Számítógép

A számítógép egy olyan be- és kimenettel rendelkező elektronikus automata, mely szoftverek alapján a hardvert működteti. A szoftver (software) a számítógépet működtető programok összessége, melyek algoritmusokat (műveletsorokat) tartalmaznak (valamint ezek dokumentációi). A hardver (hardware) olyan eszközök halmaza, melyek fizikailag kézzelfoghatóak (a számítógép áramkörei, mechanikus berendezései, perifériái). A kettő fogalom között létezik egy átmenet is, melyet frömvernek (firmware-nek) nevezünk. Ilyen pl. a ROM-BIOS. Ezt is ebben a fejezetben tárgyalnánk, hiszen sokkal inkább hardver, mint szoftver eszköz, hiszen az alaplapra gyárilag rászerelik.

A számítógépek alaptulajdonságai

1. Tároló egység (memória) a programot és az adatot tárolja,
2. Processzor (CU, ALU) a programok utasításait, adatait értelmezi és feldolgozza, majd az eredményt továbbküldi,
3. Sínredszer (BUS system) a perifériák, a tároló egységek és a processzor közötti kapcsolatot valósítja meg,
4. Perifériák (input, output) a külvilággal, a számítógépet felhasználó emberekkel teremti meg a kapcsolatot.
· A számítógépek órajel frekvenciája. A gépek órajel sorozata szinkronizálja (időben összehangolja) az egyes részek működését, biztosítja a párhuzamos folyamatok egymásmellettiségét és megszabja a számítógép működési sebességének felső korlátját. Egy ma használatos átlagos mikroszámítógép órajel frekvenciája eléri a 200MHz-et.

· Az áramköri egységek technológiája. A gép logikai áramköreinek előállítási technológiája nagymértékben befolyásolja azok működési sebességét.

· A belső és a külső sínrendszer szélessége, azaz annak értéke, hogy hány bináris jelet tud egy időben, párhuzamosan továbbítani. A személyi számítógépek ma már elérik a 64 bitet is.

· Az utasítások és műveletek végrehajtásakor, azok átlapolhatóságának lehetősége (pipeling).

· A használt szóhosszúság, azaz azon bináris jelsorozat hossz, amit az utasítások végrehajtásakor a gép egy egységként kezel. A PC-k szóhosszúsága 2 byte nagyságú.

· A memória adatátviteli sebessége (Mbyte/sec)-ban mérve. Ennek nagyságát a memória ciklusideje és a sínrendszer szélessége szabja meg.

· A perifériális egységek adatátviteli sebessége ((Mbyte/sec)-ban mérve), amely a perifériák működési sebességétől és a periféria vezérlők kapacitásától függ.

A számítógépek teljesítőképességük alapján három csoportba sorolhatók: kis-, közepes és nagygépek. Természetesen élesen nem különíthetőek el egymástól.

· A nagygépek (mainframe): nagy műveleti sebességűek, tárolójuk nagy kapacitásúak, perifériáik nagy teljesítményűek. Ezeket a gépeket elsősorban tudományos számításokhoz, nagyvállalati adatfeldolgozáshoz használják. A gépeket szintén nagy teljesítményű operációs rendszerrel látják el, amelyek a gépek használatát nagy számú felhasználónak teszik lehetővé egy időben. Általában központi gépekként szolgálnak számítógép-hálózatokban.

· A középgépek (mini computer): memóriájuk kisebb kapacitású, sebességük is alacsonyabb. Kisebb adatmennyiséggel dolgoznak, többnyire folyamatvezérlési, mérésfeldolgozó rendszerek kiszolgáló gépeikét alkalmazzák őket. Viszonylag nagyszámú felhasználó kapcsolódhat rá. Általában bonyolult grafikai feladatokat (pl. térinformatikai rendszerek, mérnöki tervezőrendszerek - CAD/CAM) végeztetnek munkaállomásként.

· A kisgépek (micro computer): teljesítményük viszonylag alacsony, többnyire önállóan, személyi számítógépként használják őket. A csoport nagy teljesítményű tagjai munkaállomásként, hálózati kiszolgálóként (server-ként) működnek. Ebbe a csoportba tartoznak az IBM PC kompatíbilis számítógépek.

Működési csoportosítás

A számítógépek összehasonlításához ki kell választani azokat a legjellemzőbb tulajdonságokat, melyek alapján hasonló gépek egy halmazba kerülhetnek. Számtalan csoportosítási lehetőség van, de néhány szempontot mégis érdemes kiragadni. Az egyik az utasításkészlet szerkezete.

· CISC (Complex Instruction Set Computer): A '60-as évek végére kialakult, bonyolult utasításokból álló utasításkészlettel rendelkező és igen sokféle címzési módot megengedő számítógépeket (processzorokat), melyek mikro-programozott műveleti vezérléssel dolgoznak, összetett utasítás-készletű számítógépeknek (processzoroknak) nevezzük. Ilyenek a PC-k.

· RISC (Reduced Instruction Set Computer): A teljesítőképesség növelése érdekében a '80-as évek kezdetétől, az utasításkészlet egyszerűsítésével (kevés, viszonylag egyszerű címzési lehetőséggel rendelkező utasítás használatával) a számítógépek architektúráját is egyszerűsíteni lehetett, melynek következtében teljesítőképességük nőtt. Ezek az ún. csökkentett utasítás-készletű számítógépek.

Csoportosíthatjuk még tulajdonságaik alapján is.

· A gépek műveleti sebessége, vagyis az az utasításszám, amelyet átlagosan egy időegység alatt dolgoz fel a gép. Az így mért sebesség mértékegysége a MIPS (millions of instruction per second), vagy MOPS (millions of operations per second), de használják még a lebegőpontos aritmetikai műveletszámra vonatkozó MFLOPS-ot (millions of floating point operations per second) is.

A számítógépeket csoportosíthatjuk azokkal feldolgozott utasításfolyam és adatfolyam vizsgálata alapján. Ennek jelentősége csak a bonyolultabb számítógép architektúrák befolyásolásánál van.

· SISD (Single Instruction Stream Single Data Stream): egyetlen utasításfolyam és egyetlen adatfolyam feldolgozása. Az ilyen gépek egy vezérlő egységgel és egy aritmetikai-logikai egységgel rendelkeznek, egy időben egyetlen utasítás végrehajtására alkalmasak. Ilyenek a hagyományos, Neumann-elvű számítógépek (pl. PC-k).

· SIMD (Single Instruction Stream Multi Data Stream): egyetlen utasításfolyam, többszörös adatfolyam feldolgozása. Ezek a gépek egy vezérlő egységgel és több aritmetikai-logikai egységgel rendelkeznek. Egy időben ugyanazt az utasítást hajtja végre több adaton. Ilyenek a vektor- vagy tömbprocesszoros számítógépek.

· MISD (Multi Instruction Stream Single Data Stream): több utasításfolyam alapján egyetlen adatfolyamat feldolgozása. Valójában ilyen gépek nincsenek, de bizonyos értelemben ide vehetjük a pipeline feldolgozást alkalmazó számítógépeket.

· MIMD (Multi Instruction Stream Multi Data Stream): több utasításfolyam és több adatfolyam feldolgozása. Ebbe a csoportba tartoznak a multiprocesszoros gépek.

A nagygépek és a kisgépek közötti különbségek:

· A nagygépek belső és külső perifériális teljesítménye és megbízhatósága jóval nagyobb, mint a kisgépeké.

· A kisgépek központi egysége, processzora egyetlen integrált áramköri egységet alkot, míg a nagygépek általában több egységűek.

· A kisgépek összeszerelt állapotukban általában egyetlen házban vannak elhelyezve, míg a nagygépek mérete akár több szekrény nagyságúak is.

· A magas integráltságú áramkörök (VLSI) nem hoznak létre különbséget, hiszen ma már szinte minden gép kihasználja az áramkör-technika legmagasabb fokát.

A számítógépek struktúrája

A különböző számítógépek felépítését mindig egy alapgondolat határozza meg.

Tipikus architektúra-elvek

6 tipikus architektúra (struktúra) létezik, melyek jelentős mértékben különböznek egymástól.

1. Neumann-elvű számítógépek:

· A gép vezérlése tárolt program alapján történik.
· A gép irányítása vezérlésáramlásos rendszerű, azaz a számítógép vezérlő egysége a tárolt program utasításait egyenként sorra véve oldja meg az adott feladatot. az automatikus programvégrehajtás egyszerűsítése végett a vezérlő egységben egy utasításszámláló regiszter tárolja a soron következő utasítás tárolóbeli helyének címét.
· A gép egy közös tárolót tartalmaz, amely egyaránt tárolja a program utasításait és az utasítások által feldolgozandó adatokat is. A program és az adatok kódolására bináris kódrendszert alkalmaz.
· A program utasításai által kívánt aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére egy önálló egység, az ALU szolgál.
· Az adatok és a program bevitelére/kihozatalára önálló egységek szolgálnak.

A teljesítmény növelésében akadályt jelent a processzor és a tároló közötti adatátviteli sebesség korlátozottsága, amelyet a közös program- és adattárolás, vagyis az utasítások soros feldolgozása csak fokoz.
A Neumann-elvű gépek az SISD csoportba tartoznak. A működésük gyorsításához, a teljesítmény növeléséhez kevés lehetőség van.

· A számítógép erőforrásainak egyenletesebb leterhelésére a multiprogramozott üzemmódot alkalmazzák.

· A funkcionális egységeket többszörözik, multifunkcionális processzort alakítanak ki.

· A processzor tevékenységeket és az I/O műveleteket átlapolással, spooling technikával oldják meg.

2. Harvard-architektúrájú számítógépek:

A Harvard-architektúrájú számítógépek felépítése ugyanaz, mint a Neumann-elvű gépeké, csupán abban különbözik, hogy külön program és külön adattárolót használ a processzor. A két tárolási funkció szétválasztásával csökken a közös sínrendszer használatából eredő szűk keresztmetszet, így növelhető a gép teljesítménye. Ezek a gépek szintén az SISD csoportba tartoznak.
A külön tárolók használata megszünteti a programutasítások felülírásának lehetőségét, így a futó program nem tudja módosítani önmagát.

3. Vektorszámítógépek:

A matematikai-tudományos számítások körében gyakran kell számsorozatokkal, vektorokkal műveleteket végezni. Ezekre a műveletekre jellemző, hogy azonos számításokat kell elvégezni egymás után. Az adatsoron történő műveletvégzés lehetőséget ad azok átlapolt (pipeling) végrehajtására és ezzel a teljesítmény növelésére.

A vektorszámítógépek a folyamatok kezelése szempontjából az SIMD csoportba tartoznak. A vektorprocesszorok teljesítménye függ az adatátlapolás hosszától. Minél több elem feldolgozását lehet átlapolni, annál inkább növekszik a processzor teljesítőképessége. Meg kell oldani a vektorelemek tárolóból történő lehívásának és visszatöltésének hatékony módját is, hiszen a tároló elérési ideje jelentősen csökkenti a számítógép teljesítményét. Ennek megakadályozására a műveletvégző egység előtt és után regiszterláncot alkalmaznak az adatok ideiglenes tárolására, és a tárolóterület több részre felosztva, a vektorelemeket sorra az egymást követő memóriablokkból készíti elő a processzor.
Teljesítőképességüket erősen rontja az, ha skalár mennyiségekkel kell dolgoznia, mert áthaladásuk a feldolgozó láncon időveszteséget okoz, ezért a vektorprocesszorok mellett külön processzor áll rendelkezésre.

4. Tömbprocesszoros számítógépek:

A tömbprocesszoros számítógépek a vektorszámítógépek továbbfejlesztett változata. A gépek több processzorral és ehhez kapcsolódó memóriamodullal rendelkeznek.
A vektor- és mátrixműveletek végrehajtásának sebessége nagymértékben növelhető, ha valódi párhuzamos műveletvégzés (nem átlapolás) történik a gépekben, vagyis minden processzoron ugyanazt a műveletet hajtja végre a gép, a vektorok vagy a mátrixok különböző elemeivel. Ezek a gépek is az SIMD csoportba sorolhatók.
A processzorokat és a memóriamodulokat egy vezérelhető kapcsolóhálózat köti össze, amely lehetővé teszi bármelyik processzor összekapcsolását bármelyik modullal.

5. Multiprocesszoros számítógépek:

A teljesítőképesség növelésének következő lépcsőfoka a több processzor használata. Lényeges, hogy a processzorok között feladatmegosztás legyen.
Ezek a gépek az MIMD kategóriába tartoznak.
A processzorok közötti, illetve a processzorok és a megosztott memóriamodulok kapcsolatok megvalósítására szolgáló hálózat statikus és dinamikus is lehet. Statikus hálózat esetében a processzorok között állandó struktúrájú a kapcsolatok kiépítése, dinamikus hálózat esetében a processzorok közötti kapcsolatokat igényeknek megfelelően lehet kialakítani.
A csomópontokban (processzorokban) elhelyezkedő egységek között az adatok továbbítása általában egységes formájú üzenetekben történik. Az üzenetek tartalmazzák a célállomás (fogadó processzor) azonosítóját, valamint a feldolgozandó adatokat és egyéb kiegészítő információkat.
6. Adatvezérelt számítógépek:

Az adatvezérelt számítógépek alapjaiban különböznek a Neumann-elvű gépektől. A vezérlés-áramlásos soros utasítás-feldolgozása helyett a feladatokhoz szükséges adatoktól függ a műveletek végrehajtása.
A számítógép logikai struktúráját az elvégzendő műveletek egymáshoz kapcsolódását leíró adatáramlási gráf határozza meg. A csomópontokhoz vannak hozzárendelve az elvégzendő műveletek. Egy-egy ilyen hozzárendelés aritmetikai és logikai műveletek elvégzését, több befutó adat közüli választást, egy adat valamely irányba történő irányítását eredményezi. A gráf éleihez a csomópont által igényelt adatok, illetve a művelet eredményeként keletkező adatok vannak hozzárendelve. Az adatáramlási gráf alapján készíti el a fordítóprogram annak programgráfját, amely kijelöli a műveletet és a kapcsolódó adatokat.
Az adatvezérelt számítógépek multiprocesszoros rendszerek, amelyben a processzorokat egy kapcsolóhálózaton keresztül kötik egymáshoz és minden ütemben az adatok egy-egy processzor-pár között mozognak az adatokban előírt módon.

Minden körben a bemeneti adatok és a kimeneti adatok (eredményadatok) kiegészítésre kerülnek a következő elvégzendő utasítás azonosítójával, majd a megjelölt utasítás alapján, a rendszer összepárosítja azzal az adattal, amelynek utasításazonosítója ugyanaz. Ezt követően a programtárolóból kikeresi az utasítás műveleti kódját és hozzáteszi az adatcsomaghoz, majd ezt még kiegészíti az eredmény következő felhasználási helyének címével. Az így összeállított adatcsomag kerül a processzorba, ahol az előírt utasítás végrehajtása megtörténik. A kapott eredmény a kapcsolóhálózat segítségével jut tovább a következő végrehajtási lépés előkészítési fázisába, vagy kerül ki a gépből.

Neumann-elvű számítógépek felépítése, erőforrásai

A Tipikus architektúra-elvek alatt már szó volt a Neumann-elvű gépekről. Mivel a PC-k is ebbe a csoportba tartoznak, bővebben kitérünk erre az elvre.
A hagyományos (Neumann-elvű) számítógépek felépítésének kidolgozásában hatalmas szerepet játszott a magyar származású Neumann János. Az 1940-es évek közepén fejlesztették ki azt a számítógépet, amely tárolt program alapján dolgozott soros feldolgozás szerint. A mai számítógépek többsége így működik.
A közös adat- és programtároló alkalmazásának következménye az, hogy a program utasításait a végrehajtás során át lehet írni - mintha az is adat volna. Ezt a lehetőséget ma már nem célszerű kihasználni, hiszen egyrészt a rendelkezésre álló tárolóhely nagysága már többnyire elegendő, másrészt a programok bonyolultsága olyan fokú lett, hogy az ellenőrizhetőség hosszadalmas.
Az automata gép hatékonyságának növelésére különböző önálló egységeket hoztak létre. A mikroszámítógépek esetében ez az elkülönítés már igen jól látható, mivel az egyes egységek vagy egy-egy integrált áramköri egységben (IC-ben), vagy egy-egy áramköri kártyán találhatók.
A számítógép több funkcionális 5 főegységre bontható. Ez a központi egység, a háttértárolók, a perifériák és a sínrendszer.
A különböző egységek mindig az alaplapon, vagy az alaplapra kapcsolva találhatók. A PC alaplapja a processzorra, a memóriára és a sínrendszerre épül. Erre kapcsolódnak a különféle perifériák.