Osnove sklopovlja računala

Sklopovlje računala

• Računala su sveprisutna u modernom svijetu i koriste se u gotovo svim područjima ljudskog djelovanja
• Prva računala su nastala radi potrebe za obradom kompleksnih izračuna.
• Razvoj računala je strelovit, a razlozi se mogu pronaći u temeljnim karakteristikama računala, poput brzine i točnosti

Osnovne karakteristike računala

• Brzina: brzina se izražava u broju taktova u jednoj sekundi (MHz ili GHz)
• Točnost: velika brzina ne umanjuje točnost obrade
• Pouzdanost: ne zahtijeva ljudsku intervenciju za izvođenje instrukcija
• Pohrana: računala mogu pohraniti podatke prije, tijekom i nakon obrade brže od ručnog unosa
• Programibilnost: za razliku od mehaničkih uređaja, računala obavljaju različite radnje ovisno o programu
• Dijeljenje resursa: računala mogu dijeliti resurse s drugim računalima

Ograničenja računala

• Ograničenja računala uključuju nemogućnost obavljanja zadaća za koje nisu programirana, nemogućnost samostalnog prilagođavanja, i generiranje toplinske energije
• Računala izvode unos/dohvat, obradu/transformaciju, izlaz/prezentaciju i pohranu podataka

Digitalizacija

• Suvremena računala su elektroničke digitalne naprave
• Računalo prepoznaje dva oprečna stanja zatvaranjem i otvaranjem strujnih krugova (1 ili 0)
• Svi se podaci prikazuju nizom nula i jedinica, odnosno binarnim brojevnim sustavom.
• Proces prilagodbe podataka računalnoj obradi zove se digitalizacija.
• Računalni sustavi sastoje se od: sklopovlja, programske opreme, sredstva za povezivanje i ljudskih faktora

Povijesni razvoj računala

• U najranijim civilizacijama, intenzivan rast razmjene i potreba za preciznim izračunima dovela je do razvoja "računanja na prste"
• Zapadne civilizacije koristile su 10 brojeva dok su istočnjačke civilizacije koristile 60 brojeva
• Mehanička pomagala uključuju abakus i Napierove kosti
• U 19. stoljeću, Charles Babbage razvija mehaničko računalo (Difference Engine) i radi na programabilnom računalu (Analytical Engine)
• Jacquard-ov tkalački stan iz 1801. poslužio je kao inspiracija Babbage-u za koncept programibilnog mehaničkog stroja
• Herman Hollerith razvija Mehaničko električka računala (Tabulator machine) 1890. godine te osniva tvrtku koja kasnije postaje IBM 1924. godine
• Računalo MARK-I razvija Howard Aike

Generacije elektroničkih računala

• Tommy Flowers razvija Colossus 1943. godine
• Prva generacija elektroničkih računala-ENIAC (1945.) koristi elektronske vakuumske cijevi tehnologije
• ENIAC je rađen od 17.468 elektronskih cijevi, težak oko 30 tona, troši električne energije kao 100 kućanstava i veličine je 4 školske učionice
• Druga generacija elektroničkih računala- kraj 1950- ih,koristi tranzistore koji su izumljeni 1947. godine
• Tranzistori su manji, jeftiniji i troše manje energije
• Prvo računalo namijenjeno komercijalnoj uporabi UNIVAC (1957.) izgrađeno je od tranzistora
• Treća generacija elektroničkih računala koriste integrirani sklop (čip)
• Integrirani sklop omogućuje povezivanje više tranzistora, istovremeno izvršavanje više programa te početke komercijalizacije računala
• Četvrta generacija elektroničkih računala- Intel 1970. smješta sve elemente na čip i nastaje mikroprocesor, temelj te generacije
• Peta generacija elektroničkih računala se trenutno razvija i temelji se na umjetnoj inteligenciji
• Cilj je izraditi računala koja reagiraju na govorni jezik te trenutno se razvijaju kvantna, bioračunala i temeljena na nanotehnologijama računala

Von Neumannov model računala

• Von Neumannov model računala (1945.) je standard suvremenih računala i sastoji se od 5 funkcionalnih jedinica

• 5 funkcionalnih jedinica su: centralna procesorska jedinica (CPU), memorijska jedinica, ulazno-izlazna jedinica, periferni uređaji i sabirnice

• Centralna procesorska jedinica (CPU) obavlja matematičke operacije i logičke operacije, pokreće, koordinira i kontrolira rad ostalih jedinica

• CPU nekada bio jedan čip, a danas sadrži više mikroprocesora (jezgri), čip je veličine 1 cm² i sadržava bilione poluvodičkih elemenata

• Memorijska jedinica pohranjuje podatke i programe te može biti radna memorija (RAM), memorija međuspremnika (buffer), priručna memorija (cache), registri i memorije mikroprograma (ROM)

• Radna memorija je privremena pohrana podataka s jedinstvenim adresama

• Memorija međuspremnika i priručna memorija su dio centralne jedinice i služe kao privremena pohrana podataka zbog razlike u brzini obrade i prijenosa podataka

• Registri su memorija najmanjeg kapaciteta u centralnoj jedinici

• Memorija mikroprograma služe za pohranu nepromjenjivih podataka.

• Ulazno-izlazna jedinica koordinira tokove podataka između radne memorije i perifernih jedinica

• Sabirnice su vodovi koji povezuju dijelove računala i prenose podatke (32-bitne, 64-bitne)

Strojni ciklus računala

• Instrukcije su osnovne naredbe za obavljanje zadatka
• Strojne instrukcije su najjednostavnije i obavlja ih sklopovlje računala
• Strojni ciklus ima 4 koraka: dohvatiti instrukciju, dekodirati instrukciju, izvršiti instrukciju i pohraniti rezultat
• U višejezgrenim procesima svaka jezgra provodi strojni ciklus paralelno obrađujući podatke

Vrste računala

• Mikroračunala: osobna računala opće namjene, niskih i pristupačnih cijena
• Glavna računala: iznimno visokih tehničkih karakteristika, pouzdani i mogu obavljati velik broj programa složenih obrada podataka
• Super računala: specijalizirana za zahtjevne računalne zadatke i veliku brzinu obrade podataka
• Brzina se mjeri brojem operacija u sekundi (flops)
• superračunalo IBM Summit iz USA brzine 122, superračunalo Sunway TahiuLight iz Kine brzine 93 a Superračunalo Bura iz Rijeke brzine 239 tera flopsa

Građa računala

• Osnovne komponente računala: monitor, matična ploča, mikroprocesor, radna memorija, grafička kartica, napajanje, DVD/CD uređaj, tvrdi disk, tipkovnica i miš
• Matična ploča povezuje ostale jedinice (mikroprocesor, radna memorija, grafička i zvučna kartica, napajanje, sustavi za hlađenje)
• Računalna periferija su Ulazni periferni uređaji i izlazni periferni uređaji
• Ulazni periferni uređaji: tipkovnica, miš, dodirni ekran, dodirna ploča, skener, svjetlosna olovka, palica, optička čitala, uređaji za snimanje govora, digitalni fotoaparati i senzori
• Izlazni periferni uređaji: ekran/monitor, pisač, crtalo, faks i zvučna kartica
• Uređaji za pohranu podataka(sekundarni memorijski uređaji): magnetski diskovi, optički diskovi, UDO diskovi, Blue Ray diskovi te Flash memorije odnosno SSD

Računalna arhitektura

• Računalna arhitektura je teorija izgradnje i organizacije računala i računalnih sustava, te pomiruje odnos cijene gradnje i performansi
• Postoje dvije temeljne skupine: računalni sustav za jednoga korisnika i za više korisnika
• Paralelno računarstvo je podjela problema na manje za njihovo simultano rješavanje koje mogu biti za jednog ili više korisnika
• Arhitekture za jednog korisnika su višejezgrene a za više koriste više računala(Grid računalstvo i Računalni klasteri)
• Grid računalstvo povezuje geografski udaljena računala u mrežu za rješavanje velikih problema
• Primjena Grid računalstva je modeliranje klimatskih promjena, simulacije katastrofa ili financijsko modeliranja i elektroničko poslovanje

Računalni klasteri

• Računalni klasteri su spoj većeg broja računala i elemenata povezani u redundatni ni, SRCE - Isabella
• Računala se primjenjuju u različitim oblicima (digitalni televizori, igraće konzole, pametni telefoni, tableti, kućanski uređaji)
• Kućanski aparati nastaju ugradnjom oblika računala i mikroprocesora u uređaj a pametni uređaji imaju i mogućnost povezivanja sa mrežama

Potrošačka elektronika

• Potrošačka elektronika uključuje robote koji upravljaju računalima kroz upralvljačkih programa i informacija prikupljenih putem senzora
• Mobilni uređaji se prilagođavaju prostoru, koriste tehnologije i ovise o mrežnim tehnologijama
• Internet stvari je mreža fizičkih i virtualnih stvari koje surađuju i imaju inteligenciju

Ekonomski aspekti računala

• Računalna tehnologija ima posebne karakteristike pa je bitno da se uzme u obzir nabavka, korištenje i održavanje opreme
• Vrijednost računala se brzo mijenja što dovodi do povećanja performansi i pada cijena
• Gore navedeno se opisuje Moore-ovim zakonom i Koomey-evim zakon
• Mooreov zakon opisuje povećavanje broja tranzistora na čipu dok je cijena niža( interpretacija je trojaka snaga procesora i računala se udvostruči a cijena prepolovi svake dvije godine)
• Koomeyev zakon naglašava energetsku učinkovitost računala
• Ovi trendovi utječu na ulaganja, korištenje,održavanje i poslovni modeli prodaje
• Modeli prodaje su OEM i VAR
• OEM prodaju komponente koje prodaju partnerima za povoljnije cijene
• VAR sklapaju i prodaju(poput medicinskih uređaja ili igraćih konzola)
• Najvažniji trendovi koji utječu na računalne platforme povezivanje sklopovlja i telekomunikacija(Konvergencija tehnologija) zatim On-demand computing i virtualizacija sklopovlja
• Zadnja dva su autonomno i zeleno računalstvo

Virtualizacija

• Virtualizacija je proces predstavljanja resursa kao jedinstvenog
• Taj sustav se može sastojati od mnogo jedinica ili većeg dijela
• Virtualizacijom se može smanjiti broj potrebnih resursa i pri tome smanjiti troškove energije
• Autonomno računalstvo služi bi se moglo samo konigurirati i optimizirati u slučaju problema sa sustavom
• Oporaviti se bez vanjskih napada, smanjiti troškove održavanja i troši se na sustav između jedne trećine i polovice godišnjeg budžeta
• Zeleno računarstvo koristi informacijsko-komunikacijske tehnologije da minimizira efekt.
• S obzirom na raširenost korištenja računala treba voditi računa o okolini(energija, radijacija i komponente)
• Vrijednost je u efikasnom,ekološki dizajnu, proizvodnji, korištenju I uništavanju komponenti