Személyiszámítógép-trendek

A PC (Personal Computer, személyi számítógép), amint neve is mutatja, általában egy felhasználó által használt számítógéprendszer. Az első személyi számítógépek az 1970-es évek közepén jelentek meg (Altair8800, Apple I, II, Commodore PET, Texas TI-99/4, ZX80, Apple III, Commodore VIC stb.)

A PC elnevezés azt követően vált általánossá, hogy az IBM 5150 mikroszámítógépet a cég 1981-ben IBM PC néven vitte piacra (lásd Hiba! A hivatkozási forrás nem található.). Ehhez az Intel cég szállította a processzort, a Microsoft pedig az operációs rendszert. Hamarosan

„szinte” szabványként fogadta el a szakmai közvélemény, a fontosabb gyártó cégek (Compaq, Hawlett-Packard stb.) az IBM PC-t, és megkezdődött klónjainak tömeggyártása. Az IBM PC kompatibilis gépek gyártását elősegítette az, hogy az IBM szabaddá, elérhetővé tette (nem védte szabadalmi jogokkal) a gép felépítését, ellentétben például, az Apple gépekkel.

4.4. ábra. Az IBM első személyi számítógépe, az IBM 5150⁷³

73 Computer History Museum: IBM 5150, https://www.computerhistory.org/timeline/1981/%5d/, megtekintve:

2019.05.05.

90 Az IBM 5150-be szerelt, 1979-től az 1990-es évekig gyártott Intel 8088-as, 8 bites mikroprocesszor 3 μm csíkszélességgel 3 500 tranzisztort tartalmazott, és 45 000-100 000 utasítást tudott végrhajtani másodpercenként.

IBM-PC, IBM-PC XT, IBM-PC AT kompatibilis gépeknek nevezzük azokat a mikroszámítógépeket, amelyek hasonló rendszerarchitektúrával rendelkeznek, Intel, vagy azzal kompatibilis processzorcsaládra épülnek, és működésük lefelé kompatibilis az IBM-PC hardver- és szoftverelőírásaival. Napjainkban a személyi számítógépek körébe beleértjük az asztali számítógépek mellett a laptopokat is, mivel funkcionalitásuk és teljesítményük hasonló, továbbá a kézi számítógépeket. A kezdeti személyi számítógépek a korabeli nagy és közepes számítógép-rendszerekhez viszonyítva kisteljesítményűek, de olcsók, és nagy sorozatban voltak gyárthatók.

Számos processzor-gyártó és -tervező cég működik, illetve születik folyamatosan, amelyek a processzortípusok két nagy csoportját készítik:

 csúcskategóriás processzorok, amelyek szerverekbe és munkaállomásokba; illetve

 belépési szinttől a magas szintű processzorokig asztali számítógépekbe és mobil-, illetve laptop-számítógépekbe, beágyazott rendszerekbe építhetők.

A legnagyobb processzor-gyártók közül az első néhány⁷⁴:

 Intel

A 4.5. ábra jól szemlélteti, hogy a hálózatokhoz kapcsolódó asztali számítógépek/laptopok száma 2007 óta enyhén, de folyamatosan csökken. Ezzel szemben például az okostelefonok, egyéb internetes médiaeszközök, okos otthoni eszközök száma jelentősen, az IoT eszközök száma meredeken emelkedik 2009, majd még inkább 2013-2014 óta.

4.5. ábra. 2021-ig előrejelzés a globálisan kapcsolódó és installált IoT eszközökre⁷⁵

74 Mulge, Anjali: Are there any other CPU manufacturers besides AMD and Intel? 2016.02.19,

https://www.quora.com/Are-there-any-other-CPU-manufacturers-besides-AMD-and-Intel, megtekintve:

2019.05.05.

75 David Mercer: Smart Home Will Drive Internet of Things To 50 Billion Devices, Says Strategy Analytics, https://www.strategyanalytics.com/strategy-analytics/news/strategy-analytics-press-releases/2017/10/26/smart-home-will-drive-internet-of-things-to-50-billion-devices-says-strategy-analytics, megtekintve: 2019.05.05.

91 Az IBM-PC kompatibilis személyi számítógépek, illetve azok utasításkészlete azonosnak tekinthető, ami miatt szoftverellátottságuk széleskörű. A PC-k/laptopok esetében fontos a felhasználók számára a lefelé való kompatibilitás biztosítása. Ehhez a legfontosabb eszköz az Intel 8086/8088 processzorok utasításkészletére épülő, ún. x86-os utasításkészlet.

 „Azoknak az utasításoknak az összességét, amelyek nem, vagy lényegében csak a regiszteroperandusok hosszában (attól függően, hogy 8, 16, 32 bites processzorról van-e szó) változtak az IBM kompatibilis PC-k mvan-egjvan-elvan-enésvan-e óta, x86-os utastításkészlvan-etnvan-ek nevezzük. Ezeket az utasításokat minden PC processzora ismeri és képes végrehajtani.

 Az x86-os utasításkészlet szintjén való kompatibilitás viszont nem jelent teljesen azonos módon történő működést, azaz hardver-kompatibilitást. Egy Intel vagy azzal kompatibilis processzor utasítás-végrehajtását natívnak nevezzük, ha a processzor egy x86-os utasításkészletbe tartozó gépi utasítást közvetlenül, emuláció nélkül képes végrehajtani.

 A fejlettebb processzorok a program-kompatibiltást azzal érik el, hogy az x86-os utasítások végrehajtását emulálják” [1].

A PC-k/laptopok sínrendszer specifikációi megteremtették a lehetőségét annak, hogy egyes cégek egyes hardveregységek gyártására szakosodjanak, illetve hogy a vásárlók számítógépeiket (bizonyos határokon belül) folyamatosan további, illetve fejlettebb részegységekkel (például monitor, háttértár, videókártya) bővítsék.

A teljesítmény fokozásának állandósult igénye, amely főként a processzor- és sínsebesség, valamint a tárolókapacitás növelésére irányult azt eredményezte, hogy az elmúlt közel négy évtizedben a processzorok sebessége több százszorosára, a központi memória- és háttértár-kapacitás pedig több ezerszeresére nőtt (lásd 4.6. ábra).

PC-XT 4.6. ábra: Az asztali számítógépek teljesítmény-fokozásának üteme 1983-2018 között

76 Old-Computers.com: IBM PC XT – Model 5150, http://www.old-computers.com/museum/computer.asp?c=286, megtekintve: 2019.05.05.

77 Spencer: Új NetVista számítógép, 2001.03.08., https://sg.hu/cikkek/it-tech/14926/uj-netvista-szamitogep, megtekintve: 2019.05.05.

78 Notebook Check: MSI WE63, WE73, WT75, and WS63 workstations are now even faster with 8th gen Xeon Core CPUs, https://www.notebookcheck.net/MSI-WE63-WE73-WT75-and-WS63-workstations-are-now-even-faster-with-8th-gen-Xeon-Core-CPUs.299444.0.html, megtekintve: 2019.05.05.

92 4.1.5. A számítógép alapkonfigurációja

Az asztali számítógépek/laptopok szokásos alkalmazása esetén általában a következő főbb funkcionális részegységeket látjuk:

 szűkebb értelemben vett számítógép: az adatfeldolgozást végző, valamint a részegységek összehangolt működését vezérlő egység a számítógép-házban;

 adattároló eszközök: az adatok és a programok átmeneti vagy huzamosabb ideig történő tárolására szolgáló eszközök;

 input egységek: az adatok bevitelére szolgáló eszközök;

 output egységek: az adatok megjelenítésre szolgáló eszközök;

 kommunikációs kapcsolatokra szolgáló eszközök – input/output egységek –.

A számítógépházat felnyitva a szűkebb értelemben vett számítógép funkcionális részegységeit találhatjuk meg (lásd 4.7. ábra). A funkcionális részegységek, illetve feladataik az alábbiak:

 Alaplap (mainboard, motherboard): a részegységek és a perifériák összeköttetését biztosító nyomtatott áramköri lap.

 Processzor (CPU) feladata a teljes számítógép-rendszer vezérlése és a számítások elvégzése a programutasításokban leírtaknak megfelelően. Ehhez szükséges az utasítások dekódolása és végrehajtása, az elemi műveletek vezérlése és az elvégzésükhöz szükséges belső adatforgalom és a csatlakozó perifériális berendezések tevékenységének vezérlése.

 Főtár (más megnevezései központi memória, operatív memória, RAM [Random Access Memory]): a számítógép bekapcsolt állapotában tárolja a futó programokat és az azok számára szükséges adatokat.

 Háttértárolók: például merevlemez (Hard Disc, HD), SSD (Solid State Disc), CD (Compact Disc), pendrive, memóriakártya. A számítógép kikapcsolt állapotában is tárolják a programokat (beleértve az operációs rendszert) és az adatokat, továbbá területet biztosítanak azoknak a program- és adatrészeknek, amelyek a számítógép működése alatt nem férnek el a főtárban.

 Sínrendszer: a számítógép főbb egységeit összekötő szabványos vezetékrendszer. A vezetékek vezérlési, cím- és adatjeleket továbbítanak.

 Interfészeszközök: idetartoznak csatolók, adapterek, vezérlőegységek, perifériasínek.

Az I/O eszközök és a sínrendszer közé olyan interfészeszközöket kell beiktatni, amelyek biztosítják az I/O eszközök és a sín összekapcsolhatóságát és együttműködését. Ennek oka az, hogy az egyes perifériák és háttértárolók sebessége és működése igen eltérő.

 Bővítőkártyák: például grafikus, hang-, TV-tuner kártya, hálózati kártya, belső modem.

Nyomtatott áramköri lap, amely a számítógépet az adott művelet elvégzésére vagy más eszközökhöz történő illesztésre teszi alkalmassá. A bővítőkártyák a gép alaplapján levő bővítőhelyekbe/slotokba illeszthetők, amelyen keresztül valamelyik sínrendszerhez kapcsolódnak. A bővítőkártyák általában külső csatlakozókkal is rendelkeznek.

 Tápegység (Power Supply Unit, PSU): felelős a számítógép teljes áramellátásáért, a működéshez szükséges feszültségek előállításáért.

 Modem (MOdulátor-DEModulátor): belső vagy külső egységként a berendezés célja a digitális adat analóg módon, telefon vonalon átvihetővé tétele. Az analóg vivőhullám modulációjával a digitális jelet analóg jellé, illetve a másik oldalon demodulációjával újra digitális jellé alakítja. Bár a modemek az átviteli közeg két végén, párban működnek, két adatátviteli berendezést kötnek össze, de a másik végberendezés tovább csatlakozhat az internet felé.

93

 Router (útválasztó): külső egységként, a számítógép-hálózatokban feladata a különböző (például otthoni vagy irodai hálózat és az internet; egyes országok közötti hálózatok;

vállalaton belüli hálózatok) összekapcsolása, az azok közötti adatforgalom irányítása.

4.7. ábra. A számítógép funkcionális részegységeinek sematikus rajza⁷⁹

A számítógépek fenti felépítése teszi lehetővé, hogy az igényeink szerint cserélhessük a különböző részeket attól függően, hogy milyen feladatra szánjuk a gépet. Ahogy látjuk, az elemek többsége a számítógép-házba helyezendő legnagyobb egységen, az alaplapon található meg. Az alaplap fogja össze a gépben található kisebb elemeket, illetve biztosítja a köztük lévő kapcsolatot. A következő fejezetekben az asztali számítógép/hardver fontosabb funkcionális részegységeit tekintjük át röviden.

Néhány éve a hordozható, kézi számítógépek teljes értékű munkaállomásokként is használhatók, például az okostelefon dokkolóba helyezhető, hozzá a kényelmes irodai munkát biztosító billentyűzet, egér, monitor csatlakoztatható. A nyomtatás vezetékes csatolás nélkül megoldható.

4.2. Az alaplap 4.2.1. Az alaplap

Az alaplap (mainboard, motherboard) a személyi számítógép működtetéséhez az egyik fontos részegység, hiszen már a processzor sem tudna nélküle működni. Feladata a központi részegységek (processzor, sínrendszer, főtár, interfészek stb.) egymás közötti és a perifériákkal történő kommunikációjának megoldása. A rendszertechnikai megoldásnak egyben biztosítania kell a számítógép-konfiguráció rugalmas kialakítását és továbbfejleszthetőségét is.

Az alaplapi hardverelemek egy része meghatározott műszaki paraméterek biztosítása esetén szabadon cserélhető, például a processzor, a főtár memóriamoduljai, a különböző adapter- és vezérlőkártyák. Az alaplap más elemei integráltak, például a különböző típusú sínrendszerek a kártyahelyekkel (PCI, PCIe), a vezérlő chipek az úgynevezett integrált I/O eszközvezérlőkkel

79 Carnegy Academy: How Computers Work,

http://www.carnegiecyberacademy.com/facultyPages/computer/computers.html, megtekintve: 2019.05.05.

94 és csatolókkal (például USB port, VGA, DVI, HDMI, LAN⁸⁰, hang ki- és bemenet stb.), de bizonyos esetekben adapter- és vezérlőkártyák is integrálásra kerülnek.

Az alaplapokon többek között az alábbi elemek vannak (lásd 4.8. ábra):

 processzor foglalata;

 memóriahelyek a főtárnak;

 bővítőkártya-foglalatok;

 flash ROM a BIOS program tárolására;

 CMOS RAM rendszer paraméterek tárolására (statikus memória);

 elem, amely a gép kikapcsolt állapotában is működő órát és a CMOS RAM-ot látja el energiával;

 további vezérlők és adapterek, I/O portok.

Az alaplap alapvetően befolyásolja a számítógép fizikai felépítését, teljesítményét, a számítógép konfigurációjának kialakítását és annak továbbfejleszthetőségét. Az alaplaptól függ a hozzá csatlakoztatható elemek típusa, sebességtartománya, darabszáma, kapacitása, valamint a használható számítógépház és tápegység.

A mai gépek alaplapja méret szerint lehet MiniItx, MicroATX, ATX és E-ATX.

4.8. ábra. Az alaplap főbb elemei⁸¹ 4.2.2. Az alaplapi vezérlőáramkör-készlet

Az alaplapi vezérlőáramkör-készlet (chipset) tartalmazza a főtár, a sín- és az I/O rendszer, valamint az egyes periféria- és lemezinterfészek vezérlőáramköreit.

80 PCI: Peripheral Component Interconnect. PCIe: PCI Express. USB: Universal Serial Bus. VGA: Video Graphics Adapter. DVI: Digital Visual Interface. HDMI: High Definition Multimedia Interface. LAN: Local Area Network.

81 Számítógép részei működés közben, http://mixat.hol.es/documents/informatika/3/3_1/3_1.html, megtekintve:

2019.05.05.

95 Az első XT PC-k⁸² alaplapja a hardver-részegységek vezérléséhez az integrált áramköröket (sínvezérlő, billentyűzetvezérlő, órajel-generátor, megszakítás-vezérlő, DMA⁸³-vezérlő, időzítő/számláló áramkör stb.) elkülönülten tartalmazta. De gyorsan felismerték, hogy az alaplap szabványos vezérlőáramköreit célszerű berendezés-orientált áramkörökbe integrálni, ezért az AT számítógépektől megkezdődött az alaplapi vezérlőáramkörök integrációja, és egy chipsetbe integrálva létrejöttek az alaplapok vezérlőáramkör készletei. A chipsetbe egyre több, korábban csak bővítőkártyaként használt lemezinterfészt és perifériavezérlést építettek be. A mai alaplapi chipsetek 3D képességű grafikus processzort, SCSI és RAID, Gigabit Ethernet vezérlőket is tartalmazhatnak.

A chipsetek fejlődése a processzorok és a buszrendszerek fejlődését követi, mert a rendszertechnikai megoldások bevezetéséhez az alaplapi áramkörkészletek új generációját is létre kellett hozni. Az 1990-es évektől az új processzortípusokhoz egy-egy alaplapi áramkörkészlet tartozott. Az 1990-es évek második felében a chipsetek jellemzően bridge architektúrájúak voltak: a memóriavezérlő áramköröket északi hídnak (North Bridge), az I/O vezérlő áramköröket pedig déli hídnak (South Bridge) nevezték. Az északi és a déli híd közötti adatáramlást a PCI busz biztosította, amelynek adatátviteli teljesítménye a 2000-es évek elején már szűk keresztmetszetet jelentett (lásd 4.9. ábra).

4.9. ábra. Bridge architektúrájú vezérlő áramkörök blokkvázlata (Buda, Vári-Kakas,

& Berecz)

4.10. ábra. Az első hub architektúrájú, 810 típusszámú áramkörkészlet blokkvázlata.

Intel Whitney, 1999. Ennek blokkvázlatát (Buda, Vári-Kakas, & Berecz)

A vezérlőáramkörök északi és déli csoportjai között nagyobb teljesítményű adatátviteli kapcsolatot kellett biztosítani, ezért áttértek a számítógép-hálózatoknál használatos hub architektúrára. Ehhez a PCI sín adatátviteli teljesítményének kétszeresét nyújtó, csak a hubok kommunikációjára szolgáló külön csatornát (point to point channel) alkalmaztak (lásd 4.10.

ábra).

82 Az IBM az 1980-as években készítette a PC, az XT, az AT és a PS/2 személyi számítógép-családot. Mivel azok

„szabványosak” és egymással kompatibilisek voltak, klónjaikat más gyártók is elő tudták állítani, ezért a személyi számítógépek széles körben elterjedtek.

83 DMA: Direct Memory Access, közvetlen memóriaelérés.

96 A 2000-es évek végére a szűk keresztmetszet a PC teljesítményének növelésében a processzor és a memória, valamint a grafikus alrendszer vezérlése közötti adatátviteli csatorna kapacitása lett. Míg eddig igyekeztek minden vezérlőáramkört a chipsetbe integrálni, most a memória, a grafikus és a sínvezérlő áramköröket a processzorba integrálták – szakmai zsargonnal az északi hidat betolták a processzorba. A megmaradt alaplapi vezérlő áramkörkészletet PCH-nak nevezik. Ez köti össze a processzort az USB-vel, a SATA (SAS⁸⁴) csatolóval, a LAN-nal, a PCIe sínnel (lásd 4.11. ábra).

4.11. ábra. A Coffe Lake chipset blokkdiagramja⁸⁵

Úgy tűnik, hogy néhány éven belül eltűnnek az alaplapokról a PCH vezérlő áramkörei, és a processzortokban lesz az összes vezérlés.

4.3. A processzor

A processzor (Central Processing Unit, CPU, központi feldolgozó egység) a számítógépnek úgymond az agya. Nélküle a számítógép nem tudná feldolgozni az utasításokat, adatokat, nem tudna reagálni semmire. Feladatai közé tartozik az utasítások értelmezése, végrehajtása, a műveletek, számítások elvégzése, a gép többi egységének irányítása és a feldolgozás alatt álló adatok tárolása.

A processzor az alaplapon található foglalatban helyezkedik el. A processzorra közvetlenül hővezető pasztát kennek, amelynek feladata a hő eloszlatása, mielőtt a processzorra szerelt hűtőventillátor elfújja a felkavart forró levegőt (lásd 4.12. ábra). A számítógépekben ezen kívül van még ventillátor a tápegységben és ha van videókártya, azon is szokott lenni.

84 PCH: Platform Controller Hub. SATA: Serial Advanced Technology Attachment. SAS: Serial-Attached SCSI.

85 Ian Cutress, Anton Shilov, Joe Shields & Gavin Bonshor: Analyzing Z370 for Intel's 8th Generation Coffee Lake: A Quick Look at 50+ Motherboards, 2017.10.20., https://www.anandtech.com/show/11860/z370-motherboards-asus-asrock-ecs-evga-biostar-msi-gigabyte, megtekintve: 2019.05.05.

97 4.12. ábra. CPU hűtőventillátorral⁸⁶

In document Informatikai alapok (Pldal 89-97)