Ola Edvart Staveli Rev. 2 Desember 2010

Transkript

1 Ola Edvart Staveli Rev. 2 Desember 2010

2 Innholdsfortegnelse Innledning... 3 Datamaskinens korte historie... 3 Von Neumanns arkitektur... 4 Datamaskinens prinsipielle oppbygging... 5 Primærlager... 6 Sekundærlager... 7 Mappestruktur... 8 Internett adressestruktur... 8 Programvare... 9 BIOS Drivere Operativsystem Brukerprogram Oppstart (Booting) Ord og datauttrykk Mikroprosessorsystem Buss Mikroprosessoren Ola Edvart Staveli Side 2 av 16 Strinda videregående skole

3 Innledning Her skal vi se på den prinsipielle oppbyggingen av en datamaskin. Selv om data- alderen har kommet fort, så har ikke prinsippene forandret seg så mye. Det som har vært i rivende utvikling, er den fysiske størrelsen og hastigheten den arbeider med. Dessuten så har jo utbredelsen vært enorm fra at behovet ble anslått til å være en maskin i Europa til at det i dag er allemannseie. Datamaskinens korte historie Datamaskinens historie er relativt kort. Både tilpasninger og kretskortteknologien har gjennomgått en rivende utvikling i de årene disse maskinene mer og mindre har vært hos oss. Den første generasjonen datamaskinen ble utviklet på 1940-tallet. De besto av radiorør og ble først og fremst brukt til matematiske beregninger. De var store, krevde stor plass, og kjølingen var et problem. Den andre generasjonen av datamaskiner var transistoriserte og kom på midten av 1950-tallet. Disse ble også tatt i bruk til administrative gjøremål (ADB) som lagerstyring, fakturering, bokføring og lønningsrutiner. Kapasiteten var lav, og hadde fortsatt stort plassbehov (selv om de tok bare en brøkdel av plassen til rørmaskinen). På 1960-tallet ble tredje generasjon datamaskiner utviket. Dette var et resultat av amerikanernes romprogram og muligheten til å integrere elektroniske kretser på små brikker. Maskinkapasiteten økte og de ble små i forhold til sine forgjengere. Vi snakket nå om minimaskiner. Disse ble først og fremst billigere, men de hadde også større begrensninger i hastighet, arbeidsminne og tilkoblingsmuligheter. De gjorde også sitt inntog i prosessindustrien. Etter hvert som integrasjonsteknikken ble bedre og bedre, klarte man på 1970-tallet å få all elektronikken for en aritmetisk-logisk-enhet inn på en brikke. Vi snakker altså om fjerde generasjons datamaskiner basert på mikroprosessoren. Mikroprosessoren er i realiteten hele sentralenheten (med unntak av arbeidsminne) i en brikke. Mikroprosessoren gjorde at alle maskinfunksjonene kunne gjøres mye billigere og på en brøkdel av den plassen som krevdes tidligere. Den ble brukt som systemkomponent i stormaskiner og minimaskiner. Mikroprosessoren medførte at hele datamaskinen ble bygd på ett kort. Disse ble kalt mikrodatamaskiner. Denne utviklingen førte til det som på 1980-tallet fikk betegnelsen personlig datamaskin (PC Personal Computer). Sammenlignet med en stormaskin, som kostet over en million kroner, på 1970-tallet, så har dagens PC en vesentlig større datakraft (kapasitet). Det har i disse årene vært en enorm utvikling i forholdet mellom ytelse og kostnad. Begrepene stormaskin, minimaskin og mikromaskin er godt som borte. Vi står i prinsippet igjen med superdatamaskiner og PC er som begge er basert på mikroprosessorteknologi. Ola Edvart Staveli Side 3 av 16 Strinda videregående skole

4 Von Neumanns arkitektur Von Neumanns arkitektur er en datamaskinmodell som bruker en sentralenhet og en egen lagringsstruktur som inneholder både instruksjoner og data. Den er oppkalt etter den ungarskamerikanske matematikeren og (data-) vitenskapsmannen John von Neumann. Datamaskinen har en sekvensiell arkitektur. Dataprogrammet har både instruksjonene og dataene i minneenheten (RAM). Begrepet von Neumanns arkitektur oppsto allerede i Ola Edvart Staveli Side 4 av 16 Strinda videregående skole

5 Datamaskinens prinsipielle oppbygging Den grunnleggende oppbyggingen av dagens datamaskiner er i prinsippet den samme som von Neumann definerte. De forskjellige delene har imidlertid hatt en rivende utvikling opp gjennom årene og det ser ikke ut til at det skal stoppe. Trenden så langt er at de grunnleggende prinsippene er de samme mens størrelsen krymper og hastigheten øker. I prinsippet består altså datamaskinen av følgende enheter: Sentralenhet (CPU) Styreenhet Regneenhet Primærlager INN-enhet(er) UT-enhet(er) Masselager Ola Edvart Staveli Side 5 av 16 Strinda videregående skole

6 Primærlager Primærlageret omtales også som minne eller hukommelse etter det amerikanske memory. Her har datamaskinen program som kjøres og de dataene som skal behandles. Derfor er nok arbeidslager den mest treffende betegnelsen. Elles omtales det også som RAM, ROM e.l. som delvis også betegner hvordan det virker. Primærlageret er bygget opp som en kommode. Hver skuffe representerer da en celle i primærlageret og har en unik adresse. Kommunikasjonen mellom sentralenheten og primærlageret skjer via datamaskinens bussystem. Adressebussen forteller hvilken celle som skal leses og dataene (innholdet i cellen) blir tilgjengelig på databussen. I eksempelet til venstre ser vi typisk oppbygging av primærlageret til en PC. Hver celle inneholder her et dataord på 8 bit mens adressen er på 16 bit. Vi snakker i prinsippet om to typer av minne: RAM - Random Access Memory ROM - Read Only Memory Random access henspeiler på at en kan få tilgang på data i hvilken som helst rekkefølge. Når vi snakker om tilgang til RAM, så er det her både lese- og skrivetilgang. Vi sier at RAM er ustabil i den forstand at det må ha spenningsforsyning for ikke å miste informasjonen (Eng.: volatile). ROM derimot holder på informasjonen selv om spenningen forsvinner (Eng.: non-volatile). Til gjengjeld så får vi her kun lesetilgang til informasjonen. Her kan altså ikke informasjonene endres (i hvert fall ikke på en enkel måte). Opprinnelig ble ROM fabrikkert med de bestemte data permanent lagret på den. Skulle noe endres, så måtte det fabrikkeres nye komponenter. Ola Edvart Staveli Side 6 av 16 Strinda videregående skole

7 Deretter kom det PROM (Programmable Read Only Memory) som da kunne programmeres i felten. PROM ble altså produsert blank mens dataene ble lagt inn i ettertid. Den kunne imidlertid bare programmeres en gang. Når denne PROM en er brent, så kan ikke prosessen reverseres. Det var sikringsforbindelser som ble brent av og utstyret ble også kalt PROMbrenner. Neste skritt i utviklingen ble en krets basert på halvlederteknologi. Disse blir også programmert med høy spenning, men kan også slettes ved bruk av ultrafiolett lys. De blir benevnt EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) og er utstyrt med kvartsvindu for at UV- lyset skal komme til. I dag er det ganske vanlig med EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) også benevnt E 2 PROM. Denne kan slettes og omprogrammeres flere ganger ved hjelp av en høyere spenning enn det som er normalt. Sekundærlager Sekundærlager omtales gjerne mer treffende som masselager. Her tar vi vare på program og annen informasjon som kan bli aktuell å bruke på et senere tidspunkt. Når det skal brukes, så blir det lastet inn i primærlageret. Her snakker vi typisk om CD, DVD og ikke minst disk eller HDD (Hard Disk Drive). Vi ser også for oss forskjellige former for USB- enheter sånn som minnepenn, mobiltelefon, kamera, MP3-spiller, ipod, o.l. Her organiseres informasjonen gjerne i større enheter. Diskene deles inn i spor og sporene deles inn i sektorer. Som vi ser av illustrasjonen, så blir sektoren smalere og smalere jo lenger inn på disken en kommer. Men det er samme mengde informasjon på en sektorlengde innerst som ytterst. Det er altså mye tettere pakking innerst enn ytterst. Ola Edvart Staveli Side 7 av 16 Strinda videregående skole

8 Når vi nå har flere plater med hode både over og under, så får vi spor som ligger rett over for hverandre. Vi omtaler disse sporene som en sylinder. Årsaken ligger nok i at hodene beveges sammen og ikke individuelt. Mappestruktur Mens dataene fysisk organiseres i sektorer, så blir de logisk organisert i mapper og undermapper (directory og sub-directory). Mappestrukturen omtales oftest som trestruktur og har en oppbygging som kan minne om et slektstre. Den forgrener seg altså ut fra rota (root directory) i et hierarkistisk system. Dette er en logisk måte å organisere data på som gjør det enklere å finne tilbake til dataene igjen. Adressen til en fil angis ved å angi navnet på lagringsenhet etterfulgt av mappe og undermapper ned til den ønskede filen: C:\Documents and Settings\All Users\Dokumenter\Mine bilder\ Eksempelbilder\Solnedgang.jpg Denne adressen til filen benevnes som STI (eng.: PATH). Her går vi altså ut fra rota på lagringsenheten som heter C: og angir alle mappene nedover i hierarkiet (treet) til vi kommer til mappen Eksempelbilder. Her finner vi bildet Solnedgang som er lagret i et format som betegnes med filtype jpg. Internett adressestruktur Adressestrukturen i internett er også organisert i en trestruktur. Her er det imidlertid en annen angivelse av adressen. Internett organiseres i domener på forskjellige nivå. Navnet på toppdomenet eller førstenivå domene angis bakerst i internettadressen. no er toppnivådomene for Norge og kommer bakerst i norske internettadresser. Sør-Trøndelag fylkeskommune har et domene under dette toppdomenet. Dette andrenivå domenet får dermed adressen stfk.no Ola Edvart Staveli Side 8 av 16 Strinda videregående skole

9 I Storbritannia har de valgt å forhåndsdefinere også andrenivås domener. Ved siden av vises en oversikt over hvordan internettadressene avsluttes i Storbritannia. Selv om all kommunikasjon over Internett foregår med IP- adresser, så er det enklere å huske domenenavnene. Dette er noe av hensikten med domenenavnene og det er egne DNS (Domain Name Server)- servere som oversetter mellom domenenavn og IPadresse. Programvare Programvare (Eng.: Computer software eller bare software) er en samling av dataprogram med tilhørende data. De utfører instruksjoner som forteller datamaskinen hva den skal gjøre. Datamaskinen er helt avhengig av programvare for å kunne gjøre noe som helst. Det er altså programvaren som bestemmer hvordan maskinen skal oppføre seg. Dataprogram utfører oppgaven sin enten ved å direkte gi instruksjoner til maskinvaren (styreenheten) eller ved å sette i gang andre programmer. Ola Edvart Staveli Side 9 av 16 Strinda videregående skole

10 Vi kan snakke om lag av program mellom brukeren og styreenheten. Brukeren forholder seg til applikasjonene (brukerprogrammene). Disse kommuniserer så med Operativsystemet. Operativsystemet i sin tur forestår kontakten med maskinvaren. Da inkluderer vi BIOS i maskinvaren selv om dette er fast kodet programvare som er vesentlig i kommunikasjonen mellom brukeren og styreenheten. En annen vesentlig del av kommunikasjonen mellom operativsystemet og styreenheten er driverne. Brukerprogrammene kan være av forskjellig karakter fra nettlesere (f.eks. Internet Explorer) via kontorstøtteprogram, som Microsoft Office eller Open Office, til administrative program i form av regnskaps-, lønns-, faktureringssystemer o.l. Av operativsystemer så kjenner vi i hvert fall Windows og Linux samt Mac OS X. Ola Edvart Staveli Side 10 av 16 Strinda videregående skole

11 BIOS BIOS er forkortelse for Basic Input Output System. Her snakker vi om innebygget programkode (firmware) som starter når en PC blir slått på. Hovedfunksjonen er å identifisere og initiere (klargjøre) enhetene i datasystemet. Dette skal forberede maskinen slik at annen programvare lagret på ulike media kan lastes og ta kontroll over datamaskinen (booting). BIOS har også et konfigureringsprogram (Setup) der en del parametre kan endres. Eksempler på dette er innstilling av dato og tid, oppstartsparametre (boot sequence), o.l. Noen operativsystemer (f.eks. DOS) stoler på BIOS en for å utføre de fleste INN-/UToppgaver i datamaskinen. Drivere Drivere (Device drivers) gjør det mulig for høynivå program (normalt Operativsystemet) å samhandle med maskinenheter. Denne kommunikasjonen vil typisk foregå over bussystemet. Driverne er tilpasset operativsystemet og laget for en bestemt maskinvare. En spesiell variant er Virtuelle drivere. De er laget for å forestille (emulere) maskinvare. Disse kan også bli omtalt som emuleringsprogram eller emulatorer. Ved f. eks. å starte kommandotolkeren for MS-DOS i Windows (cmd), vil MS-DOS- miljøet bli emulert i 32-bits systemet. Operativsystem Et operativsystem (OS) er programvare som styrer maskinvare og tar seg av effektiv utførelse av de forskjellige brukerprogram. Operativsystemet tar seg altså av administrasjon av alt som foregår mellom brukerprogram og maskinvare. En eller annen form for operativsystem finner vi i stort sett alt utstyr som inneholder datamaskin. Her snakker vi om mye forskjellig fra mobiltelefoner og spillkonsoll til nettverkstjenere og supermaskiner. Brukerprogram Brukerprogram (Applikasjon eller bare App ) er utviklet for å hjelpe brukeren å løse en eller flere oppgaver eller funksjoner. Her snakker vi om slik som kontorstøttefunksjoner, selgerstøtte, regnskapssystemer, prosesstyring, simulering, nettlesere, osv. En samling av flere brukerprogram kalles gjerne en applikasjonssuite. Microsoft Office og Open Office er eksempler på dette. Ola Edvart Staveli Side 11 av 16 Strinda videregående skole

12 Oppstart (Booting) Booting er den prosessen som starter opp en datamaskin fra grunnen (avslått tilstand). Dette er også omtalt som bootstrapping. En bootstrap refererer seg til et lite enkelt program som initierer lastingen av datamaskinens operativsystem. Opprinnelig lastet bootstrapen en loader eller boot loader som igjen lastet og gjerne startet operativsystemet. Det er et par forklaringer på hvor uttrykket kommer fra. Den ene sier at uttrykket kommer fra det amerikanske to pull oneself up by one s bootstraps som tilsvarer å dra seg selv opp etter håret. Uttrykket refererer seg til at datamaskinen ikke kan kjøre uten først å ha lastet et program, men må kjøre før noe program kan lastes (en slags høna og egget - problematikk). I dag er altså dette løst ved at oppstartprogrammet ligger i ROM (BIOS). Vi snakker om amerikansk teknologi og språk. En bedre forklaring er derfor hentet fra cowboyenes hverdag. De sov med klærne på og var klar til dyst når de bare hadde fått på deg støvlene (bootsene). Datamaskinen er klar når den har fått lastet operativsystemet. For enkelt å få på seg støvlene brukte cowboyene stroppen på støvleskaftet (bootstrappen). Dette refererer seg altså til hva som må til for å komme i gang. Ord og datauttrykk Fagspråket i dataverdenen har også hatt en betydelig utvikling her i landet. Fram til tallet var nesten utelukkende engelsk. Dokumentasjonen på norsk- produserte maskiner ble gitt kun i engelsk språkversjon. Så fikk vi en periode med mer og mindre dårlige oversettelser av engelske brukerveiledninger. Denne overgangen ble heldigvis ganske kort, ikke minst takket være Olav B. Brusdal sin Norsk Dataordbok. I dag har vi et funksjonelt norsk fagspråk der vi har tatt opp noen varianter av de engelske uttrykkene (f.eks. switch => svitsj). Selv om uttrykket data også i dag er den enkle fellesbetegnelsen der datamaskinen brukes, så har vi hatt en utvikling i hvordan faget er blitt omtalt også. I starten ble datamaskinen stort sett brukt til kalkulasjon og beregninger. Den første trebokstavsforkortelsen som ble brukt om fagområdet var derfor naturlig EDB Elektronisk Data- Behandling Dette er altså uttrykket bestemor bruker og som forteller at utstyret ble brukt til å behandle forskjellige typer data. En spesialvariant av dette var ADB Administrativ Data- Behandling Dette var altså systemer som tok seg av administrative rutiner i en bedrift. Her snakker vi om regnskap, lønn, lagerstyring, fakturering, osv. Det var altså mye behandling av tall. Ola Edvart Staveli Side 12 av 16 Strinda videregående skole

13 Etter hvert utviklet det seg til å bli vel så mye et arkiveringssystem for tekst, og fagområdet ble omtalt som IT Informasjons- Teknologi Her ble det altså synliggjort at datasystemene i stor grad ble brukt til å holde orden på store mengder informasjon. Så ble internett et sentralt element i fagområdet og vi bruker i dag uttrykket IKT Informasjons- og Kommunikasjons- Teknologi Her signaliserer vi altså at kommunikasjonsdelen har blitt viktig og at vi dermed slipper å lagre så mye informasjon lokalt. Vi nøyer oss med å lagre lenker (pekere) til informasjonen istedenfor å lagre egne kopier. Vi får dermed en mer desentralisert og rasjonell lagring og behandling av informasjon. Mikroprosessorsystem Et mikroprosessorsystem er en enhet som består av et primærlager i form av RAM og en form for ROM sammen med sentralenheten (CPU) i et bussystem. Andre INN-/UT- enheter som skal til for å få til et komplett datamaskinsystem må kobles til eksternt. Ola Edvart Staveli Side 13 av 16 Strinda videregående skole

14 Buss Buss er et system for transport av data i en datamaskin, mellom datamaskinen og ytre enheter eller mellom datamaskiner. Opprinnelig var bussen en forbindelse med bokstavelig talt parallelle ledninger, men begrepet blir nå brukt om ethvert fysisk arrangement som utfører samme logiske funksjon som en parallell elektrisk buss. Litt forenklet kan vi si at en buss er ledningsforbindelsene (kommunikasjonslinjene) som kobler sammen de ulike enhetene i datamaskinen. Signalene som overføres via en buss, går til alle enhetene som er koblet til bussen og signalene mottas av den enheten som de er adressert til. Datasystemet har tre typer buss: Databuss Adressebuss Kontrollbuss Mikroprosessoren Mikroprosessoren inneholder det meste av funksjonene til sentralenheten i en enkelt integrert krets (IC). Den første mikroprosessoren dukket opp tidlig på 1970-tallet og ble brukt til elektroniske kalkulatorer. Det var den 4-bits mikroprosessor Intel 4004 som var først ute som generell kommersiell mikroprosessor. Det kom ganske raskt 8-bits mikroprosessorer fra mange forskjellige produsenter. For å forbedre ytelsen kom det etter hvert både 12-, 16-, 32- og 64-bits mikroprosessorer. En annen måte som nå blir brukt for å forbedre ytelsen, er å legge inn ekstra prosessorer i en multiprosesserings- konstruksjon. Dette er ganske enkelt flere mikroprosessorkjerner som er lagt inn i samme kapsling. Dette gir en teoretisk mulighet for flerdobling av ytelsen under forutsetning av at programvaren klarer å utnytte kapasiteten. Ola Edvart Staveli Side 14 av 16 Strinda videregående skole

15 Mikroprosessoren 6502 fra MOS Technology Ola Edvart Staveli Side 15 av 16 Strinda videregående skole

16 Det er prinsipielt to typer mikroprosessorer. Den ene er akkumulatororientert slik som 6502 nedenfor. Her foregår nesten alle operasjoner mot akkumulator- registeret (A). Den andre typen har flere generelle register. Begge typene har sine fordeler, men det er akkumulatorteknikken som ser ut til å bli mest vanlig. Mikroprosessoren får sine instruksjoner inn via databussen. De dekodes i Instruksjonsdekoderen (Instruction dekode) og utføres her ved hjelp av den interne bussen og de interne registrene. Adressene der den skal finne data og instruksjoner setter den opp i adresseregistrene (ABH og ABL). Adressen til instruksjonene settes opp i programtelleren (Program Counter PCH og PCL) mens adressen til dataene som skal brukes, settes opp i data adresseregisteret (DL). Vi ser også at mikroprosessoren har en regneenhet (ALU), men denne er ikke spesielt kraftig. Det er derfor vanlig med en matte- prosessor (co-processor) som benyttes for mer avanserte beregninger. Kontrollbussen som vi snakket om tidligere er en samlebetegnelse på de enkeltstående inn- og utgangssignalene som prosessoren bruker. Det vil si at alt som ikke er data- eller adressebuss tilhører kontrollbussen. Ola Edvart Staveli Side 16 av 16 Strinda videregående skole