DELOVANJE RAČUNALNIKA
Razred:
1.b
Mentor:
Mirko Pešec
Preedmet:
Informatika
Maribor,
18. 2. 2001
Naslov moje projektne naloge je Delovanje računalnika. Računalnik je zelo zapletena naprava. Da bi v nalogi lahko obdelal vse stvari podrobno, bi potreboval več kot dovoljenih 20Mb za ta spis. Obdelal bom samo najpomembneje stvari in poskušal bralcu predstaviti delovanje, ne da bi zato potreboval kakšno veliko vedenje o računalnikih.
Kaj pa je sploh računalnik? Neznalček bi rekel: »To ji tista siva kišta, ki vedno ruži pa velikokrat smrdi.« Računalnik je seveda veliko več. Z njim lahko danes delamo vse mogoče stvari o katerih smo včasih samo sanjali. Tudi znanost se zaradi računlnikov zdaj ponovno razvija. Prinesel je torej velik napredek v znanosti. Kaj pa navadni smrtnik? Zgleda, kot da računalnik ne bi prinesel nič novega za njega. To seveda ni res. Vsak lahko z računalnikom danes počenja stvari, kot jih ni nikoli prej. Na primer, Janezek je moral prej, če se je hotel športno udejstvovati, iti ven na zrak, zdaj pa potrebuje samo kakšno FIFO in že lahko igra nogomet na računalniku. Za to je potreben delujoč računalnik. Vendar iz lastnih izkušenj vam povem, da vam računalnik tako ali tako ne bo delal 90% časa, ko bi ga potrebovali. Zato vam bom tukaj povedal kako deluje računalnik in tako boste lahko naslednjič vedeli zakaj vam ne dela.
Kaj se torej zgodi, ko končo najdemo gumb za vklop računalnika in ga po tehtnem premisleku pritisnemo? Pa poglejmo…
Vsekakor mora računalnik ob zagonu priti do operacijskega
sistema. Če imate trdi disk, je ta po vsej verjetnosti posnet na njem in zagon
steče brez vašega vmešavanja. Če pa nimate trdega diska ali operacijskega
sistema na njem, morate pred zagonom vstaviti disketo z operacijskim sistemom v
disketno enoto. Kakorkoli po nekaj trenutkih brnjenja in piskanja končno
pridete v vaš izbran operacijski sistem.
Zdaj pa nas zanima, kako to zgleda s stališča računalnika:
1. Elektrika obudi poseben program, ki preizkusi osnovne sestavne dele računalnika in preveri, če je z njimi vse v redu. Najprej se loti procesorja in preizkusi njegovo zmožnost dobivanja in oddajanja podatkov.
2. Zdaj preizkusi trajni pomnilnik in preveri, če je vgrajeni program cel in nedotaknjen.
3. Nato preveri delovanje čipa, ki diktira tempo dela procesorja.
4. Pregleda kanale, ki so namenjeni pretoku podatkov iz enega dela pomnilnika v drugega.
5. Pregleda delovni pomnilnik in pripravi vse potrebno za njegovo uporabo.
6. Pregleda delovanje grafične kartice in pusti kurzor v levem kotu zaslona.
7. Pregleda delovanje in odzivnost tipkovnice.
8. Prešteje priključene disketne enote, CD-Rom in DVD bralce, trde diske.
9. Pogleda priključene kartice v računalniku.
10. Zdaj pa prične iskati operacijski sistem, ki bo prevzel nadzor nad računalnikom. Najprej pogleda disketni pogon, če je v njem vstavljena disketa s sistemom. Nato preveri še trdi disk. Če operacijskega sistema ni na trdem disku, izpiše sporočilo in zahteva disketo z njim.
11. Če je vse normalno, bo zdaj nadzor nad računalnikom prevzel operacijski sistem.
Za razumevanje delovanja računalnika, moramo najprej vedeti
kako je zgrajen. Današnji računalniki so vsi zgrajeni po Von Neumanovem modelu
računalnika.
Računalnik:
Računalnik sam po sebi ne dela nič. Za svoje delovanje potrebuje program. Program je vrstni red operacij za opravljanje določenega procesa. Program krmili računalnik in je njegov bistveni sestavni del. Program pa mora biti nekje zapisan, zato ima vsak računalnik pomnilnik.
Program je sestavljen iz ukazov, ki so osnovni element
programa. Vsak ukaz ob izvajanju programa sproži posamezno operacijo.
V splošnem je ukaz sestavljen iz dveh delov:
1. koda ali oznaka operacije, ki jo ukaz sproži (npr. preberi)
2. seznam parametrov (npr. 5. sektor na trdem disku)
Ločimo več vrst ukazov, ki jih delimo v 6 skupin:
· ukazi
za prenos podatkov
sem spadajo ukazi, ki prenašajo podatke iz ene lokacije na drugo v
procesorju ali notranjem pomnilniku
· aritmetični
ukazi
to so ukazi za osnovne štiri računske operacije
· logični
ukazi
to so ukazi za neštevilčne operacije, kot so NOT, AND, OR, EXLUSIVE-OR… ali
v slovenščini ne (negacija), in (konjunkcija), ali(disjuncija), ali … ali
(izklučujoča disjunkcija), …
· ukazi
za nadzor nad delovanjem programa
program se običajno odvija od prvega ukazo proti zadnjemu, s temi ukazi pa
se lahko ta vrstni red poljubno spreminja
· ukazi
za nadzor na delovanjem računalnika
ti ukazi lahko spreminjajo delovanje računalnika in so za običajne
programerje praviloma »prepovedani«
· vhodno
– izhodni ukazi
sem spadajo ukazi, ki prenašajo informacijo iz vhodno-izhodnih enot v
procesor oz. pomnilnik in obratno
Ločimo dve vrsti notranjih pomnilnikov:
Sestavlja ga zaporedje pomnilnih celic. Širina posamezne celice je najpogosteje 8 bitov. V pomnilno celico, ki jo sestavlja 8 bitov, lahko shranimo 1 byte. Pomnilniki so danes že zelo veliki. Danes kupujemo delovne pomnilnike, ki lahko shranijo 128Mb podatkov in več.
V delovnem pomnilniku (angl.: Random Access Memory – RAM) hrani računalnik program, ki se izvaja, ter podatke in navodila, ki jih potrebuje za izvajanje programa. Ko delo s programom končamo in začnemo uporabljati drug program, novi podatki v pomnilniku prepišejo stare.
Delovni pomnilnik je zgrajen iz elektronskega vezja, ki je v obliki čipa vgrajen v računalnik. Za delovanje pomnilnik je potreben sklenjen električni tok. To pa prinaša slabo lastnost tega pomnilnika. Ko izklopimo računalnik, se ves delovni pomnilnik sprazni in torej ob ponovnem vklopu ne vsebuje nič informacij.
Bralni pomnilnik (angl. Read Only Memory – ROM) vsebuje vsak računalnik. Značilnost tega pomnilnika je to, da ohrani podatke tudi po izklopu računalnika. Slaba lastnost tega pomnilnikapa je to, da je možno le branje podtakov, ne pa tudi pisanje oz. spreminjanje. V ROM pomnilniku so torej shranjeni vsi tisti programi in podatki, ki se morajo ohraniti tudi po izklopu.
Kot že vemo je centralna procesna enota – CPE (angl. Central Process Unit – CPU) sestavljena iz:
Centralno procesna enota je srce računalnika. Ti elektronski elementi, predvsem tranzistorji, delujejo usklajeno in omogočajo hitro ter avtomatsko izvajanje zaporedja ukazov programa. Program je shranjen v pomnilniku. Krmilna enota pa ciklično ponavlja postopek izvedbe posameznega ukaza, dokler ne pride do konca programa. Ukaz najprej prebere, dekodira kodo operacije, prebere operande, aktivira aritemtično-logično enoto, ki operacijo izvede in shrani rezultat. Hitrost izvajanja teh operacij je odvisnaod frekvence s katero utripa procesor. Ta frekvenca je tako visoka, da omogoča nekaj miljonov operacij na sekundo.
Pomembni sestavni deli krmilne enote in aritemtično-logične enote so registri. Registri so majhni, a hitri pomnilniki, ki lahko hranijo le nekaj bitov podatkov (npr. 8, 16, 32, …). Po številu podatkov, ki jih hranijo registri delimo procesorje na 8 bitne, 16 bitne, 32 bitne, …
Sestavine centralno-procesne enote so med seboj povezane z vodili, ki omogočajo vzporeden pretok podatkov, kontrolnih signalov, … Število žic v vodilu določa širino vodila oziroma to, koliko bitov podatkov lahko po njem prenašamo vzporedno.
Računalnik lahko deluje, če ima v notranjem pomnilniku zapisan program v strojnem jeziku. Strojni jezik je računalniški jezik – jezik ničel in enic. Prav tako morajo biti v notranjem pomnilniku zapisani tudi podatki, ki jih program obdeluje, ali pa morajo biti dostopni v toku izvajanja programa (npr. na trdem disku).
Glavno vlogo pri izvajanju programa ima krmilna enota. Program je običajno sestavljen iz treh delov:
Pa si poglejmo na praktičnem primeru, kako to izgleda. Sešteli bomo tri števila, ki jih bomo vnesli preko tipkovnice.
Program za to bi izgledal nekako takole:
1
preberi {prvo število};
2
preberi {drugo število};
3
preberi {tretje število};
4
prenesi [register ALE (aritmetično-logična
enota)] {prvo število};
5
prištej {drugo število} [registru ALE];
6
prištej {tretje število} [registru ALE];
7
shrani [register ALE] {notranji pomnilnik – 1};
8
pokaži {notranji pomnilnik – 1};
Razlaga:
verjetno je program sploh ne
potrebuje, zato samo nekaj. Pri 1-3 smo preko tipkovnice vnesli števila,
ki so se shranila v notranjem pomnilniku. 4 - Potem smo iz notranjega
pomnilnika prenesli v akumulator (tako se imenuje ta register v
aritmetično-logični enoti) prvo število. 5-6 – Prišteli smo števili
vrednosti v akumulatorju. 7 – Shranili smo vrednost iz akumulatorja
nazaj v notrnaji pomnilnik
8 – Prikazali smo na zaslon vrednost v tisti celici notranjega
pomnilnika.
Ta program je zelo preprost. Opazite lahko, da je potrebno pred vsako operacijo prenesti podatke iz notranjega pomnilnika v registre. Registri pa lahko, kot že vemo, hranijo zelo podatkov. Iz tega lahko tudi vidimo zakaj so 32 bitni računalniki toliko hitrejši od npr. 8 bitnih. Lepo se tudi vidi kaj je koda oz. oznaka operacije ali ukaza in kaj so parametri.
Marsikoga pa z zgornjim opisom nisem zadovoljil. Nisem namreč povedal, kako je sploh možno, da lahko nekaj stikal, tranzistorjev in malo elektrike, dela takšna čudesa. Njim bom ponudil nekaj bolj elementarnega.
Eden od vzrokov, zakaj je informacija v digitalnih
računalnikih predstavljena binarno, je tudi enostavnost pravil za računanje z
binarnimi števili.
Pravila za binarno seštevanje:
1. pravilo: 0 + 0 = 0
2. pravilo: 0 + 1 = 1
3. pravilo: 1 + 1 = 0 in prenos 1 v naslednji stolpec
Drugih pravil ni. Poglejmo torej naprimer seštevanje 4+5=9.
0101 5
+0100 4
-----------
1001 9
Če gledamo stolpce od desne proti levi, smo uporabili pravila 2, 1 in 3.
Kako bi pa pravila izrazili z elementarnimi elektronskimi
sestavinami? Imamo torej tri logična vrata: AND, NOT in OR. Vrata AND in OR
imata po dva vhoda in en izhod. Vrata NOT pa imajo en vhod in en izhod.
Vrata AND so oblikovana tako, da je na izhodu 1, če in samo, če sta oba vhoda
enaka 1. V ostalih primerih pa je izhod 0.
Pri vratih OR je izhod enak 0 če in samo, če sta oba vhoda enaka 0. V vseh
ostalih primerih je izhod enak 1.
Vrata NOT pa delujejo tako, da je izhod negacija vhoda. Če je vhodu 1, je na
izhodu 0 in seveda obratno.
Povežimo zdaj te sestavine med sabo tako, da bomo lahko
sešteli dve binarni številki. Vrata OR uporabimo za izvedbo pravil 1 in 2. Za
izvedbo pravila 3 pa uporabimo vrata AND. Zaradi preprostosti se bomo
zadovoljili z vezjem brez prenosa 1 v naslednji par. Za to bi potrebovali še
dodatne sestavine.
Vhoda v vezje sta dva. Za vsak bit po eden. Prav tako sta tudi dva izhoda: eden
je vsota, drugi pa je vrednost za prenos v naslednji par.
|
vhodi |
izhodi |
||
|
x |
y |
s |
c |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
Podobne logične strukture za seštevanje in vse ostale elmentarne operacije so zgrajene z elektronsko tehnologijo integriranih vezij v obliki čipov.
Bradley, R. (1987). Basic Computer Awareness. London: Nelson.
Gradišar, M.; Resinovič, G. (1993). Osnove informatike. Ljubljana: Ekonomska fakulteta v Ljubljani.
Mazini, M.; Sulič, B. (1990). Mentor o računalniku. Ljubljana: Grad.
Rae, A.; Ainsley, R. (1995). Računalniški blefsikon. Ljubljana: Co Libri.
Wechtersbach, R.; Lokar, M. (2000). Informatika. Ljubljana: Državna založba Slovenije.
http://www2.arnes.si/~gmbormoz2s/cpu_files/frame.htm
http://www.pfmb.uni-mb.si/didgradiva/2000/info_listi/didrac1/info_listi98/indexi.htm
http://www.mkdata.dk/click/