit segmentu (16 bitů)
Báze segmentu (24 bitů)
31
23
15
7
0
Báze segmentu celkem 32 bitů
Limit segmentu celkem 20 bitů
Obr. Popisovač segmentu u 80386
53
54
Lineární adresa se potom určí sečtením báze segmentu z vybraného
popisovače segmentu a offsetu z logické adresy. Hodnota offsetu opět nesmí
překročit limit segmentu z příslušného popisovače. Není-li zapnuto stránkování, je
takto určená lineární adresa rovna 32 bitové fyzické adrese, která se odešle po
adresové sběrnici do paměti.
Je-li zapnuto stránkování (zapnutí provádí uživatel nastavením hodnoty
příslušného řídicího příznaku), dochází k přepočtu lineární adresy na příslušnou
stránku. Tohoto režimu se používá při práci s virtuální pamětí. V tomto režimu
adresování je procesor schopen adresovat prakticky libovolně velkou paměť (až
64 TB).
Hodnotami přístupových práv je možno opět funkčně rozdělit segmenty na
datové, instrukční a systémové. Bližší popis je opět možno nalézt v publikaci
„Mikroprocesory Intel - Pentium a spol.“, M. Brandejs, GRADA 1994.
Systém ochran jednotlivých segmentů je zajištěn obdobným způsobem,
jako u 80286. Podrobnosti je opět možno nalézt v citované publikaci.
Přepínání úloh při multitaskingu probíhá obdobně, jako u 80286. TSS
opět obsahuje kopie všech registrů v každém okamžiku práce v dané úloze.
Vzhledem k tomu, že 80386 pracuje s 32 bitovými registry, je i minimální délka
TSS větší - 104 B. Do TSS je možno ukládat i další hodnoty, např. zásobníkové
paměti pro danou úlohu atd. Celková délka TSS tedy může být i podstatně větší
než 104 B. Při přeskoku do jiné úlohy jsou v TSS opět uchovány všechny údaje o
posledním stavu práce na původní úloze, takže je možno se načtením těchto
hodnot do této úlohy kdykoliv vrátit a pokračovat v práci tam, kde se skončilo.
Přerušení v reálném režimu probíhá podle pravidel pro procesor 8086. V
chráněném režimu opět pracujeme (jako u 80286) s tabulkou IDT. Rovněž
podrežim V86 vyhodnocuje přerušení pomocí tabulky IDT, instrukce pro
přerušení se provede jako instrukce ve chráněném režimu. Zde mohou vznikat
rozdíly oproti běžné práci v reálném režimu.
Procesor 80386DX byl již natolik rychlý, že si vynutil zavedení pamětí
CACHE, které jsme popsali v kapitole s celkovým přehledem mikroprocesorů.
Mohl pracovat s matematickým koprocesorem 80387. Pro 80386SX byl vyráběn i
koprocesor 80387 SX. Oba typy procesoru 80386 uměly využívat i starší
matematický koprocesor 80287, určený původně pro počítače s procesorem
80286.
Procesory 80386 tvořily základ počítačů třídy PC AT/386SX a PC
AT/386DX. Počítače PC AT/386DX se dodnes vcelku běžně používají, dovedou
(i když někdy velmi pomalu) pracovat s většinou programů, určených pro
Windows 3.1x. Podmínkou je dostatečně velká paměť CACHE (alespoň 256 kB)
a operační paměť větší než 4MB. I když se někdy tyto počítače levně prodávají,
nelze jejich nákup doporučit vzhledem k nepříznivému poměru cena/výkon a k
tomu, že je již velmi obtížné pro ně sehnat náhradní díly.
54
5
5.5 Intel 80486
Na typ 80386 navázal v roce 1989 další procesor, 80486. Jeho vnitřní
struktura je obdobná struktuře 80386, vzhledem ke zdokonalení výrobní
technologie však bylo možno zvýšit rychlost procesoru 3 až 5 krát a naintegrovat k
němu na čip jednotku správy paměti, matematický koprocesor a tzv. interní
paměť CACHE (u původních procesorů měla kapacitu 8 kB, u novějších až 16
kB).
L1
CACHE
Matematický
koprocesor
fronta instrukcí
IU
fronta dekódovaných
instrukcí
DB 32 bitů
BU
CPU
AB 32 bitů
EU
SU
PU
Obr. Schéma 80486
V roce 1991 byl dán na trh lacinější procesor, označovaný 80486 SX.
Výrobce uváděl, že tento procesor nemá matematický koprocesor, který je možno
dokoupit pod označením 80487. Kromě něj se vyráběly typy označované
80486SLC a 80486DLC. Byly upraveny tak, aby je bylo možno zapojit do patic
pro 80368SX (typ SLC) a 80386DX (typ DLC). Používaly se v některých
noteboocích.
V roce 1993 se objevila modifikace 80486DX2. Tento procesor byl schopen
pracovat vnitřně s dvojnásobnou frekvencí, než na jaké pracoval zbytek počítače.
Pokud byl tento obvod např. zapojen do počítače s pracovní frekvencí 40 MHz,
pracoval procesor rychlostí 80 MHz. V roce 1994 se objevuje 80486DX4, u
kterého však není pracovní frekvence čtyřnásobná (jak by naznačoval název), ale
pouze asi trojnásobná. Důvod, který vedl Intel k použití čísla 4 v názvu, není
dodnes jasný.
Nevýhodou procesorů 80486 bylo poměrně velké zahřívání při provozu,
bylo nutno používat speciální chladiče (kovové plochy pro odvod tepla, aktivní
chlazení pomocí ventilátorku atd.). U procesoru 80486DX4 proto přistoupil
výrobce ke snížení napájecího napětí z 5 V na 3,3 V, čímž se mu podařilo toto
přehřívání do značné míry odstranit. Postupem času se snížené napájecí napětí
začalo používat i u starších typů.
Režimy činnosti, jejich přepínání, adresování paměti, zpracovávání
přerušení, multitasking a další rysy činnosti jsou u 80486 totožné s dříve
55
56
popsaným procesorem 80386, nebudeme je tedy popisovat znovu. Zmíníme se
pouze o rozdílech.
Hlavní rozdíly v činnosti 80486 proti 80386 jsou dány právě použitím
interní paměti CACHE a matematického koprocesoru v rámci jednoho obvodu.
Je-li interní paměť CACHE (ICM) zapnuta (vypnutí se provádí pomocí
řídicího příznaku, standardní nastavení je, že interní paměť CACHE je zapnuta),
provede se při každém prvním čtení z externí paměti CACHE opsání údaje do
jedné z položek ICM, které se přiřadí adresa čteného objektu. Při dalším čtení se
vždy nejprve kontroluje, neshoduje-li se požadovaná adresa s adresou některé
položky ICM. Pokud ano, provede se čtení z této položky. Pokud ne, provede se
čtení z externí CACHE a zároveň se přečtená hodnota zapíše i do některé z
položek ICM. Zápis se vždy provádí do externí CACHE s tím, že je-li adresa
místa, na které se zapisuje, zároveň i adresou položky v ICM, provede se i zápis
(aktualizace hodnoty) do této položky. Pokud toto místo v ICM není, provede se
zápis jen do externí CACHE. Tento režim činnosti se označuje jako WriteThrough („zápis přes“). Druhým režimem činnosti paměti CACHE je WriteBack („zpětný zápis“). Informace se zapisuje pouze do paměti CACHE a dále se
předává teprve při výměně celého bloku zpracovaných informací za nové.
Podrobnosti o řízení interní paměti CACHE a o jednotlivých řídicích příznacích,
kterými je možno nastavovat různé režimy činnosti této paměti je možno nalézt v
publikaci „Mikroprocesory Intel 8086 - 80486“, M.Brandejs, GRADA 1991.
Matematický koprocesor procesoru 80486 pracuje vnitřně s 80 bitovými
reálnými čísly, které je schopen převádět i na jiné formáty čísel, používaných v
počítačích (včetně kódu BCD). Obsahuje 8 datových registrů o délce 80 bitů a tři
registry pro řízení funkce - řídicí, stavový a doplňující (každý z nich v délce 16
bitů).
Řídicí registr nastavuje parametry výpočtu, jako je zaokrouhlování
výsledků, kontrolu přesnosti výsledku, sledování chyb výpočtu atd.
Stavový registr obsahuje údaje o stavu koprocesoru, mimo jiné i bity stavových příznaků, nastavovaných v průběhu operace.
Doplňující registr má pro každý z osmi datových registrů vyhrazeny dva
bity, pomocí kterých určuje stav příslušného registru (správná hodnota, nula,
chybný formát, prázdný registr atd.).
Instrukce pro koprocesor jsou vřazeny mezi normální instrukce programu.
Při dekódovaní procesor pozná podle prvních 5 bitů instrukce (11011 = instrukce
je pro koprocesor), že instrukce je určena pro koprocesor a instrukci mu předá.
Není-li následující instrukce závislá na výsledku činnosti koprocesoru, může
procesor v době provádění instrukce koprocesorem rozpracovávat další instrukce.
Počítače třídy PC AT/486DX, PC AT/486DX2 a PC AT/486DX4,
využívající různých variant procesoru 80486, jsou dnes ještě v doprodeji, jde však
o dobíhající výrobu a dodávky. Výkonnost těchto počítačů (jsou-li vybaveny
dostatečnou operační pamětí) dostačuje pro práci s většinou softwaru, problémy
jsou u Windows 95 a WindowsNT. Vzhledem k jejich klesající ceně si zatím ještě
udržují konkurenční schopnost, jsou však ji koncepčně překonané a při koupi
nového počítače je lépe se orientovat na typy s novějšími procesory, s Pentiem a
PentiemPro.
56
5
5.6 Intel Pentium
V roce 1993 se na trhu objevil nový procesor, vyvíjený pod označením P5 a
prodávaný pod firemním názvem Pentium. Náběh procesoru provázely některé
problémy, první typy byly dokonce i méně výkonné, než starší procesory řady
80486 a navíc se u nich projevovaly konstrukční závady na matematickém
koprocesoru.
V průběhu roku 1994 byly hlavní problémy odstraněny a Pentium se
postupně stalo standardním procesorem u nových typů počítačů. Jeho pracovní
frekvence se postupně zvyšovala z 60 MHz až na dnešních 200 MHz.
5.6.1 Popis struktury Pentia
TLB
BTB
Instrukční CACHE
DB
64 bitů
PB
ID
CR
AB
32 bitů
CU
BU
Matematický
koprocesor
PU
CB
AG
AG
U-pipe V-pipe
Řízení
Pole reg.
IRF
+
ALU
ALU
U-pipe V-pipe
:
x
Schifter
Datová CACHE
TLB
Obr. Struktura Pentia
57
58
Pentium je 64 bitový procesor, schopný pracovat i s programy pro 32 bitové
a 16 bitové procesory. Představuje přechod od technologie CISC k technologii
RISC. Adresová sběrnice je 32 bitová, adresování je totožné s předchozími typy
80386 a 80486. Procesor obsahuje dvě vnitřní paměti CACHE (jejich kapacita
postupně vzrostla z původních 8 kB až na 128 kB u Pentia 200), oddělené pro
instrukce (instrukční CACHE) a pro data (datová CACHE). Vzhledem k tomu,
že přepočet logické adresy na fyzickou vyžaduje v případě stránkování čtení ze
dvou tabulek, umístěných v operační paměti (a tedy trvá poměrně dlouho),
obsahuje každá z pamětí CACHE tabulku TLB (Translation Look-aside Buffer),
obsahující posledně přepočítávané adresy včetně příznaků. Při dalším volání určité
adresy se nejprve zkontroluje, není-li již uložena v TLB. Pokud ano, nemusí se
provádět přepočet a z TLB se rovnou přečte přepočtená hodnota. Pokud ne,
provede se přepočet na fyzickou adresu a výsledek se zařadí do TLB pro případné
další použití.
Významným novým rysem procesoru Pentium je obvod dynamického
předvídání skoků BTB (Branch Target Buffer). Jeho úkolem je na základě
určitých statistických předpokladů řešit problém podmíněných skoků. Vychází se
z poznatku, že provedení podmíněného skoku bývá asi čtyřikrát pravděpodobnější,
než jeho neprovedení.
58
5
nová položka do BTB
skok
byl
Hist. bity : 11
Předpoklad: Bude skok
skok
nebyl
skok
byl
Hist. bity : 10
Předpoklad: Bude skok
skok
nebyl
skok
byl
Hist. bity : 01
Předpoklad: Bude skok
skok
byl
skok
nebyl
Hist. bity : 00
Předpoklad: Nebude skok
skok
nebyl
Obr. Předvídání skoku
Jakmile najde procesor ve frontě instrukcí instrukci podmíněného skoku,
zkontroluje, zda její cílová adresa (místo v paměti, kam směřuje skok) je již
uložena v tabulce BTB. Pokud tam není, zapíše se do této tabulky a přidají se k ní
dva historické bity, mající hodnotu 11. Zároveň se předpokládá, že skok bude
proveden a do fronty instrukcí se načítají instrukce od cílové adresy skoku. Pokud
skok nebyl proveden, sníží se hodnota historických bitů na 10, pokud byl
proveden, zůstane hodnota historických bitů na původní hodnotě. V případě
dalších skoků na tuto adresu se vždy zkontrolují historické bity a podle nich se
odhaduje, bude-li či nebude-li skok proveden. Pokud skok byl proveden, zvyšuje
se hodnota o 1 až na původních 11, pokud neměl být proveden, snižuje se
59
60
postupně o 1 až na 00. Teprve při této úrovni historických bitů se předpokládá, že
skok proveden nebude.
Instrukce jsou řazeny do instrukční fronty PB (Prefetch Buffer). Odsud je
přebírá dekodér instrukcí ID (Instruction Decode). Jde-li o jednoduché instrukce
charakteru instrukcí RISC, dekóduje je dekodér přímo. Jsou-li to složitější
instrukce, používá řídicí paměti ROM CR (Control ROM) k jejich překladu na
mikroprogram, složený z jednoduchých instrukcí.
Procesor Pentium používá superskalární architektury a pracuje v režimu
dual pipeline. Instrukce jsou zpracovávány v pěti krocích - výběr instrukce (PF),
dekódovaní instrukce (D1), generování adresy operandů (D2), provedení
instrukce (EX) a dokončení instrukce a zpětný zápis (WB). Instrukce jsou
zpracovávány v režimu pipeline, tedy „jako na běžícím pásu“ jednotlivými částmi
procesoru. Dual pipeline znamená, že v případě, že jde o jednoduché a na sobě
vzájemně nezávislé instrukce, mohou být na každém stupni zpracovávání
rozpracovány dvě instrukce současně (při plné rychlosti zpracovávání může být v
různých stupních rozpracování až deset instrukcí současně).
Výběr instrukce
I1
I3
I5
I7
I 9 I 11 I 13 I 15
I2
I4
I6
I8
I 10 I 12 I 14 I 16
I1
I3
I5
I7 I 9
I2
I4
I6
I 8 I 10 I 12 I 14
I1
I3
I5
I7
I 9 I 11
I2
I4
I6
I8
I 10 I 12
I1
I3
I5
I7 I 9
I2
I4
I6
I 8 I 10
I1
I3
I5
I7
I2
I4
I6
I8
Dekódování instrukce
Generování adresy
I 11 I 13
Provedení instrukce
Dokončení instrukce
Obr. Zpracování dual pipeline
Dekódované instrukce přebírá řídicí jednotka CU (Control Unit). V
případě, že jde o instrukce pro matematický koprocesor (jeho struktura je
vcelku obdobná koprocesoru u 80486DX, rovněž instrukce pro koprocesor jsou
rozlišovány obdobnou kombinací bitů na počátku - 11011), předá provedení
instrukce koprocesoru, jinak řídí provádění instrukcí ve dvou liniích,
označovaných U-pipe a V-pipe. Jsou-li splněny podmínky pro paralelní
zpracování dvou instrukcí, zpracovává U-pipe liché instrukce a V-pipe sudé.
Nejsou-li tyto podmínky splněny, zpracovává data pouze U-pipe. Každá linie má
svůj vlastní generátor adresy dat AG (Address Generate), který vybírá data z
datové paměti CACHE pro další zpracování: Vlastní operace s daty potom
proběhne v příslušné aritmeticko-logické jednotce ALU pro U-pipe nebo pro Vpipe.
60
6
Informace mohou být při zpracovávání ukládány do některého z pomocných
registrů (mohou pracovat jako 8, 16, 32 i 64 bitové registry) v bloku pomocných
registrů IRF (Integer Register File). Rotace a posuvy se provádějí pouze v Upipe, a to pomocí tzv. shifteru (pro zájemce - jde v podstatě o obvod, známý v
elektronice jako posuvný registr).
Pentium může v počítači pracovat v módu, označovaném jako Master, nebo
jako Checker. Je-li v počítači pouze jeden procesor, pracuje jako Master. To
znamená, že provádí všechny instrukce a řídí i sběrnice, odesílá po nich výsledky
své činnosti atd. U počítačů vysoce náročných na spolehlivost, například u
některých serverů (centrálních počítačů počítačových sítí) může být procesor
zdvojen dalším, který je zapojen jako Checker. Checker provádí přesně tytéž
instrukce jako Master, neřídí však sběrnice a neodesílá výsledky své činnosti.
Provádí pouze průběžné porovnávání svých výsledků s výsledky Mastera a v
případě jejich rozdílnosti signalizuje chybu systému.
Dalším prostředkem zvýšení spolehlivosti je zabezpečení nejen datové, ale i
adresové sběrnice pomocí paritních bitů. Po adresové sběrnici se tedy nepřenáší
jen 32 bitů, ale 36 bitů - 32 bitů adresy a 4 paritní bity (pro každých 8 bitů adresy
jeden). Tato parita je kontrolována při přenosech adresy a zabezpečuje rychlé
zjištění chyby při adresování. Adresování jinak probíhá vcelku jako u předchozích
typů procesorů 80386 a 80486.
Novým rysem je rozšíření režimů činnosti. Kromě reálného, chráněného a
režimu V86 je zaveden nový režim, režim správy systému SMM (System
Management Mode). Využívá jej tzv. firmware (programové vybavení, vestavěné
do počítače, tedy uložené v pamětech ROM ). Přechází se do něj pomocí
speciálního přerušení, návrat do běžných režimů činnosti se provádí pomocí
instrukce pro návrat po přerušení V tomto režimu pracuje procesor se speciální
oddělenou částí paměti, tzv. SMRAM (System Management RAM). Do této
paměti si také při přechodu do režimu SMM uloží obsah všech registrů procesoru
a při návratu do normálních režimů jej odsud opět načte. Během činnosti v režimu
SMM jsou všechna normální přerušení zakázána. Tento režim činnosti využívá
např. BIOS (základní část operačního systému, uložená v paměti ROM - bude
popsáno dále).
V průběhu let 1993 - 1995 se Pentium stalo standardním procesorem,
používaným v osobních počítačích, kompatibilních (tedy, česky řečeno,
slučitelných) s výrobky firmy IBM. Počáteční technické problémy byly překonány,
rychlost se zvýšila až na dnešních 200 MHz a šíření těchto procesorů podpořil i
nástup operačních systémů WindowsNT a Windows 95 firmy Microsoft.
Vývoj u firmy Intel se tím ovšem nezastavil a již v roce 1995 se objevil nástupce Pentia, procesor, vyvíjený pod označením P6 a prodávaný pod firemním
označením PentiumPro.
5.7 Nástupci procesoru Pentium - PentiumPro, P55C, Klamath, Deschutes
atd.
Již v době, kdy byl procesor Pentium zaváděn do výroby, pracovala firma
Intel na jeho nástupci, označovaném v té době P6. V roce 1995 byl tento procesor
dán na trh pod firemním označením PentiumPro.
Jestliže Pentium stálo ještě na rozhraní mezi procesory CISC a RISC, je
PentiumPro již čistě RISCové koncepce. Odpadá řídící paměť ROM, překládající
61
62
složité instrukce na jednoduché mikroinstrukce, celý instrukční soubor se již
skládá jen z jednoduchých, snadno a rychle proveditelných instrukcí. Použitelnost
starších programů pro předchozí typy procesorů je podmíněna použitím
speciálních programů - překladačů, které převedou strojové instrukce starších
procesorů na instrukce PentiaPro.
Skalární architektura je dále zdokonalena, pipelining není již jen
dvojnásobný, jako u Pentia, ale trojnásobný. Díky speciálnímu systému
přeskupování instrukcí je možno mít rozpracováno na každém stupni zpracování
až pět instrukcí zároveň.
Vlastní obvod se skládá ze dvou čipů, umístěných ve společném pouzdře - z
vlastního jádra procesoru a paměti CACHE 256 nebo 512 kB.
Externí sběrnice
L2
Provádění příkazů
BIU
MOB
SHF
DOO
FMU
FDIV
RS
IDIV
FAU
Dekódování
příkazů
Port 0
IEU
JEU
IFU
ID
alignment
D0 D1 D2
BTB
Port 1
IEU
Port 2
AGU
Port 3, 4
AGU
MIS
RAT
ROB
RRF
µ op0 µ op1 µ op2
Obr. Schéma PentiumPro
Součástí jádra procesoru je i několik dílčích matematických koprocesorů
a menší paměti CACHE - instrukční a datová CACHE, jako u Pentia. Jejich
kapacita je také 8 kB, jako u Pentia.
Jádro procesoru pracuje se zcela novou procesorovou sběrnicí, která byla
dříve používána u velkých počítačů pod označením „Future Bus“ („sběrnice
budoucnosti“). Dochází k celkovému snížení vnitřních napětí, napájecí napětí je
již jen 2,8 V. Na jedné straně se tím rozdíl mezi 0 a 1 snižuje na pouhých 1,5 V,
takže v systémech s PentiemPro je nutno věnovat velkou pozornost odstraňování
možných rušení, na druhé straně klesá ohřívání procesoru a ztrátový výkon klesá
až na 8 W.
Zpracování instrukce začíná v jednotce IFU (Instruction Fetch Unit),
obsahující i instrukční paměť CACHE (I - CACHE). Výběr instrukcí provádí
jednotka BTB, která předvídá případné skoky v programu (podobně jako u
Pentia, ale dokonalejším algoritmem - uvádí se, že přesnost odhadu je větší než
62
6
90%). Z paměti I-CACHE se vždy dvě řádky po 16 B, zarovnaných na hranice
instrukcí, předávají dekodéru instrukcí ID. Ten rozloží instrukce na řadu tzv.
mikrooperací pro další zpracování. Všechny mikrooperace jsou stejně dlouhé a
pracují se dvěma logickými zdroji (odkud berou data) a jedním logickým cílem
(kam ukládají výsledek). Při zpracovávání komplexních instrukcí se generuje pro
tuto instrukci tzv. mikrokód (MIS - mikrokód instrukční sekvence), což je vlastně
naprogramovaná sekvence (řada) mikrooperací. V každém taktovacím cyklu
mohou tři paralelně pracující dekodéry D0, D1 a D2, obsažené v ID, generovat tři
mikroinstrukce, čímž se zpracovávání dále urychluje.
Mikroinstrukce jsou předávány do tabulky RAT (Register Alias Table), kde
se logickým označením registrů z instrukcí přiřazují konkrétní reálně existující
registry procesoru. Dále se k mikroinstrukcím připojí stavová informace
(zachycující postup zpracování mikroinstrukce) a výsledný tvar se pak uloží do
přerovnávací paměti ROB (Reorder Buffer). Zde probíhá analýza toku dat, kdy
procesor neustále dopředu zkoumá, které mikroinstrukce jsou vzájemně nezávislé
a mohou se tedy provádět současně v jednotlivých „potrubích“ (pipelines).
Procesor potom provádí zpracování mikroinstrukcí v jiném pořadí, než jaké
vyplývá ze struktury programu. Hlavním cílem je optimalizace zpracovávání a
maximální využití možností paralelního zpracovávání. Současně se
mikroinstrukce předávají i do rezervační stanice RS (Reservation Station), která
pomocí pěti portů předává výkon mikroinstrukcí jednotlivým prováděcím
jednotkám EU (Execution Unit). Předání mikroinstrukce závisí na stavové
informaci - musí signalizovat, že mikroinstrukce má připraveny zdrojová data
(operandy). Port 0 připojuje koprocesory pro výpočty v pohyblivé řádové čárce
(zjednodušeně řečeno - s desetinnými čísly), port 1 připojuje jednotku pro
celočíselné výpočty a skokovou jednotku, porty 2, 3 a 4 slouží pro přístupy do
paměti. Výsledek operace se zapíše do RS i do ROB, čímž se zajistí přístup
následujících mikroinstrukcí k potřebným datům. V optimálním režimu může
PentiumPro předávat přes každý port jednu mikroinstrukci, v jednom taktu tedy
zpracuje až pět mikroinstrukcí. Po skončení zpracování se v jednotce RFR
(Retirement File Register) mikrooperace a jejich výsledky opět srovnávají podle
logiky programu a tvoří se konečný výsledek. Tato jednotka může v jednom taktu
převzít až tři mikrooperace.
Zpracování instrukce v každé pipeline je rozloženo do 14 kroků. Pipeline je
rozdělena na tři oddělené části, které jsou na sobě víceméně nezávislé.
První část se skládá z 8 taktovacích cyklů a je označována jako část v
pořadí fronty (In-Order-Front). Čítač instrukcí z BTB hledá další instrukci v
paměti I-CACHE. V dalších taktech ji načte a dekóduje. Při dekódování se
zároveň generují odpovídající mikroinstrukce. Následuje přejmenování registru
(přiřazení fyzických registrů logickým registrům z programu) a zápis do ROB a
RS. Tento zápis se překrývá minimálně s jedním stupněm další části pipeline.
Druhá část se označuje jako část jádra mimo pořadí (Out-of-OrderCore). Ta odpovídá provedení instrukcí v pořadí určeném efektivností využití
procesoru a vstupu do ROB. Dva takty slouží k identifikaci mikrooperace a jeden
k jejímu provedení. Operace s desetinnými čísly trvají více taktů.
Třetí část je částí opětného seřazení (retirement), kde je zajišťováno, aby
mikrooperace daly jako výsledek opět jeden celek, daný původním logickým
uspořádáním programu.
63
64
IP
I1
instr. Cache
I2
I3
Dekódování
I4
I5
Obnov. Zápis
reistrů do RS
I6
I7
I8
Čtení RS
RS (Příprava)
O1 O2
Provedení
O3
Retirement
Retirement (Příprava)
R1
R2
R3
Obr. Pipeline u PentiaPro (Chip 2/96, str 56)
Počítače s PentiemPro se zatím vyskytují především jako servery. Mohou
být i víceprocesorové - v režimu multiprocesingu (zpracovávání programu ve
spolupráci několika procesorů, které si rozdělují instrukce programu a souběžně je
zpracovávají) spolu mohou snadno komunikovat až čtyři procesory. Pro počítače s
PentiemPro je již podmínkou použití sběrnice PCI (bude vysvětleno dále).
V lednu 1997 byl na trh uveden procesor P55C, označovaný také
Pentium/MMX. Jde o procesor Pentium, do kterého byly integrovány prvky
technologie MMX (její podstatu si vysvětlíme dále). V druhé polovině roku 1997
má být na trh uveden i procesor PentiumPro s touto technologií, vyvíjený pod
označení Klamath. Současně jsou vyvíjeny i verze s technologií MMX2, pod
firemními názvy Katmai a Deschutes.
Technologie MMX spočívá v úpravě procesoru pro multimediální aplikace.
Instrukční soubor je rozšířen o 57 instrukcí, procesor má 8 nových 64 bitových
MMX-registrů. Tyto nové instrukce využívají techniku SIMD (Single Instruction,
Multiple Data), to znamená, že jednou instrukcí může být v jednom cyklu
zpracováno více dat paralelně.
Procesory Pentium/MMX mají nový typ pouzdra (P-PGA), který zaručuje větší
odolnost proti teplotám, na horní straně má speciálně upravenou vyzařovací
chladicí plochu. Výkonnost těchto procesorů je asi o 10 - 20% vyšší, než u
normálních procesorů o stejné pracovní frekvenci. U speciálních programů,
využívajících plně nové instrukce, se výkon má zvyšovat o 60% a více.
64
6
Běžný procesor
nevyužito
data 1
nevyužito
ADD
nevyužito
data 2
nevyužito
ADD
výsledek 1
nevyužito
data 3
ADD
nevyužito
výsledek 2
výsledek 3
Procesor s technologií MMX
data 8
data 7
data 6
data 5
data 4
data 3
data 2
data 1
ADD
ADD
ADD
ADD
ADD
ADD
ADD
ADD
výsledek 8 výsledek 7 výsledek 6 výsledek 5 výsledek 4 výsledek 3 výsledek 2 výsledek 1
Obr. Technologie MMX
Počítače s těmito procesory jsou určeny především pro grafické programy
(animace, video, 3D-grafika) a pro multimediální aplikace, spojující obraz a zvuk.
Díky technologii MMX budou takové aplikace schopny provádět i notebooky
vybavené těmito novými procesory. Prozatím se u nich projevuje mírná
nekompatibilita s předchozími typy. Očekává se, že během roku 1997 se počítače
s touto technologií postupně stanou novým standardem.
65
66
6 Vnitřní paměti
V této kapitole se vrátíme k jednotlivým typům vnitřních pamětí, vysvětlíme
si některé pojmy, spojené s pamětmi a seznámíme se s jejich strukturou.
6.1 Paměti ROM
Pro paměti ROM je typické, že z nich může počítač pouze číst. Při jeho
běžné činnosti jsou tedy jen zdrojem informace. Jsou energeticky nezávislé, to
znamená, že uchovávají informaci i bez přívodu elektrické energie. Jsou většinou
relativně pomalejší, proto se jejich obsah může uložit při rozběhu počítače do
vymezené oblasti paměti RAM, označované potom Shadow ROM, kde je
vyhledávání informací mnohem rychlejší.
sloupec
DB
AB
Dekodér
adresy
Výstupní
zesilovač
řádek
adresované
místo
Paměťová matice
Zablokování/Odblokování
Obr. Struktura paměti ROM
Po adresové sběrnici AB přichází adresa do dekodéru adresy DA. V tomto
dekodéru je rozložena na údaj o řádku a sloupci v paměťové matici. V této paměťové matici se vyhledá příslušná položka a přečte se (u pamětí ROM obsahuje
jedna položka obvykle 1 B informace). Výstupní zesilovač elektricky zesílí
přečtené hodnoty a odešle je na datovou sběrnici DB. Pomocí řídicího signálu
může být výstupní zesilovač buď v režimu odblokováno, kdy pracuje popsaným
způsobem, nebo zablokováno, kdy nepřenáší informace a paměť ROM
nereaguje .
Z hlediska ukládání informací dělíme paměti ROM na tyto základní typy:
a) klasická paměť ROM - informace je do ní ukládána již při výrobě. Její
základní princip si můžeme vysvětlit na pamětech ROM u počítačů 2. generace
(je podobný i u současných pamětí tohoto typu, mají však charakter
integrovaného obvodu, nikoliv struktury z jednotlivých součástek).
Značka
66
6
Obr. Značka diody
představuje polovodičovou diodu s přechodem PN, tedy součástku, která je
při jedné polaritě vstupního napětí v propustném směru (proud prochází) a při
opačné polaritě je v závěrném směru (proud neprochází). Paměť ROM složená
z těchto prvků má potom tuto strukturu:
Adresové vodiče
0
1
0
0
Bitové vodiče
0
1
0
1
Obr. Struktura ROM (diody)
Typická je zde soustava dvou skupin na sebe kolmých vodičů - adresových a
bitových. V místech, kde má být zaznamenána 1 je příslušný adresový vodič
propojen s některým bitovým vodičem pomocí PN přechodu (diody). Při čtení
se přivede napětí l (např. 5 V) na jeden z adresových vodičů. Na bitových
vodičích se potom objeví tam, kde je vytvořeno propojení, napětí 1, tam, kde
není vytvořeno, zůstane napětí na 0. Vidíme, že při výběru jednoho adresového
vodiče se přečte celé binární číslo (obvykle 1 B s paritním bitem). Takto jednou
vytvořená struktura se nedá již dále měnit. Paměti tohoto typu se používají,
pokud je třeba vyrábět velké série stejných pamětí.
b) paměti PROM, neboli programovatelná paměť ROM, má podobnou
strukturu jako předchozí typ. Propojky jsou však vytvořeny na počátku mezi
každým adresovým vodičem a všemi bitovými vodiči. Ukládání informací do
paměti PROM se provádí tak, že na příslušný adresový vodič se připojí zvýšené
napětí (asi 15 V) a ty bitové vodiče, na kterých chceme zapsat 0, se uzemní.
Příslušnými propojkami projde zkratový proud, který propojky zničí, takže se
přeruší vodivé propojení adresového a příslušných bitových vodičů. Při dalším
čtení, které probíhá obdobně jako u předchozího typu, se potom na výstupu
objeví na těchto bitových vodičích 0.
67
68
Adresové vodiče
0
16 V 0
0
uzemění
Bitové vodiče
0
1
0
1
Tyto diody
se spálí
zkratovým
proudem
Obr. Struktura PROM
Vidíme, že do této paměti je možno zapsat pouze jednou, jakákoliv změna
jednou uložené informace je prakticky vyloučena. I když je možno používat i
jiné fyzikální principy záznamu než ten, který jsme si zde vysvětlili, platí toto
pro paměti PROM obecně. Paměti tohoto typu jsou typické pro malé série, kdy
by se nevyplatila výroba pamětí prvního typu.
c) paměti EPROM - tedy vymazatelné programovatelné paměti ROM, umožňují
smazat uloženou informaci a uložit do paměti novou. Zápis informace se
provádí do polovodičové struktury - fyzikální princip je poněkud složitější,
takže vybočuje z rámce těchto skript. Stačí, pokud si řekneme, že obvykle se
využívá pro záznam informací zachycení elektronů mezi speciální nevodivé
vrstvy v polovodičové struktuře paměti. Smazání se pak provádí tak, že se
těmto elektronům dodá energie nutná pro překonání těchto nevodivých vrstev elektrickým napětím, ultrafialovým světlem atd. Do nedávna platilo, že
programování a mazání pamětí EPROM se provádělo na speciálních zařízeních
mimo počítač. Rok 1996 je však rokem nástupu pamětí Flash EPROM, které
umožňují mazání a záznam nových informací speciálním programem uvnitř
počítače. I když zatím pracují při běžné činnosti jako běžné paměti ROM, jsou
ji vlastně jakýmsi přechodným typem k energeticky nezávislé paměti RAM.
68
6
6.2 Paměti RAM
Pro tento typ pamětí je typické to, že umožňují při běžné práci s počítačem
nejen ukládání, ale i čtení informací. Hlavní požadavky na paměti jsou kapacita,
vyjadřovaná dnes v MB (u běžných osobních počítačů se počítá s kapacitou 16
MB, u profesionálních je již dnes běžných 32 MB), rychlost, vyjadřovaná dnes
tzv. přístupovým časem (jak rychle je vybráno místo v paměti a proveden zápis
nebo čtení - dnes se tato doba pohybuje v rozsahu 50 - 70 ns) a fyzické
uspořádání (paměti jsou dnes prováděny v podobě výměnných destiček s
příslušným konektorem pro snadné zapojení do počítače. Tyto destičky se
označují jako SIMM, jde-li o destičky s 72 kontakty (piny) pro 32 bitovou
komunikaci s pamětí se 4 paritními bity (existují i SIMM s 32 piny) , a DIMM,
jde-li o destičky pro 64 bitovou komunikaci s pamětí s 8 paritními bity a
paměťové obvody jsou mnohdy po obou stranách destičky.).
Poznámka: Vzhledem k rostoucí spolehlivosti pamětí nemusí být vždy
používány paritní bity pro zabezpečení informace. U mnoha počítačů se dnes již
parita nepoužívá, nové procesory PentiumPro ji však například pro svou činnost
vyžadují.
Z hlediska operačního systému DOS, který se stále ještě u mnoha počítačů
používá, rozdělujeme celkovou kapacitu paměti RAM v počítači na základní
paměť (base memory) o velikosti 640 kB, horní paměť (upper memory) mezi
640 kB a 1 MB a rozšířenou paměť (extended memory) nad 1 MB. DOS sám o
sobě uměl pracovat pouze se základní pamětí. Pro práci s větší pamětí musel být
vybaven ovladači horní a rozšířené paměti. Jedním z nich je EMS (Expanded
Memory Service - služba expandované paměti). Expanded memory je způsob
práce s rozšířenou pamětí, kdy se jednotlivé úseky z těchto částí paměti
překopírovávají po stránkách do základní paměti, tam se zpracují a uloží se zpět.
U speciálních pamětí RAM mohou být i další požadavky. Paměti CMOS
RAM mají velmi nízkou spotřebu energie, používají se tedy v kombinaci s
napájecím akumulátorem pro uchovávání informací, které počítač potřebuje
udržet i po vypnutí přívodu energie. Paměť VRAM umožňuje současně provádět
záznam i čtení, paměť WRAM zase usnadňuje rychlé přenosy bloků dat mezi
různými částmi paměti. Oba tyto typy pamětí se používají u grafických karet,
převádějících binární informace z počítače na signál pro obrazovkový monitor. K
principu těchto pamětí se vrátíme v kapitole o grafických kartách.
Informace jsou opět umístěny v paměťové matici, uspořádané do řádků a
sloupců. Na rozdíl od paměti ROM však jednotlivé buňky paměťové matice mají
kapacitu pouhý 1 bit. Dekodér adresy opět dekóduje adresu, to znamená, že ji
rozloží na údaj o řádku a o sloupci v paměťové matici. Přibývá zde řídicí logika,
umožňující nejen zablokování a odblokování paměti, ale také přepnutí směru
přenosu informace - v režimu zápis (write) jsou informace z datové sběrnice
zapisovány do paměťové matice, v režimu čtení (read) jsou informace z
paměťové matice předávány na datovou sběrnici. Vlastní změny směru přenosu
provádí vstupní/výstupní zesilovač, který může být řídicí logikou přepnut do
jednoho ze tří funkčních režimů - zápis, čtení, nebo zablokováno.
Paměť RAM se skládá z několika paměťových matic, adresovaných
současně (z každé se čte jeden bit uložené informace). Pro uložení 1B je obvykle
třeba 9 paměťových matic - 8 pro uložení 1B a 1 pro paritní bit. V současné době
jsou tyto matice součástí jediného integrovaného obvodu - např. 64 bitové paměti
jsou složeny ze 72 paměťových matic - 8 x 8 pro ukládání bitů 64 bitové
69
70
informace a 8 x 1 pro paritní bity zabezpečující jednotlivé byty (u některých typů
pamětí se dnes již paritní bity vzhledem k růstu spolehlivosti nepoužívají).
sloupec
DB
AB
Dekodér
adresy
Výstupní
zesilovač
řádek
adresované
místo
Zablokování/Odblokování
Zápis/Čtení
Paměťová matice
Řídicí
logika
Obr. Struktura RAM
Základní rozdělení pamětí RAM je na statické paměti RAM (SRAM) a
dynamické paměti RAM (DRAM). Základní rozdíl mezi nimi je v principu
uchovávání informace.
V pamětech SRAM je 1 bit informace uložen pomocí bistabilního
klopného obvodu. Bistabilní klopný obvod je elektronický obvod, složený
obvykle z tranzistorů, který má dva stabilní výstupní stavy - buď je na prvním
výstupu napětí logické 0 (0-0.4V) a na druhém logické 1 (u starších počítačů 5 V,
u nových 3,3V nebo i jen 2,8 V), nebo obráceně. Přechod z jednoho stabilního
stavu do druhého je vyvoláván vstupními signály - jakákoliv změna informací,
uložených v SRAM je možná pouze vnějším zásahem, tedy přivedením
příslušných vstupních signálů pro vymazání nebo přepis informace, nebo
přerušením dodávky energie. Vzhledem k poměrně komplikované struktuře
paměťové buňky - bistabilního klopného obvodu, jsou rozměry pamětí SRAM
oproti pamětem DRAM větší a, což je jejich hlavní nevýhoda, jsou i výrobně
podstatně dražší. Jejich hlavní výhodou je rychlost. Dnes se používají především
jako paměti CACHE, ať již interní, nebo externí. Jejich struktura se neliší od
obecné struktury, která je popsána výše.
U pamětí DRAM je 1 bit informace ukládán v podobě elektrického napětí na
mikroskopickém kondenzátoru. Hlavní rozdíl oproti pamětem SRAM je v tom, že
samovolným vybíjením těchto kondenzátorů se uložená informace postupně
ztrácí a musí tedy být periodicky obnovována. Z toho plyne i rozdílná vnitřní
struktura oproti obecné paměti RAM, kterou jsme si popsali výše. Obnovování
informace provádějí obvody REFRESH („občerstvení“).
Základní struktura paměti je stejná, jakou jsme si popsali obecně. V dolní
části obrázku jsou naznačeny části obvodu REFRESH. Inkrementor postupně po
jedné zvyšuje adresu v adresovém registru. Řídicí logika přepne paměť do
režimu čtení a přečte informace z vybrané adresy z paměti do pomocného
registru. Potom přepne paměť do režimu zápis a na stejné místo v paměti
přečtenou hodnotu opět zapíše. Inkrementor zvýší hodnotu v adresovém registru o
jedna a provede se stejným způsobem obnovení následujícího paměťového místa.
70
7
Celý proces se periodicky opakuje a způsobuje určité zpomalování činnosti
paměti.
sloupec
DB
AB
Dekodér
adresy
Výstupní
zesilovač
řádek
adresované
místo
Zablokování/Odblokování
Paměťová matice
Řídicí
logika
Zápis/Čtení
Pomocný
registr
Registr adresy
Inkrementor
Přepínač
Zápis/Čtení
REFRESH
Obr. Struktura DRAM
Paměti DRAM mají menší rozměry než paměti SRAM a jsou podstatně lacinější. Tvoří proto základ vnitřních pamětí počítačů. Vzhledem ke své relativní
pomalosti musí být doplňovány pamětmi CACHE (někdy též „vyrovnávacími
pamětmi“) typu SRAM. Tyto paměti CACHE se používají ve velikostech 128,
256 a 512 kB, větší již vcelku nemají smysl. U procesoru PentiumPro jsou již
přímo součástí procesoru.
V roce 1996 se objevil nový typ dynamických pamětí, označovaný jako
EDO RAM (Extended Data Output - rozšířený výstup dat). Původním plánem
výrobců bylo zrychlit činnost paměti DRAM natolik, aby odpadla potřeba paměti
CACHE. To se zatím nepovedlo, rychlost paměti se zvýšila jen asi o 15%, v
kombinaci s pamětí CACHE však tyto paměti dnes již tvoří standart pro paměti
rychlých procesorů, jako je PentiumPro. Základní princip těchto pamětí spočívá v
tom, že při čtení z nich se automaticky nečte pouze jedna buňka paměťové matice,
ale celá skupina za sebou jdoucích buněk na stejném řádku. Přečtené bity se
ukládají do vnitřních statických registrů paměti. Pokud se, jak je to běžné,
požaduje čtení z následující adresy v paměti, nemusí se již čekat na výběr buňky a
může se číst předem připravená hodnota z vyrovnávacích registrů.
U některých špičkových superpočítačů se začínají objevovat zatím velmi
drahé paměti SDRAM, tedy synchronní paměti DRAM, schopné pracovat na
71
72
stejné frekvenci, jako je frekvence procesoru (synchronizace se provádí pomocí
časovacích impulzů pro mikroprocesor). Jsou již tak rychlé, že zcela odpadá
nutnost používat paměť CACHE. V souvislosti s rozvojem technologie a jejich
postupným zlevňováním se nakonec možná stanou budoucím paměťovým
standardem.
Poslední novinkou u některých mimořádně rychlých počítačů by mělo být
nasazení pamětí RAM typu NUMA (Non-Uniform Memory Access nestandardní přístup do paměti). U těchto pamětí je různý přístup k různým
adresám paměti, čímž se průměrná doba přístupu výrazně zkracuje. Jde zatím o
nestandardní řešení, podporované pouze některými výrobci počítačů, a není jasné,
zda se v praxi prosadí.
72
7
7 Základní deska - motherboard
Základní deska je centrální částí počítače. Obvykle je na ní umístěn
mikroprocesor, jednotlivé typy pamětí, řídicí obvody desky (tzv. chipset),
konektory pro připojování dalších funkčních desek počítače (sloty) atd. V celku je
možno říci, že pro každou generaci procesorů (80286, 80386SX, 80386DX,
80486, Pentium, PentiumPro ...) je jiná základní deska a každý výrobce dodává
i pro tentýž typ procesoru odlišnou základní desku od jiných výrobců. Navíc musí
být deska přizpůsobena pracovnímu kmitočtu příslušného mikroprocesoru některé moderní desky sice umožňují poměrně široký rozsah svého pracovního
kmitočtu, není to však pravidlem.
Kromě typu procesoru, pro který je základní deska určena, a pracovního
kmitočtu je rozhodujícím parametrem desky použitý systém sběrnic,
propojujících jednotlivé části počítače. Tento systém prošel v posledních několika
letech revolučním vývojem (jaký typ je použit u konkrétní základní desky se
nejlépe pozná podle konektorů - slotů, které jsou na desce umístěny).
U běžných počítačů PC s procesory 80386 a 80486 se nejprve používal
systém s jednou společnou sběrnicí, označovanou ISA, EISA, nebo
Microchannel. ISA je 16 bitová standardní sběrnice s pracovní frekvencí kolem
8 MHz. Je typická černým nebo tmavě hnědým konektorem pro nožové kontakty
přídavných desek.
Obr. Slot sběrnice ISA
Microchannel (MCA) je sběrnice typická pro počítače IBM PS/2. Mimo
tuto typovou řadu počítačů se nerozšířila, i když ji IBM dodává v 16 bitovém i
32 bitovém provedení.
Rozšířenější je 32 bitová sběrnice EISA, která umožňuje připojovat i 16
bitové desky standartu ISA. Skládá se ze dvou částí - z běžného slotu ISA a
prodlužovacího slotu pro speciální kontakty. Je relativně komplikovaná a
nákladná.
Obr. Slot sběrnice EISA
Nevýhodou tohoto standardního uspořádání bylo, že na tuto společnou
sběrnici byly připojovány systémy s velmi různou rychlostí práce - např. pevný
disk a grafická karta, pracující velmi rychle a třeba tiskárna nebo myš, pracující z
hlediska počítače velmi pomalu.
73
74
RAM
mikroprocesor
ROM
ISA
řadič disků
sériové a
paralelní porty
grafická
karta
Tiskárna
Pevný disk
Myš
Monitor
Obr. PC se společnou sběrnicí
Pokusem o řešení tohoto problému bylo zavedení 32 bitového systému
sběrnice VESA VL-Bus, připojujícího rychlé části počítače k procesoru obdobným způsobem, jako je k němu připojena operační paměť.
VL-BUS
RAM
mikroprocesor
ROM
řadič disků
Pevný disk
grafická
karta
Monitor
ISA
sériové a
paralelní porty
Tiskárna
Myš
Obr. Počítač s VL-Bus
74
7
Znamená to, že např. řadič pevných disků a grafická karta jsou přímo
připojeny na datovou a adresovou sběrnici procesoru, čímž je dosaženo velmi
vysoké rychlosti přenosu informací.
Nevýhodou tohoto typu sběrnice je její závislost na použitém procesoru.
Nízký elektrický výkon procesoru také umožňuje na sběrnici připojit jen malý
počet dalších zařízení. Velkou ranou pro tento typ sběrnice pak bylo prudké
zvýšení pracovních frekvencí mikroprocesorů. Při frekvencích kolem 100 MHz a
výše již není možné, aby sběrnice pracovala stejnou rychlostí, jako procesor. Mezi
sběrnici a procesor potom musí být vřazována vyrovnávací paměť, čímž se však
komunikace výrazně zpomaluje.
Sběrnice VL-Bus byla v posledních letech postupně vytlačena podstatně
dokonalejší sběrnicí PCI.
mikroprocesor
CACHE
RAM
můstek
(bridge)
ROM
PCI
řadič disků
grafická
karta
můstek
(bridge)
ISA
Pevný disk
Monitor
sériové a
paralelní porty
Tiskárna
Myš
Obr. Schéma počítače se sběrnicí PCI
75
76
Hlavní výhodou PCI oproti VL-Bus je vyšší výkon, nezávislost na použitém
procesoru, automatická konfigurace karet a prvotřídní kompatibilita. Při své běžné
pracovní frekvenci 33 MHz může přenášet data rychlostí až 132 MB/s (v 32
bitovém provedení) a 264 MB/s (v 64 bitovém provedení). Hlavní novinkou je
propojení jednotlivých úrovní sběrnice tzv. můstky (bridges), přenášejícími
signál z jedné úrovně na druhou. První můstek odděluje lokální sběrnici procesoru
od vlastní sběrnice PCI, dalším můstkem může být na sběrnici PCI připojena např.
pomalá sběrnice ISA, komunikující s pomalými zařízeními, jako je myš,
klávesnice nebo tiskárna. Jednotlivá zařízení, připojená na sběrnici PCI,
nezatěžují elektricky lokální sběrnici procesoru, to znamená, že na ní může být
připojeno až deset dalších komponent počítače. Rozdíly ve vnitřní pracovní
frekvenci procesoru a pracovní frekvenci sběrnice jsou odstraněny pomocí
vyrovnávací paměti, která je součástí můstku. Procesor vysílá data do zařízení,
řídicí obvod sběrnice PCI je ihned uloží do vyrovnávací paměti a procesor může
přejít k další činnosti. Vlastní přenos potom řídí můstek PCI a data se předávají
kontinuální formou - tedy v jednom bloku maximální možnou přenosovou
rychlostí. Konektor slotu PCI je typický světlou barvou, malými rozměry a dvěma
řadami otvorů pro zasunutí kontaktů konektoru.
Obr. Slot PCI
Vezměme si jako příklad základní desku pro procesor Pentium, vybavenou
dnes prakticky standardní kombinací sběrnic PCI/ISA.
16
15
7
UMC
UMC
892AF
892AF
11
10
13
12
8667
1
2
UMC
8663AF
UMC
892AF
14
6
UMC
886AF
5
4
SOCKET 5
18
17
3
8
9
R.T.C
System BIOS
Obr. Základní deska pro Pentium
1 obvod Chipset
2 tři sloty PCI
7 patice pro moduly SIMM
8 FlashEPROM pro BIOS
13 konektory pro sér. porty
14 konektor PS/2
76
7
3
4
5
6
tři sloty ISA 16 bitů
9 Obvod CMOS s baterií
15 DIN pro klávesnici
kombinovaný slot PCI/ISA 10 řadič FD
16 napájecí konektor
patice ZIF pro procesor
11 řadič disků EIDE
17 Keyboard BIOS
patice pro CACHE
12 konektor pro paral. port
18 Ostatní konektory
Pro připojení procesoru se používá patice ZIF (Zero Insertion Force nulová síla pro zasunutí), která umožňuje rychlou a bezproblémovou výměnu
procesoru. Na základní desce jsou čtyři sloty pro připojení „rychlých“ desek PCI
(obvykle se sem připojuje grafická karta) a čtyři sloty pro pomalé desky ISA.
Paměťové moduly SIMM nebo DIMM jsou umísťovány do patic. Na
základní desce by měly být alespoň čtyři pozice pro lepší rozšiřování. Při dnes
běžné kapacitě 8 MB/destičku to umožňuje snadno vytvořit paměť 32 MB,
postačující pro všechny běžné aplikace. Při použití destiček o maximální dnes
používané kapacitě 64 MB lze vytvořit maximální paměť o velikosti 256 MB.
Na každé základní desce je umístěna paměť, obsahující tzv. BIOS (BIOS je,
jak jsme již výše uvedli, program, který obsluhuje základní funkce desky a tvoří
základ tzv. operačního systému - pojem si vysvětlíme v příslušné kapitole).
Obvykle je uložen v paměti ROM nebo Flash EPROM. Kromě něj je na desce
další paměť ROM, obsahující klávesnicový BIOS (KeyboardBIOS). Ta řídí
komunikaci mezi základní deskou a klávesnicí, vrátíme se k ní v kapitole o
klávesnicích.
Nastavená konfigurace počítače (typ a velikost pevného disku, datum a čas,
velikost paměti RAM, nastavení ShadowRAM atd.) jsou uchovávány v malé
paměti RAM (obvykle typu CMOS), která je trvale napájena baterií (u některých
desek tvoří paměť a baterie jeden hybridní obvod v jediném pouzdře).
Na základní desce jsou rovněž patice pro připojení externí paměti CACHE
(někdy se též označuje jako CACHE 2. úrovně). Pro levné systémy postačuje
velikost této paměti 128 kB, pro náročnější uživatele 256 kB. Zvýšení na 512 kB
již ocení pouze profesionálové, pro běžného uživatele jde o zbytečný přepych.
Procesor PentiumPro má již sekundární paměť CACHE o kapacitě 256 nebo 512
kB naintegrovánu uvnitř procesoru, připojování další, externí paměti CACHE u
něj již vcelku ztrácí smysl
Na některých základních deskách jsou naintegrovány i další funkce - např.
řadič pevných disků EIDE nebo SCSI (bude vysvětleno dále), řadič disketových
jednotek, kanály pro sériové a paralelní rozhraní (pro připojování myši, tiskárny
atd.), případně i další funkce. Je to výhodné, protože funkční celky na základní
desce obecně pracují rychleji a jsou spolehlivější, než na přídavných deskách,
zapojovaných do slotů. Ztěžuje se tím však úprava konfigurace počítače podle
požadavků uživatele a v případě poruchy některého z těchto celků musíme
obvykle vyměnit celou základní desku, což je podstatně dražší, než výměna
některé přídavné desky. Z těchto důvodů se také nedoporučuje používat základní
desky, na kterých by byla naintegrována i grafická karta, nebo zvuková karta.
Poznámka: Konstrukčně se počítače rozdělují na kompaktní a modulární.
Typickým příkladem kompaktních počítačů jsou např. notebooky (přenosné kufříkové počítače), nebo počítače firmy Apple. Vyznačují se malými rozměry a tím, že
většina funkcí počítače je naintegrována na základní desce. Jsou spolehlivé, jejich
přestavba nebo úprava je však obvykle velmi omezena. Modulární koncepce je
typická pro stolní počítače firmy IBM a jim podobné. Výsledná sestava počítače
vzniká kombinací základní desky a řady tzv. přídavných karet (desek), zasunutých
do slotů. Uživatel zde může do značné míry měnit konfiguraci počítače podle
svých požadavků.
77
78
78
7
8 Vnější paměti a řadiče vnějších pamětí
Hlavní rozdíl mezi vnitřními a vnějšími pamětmi spočívá tom, že vnější
paměti komunikují s ostatními částmi počítače (především s procesorem)
prostřednictvím vstupních a výstupních zařízení. Jsou energeticky nezávislé, mají
relativně velkou kapacitu a požadujeme u nich rovněž co největší trvanlivost
záznamu. Vstupní a výstupní zařízení, prostřednictvím kterých komunikují s
počítačem se obvykle označují jako tzv. řadiče vnějších pamětí. Pevné a pružné
disky, stejně jako diskové mechaniky CD-ROM komunikují prostřednictvím
diskového řadiče, dnes především typu EIDE nebo SCSI 2 (bude vysvětleno
dále). Tyto řadiče jsou buď naintegrovány na základní desce, nebo tvoří přídavnou
desku, připojovanou prostřednictvím některého slotu (PCI nebi ISA - viz výše).
Ostatní typy vnějších pamětí, pokud jsou použity, se obvykle připojují na
konektory sériového nebo paralelního rozhraní. Řídicí obvody pro řízení
přenosových kanálů, přenášejících informace k těmto rozhraním, bývají rovněž
buď naintegrovány na základní desce, nebo jsou součástí přídavné desky s
diskovým řadičem (v samostatném provedení se již vyskytují jen zcela výjimečně
Vnější paměti obvykle dělíme podle fyzikálního principu, prostřednictvím
kterého dochází k záznamu informace. Základní typy, které se dnes používají,
jsou:
a) mechanické paměti - pro záznam informací se zde používá kombinace otvorů,
mechanicky vyražených do nosného média. Používají se ve formě děrných štítků
a děrných pásek. I když je oproti dřívějšku jejich využití minimální, přesto se
sále ještě někdy používají - především pro dlouhodobou archivaci málo
používaných dat, nebo tehdy, je-li jednoduchým způsobem třeba spojit úřední
doklad se vstupem do počítače (např. u receptů ve zdravotnictví, skladových karet,
doprovodných karet výrobků při pásové výrobě apod.). Až do nedána šlo o
nejlacinější způsob dlouhodobého uchovávání informace, dnes je postupně i z této
oblasti vytlačují svou klesající cenou paměti CD-ROM.
b) magnetické paměti - pro záznam informací se používá magnetická polarizace
speciálních magneticky tvrdých feromagnetických materiálů (magneticky tvrdé
materiály jsou takové materiály, které po magnetizaci působením vnějšího
magnetického pole zachovávají svou magnetickou polarizaci i po vyjmutí z tohoto
pole - viz dále). Jsou to nejrozšířenější vnější paměti, používané dnes prakticky u
všech počítačů. Co do provedení je rozdělujeme na magnetické pásky a
magnetické disky. Výhodou pásek je velká kapacita při nízké ceně, jejich hlavní
nevýhodou je dlouhé vyhledávání a čtení konkrétní informace. Na discích je
možno informace vyhledávat pomocí radiální soustavy souřadnic, tvořené sektory
a stopami (viz dále). Pružnější přístup k informacím je vykoupen výrazně vyšší
cenou na jednotku informace než u pásek. Podle typu materiálu, ze kterého je disk
vyroben, rozlišujeme pružné disky (floppy disky FD, někdy též diskety),
vyrobené z pružné umělé hmoty, a pevné disky (hard disk HD), vyrobené
většinou z hliníku.
c) optické paměti pracují na několika principech, jejich čtení je však vesměs
stejné - používají princip odraženého laserového paprsku. Používají se dvě
varianty, nazývané CD-ROM a CD-RAM. Význam názvů je vcelku jasný - z
paměti CD-ROM může počítač pouze číst, do paměti CD-RAM může určitým
způsobem i zapisovat. Paměti CD-ROM jsou již dnes standardním vybavením
osobních počítačů a s rozvojem multimediálních programů (spojujících text, obraz
a zvuk - např. u elektronických encyklopedií) jsou stále nezbytnější. Používají se
79
80
pro instalaci nových programů (stále více výrobců softwaru dodává své produkty
pouze na CD-ROM), jako zdroj informací pro výše zmíněné multimediální
programy a v poslední době (vzhledem k poklesu cen) i pro zálohování dat.
Paměti CD-RAM jsou prozatím ještě spíše experimentálními zařízeními,
umožňujícími zapisovat informace i číst je. Jsou příliš nákladné, než aby mohly
nahradit magnetické paměti - pouze dojde-li k nějaké radikální technické inovaci,
která by vedla ke snížení jejich cen.
Speciálním typem těchto pamětí jsou paměti magnetooptické. Jde o jeden z
nejspolehlivějších a nejtrvanlivějších způsobů záznamu informace. Jsou zatím
stále ještě nákladné, začínají se však postupně rozšiřovat a v některých aplikacích
mohou i nahradit běžný magnetický disk. Zničit zaznamenaná data je možno jen
vystavením disku působení teploty nad 150OC při současném působení vnějšího
magnetického pole, což je možno považovat za velmi nepravděpodobnou
kombinaci.
8.1 Popis jednotlivých druhů vnějších pamětí
8.1.1 Mechanické paměti
Mechanické paměti jsou nejstarším typem vnějších pamětí, vznikly již
někdy v 18. století. kdy se jejich pomocí řídily některé tkalcovské automaty.
Ustálily se ve dvou podobách - v podobě děrných štítků a děrných pásek
Děrné štítky mají podobu papírové karty normalizovaných rozměrů a tvaru.
Jeden roh štítku je seříznut, aby byla jednoznačně definována správná poloha
štítku při vkládání do čtečky. Používají se stále ještě tam, kde je třeba spojit funkci
úředního dokladu a snadného vstupu informací do počítače. Příkladem mohou být
štítky, doprovázející výrobek při pásové výrobě. Každý pracovník se po provedení
příslušné operace podepíše do příslušné kolonky a na snímacím zařízení
zaeviduje. Tak lze snadno zpětně ověřit, kdo kterou operaci prováděl a případně
kdo odpovídá za určité závady. Jiným podobným příkladem je zapisování receptu
lékařem na děrný štítek a současné vyražení kódu léku do štítku. To potom
umožňuje např. automatizovaný výdej léku v lékárně. Výhodou je vždy odolnost,
snadná čitelnost a levnost záznamu.
Seříznutí
pro
správné
založení
Popis obsahu štítku
Vyděrovaný
kód
Obr. Děrný štítek
Děrné pásky jsou tvořeny pásem z papíru nebo z umělé hmoty, ve kterém je
vyražena řada malých otvorů - tzv. vodicí stopa. Otvory jsou děrovány v pěti nebo
80
8
v osmi stopách nad sebou. Pásky se dnes ještě občas používají pro dlouhodobou
archivaci dat (jsou levné) a pro zadávání informací do průmyslových robotů a
číslicově řízených strojů.
Vodicí perforace
Vodicí perforace
Záznamové stopy pro děrování
Záznamové stopy pro děrování
Osmistopá děrná páska
Pětistopá děrná páska
Obr.- Pětistopá a osmistopá děrná páska
Čtení mechanických pamětí se může provádět buď elektromechanickým
čtecím zařízením, nebo optoelektricky.
Při elektromechanickém čtení prochází páska mezi řadou pružných a
pevných kontaktů. Je-li v pásce otvor, kontakty se propojí, není-li tam, zůstanou
odděleny papírem. Výhodou těchto čtecích zařízení je robustnost a odolnost proti
nepříznivým pracovním podmínkám - proto se často používá v průmyslových
provozech. Čtení je však relativně pomalé - 50 až 200 m/s.
Optoelektrické čtení probíhá tak, že páska nebo štítek prochází mezi
zdrojem světla a řadou snímačů. Otvorem světlo projde a dopadne na snímač,
papírem zůstane odizolováno. Tento typ snímačů vyžaduje čisté prostředí, čtení
však může být podstatně rychlejší, než u předchozího typu - až 1500 m/s.
Zdroj světla
Pružný kontakt
Pevný kontakt
Směr posunu
Směr posunu
Snímač světla
Elektromechanické snímání
Optoelektrické snímání
Obr. Elektromechanické a optoelektrické čtení
8.1.2 Magnetické paměti
Před výkladem o magnetických pamětech je třeba připomenou některé
základní fyzikální principy.
1) Podle svých magnetických vlastností se všechny materiály rozdělují na
diamagnetické, paramagnetické a feromagnetické. Magnetické vlastnosti
diamagnetických a paramagnetických materiálů jsou velmi slabé a v
počítačové technice se nepoužívají.
81
82
Feromagnetické materiály (železo, nikl, některé oceli atd.) naproti tomu
mají velmi silné magnetické vlastnosti, podle kterých je dále rozlišujeme na
magneticky měkké a magneticky tvrdé. Magneticky měkké materiály
projevují své magnetické vlastnosti pouze tehdy, působí-li na ně vnější
magnetické pole. Jsou-li z tohoto magnetického pole vyjmuty, okamžitě své
magnetické vlastnosti ztrácí. Magneticky tvrdé materiály rovněž musí být
nejprve zmagnetizovány vnějším magnetickým polem, magnetizaci si však
podrží i dlouhou dobu po vyjmutí z magnetického pole.
Pro výrobu vnějších pamětí se tedy používají magneticky tvrdé
feromagnetické materiály.
2) Magnetické pole vzniká v okolí vodiče, kterým prochází elektrický proud.
Pro zesílení tohoto magnetického pole se vodič svinuje do cívky.
Magnetické pole má jasně definovanou orientaci vychází z tzv. severního
pólu a končí v tzv. jižním pólu. Mění-li se magnetické pole v okolí vodiče
(např. pohybem magnetického pole), indukuje se do vodiče elektrické
napětí. Magnetickou polarizací vrstvy se mění i její elektrický odpor.
Všech těchto jevů se v určité míře využívá u magnetických pamětí. Vlastní
záznam se provádí do vrstvy zrníček feromagnetického magneticky tvrdého
materiálu, nanesené na povrch nosného média a zpevněné ochranným lakem.
Záznam je prováděn pomocí tzv. mazací hlavy a zapisovací (záznamové)
hlavy. Jsou to v podstatě dvě cívky, jimiž prochází elektrický proud. První z nich,
mazací hlava, je napájena stejnosměrným proudem, vytváří stálé magnetické pole
jednoho směru a magnetizuje zrníčka jedním směrem, čímž připravuje
záznamovou vrstvu pro zápis informace. Zapisovací hlava je napájena
proměnným proudem (mění se jeho směr, velikost bývá konstantní). Různou
polarizací záznamové vrstvy zapisuje v binární podobě informace. Před zápisem
jsou informace určitým způsobem překódovávány (jde o problém, jak od sebe
odlišit několik 0 nebo 1 jdoucích za sebou). V současnosti se u pevných disků
nejčastěji používá kódování RLL, u pásek a disket MFM, jejich popis je však
mimo rámec těchto skript. Jiným, ještě dokonalejším kódováním je metoda
PRML, automaticky provádějící digitální filtraci dat přečtených z disku.
Čtení provádí čtecí hlava. U magnetických pásek a u starších typů disků se
používaly tzv. indukční hlavy, které byly opět cívkami, do kterých se pohybem
magnetické záznamové vrstvy indukovalo elektrické napětí, měnící se při
změnách polarizace této záznamové vrstvy. U novějších disků se přešlo na tzv.
magnetorezistivní hlavy, vycházející ze změny elektrického odporu vlivem
magnetické polarizace záznamové vrstvy. Umožňují podstatně větší hustotou
záznamu a i rychlost snímání, než bylo fyzikálně možné u předchozího typu.
Jak jsme již uvedli dříve, dělí se magnetické paměti podle formy nosného
média na magnetické pásky a magnetické disky.
8.1.2.1 Magnetické pásky
Magnetická páska je dlouhá páska z umělohmotné fólie, pokrytá po jedné
straně nebo po obou stranách magnetickou záznamovou vrstvou. V současné době
se používají pouze pásky, uzavřené v kazetách (kotouče s páskou již patří minulosti). Záznam na pásku je možno provádět dvěma základními způsoby.
82
8
První z nich využívá zařízení R-DAT, pracující s tzv. rotační záznamovou
a čtecí hlavou. Pásek se posunuje relativně pomalu, záznamové stopy jsou vedeny
šikmo napříč páskem a jsou velmi rychle snímány rotující hlavou. Jde o
nejrychlejší páskové jednotky, jsou však poměrně drahé.
Obr. Záznam R-DAT
Druhý způsob se označuje QIC. Záznamové stopy zaplňují celou plochu
pásky tak, že hlava nejprve zapisuje na část pásky jedním směrem, potom se
posune o něco níže a zapisuje opačným směrem atd. Úseky zápisu v jednotlivých
směrech jsou poměrně dlouhé, proto dosahují takové jednotky poměrně vhodné
rychlosti záznamu navzdory častým změnám směru pohybu pásky.
Obr. Záznam QIC
Na magnetických páskách je jediné možné uspořádání - sekvenční.
Znamená to takovou organizaci, kdy jsou záznamy ukládány na pásku jeden za
druhým od počátku pásky k jejímu konci. Je jasné, že vyhledávání konkrétní
informace na pásce je poměrně zdlouhavé - je třeba probírat jeden záznam za
druhým, dokud nenarazíme na ten hledaný. Určitým zlepšením je použití
hlaviček, popisujících vždy skupinu informací, které za touto hlavičkou následují.
Je tak možno zrychlit vyhledávání - nečte se celá páska, ale pouze jednotlivé
hlavičky, dokud se nedostaneme na úsek obsahující hledanou informaci. Ten je
potom třeba prohledat podrobně.
Ani tento způsob organizace informací na pásce však nepřináší radikální
zlepšení vyhledávání, proto se dnes magnetické pásky používají především ve
streamerech, což jsou jakési speciální kazetopáskové magnetofony, umožňující
automaticky provádět zálohování dat z disku počítače (používají se především u
serverů - řídících počítačů počítačových sítí). Na jednu kazetu je potom možno
uložit více než 1 GB informace. V případě závady nebo zavirování počítače (za
83
84
virus zde považujeme speciální program, který v případě zavedení do počítače
smaže informace na disku či jinak naruší jeho provoz) je možno z pásky obnovit
původní informace na disku - delší doba zde není na závadu.
8.1.2.2 Magnetické disky
Magnetické disky mají podobu kotoučů vyrobených z umělé hmoty nebo z
hliníku. Otáčejí se kolem své osy na hřídeli a umožňují pomocí plošné soustavy
souřadnic podstatně snáze vyhledávat informace. Lze říci, že používají určitou
variantu radiální souřadnicové soustavy - jako souřadnice se používají vzdálenost
od středu disku a úhel natočení disku. Vzhledem k problémům s přesným
nastavením polohy hlav na disku se tyto souřadnice nemění plynule, ale pomocí
jakési „souřadnicové mřížky“. Tato mřížka se skládá ze stop, což jsou soustředné
kružnice, vyjadřující vzdálenost hlavy od středu disku, a sektorů, představujících
určité výseče na stopách. Adresa určitého místa na disku je potom dána číslem
stopy a číslem sektoru, kde je potřebná informace uložena. Původně byl na všech
stopách stejný počet sektorů, to však bylo dosti nevýhodné vzhledem k tomu, že
stopy na okraji disku jsou podstatně delší než vnitřní stopy blízko jeho středu. U
nových typů disků se počet sektorů na stopě mění podle polohy stopy - na vnějších
stopách je větší počet sektorů, než na vnitřních.
Sektor
Stopa
Obr. Sektory a stopy
Další pojem, používaný v souvislosti s disky je pojem cylindr, neboli válec.
Tento pojem se používá tehdy, je-li na disku více než jedna záznamová plocha (a
to je dnes prakticky vždy). Označuje jakýsi „válec“, tvořený stopami se stejným
pořadovým číslem v různých záznamových vrstvách nad sebou. Počet cylindrů
zároveň určuje i počet stop v jednotlivých záznamových vrstvách.
Nejmenší adresovatelná plocha na disku se nazývá cluster a je tvořena
jedním nebo několika sektory. Znalost velikosti clusteru u konkrétního disku je
důležitá - uložíme-li na disk třeba i jen 1 B informace, obsadíme tím celý jeden
cluster (další informace může být uložena až do následujícího clusteru). V
84
8
operačním systému DOS platí zásada, že čím větší je kapacita disku, tím větší jsou
clustery (a tím menší je efektivnost využití kapacity disku).
Logická organizace ukládání informací je na disk předpokládá, že je
informace ukládána v podobě tzv. souborů, což jsou jakési bloky informací,
tvořící určitý logický celek. Jednotlivé soubory jsou rozlišovány pomocí jména a
přípony, označující obvykle typ informací uložených v příslušném souboru (Tedy
např. soubor DOPIS.602 má jméno „DOPIS“ a koncovku 602, označující, že jde
o textový soubor vytvořený textovým editorem T602. Jak již názvy napovídají,
obsahuje textový soubor určitým způsobem zakódovaný text. Textové editory jsou
potom programové produkty měnící počítač v jakýsi „inteligentní psací stroj“).
Další organizace informací závisí na použitém operačním systému. Dnes
stále nejčastěji používaný operační systém DOS (bude podrobněji popsán v
příslušné kapitole) ukládá soubory na disk tak, aby byla co nejlépe využita plocha
disku. Záznamy o uložených souborech se zapisují do tabulky FAT, uložené
obvykle v nulté stopě (na vnějším okraji) disku.
Tabulka FAT obsahuje popis disku (kapacita, počet cylindrů, sektorů,
jméno disku atd.), tabulku obsazení clusterů (každý cluster může být volný - do
něj je možno zapisovat, obsazený - z něj je možno číst, nebo blokovaný poškozený, nebo obsazený např. tabulkou FAT) a tabulku souborů. Pro každý
soubor je v tabulce uloženo jeho jméno, přípona, velikost v bytech, datum a čas
posledního uložení, atributy (např. určující, že z určitého souboru je možno jen
číst apod.) a poloha prvního clusteru souboru. Pokud soubor zabírá více než jeden
cluster, je na konci každého clusteru odkaz ve kterém clusteru soubor pokračuje.
Tabulka
FAT
Poloha
1. clusteru
Odkaz na další
1. cluster
Odkaz na další
2. cluster
vadný cluster
Konec
souboru
3. cluster
Obr. - Uložení souboru do clusterů
Z toho plyne, že soubor nemusí na disku tvořit souvislý úsek, ale může být
uložen na dvou či více místech. Tím je sice zaručeno efektivní využití volné
plochy na disku, činnost disku se tím však zpomaluje, protože při čtení jednoho
souboru musí docházet k přesunu čtecích a záznamových hlav do nové pozice.
Doporučuje se proto čas od času provést tzv. defragmentaci disku, to znamená
přerovnání clusterů na disku pomocí speciálního programu tak, aby jednotlivé
soubory tvořily opět souvislé celky.
Před použitím disku je třeba provést tzv. formátování, při kterém se na
povrchu disku vyznačí sektory a stopy a tabulka FAT se připraví pro záznam.
Formátováním se jakékoliv informace uložrëné na disku ztrácejí.
85
86
Nevýhodou operačního systému DOS je použití 16-bitového identifikátoru
jednotlivých útvarů (souborů a adresářů) na disku, to znamená, že jich celkem
může být 65536. U velkých pevných disků (s kapacitou větší než 1 GB) potom i
relativně malý soubor obsadí 1/65536 disku, což mohou být i desítky kB. Proto se
postupně prosazují jiné operační systémy, jako je třeba WindowsNT, OS/2 nebo
nejnovější verze Windows 95, které organizují záznamy o uložení jednotlivých
útvarů na disk odlišný způsobem. Podrobněji se k této problematice vrátíme v
kapitole o operačním systému.
8.1.2.2.1 Pevné disky
Pevné disky jsou tvořeny jedním až osmi hliníkovými kotouči, umístěnými
na společné hřídeli. Na těchto kotoučích je 2 až 16 záznamových ploch (vždy po
obou stranách kotouče). Kotouče jsou umístěny v prachotěsně uzavřeném pouzdře
spolu s čtecími a záznamovými hlavami a jejich mechanikou. Součástí pevného
disku je i motor s hnacím hřídelem, deska s plošnými spoji a elektronikou a
rozhraní.
Součástí pevných disků je i mikrořadič, který se stará o řízení pohonu. V
paměti ROM je výrobcem vytvořený program provádějící kódování a dekódování
dat a pokoušející se pomocí několika rutin napravovat chyby, vzniklé při čtení. U
dobrých disků je součástí řadiče i disková paměť CACHE, umožňující dále
urychlit komunikaci mezi počítačem a diskem tím, že data z paměti počítače jsou
rychle zapsána do této polovodičové paměti CACHE a na disk jsou
zaznamenávána již nezávisle na další práci procesoru. Podobně i při načítání z
disku je vždy načtena i další část disku, než jen bezprostředně potřebná data, do
paměti CACHE. Pokud bude požadováno i její přečtení, jsou potřebné informace
již připraveny v paměti CACHE a jejich načtení je téměř okamžité. Podrobněji se
budeme řadiči zabývat v následující kapitole.
Mechanika čtecích a záznamových hlav se stará o přesné nastavení hlav na
potřebnou stopu a sektor. Hlavy se v žádném případě nesmí dotknout povrchu
kotouče. Vzhledem ke značné rychlosti otáčení disků (3600 až 7200 a více otáček
za minutu) by došlo k odření záznamové vrstvy a nevratnému zničení všech dat,
která by v ní byla případně obsažena. Nastavení vzdálenosti od povrchu kotouče je
provedeno tak, že hlava má určitý aerodynamický tvar. Otáčením kotouče vzniká
proud vzduchu, tvořící jakýsi vzduchový polštář, na kterém se hlava pohybuje. Je
zřejmé, že magnetický disk je poměrně citlivý na otřesy a v době činnosti by proto
počítač neměl být např. přenášen. Při vypnutí počítače se hlavy musí automaticky
přesunout mimo záznamovou plochu kotoučů do tzv. zaparkované polohy
(obvykle na nejvnitřnější stopě).
Čím přesnější je nastavení polohy čtecích a záznamových hlav, tím přesněji
může pracovat záznam (tím větší je i kapacita disku) a tím rychlejší může být i
čtení. U velkokapacitních disků je potom celá jedna záznamová plocha vyhrazena
pro záznamy tzv. indexových stop, umožňujících přesné nastavení polohy čtecích
a záznamových hlav.
Velmi důležitý je i pohon tohoto nastavovacího mechanismu. Provádí se
buď krokovým motorem, nebo lineárním motorem (u moderních disků převládá
nastavování lineárním motorem, který umožňuje přesnější nastavování polohy,
včetně kompenzace případných vlivů změn teploty pomocí indexových stop).
Otáčení hřídele disků zajišťuje tzv. synchronní motor, který je schopen
trvale udržovat konstantní otáčky. Po dlouhou dobu byly standardní otáčky 3600
86
8
otáček za minutu, v poslední době se však významní výrobci disků snaží zrychlit
činnost zařízení zvýšením otáček disků na 5400 až 7200 a více otáček za minutu.
U běžných počítačů se pevné disky otáčejí neustále, bez ohledu na to, jsou-li
či nejsou-li využívány. Postupně se však šíří energeticky úsporná koncepce
počítačů, kdy jsou speciálními řídicími obvody postupně vypínány všechny
nevyužívané části počítače tak, aby bylo dosaženo úspor elektrické energie.
Vzhledem k tomu, že se těmito metodami povedlo uspořit přes 90% energie a
vzhledem k rostoucím požadavkům na energetickou úspornost všech výrobků se
tato koncepce postupně stále více šíří.
Pevné disky jsou citlivé na prach, vnější magnetické pole, otřesy a zvýšenou
teplotu, proto je při instalaci více disků do jednoho počítače třeba dbát na
zachování dostatečného prostoru mezi disky, aby bylo zajištěno jejich dostatečně
kvalitní chlazení.
Kromě pevných disků, které jsou napevno zabudovány v počítači, se
poměrně rychle šíří i různé typy výměnných a externích pevných disků,
umožňujících více či méně snadný přenos informací mezi jednotlivými počítači.
Existují dva základní přístupy:
Výměnný pevný disk může být proveden dvěma základními způsoby.
Může jít o běžný typ pevného disku, zamontovaného do speciálního rámečku,
vybaveného v zadní části normalizovaným konektorem. Propojovací vodiče z
řadiče počítače jsou potom vyvedeny na obdobný protikonektor, do kterého je
možno disk zapojit pouhým zasunutím rámečku do příslušných vodicích drážek až
do koncové polohy. Takovéto disky mají potom stejné vlastnosti, jaké by měl
použitý pevný disk, pokud by byl zabudován přímo do počítače.
Druhé řešení používá např. firma Syquest nebo IoMega. Do počítače je
zabudována speciální mechanika pro vkládání kazet (cartrige) s výměnným
pevným diskem. Tento disk se skládá obvykle z jednoho nebo dvou kotoučů,
umístěných v ochranném prachotěsném umělohmotném pouzdře. Po jedné straně
pouzdra je kovový kryt, který se po zasunutí kazety do mechaniky odsune a
vsunou se dovnitř čtecí a záznamové hlavy. Tento typ disků má zatím o něco
menší spolehlivost a rychlost, než obdobné pevné disky, umožňuje však snadné a
velmi rychlé zálohování a přenos informací. Kapacita je v současnosti 135 MB u
firmy Syquest a až 540 MB u firmy NOMAI a 1070 MB u disků JAZ firmy
Iomega.
Externí pevný disk tvoří samostatná jednotka s vlastním napájením. K
počítači se připojuje buď přes rozhraní Fast SCSI-2, nebo přes paralelní port
počítače (v tomto případě je ovšem komunikace s diskem vcelku velmi pomalá).
Jinak je práce s takovým diskem po instalaci ovládacího programu externí
mechaniky obdobná jako s běžným pevným diskem.
Speciálním typem disku je tzv. Bernoulliho disk. Jeho kotouče nejsou na
rozdíl od běžných pevných disků z hliníku, ale z pružné plastické hmoty. Rychlým
otáčením se docílí napnutí kotouče odstředivou silou. V případě otřesů nebo
proniknutí nečistot do pouzdra disku se disk prohne a aerodynamické působení
automaticky posune i čtecí a záznamové hlavy tak, aby nedošlo k dotyku hlav a
povrchu disku. Nebezpečí poškození disku je potom podstatně menší. V nedávné
době se těmto diskům předpovídala velká budoucnost, zatím se však tato
technologie výraznějším způsobem neprosadila.
Přes všechny pokusy o nalezení náhrady za pevné magnetické disky, ať již v
podobě magnetooptických disků, disků CD-RAM, nebo velkých pamětí
FlashEPROM (i o těch se uvažuje jako o náhradě pevného disku), jsou tyto disky
87
88
(především z ekonomických důvodů) nadále dominantním typem vnějších pamětí,
bez kterých se dnešní počítač neobejde.
Prohnutí
disku
Pouzdro
Disk
Nečistota
Hřídel
Obr. Princip Bernoulliho disku
8.1.2.2.2 Řadiče EIDE a SCSI 2
Úlohou řadiče disků je převod informace mezi počítačem a vnější pamětí.
Jde tedy o určité rozhraní. V průběhu vývoje se ustálily dvě hlavní normy tohoto
rozhraní, označované jako IDE (dnes tzv. „rozšířené IDE“, tedy EIDE),
používané u většiny osobních počítačů, a SCSI, dominující hlavně u serverů.
Rozhraní EIDE je určeno pro připojování pevných disků a jednotek ATAPI, tedy
mechanik CD-ROM a streamerů, celkem však na každý tzv. komunikační kanál
může připojit pouze dvě zařízení a obvykle je vybaveno jen dvěma takovými
kanály (může tedy standardně pracovat se čtyřmi zařízeními), rozhraní SCSI
umožňuje připojovat řadu různých zařízení, včetně grafických tiskáren, modemů
(modem je zařízení pro komunikaci mezi dvěma počítači po běžné telefonní
lince), scannerů (snímají psaný text nebo obraz a převádějí jej do počítače) atd.
Definice rozhraní SCSI 2 počítá s osmi připojenými jednotkami, z nichž jednou je
sám řadič, takže je k němu možno připojit sedm dalších zařízení.
U rozhraní EIDE je prakticky celá elektronika, řídící čtení a psaní na disk
a převádějící formát dat z podoby, která vystupuje v počítači do podoby potřebné
pro zápis na disk (kódování RLL nebo PRML), součástí základní desky disku.
Vlastní řadič EIDE pak může být buď naintegrován na základní desku, nebo může
mít podobu přídavné karty, zapojované do slotu. Velmi záleží na tom, je-li řadič
připojován na pomalou sběrnici ISA, nebo na rychlou sběrnici PCI. V prvním
případě je rychlost komunikace mezi počítačem a diskem v podstatě dána
rychlostí sběrnice, která tvoří nejpomalejší článek řetězce, v druhém je možno
využívat maximálních přenosových rychlostí, definovaných pro toto rozhraní.
Důležité je, že elektronika pevného disku přímo rozumí příkazům z
počítače a že není nutný žádný překlad. Data z disku potom také jdou v podobě,
kterou může již počítač bezprostředně zpracovávat. Součástí řadiče je obvykle
paměť CACHE o kapacitě až 2 MB, která podstatným způsobem urychluje
komunikaci mezi řadičem a počítačem (data se uloží do této paměti a o jejich další
přenos na disk už se stará řadič sám).
Hlavní výhodou řadiče EIDE je jeho relativně nízká cena. Rychlost a
spolehlivost je o něco nižší, než u řadičů s rozhraním SCSI.
Rozhraní SCSI vyžaduje specializovaný řadič (obvykle ve formě přídavné
karty, připojované na slot sběrnice ISA nebo PCI), překládající příkazy z počítače
do speciálního řídícího jazyka sběrnice. V současné době se používá převážně
specifikace SCSI-2, umožňující dvě další modifikace - Fast-SCSI a Wide-SCSI.
88
8
Fast-SCSI používá tzv. synchronní přenos dat, to znamená, že přenos
probíhá v taktech o frekvenci 10 MHz, takže je možno dosáhnout rychlostí
přenosu až 10 MB/s. V každém taktu se přenáší celý blok informací a správnost
přenosu je kontrolována po přenosu každého bloku.
Wide-SCSI znamená, že přenos není 8-bitový, jako byl standardně u SCSI,
ale 16-bitový nebo dokonce 32 bitový. Zařízení potom vyžaduje speciální
propojovací kabely a konektory, přenos se tak dále zrychluje.
Je možná i kombinace obou norem Fast a Wide a dosažení rychlosti až
40MB/s (při 32 bitovém Wide-SCSI). Použití SCSI se jednoznačně vyplácí u
dokonalejších operačních systémů, než je DOS (např. u WindowsNT).
Kromě mnoha jiných výhod umožňuje SCSI u pevných disků i měnit pořadí
provádění příkazů tak, aby se minimalizovaly přesuny čtecích a záznamových
hlav, čímž se dosti podstatně zrychluje činnost disku. Jednotlivá zařízení,
připojená na společnou sběrnici řadiče, se o tuto sběrnici dělí podle svých priorit.
Ovládání sběrnice zajišťuje tzv. technika arbitráže sběrnice, která umožňuje
připojené jednotce v případě provádění složitého příkazu uvolnit sběrnici a
zpřístupnit ji po tu dobu jiným zařízením. Tím se podstatně snižuje nebezpečí
„zahlcení sběrnice“.
Určitou nevýhodou je kromě vyšší ceny rovněž o něco složitější
konfigurace. Všem zařízením, připojeným na řadič SCSI musí být přiřazeno
identifikační číslo ID (obvykle pomocí přepínače) v rozmezí 0 až 6 (řadič sám má
číslo 7). Poslední zařízení, u kterého sběrnice řadiče SCSI končí, musí obsahovat
koncový odpor, tzv. terminátor, zaručující potřebné elektrické parametry celé
sběrnice (některá zařízení pro SCSI obsahují přepínač, kterým je je možno nastavit
jako poslední zařízení na sběrnici a zapojit terminátor uvnitř těchto zařízení).
Vcelku je možno konstatovat, že řadiče a zařízení podle normy SCSI
vycházejí dražší, jsou však rychlejší a spolehlivější. Typické použití těchto řadičů
je v současnosti u serverů, u běžných počítačů se používají jen vzácně.
V současnosti se pracuje na normě rozhraní SCSI-3, která by měla umožnit
připojit na jeden řadič až 32 zařízení, pracovat s optickými vlákny atd.
8.1.2.2.3 Pružné disky (diskety)
V současné době jde o nejrozšířenější vnější paměť, sloužící především k
zálohování informací a k přenosu informací mezi jednotlivými počítači
(včetně např. instalace nových programů). V současné době se používají prakticky
pouze diskety o průměru 3.5“ (palce). V operačním systému DOS se tyto diskety
naformátovávají na kapacity 720 kB nebo 1,44 MB. Pomocí speciálních programů
(např. FDREAD) je možno tuto kapacitu zvýšit až na 2,1 MB, ovšem za cenu
podstatného snížení spolehlivosti záznamu.
Vlastní disk je tvořen kotoučem z pružné fólie, pokrytým po obou stranách
magnetickou záznamovou vrstvou. Uprostřed kotouče je hliníkový unášecí
kotouč, sloužící k zachycení disku v mechanice. Kotouč je uzavřen v pevném
ochranném pouzdře z umělé hmoty. Vnitřní strana pouzdra je pokryta vrstvou
filtračního papíru, jejímž úkolem je stírat z diskety prach a jiné drobné nečistoty. V
pouzdře je otvor pro střední unášecí kotouč disku (po jedné straně pouzdra), pro
čtecí a záznamové hlavy a pro případný zákaz zápisu na disketu.
Otvor pro čtecí a záznamové hlavy je kryt posuvným hliníkovým
pouzdrem, které se po vložení diskety do mechaniky automaticky odsune. V
89
90
hliníkovém unášecím kotouči jsou dva čtvercové otvory. V disketové mechanice je
jakási „vidlička“, která může do těchto otvorů zapadnout pouze jediným
způsobem. Je tak přesně definována základní poloha disku pro určování čísel
sektorů.
Podíváme-li se na disketu z té strany, na které je hliníkový unášecí kotouč,
vidíme v pravém dolním rohu otvor pro ochranu diskety proti zápisu. Otvor je
možno odkrývat a zakrývat pomocí přepínače. Je-li otvor odkrytý, je na disketu
zakázán zápis. Otvor v opačném rohu určuje standardní kapacitu diskety.
Kryt otvoru čtecích
a záznamových hlav
Otvory pro
hřídel
Hliníkový
unášecí
kotouč
Hustota
záznamu
Zákaz
zápisu
Obr. Disketa 3,5“
Aby bylo možno používat pružné disky - diskety, musí být počítač vybaven
disketovou mechanikou odpovídajícího typu. Mechanika může být umístěna ve
vodorovné nebo ve svislé poloze. Její ovládání je velmi jednoduché. Disketa se do
ní vkládá tak, že kryt otvoru pro čtecí a záznamové hlavy je vpředu a hliníkový
kotouč je na té straně, kde je ovládací tlačítko mechaniky (vzhledem k tomu, že
správnou polohu diskety v mechanice zaručuje i seříznutí jednoho rohu diskety, je
její nesprávné vložení do mechaniky prakticky nemožné).
90
9
Otvor pro vložení diskety
Kontrolka
Ovládací tlačítko
pro vysunutí diskety
Obr. Disketová mechanika
Disketa se do mechaniky zatlačí tak daleko, až do ní sama zapadne. Potom
je připravena k práci. Pokud svítí signalizační kontrolka na disketě, probíhá na ní
záznam nebo čtení a neměla by být z ní vyjímána disketa (ani by, např., neměl být
vypínán počítač). Vyjmutí diskety z mechaniky se provádí obvykle mechanicky stisknutím ovládacího tlačítka. Některé počítače (např. od firmy Apple) jsou
vybaveny disketovými mechanikami s elektrickým vysunováním diskety. Výhodou
je, že není možno vyjmout disketu před ukončením zápisu na ní (nebo čtení z ní).
Nevýhodou je, že není možné vyjmout disketu z vypnutého počítače (např. při
výpadku proudu.
Disketa se otáčí pouze když dochází k zápisu nebo ke čtení. Čtecí a
záznamové hlavy se přitom dotýkají povrchu diskety (jako u pásek). Rychlost
otáčení diskety je tedy podstatně menší než u pevných disků - přesto při
dlouhodobém a častém používání dochází k poškození magnetické záznamové
vrstvy otěrem. Dalšími negativními vlivy, vedoucími k poškození záznamu, je
působení vnějšího magnetického pole (např. kolem některých elektrických
spotřebičů), pobyt v prašném prostředí a vliv teploty (k poškození záznamu někdy
stačí ponechat disketu v létě po určitou dobu na přímém slunečním světle).
Celkově jsou diskety ne příliš spolehlivým záznamovým médiem.
Vzhledem k nepřesnému nastavování polohy čtecích a záznamových hlav
disketových mechanik je potenciální kapacita magnetického povrchu diskety
využívána jen velmi nedostatečně. To vedlo některé výrobce, především firmu
Iomega, k vývoji speciálních tzv. floptických disket a disketových mechanik
(např. typu Iomega Zip 100 MB). Vzhledem se floptické diskety prakticky neliší
od běžných 3,5“ disket, jsou pouze o něco málo silnější. Floptické mechaniky jsou
běžně schopny pracovat i s normálními disketami. U floptických disket však velmi
přesně nastavují polohu čtecích a záznamových hlav pomocí laserového paprsku,
což jim umožňuje podstatně lépe využívat potenciální kapacitu povrchu diskety.
Tento typ disket je možno naformátovat až na kapacitu 100 MB. Nevýhodou je
pomalý zápis a čtení. Používají se především pro zálohování velkých souborů dat.
Ovládání disketové mechaniky zajišťuje opět řadič - EIDE nebo SCSI.
Vzhledem k relativní pomalosti celého zařízení nezáleží příliš na kvalitě řadiče,
obecně jsou však mechaniky s rozhraním SCSI-2 o něco rychlejší.
91
92
8.1.3 Optické paměti
Pro všechny typy optických pamětí je typický jeden společný princip čtení
dat, založený na odrazu laserového paprsku od povrchu záznamového média.
Obecně je rozlišujeme na CD-ROM a CD-RAM.
8.1.3.1 Paměti CD-ROM
Paměti CD-ROM, jak už sám jejich název napovídá, jsou určeny pouze pro
čtení. Pracují na obvyklém principu CD disků, používaných i pro záznam zvuku.
Existují dvě základní provedení.
Lisované CD-ROM se vyrábějí z umělé hmoty, do které je vylisován
záznam v podobě drobných prohlubní na povrchu disku, anglicky označovaných
jako „pit“ (velikost prohlubní je několik mm). Povrch disku je po té pokryt vrstvou
zlata nebo hliníku, schopnou dobře odrážet světlo, a ochranným lakem s potiskem.
Prohlubně tvoří na povrchu disku spirálovou stopu od středu k okraji.
Laserový paprsek, vysílaný diodovým laserem snímacího zařízení, musí mít
velmi krátkou vlnovou délku, aby bylo dosaženo přesného rozlišení i velmi
malých nerovností. Dopadne-li paprsek na hladkou plochu („land“), odrazí se zpět
do snímače. Projde čočkami a odrazem o malý hranol dopadne na fotodiodu
snímače, která jej převede na elektrický signál. Po dopadu na prohlubeň („pit“) se
však paprsek rozptýlí, takže na fotodiodu světlo nedopadne.
Potisk
Ochranný lak
"land"
odraz
"pit"
Vrstva průhledné
umělé hmoty
(polykarbonátu)
paprsek
čočka
snímač
světla
optický
hranol
diodový
laser
Obr. Čtení z CD-ROM
Snímač kvalitně rozeznává přechody plocha-prohlubeň (tedy odraz-rozptyl).
Normálním stavem na CD je neustálé střídání těchto stavů. Platí, že toto
rovnoměrné střídání představuje hodnotu 0, nerovnoměrnosti se interpretují jako 1.
Pro dobré rozlišení stavu musí být mezi několik po sobě jdoucích 1 vkládány 0.
Pro záznam 1 B (8 bitů informace) se proto musí používat 14 bitů záznamu na CD.
92
9
Tento způsob záznamu se označuje jako modulace EFM (Eight to Fourteen
Modulation - modulace osm na čtrnáct). Kromě 14 optických bitů obsahuje
záznam jednoho bytu ještě další tři pro odstranění rušení a zlepšení synchronizace.
Celkem tedy zápis 1 B obsadí 17 bitů. Další bity jsou nutné pro zabezpečení dat a
opravu případných chyb.
Kapacita CD je rozdělena na jednotlivé úseky - sektory. Sektory se označují
jako velké rámce („Large Frame“) a jsou dále rozděleny na 98 malých rámců
(„Small Frame“). Malý rámec je nejmenší skupinou informací na CD, obsahuje
24B informací a 8 B pro zjištění a opravu chyb (v těchto 8 bytech je ještě jednou
zakódováno 24 bytů informace tak, aby bylo možno zjistit, ve kterém bitu nastala
chyba a případně ji opravit). Při příliš velkém narušení malého rámce však již
oprava nemusí být možná a dochází ke ztrátě informace.
Kapacita sektoru u CD-ROM bývá obvykle 2353 B. Po odečtení
synchronizačních a zabezpečovacích bytů a 4 B pro přesné adresování sektoru
zbývá informační kapacita sektoru 2 kB. Po přečtení dat provede mechanika
nejprve kontrolu přečtených dat pomocí parity, potom se je v případě chyby pokusí
pomocí zabezpečovacích bytů opravit.
Mechaniky CD-ROM jsou vybavovány vysoce kvalitními krokovými
motorky, které umožňují rychle a přesně měnit otáčky motorku. U pamětí CDROM je totiž použita metoda CLV (Constant Linear Velocity - konstantní lineární
rychlost), to znamená, že čtecí hlava se nad libovolnou částí disku pohybuje vždy
konstantní rychlostí. Musí se proto měnit otáčky disku podle polohy čtecí hlavy
(např. u zvukových CD jsou ve vnitřní oblasti disku otáčky 530/minutu, ve vnější
jen 200/minutu - tím se dosahuje konstantní rychlosti čtení dat 176 kB/s). Potřeba
nastavovat otáčky při přechodu na novou polohu čtecí hlavy způsobuje relativně
dlouhou dobu přístupu - 110 až 400 ms (u pevných disků bývá 10 až 15 ms).
Špičkových výkonů dosahují jednotky s násobky této původní standardní rychlosti
- bylo již dosaženo až 16 násobku (únor 1997). Doba přístupu u těchto mechanik
poklesla na 90 ms. Jde zatím o špičková a drahá zařízení. Jednotky se
čtyřnásobnou a vyšší rychlostí jsou však dnes již zcela běžné.
Mechaniky CD-ROM se obvykle připojují obdobným způsobem jako pevné
disky - buď na rozhraní řadiče EIDE nebo SCSI-2.
Vypalované CD-ROM si většinou vytvářejí sami uživatelé na speciálním
vypalovacím zařízení. Jejich základem je disk CD-R (Compact Disc Recordable).
V plykarbonátovém kotouči je vylisována vodicí drážka pro laser. Povrch je pokryt
vrstvou speciální organické barvy, na které je odrazová vrstvička zlata (zlato se
zde používá pro své dobré odrazové vlastnosti a pro chemickou odolnost proti
působení organické barvy). Při záznamu je paprsek laseru soustředěn na tuto
organickou vrstvu. V místě dopadu paprsku se spálí vrstvička zlata i organická
vrstva a vytvoří se zde malý hrbolek neodrážející světlo. Záznam je možno číst
běžným způsobem, popsaným u lisovaných CD-ROM (používá se i stejná
mechanika).
93
94
Potisk
Organické
barvivo
Zlato
Vypálené
místo
Umělá hmota
(polykarbonát)
Obr. Vrstvy u CD-R
8.1.3.2 Paměti CD-RAM
Jak již naznačuje název těchto pamětí, jde o média, umožňující záznam i
čtení. Způsob čtení je opět založen na odrazu laserového paprsku od záznamové
vrstvy, který se určitým způsobem mění podle toho, jaká informace byla zapsána.
Způsob záznamu se liší - používá se nahřívání laserem, magnetické působení,
elektrické působení atd. Většinou tyto pamětí vychází ekonomicky neúnosně drahé
a jde zatím spíše o experimentální zařízení.
Mezi paměti CD-RAM můžeme do jisté míry řadit i jeden typ dnes již
používaných pamětí - magnetooptické disky. Jde o jeden z nejspolehlivějších
známých způsobů záznamu a uchovávání informací. I když jsou pořizovací
náklady těchto jednotek nadále několikanásobně vyšší, než např. u běžných
magnetických disků, dosahují již dnes vzhledem ke své velké kapacitě (4,6 GB)
ekonomicky přijatelného poměru ceny za jednotku uložené informace.
Využívají toho, že při teplotě kolem 150OC dosahují magnetické materiály
tzv. Courieho bodu, kdy mají velkou schopnost magnetické polarizace i slabým
magnetickým polem. Zahřátí povrchu disku se provádí výkonným laserovým
paprskem, vlastní záznam provádějí běžné magnetické hlavy (mohou však být
menší, než u magnetických disků a je možná větší hustota záznamu).
Vlastní zápis probíhá takto: Magnetická hlava se přepne do stavu 0 (severní
pól dole), laser se nastaví na vysoký výkon, ohřeje datový bit na Courieho bod a
magnetická hlava zapíše 0. Při druhém průchodu se ohřívají a zapisují jen ty body,
kam má být zapsána 1. Po téměř okamžitém vychladnutí disku jsou data
zabezpečena až do dalšího ohřátí. Vzhledem ke dvojprůchodovému způsobu
zápisu je rychlost záznamu zhruba poloviční než u magnetických disků.
Při čtení se používá fyzikálního jevu, označovaného jako Kerrův efekt.
Tento jev spočívá v tom, že dopadne-li na magneticky polarizovaný materiál
polarizovaný laserový paprsek (jeho světelné vlny jsou upraveny průchodem
polarizačním hranolem tak, že vlnění probíhá, velmi zjednodušeně řečeno, jen v
jednom směru), dojde k pootočení tohoto paprsku asi o 1O buď proti směru
hodinových ručiček (u polarity odpovídající 0), nebo po směru hodinových ručiček
(odpovídá 1). Čtecí elektronika zjistí pootočení laserového paprsku a předá
výsledek k dalšímu zpracování. Laser při čtení pracuje se sníženým výkonem, aby
nedošlo k nežádoucímu zahřátí povrchu disku. Čtení je jednoprůchodové a probíhá
obdobnou rychlostí jako u magnetického disku.
94
9
Magnet
Energetický
laser
Nízkoenergetický laser
Pootočení podle
směru
mag. polarizace
Zahřátá zóna
Směr mag. polarizace
Zápis na magnetooptický disk
Čtení z magnetooptického disku
Obr. Princip magnetooptického disku.
Další zlepšení nabízí přechod k jednoprůchodovému zápisu metodou
LIMM (Light Intensity Modulation Method - metoda modulace intenzity světla) a
nového typu disků DOW (Direct Overwrite - přímý přepis). Tyto disky, nabízené
firmou APEX, by se mohly do jisté míry stát vhodnou alternativou běžných
magnetických disků. Mechanika pro tyto disky se cenově pohybuje v současnosti
(počátek 1997) kolem 45 000,- Kč (včetně jednoho disku - to znamená cena 11
Kč/MB), další náhradní disky je možno pořídit již za 5300,- Kč.
Novým typem disků, které by se měly postupně stát standardem, jsou disky
typu CD-RW (Read-Write - tedy čtení i zápis). Jejich povrch je tvořen vrstvou
speciální látky, která podle teploty, na níž je zahřáta, ztuhne buď v krystalické
nebo v amorfní podobě. Původně se celá vrstva zahřeje na vyšší teplotu a nechá se
ztuhnout v amorfním stavu. Při záznamu jsou vybraná místa zahřívána
energetickým laserem na nižší teplotu, při které ztuhnou v krystalickém stavu.
Čtení se provádí nízkoenergetickým laserem, rozdíl v odrazivosti mezi
krystalickým a amorfním povrchem je asi 20%. Tento rozdíl nestačí pro běžné
mechaniky CD-disků, od příštího roku (1998) by se však takové rozlišení mělo
podle dohody výrobců stát standardem. Smazání záznamu se provádí opět
energetickým laserovým paprskem, který povrch zahřeje na teplotu nutnou pro
dosažení amorfního stavu po ztuhnutí. Jde tedy o určitou obdobu pamětí EPROM.
95
96
9 Grafický subsystém
Grafický subsystém se skládá ze dvou částí - grafické karty a
elektrooptického měniče - monitoru.
Grafická karta slouží k převodu binární informace z počítače na elektrický
signál pro monitor. I když v některých případech je součástí základní desky,
zapojuje se obvykle do slotu jako přídavná karta. Počítač ji detekuje při rozběhu a
její nepřítomnost nebo špatnou funkci signalizuje zvukovým signálem „-....“. U
moderních počítačů se karta obvykle připojuje na sběrnici PCI vzhledem k tomu,
že mezi ní a pamětí počítače dochází k velkým přesunům informací, které je třeba
provádět co možná nejrychleji.
Monitor převádí elektrický signál z grafické karty na optickou informaci
srozumitelnou pro člověka. Z uživatelského hlediska rozlišujeme monitory na
monochromatické (černobílé) a barevné. Z hlediska fyzikálního principu, na
kterém monitor pracuje se používají monitory obrazovkové, dnes již málo
používané monitory plasmové a monitory LCD - s tekutými krystaly.
9.1 Grafické karty
Základním úkolem grafické karty je převod informace z binární podoby
na elektrický vstupní signál pro monitor. Aby převod proběhl co nejrychleji,
probíhá nejprve přenos mezi pamětí RAM počítače a pamětí grafické karty.
Tento přenos může probíhat 16 bitově nebo 32 bitově a jeho rychlost závisí na
typu použité sběrnice (dnes dominuje PCI, karty pro sběrnici ISA nebo EISA jsou
již pro současné grafické programy příliš pomalé).
Základní součástí karty je grafický procesor karty, zajišťující především
správné umístění informace v paměti karty (protože toto umístění určuje pozici
zobrazení na monitoru). V současné době všechny typy karet již do určité míry
patří mezi tzv. inteligentní karty. Původní karty, označované jako CGA, EGA,
VGA nebo SVGA, byly bez inteligence to znamená, že všechny úpravy obrazu
musel provádět přímo procesor počítače. To jej značně zpomalovalo a celkově se
tím při složitějších grafických programech zpomalovala činnost počítače. Proto se
postupně přechází ke kartám se stále větší mírou vlastní inteligence - to znamená,
že procesor počítače např. předává kartě jen některé body obrazu a grafický
procesor karty si sám dopočte spojovací křivky mezi těmito body. Omezením
objemu přenášené informace a přenesením části výpočtů (např. při přesunech
objektu po ploše monitoru) na grafický procesor karty se velmi podstatně
zrychluje činnost celého počítače.
Grafický procesor řídí činnost karty ve dvou základních režimech činnosti znakovém režimu a grafickém režimu. Rozdíl mezi těmito dvěma režimy je
především ve způsobu ukládání zobrazované informace do paměti.
Ve znakovém režimu je plocha monitoru rozdělena na určitý počet řádků
(např. 25) a na každém řádku se předpokládá určitý počet polí pro zobrazení znaků
(např. 80). Každé z těchto polí se skládá z určitého počtu jednotlivých bodů na
monitoru (řekněme 8 x 8 - to znamená, že obraz každého znaku je složen z osmi
sloupců a osmi mikrořádků). V paměti se potom ukládají pro každou takovouto
plochu, na které může být zobrazen jeden znak, 2 B informace - první byte
obsahuje kód znaku a druhý jeho atributy (barva, typ písma, zda svítí stále nebo
bliká, atd.). Adresa umístění v paměti přesně odpovídá umístění znaku na
obrazovce.
96
9
Pro každý kód znaku musí znakový generátor vyhledat znakovou matici
příslušného znaku, popisující z jakých bodů se skládá obraz znaku.
Obr. - Znaková matice
Znaky, pro které je vyhledávání prováděno, jsou uloženy do řádkové paměti
dat. Vlastní zobrazování na monitor probíhá potom po mikrořádcích. Další část
karty potom generuje čísla mikrořádků, znakový generátor vyhledává příslušné
znakové matice, odpovídající kódům znaků z řádkové paměti a předává na svůj
výstup v sériové podobě body na příslušném mikrořádku. Pokud bychom dokázali
sledovat vytváření obrazu na monitoru, viděli bychom, jak se příslušný text
postupně vykresluje zleva doprava v jednom mikrořádku a potom v dalším...
mikrořádky
Obr. Rozklad na mikrořádky
Každá grafická karta je vybavena základní sadou znaků, vycházející
většinou z anglické abecedy a uloženou ve speciální paměti ROM na kartě.
Chceme-li zobrazovat jinou sadu znaků (např. české abecedy), musíme pomocí
příslušného programu zavést do volné části paměti karty příslušné znakové matice.
Je to možné proto, že popis obrazu na monitoru ve znakovém režimu zabírá pouze
nepatrnou část paměti grafické karty.
Informace ze znakového generátoru má podobu řady 0 a 1. Musí tedy
následovat číslico-analogový převodník D/A, který tyto logické hodnoty převede
na elektrické zobrazování na monitoru. Po zapnutí počítače je karta vždy ve
znakovém režimu, do grafického režimu je přepínána programem, který grafické
zobrazování vyžaduje.
V grafickém režimu je plocha monitoru rozdělena na velké množství
elementárních plošek, tzv. pixelů (např. 1280 x 1024 u monitoru s vysokým
rozlišením). Každému pixelu potom odpovídá přesně určené místo v paměti
grafické karty. Pro každý pixel je zde uložena informace o jeho barvě.
Způsob uložení informace může být různý. Barevný obraz na monitoru se
obvykle získává skládáním tří barevných složek - červené, zelené a modré.
Jednou možností je uložení určitého počtu barevných odstínů (tedy údajů o tom, z
97
98
Řádkový dekodér
jaké intenzity jednotlivých složek je možno příslušný barevný odstín vytvořit) v
paměti ROM a jejich označení jednotlivými kódy, tedy vytvoření tzv. palety.
Barevné zobrazení potom spočívá ve výběru příslušného barevného odstínu pixelu
podle kódu, který je uložen na příslušném místě v paměti.
Jiný způsob spočívá v rozdělení paměti karty na tři stejně velké a společně
adresované části. V každé z nich je uložena jedna barevná složka (červená, zelená,
modrá). Přečtením adresy odpovídající zobrazovanému pixelu získáme tři čísla,
udávající intenzitu jednotlivých složek, jejichž smísením vznikne požadovaná
barva.
Velikost a typ paměti karty tedy do značné míry určuje kvalitu grafické
karty. V současnosti se na grafických kartách používají paměti DRAM, VRAM,
WRAM a 3D-RAM.
4 x 512 x 512 bitů
paměťových buněk
Zesilovače
Dekodér
adresy
AB
Sloupcový dekodér
DB
Obr. Paměť DRAM
Paměť DRAM je klasická dynamická paměť EDO RAM. Má jeden
společný vstupní a výstupní paralelní port, to znamená, že do paměti bylo vždy
možno pouze buď zapisovat, nebo z ní číst. Musí být doplněna obvodem pro
převod dat z paralelní podoby do sériové - posuvným registrem. Relativní
pomalost těchto pamětí způsobuje určité problémy, proto se výrobci snaží
dosáhnout maximální „paralelizace“ paměti vhodnou organizací jednotlivých
chipů, tvořících paměť grafické karty.
98
9
Systémová sběrnice
6 x 256K x 4 bity
DRAM
DRAM
DRAM
DRAM
DRAM
a
PIXELY
0,5,10,...
PIXELY
1,6,11,...
b
DRAM
c
e
d
Monitor
POSUVNÉ REGISTRY
A Č/A PŘEVODNÍKY
Řádkový dekodér
Obr. Organizace DRAM (sloupce)
Jeden z možných způsobů organizace je rozdělení plochy monitoru na
jednotlivé sloupce, z nichž každý je uložen v jednom paměťovém chipu, o dalším
způsobu, spojeným se záznamem barev, se zmíníme dále v popisu činnosti
grafické karty.
Paměť VRAM (VideoRAM) je speciálně upravenou pamětí DRAM s přímo
zabudovaným posuvným registrem pro převod paralelní informace na sériovou.
Má dva na sobě nezávislé porty - sériový a paralelní. To jí umožňuje prakticky
zároveň přebírat přes paralelní port data z počítače a přes sériový je předávat k
dalšímu zpracování grafické kartě. Tím se činnost paměti velmi podstatně
zrychluje, vzhledem k větší složitosti paměťových obvodů jsou však tyto paměti
zatím podstatně dražší, než častěji používané paměti DRAM.
4 x 512 x 512 bitů
paměťových buněk
Zesilovače
Dekodér
adresy
AB
Sériový datový registr
DB
(sériový)
Sloupcový dekodér
DB
(paralelní)
Obr. Paměť VRAM
Paměť WRAM (WindowsRAM) vznikla dalším zdokonalením paměti
VRAM. Doplňuje paměť dalšími pomocnými obvody, zaměřenými na přesuny
99
100
velkých bloků dat z jedné oblasti paměti do jiné oblasti - posuny jednotlivých
objektů po ploše monitoru, velmi často používané v systému Windows, totiž
prakticky znamená právě přesun bloku dat z jednoho místa v paměti na jiné místo.
U běžných typů pamětí tento přesun musel provádět procesor, což jej do značné
míry zatěžovalo. V pamětech WRAM tuto úlohu přebírají pomocné obvody uvnitř
paměti a procesor se může věnovat jiné činnosti.
Specifickým typem paměti je paměť 3D-RAM, používaná ve špičkových
grafických kartách pro počítačovou animaci nebo pro přesné „trojrozměrné“
zobrazování objektů např. při projektantských pracích. Paměť je zde rozdělena na
jednotlivé části, zaznamenávající jakési za sebou ležící „plochy“ obrazu. Pohyby a
posuny mohou probíhat ve všech těchto plochách, přičemž je vždy propočítáván
průmět na plochu monitoru, korigovaný navíc „úhlem pohledu“. Výsledkem je
velmi dokonalá iluze trojrozměrného prostoru.
Předávání informací mezi jednotlivými funkčními celky grafické karty
probíhá o vnitřní sběrnici grafické karty. Dnes je běžná 32 bitová a 64 bitová
sběrnice, někteří výrobci již dnes přecházejí na 128 bitovou vnitřní sběrnici
grafické karty. Šířka sběrnice do značné míry určuje vnitřní rychlost grafické karty
a patří mezi důležité charakteristiky grafické karty.
Podívejme se nyní na způsoby spolupráce mezi grafickou kartou a zbytkem
počítače. Nejprve si popišme tuto funkci na nejjednodušším příkladu, spolupráce s
kartou bez inteligence.
GRAFICKÁ KARTA
HLAVNÍ
PAMĚŤ
OBRAZOVÁ
PAMĚŤ
NADŘAZENÝ
MIKROPROCESOR
GRAF.
PROCESOR
RAM
DAC
MONITOR
Obr. - Spolupráce s kartou bez inteligence
V tomto případě jsou jakékoliv změny na monitoru prováděny přímo
procesorem počítače, který musí např. určit a správně do paměti karty umístit
hodnoty pro všechny pixely, zobrazované v grafickém režimu. Procesor provádí
výpočty, výsledky ukládá ve vymezené části paměti RAM počítače. Příkladem
grafických funkcí, které musí procesor provádět, jsou operace BITBLT (přesun
informací z jedné oblasti paměti do jiné, odpovídající posunu objektu po
100
1
obrazovce), LINE (propojení dvou bodů úsečkou), nebo FILL (vyplnit určitou
oblast barvou). Odsud je výsledný obraz v binárním tvaru převáděn do obrazové
paměti na kartě a podle režimu zobrazování převeden adaptérem na tvar vhodný
pro zobrazování. Číslicově-analogový převodník provede převod na elektrický
signál potřebný pro monitor. Tento typ karet plně postačuje pro práci v znakovém
režimu, v grafickém režimu je taková karta při vyšším rozlišení příliš pomalá, i při
značné rychlosti procesoru je totiž závislá na rychlosti předávání informací po
sběrnici přes slot do grafické karty a tato rychlost značně omezena.
Dalším stupněm vývoje je osazení grafické karty koprocesorem, jako byl
např. 8514/A firmy IBM.
Obsah obrazové paměti není určován pouze nadřazeným procesorem, ale
část funkcí provádí na příkaz tohoto procesoru koprocesor (např. již uvedené
funkce BITBLT, LINE a FILL). Tím se podstatným způsobem omezuje zatížení
hlavního procesoru grafickými operacemi a činnost celého počítače se tak výrazně
zrychluje.
GRAFICKÁ KARTA
HLAVNÍ
PAMĚŤ
OBRAZOVÁ
PAMĚŤ
FUNKCE
KOPROCESORU
NADŘAZENÝ
MIKROPROCESOR
INSTRUKCE
PRO
KOPROCESOR
RAM
DAC
GRAF.
KOPROCESOR
MONITOR
Obr. Spolupráce nadřazeného procesoru s graf. koprocesorem
Další výrazný pokrok souvisí se zavedením grafických procesorů, jakými
byla např. karta TIGA, dodávaná firmou Texas Instruments (TI). Zatímco u
předchozích typů karet docházelo k přenosu obrazu v podobě bitmapy (tedy
přenos všech pixelů obrazu z paměti počítače do paměti grafické karty), používá
tento typ karet tzv. vektorovou grafiku, to znamená, že grafické kartě se předávají
pouze některé významné body obrazu a grafický procesor sám podle vnitřních
programů dopočítává spojovací čáry, výplně ploch atd.
101
102
GRAFICKÁ KARTA
HLAVNÍ
PAMĚŤ
PAMĚŤ
PROGRAMU
DRAM
OBRAZOVÁ
PAMĚŤ
NADŘAZENÝ
MIKROPROCESOR
CPU
ZAVÁDĚCÍ
PROM
FUNKCE
PROCESORU
INSTRUKCE
PRO
PROCESOR
RAM
DAC
GRAF.
PROCESOR
MONITOR
Obr. Spolupráce s graf. procesorem
Grafický procesor je jakýsi autonomní subpočítač s vlastními pamětmi ROM
a RAM a se sadou vlastních programů, z nichž část je napevno uložena v paměti
ROM a tvoří tzv. firmware a část se zavádí do paměti RAM pomocí programu,
spuštěného přímo v počítači - tzv. ovladače grafické karty.
U karet, označovaných jako grafické karty 3D umožňují programy
grafického procesoru propočítávat i perspektivu trojrozměrného objektu,
zobrazovaného na monitoru (buď pouze softwarově, nebo s využitím Z-bufferu,
který obsahuje polohu pixelu v ose Z trojrozměrné souřadnicové soustavy, nebo s
využitím výše zmíněné paměti 3D-RAM) a vytvářet odpovídající stínování.
Speciálním typem grafických karet jsou Windows akcelerátory, určené pro
urychlení práce v systému Windows. Nemají žádnou vlastní inteligenci, dosahují
však maximální rychlosti přenosu bloků informací mezi pamětí počítače a pamětí
karty pomocí sběrnice PCI, propojující paměť počítače a paměť grafické karty s
procesorem prakticky stejným způsobem, takže komunikace mezi nimi probíhá
prakticky stejnou rychlostí. Příkladem takových karet je karta Wingine.
U grafických karet, které jsou přímou součástí základní desky (např. u
notebooků) se v současnosti prosazuje model UMA (Unified Memory Access jednotný přístup do paměti). V tomto případě je paměť grafické karty integrální
součástí paměti RAM počítače, kterou hlavní procesor sdílí s grafickým
procesorem. Dosahuje se tak značných úspor paměťové kapacity - oblast
vymezená pro grafický procesor se mění podle potřeby, takže např. při práci ve
znakovém režimu zabírá jen malou část celkové paměti a zbytek je plně k
dispozici pro činnost hlavního procesoru.
Vzhledem k prudkému rozvoji grafických aplikací, včetně práce s
videosignálem, televizním obrazem atd. na počítači, se i grafické karty velmi
rychle rozvíjejí a prakticky každý rok se jejich rychlost a schopnosti pronikavě
zvyšují. Zároveň se rozvíjí i jejich programové vybavení, tedy ovladače
grafických karet. U 3D karet se např. prosazuje programové rozhraní Direct 3D,
102
1
vytvořené firmou Microsoft, které umožňuje jednotným způsobem vytvářet
grafické programy pro 3D karty nejrůznějších výrobců (prozatím byl přenos těchto
programů dosti komplikovaný). Lze tedy očekávat, že se velmi brzy objeví nové
principy, které nebylo v této kapitole možno popsat.
9.2 Monitory
Úkolem monitorů je převádět elektrický signál z počítače na optickou
informaci pro obsluhu. Podle fyzikálního principu činnosti rozeznáváme
obrazovkové monitory a monitory s tekutými krystaly (LCD) ( o plasmových
monitorech vzhledem k jejich omezenému použití nebudeme podrobněji psát). Dle
zobrazení rozeznáváme monitory monochromatické (černobílé) a barevné mohou být jak obrazovkové, tak i LCD.
9.2.1 Obrazovkové monitory
Základem obrazovkových monitorů je obrazovka. Jde o vakuovou
elektronku. Její přední široká a plochá část se označuje jako stínítko. V zadní
zúžené části obrazovky je elektronová optika. Ze žhavené elektrody, označované
jako katoda, jsou v ní emitovány elektrony. Pomocí velkého vnějšího napětí
(katoda má záporný potenciál, stínítko obrazovky kladný - napětí je asi 600 V)
jsou elektrony urychlovány od katody ke stínítku. Elektronová optika obsahuje
další záporně nabité elektrody, které tvoří z elektronů tenký paprsek.
Vychylovací cívky
Stínítko
Mřížka
Elektronová
optika
u
sk
yb
oh papr
el.
elektronový paprsek
luminofor
Obr. - ČB obrazovka
Kolem zúžené části obrazovky je věnec elektromagnetických cívek, jejichž
úkolem je vychylovat elektronový paprsek a pohybovat s ním po stínítku
obrazovky. Pohyb paprsku probíhá po řádcích. Paprsek začne v levém horním rohu
obrazovky a konstantní rychlostí přejíždí zleva doprava po prvním řádku. Na konci
řádku je „zhasnut“ a přeskočí zpět na levou stranu stínítka. Současně se posune o
jeden řádek směrem dolu, takže nyní bude přejíždět po druhém řádku atd. Po
projetí celé plochy stínítka opět zhasne a přeskočí zpět do levého horního rohu
stínítka a celý proces se opakuje. Počet průchodů řádkem za sekundu určuje
103
104
řádkovou frekvenci, počet průchodů celou plochou stínítka obrazovou frekvenci
monitoru. Abychom po zobrazení vnímali obraz bez blikání, musí být obrazová
frekvence větší než 60 Hz. U kvalitních monitorů bývá 80 - 120 Hz (tomu musí
odpovídat i rychlost použité grafické karty, aby „stihla“ plynule do monitoru
dodávat signál).
Plocha stínítka je pokryta luminoforem, což je speciální polovodičová látka
Dopadnou-li na ni elektrony o dostatečné energii, pohltí je a jejich energii vyzáří v
podobě světla. Luminofor tvoří na povrchu stínítka hustou síť bodů (až 1 800 000
bodů). Jas světla, které při průchodu elektronového paprsku příslušný bod vyzáří,
závisí na intenzitě elektronového paprsku. Tuto intenzitu mění napětí na mřížce,
kterou elektronový paprsek prochází po opuštění elektronové optiky. Toto napětí
je dáno elektrickým signálem z grafické karty (můžeme je měnit i ručně nastavováním jasu obrazu na monitoru).
Na stínítku tedy získáme matici bodů o různém jasu, kterou vnímáme jako
černobílý televizní obraz.
U barevných obrazovek jdou uvnitř obrazovky tři elektronové paprsky.
Jsou vychylovány společně, jejich body dopadu na stínítko jsou o něco posunuty
proti sobě a intenzita každého z nich je ovládána zvlášť samostatnou mřížkou.
Luminofor na stínítku není homogenní, skládá se z částí zářících červeně (R red), modře (B - blue) a zeleně (G - green). Optickým složením různě jasného
světla těchto základních barev je získán požadovaný barevný odstín.
Přesné zaměření paprsků pouze na příslušné body s luminoforem
odpovídající barvy je zaručeno tím, že je před stínítko uvnitř obrazovky umístěna
tenká stínicí maska, tvořená kovovou fólií o síle 0,15 mm. V této fólii jsou přesně
vyleptány otvory, odpovídající pozici plošek s luminoforem na stínítku. Materiál
fólie musí mít velmi malou teplotní roztažnost, jinak by docházelo k rozostřování
obrazu následkem zahřívání fólie během provozu obrazovky.
Podle rozmístění ploch s luminoforem rozeznáváme obrazovky se
zobrazením typu delta, trinitron, in-line a CromaClear.
U obrazovek delta tvoří kruhové plošky s luminofory jednotlivých barev
rovnostranný trojúhelník. Nevýhodu těchto obrazovek je deformace obrazu při
okrajích stínítka, způsobená „šikmým“ dopadem paprsku na stínítko v krajních
polohách. Musí proto být poměrně výrazně vyduté. U moderních monitorů však
dáváme přednost plochým obrazovkám.
modrá
B
G
R
červená
zelená
Obr. Delta
U obrazovek trinitron tvoří jednotlivé luminofory na stínítku svislé pásky.
Stínicí maska je tvořena tenkými svislými drátky, proměnná vzdálenost mezi nimi
umožňuje eliminovat zkreslení bodu na okrajích stínítka. Tvar stínítka odpovídá
povrchu válce a je podstatně plošší, než u předchozího typu. Rovněž dosahovaná
ostrost obrazu je podstatně vyšší, než u obrazovek delta. Nevýhodou je malá
104
1
mechanická pevnost stínicí masky, která se může např. vnějším magnetickým
polem výrazně deformovat. Tento typ obrazovek se u monitorů nadále vcelku
běžně používá.
RG B
červená
modrá
zelená
Obr. Trinitron
Obrazovky in-line mají rovněž luminofor uspořádaný do proužků, stínicí
maska je však pevná a jsou v ní vytvořeny protáhlé otvory. I když má ještě lepší
vlastnosti, než obrazovka trinitronová, byla výroba stínicí masky s požadovanou
přesností příliš nákladná a proto byl tento typ obrazovky trinitronovými
obrazovkami vytlačen.
Určitý návrat k této technologii představuje nový typ obrazovek
CromaClear, vyráběných firmou NEC. Zdokonalením technologie výroby
stínicích masek se povedlo vytvořit síť, tvořenou drátky (jako u trinitronu), ale
podstatně mechanicky odolnější (jako u in-line). Zpevnění bylo dosaženo
zabudováním zpevňujících příčných drátků a dalšími úpravami a tento typ
obrazovek dnes patří k nejkvalitnějším.
RG B
RG B
RG B
RG B
RG B
Obr. CromaClear
Je vcelku zřejmé, že kvalita monitoru bude kromě typu obrazovky a
obrazové frekvence záviset i na velikosti stínítka. Tato velikost se vyjadřuje
pomocí úhlopříčky stínítka, vyjádřené v palcích. Na trhu jsou monitory o
úhlopříčce 14“, 15“, 17“, 20“ a 21“. Při rozlišení (daném typem grafické karty)
800 x 600 pixelů stačí velikost 14“, pro 1024 x 768 pixelů je třeba 15 - 17“ a pro
1280 x 1024 (a vyšší) je nutno alespoň 20“.
105
106
Vcelku je možno říci, že obrazovkové monitory mají kvalitní obraz, jsou
relativně cenově přístupné a jsou proto i nejčastěji používaným typem monitorů.
Jejich nevýhodou je produkce nebezpečného záření, schopného poškodit po
delším působení zrak (je proto třeba používat monitory označované jako Low
Radiation, u kterých je toto záření odstraňováno zabudovanými filtry), nepříznivé
působení na nervovou soustavu vlivem blikání obrazu v případě nedostatečně
vysoké obrazové frekvence, velké rozměry a velká spotřeba elektrické energie.
9.2.2 Monitory LCD (s tekutými krystaly)
Světlo neprochází
Tekuté krystaly jsou anisotropní organické kapaliny (anisotropní znamená,
že mají v různém směru různé vlastnosti, dané v tomto případě tím, že
makromolekuly obsažené v těchto kapalinách se v určitém rozmezí teplot
samovolně uspořádávají do jakýchsi „vrstev“ - i když jde o kapalinu). V
monitorech se používají nematické tekuté krystaly, u kterých se všechny
makromolekuly uspořádají tak, že jejich osy směřují stejným směrem.
V klidovém stavu takovouto kapalinou volně prochází světlo ve směru os
makromolekul. Působením elektrického napětí dochází k posunu os makromolekul
v místě, kde napětí působí, a to se navenek projeví zvýšeným pohlcováním světla.
Velikostí napětí je možno buď měnit optické vlastnosti dvoustavově (světlo
prochází nebo neprochází), nebo plynule (bod postupně tmavne v řadě stupňů
šedi).
Světlo prochází
Obr. Nematický tekutý krystal
Vlastní monitor je potom tvořen dvěma průhlednými deskami (ze skla nebo
z průsvitné fólie), mezi kterými je kapalina tekutého krystalu. Na povrchu desek
jsou vytvořeny tenké průsvitné kovové elektrody, kterými je možno přenášet
napětí na vybraná místa na ploše monitoru. Za monitorem je potom zdroj světla.
Vytváření obrazu opět probíhá po řádcích, je však o něco pomalejší, než u
obrazovkových monitorů, proto bývá obvykle zobrazován celý řádek najednou,
nikoliv bod po bodu (jako u obrazovek).
106
1
+
-
společná elektroda
dělené elektrody
tato oblast
pohlcuje světlo
Obr. LCD Monitor
Barevné monitory mohou pracovat buď přidáním dichrotických barev do
tekutého krystalu (dichrotická barva je látka, jejíž barva závisí na orientaci
molekul vůči procházejícímu světlu), nebo rozdělením monitoru na několik vrstev,
z nichž v každé je do tekutého krystalu přidán barevný filtr.
První typ obsahuje molekuly barviva, rozptýlené v tekutém krystalu.
Molekuly barviva sledují natáčení molekul tekutého krystalu. V závislosti na
vzájemné orientaci procházejícího světla a molekul barviva dochází k pohlcování
určité vlnové délky procházejícího světla, což se projevuje jako zabarvení
příslušného bodu na určitý barevný odstín. Nevýhodou je, že jednotlivé pixely
musí být od sebe odděleny, aby nedocházelo k mísení kapaliny tekutých krystalů.
U druhého typu se monitor skládá většinou ze čtyř na sobě položených
společně prosvěcovaných vrstev. Barevné filtry zajišťují, že tekuté krystaly v
každé vrstvě pohlcují světlo určité barvy. Obvykle se používají stejné základní
barvy jako u barevných obrazovek - červená, modrá a zelená. Čtvrtá vrstva je
obvykle černá - smísením tří základních barev prosvěcovaných vrstev se obvykle
nedá dosáhnout kvalitní černý odstín. V každé vrstvě je zobrazována jen část
obrazu, na které se má příslušná barva podílet. Výsledný barevný obraz potom
vzniká společným prosvícením všech čtyř vrstev světlem.
černá
červená
zelená
modrá
procházející světlo
Obr. Barevný LCD display
Monitory s tekutými krystaly jsou ploché, mají malé rozměry, nepatrnou
spotřebu elektrické energie a v současné době již velmi kvalitní obraz.
Neprodukují žádné škodlivé záření, obraz na nich nekmitá a práce s těmito
monitory méně unavuje zrak. Jsou standardním vybavením přenosných počítačů notebooků. Vyrábějí se i v provedení, umožňujícím prosvícení intenzívním
zdrojem světla z projektoru a promítat tak obraz z počítače na promítací plátno např. při prezentaci možností nových počítačů, nových programů, při školeních,
při výuce apod..
Hlavní nevýhodou, bránící dosud jejich masovému rozšíření, je jejich cena.
Uvádí se, že z ceny notebooku téměř 50% tvoří cena LCD monitoru. Dokud další
pokrok technologie nesníží cenu těchto monitorů na úroveň srovnatelnou s cenami
107
108
obrazovkových monitorů, nelze očekávat, že se rozšíří mimo své dnešní oblasti
aplikace.
108
1
10 Periferní zařízení
Každý počítač využívá pro svou činnost řadu periferních zařízení,
připojovaných zvnějšku na jednotlivé konektory počítače. Jedno z výstupních
periferních zařízení - monitor - jsme popsali v kapitole o grafickém subsystému.
Nyní postupně popíšeme další typy periferních zařízení.
Jak jsme již dříve uvedli, dělíme periferní zařízení na
a) vstupní, mezi které řadíme klávesnici, zařízení pro komunikaci s
počítačem výběrem pozice na obrazovce, jako je například myš, trackball,
touchpad, joystick, kapsle, scanner, čtečka optického čárového kódu atd.
b) výstupní - monitor, tiskárna, plotter, zvuková karta, číslico-analogové
převodníky různého typu atd.
c) vstupní i výstupní - modem, síťová karta, různé externí diskové jednotky
apod.
10.1 Vstupní zařízení
10.1.1 Klávesnice
Klávesnice jsou jedním z nejstarších periferních zařízení, používaných u
počítačů. Připojují se na velký nebo malý pěti- nebo šestikolíkový konektor DINN,
vycházející přímo ze základní desky počítače. Komunikace mezi počítačem a
klávesnicí je řízena programem, uloženým v paměti ROM a označovaným jako
KeyboardBIOS.
Komunikace mezi počítačem a klávesnicí má charakter sériového přenosu.
Rozdělení klávesnic můžeme provádět podle dvou základních hledisek - podle
fyzikálního principu klávesy, nebo podle způsobu vyhledávání stisknuté
klávesy na klávesnici. Podle prvního hlediska rozeznáváme elektromechanické
klávesnice, kapacitní klávesnice, magnetické klávesnice a senzorové
klávesnice. Podle druhého hlediska rozeznáváme klávesnice s vyhledáváním
procesorem, pomocným obvodem, nebo s kodérem klávesnice.
Elektromechanické klávesnice pracují na principu běžného tlačítka. Na
membráně uvnitř klávesnice je vytvořena síť vodivých cest. Na klávese je pružný
můstek z pryže, pokryté kovem. Stisknutím klávesy můstek propojí dvě elektrody
na vodivých cestách. Propojení je potom vyhodnoceno jako signál o stisknutí
klávesy. Rozpojení po uvolnění klávesy zajišťuje vratná pružina.
Výhodou elektromechanických klávesnic je jejich relativně nízká cena a pak
především jejich odolnost proti nešetrnému zacházení. Jde o nejběžnější typ
klávesnic, dobře uplatnitelných např. ve školách a jinde, kde nelze zaručit šetrné
zacházení ze strany uživatele. Závady vznikají po delším používání oslabením
vratné pružiny. Rozpojení kontaktů potom není dost rychlé a klávesnice někdy
stisk vyhodnotí jako opakovaný znak, i když ve skutečnosti došlo jen k jednomu
stisku klávesy. Dalším zdrojem závad může být i postupné opalování kontaktů
nepatrnými výboji při rozepínání. Tyto výboje se projevují jako zákmity při
rozpínání klávesy. Tyto zákmity musí být odstraňovány speciálními korekčními
obvody.
109
110
Tlačítko
Pružinka
Pohyblivý
kontakt
Pevné kontakty
Obr. Princip elmech. klávesy
Kapacitní klávesnice využívají elektrické kapacity mez pevnou elektrodou
a pružnou membránou. Kapacita vyjadřuje schopnost pojmout elektrický náboj.
Projevuje se mezi dvěma deskami, na které je připojeno elektrické napětí a které
jsou odděleny nevodivým prostředím. Její velikost
S
C = e ___
l
kde S je plocha desek, e konstanta, popisující vlastnosti prostředí mezi
deskami a l je jejich vzdálenost.
Stlačení
Klávesy
Pružná membrána
Elektrody
Obr. Kapacitní klávesnice
Stisknutím klávesy dojde v příslušném místě k prohnutí membrány, která se
přiblíží k elektrodě, ležící pod ní. Zmenšením jejich vzdálenosti prudce vzroste v
příslušném místě kapacita, což je snadno zjistitelné elektronickými obvody
klávesnice. Po uvolnění klávesy se membrána vlastní pružností vrátí do původní
polohy.
Kapacitní klávesnice jsou velmi citlivé na dotyk, mají nepatrnou spotřebu
elektrické energie a malé rozměry. Nevýhodou je u nich snadné poškození při
nešetrném zacházení. Používají se u přenosných počítačů a u kapesních
kalkulaček. Existují dokonce i v rozkládací podobě, která rozložením jednotlivých
dílů a jejich dílů vytvoří běžně velkou klávesnici, umožňující snadnou práci i na
notebooku.
Magnetické klávesnice mají uvnitř klávesy permanentní magnet. Pod
klávesou je umístěna Hallova sonda. Hallova sonda je elektronický prvek,
110
1
reagující na změnu magnetického pole elektrickým napěťovým signálem.
Stisknutím klávesy se magnet přiblíží k Hallově sondě, která na vzrůst
magnetického pole reaguje vysláním elektrického signálu.
Tlačítko
Permanentní
magnet
Pružinka
Hallova sonda
Obr. Magnetická klávesnice
Magnetické klávesnice jsou jedním z nejkvalitnějších typů klávesnic, jsou
však poměrně drahé a používají se pouze u některých počítačů.
Senzorové klávesnice jsou tvořeny dvěma kontakty těsně u sebe. Propojení
se provádí přiložením prstu. Na povrchu kůže je vždy tenká vrstvička potu, která
vytváří vodivé spojení mezi kontakty. Tento typ klávesnic se používá jen u
kapesních počítačů - notepadů.
Druhé rozdělení, založené na způsobu zjišťování pozice stisknuté klávesy a
na interpretaci tohoto stisku, odráží do jisté míry i postup vývoje počítačů.
U prvních počítačů s mikroprocesorem přerušoval mikroprocesor v
pravidelných intervalech svou činnost a prováděl test klávesnice. Nevýhodou
tohoto uspořádání je, že většina testů je prováděna zbytečně (výsledkem bylo
zjištění, že žádná klávesa stisknuta nebyla). V případě zjištění pozice stisknuté
klávesy mikroprocesor interpretoval tuto pozici, určil, zda jde o funkční klávesu,
na kterou musí reagovat okamžitě, nebo znakovou klávesu, u níž určil kód znaku
a uložil jej na vyhražené místo do paměti a reagoval až po zadání celého příkazu,
složeného z řetězce znaků. V současné době se tento typ klávesnic již nepoužívá.
Dalším stupněm vývoje bylo doplnění mikroprocesoru pomocným
obvodem. Toto uspořádání pracuje tak, že mikroprocesor v pravidelných časových
intervalech vysílá příkaz pomocnému obvodu, který provede test klávesnice
nezávisle na mikroprocesoru, který se může věnovat další činnosti. Výsledkem
činnosti pomocného obvodu je určení, zda byla stisknuta klávesa a v případě, že
byla, jaké jsou její souřadnice na klávesnici. Určení významu stisknuté klávesy
připadá opět mikroprocesoru, odpadají však zbytečné testy klávesnice v situacích,
kdy žádná klávesa stisknuta není (z velkého rozdílu v rychlosti činnosti počítače a
rychlosti psaní na klávesnici plyne, že výsledkem většiny testů je zjištění, že žádná
klávesa stisknuta není). V současné době se tento typ klávesnic používá u
některých laciných a jednoduchých typů počítačů, u řídicích počítačů číslicově
řízených strojů atd.
Posledním typem klávesnice jsou klávesnice s kodérem klávesnice. Kodér
klávesnice je autonomní koprocesor, provádějící nezávisle na mikroprocesoru
počítače testy klávesnice, zjišťující stisk klávesy a její pozici a provádějící i
interpretaci klávesy, včetně generování kódu znaku znakové klávesy. Tento typ
klávesnice je v současnosti standardním typem, používaným u osobních počítačů
všech typů.
111
112
10.1.1.1 Popis klávesnice
Popišme si nyní standardní uspořádání klávesnice, tak, jak se ustálilo u dnes
běžných klávesnic, používaných u osobních počítačů.
F1 F2 F3 F4
F5 F6
F7 F8
F9 F10 F11 F12
Print Scroll Pause
Scren Lock Break
Insert Home Page
Up
Delete End
Tab
Caps Lock
Enter
Shift
Ctrl
Page
Down
Shift
Win95
Alt
Alt
Win95
Win95
turbo
Ctrl
Num Lock Caps Lock Scroll Lock
Num
Lock
/
*
7
8
9
4
5
6
1
2
3
0
.
+
Enter
Esc
Obr. Schéma klávesnice IBM (Keybcs)
Klávesy je možno rozdělit na několik skupin. V horní části klávesnice je
řada tzv. funkčních kláves F1 - F12. Tyto klávesy jsou obvykle využívány pro
řízení programů, jejich význam definuje tvůrce softwaru a liší se program od
programu.
Další skupinou kláves jsou ovládací klávesy. V levém horním rohu
klávesnice je klávesa „Esc“, používaná obvykle k odvolání posledního příkazu
počítači. Vpravo od řady funkčních kláves je trojice ovládacích kláves „Print
Scrn“, „Scroll Lock“ a „Pause-Break“. „Print Scrn“ vede k vytištění obsahu
monitoru na tiskárně. „Scroll Lock“ obvykle řídí „rolování“ obrazovky (posuny
nahoru a dolu), případně práci s okny (jiné funkce mohou být definovány
programem). Klávesa „Pause-Break“ většinou vyvolá zastavení provádění
programu (není-li programem určeno jinak). Mezi ovládací klávesy patří i šest
kláves vpravo od znakových kláves - klávesy „Insert“, „Delete“, „Home“,
„End“, „Page Up“ a „Page Down“. Tyto klávesy se používají především pro
řízení práce se znaky na monitoru počítače. Klávesa „Insert“ přepíná mezi
běžným režimem vkládání (do řetězce je možno vložit nové znaky, znaky za nimi
se posunují) a režimem přepis (nové znaky přepisují původní znaky řetězce).
Klávesa „Delete“ maže znak na pozici kurzoru na obrazovce. Klávesa „Home“
přesouvá kurzor na počátek řádku. Klávesa „End“ přesouvá kurzor za poslední
znak na řádku. „Page Up“ a „Page Down“ posouvají text o jednu obrazovku
nahoru nebo dolu. Dále mezi ovládací klávesy patří čtyři klávesy s šipkami pro
posun kurzoru po obrazovce, klávesa „Enter“ (také „
„ zadávající příkaz
počítači (potvrzení příkazu) a klávesa „Back Space“ někdy též „
„ mazající
znaky zpětným posunem kurzoru.
Další skupinou kláves jsou znakové klávesy - tvoří většinu kláves na
klávesnici. Standardně jde o znaky anglické abecedy, základní číslice a některé
speciální znaky. Programově je možno tyto klávesy předefinovat tak, aby
zahrnovaly i znaky např. české abecedy. Znakové klávesy jsou doplněny třemi
přepínacími klávesami „Shift“ (nebo dvojitá šipka nahoru), sloužící obvykle k
přepínání velkých a malých písmen, „Ctrl“ a „Alt“, kterými se přepínají funkce
kláves při řízení programů. Klávesa „Caps Lock“ po levé straně pole znakových
112
1
kláves přepíná trvale na velká písmena. Nad ní umístěná klávesa Tabelátor
(obvykle se dvěma proti sobě jdoucími šipkami) se používá pro přeskakování
kurzoru do předem nastavených pozic na obrazovce.
Vpravo od všech ostatních kláves je pomocná numerická klávesnice.
Zapíná se klávesou Num Lock v levém horním rohu této klávesnice. Její klávesy
mají funkci jednotlivých číslic a znaků pro matematické operace (není-li zapnut
Num Lock, mají tyto klávesy funkce šipek a kláves „Insert“, „Delete“, „Home“,
„End“, „Page Up“ a „Page Down“). V pravém dolním rohu je druhá klávesa
„Enter“, používaná pro odeslání příkazu do počítače. Celá tato skupina kláves se
nejčastěji využívá, používáme-li počítač jako kalkulátor.
Nad numerickou klávesnicí jsou obvykle tři světelné kontrolky, signalizující
stisk kláves „Num Lock“, „Caps Lock“ a „Scroll Lock“. U některých typů
klávesnic bývá místo těchto kontrolek jedna kontrolka, potvrzující připojení
klávesnice k počítači.
U nejnovějších počítačů, pracujících s operačním systémem Windows 95
přibývají ještě dvě ovládací klávesy pro tento systém (především pro přepínání do
režimu DOS a zpět do Windows 95 a pro aktivaci menu).
Do zvláštní kategorie patří různé ergonomické klávesnice, tvarované tak,
aby usnadňovaly obsluze práci. Přes častá oslavná tvrzení výrobců o výhodnosti
těchto klávesnic nepředstavují takové zlepšení, aby se tím ospravedlnila jejich
vysoká cena. Většina uživatelů nadále dává přednost klasickým klávesnicím,
vycházejícím z původního vzoru - z psacího stroje.
10.1.2 Zařízení pro komunikaci s počítačem prostřednictvím výběru pozice na
monitoru.
Tato zařízení tvoří dvě poměrně velké skupiny - zařízení s přímou detekcí
místa dotyku na obrazovce a zařízení pro pohyb značky po monitoru. Do
první skupiny patří světelné pero a speciální obrazovka, z druhé skupiny
můžeme vyjmenovat myš, trackball, touchpad, joystick a kapsli.
10.1.2.1 Zařízení pro přímou detekci místa dotyku na monitoru
Dnes se tento typ zařízení používá již jen v omezené míře. Světelné pero je
v podstatě citlivý detektor světla. Přiložíme-li jeho hrot na zvolené místo
obrazovky, vznikne v tomto místě v okamžiku průchodu elektronového paprsku
světelný záblesk, který světelné pero převede na elektrický signál, odeslaný do
počítače. Vzhledem k tomu, že se elektronový paprsek pohybuje po stínítku
obrazovky konstantní rychlostí, stačí počítači změřit počítáním taktovacích pulzů
čas mezi počátkem běhu paprsku v levém horním rohu stínítka a signálem ze
světelného pera a určit tak polohu bodu, ve kterém se hrot pera dotýká povrchu
stínítka. Nevýhodou světelného pera je jeho použitelnost pouze u obrazovkových
monitorů a poměrně nepohodlné použití, spojené s nutností zvedat ruku ke stínítku
obrazovky.
V některých případech docházelo k použití speciálních, nakloněných
obrazovek, umístěných tak, aby na ně bylo možno bez problémů dosáhnou
opřenou rukou a ovládat světelné pero pouhým pohybem zápěstí. Ani tato úprava
však nezískala oblibu uživatelů a světelné pero bylo ve většině případů nahrazeno
myší.
113
114
V informačních systémech určených veřejnosti se v poslední době používají
speciální monitory, umožňující řídit funkci počítače dotykem prstu na ploše
monitoru. Plocha stínítka monitoru je pokryta speciální dvojitou fólií. Dotykem
prstu se horní fólie prohne a dotkne se v určitém místě spodní fólie. Na fóliích je
soustava vodorovných (na jedné) a svislých (na druhé) vodivých cest. Jejich
propojení signalizuje pozici místa dotyku na monitoru.
Vzhledem k poměrně vysoké ceně, malé citlivosti a celkově poměrně
omezeným možnostem ovládání počítače se tento typ obrazovek u běžných
počítačů nepoužívá.
10.1.2.2 Zařízení pohybující značkou po monitoru
Společným znakem těchto zařízení je, že na monitoru je ovládacím
programem zařízení generována značka (např. v podobě šipky), která je pomocí
zařízení přesouvána do vybrané pozice na obrazovce. tato vybraná pozice je potom
signalizována stisknutím signalizačního tlačítka na zařízení. Jednotlivé typy těchto
zařízení se liší především způsobem převodu mechanického pohybu zařízení na
pohyb značky na obrazovce.
10.1.2.2.1 Myš
Nejčastěji používaným zařízením z této skupiny je tzv. myš. Má obvykle
podobu oválné krabičky, spojené kabelem s konektorem sériového portu počítače.
Na horní straně jsou na krabičce 1 - 3 signalizační tlačítka (myš s jedním tlačítkem
je typická pro počítače firmy Apple, u ostatních typů počítačů se většinou
používají 2 - 3 tlačítkové myši). Ve spodní části krabičky je u běžných myší otvor,
ve kterém je kovová kulička, pokrytá pryží.
Pohybem myši po podložce se otáčí kulička - je proto třeba zajistit dobré
tření mezi podložkou a uličkou, často se tedy používají speciální třecí podložky
pod myš). Na kuličku uvnitř myši dosedají pomocí třecích spojek dvě na sebe
kolmé osičky (na jednu se převádí pohyb v ose x, na druhou v ose y). Na konci
každé z osiček je ozubené kolečko z umělé hmoty. Velké zuby kolečka procházejí
mezi zdrojem světla a dvěma snímači světla. Dva snímače jsou nutné aby bylo
možné z přerušování světla zuby kolečka určit nejen rychlost pohybu v příslušné
ose, ale i jeho směr. Elektrické impulzy ze snímačů se vedou do počítače, kde se
zpracovávají na údaje pro pohyb značky po monitoru.
Funkce tlačítek vychází z předpokladu, že obsluha drží myš při práci v pravé
ruce. Levé tlačítko je potom hlavním signalizačním tlačítkem, ovládaným
ukazovákem pravé ruky. Pravé tlačítko slouží jako pomocné pro spouštění
pomocných funkcí programu. Prostřední tlačítko 3 tlačítkové myši bývá většinou
nevyužíváno.
Pomocí parametrů ovládacího programu myši je možno předefinovat tlačítka
pro ovládání levákem. Podobně je možno nastavit i vybraný sériový port počítače,
pokud jich má počítač více. I další vlastnosti myši (citlivost atd.) jsou nastavitelné
pomocí parametrů ovládacího programu.
114
1
Osičky
Třecí spojky
Kulička
Zdroje světla
Ozubená kolečka
Snímače světla
(pro směr a pro
rychlost v osách
x a y)
Obr. Vnitřní ústrojí myši
V poslední době se objevily nové myši, u nichž se pohyb nepřenáší třením
kuličky o třecí podložku, ale pomocí dvou pryžových kuželů. Výhodou tohoto
uspořádání je, že taková myš nepotřebuje třecí podložku. Může se s ní pohybovat i
po hladké ploše stolu. Existují i myši bezkabelové, komunikující s počítačem
prostřednictvím ultrazvuku nebo elektromagnetických vln.
10.1.2.2.2 Trackball
Zboku
Přívod k
sériovému
portu
Signalizační
tlačítka
Zhora
Ovládací
kulička
Obr. Nákres trackballu
Trackball je svou podstatou myš upravená pro práci s notebookem či jiným
přenosným počítačem. U trackballu je ovládací kulička podstatně větší než u myši,
je celá z umělé hmoty a je umístěna v horní části krabičky. Kuličkou se pohybuje
palcem ruky. Ovládací tlačítka jsou na straně krabičky a ovládají se ukazovákem.
U některých notebooků je trackball již přímo zabudován vedle klávesnice, k
jiným se připojuje trackball zvenku na sériový port počítače. Někteří výrobci
115
116
dodávají i klávesnice, u nichž je trackball zabudován na pravé straně, vedle
numerické klávesnice.
10.1.2.2.3 Touchpad
V poslední době se u notebooků začíná objevovat další zařízení pro pohyb
značky po obrazovce - tzv. touchpad („dotyková plocha“). Jde o zařízení
zabudované do notebooku. Tvoří je obdélníková plocha, pokrytá pružnou fólií.
Pod fólií je plochá destička z materiálu s poměrně velkým elektrickým odporem.
Stisknutím membrány v určitém bodě dojde k dotyku s odporovou desku.
Měřením napětí je možno určit polohu místa dotyku (na principu děliče napětí potenciometru) ve dvou souřadnicích x a y.
potenciometr
b
U1
a
R
b
____
U2 = a U1
hrot (nebo prst)
membrána
+U 2
odporová podložka
0
b
a
+U 1
Obr. Princip touchepadu a potenciometru
10.1.2.2.4 Joystick
Joystick již patří mezi ne zcela běžné vybavení počítačů. Připojuje se přes
specifické rozhraní - Game Port, které se musí speciálně do počítače zabudovat.
Joystick je typickým vybavením pro počítačové hry. Má podobu ploché krabice, ke
které je v kulovém kloubu připevněna vertikální páka. Kolem kulového kloubu
páky je věnec kontaktů, které se vychýlením páky v určitém směru spínají. Jiným
způsobem snímání je využití dvou otočných potenciometrů, převádějících úhel
výchylky na dvě elektrická napětí. Tato napětí se potom analogo-číslicovým
převodníkem převádějí na čísla, určující vychýlení páky ve dvou na sebe kolmých
směrech. Směr vychýlení páky určuje směr pohybu značky po obrazovce, úhel
vychýlení páky zase rychlost jejího pohybu. Signalizační tlačítka jsou umístěna
jednak na krabičce a jednak na vrcholu páky.
116
1
Pohyblivá páka
Signalizační tlačítka
Výstup na
Game port
Základní krabice
Obr. Joystick
Kromě her může mít joystick i jiné, užitečnější použití. Umožňuje ovládání
počítače i tělesně postiženým, kteří jinak nemohou ovládat myš nebo klávesnici.
Existuje i úprava, která umožňuje pomocí joysticku, ovládaného jazykem, rty a
zuby, pracovat s počítačem i celotělově ochrnutým osobám.
10.1.2.2.5 Kapsle
Kapsle je již značně speciálním zařízením. Nejlépe je ji možno přirovnat k
„bezdrátové myši“, nebo „prostorově pohyblivé myši“. Její použití je velmi
podobné, jako u běžné myši, nemusí se však s ní pohybovat po podložce, může se
ovládat pohybem v prostor. Poloha kapsle se může zjišťovat různými způsoby,
například pomocí ultrazvuku. Kromě ovládání počítače na dálku např. při
přednáškách se kapsle používá např. i při snímání trojrozměrných objektů pro
počítačové zpracování (např. archeologických nálezů apod.). Snímání se provádí
tak, že se pomalu přejíždí kapslí po všech plochách objektu. Počítač speciálním
programem snímá polohu kapsle a získává tak řadu trojrozměrných souřadnic, na
jejichž základě může vytvořit matematický model snímaného objektu..
10.1.3 Další vstupní zařízení
10.1.3.1 Snímač optického čárového kódu
Optický čárový kód umožňuje zakódování identifikačních čísel různých
výrobků formou kombinace tenkých a silných černých čar na světlém podkladu.
Snímače pracují na principu měření odrazu tenkého světelného paprsku od plochy
s čárovým kódem - tmavá barva čar světlo pohlcuje, světlý podklad je odráží.
117
papír
ač
sv
ětl
a
vy
ele hodn
ktr oc
on ov
ika ac
í
op
so tická
us
tav
a
sn
ím
zd
ro
js
vě
tl
a
do
po
čít
ač
e
118
Obr. Průřez snímačem opt. čárového kódu.
Kódová označení je dnes s pomocí obslužných programů možno tisknout
prakticky na všech lepších počítačových tiskárnách (velmi časté je tištění na
polepky, jimiž je potom označováno zboží). Snímání je možné buď ručním
snímačem, majícím podobu silného pera se skleněným hrotem, spojeného
kabelem se sériovým vstupem počítače, nebo pevným snímačem, tvořeným
plochou destičkou, napevno připevněnou k podložce a schopnou přečíst čárový
kód bez ohledu na jeho umístění vzhledem k ose destičky. V některých systémech
se pro snímání optického čárového kódu používá ruční scanner, který si popíšeme
v příslušné kapitole.
Systémy s optickým čárovým kódem se používají především v maloobchodě
pro evidenci oběhu zboží. Umožňují přesný průběžný přehled o stavu zásob
jednotlivých výrobků na skladě, snadné přeceňování (prodavačky si nemusí
pamatovat okamžité ceny, po přečtení kódu je ze své paměti automaticky dosazuje
počítač) případně i další sledování informací, potřebných pro správná obchodní
rozhodnutí (stav zásob, vývoj stavu zásob, vypršení záruční doby, cena atd.).
7 7 1 2 1 0
Obr. Příklad optického čárového kódu
Kromě obchodních aplikací je i několik dalších oblastí, kde se čárový kód
používá - v knihovnách pro evidenci knih, na identifikačních kartách pro vstup do
objektů atd. V některých státech (Švýcarsko) se zkouší i jeho použití pro kódování
základních zdravotních informací o lidech na kartičky jejich zdravotního pojištění
118
1
(výhodou je, že důvěrné informace o zdravotním stavu je možno přečíst pouze
pomoc speciálního dekodéru a záznam je přitom velmi trvanlivý a laciný).
10.1.3.2 Scanner
Scanner je zařízení, sloužící k převodu grafické informace (text, obrazy,
fotografie atd.). na numerickou informaci, zpracovatelnou počítačem. Povrch
snímaného obrazu je postupně po řádcích přejížděn světelným paprskem a v
bodech o zvoleném rozestupu je snímán zpětný odraz.
U nejjednodušších scannerů rozlišuje odraz pouze dvě úrovně černá-bílá.
Dokonalejší typy scannerů rozpoznávají sílu odrazu v řadě stupňů šedi (16 až
256). Většina kvalitních scannerů umožňuje snímání barevného obrazu. Snímání
je prováděno paprskem bílého světla, odražené světlo je pomocí hranolů
rozkládáno na jednotlivé barevné složky (např. červenou, modrou a zelenou, jako u
barevných monitorů, případně jinou kombinaci).
Zdroj bílého světla
Snímač červené
složky
Snímač zelené
složky
Optické
hranoly
Snímač modré
složky
odražené světlo
papír
Obr. Princip barevného scanneru
Podle provedení se scannery dělí na ruční a stolní. Ruční scanner má úzké
držadlo, na jehož konci je snímací část. Používá se pro snímání údajů z beden, z
etiket zboží a z podobných hůře přístupných ploch. Existují i ruční scannery v
podobě pera (např. typ DataPen), sloužící ke snímání výpisků a částí textu v
běžném textovém řádku.
Stolní scanner je obvykle podobný běžné kopírce. Používá se ke snímání
dokumentů, stránek z knih, fotografií atd.
Výsledkem snímání je tzv. bitmapa, popisující obraz jako síť bodů se
zakódovaným údajem o barvě nebo stupni šedi daného bodu. Při snímání je možno
v určitém rozsahu nastavit hustotu snímání. Čím větší je hustota snímání, tím
dokonaleji je obraz převeden na bitmapu, tím větší však je vzniklý soubor. Pro
snímání textu obvykle postačí poměrně malá hustota snímaných bodů, při snímaní
např. barevných fotografií musí být hustota naopak co nejvyšší.
Další zpracovávání bitmap se provádí buď bitmapovými grafickými
editory (příkladem může být český program Zebra, CorellPhotoPaint atd.), nebo (v
případě textů) pomocí programů OCR, umožňujících převést vytištěné znaky na
119
120
jejich kódy a umožnit tak zpracování snímaných textů pomocí běžných textových
editorů.
Scannery se uplatňují v knihovnách, archivech, kancelářích, ale i skladech
apod. Jedním z nejmasověji využívaných typů scanneru je jednoduché zařízení,
umožňující snímat poštovní směrovací čísla z obálek při automatickém třídění
zásilek na poštách.
10.1.3.4 Speciální typy vstupních zařízení
Kromě uvedených typů vstupních zařízení existuje celá řada dalších typů,
přizpůsobených speciálnímu použití. Existují speciální klávesnice pro slepce,
uzpůsobené pro práci s Braillovým písmem. Dalšími zařízeními jsou vstupní
zařízení pro práci na počítači pro více či méně ochrnuté. Alespoň pokusně se
zkouší ovládání počítače pomocí speciální přilby, snímající pohyby hlavy a očí
(tato aplikace byla zkoušena u pilotů nadzvukových bojových letadel. Snímání
křivek z papíru (např. vzniklých jako výstup různých měřicích registračních
zařízení ve výrobních provozech). umožňuje zařízení nazývané digitalizátor. Z
tohoto zařízení se v poslední době vyvinul tzv. tablet. Je to tabulka (např. velikosti
A4), pokrytá průsvitnou fólií, na kterou je možno kreslit umělohmotným perem s
hrotem. Tablet se připojí sériovým portem k počítači. Na principu
elektromagnetické rezonance je určováno místo dotyku pera na povrchu tabletu.
Hrot pera je schopen rozlišit až 120 úrovní tlaku (jim může přiřazovat různou
sytost barvy). Pomocí tabletu je možno ovládat programy podobně jako myší, je
však možné i v různých grafických programech vytvářet přesné nákresy a obrázky
od ruky (při ovládání těchto programů myší je nutná poměrně velká zkušenost a
obratnost obsluhy aby bylo dosaženo uspokojivé kvality nákresu).
Téměř všechny typy zvukových karet mohou sloužit nejen jako výstupní
zařízení, převádějící digitalizovaný zvukový výstup počítače na elektrický signál
pro sluchátka nebo reproduktory, ale také umožňovat převod elektrického signálu
z mikrofonu na digitální signál. Existují již i programy pro analýzu
digitalizovaného zvukového signálu a pro rozpoznávání slov. Tyto programy je
možno využívat pro řízení počítače hlasem. Prozatím je ještě velmi komplikované
rozpoznávat více, než jen nejjednodušší příkazy - komplikace způsobuje
především značná různost zabarvení hlasu při vyslovování téhož příkazu různými
lidmi. Plynulý rozhovor s počítačem je stále ještě doménou fantastiky.
Speciálním typem vstupních zařízení jsou analogo-číslicové převodníky,
převádějící elektrické napětí na binární číslo, odpovídající velikosti tohoto napětí
(jde v podstatě o speciální číslicové voltmetry). Tyto převodníky se používají ve
spojení s nejrůznějšími převodníky fyzikálních veličin (teploty, světla, vlhkosti,
otáček, mechanické polohy atd.) na elektrické napětí v systémech počítačové
regulace a řízení různých výrobních procesů.
120
1
10.2 Výstupní zařízení
10.2.1 Tiskárny
Kromě již popsaných monitorů jsou tiskárny hlavním typem výstupních
periferních zařízení pro počítače. Umožňují vytvořit vytištěním na papír trvanlivý
výstup z počítače.
U počítačů se používají dva základní typy tiskáren - znakové a maticové.
Pro znakové tiskárny je typické, že jsou v nich typy se znaky v reálné
podobě (jako např. v psacím stroji). Tento typ tiskáren je obvykle rychlejší než
druhý typ, umožňuje však tisk pouze omezené sady znaků. V současnosti se tento
typ tiskáren prakticky používá jen v některých výpočetních střediscích.
Maticové tiskárny se vyznačují tím, že skládají tisk z jednotlivých bodů.
Umožňují tak vytvářet nejrůznější znaky a v grafickém režimu tisknout i obrázky.
Tyto tiskárny, ať již jsou jehličkové, tryskové nebo laserové, patří dnes ke
standardnímu vybavení počítačů.
Existují i velmi speciální typy tiskáren, např. sublimační tiskárny, schopné
provádět vysoce kvalitní tisk v kvalitě barevných fotografií (vyžadují však také
speciální papír, pokrytý fóliemi umožňujícími zachycování jednotlivých barevných
složek tisku). Vzhledem k jejich omezenému využívání se však jejich principem
nebudeme podrobněji zabývat.
10.2.1.1 Znakové (typové) tiskárny
Jako příklad takové tiskárny si uvedeme bubnovou rychlotiskárnu.
Základem této rychlotiskárny je kovový válec, na jehož povrchu je po obvodu celá
sada znaků. Každý znak se opakuje po celé délce válce tolikrát, kolik znaků může
být na jednom řádku. Mezi válcem a papírem je tisková páska (podobná jako např.
u psacího stroje). Za papírem je řada kladívek, v každé znakové pozici je jedno
kladívko.
Válec se
znaky
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
páska
papír
řada kladívek
Obr. Bubnová rychlotiskárna
Při tisku se kovový válec nastaví do jedné polohy - proti řadě kladívek je
nyní např. řada znaků „a“. Kladívka ve všech pozicích, kde má na řádku být „a“
přiklepnou a přes pásku se znaky otisknou na papír. Válec se pootočí na pozici s
dalším znakem atd. Vytištění celého řádku tedy proběhne během jediné otáčky
válce.
Bubnové rychlotiskárny jsou velmi rychlé (patří mezi nejrychlejší tiskárny),
umožňují však tisknout jen omezenou sadu znaků. Změna velikosti písma je
121
122
možná pouze výměnou válce se znaky. Tisk obrázků (s vyjímkou např. blokových
schémat) je vyloučen. Občas se ještě používají pro tisk rozsáhlých dokumentů v
některých výpočetních střediscích.
U osobních počítačů se používala např. tiskárna s typovým kolečkem.
Znaky jsou umístěny na kolečku, kolečko se natočí na polohu potřebného znaku a
přes pásku jej otiskne na papír. Někteří uživatelé tyto tiskárny používají dodnes,
jde však již jen o technickou kuriozitu.
10.2.1.2 Maticové (mozaikové) tiskárny
Základním rysem těchto tiskáren je, že tištěné znaky a obrazy se skládají z
jednotlivých bodů. (podobně jako u monitorů). Tiskárna je pomocí paralelního
rozhraní Centronics (v některých případech se používá i sériové připojení, to však
je velmi vzácné) připojena k počítači. Komunikace mezi počítačem a tiskárnou
probíhá v několika stupních.
Prvním stupněm je převedení tiskové úlohy do řídicího jazyka tiskárny
(Printer Control Language). Většina tiskáren používá dnes buď jazyka PCL 5,
nebo PostScript Level2, převod zajišťuje program označovaný jako ovladač
(driver) tiskárny. Takto upravenou tiskovou úlohu je možno buď odeslat do
paměti tiskárny, nebo uložit do souboru na pevném disku počítače a vytisknout
dodatečně.
Vzhledem k tomu, že přeložená tisková úloha bývá velmi rozsáhlá (i několik
MB), mělo by být spojení mezi počítačem a tiskárnou paralelní, aby se potřebné
informace předaly co nejrychleji a pomalá tiskárna dále nezdržovala činnost
počítače.
Interpretace tiskové úlohy závisí na režimu činnosti tiskárny. Maticové
tiskárny umožňují práci ve dvou režimech - znakovém a grafickém.
Ve znakovém režimu se informace skládá ze dvou typů znaků - řídicích
(určují, co má tiskárna dělat - jaký má být typ písma, kdy se má posunout papír
atd.)a tiskových (mají se vytisknout na papír). Znaky jsou kódovány - obvykle v
různých variantách kódu ASCII, u nás v jeho mutacích pro potřebu zobrazování
české diakritiky - v kódech Latin 2 nebo KeyboardCs. Dekódování se provádí
pomocí znakových matic, určujících z jakých bodů má být znak složen.
Znakové matice jsou uloženy v paměti ROM - u všech tiskáren je v nich
základní sada znaků kódu ASCII, u mnohých i další (např. výše zmíněné české
znaky kódu Latin 2 nebo KeyboardCs). Dokonalejší typy tiskáren mají i paměť
RAM, do které je možno provést tzv. „download“, tedy uložení nestandardních
znakových matic do této paměti RAM ovladačem tiskárny.
V grafickém režimu tiskárna vyhodnocuje informace ve své paměti jako
určitou bitmapu, určující z jakých bodů bude výsledný obraz složen. Při
černobílém tisku je informace vykládána jako přítomnost nebo nepřítomnost
černého bodu (každý bit zvlášť). Pro dosažení velkého počtu stupňů šedi pro
rozlišení barevných odstínů obrazu musí být velká hustota možných pozic
tištěných bodů - čím je větší, tím dokonalejší černobílé zobrazení. Tato hustota se
vyjadřuje v jednotkách d.p.i - dots per inch (počet bodů na palec řádku). Při
barevném tisku je pro zakódování jednoho bodu třeba větší počet bitů (16 i více),
kód označuje kombinaci základních barev pro dosažení požadované barvy bodu.
Základní barvy u tiskáren se označují jako CMYK (Cyane, Magneta, Yellow and
Black - nachová, azurová, žlutá a černá). Smísením dvou těchto barev za
122
1
nepřítomnosti třetí se získá červená, zelená a modrá. Ostatní barevné odstíny se
získávají tištěním bodů těchto barev v různém poměru blízko sebe, takže opticky
splývají.
Převod bodů z kódu na reálné body na papíře je rozdílný u různých typů
maticových tiskáren. Podle principu tisku bodů tedy rozeznáváme tyto základní
typy tiskáren:
1.
2.
3.
4.
jehličkové tiskárny
tepelné tiskárny
tryskové tiskárny
laserové a LED tiskárny
Popišme si nyní podrobněji jednotlivé typy těchto tiskáren.
10.2.1.2.1 Jehličkové tiskárny
Základem jehličkových tiskáren je tisková hlava s 9, 24 či jiným počtem
jehliček. Jehličky jsou tenké ocelové drátky, ovládané elektromagnetem. U většiny
typů se tisková hlava pohybuje vodorovně nad papírem. V tiskové poloze se
pomocí elektromagnetů vysunou jehličky v místech, kde mají být vytištěny body, a
jsou potom přiklepnuty přes pásku na papír. Potom se hlava posune do následující
pozice a proces se opakuje.
Devítijehličková
tiskárna
24 - jehličková
tiskárna
Řádková
rychlotiskárna
Obr. Uspořádání jehliček u 9-jehličkové, 24-jehličkové a řádkové
tiskárny
Pokud bychom zpomaleně sledovali činnost 9-jehličkové tiskárny, viděli
bychom, jak tisk postupně vzniká po sloupcích 9 bodů nad sebou. Rozeznáváme
tiskárny jednosměrné, které tisknou pouze při pohybu hlavy zleva doprava, a
obousměrné, tisknoucí jeden řádek zleva doprava a následující řádek zprava
doleva (odpadají ztrátové časy pro zpětný přesun hlavy na počátek řádku a tisk je
tedy rychlejší, elektronika tiskárny však musí být dokonalejší a jsou tedy dražší).
Speciální typy rychlotiskáren, které mají 2 x 9 jehliček nad sebou, umožňují
tisknout obousměrně dva řádky nad sebou současně (např. Epson DFX 9000).
24-jehličkové tiskárny mají jehly uspořádány do tří sloupců po osmi
jehličkách, jehličky v jednotlivých sloupcích jsou vždy o něco posunuty. Při tisku
se do jedné pozice na papíru otiskne první řada jehel, potom přes ní druhá a
nakonec přes ně ještě třetí. Tím se zaplní mezery mezi body a je dosaženo
kvalitnějšího tisku.
123
124
Řádkové rychlotiskárny mají jehličky uspořádány v souvislé řadě po celé
šířce tiskového řádku. Tisk vzniká po řádcích bodů, je tedy velmi rychlý. Výroba
takovéto horizontálně uspořádané tiskové hlavy je však značně drahá a takové
tiskárny se zatím objevují jen na některých profesionálních pracovištích.
U jehličkových tiskáren obecně platí, že mají znakové matice pouze v paměti
ROM. Obvykle umožňují pomocí přepínače přepnout na určitý typ písma (font).
Texty, ve kterých jsou tištěny znaky, které tiskárna nezná, musí být vytištěny v
grafickém režimu.
Kvalita tisku jehličkových tiskáren není příliš vysoká, při bližším pohledu je
obvykle možno rozlišit jednotlivé body, z nichž je tisk složen. Tisková rychlost
závisí na typu - nejpomalejší jsou jednosměrné 24 jehličkové tiskárny, nejrychlejší
řádkové rychlotiskárny. Při jejich provozu vzniká nepříjemný hluk, proto jsou
kvalitnější typy umísťovány do zvukotěsných krytů.
Páska tiskárny se při tisku postupně přetáčí (podobně jako u psacího stroje).
Dodává se v kazetách. U některých typů se používá kazeta o šířce tiskové strany, u
jiných zase modernější malé kazety, připevněné přímo na tiskovou hlavu. Po
spotřebování pásky je možno nechat provést její renovaci.
Hlavní výhodou jehličkových tiskáren je jejich cena, přesto jsou již dnes
spíše zastaralé a postupně je nahrazují tiskárny tryskové a laserové. Zůstává jim
oblast vnitrofiremní dokumentace, u které nejsou kladeny vysoké nároky na
kvalitu tisku, hlavní je jeho nízká cena (inventární seznamy apod.).
10.2.1.2.2 Tepelné tiskárny
Tepelné tiskárny jsou v podstatě variantou jehličkových tiskáren. Ocelové
jehličky jsou vysokofrekvenčním ohřevem rozžhaveny na poměrně vysokou
teplotu. Tiskárny nepracují s páskou. Tisk se provádí přiklepnutím rozžhavených
jehliček na speciální termocitlivý papír, který v místě dotyku v povrchové vrstvě
zčerná.
Vzhledem k tomu, že papír do nich je poměrně drahý a kromě toho, že
nepotřebují pásku, nemají mnoho dalších výhod, příliš často se nepoužívají.
Nejčastěji se s nimi můžeme setkat u starších faxů.
10.2.1.2.3 Tryskové tiskárny
Mezi nejrozšířenější typy tiskáren k osobním počítačům patří dnes tryskové
tiskárny. Vznikly koncem 70. let a pro svůj tichý chod si brzy získaly oblibu.
Postupem času se vyvinulo několik základních typů těchto tiskáren.
Vysokotlaké inkoustové tiskárny - inkoust je udržován pod stálým
poměrně vysokým tlakem. Pomocí mřížky z piezoelektrického krystalu je
přerušován inkoustový paprsek, proudící z trysky na papír. (Piezoelektrický
krystal je speciální látka, která mění svůj objem po přivedení elektrického napětí a
naopak - při jejím stlačení vzniká na jejím povrchu elektrické napětí). Napětím o
poměrně vysoké frekvenci je proudící inkoustový paprsek „rozsekán“ na velké
množství drobných kapiček, vytvářejících body na povrchu papíru. Nevýhodou
tohoto uspořádání je velká spotřeba inkoustu a nepříliš ostré obrysy tisku,
výhodou je možnost tisknout prakticky na libovolný povrch (třeba i na povrch
vajec při tvorbě značky dodavatele - i takové aplikace existují).
124
1
Piezoelektrický
vibrátor
Tryska
Nabíjecí
elektroda
Vychylovací
elektrody
papír
Paprsek
inkoustu
Vysokotlaká
pumpa
Zachycování
kapek
Zpětné vedení
inkoustu
Zásobník inkoustu
Obr. Tlaková inkoustová tiskárna.
Piezoelektrické tryskové tiskárny (InkJet) jsou dnes podstatně
rozšířenější variantou tryskových tiskáren. Pracují systémem DOD (Drop on
Demand - kapka na požádání), to znamená, že vystříknutí kapky je možné
pouze na povel z ovládací elektroniky tiskárny. Základem jejich činnosti je opět
piezoelektrický krystal, který však v tomto případě přímo vyvolává výstřik
kapičky z trysky stlačením inkoustu. Jsou možná dvě základní uspořádání.
S prstencovým krystalem pracují tiskárny, u kterých tvoří piezoelektrický krystal
prstenec kolem trubičkové trysky z pružného kovu. Elektrickým impulzem se
krystal smrští, stiskne trubičku a vystříkne z ní kapku inkoustu na papír. Po
skončení impulzu se krystal opět roztáhne a trubička nasaje ze zásobníku další
inkoust.
Piezoelektrický
prstenec
Nádoba s
inkoustem
Destička
s
tryskami
Přívod inkoustu
Obr. Trysková tiskárna s prstencovým krystalem
Jinou alternativou je tiskárna s piezoelektrickou lamelou. Inkoust je zde
nasáván do komůrky trysky, jejíž jedna stěna je tvořena tenkou lamelou z
piezoelektrického materiálu. Přivedením elektrického impulzu se lamela prohne,
stlačí inkoust v komůrce a vystříkne kapičku na papír. Po skončení impulzu se
lamela vrátí do původní pozice a nasaje přitom nový inkoust do tlakové komůrky.
125
126
papír
Destička
s
tryskami
Piezoelektrická
lamela
Přívod inkoustu
Nádoba s
inkoustem
Obr. Trysková tiskárna s piezoelektrickou lamelou
Speciálním typem membránových tryskových tiskáren jsou voskové
tiskárny. Jejich náplní je místo inkoustu vosk s barevnými přísadami. Před
přivedením do tlakové komůrky trysky je vosk zahřátím roztaven a na plochu
papíru je vystřikován stejně jako inkoust. Kapičky vosku proniknou do struktury
papíru a ztuhnou. Výsledný tisk má oproti klasickým inkoustovým tiskárnám
výhodu v tom, že je odolný proti vlhkosti a otěru.
Jako poslední se z tryskových tiskáren objevují bublinkové tryskové
tiskárny (Bubble Jet). Princip jejich činnosti spočívá v přidání snadno
vypařovatelné přísady do inkoustu. Inkoust v tlakové komůrce se miniaturním
tepelným článkem prudce zahřeje, vznikne bublinka páry a ta vytlačí kapičku
inkoustu z trysky na papír. Opět se vyrábějí ve dvou provedeních - jako tzv.
sideshooter (přední stranou) a edgeshooter (za roh).
inkoust
Tlaková komůrka
inkoust
Tlaková komůrka
výstřik kapičky
výstřik kapičky
topné tělísko
bublinka
bublinka
topné tělísko
Edgeshooter
Sideshooter
Obr. Bubble Jet Edgeshooter a Sideshooter
U tiskáren edgeshooter je topné tělísko po straně trubičkové trysky,
vytvořené na křemíkové destičce technologií tenkých vrstev. U tiskáren
sideshooter je na zadní straně tlakové komůrky proti otvoru trysky. V obou
případech musí být elektrický impulz v topném tělísku velmi krátký - 3 až 7
mikrosekund. Tělísko se ohřívá na teplotu asi 500oC a delším impulzem by se
zničilo. Tiskárny sideshooter dosahují lepší kvality kapky, jejíž tvar může být
přesně definován maskou s otvory trysek. Nevýhodou je, že po zhroucení bublinky
126
1
páry dopadne inkoust plnou silou na topné tělísko a při delším používání je
postupně poškodí. Oba typy používají inkousty pouze založené na vodním roztoku
barviva, vzniklý tisk bývá citlivý na vlhkost.
Při práci s tryskovými tiskárnami je třeba důsledně dbát toho, že tiskárna po
ukončení tisku nesmí být okamžitě vypnuta. V tryskách je v té době ještě barvivo
a pokud by v nich zaschlo, vedlo by to k poškození trysek a celé tryskové hlavy.
Nebezpečí ucpávání trysek patří mezi hlavní rizika používání tryskových tiskáren
(průměr trysek je velmi malý a jejich zanesení může být dílem okamžiku). Počet
trysek na tryskové hlavě je značný - několik desítek (čím více jich je, tím
kvalitnější tisk). Pro dosažení přesných ostrých okrajů tisku se používají speciální
algoritmy ovladačů tryskových tiskáren.
Hlavní výhodou tryskových tiskáren je tichý provoz a kvalitní barevný tisk.
Za výhodu lze rovněž považovat relativně nízké pořizovací náklady. Hlavní
nevýhodou jsou u některých typů vysoké provozní náklady. Náplně jsou drahé a
poměrně rychle se spotřebovávají, takže cena jedné vytištěné stránky je dosti
vysoká. Za nevýhodu je možno považovat i možnost poškození inkoustového
tisku vodou (jedinou bezpečnou vyjímkou z tohoto pravidla jsou voskové
tiskárny).
Tryskové tiskárny se používají především pro tisk kvalitní korespondence tedy relativně malého počtu stránek, u kterých je záhodno používat barevný tisk
(tisk loga firmy, propagačních obrázků, pěkně barevně vyvedených grafů, tabulek,
zvýrazněného textu atd.).
10.2.1.2.4 Laserové a LED tiskárny
Oba tyto typy tiskáren pracují na velmi podobném principu. Jejich základem
je selenový fotocitlivý válec. Záznam na něj a následný tisk probíhá v několika
krocích.
Nejprve se povrch válce rovnoměrně nabije kladným elektrickým
nábojem. Nabíjení válce provádí tzv. corotron, který je tvořen tenkým drátem,
který pod vysokým napětím ionizuje vzduch - kladné ionty dopadají na válec a
vytváří na něm počáteční náboj. Potom jsou jednotlivé body na válci osvíceny
laserovým paprskem nebo světlem z pásu LED diod. Osvícená místa ztratí náboj a
na povrchu se vytvoří požadovaný obraz v podobě míst bez náboje. Válec nyní
prochází tzv. tonerem, tedy práškem barvy. Toner se zachytí na místech bez
náboje, od nabitých míst je odpuzován. Přitlačením na papír se toner otiskne. Tisk
ještě není zpevněn, papír s ním musí ještě projít mezi dvěma kovovými válci o
teplotě asi 200oC. Teplem se toner do papíru zapeče a teprve nyní je tisk hotov.
Základní rozdíl mezi oběma typy tiskáren je ve způsobu osvitu válce.
Laserové tiskárny využívají pro osvit válce tenký laserový paprsek z
nízkoenergetického laseru. Paprsek ze zdroje prochází přes přerušovací clonu a
dopadá na šestiboký odrazový hranol. Otáčením hranolu se paprsek odráží a
pohybuje se po řádcích po zrcadle nad selenovým válcem, odráží se od něj a
dopadá na válec. Válec se otáčí a postupně na něm vzniká řádek po řádku obraz,
tvořený místy bez elektrického náboje. Výhodou tohoto uspořádání je velká
jemnost vykreslování obrazu, nevýhodou je potřeba přesné optické soustavy pro
usměrňování a zaměřování laserového paprsku.
127
128
Zrcadlo
Selenový válec
Odrazový hranol
Clona
Laser
Obr. Princip laserové tiskárny
Černobílé laserové tiskárny pracují s velkým množstvím bodů - hustota
těchto bodů určuje odstín šedi zobrazované plochy. Barevné laserové tiskárny
pracují s několika tonery v základních barvách.
I zde se používá žlutý, nachový, azurový a černý toner. Výsledná barva se na
válci vytváří ve čtyřech otáčkách - pro každou se nanáší jeden toner. Otisk na
papír potom proběhne v jediné otáčce. Následuje vytvrzení mezi horkými
kovovými válci, jak jsme si již popsali.
Tiskárny LED jsou konstrukčně jednodušší, než laserové. Místo poměrně
komplikovaného a tedy drahého optického systému laserového paprsku je v těsné
blízkosti povrchu válce pás tvořený diodami LED (Light Emitting Diode dioda vysílající světlo). Dioda LED je polovodičová součástka, která na průchod
elektrického proudu reaguje vyzářením světla.
Pás je tvořen např. 2560 diodami pro tiskový řádek strany A4, čímž je také
určena hustota bodů, které může tiskárna dosahovat. Osvit probíhá pouze bodově
(bod po bodu, řádek po řádku). Tiskárny LED mají delší životnost, jednodušší
konstrukci a je u nich menší nebezpečí výpadku. Elektronika řízení LED diod je
však velmi náročná.
Pole
LED diod
Selenový válec
Obr. Tiskárna LED
128
1
Laserové a LED tiskárny jsou nejkvalitnější z běžněji používaných tiskáren.
Tisk na nich je rychlý (až několik stránek za minutu), velmi kvalitní a poměrně
tichý. Výsledný dokument může i přesáhnout kvality běžného knihtisku. Cena za
vytištěnou stránku je podstatně výhodnější než u tryskových tiskáren. Nevýhodou
jsou jednak vyšší pořizovací náklady a jednak určitá ekologická rizika spojená s
likvidací papírů potištěných toto technologií (při spalování se z nich uvolňuje
dioxin a většina tonerů obsahuje těžké kovy).
Uplatní se všude tam, kde je třeba rychle tisknout velký počet stránek při
vysoké kvalitě tisku. Klesající cena tohoto typu tiskáren je postupně přibližuje z
hlediska pořizovacích nákladů tryskovým tiskárnám, takže se vzhledem k
ekonomičnosti svého provozu postupně prosazují jako určitý standard. U
černobílých tiskáren již do značné míry tryskové tiskárny vytlačily.
10.2.2 Další typy výstupních zařízení
10.2.2.1 Souřadnicové zapisovače - plottery
Souřadnicové zapisovače, označované častěji anglickým termínem plottery,
jsou výstupní zařízení, vyvinutá původně především pro tvorbu výkresové
dokumentace pomocí počítače. Používají se v nejrůznějších aplikacích spojených s
projektováním strojů, zařízení nebo budov na počítači (systémy CAD - Computer
Aided Design - konstrukce pomocí počítače).
Základem plotteru je deska, na kterou se do přesně definované polohy
upevní výkresový papír. Nad deskou se obvykle posunuje ve směru osy x rameno v
podobě mostu a po tomto rameni se ve směru osy y pohybuje kreslicí hlava. U
nejjednodušších plotterů má hlava pouze jeden kreslicí hrot a dva základní stavy jedním je stav, kdy je hlava zvednuta a přesouvá se do nové polohy, a druhým
stav, kdy hlava je spuštěna a kreslí.
Dokonalejší typ plotterů má na kreslicí hlavě několik kreslicích hrotů,
umožňujících kreslit různě silné čáry různých barev. Výběr hrotů většinou probíhá
otáčením kreslicí hlavy ve zvednuté podobě, nebo výběrem pera ze zásobníku
mimo hlavu.
Pohyb ramena i hlavy je prováděn pomocí otáčení velmi přesných
šroubových převodů některým typem servomotoru. Jako servomotory se v mnoha
případech používají krokové motorky - je to proto, že jejich otáčení je možno
přesně řídit napěťovými impulzy (po každém impulzu se motorek pootočí o přesně
daný úhel - je tedy možno velmi přesně řídit pozici motorku a tím i ramene nebo
hlavy). Kvalitní plottery dosahují při kreslení technických výkresů přesnost
nastavení polohy hlavy s chybou menší než + 0,01 mm.
Řada typů plotterů může být kromě kreslicí hlavy vybavena i různými
nástroji na opracovávání plochých materiálů. Existují plottery schopné např.
pomocí vysokotlakého vodního paprsku řezat různé materiály, je možné přímo
vyrábět střihy různých obleků atd. Některé reklamní firmy používají plottery pro
vystřihování šablon pro nastřikování různých ozdobných nápisů a obrazů na
firemní štíty. Aplikací tohoto zařízení je celá řada, jedná se však především o
speciální praktické úlohy.
129
130
Kreslicí hlava
(pohyb v ose y)
Pracovní deska
plotteru
Rameno
(pohyb v ose x)
Obr Plotter
10.2.2.2 Zvukové karty
Hlavním úkolem zvukové karty je převod digitální informace z počítače na
spojitý elektrický signál pro reproduktory nebo sluchátka, proto je rozhodující
součástí této karty číslico-analogový převodník (D/A). Kvalita vyhlazení
zvukového signálu a odstranění zbytků „skoků“ po převodu nespojitých úrovní
číslicové informace na spojitý signál např. sinusového průběhu rozhoduje o kvalitě
zvukového vjemu. Standardem v této oblasti se staly karty Soundblaster.
I když uvádíme zvukovou kartu jako výstupní zařízení (jak to odpovídá
jejímu nejčastějšímu použití), musíme si uvědomit, že většina karet umožňuje i
vstup z mikrofonu. V tomto případě je prováděno tzv. vzorkování vstupního
napětí z mikrofonu. To znamená, že v určitých časových okamžicích se zaznamená
okamžitá úroveň napětí a převede se v analogo-číslicovém převodníku (A/D) na
binární číslo. Je zřejmé, že čím hustší je vzorkování, tím dokonaleji máme
zaznamenán vstupní zvuk (CD kvalita vzorkování 44 kHz, 16 b stereo).
U
Původní napětí
t
U
Okamžiky vzorkování
Vzorkované napětí
t
Obr. Vzorkování napětí
130
1
Každá zvuková karta se skládá ze tří samostatně pracujících modulů. Prvním
z nich je právě modul převodníků A/D a D/A. Při záznamu zvuku se až 48000
krát za sekundu změří vstupní napětí a v číselné podobě se uloží do počítače
(obvykle do souborů *.WAV). Při opačném převodu získáme opět určitý počet
napěťových úrovní, odpovídajících jednotlivým číslům ze souboru *.WAV. Pro
dobrou kvalitu zvuku je třeba tento signál vyhladit tak, aby bylo dosaženo kvalitní
reprodukce. Pro tuto kvalitu je rozhodující druhý modul, modul nízkofrekvenční
části NF.
Modul NF je tvořen nízkofrekvenčním předzesilovačem a mixážním pultem
(umožňujícím spojovat několik zvukových signálů do jednoho). Jeho kvalita do
značné míry určuje akustickou kvalitu zvuku karty. Konstrukčně jde o stejné prvky
jako u jiných zvukových zařízení.
Posledním odděleným modulem je syntetizátor MIDI
- Musical
Instrument Digital Interface - standardní komunikační protokol pro komunikaci
mezi počítačem a hudebním syntetizátorem. Slovem protokol zde rozumíme
dohodnutý soubor pravidel pro výměnu informací mezi různými zařízeními
různých výrobců. Tento obvod může rovněž sloužit jako vstupní i výstupní. Na
jeho sériové rozhraní může být připojen např. elektronický hudební syntetizátor.
Karta umožňuje záznam hry na takový syntetizátor do souborů MIDI a jejich
následný převod např. na notový zápis. Vnitřní syntetizátor podobně umožňuje
přehrávat záznamy ze souborů MIDI přes modul NF. U kvalitních karet je součástí
syntetizátoru zvuková tabulka v paměti ROM, obsahující vzorky zvuků různých
hudebních nástrojů. Karta je schopna tyto vzorky použít pro úpravu svého
zvukového signálu, takže syntetizovaný zvuk má zabarvení dané zvoleným
hudebním nástrojem.
Zvukové karty se původně používaly především pro počítačové hry, s
rozvojem multimediálních aplikací, především slovníků a programů pro výuku
jazyků, se však již stávají standardním vybavením počítačů.
Některé zvukové karty obsahují také tzv. radiokartu. Jde v podstatě o
připojení obvodů rozhlasového přijímače jako dalšího modulu na zvukové kartě.
Na příslušný konektor je možno připojit anténu a počítač potom může sloužit i
jako rozhlasový přijímač, včetně možnosti záznamu vybraných pořadů.
10.2.2.3 TV karty
V rámci snahy změnit počítač na univerzální domácí přístroj se začínají
objevovat karty, umožňující přijímat a na monitoru počítače zobrazovat televizní
vysílání. Starší typy těchto karet se zapojovaly do slotu ISA, odkud však braly
pouze napájení a ovládací signály. Při práci s nimi bylo třeba odpojit monitor od
grafické karty a připojit ho na výstup televizní karty. To vylučovalo současnou
práci s počítačem i s televizním signálem.
Karty typu VideoHighway VTR 500 umožňují propojení s grafickou kartou.
Spolupráce probíhá tak, že grafická karta vytvoří na obrazovce okno vyplněné
standardní barvou (odstínem růžové). VTR500 zjistí polohu a velikost tohoto okna
a zaplní je televizním signálem. Je tedy možno provádět běžnou práci na počítači a
současně sledovat televizní program. Karta může pracovat i jako radiokarta a díky
externímu konektoru se k ní může připojit i videopřehrávač.
131
132
Nejdokonalejším typem karty v současnosti (únor 1997) je karta Buster
společnosti Quadrant International. Tato karta provádí plnou digitalizaci
televizního signálu a umožňuje tak jeho běžné zpracování prostředky počítače.
Přenos mezi touto kartou a grafickou kartou probíhá po sběrnici PCI a je velmi
rychlý. Ostatní možnosti - externí vstup z videopřehrávače nebo z televizní
kamery, schopnost pracovat jako radiokarta v pásmu VKV - to vše zůstává
zachováno.
Kromě uživatelského přístupu k televiznímu signálu (a také teletextu) se TV
karty používají pro tzv. videokonference. Jde o komunikaci mnoha uživatelů mezi
sebou, kdy můžeme nepřítomné účastníky debaty, snímané videokamerou v místě
jejich pobytu, sledovat v jednotlivých oknech obrazovky (něco jako
mnohaúčastnický videotelefon).
132
1
10.3 Vstupní i výstupní zařízení
10.3.1 Modem a faxmodemová karta
Modem je zkrácené označení modulátoru - demodulátoru. Používá se pro
komunikaci mezi počítači s využitím běžných telekomunikačních linek. Je to
zařízení, které je schopno provádět modulaci, tedy převod binární informace na
spojitý elektrický signál, který je možno přenášet po telefonních linkách a
demodulaci, tedy převod elektrického signálu zpět na binární informaci pro
počítač. Je možno provádět modulaci nejrůznějším způsobem - existuje modulace
amplitudová, frekvenční, fázová, impulzní atd.
U modemů se používá především tzv. tónová (frekvenční) modulace a
impulzní modulace.
Sériová binární
informace
1
0
0
1
1
1
0
1
Frekvenční modulace
(0 a 1 se liší frekvencí
stejně širokých impulzů)
Impulzová modulace
(0 a 1 se liší šířkou
impulzů při stejné
frekvenci)
Obr. Princip frekvenční a impulzní modulace
Pro správné spojení je třeba, aby na vysílací i přijímací straně byly stejně
nastaveny parametry modemu - druh modulace, rychlost přenosu a komunikační
protokol přenosu, stanovující způsob komunikace mezi modemy na obou stranách
(poloha a formát řídících bitů, způsob oddělování bytů atd.). Obvody modemu jsou
rozděleny na dva moduly - signálový procesor a příkazový inerpret. Signálový
procesor řídí vlastní modulaci nebo demodulaci a přenos dat po telefonní lince,
příkazový interpret buduje kolem dat tzv. příkazovou obálku nastavující
parametry přenosu (při přijmu tuto obálku dekóduje o podle ní „rozbaluje“
přenesené informace. Rychlost komunikace po modemu závisí jednak na pracovní
rychlosti modemu (dnešní modemy mohou dosahovat rychlostí kolem 33600 bitů
za sekundu), daleko více je však v našich podmínkách závislá na možnostech
telefonních linek (tato rychlost se v současnosti v naší telekomunikační síti
pohybuje maximálně do 28800 bitů za sekundu. Konstrukčně rozlišujeme modemy
na interní a externí. Interní modemy se zasouvají do slotu na základní desce
počítače a mají podobu počítačové karty, externí se připojují prostřednictvím
sériového portu. Telefonním kabelem se modem zapojuje do telefonní sítě pomocí
běžného konektoru (některé telefonní přístroje umožňují připojit modem na
konektor na přístroji a provozovat po téže lince komunikaci jak telefonem, tak i
133
134
modemem). Modemem je možno přenášet libovolné soubory z jednoho počítače
na druhý.
Fax původně nevznikl jako komponent počítače. Používal se pro přenos
dokumentů textové i grafické povahy po telefonních linkách. Dokument byl
snímán podobným principem jako u scanneru - přejížděním světelného paprsku po
ploše předlohy a snímáním odraženého světla v přesně stanovených bodech. Odraz
se kóduje buď jedním bitem (rozlišení pouze černá-bílá), nebo několika bity
(rozlišení odstínů šedi nebo dokonce údaje o barvě) a v podobě bitmapy se přenáší
po telefonních linkách obdobně jako v případě modemu.
Blízkost obou zařízení vedl k jejich spojení ve formě faxmodemové karty.
Tato karta umožňuje napsat na počítači text nebo vytvořit obraz a odeslat jej ve
formátu pro fax. Na příjmu může být nejen počítač, ale i běžný fax, který přijatou
informaci vytiskne. Podobně je možno přijmout informaci z běžného faxu a uložit
ji na disk počítače buď v podobě grafického souboru, nebo ji dokáže převést i na
textový soubor (po rozpoznání znaků podobným algoritmem OCR jako u
scanneru). Kromě toho lze prostřednictvím této karty komunikovat s jiným
počítačem jako prostřednictvím modemu.
Vývoj jde dnes ve směru spojování funkcí několika zařízení do jednoho,
proto již dnes existují systémy, spojující funkci telefonu (případně hlasitého
telefonu), modemu a faxu (včetně tiskárny) v jediném celku. Počítač potom
zvládá i funkci záznamníku - neohlásí-li se po určitém počtu zazvonění uživatel,
připojí se pomocí tohoto zařízení na linku počítač, zjistí, jde-li o modemový
signál, nebo o telefonní hovor a v případě hovoru se ohlásí jako záznamník a
zaznamená na svůj disk vzkaz volajícího. Příkladem může být přístroj GVC
33.6/14.4 firmy GVC.
10.3.2 Síťová karta
Úkolem síťové karty je zabezpečovat komunikaci mezi dvěma či více
počítači na poměrně malou vzdálenost v rámci sítí LAN (LAN znamená Local
Area Network, tedy místní síť. Kromě nich existují sítě WAN - Wide Area
Network, tedy sítě pro velké oblasti. V těch počítače komunikují obvykle pomocí
modemů). podle typu použitých propojovacích vodičů rozlišujeme karty pro
koaxiální kabel, stíněnou nebo nestíněnou kroucenou dvojlinku (STP
-Shielded Twisted Pair - stíněná kroucená dvojlinka, UTP - Unshielded
Twisted Pair - nestíněná kroucená dvojlinka) a pro komunikaci po optických
kabelech.
Různé karty umožňují práci buď v režimu polovičního duplexu, nebo
úplného duplexu. U prvního typu může být informace přenášena vždy jen v
jednom směru, druhý typ umožňuje současnou komunikaci oběma směry.
Podle typu sítě, pro kterou je karta určena, provádí úpravu informace a její
odeslání po síti, nebo její přijetí a transformaci do podoby potřebné pro počítač.
Způsob komunikace je dán komunikačními protokoly, se kterými síť pracuje.
Typickým protokolem je např. CSMA/CD, používaný v sítích s kartami Ethernet.
Karty mohou pracovat buď packetově, nebo tokenově.
Packetové síťové karty komunikují obvykle po jedné komunikační cestě (i když
ta může být tvořena i několika paralelními vodiči). Z informací při vysílání
134
1
Stanice A
Stanice A
Stanice B
Stanice A
Stanice B
Stanice B
Full Duplex
(komunikace oběma
směry současně)
Half Duplex
(komunikace vždy
jen jedním směrem)
Obr. Full-Duplex a Half-Duplex
vytvářejí tzv. packety, tedy bloky např. o 48 B užitečné informace a 5 B tzv.
hlavičky, která určuje kam má být packet zaslán a zabezpečovacích
dat,umožňujících zjistit případnou chybu při přenosu. Při příjmu karty sledují
procházející packety a ty, které podle hlavičky směřují do jejich počítače,
zachycují, kontrolují, ukládají do své paměti a vytvářejí z nich opět původní
soubor, který byl po síti odeslán.
hlavička s
adresou
packet
Stanice A
Síťová sběrnice
Stanice B
Stanice D
Stanice C
Pracovní stanice
Obr. Packetová síť
Tokenové kruhové sítě (Token Ring) jsou tvořeny dvěma kruhovými
informačními cestami. Informace se pohybují po jedné cestě jedním směrem a po
druhé druhým směrem. Je uspořádána v tzv. tokenech, jedním směrem jde tzv.
primárním okruhem jako hlavní informační tok, druhým jdou záložní informace.
Stanice
třídy A
Koncentrátor
Stanice
třídy B
Stanice
třídy B
Stanice
třídy B
Obr. Struktura tokenové kruhové sítě
135
136
Karty jsou upraveny podle toho, jsou-li počítače k síti připojeny jako stanice
třídy A (s obousměrným průchodem informace), nebo jako stanice třídy B,
připojené k síti prostřednictvím koncentrátoru (koncentrátor směruje informace z
hlavní sítě na příslušný počítač). Přenos po síti se provádí prostřednictvím řady
vysokofrekvenčních obdélníkových impulzů s taktovací frekvencí 10 - 30 MHz
(podle pracovní rychlosti karty - 10 Mb/s, nebo 100 Mb/s). Zakódování užitečné
informace se může provádět několika způsoby. Jedním z nich je kód NRZ (Non
Return Zero - bez návratu do nuly). Úroveň signálu se zde mění pouze při změně
kódované informace 0-1 nebo 1-0.
1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0
Kódované bity
Taktovací (hodinový)
signál
Kód NRZ
Obr. Princip kódu NRZ
Při volbě síťové karty jsou rozhodujícími parametry, které je třeba brát v
úvahu, typ kabelů sítě, rychlost přenosu informací, typ komunikace v dané síti,
číslo přerušení, se kterým karta pracuje, oblast adres, vyhražená paměti PROM
karty (řídí přihlašování karty do sítě) a komunikační protokol sítě.
Standard pro packetové sítě představují karty Ethernet (rychlost 10 Mb/s) a
FastEthernet (rychlost 100 Mb/s). Z karet pro TokenRing např. karty FDDI (pro
komunikaci po optických kabelech), nebo CDDI (pro kabely TP).
136
1
11 Operační systém
·
·
·
·
Operační systém je soustava programů, zabezpečujících
vzájemnou komunikaci mezi jednotlivými částmi počítače
komunikaci mezi počítačem a obsluhou
organizaci paměti RAM
organizaci informací na disku (HD i FD)
·
spouští další programy na počítači, kontroluje jejich
zpracovávání a umožňuje těmto programům standardním
způsobem přístup ke vstupním a výstupním zařízením,
vnějším pamětem atd.
V současné době existuje celá řada operačních systémů, lišících se použitím,
umístěním v paměti, pohodlností pro obsluhu atd.
U nejjednodušších počítačů se používají operační systémy uložené v
paměti ROM (např. kdysi populární operační systém CP/M). Výhodou takových
operačních systémů je, že jsou v plném rozsahu k dispozici okamžitě po zapnutí
počítače, není možné jejich narušení (např. působením počítačových virů), jsou
vysoce stabilní (zablokování komunikace s počítačem je prakticky vyloučeno a
pod. Nevýhodou je malá kapacita paměti ROM a tedy i nutná jednoduchost
takového operačního systému, jeho nepružnost (změna je možná pouze výměnou
paměti ROM, případně jejím přepsáním, pokud jde o paměť FleshEPROM).
U většiny dnes používaných počítačů je v paměti ROM pouze určitá malá
část operačního systému, označovaná jako BIOS (Binary Input-Output System binární systém vstupu a výstupu). Většina operačního systému je pak uložena
buď na tzv. systémové disketě, nebo na pevném disku. Při rozběhu počítače je
tato část zavedena do paměti RAM, část z ní pevně obsadí, z ní ji přebírá procesor
počítače a využívá služeb těchto programů pro svou práci.
Zatímco ještě nedávno se poměrně striktně rozlišovaly operační systémy na
systémy pro sólové počítače (především DOS) a síťové operační systémy
(např. Novell), umožňují mnohé z dnešních operačních systémů obě použití
(Windows95, WindowsNT, OS/2 atd.).
Popišme si nyní alespoň hrubě jednotlivé typy operačních systémů.
11.1 Struktura OS
Základ všech operačních systémů tvoří již výše zmíněný BIOS, který je úzce
vázán na používané technické prostředky - hardware. BIOS umožňuje ostatním
částem operačního systému komunikovat s různým hardwarem víceméně
jednotným způsobem, takže další části operačního systému jsou již na použitém
hardware nezávislé.
Každý operační systém obsahuje zaváděcí program, jehož úkolem je
rozmístit jednotlivé části operačního systému správně do paměti RAM. Pracuje
pouze na počátku, při rozběhu počítače, později je spouštěn jen v situacích, kdy je
třeba některou část operačního systému obnovit jejím znovuzavedením z disku
nebo diskety.
Další částí je program pro komunikaci s BIOSem. Komunikace probíhá s
využitím předem vyhrazených přerušení a adres v paměti, které jsou přístupny jak
137
138
BIOSu, tak i operačnímu systému. Musí být trvale přítomen v paměti RAM, jinak
počítač ztrácí schopnost komunikovat s některými svými aplikacemi.
Ústřední součástí je jádro operačního systému (kernel). Tato část provádí
hlavní služby operačního systému, spojené přímo s činností procesoru. Musí být co
nejstabilnější, aby se omezily situace, kdy počítač nesprávným použitím některé
služby operačního systému „zamrzne“, tedy přestane komunikovat s obsluhou
(obvykle je pak jediným východiskem restartování počítače). Velmi důležité také
je, aby operační systém umožňoval preemptivní multitasking a multithreading,
tedy vpodstatě současné zpracovávání několika programů zároveň (např. pokud
pracujeme v textovém procesoru, tedy píšeme nějaký dokument, je tempo psaní z
hlediska počítače tak pomalé, že zbývá spousta času, ve kterém může počítač
pracovat na jiném programu a lépe tak využít svůj pracovní čas) a možnost
přidělovat v síti práci nevyužívané kapacitě počítačů (úloha tedy může být
zpracovávána na jiném počítači, než na kterém byla spuštěna). I tato část musí být
trvale v paměti RAM, záleží tedy i na jeho velikosti, aby trvale blokovaná část
paměti byla co nejmenší.
Uživatelské rozhraní
(UI - User Interface
nebo GUI - Graphical
User Interface)
Jádro
(kernel)
Komunikační program
BIOS
Hardware
Obr. Obecná struktura OS
Uživatel a uživatelské programy komunikují s operačním systémem
prostřednictvím procesoru příkazů (uživatelského rozhraní). Podle typu
operačního systému je tato část různě přátelská k uživateli (User Friendly). Za
přátelský k uživateli považujeme takový procesor příkazů, který umožňuje
snadné intuitivní ovládání hlavních funkcí počítače. Průkopníkem takových
procesorů příkazů byla firma Apple Macintosh se svým operačním systémem
MacOS. Z něj potom vycházeli programátoři firem Microsoft (u Windows 3.x,
Windows95 a WindowsNT) a IBM (OS/2-Warp a OS/2-Merlin) - všichni
vycházeli z grafického prostředí s řadou oken, umožňujících pomocí myši snadno
ovládat hlavní funkce počítače.
11.2 BIOS
138
1
Základem, na němž stojí každý operační systém, je BIOS, tedy Binary InputOutpt System - binární systém vstupu a výstupu. Je uložen v paměti ROM a
spouští se v okamžiku zapnutí počítače.
Jeho hlavní úkoly jsou
·
zajistit rozběh počítače, tedy především
1.
Zkontrolovat je-li přítomna grafická karta
2.
Zkontrolovat paměť RAM
3.
Porovnat, zda jednotlivé části odpovídají setupu (viz. dále)
4.
Zkontrolovat přítomnost klávesnice
5.
Spustit zaváděcí program operačního systému
·
řídit přenos informací po systémové sběrnici základní desky
umožňovat nastavení setupu (Setup je uložen v trvale napájené paměti
CMOS a zachycuje nastavení hlavních parametrů počítače - především
parametry pevného disku (počet sektorů, cylindrů, hlav, kapacita disku
atd.), disketových mechanik, data, času, velikost paměti RAM apod.
Nastavování setupu si popíšeme dále).
·
·
řídit komunikaci mezi počítačem a klávesnicí (KeyboardBIOS),
počítačem a řadičem disků a počítačem a grafickým subsystémem
atd.
Funkce BIOSu jsou volány řadou přerušení, BIOS má také v paměti RAM
vyhrazenu určitou oblast, ze které si načítá řídicí proměnné a kam ukládá zprávy
o své činnosti. Vyšší operační systém volá funkce BIOSu zavoláním příslušného
čísla přerušení a komunikuje s ním i nastavováním hodnot proměnných ve
zmíněné oblasti RAM. Zprávy o výsledcích činnosti BIOSu opět získává čtením
proměnných na vyhražených adresách RAM. Proměnné, popisující konfiguraci
počítače, jsou v podobě tzv. Setupu zapsány v paměti CMOS, která je trvale
napájena pomocnou baterií.
Nastavování parametrů setupu je možné při rozběhu počítače, obvykle se
aktivuje stisknutím klávesy „DEL“ po ukončení počátečního testu paměti. Čím
novější je mateřská deska počítače, tím více možností pohodlného nastavování
parametrů setupu nám její BIOS umožňuje. Popišme si typické nabídky při
nastavování setupu:
·
Standart Setup (standardní nastavení) - obvykle umožňuje nastavení data
a času a parametrů disketových mechanik a pevných disků. Nastavení data
a času se provádí zvětšováním nebo zmenšováním původní hodnoty
pomocí příslušných ovládacích prvků (klávesami, nebo tisknutím tlačítka
myši při umístění šipky na značku pro zvětšování nebo zmenšování
hodnoty). Nastavení disketové mechaniky A a B provádíme výběrem
příslušného typu ze seznamu. Podobně i nastavení pevného disku je
možné výběrem ze seznamu disků, jejichž parametry jsou napevno zapsány
v BIOSu, nebo výběrem typu „USER“ (uživatel) a zapsáním parametrů
disku do příslušných rubrik jeho popisu. Pevný disk může být buď
„Master“ (pán), nebo „Slave“ (otrok). Disk Master obsahuje operační
139
140
systém a z něj je zaváděcím programem zaváděn do paměti RAM (bude-li
operační systém na disku Slave, BIOS jej při startu počítače nenajde a bude
pro rozběh požadovat systémovou disketu).
·
Advanced Setup (pokročilé nastavení) - umožňuje podrobněji nastavit
požadované parametry BIOSu počítače (zapnutí nebo vypnutí určité
funkce je dáno nastavením Enabeled (zapnuta), nebo Disabeled
(vypnuta)), např.:
1.Typematic Rate (Char/Sec) počet znaků za sekundu.
2.System Keyboard - zjišťování přítomnosti klávesnice při
rozběhu počítače. Může být zapnuto nebo vypnuto.
3.Primary Display - typ zobrazení karty (volby Absent
(Nepřítomný), VGA/EGA, CGA 40x50, CGA 80x25 a Mono
(Černobílý). Dnes je obvyklé nastavení VGA/EGA.
4.Above 1MB Memory Test - zkouška paměti nad úroveň 1MB.
Může být zapnuta nebo vypnuta.
5.Memory Test Tick Sound - zapnutí nebo vypnutí zvuku při
testu paměti.
6.Parity Error Check - zapnutí nebo vypnutí kontroly parity při
práci s pamětí.
7.Hit „DEL“ Message Display - zapnutí nebo vypnutí
zobrazování hlášení, že SETUP je spouštěn klávesou DEL.
8.Extended BIOS RAM Area - oblast adres v paměti RAM
vyhražená pro rozšíření BIOSu. Volby 0:300 a DOS 1K (prvních
300 B, nebo 1KB, vymezený operačním systémem DOS).
9.Wait for „F1“ if Any Error - zapnutí nebo vypnutí čekání
počítače na stisk klávesy F1 po zjištění hardwarové chyby
BIOSem.
10.System Boot Up Num Lock - zapnutí nebo vypnutí aktivace
numerické klávesnice při rozběhu počítače.
11.Floppy Drive Seek At Boot - zapnutí nebo vypnutí hledání
disketové mechaniky při rozběhu počítače.
12.Floppy Drive Swapping - zapnutí nebo vypnutí možnosti
prohazovat disketové mechaniky A a B.
13.System Boot Up Sequence - pořadí, v jakém jsou prohledávány
disky při hledání zaváděcího programu operačního systému.
Obvykle je možnost nastavit buď A:,C: nebo C:,A:.
14.System Boot Up Speed - rychlost rozběhu operačního systému.
Možno zvolit buď Low (nízká), nebo High (vysoká).
15.External Cache - zapnutí nebo vypnutí vnější paměti Cache na
základní desce (nebo v procesoru - viz. PentiumPro).
16.Internal Cache zapnutí nebo vypnutí vnitřní paměti Cache
procesoru.
17.Turbo Swich Function zapnutí nebo vypnutí tlačítka „Turbo“,
umožňujícího přepínat taktovací frekvenci procesoru mezi vyšší
a nižší hodnotou
18.Password Checking - kontrola hesla. Je možno zvolit, zda
bude heslo požadováno jen při vstupu do Setupu, nebo při
každém zapnutí počítače.
19.Video Shadow C000, 32K - vyhražení 32kB paměti RAM pro
stínování pamětí ROM grafické karty. Tato paměť ROM začíná
140
1
·
adresou C0000 (poslední nula se při zápisu vynechává). Ihned při
rozběhu počítače je tato paměť překopírována do paměti RAM,
která je podstatně rychlejší. Celková činnost počítače se dosti
výrazně urychluje.
20.Shadow C800, 16K - vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese C8000
21.Shadow CC00, 16K - vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese CC000
22.Shadow D000, 16K - vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese D0000
23.Shadow D400, 16K - vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese D4000
24.Shadow D800, 16K - vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese D8000
25.Shadow DC00, 16K- vyhražení 16 kB paměti RAM pro
stínování paměti ROM, začínající na adrese DC000
26.IDE Block Mode - nastavení režimu blokového přenosu dat
řadičem IDE. Možnosti jsou Disabeled (vypnuto), 2, 4, 8, 16,
32, 64, Auto (automatické nastavení dle potřeby).
27.IDE 32 Bit Transfer Mode - zapnutí nebo vypnutí 32bitového
režimu přenosu dat řadičem disků IDE.
28.Primary Master LBA Mode - zapnutí nebo vypnutí režimu
LBA (Large Block Access - přístup po velkých blocích),
umožňujících systému BIOS pracovat s disky o větší kapacitě
než 504 MB pro primární disk Master.
29.Primary Slave LBA Mode - viz. 28.
30.Secondary Ctrl Drives Present - nastavení počtu sekundárních
disků. Možnosti None (žádný), 1 a 2.
31.Secondary Master LBA Mode - viz. 28.
32.Secondary Slave LBA Mode - viz. 28.
33.OS/2 Compatible Memory Mode - zapnutí nebo vypnutí
organizace paměti, odpovídající operačnímu systému OS/2
34.Boot to PnP Operating System - bude startován operační
systém, umožňující funkci Plug-and-Play (yes/no - ano/ne).
Tuto funkci umožňují některé operační systémy (Windows95).
Při zapojení další karty do počítače se její parametry
nakonfigurují automaticky tak, aby mohla v počítači pracovat
bez konfliktů s ostatními částmi počítače.
Chipset setup umožňuje nastavit funkce řídícího obvodu základní
desky počítače - chipsetu. Obvykle se používá nastavení pomocí
automatické konfigurace, přesné nastavování vyžaduje podrobnější
znalosti o funkci počítače.
1.Auto Configuration - zapnutí nebo vypnutí automatického
nastavování chipset setupu. Při jeho zapnutí je většina
následujících voleb zablokována.
2.Cache Speed - rychlost paměti Cache
3.DRAM Read Wait State - doba čekání (počet taktovacích
impulzů) při čtení z paměti DRAM.
4.DRAM Write Wait State- doba čekání (počet taktovacích
impulzů) při zápisu do paměti DRAM.
141
142
5.PCICLK-to-ISA
SYSCLK Divisor - poměr taktovací frekvence
sběrnice PCI a sběrnice ISA.
6.Keyboard Clock Divisor - poměr taktovací frekvence sběrnice
PCI a klávesnice.
7.L2 Cache Mode - volba pracovního režimu sekundární (nebo
externí) paměti Cache. Je možno volit buď Write Through,
nebo Write Back. Při režimu Write Through paměť Cache
zrychluje činnost procesoru jen málo - při každém zápisu z
procesoru se zápis provádí současně do paměti Cache i do
paměti DRAM. Při Write Back se zápis provádí jen do Cache a
zpětné uložení do hlavní paměti DRAM proběhne až s celým
blokem dalších informací při změně obsahu Cache.
8.L1 Cache Mode - volba režimu činnosti primární paměti Cache
uvnitř procesoru. Volby viz. 41.
9.EDO RAM Speed - rychlost paměti EDO RAM (je-li použita)
10.Device Number Mapping Option - zapnutí nebo vypnutí
mapování přiřazením čísla přídavného zařízení.
11.Main BIOS Cacheable - zapnutí nebo vypnutí použití paměti
Cache pro práci s hlavním BIOSem počítače. Umožňuje další
zrychlení práce počítače.
12.Video BIOS Cacheable - zapnutí nebo vypnutí použití paměti
Cache pro práci s BIOSem grafické karty. Umožňuje další
zrychlení práce počítače.
13.Resource Lock for Local DRAM - pevné přiřazení zdrojů k
lokální paměti DRAM.
14.Host-to-PCI Post Write W/S - počet taktovacích pulzů, které
musí systém vkládá mezi opožděný zápis ze zařízení na sběrnici
PCI a další akci.
15.Host-to-PCI Burst Write - počet taktovacích pulzů, které musí
systém vkládá mezi přímý zápis ze zařízení na sběrnici PCI a
další akci.
16.Host-to-DRAM Burst Write - počet taktovacích pulzů, které
musí systém vkládá mezi zápis ze zařízení do paměti DRAM a
další akci.
17.LDEV# Sampling Point - vzorkování vstupu z místního
zařízení.
18.I/O Recovery Time Control - doba (v taktovacích impulzech),
nutná mezi jednotlivými vstupními a výstupními operacemi pro
tzv. „zotavení“ vstupního a výstupního zařízení.
19.Post Write Buffer - zapnutí nebo vypnutí vyrovnávací paměti
pro opožděný zápis.
20.Bus Park - zapnutí nebo vypnutí „parkování sběrnice“, tedy
stavu klidu při omezeném provozu.
21.PCI On Board IDE Drive - zapnutí nebo vypnutí diskového
řadiče IDE na základní desce.
22.PCI On Board IDE Speed Mode - nastavení rychlosti
diskového řadiče IDE na základní desce.
23.IRQ9 Use On - přiřazení přerušení IRQ 9 určitému zařízení
24.IRQ10 Use On - přiřazení přerušení IRQ 10 určitému zařízení
25.IRQ11 Use On - přiřazení přerušení IRQ 11 určitému zařízení
142
1
·
·
·
26.IRQ12 Use On - přiřazení přerušení IRQ 12 určitému zařízení
Power Mgmt - nastavování energeticky úsporného režimu činnosti
počítače. Všechny části počítače, které nejsou používány a které
nejsou nutné pro udržení jeho provozuschopnosti, jsou po uplynutí
nastavené doby vypínány.
1.Power Management - zapínání a vypínání energeticky
úsporného režimu činnosti počítače.
2.APM Function - zapínání a vypínání funkce APM (Advanced
Power Management - pokročilé šetření energií), která umožňuje
programové řízení úsporného režimu např. v systému Windows
95.
3.Doze Mode Timeout - nastavení času, po kterém při
nepoužívání počítače dojde k přechodu do stavu „doze“
(dřímota). Na monitoru mizí obraz, ale monitor je nadále zapnut.
4.Sleep Mode Timeout - nastavení času, po kterém při
nepoužívání počítače dojde k přechodu do stavu „sleep“
(spánek). Na monitoru mizí obraz a monitor je vypnut. Rozběh
trvá o něco déle.
5.Suspend Mode Timeout - nastavení času, po kterém při
nepoužívání počítače dojde k přechodu do stavu „suspend“
(zrušit) - všechny systémy počítače kromě paměti a některých
vstupních obvodů jsou vypnuty.
6.VGA Power Down - zapnutí nebo vypnutí vypínání grafické
karty v režimu suspend.
7.HDD Power Down - zapnutí nebo vypnutí vypínání pevného
disku v režimu suspend.
8.Monitor PCI Master 0 - zapnutí nebo vypnutí vypínání zařízení
0 na sběrnici PCI.
9.Monitor PCI Master 1 - zapnutí nebo vypnutí vypínání zařízení
1 na sběrnici PCI.
10.Monitor PCI Master 2 - zapnutí nebo vypnutí vypínání
zařízení na sběrnici PCI.
Peripheral Setup - nastavení parametrů počítače pro komunikaci s
periferními zařízeními, především nastavení adres sériových a
paralelních portů.
1.Programming Mode - zapínání a vypínání programového módu,
umožňujícího programem měnit parametry portů
2.OnBoard FDC - zapínání a vypínání řadiče disketových
mechanik na základní desce počítače.
3.Serial Port1 - nastavení adresy 1. sériového portu.
4.Serial Port2 - nastavení adresy 2. sériového portu.
5.Parallel Port - nastavení adresy paralelního portu.
6.Parallel Port Mode - nastavení režimu přenosu paralelního
portu.
Utility jsou programy, uložené v ROM BIOSu. Usnadňují práci s
BIOSem, především zjišťování parametrů různých zařízení počítače.
1.Detect Master - program provádějící automatické zjištění
parametrů disku Master (primárního i sekundárního).
2.Detect Slave - program provádějící automatické zjištění
parametrů disku Slave (primárních i sekundárních).
143
144
·
·
3.Color Set - nastavení barev obrazovky.
Security je funkce umožňující zabezpečit počítač pomocí nastavení
hesla (Password), případně i jiných ochranných postupů (např.
antivirový program).
1.Password - umožňuje nastavit heslo pro přístup do Setupu nebo
do počítače. V případě nastavení hesla pro přístup do počítače je
možno tuto ochranu obejít jen vymazáním paměti CMOS
(odpojením nebo zkratováním napájecí baterie).
Default označuje nastavení Setupu na hodnoty předem připravené v
paměti ROM autorem BIOSu. Používá se tehdy, pokud nevíme, jak
Setup nastavit.
1.Original - obnoví původní nastavení Setupu od výrobce. Další
nastavování musíme opět provádět ručně.
2.Optimal - pokusí se pomocí optimalizačního programu provést
optimální nastavení Setupu. Může se stát, že nebude fungovat.
3.Fail-safe - spolehlivé nastavení. Počítač nepoběží maximální
rychlostí, bude však pracovat spolehlivě.
Po skončení úprav Setupu ukončíme zadávání obvykle stisknutím klávesy
„Esc“. Před ukončením máme možnost zvolit, zda chceme nové hodnoty uložit do
paměti CMOS, nebo ne (volby „Write to CMOS And Exit“, nebo „Do Not Write
to CMOS and Exit“). Různé verze BIOSu mohou nabízet různé funkce, popsané
možnosti odpovídají BIOSu AMIBIOS Setup firmy American Megatrends Inc.
1994.
11.3 DOS a jeho nadstavby (diskové manažery, Windows 3.x)
Pravděpodobně nejrozšířenějším dnes používaným vyšším operačním
systémem je operační systém DOS (Disk Operating System - diskový operační
systém).
MS DOS 6.22
MS ... označení firmy dodavatele OS.
MS = Microsoft
DR = Digital Research
DOS .. Diskový operační systém
6.22.....Číslo verze (čím vyšší, tím
novější verze OS)
Přestože jde dnes již jednoznačně o zastaralý a dále již pravděpodobně dále
neperspektivní operační systém s uživatelsky velmi nepohodlným ovládáním a
celou řadou do značné míry archaických prvků (dělení paměti při schopnosti přímo
pracovat jen s 640 kB, nutnost pracovat v reálném režimu procesoru, nevýhodné
dělení disků s možností pouze 65536 (216) útvarů (adresářů i souborů) na disku
atd.), byl v minulosti nainstalován na tolik počítačů a bylo vytvořeno tolik
programů, které s ním pracují, že je třeba se s ním alespoň zběžně seznámit.
11.3.1 Struktura DOSu.
144
1
Operační systém DOS se skládá z několika základních částí. Před jejich
popisem si ještě uveďme, že pokud některou část označíme za rezidentní,
znamená to, že po zavedení operačního systému tato část pevně obsadí určitou část
v paměti RAM a během činnosti počítače nesmí být přepsána jinými informacemi
(kapacita paměti přístupné uživateli se tedy zmenšuje o velikost rezidentní části
OS). Pokud je některá část tranzientní, je také v paměti RAM, může však být v
případě potřeby přepsána jinými informacemi.
Externí příkazy DOS
Procesor příkazů
COMMAND.COM
Jádro operačního systému
MSDOS.SYS
Vazenbní (komunikační) program
IO.SYS pro komunikaci DOSu s
BIOSem
BIOS
Obr. Struktura DOS
Základem komunikace mezi DOSem a hardwarem je BIOS, který jsme si
popsali v předchozí kapitole. Zaváděcí program se spouští při rozběhu
operačního systému a umísťuje jeho části z kořenového adresáře primárního
disku Master (pojem kořenový adresář označuje nejvyšší úroveň logického dělení
disku, představující vlastně celý disk) na vymezená místa v paměti RAM.
Zavádění může proběhnout tzv. low, potom jsou tyto části umísťovány k nejnižším
adresám paměti RAM, nebo high, kdy se umísťují do tzv. upper memory, tedy do
oblasti paměti mezi 640 kB a 1 MB. Další popis vychází z poslední verze
operačního systému - MS DOS 6.22.
Vazební program IO.SYS má za úkol zprostředkovávat komunikaci mezi
BIOSem a DOSem. Při rozběhu počítače zároveň vyhodnocuje informace, zapsané
uživatelem v souboru CONFIG.SYS, popisující, jak má být nastaven operační
systém počítače. Spolupracuje s BIOSem při zjišťování chyb, vzniklých při
operacích s periferiemi, umožňuje obsluhu přerušení pomocí vektorů přerušení atd.
Jeho významnou funkcí je též možnost pracovat s dalšími periferními zařízeními,
které nejsou definovány v BIOSu (spolupráce s ovladači - drivery). V paměti je
uložen rezidentně.
Jádro (kernel) operačního systému tvoří program MSDOS.SYS.
Zabezpečuje provádění služeb DOSu při realizaci periferních operací se všemi
typy vstupních a výstupních zařízení počítače, zajišťuje prostřednictvím volání
funkcí operačního systému i operace se soubory dat - zavírání a otvírání souborů,
145
146
čtení a zápis vět v souborech, vytváření a rušení adresářů, přechody z jednoho
adresáře do druhého atd.
Poznámka: Aby se bylo možno lépe orientovat v záznamech o souborech v
tabulce FAT, je v ní vytvořena stromově organizovaná struktura tzv. adresářů.
Kořenový adresář je na úrovni celého disku, ostatní tvoří jeho podadresáře. Tato
logická struktura disku nemá žádný přímý vztah k fyzické struktuře disku, dané
umístěním souborů do clusterů. Můžeme si ji představit jako organizaci přihrádek,
ve kterých hledáme záznam o pozici souboru na disku
C:\
kořenový adresář (ROOT)
TEXTY
podadresáře
DOPISY
PREKLADY
CLANKY
Obr. Stromová struktura adresářů
Funkce DOS jsou směsice souborů, zařízení, paměti a služeb řízení procesu, které
jsou k dispozici jakémukoliv programu, který je schopen nastavování registrů a
volání přerušení. Každá funkce je popsána binárním číslem (obvykle se vyjadřuje
pomocí hexadecimálního zápisu). Volání těchto funkcí se provádí tak, že se číslo
funkce dosadí do registru AH (viz. popis 8086 a reálného režimu ostatních
procesorů). Pokud existuje jedna či více subfunkcí, dosadí se její číslo obvykle do
registru AL). V popisu funkce je obvykle uvedeno, mají-li být ostatní registry
procesoru nastaveny na nějakou předepsanou hodnotu, co má být zapsáno do
vyrovnávacích pamětí atd. Spuštění nastane po zavolání přerušení INT 21H (tedy
INT 3310). Chyba je obvykle indikována nastavením CF=1. Hodnota nastavených
registrů se voláním funkcí DOSu mění pouze tehdy, pokud v daném registru DOS
vrací požadovanou informaci.
Příklad:
Funkce „Vstup z klávesnice“ 01H
V registru AH se nastaví hodnota 01H. Procesor nyní čeká na znak ze standardního
vstupního zařízení (obvykle je to klávesnice, přepnutí se provádí funkcí 0CH). Kód
znaku zapíše do registru AL a současně jej odešle na standardní výstupní zařízení
(obvykle grafický subsystém).
Vlastní komunikaci mezi uživatelem a operačním systémem počítače
zprostředkovává procesor příkazů COMMAND.COM. Příkazy pro operační
systém mají podobu znakových řetězců, kterými se spouštějí jednotlivé programy
a funkce. COMMAND. COM se skládá ze tří částí - rezidentní, tranzientní a
inicializační.
Rezidentní část je poměrně malá a je uložena ve stejné oblasti paměti jako
IO.SYS a MSDOS.SYS. Jejím úkolem je před každým použitím procesoru
146
1
zkontrolovat, není-li narušena jeho větší, tranzientní část. Pokud zjistí poškození,
spustí inicializační část, která znovu z disku obnoví tranzientní část
COMMAND.COMu a potom se smaže.
Tranzientní část je podstatně větší a ukládá se do samostatné části paměti.
V průběhu činnosti ostatních programů není tato část paměti chráněna proti
přepisu, takže může dojít k přemazání části COMMAND.COMu jiným
programem. V takovém případě nemůže počítač reagovat na příkazy, dokud
nedojde k obnovení celistvosti COMMAND.COMu.
COMMAND.COM rozeznává dva základní typy příkazů - interní a externí.
Interní příkazy jsou součástí COMMAND.COMu a jsou přístupné kdykoliv,
pokud je COMMAND.COM úplný. Externí příkazy jsou v podstatě názvy
souborů typu *.EXE a *.COM, které tvoří standardní součást operačního systému.
Soubory typu EXE a COM obsahují instrukce v binárním kódu pro počítač. Lze je
přímo spustit zapsáním jména a stisknutím klávesy ENTER.
Při instalaci operačního systému se automaticky na disku vytvoří adresář
DOS, do něhož se uloží programy, představující standardní externí příkazy. Pokud
procesor příkazů zpracovává nějaký řetězec znaků, předpokládá nejprve, že jde o
interní příkaz a hledá jej v tabulce příkazů v COMMAND.COMu. Pokud jej tam
nenajde, považuje jej za externí a hledá soubor daného jména (nejprve s
koncovkou *.EXE, potom *.COM) v adresáři DOS. Pokud jej ani tam nenajde,
pokusí se jej hledat v některém zpřístupněném adresáři (zpřístupněn je ten adresář,
ve kterém se právě pracuje, a kromě něj ještě adresáře zapsané v příkazu PATH viz. dále). Nejde-li o název souboru typu EXE nebo COM, může ještě také jít o
dávkové soubory BAT.
Dávkové soubory jsou v podstatě textové soubory (obsahují binární kódy
znaků). Zapisují se do nich příkazy pro procesor příkazů operačního systému v
takovém pořadí, v jakém mají být vykonávány. Spouštějí se stejně jako soubory
EXE a COM.
Pokud procesor příkazů operačního systému žádný soubor daného jména a
jednoho z uvedených typů nenalezne, ohlásí „Bad command or file name“ (chybný
příkaz nebo název souboru) a čeká na nové zadání příkazu.
11.3.2 Příklady interních příkazů MS DOS
Než budeme pokračovat popisem některých příkazů MS DOSu, musíme si
vysvětlit ještě jeden pojem - pojem cesta (path). Tímto pojmem popisujeme
polohu určitého adresáře nebo souboru ve stromové logické struktuře adresářů na
disku počítače. Nejlépe si způsob zápisu cesty vysvětlíme na příkladu:
C:\
DOPISY
OSOBNI
petrovi.602
SLUZEBNI
ANONYM
sefovi.txt
Polohu dopisu Petrovi, který patří mezi osobní, a který byl napsán textovým
editorem T602, můžeme zapsat C:\DOPISY\OSOBNI\petrovi.602 (při běžné
147
148
práci s DOSem se nerozlišují malá a velká písmena, v tomto příkladu budeme psát
názvy adresářů velkým písmem a názvy souborů malým písmem), kde C: je
označení disku, na kterém se soubor nebo adresář nachází (Disky A: a B: označují
disketové mechaniky, C:, D: a další potom mohou být pevné disky. Mechanika
CD-ROM může mít označení D: a další - obvykle je označena písmenem za
posledním označením pevného disku.). Podobně polohu adresáře pro ukládání
služebních dopisů zapíšeme C:\DOPISY\SLUZEBNI. Zkuste si nyní samostatně
zapsat cestu k anonymnímu dopisu šéfovi.
Aby se usnadnilo provádění příkazů s více soubory najednou, povoluje DOS
při zadávání příkazů tzv. hvězdičkovou konvenci. Pokud chceme, aby se nějaký
příkaz prováděl s několika soubory, zapíšeme ty znaky, které jsou u nich společné,
a ostatní nahradíme *.
Příklad:
*.TXT
- platí pro všechny soubory s koncovkou TXT.
C*.BAT
- platí pro soubory typu BAT, jejichž název
začíná písmenem C.
*.*
- platí pro všechny soubory
CD
MD
RD
Change Directory - přejdi do jiného adresáře
Možné varianty:
CD cesta - přechod z libovolného místa na místo,
určené popisem cesty. Př.: CD C:\DOPISY znamená
přechod na disk C: do adresáře dopisy.
CD jméno podadr. - přechod do podadresáře toho
adresáře, kde právě pracujeme. Př.: CD SLUZEBNI
znamená přechod do podadresáře SLUZEBNI, možný
pouze za předpokladu, že jsme již předtím byli
nastaveni do adresáře DOPISY.
CD.. - přechod z podadresáře do nadřazeného adresáře.
Př.: Jsme-li nastaveni v podadresáři SLUZEBNI,
dostaneme se tímto příkazem do adresáře DOPISY.
CD\ - přechod z libovolného místa do kořenového
adresáře.
Make directory - vytvoření nového adresáře
Možné varianty
MD cesta - vytvoření podadresáře libovolného
existujícího adresáře bez ohledu na místo, kde právě
pracujeme. Př.: MD C:\DOPISY\MILOSTNE by
vytvořilo v adresáři DOPISY podadresář MILOSTNE
bez ohledu na to, ve kterém adresáři bychom právě
pracovali.
MD jméno podadr. - vytvoření podadresáře toho
adresáře, kde právě pracujeme. Př.: MD MILOSTNE
vytvoří podadresář MILOSTNE v tom adresáři, kde
právě pracujeme.
Remove directory - zrušení adresáře
Aby mohl být adresář zrušen, musí být splněny tyto
podmínky:
148
1
adresář musí být prázdný (nesmí obsahovat ani
podadresáře, ani soubory)
2. počítač musí být nastaven na jiný adresář než je
rušený
Možné varianty
RD cesta - zrušení podadresáře libovolného existujícího
adresáře bez ohledu na místo, kde právě pracujeme. Př.:
RD C:\DOPISY\MILOSTNE by zrušilo v adresáři
DOPISY podadresář MILOSTNE bez ohledu na to, ve
kterém adresáři bychom právě pracovali.
RD jméno podadr. - zrušení podadresáře toho adresáře,
kde právě pracujeme. Př.: RD MILOSTNE zruší
podadresář MILOSTNE v tom adresáři, kde právě
pracujeme.
Kopírování souboru
Možné varianty
COPY cesta_odkud cesta_kam - překopírování souboru
z místa, stanoveného cestou_odkud na místo, dané
cestou_kam. Př.:
COPY C:\DOPISY\OSOBNI\petrovi.602 A:\DOP\d1.602
Soubor petrovi.602 se překopíruje do souboru d1.602
na disketě A: , v podadresáři DOP.
COPY C:\DOPISY\OSOBNI\petrovi.602 A:\DOP
Soubor petrovi.602 se překopíruje na disketu A: do
podadresáře DOP pod svým původním jménem
petrovi.602.
COPY soubor cesta_kam - jsme-li nastaveni do
adresáře, odkud kopírujeme, nemusíme vypisovat první
cestu, stačí zapsat pouze jméno souboru. Př.:
COPY petrovi.602 A:\DOP\d1.602
Soubor petrovi.602 se překopíruje do souboru d1.602 na
disketě A: , v podadresáři DOP. Pokud v zápisu
neuvedeme d1.602, provede se kopie pod původním
názvem petrovi.602.
COPY soubor1 soubor2 - překopírování do nového
souboru v tomtéž adresáři. Př.:
COPY petrovi.602 d1.602
Soubor petrovi.602 se překopíruje do souboru d1.602 v
tomtéž adresáři.
Delete - smazání souboru
Možnosti použití
DEL cesta - smazání souboru, určeného cestou. Př.:
DEL C:\DOPISY\OSOBNI\petrovi.602
Smazání souboru petrovi.602.
DEL soubor - smazání souboru v adresáři, kde právě
pracujeme. Př.:
DEL petrovi.602
Smazání souboru petrovi.602 v adresáři, kde právě
pracujeme.
Rename -přejmenování souboru
1.
COPY
DEL
REN
149
150
DATE
TIME
DIR
Možnosti použití
REN staré_jméno nové_jméno - přejmenování souboru
starého jména na nové jméno. Př.:
REN C:\DOPISY\OSOBNI\petrovi.602 pavlovi.602
Přejmenování souboru petrovi.602 na pavlovi.602.
Jsme-li nastaveni v adresáři, kde přejmenování probíhá,
nemusí se vypisovat cesta, stačí napsat jméno souboru.
Zobrazí datum v počítači a umožňuje jeho změnu
Zobrazí čas v počítači a umožňuje jeho změnu
Výpis obsahu daného adresáře
Ve výpisu se objeví seznam jmen objektů (souborů a
adresářů), které jsou v daném adresáři zapsány. U
souborů se objeví i jejich přípona (označení typu - 602,
TXT, EXE, COM, SYS, BAT atd.) a velikost v bytech,
u podadresářů se místo nich objeví pouze <DIR>. U
obou typů objektů se současně objeví datum a čas jejich
uložení. Pod výpisem bude počet zobrazených objektů,
jejich celková velikost v bytech a volný prostor na
disku. Příklad:
prostor, který obsazují
48 file(s)
3 869 561 bytes
13 156 123 bytes free
počet objektů
TYPE
PATH
PROMPT
volný prostor
Možné zápisy:
DIR/p - výpis seznamu po obrazovkách
DIR/ax - výpis seznamu souborů s danými atributy x
(atributy mohou být D-podadresáře, Rsoubory pouze pro čtení, H-skryté atd.)
DIR/s - výpis včetně souborů ze všech podadresářů
DIR *.EXE - výpis všech souborů, vyhovujících zápisu
v hvězdičkové konvenci
Výpis znakového souboru na monitor (TYPE
jméno_souboru)
Zpřístupnění adresářů, jejichž soubory mají být
volány odkudkoliv.
Příklad:
PATH C:\DOS; C:\MOUSE; C:\T602;
Tímto příkazem jsou trvale zpřístupněny soubory z
adresářů DOS, MOUSE a T602 na disku C:
Popis, jak má vypadat výpis na monitoru před pozicí
kursoru.
Nejčastější nastavení PROMPT $P$G
$P ... Vypsání aktuálního disku a adresáře
$G ... Znak >
Takže běžný výpis na obrazovce je např.:
C:\DOPISY>
150
1
Procesor příkazů obsahuje ještě řadu dalších, jejich seznam je mimo rámec
těchto skript. Nevíme-li, jaké parametry se za který příkaz vypisují, je možno
zavolat nápovědu napsáním příkazu s parametrem /?. Nápověda je pochopitelně v
angličtině.
11.3.3 Příklady externích příkazů
Externí příkazy vystupují jako soubory s příponou *.EXE nebo * .COM v
adresáři DOS na disku C: (obvykle). Jde o složitější programy, umožňující
poměrně složité operace. Popíšeme si pouze šest z nich, podrobněji je možno se s
nimi seznámit v příručkách a operačním systému DOS.
TREE
UNDELETE
EDIT
FDISK
SCANDISK
DEFRAG
Zobrazení stromové struktury adresářů. Pokud se
zobrazení nevejde na obrazovku, použijeme příkaz
TREE|MORE. Výpis jde potom po obrazovkách a
posun se provádí stisknutím libovolné klávesy.
Obnovení smazaného souboru. Soubor je možno
obnovit, pokud nebyl do prostoru, který tento soubor na
disku zabíral, zapsán jiný soubor. Při mazání se totiž
pouze ve jménu souboru v tabulce FAT objeví značka,
že soubor byl smazán a clustery, které obsazoval, se
označí jako volné. Pokud tedy nebyl přepsán, dá se
obnovit novým zapsáním prvního znaku názvu.
Editor, umožňující vytvářet a měnit znakové
soubory (používá se především pro soubory typu
BAT).
Velmi důležitý program, umožňující definovat
rozdělení pevného disku. Na pevném disku jsou při
formátování definovány části, označované jako
partition. Disk C: tvoří vždy primary DOS partition.
Pokud chceme na pevném disku definovat další, logické
disky, musíme pro primary partition vyhradit jen část
disku a zbytek definovat jako extended DOS partition.
V této části potom můžeme definovat jeden či více
logických disků (Logical DOS Drive) D:, E: atd.
Při změně rozdělení je třeba nejprve zrušit (Delete)
partition a logické disky. První se ruší logické disky,
potom extended partition a nakonec primary partition.
Zrušením těchto parametrů se zlikvidují všechna data na
discích. Vytváření probíhá v opačném pořadí - nejprve
primary partition, potom extended partition a nakonec
logické disky. Po jejich definici je třeba provést
zformátování příkazem FORMAT C: (příp. D: atd.).
Program pro kontrolu disků. Provádí kontrolu tabulky
FAT a umístění clusterů, je schopen i povrchové
kontroly disku a přesunu čitelných dat z poškozených
clusterů do volných clusterů.
Reorganizuje clustery na povrchu disku tak, aby
soubory tvořily souvislé úseky a činnost disku tak
probíhala v optimálním režimu. Volání DEFRAG C:
151
152
(nebo označení
optimalizovat).
jiného
disku,
který
chceme
11.3.4 Soubory CONFIG.SYS a AUTOEXEC .BAT
Rozběh operačního systému DOS je řízen dvěma soubory, souborem
CONFIG.SYS a AUTOEXEC.BAT. Oba jsou umístěny v kořenovém adresáři
disku C:, vznikají automaticky při instalaci operačního systému a uživatel může
být v některých případech nucen je upravovat.
CONFIG.SYS je zpracováván vazebním programem IO.SYS a slouží k
nastavení základních parametrů konfigurace systému. Má charakter znakového
souboru a je jej možno upravovat např. pomocí programu EDIT. U MS-DOS 6.22
umožňuje při rozběhu nabídnout několik variant konfigurace v podobě menu, ve
kterém je možno pomocí šipek a klávesy „ENTER“ vybrat požadované nastavení.
AUTOEXEC.BAT je automaticky spouštěný dávkový soubor, obsahující
řadu příkazů operačního systému, které chceme provést při každém rozběhu
operačního systému. Provádí je procesor příkazů COMMAND.COM až po
zpracování CONFIG.SYS prostřednictvím IO.SYS. Význam obou souborů si
ukažme na příkladu:
CONFIG.SYS:
DEVICE= C:\DOS\HIMEM.SYS ....
Příkazem DEVICE spouštíme
ovládací program,
v tomto
případě
HIMEM.SYS,
který ovládá umísťování
programů do horní paměti, tedy
do oblasti mezi 640 kB a 1 MB
paměti RAM.
[MENU]
....
Počátek definice menu - položky
menu jsou definovány příkazem
MENUITEM=, za kterým následuje
označení
položky
v
rámci
CONFIG.SYS a doprovodný text,
který se objeví na monitoru v
příslušné nabídce.
MENUITEM=MYS, MS DOS S REZIDENTY
MENUITEM=EMS, MS DOS S EMS
MENUITEM=STAND, NABEH SITE OA_INTEL
MENUITEM=CD, MS DOS S REZIDENTY A CD ROM
MENUITEM=NIC, POUZE MS DOS
MENUDEFAULT=GATE,15 ....
nastavení způsobu ovládání menu
pomocí klávesnice
[MYS]
....
varianta „MS DOS S REZIDENTY“
DEVICE=C:\DOS\EMM386.EXE /noems
....
nastavení
ovladače
expanded
memory EMM386
152
1
[CD]
....
varianta „MS DOS S REZIDENTY
A CD ROM“
DEVICE=C:\DOS\EMM386.EXE /noems
[EMS]
....
varianta „MS DOS S EMS“
DEVICE=C:\DOS\EMM386.EXE ram
[STAND]
....
varianta„NABEH SITE
OA_INTEL“
DEVICE=C:\DOS\EMM386.EXE /noems
[NIC]
....
[COMMON]
....
varianta „pouze MS DOS“
společné nastavení pro všechny
varianty
BUFFERS=50,0 ....
počet vyrovnávacích registrů pro
komunikaci s pevným diskem
FILES=120
....
maximální počet souborů, které
mohou být současně otevřeny
DOS=HIGH, UMB ....
umístění operačního systému DOS
do horní paměti
COUNTRY=042, ,C:\DOS\COUNTRY.SYS ....
....
nastavení národních konvencí pro
potřebu práce s češtinou
Dalšími příkazy, používanými v CONFIG.SYS jsou např. LASTDRIVE=E
(posledním definovaným diskem je disk E: - písmeno se pochopitelně liší
podle instalace!), FCBS=4,0 (maximum otevřených FCB - FCB označuje
file control buffer, tedy registr řídící vstupní a výstupní operace se soubory),
STACKS=9,256 (hardwarová velikost zásobníků) atd.
AUTOEXEC.BAT:
@ECHO OFF
....
PROMPT $P$G
....
GOTO %CONFIG% ....
: MYS
vypnutí výpisů příkazů operačního
systému na monitor
nastavení výpisu na monitoru před
kurzorem - viz. kapitola o interních
příkazech COMMAND.COMu
odvolání se na definici menu ze
souboru CONFIG.SYS
....
odvolání se na jednotlivé nabídky
menu, viz. popis v CONFIG.SYS
PATH C:\DOS; C:\WINDOWS; C:\DOSMAN; ....
....
nastavení cesty k trvale přístupným
adresářům
LH C:\MMOUSE\MMOUSE.COM ....
spuštění ovladače myši v horní
paměti
153
154
LH NCACHE2 /EXT=256 ....
GOTO KONEC
....
spuštění programové paměti Cache
pro práci s pevným diskem
odskok
na
konec
souboru
AUTOEXEC.BAT
: CD
PATH C:\DOS; C:\WINDOWS; C:\DOSMAN;
LH C:\CDROM\MSCDEX.EXE /D:MSCD001 /L:E /V ....
spuštění ovladače mechaniky CD
ROM v horní paměti a s
nastavenými
parametry
(jejich
hodnoty se nastavují při instalaci
ovladače).
LH C:\MMOUSE\MMOUSE.COM
LH NCACHE2 /EXT=256
GOTO KONEC
: EMS
PATH C:\DOS; C:\WINDOWS; C:\DOSMAN;
LH C:\MMOUSE\MMOUSE.COM
LH NCACHE2 /EXT=256
GOTO KONEC
: STAND
PATH C:\DOS; C:\WINDOWS; C:\DOSMAN;
LH C:\MMOUSE\MMOUSE.COM
LH NCACHE2 /EXT=256
NET
....
spuštění
dávkového
souboru
NET.BAT, obsahujícího příkazy pro
připojení do sítě LAN. Tento soubor
si obvykle uživatel vytváří sám.
GOTO KONEC
: NIC
PATH C:\DOS; C:\WINDOWS; C:\DOSMAN;
GOTO KONEC
:KONEC
.....
ukončení
dávkového
AUTOEXEC.BAT
souboru
I v souboru AUTOEXEC.BAT je možno používat ještě řadu dalších příkazů,
pro běžného uživatele však připadají v úvahu dvě hlavní operace - doplnění
dalšího adresáře do příkazu PATH po instalaci nového programu (např.
nainstalujeme-li na počítač textový editor T602 a chceme jej spouštět z
libovolného disku nebo adresáře, musíme do příkazu PATH doplnit adresář,
do kterého jsme jej nainstalovali - obvykle C:\T602;) a spuštění ovladače
některého nově nainstalovaného zařízení nebo jiného programu (např.
antiviru).
Pozor - některé ovladače zařízení je možno spouštět jak z CONFIG.SYS
(příkazem DEVICE), tak i z AUTOEXEC.BAT. Většina výrobců myší
154
1
dodává např. na disketě ovladačů jeden ovladač typu COM a jeden typu
SYS. Myš je potom možno spouštět buď příkazem
DEVICE=C:\MOUSE\MOUSE.SYS
v CONFIG.SYSu (samozřejmě za předpokladu, že jsme ovladače myši
instalovali do adresáře MOUSE), nebo příkazem
C:\MOUSE\MOUSE.COM
nebo LH C:\MOUSE\MOUSE.SYS
v AUTOEXEC.BAT. V prvním případě je ovladač umístěn v základní
paměti RAM, ve druhém v horní paměti.
11.3.5 Nadstavby operačního systému - diskové manažery a Windows 3.x
Nepohodlné ovládání operačního systému prostřednictvím příkazů pro
COMMAND.COM vedlo tvůrce software k tvorbě různých nadstaveb operačního
systému, které toto ovládání velmi podstatně usnadňovaly. Zde se zmíníme jednak
o diskových manažerech a jednak o systému MS Windows 3.x. Společné je pro
ně to, že je jejich funkce založena na operačním systému DOS a bez něj nejsou
schopny pracovat.
Diskové manažery umožňují ve dvou či více oknech zobrazovat logickou
strukturu disků a vypisovat informace o souborech v různých adresářích. Operace,
jako je kopírování souborů, jejich mazání, přesuny, přejmenovávání atd., stejně
jako práce s adresáři, se provádí mačkáním funkčních kláves F1 až F10 na
klávesnici (někdy je pro ovládání možno použít i myš). Jsou možné i operace,
které by v DOSu musely být prováděny řadou příkazů - např. přesuny a kopírování
celých adresářů. Je možno i rušit adresáře obsahující soubory (což, jak již víme,
DOS zakazuje) - soubory se nejprve automaticky smažou a teprve potom se zruší
adresář. Výběr adresáře nebo spuštění souboru EXE, COM nebo BAT se provádí
nastavením kurzoru a stiskem „ENTER“. Jednotlivé manažery se liší množstvím
nabízených funkcí a pohodlím ovládání. Příkladem mohou být
NortonCommander, M602, Dosman, HH-manažer, VolkovCommander atd.
Přímo součástí operačního systému DOS bývá jednoduchý diskový manažer
DOSShell.
Windows 3.x, kde x je buď 1, nebo 11, jsou nadstavbou operačního
systému, kterou se firma Microsoft pokoušela dosáhnout možností a pohodlí
ovládání, které poskytoval a poskytuje operační systém MacOS, používaný u
počítačů Apple. Ovládání je postaveno na používání myši, zobrazování je důsledně
grafické. Na monitoru jsou jednotlivé funkce a programy znázorněny obrázky tzv. ikonami a jednotlivé operace se provádějí jednoduchým nebo dvojitým
stiskem signalizačního tlačítka myši (kliknutím, nebo dablklikem) na příslušné
ikoně. Důležitá je možnost snadného přenosu informací mezi jednotlivými
aplikacemi - např. přenos obrázků a tabulek z příslušných programů do textu z
textového editoru atd., pokud všechny tyto programy jsou napsány pro práci pod
Windows.
Poslední variantou tohoto systému jsou MS Windows 3.11 for Workgroups.
Pracují, stejně jako DOS s 16-bitovým prostředím (především s FAT tabulkou).
Pomocný program Win 32 umožňuje i 32-bitový přístup k souborům a k disku.
Oproti předchozí verzi jsou vybaveny jednoduchými síťovými funkcemi,
155
156
umožňujícími (v případě vybavení počítače síťovou kartou) spojení počítačů do
jednoduché sítě se sdílením disků.
Obr. Správce programů
Základní částí je Správce programů, který představuje základní okno, ve
kterém se otevírají skupiny a programy. Základními skupinami jsou Hlavní
skupina, Příslušenství, Aplikace, Hry, Síť a Spustit při startu.
Obr. Hlavní skupina
156
1
Hlavní skupina obsahuje ikony Správce souborů, Ovládací panel,
Správce tisku, Prohlížeč schránek, Prompt MS-DOS, Instalace Windows,
Rozšíření DOS o 852, Editor PIF a Přečtěte si.
Správce souborů je v podstatě diskový manažer, umožňující prohlížení
struktury adresářů, operace s adresáři, soubory a disky.
Ovládací panel umožňuje nastavovat základní parametry Windows - Barvy
(barevnou kombinaci pracovních ploch oken), Písma (používané fonty písem),
Porty (parametry sériových a paralelních portů), Myš (parametry myši - možné je
např. nastavit ovládání myši tak, aby s ní mohl pracovat levák), Pracovní plocha
(nastavení činnosti monitoru - šetřič obrazovky atd.), Klávesnice (zadání prodlevy
a opakovací rychlosti klávesnice), Tiskárny (instalace a vyjmutí ovladače tiskáren,
nastavení způsobu tisku), Národní zvyklosti (volba národních zvyklostí - měny,
časových jednotek, národní klávesnice atd.), Datum a čas (nastavení počítačového
data a času), Rozšířené (optimalizace systému Windows, včetně nastavení virtuální
paměti, způsobu přístupu na disk atd.), Fax (konfigurování připojeného faxu),
Ovladače (instalace, vyjmutí a konfigurace ovladačů přídavných zařízení) a Zvuky
(přiřazení zvuků ke hlášením systému).
Správce tisku ovládá tisk úloh, výběr tiskáren (pokud je instalováno více
ovladačů tiskáren), tiskovou frontu (tiskne-li se několik úloh současně) atd.
Prohlížeč schránek umožňuje zobrazit obsah tzv. schránky. Schránka je
specifický útvar ve Windows, umožňující přenos zkopírovaných bloků informací
(textu, tabulek, nebo i obrázků) mezi jednotlivými aplikacemi pracujícími pod
systémem Windows. Prohlížeč umožňuje takto zkopírované informace zobrazit,
vybírat mezi nimi potřebné partie atd.
Prompt MS-DOS umožňuje vystoupit ze systému Windows do MS-DOSu a
pracovat s aplikacemi, vylučujícími práci s Windows. Návrat do Windows
umožňuje příkaz „Exit“.
Instalace Windows umožňuje změnit nebo nainstalovat nově jednotlivé
části systému Windows, případně odinstalovat nepotřebné partie. Při změně
instalace jsou nutné instalační diskety, případně jejich kopie na pevném disku.
Rozšíření DOS o 852 představuje změnu způsobu kódování znaků tak, aby
bylo možno zobrazovat ve Windows české znaky a používat české fonty písma.
Editor PIF umožňuje vytvářet popisy programů, které nebyly původně
určeny pro práci pod Windows, umožňuje jim přidělit okno atd.
Přečtěte si je textový soubor, obsahující poslední informace o úpravách
systému Windows, které již nebyly zahrnuty do dodávaných příruček.
Příslušenství je skupina programů, umožňujících nejrůznější zpracovávání
informací. Je mezi nimi jednoduchý textový editor Write, grafický editor,
umožňující tvořit jednoduché obrázky Paintbrush, program pro spolupráci s
modemem Terminál, databázový program Kartotéka atd.
Aplikace je skupina programů, do které Windows při instalaci umísťují
spouštěcí ikony programů, schopných pracovat pod Windows, které systém
identifikuje při své instalaci.
Obsah skupiny Hry je dán vcelku jednoznačně jejím názvem a každý
uživatel se s ní jistě snadno seznámí sám.
Skupina programů Síť obsahuje funkce nastavující činnost sítě Windows for
Workgroups. Správné nastavení všech parametrů v tomto okně je pro uživatele
poměrně obtížné a vyžaduje buď pečlivé studium nápovědy, nebo pomoc
zkušeného technika.
157
158
Poslední, ale velmi významnou skupinou programů je Spustit při startu. Do
této skupiny jsou umísťovány ikony programů, které chceme spouštět při rozběhu
systému Windows. Obvykle se do ní umísťuje Rozšíření DOS o 852 a Přepínač
primární a sekundární klávesnice. Rovněž antivirové programy mohou být
zařazeny do této skupiny.
Obr. Příslušenství
Proti MacOS a pozdějším systémům OS/2 a Windows95 jsou klasická
Windows 3.x ještě poměrně primitivním systémem, značně ještě poplatným
systému DOS, na kterém jsou založena. Výhodou je jejich stabilita a to, že jejich
případné neregulérní vypnutí nezpůsobuje obvykle poškození systému.
158
1
11.4 OS/2
Operační systém OS/2 vyvinula firma IBM v roce 1986 původně ve
spolupráci s firmou Microsoft pro tehdy nový procesor 80286. Původní verze měla
příliš velké požadavky na hardware (hlavně velkou operační paměť), proto se příliš
nerozšířila. Po úspěchu systému Windows spolupráce obou firem skončila,
Microsoft přepracoval svou verzi OS/2 na WindowsNT a IBM provedla celkové
přepracování OS/2.
V současné době se OS/2 objevuje ve dvou verzích - OS/2 Warp Server pro
práci v sítích LAN a OS/2 Warp Merlin pro osobní počítače. Jde o plně 32-bitový
systém, pracující od počátku ve chráněném režimu procesoru. Je vybaven
systémem HPFS, nebo zdokonalenou variantou HPFS 386 (HPFS je systém
záznamu pozice na disku, odlišný od tabulky FAT, využívané DOSem a jeho
nástavbami. Kódování je 32-bitové, což umožňuje podstatně jemnější dělení
povrch disku a tedy také podstatně lepší využití jeho kapacity. HPFS 386
umožňuje navíc tzv. drive monitoring, tedy připojení více fyzických disků jako
jednoho logického disku). Operační systém je samoopravitelný (automaticky
zapíná opravovací funkce), podporuje dlouhé názvy souborů (až 255 znaků) a
automaticky provádí defragmentaci jak disku, tak i operační paměti. Při běhu
programů se plně využívá preemptivní multitasking a multithreading. Součástí
operačního systému je systém rozpoznávání hlasových příkazů. Podporuje
multimediální aplikace, komunikaci se sítěmi WAN (Internet), práci s
grafickými soubory atd. Výhodou OS/2 je jeho vysoká stabilita.
Nevýhodou tohoto operačního systému je značně náročná instalace.
Problémy vznikají při použití komponent, jejichž ovladače nejsou součástí OS/2,
nebo které systém sám nerozpozná při instalaci. Jinak je ovládání vcelku
uživatelsky přátelské, opět pracujeme s jednotlivými skupinami a s ikonami v nich,
jejich organizace je však podstatně odlišná od Windows. Další nevýhodou je
nedostatek aplikací, napsaných přímo pro tento operační systém. OS/2 Merlin však
umožňuje přímo využívat aplikace pro Windows 3.x, Windows95 a WindowsNT.
Součástí dodávky operačního systému je standardní balík aplikací
BonusPack, obsahující textový editor, tabulkový procesor a další uživatelsky
potřebné programy.
Potřebná konfigurace počítače pro tento OS je procesor Pentium, 24 MB
RAM, 16 bitová zvuková karta s kvalitním mikrofonem, grafická karta s 2 MB
DRAM pro sběrnici PCI a pevný disk kolem 1 GB.
159
160
11.5 Windows95
Pokračovatelem úspěšné nadstavby operačního systému DOS, Windows 3.x,
se v roce 1995 staly Windows95, které nyní aspirují na to stát se standardním
operačním systémem osobních počítačů. Na rozdíl od předchozích Windows 3.x
již nejde o pouhou nadstavbu DOSu, ale o skutečný operační systém. Přes velkou
reklamní kampaň firmy Microsoft je (vcelku oprávněně) provází i určitá nedůvěra
uživatelů, způsobená především jejich nižší stabilitou a tím, že při jakémkoliv
konfliktu programů dojde k zablokování operačního systému. Postupem času jsou
tyto problémy firmou Microsoft odstraňovány a uvádí se, že v připravované verzi
Windows 97 by mělo být vše v pořádku.
Jádro operačního systému je 32-bitové, obsahuje však ještě některé 16bitové subsystémy. Diskový formát zůstal nezměněn, systém nadále pracuje s
16-bitovou tabulkou FAT, přibyla však možnost použití dlouhých názvů souborů.
Operační systém umožňuje vcelku plnohodnotnou emulaci systému DOS pro
potřebu spouštění aplikací, které s Windows95 nemohou spolupracovat. Obsluha
paměti je poměrně špatná, v mnoha případech je možno reorganizaci provést jen
restartováním počítače v jiném režimu. Výhodou je podpora systému Plug-andPlay, to znamená, že při vřazení nového zařízení (např. zvukové karty) by ji měl
systém sám rozpoznat.
K zásadním změnám došlo v GUI (Graphical Users Interface - grafické
uživatelské rozhraní). Po instalaci se na pracovní ploše objeví tři ikony - Tento
počítač, Okolní počítače a Koš. V levém dolním rohu je navíc tlačítko Start.
Kliknutím na ikoně Tento počítač se otevře okno, zpřístupňující jednotlivé
disky (disketové mechaniky, pevné disky i síťové disky (pokud jsou
zpřístupněny)), Ovládací panely (pro nastavování konfigurace jednotlivých
systémů a zařízení, pracujících pod Windows), Tiskárny (pro řízení tiskárny
včetně instalace zvoleného ovladače, pro řízení faxu atd.) a Telefonické připojení
sítě (umožňující komunikaci pomocí modemu).
Kliknutím na Okolní počítače se zjistí s jakými počítači je náš počítač
schopen komunikovat v rámci sítě LAN, ukáže nám strukturu jejich disků (jsou-li
zpřístupněny), umožňuje nám s nimi komunikovat atd.
Mazání objektů je (jako u MacOS) prováděno jejich přesunem do složky
Koš. Takto smazané soubory je v případě potřeby možno snadno obnovit
přesunem z koše zpět na plochu nebo do jiné složky než Koš. Jednou za čas se
provádí vyprázdnění koše, při kterém jsou soubory definitivně smazány.
Stisknutím tlačítka Start se rozvine menu, obsahující Programy
(umožňující spouštět různé nainstalované programy, pokud nemají svou ikonuzástupce na pracovní ploše), Dokumenty (obsahují seznam 15 naposled
otevřených dokumentů, abychom se k nim mohli snadno vracet), Nastavení (pro
nastavování parametrů jednotlivých částí a zařízení Windows), Hledat (nalezení
souboru, složky nebo počítače), Nápověda (pro informaci o práci s Windows95),
Spustit (spustit program pomocí příkazové řádky - podobně jako v DOSu) a
Vypnout (kde je možno volit mezi vypnutím počítače, restartováním v režimu
MS-DOS, restartováním počítače ve Windows95 a vypnutím programů a
přihlášením jiného uživatele).
Ve spodní části obrazovky je lišta, označovaná jako Task Bar. Všechny
probíhající úlohy jsou reprezentovány tlačítky na této liště a přechod z jedné úlohy
do druhé je možný pouhým stisknutím tlačítka. V pravé části lišty je přepínač
klávesnice, ovladač hlasitosti zvuku a indikátor času.
160
1
Celkově je třeba konstatovat, že Windows95 poskytují pohodlnější a
přátelštější uživatelské prostředí oproti předchozím verzím. Pokud se u verze
Windows97 povede odstranit zmiňovanou nestabilitu, je možno skutečně
očekávat, že se svým rozšířením stanou nástupcem DOSu.
Obr. Pracovní plocha Windows95
11.6 Novell, UNIX a WindowsNT
Na závěr se jen stručně zmiňme o skupině síťových operačních systémů.
Nejstarším z nich je Novell NetWare. Svou komplikovaností a
nepohodlným ovládáním v mnohém připomíná DOS. Umožňuje vcelku dobře
organizovat hierarchii práv uživatelů a chránit data jednotlivých uživatelů sítě
proti neoprávněným přístupům a zásahům. Neumožňuje sdílení jednoho souboru
(např. databáze) několika uživateli současně. Dodává se ve verzích pro 20
uživatelů, pro 50 uživatelů a pro 100 uživatelů, přičemž převod informací z jedné
verze do druhé (např. při rozšíření sítě) je značně komplikovaný. Podrobněji bude
probrán v příslušném předmětu.
Operační systém UNIX je ještě komplikovanější, než Novell. Používá se ve
velkých sítích, umožňuje i takové aplikace, kde s tímtéž datovým souborem
pracuje několik uživatelů současně. Jeho studium je mimo rámec naší školy.
Windows NT, dodávané jako WindowsNT Server a WindowsNT Workstation,
jsou uživatelsky nejpřátelštějším síťovým operačním systémem. Jejich ovládání
vychází z Windows95. Jejich hlavní nevýhodou jsou nároky na hardware - ideální
je PentiumPro 200 MHz s 32 MB RAM. I tento operační systém bude probrán v
příslušném předmětu.
Použitá literatura:
161
162
Knihy:
A.Hunger-A.Kohl a kol.: Co počítá počítač?, SNTL 1990
Tesla ELTOS: Úvod do osobních počítačů. Praha 1990
M. Minasi: IBM PC - Velký průvodce hardwarem, GRADA 1994
M. Minasi: Pevné disky od A do Z, GRADA 1992
M. Brandejs: Mikroprocesory Intel 8086-80486, GRADA 1991
M. Brandejs: Mikroprocesory Intel - Pentiun a spol. GRADA 1994
Jiří Zápalka: Anatomie IBM PC. GRADA 1993
M.Šnorek, P.Slavík: Programování obrazových adaptérů PC. GRADA 1993
M. Vymazal, J.Jindřich: Počítačové tiskárny, GRADA 1995
J.T.Hyan: Scannery. GRADA 1993
Články v časopisech:
CHIP
L.Nachtman: Lokální sběrnice PCI - Škoda, jestli neprojde, 12/1993, str.106-110
J.Mika: Diody v akci, 2/1994, str.62-63
M.Hecl: Nejrychlejší z rychlých - Intel DX4TM, 4/1994, str. 58-59
M.Felix: Je to síla! PowerPC, 4/1994, str. 63-73
V.Tyrš, J.Bedrlík: DECi v kleci - DEC Alpha APX family, 7/1994, str. 42-46
O.Kluge: Ticho patří minulosti - zvukové karty, 7/1994, str. 48-62
M.Flohr: 686 přichází, 9/1994, str.50-56
W.Wehl, G.Bader: Pozor na kaňky - inkoustové tiskárny, 9/1994, str. 90-97
K.Oetzel: Štvanec - pevné disky, 11/1994, str. 50-55
J.Sedlbauer: Více možností - Jak funguje EIDE?, 2/1996, str. 130-138
M.Flohr: PentiumPro v bitech a bajtech, 2/1996, str. 50-54
A.Filip:Aby zuby neskřípaly - BIOS, 3/1996, str. 128-134
J.Lorenz, U.Proeller, J.Beck, W.Kleineman: Pohled do karet - grafické karty,
4/1996, str. 64-88
M.Málek: Věda v malé kapce - barevné tiskárny, 6/1996, str. 72-90
K.Waldheim: Na plný plyn - mechaniky CD-ROM, 7/1996, str. 56-84
M.Málek: CromaClear - monitory, 7/1996, str. 86-88
J.Mika: Není slabých soupeřů - pevné disky, 9/1996, str.76-83
A.Lauchner: Experimenty s třetím rozměrem - graf. karty, 10/1996, str. 80-81
F-R.Borsch: S bubny a trumpetami - zvukové karty, 12/1996, str. 76-85
G.Pienkowski: Vnitřní život mechaniky CD-ROM, 1/1997, str.128-129
M.Loucký: Nastává nová éra - procesory MMX, 2/1997, str. 8-9
M.Málek: TV na PC, 3/1997, str. 70-74
M.Rindl: Srovnání systémů sběrnic: SCSI a EIDE, 3/1997, str. 52-61
PC World
F.Louguét: SCSI, 1/1995, str. 88-92
P.Paleta: Windows95, 3/1995, str. 37-45
P.Paleta: Daytona -WindowsNT, 3/1995, str. 46-48
P.Paleta: WARP - OS/2, 3/1995, str. 50-54
J.Luhan: HP Color LaserJet, 3/1995, str. 60-63
P.Korec: Pero kreslící po oknech Windows - graf. tablet, 5/1995, str. 24-29
S.Borecký: Tiskárna PhaserTM 340 - vosková tiskárna, 7/1995, str.52-56
162
1
A.Bader, R.Regent-Seebode, B.Wesser-Krell: Světlo v džungli CPU, 9/1995, str.
34-48
B.Vošický: Procesor NexGen P100, 12/1995, str. 100-101
J.Zapletal: Třetí rozměr v počítačové grafice, 4/1996, str. 22-26
B.Smetana: Upgrady a optimalizace PC, 7/1996, str. 23-36
B.Smetana: Záznamová média dneška, 8/1996, str. 29-57
B.Smetana a kol.: Operační systémy, 10/1996, str. 26-50
B.Smetana, J.Zapletal: Nebojte se PC (1). 11/1996, str. 38-59
B.Smetana, J.Zapletal: Nebojte se PC (2). 12/1996, str. 58-67
J.Zapletal: Operační systém - nejlepší přítel člověka, 1/1997, str. 58-61
B.Smetana, J.Zapletal: Nebojte se PC (4). 2/1997, str. 101-111
J.Zapletal: DVD, CD-ROM a CD-RWM, 3/1997, str. 88-91
PC Magazine
D.Rowell: PCI Local Bus přichází, 1/1994, str. 113-118
163