Osobné počítače
| Portál: | Moodle Gymnázia, Bilíkova 24 |
| Kurz: | Informatika - teória |
| Kniha: | Osobné počítače |
| Vytlačil(a): | Hosťovský používateľ |
| Dátum: | štvrtok, 21 novembra 2024, 14:05 |
Opis
študijný materiál
1. Čo je počítač
Počítač je zariadenie na spracovávanie informácií. Počítače spracovávajú informácie, teda dáta, uložené v binárnej podobe, preto patria medzi digitálne technológie. Veda, ktorá sa zaoberá pracou s informáciami a počítačmi, je informatika.
Pozri si anglické video o tom, čo sú a ako vznikli počítače:
Kľúčové pojmy
1.1. Schéma počítača
Skôr ako si podrobnejšie rozoberieme na jednotlivé časti hardvéru počítača,pozrime si anglické video o tom, ako funguje počítač:
Teoretická idea počítača
Prvým veľkým teoretikom počítačov bol budapešťský rodák John von Neumann (1903 – 1957). Vypracoval novú koncepciu, podľa ktorej sa počítač skladá z niekoľkých základných funkčných častí. Program spolu s dátami ukladá do pamäte a vykonáva sa postupne. Neumann presadil používanie dvojkovej sústavy a svoje myšlienky realizoval v počítači EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer).
Von Neumannova schéma
Podľa tejto schémy sa počítač skladá z piatich hlavných modulov:
- operačná pamäť: slúži k uchovávaní spracovávaného programu, dát a výsledkov výpočtu
- ALU – Arithmetic-Logic Unit (aritmeticko-logická jednotka): vykonáva všetky aritmetické výpočty a logické operácie; vie sčítať, násobiť a porovnávať
- radič: riadiacia jednotka, ktorá ovláda činnosť všetkých častí počítača pomocou riadiacich signálov, ktoré sú zasielané jednotlivým modulom; tie zasielajú radiču späť stavové hlásenia
- vstupné zariadenia: zariadenia určené pre vstup programu a dát
- výstupné zariadenia: zariadenia určené pre výstup výsledkov, ktoré program spracoval
Vo von Neumannovej schéme je možné ešte vyznačiť ďalší dôležitý modul spojením dvoch predcházajúcich modulov:
- procesor (CPU – Central Processing Unit) = radič + ALU
Ako to funguje
Do operačnej pamäte sa zo vstupného zariadenia cez ALU umiestni program, ktorý vykonáva výpočet. Rovnako sa do operačnej pamäte nahrajú dáta na spracovanie. Prebehne vlastný výpočet, ktorého jednotlivé kroky vykonáva ALU. Celý proces je riadený radičom počítača. Medzivýsledky sú ukládané do operačnej pamäte. Po skončení výpočtu sa výsledky pošlú cez ALU na výstupné zariadenie.
Dnešné počítače
Základné odlišnosti dnešných počítačov od von Neumannovej schémy:
- Podľa schémy počítač pracuje vždy nad jedním programom. Toto vedie k zlému využitiu strojového času. Takže dnes počítač spracováva paralelne viac programov naraz – tzv. multitasking.
- Počítač môže dnes disponovať viacerými procesormi.
- Dnes existujú kombinované vstupno-výstupné zariadenia.
- Program se do pamäte nemusí zaviesť celý, ale je možné zaviesť iba jeho aktuálnu časť.
1.2. História počítačov
Pozri si anglické video o tom, čo sú a ako vznikli počítače:
Počítač je stroj na spracovanie informácií. Informácie, ktoré voláme dáta, hoci môžu mať rôznu formu, sú v počítačoch uložené v binárnej podobe ako 0 a 1. Pozrime sa trocha do histórie, ako vznikla myšlienka postaviť počítač.
Výpočtové pomôcky
Pomôcky na zložitejšie výpočty sa používajú už od staroveku. Rimania ich volali abacus. Dodnes sa používajú napríklad v Číne a Japonsku.
Prvý dochovaný počítací stroj vytvoril v roku 1642 francúzsky matematik a filozof Blaise Pascal (1623 – 1662). Pascalov mechanický stroj bola akási sústava ozubených kolies s automatickým prenosom do vyššieho rádu. Pomocou stroja bolo možné sčítať a odčítať
šesťciferné čísla.
V roku 1673 postavil nemecký matematik a filozof Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646 – 1716) stroj, na ktorom bolo možné sčítať, odčítať, násobiť a deliť. Okrem toho si Leibnitz ako prvý uvedomil, že pre počítacie stroje je výhodné používať binárny zápis čísel. Princíp ozubených kolies sa ďalej rozvíjal a je dodnes používaný u mechanických kalkulačiek a pokladní. Všetky tieto počítacie prístroje však boli len pasívnymi pomôckami.
Programovateľný stroj
Na nápad použiť programové riadenie k postupnému vykonávaní zložitejších výpočtov prišiel v roku 1833 Angličan Charles Babbage (1791-1871), ktorý sa snažil zostrojiť univerzálny počítací stroj. Mal sa volať Analytical Engine a mal byť pohánený parným strojom
a ovládaný programom na diernych štítkoch.
Hoci na ňom Babbage pracoval takmer štyridsať rokov, nepodarilo se mu ho dokončiť, lebo realizácia prevyšovala vtedajšie technické možnosti. No sformuloval základné, dodnes platné princípy počítača riadeného programom. Analytical Engine je možné považovať za prvý samočinný počítač v histórii.
Prvé elektronické počítače
K ďalšiemu rozvoju kybernetiky a informatiky došlo počas Druhej svetovej vojny, keď bolo treba dešifrovať nemecké vojenské správy. Vznikli prvé samočinné počítače na báze elektrických relé.
V roku 1946 bol v USA skonstruovaný a 15. februára 1946 uvedený do prevádzky prvý samočinný počítač ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer). V tomto počítači boli použité elektrónky. Bolo to obrovské nevzhľadné zariadenie s 18 000 vákuovými elektrónkami, 10 000 kondenzátormi, 70 000 odpormi a 1 300 relé, ktoré bolo chladené dvomi leteckými motormi. Počítač zaberal 150 m zastavenej plochy a vážil asi 40 ton.
Generácie počítačov
1. generácia – elektrónkové počítače
2. generácia – tranzistorové počítače
3. generácia – integrované obvody s množstvom tranzistorov
4. generácia – vysoký stupeň integrácie umožnil vznik mikroprocesorov
Príklady starších počítačov a komponent, ktoré si možno pamätajú vaši rodičia, nájdete na webu Retrobajty.
1.3. Platforma PC
Osobný počítač je samotný počítač s jeho vstupnými a výstupnými jednotkami.
IBM PC
Veľký zlom v rozvoji osobních počítačov nastal v roku 1981, keď na trh mikropočítačov vstúpila firma IBM s mikropočítačom IBM PC (Personal Computer – osobný počítač). IBM PC byl orientovaný na profesionálnych používateľov a používal operačný systém MS DOS od firmy Microsoft. V roku 1983 sa objavil zdokonalený IBM PC/XT, ktorý mal už zabudovaný pevný disk typu winchester a hodinovú frekvenciu 4,77 MHz. Dáta bolo možné ukladať na 5¼-palcové diskety s kapacitou 360 kB.
Lepšie mikroprocesory
Firma Intel navrhla v roku 1981 nový mikroprocesor i80286, ktorý podporoval virtuálnu pamäť a multiprogramové viacpoužívateľské prostredie. Na tomto procesore postavila firma IBM rad počítačov IBM PC/AT.
Firma Intel uviedla na trh v roku 1985 32-bitový mikroprocesor i80386, ktorý začínal s hodinovou frekvenciou 16 MHz. Postupne pribudli rýchlejšie verzie. Na tento rad mikroprocesorov v roku 1994 nadviazal procesor Intel P 5, označovaný ako Pentium. V roku 2012 potom prestavil Intel poslednú generáciu procesorov Intel i3, i5 a i7.
2. Hardvér a softvér
Hardvér je technické vybavenie počítača, zatiaľčo softvér je programové vybavenie počítača. Softvér je uložený v binárnej podobe v pamäti počítača alebo na pamäťovom disku. Jednotlivé programy sú zápisom algoritmov. Slovo algoritmus označuje postup riešenia úlohy rozdelený do jednotlivých krokov v určenom poradí.
Pozri anglické video, ktoré vysvetluje, čo je hardvér a softvér na počítači a ako to funguje:
Kľúčové pojmy
2.1. Hardvér
Hardvér označuje súhrn technického vybavenia počítača. Ako sme už videli, počítač môžeme zjednodušene rozdeliť na štyri časti:
- vstupné zariadenie
- úložisko, kde máme uložené dáta
- základnú dosku s CPU, kde prebieha spracovanie dát
- výstupné zariadenie
Periférie
Vstupné a výstupné zariadenia nazývame periférie, lebo sú väčšinou pripojené zvonku káblom.
- klávesnica
- myš
- skener
- webová kamera
- mikrofón
- obrazovka
- projektor
- tlačiareň
- reproduktor
- 3D tlačiareň
- externé pamäte: USB kľúč, pevný disk, optický disk
- rozširujúce karty: sieťová, grafická, zvuková
- sieťové zariadenia: router, modem
- kombinované zariadenia: dotyková obrazovka, kopírka
Čo je vo vnútri počítača?
Základná doska (mainboard či motherboard) je doska plošného spoja s mnohými elktronickými prvkami, ktorá viacmenej určuje základné vlastnosti počítača. Okrem iného obsahuje:
-
procesor - čipová sada
- operačná pamäť
- zbernice na pevné disky a rozširujúce karty
- porty (konektory) na pripojenie periférií
- hodiny
K základnej doske sú pripojené periferné zariadenia, ako napríklad vstupné a výstupné zariadenia. Okrem základnej dosky je vo vnútri pevný disk ako úložisko súborov a zdroj/batéria.
2.2. Softvér
Softvér, programové vybavenie počítača, delíme na dve základné skupiny:
- systémový – to je operačný systém, pomocné programy (utility) a prekladače programovacích jazykov
- aplikačný – programy umožňujúce riešení špecifických úloh pre používateľov
Systémový softvér
Operačný systém (OS) je softvér, ktorý
spravuje zdroje počítača a poskytuje programom prístup k týmto zdrojom. To znamená, že OS je prostredie, v ktorom inštalujeme a spúšťame programy. Operačné systémy môžeme nájsť takmer vo všetkom, čo obsahuje integrované obvody, od osobných počítačov,
cez internetové servery, mobilné telefóny, hudobné prehrávače, routre, switche, herné konzoly, digitálne kamery, až po šijacie stroje či teleskopy.
Vo väčšine prípadov operačný systém nie je prvým kódom, ktorý sa spúšťa pri bootovaní. Inicializačný kód je zvyčajne nahratý z firmware v pamäti ROM, ktorý voláme BIOS. Firmvér nahrá a spustí jadro operačného systému a zobrazí prvý grafický alebo textový výstup, ktorý používateľ uvidí.
Najbežnejšie súčasné operačné systémy v osobných počítačoch sú Microsoft Windows, Mac OS X, Linux a Android v mobiloch. Windows je najpopulárnejší desktopový OS, pričom Linux je najpoužívanejší v serverových prostrediach.
Aplikačný softvér
Aplikácia alebo používateľský aplikačný program pomáha používateľovi pri určitej konkrétnej činnosti, napríklad pri manipulácii s textami (textový editor), číslami, grafikou a pod. Aplikácie môžu byť združené do aplikačných balíkov napr. kancelárskych ako sú Microsoft Office alebo LibreOffice. Iným druhom aplikácií sú internetové sieťové aplikácie.
- textové editory
- tabuľkové procesory
- prezentačný softvér
- grafické editory
- editory a prehrávače médií
- webové prehliadače
- poštové klienty
- databázové systémy
- špecializovaný softvér určený na e-learning, modelovanie a simulácie, dizajn, digitálnu tlač apod.
- programovacie jazyky
- počítačové hry
- antivírusové programy určené k ochrane pred malware (škodlivým softvérom)
- atď.
2.3. Licencie a distribúcia SW
Licencie
V prípade, že si zadovážime softvérové vybavenie, sa nejedná o kúpu, ale iba o získanie licencie. Softvér je vždy nehmotný majetok – duševné vlastníctvo autora. Prostredníctvom obchodných partnerov autor poskytuje právo používať svoje duševné vlastníctvo používateľom.
Cena za softvér je poplatkom za licenciu – právo k užívaniu. Licenciu nemôžeme bez súhlasu autora ďalej šíriť, predať ani prenajať. Obvykle platí, že inštaláciou softvéru dávame najavo svoj súhlas s ustanoveniami licenčnej zmluvy. Ak dodržíme tieto podmienky, hovoríme o legálnom softvéri. Licencie sú súčasťou programu a vzťahujú sa na jeden počítač. Pre viac počítačov sa zakupuje multilicencia, ktorá je lacnejšia a využívajú ju firmy a školy.
Zdrojový kód
Programy väčšinou vznikajú tak, že sú zapísané v programovacom jazyku ako zdrojový kód. Rozlišujeme dva typy licenčných zmlúv, podľa toho, či je zdrojový kód programu voľne dostupný:
- EULA (End User License Agreement) pre closed source,
- GPL (General Public License) pre open source.
Distribúcia softvéru
Rôzne druhy softvéru môžeme získať rôznym spôsobom. Záleží, či sa jedná o closed-source (neslobodný) či open-source (slobodný) a na spôsobu, ako pokrýva výrobca náklady na jeho tvorbu:
- komerčný (proprietárny) softvér – nákup, platená licencia, licenčné ujednanie EULA,
- shareware – voľne šíriteľný, obmedzenia funkčnosti:
- demoverzie – sú menšie a neobsahujú všetky funkcie, ktorými disponujú plné verzie,
- trialware – má časovo obmedzené používanie; po uplynutí skúšobnej doby, program spravidla prestane fungovať,
- adware – softvér, ktorý je síce bezplatný, ale obsahuje reklamy,
- zdarma – voľne šíriteľný bez obmedzení:
- freeware – možné bezplatne šíriť a používať zdarma, ale nie je k dispozícií zdrojový kód, preto sa nedá upravovať,
- open source – možné používať zdarma, bezplatne šíriť a upravovať, licencia GPL.
2.4. Pamäť počítača
Delenie podľa účelu
Pamäte slúžia k ukladaní programov a dát, s ktorými počítač pracuje. Počítače používajú hierarchiu úložísk takú, že rýchle, ale drahé a malokapacitné pamäte sú blízko k procesoru, zatiaľ čo pomalšie, ale lacnejšie a väčšie sú ďalej. Pamäte sa rozdeľujú do dvoch základných skupín:
- vnútorná pamäť (známa aj ako interná či primárna) uchováva malé množstvo dát, ku ktorým má počítač prístup, len keď sa aktívne používa. Pozostáva z čipov na základnej doske. Existujú dva základné typy nazývané RAM a ROM.
- externá pamäť (známa aj ako sekundárna pamäť) je pamäť, ktorá nie je priamo pripojená k procesoru. Sem patrí úložisko súborov na pevnom disku. Externá pamäť realizovaná pomocou výmenných médií, kam sa zápis vykonáva na magnetickej či optickej báze, a slúži k dlhodobému uchovávaniu dát. Existuje veľa typov, napr. pevné disky (HDD a SSD), flash disky (USB), pamäťové karty (SD) a kompaktné disky (CD). Do externej pamäte sa môžu uložiť dáta, ktoré sa po odpojení môžu preniesť na iné PC.
Delenie podľa prístupu k dátam
Vnútorné pamäte sa delia podľa toho, či do nich môžeme zapisovať:
- ROM (Read-Only Memory): pamäť, ktorá je určená len na čítanie; po vypnutí sa nevymaže a obsahuje ovládače (BIOS) k systému a rozširujúcim kartám,
- RAM (Random Access Memory): operačná pamäť pre čítanie a zápis, s ktorou pracuje procesor a určuje výpočtovú kapacitu počítača; po vypnutí sa obsah RAM vymaže.
3. Binárny kód
Všetky dáta v počítači sú reprezentované pomocou 0 a 1 uložených v bitoch. Nech už sa jedná o software, text, obrázky, videá, zvuk, alebo čokoľvek iné. Pozrieme sa bližšie na dvojkovú sústavu a niektoré typy dát.
Kľúčové pojmy
3.1. Dvojková sústava
Nasledujúce anglické video vysvetľuje použitie binárneho zápisu čísel a iných typov dát v počítačoch:Prevod do desiatkovej sústavy
| mocnina dvojky |
8 | 4 | 2 | 1 |
|---|---|---|---|---|
| číslice v bin. zápise |
1 | 0 | 1 | 0 |
Binárne číslo \( 1010_2 \) reprezentuje \(1 \cdot 8 + 0 \cdot 4 + 1 \cdot 2 +0 \cdot 1 = 10_{10} \) v desiatkovej sústave.
V informatike každú pozíciu v binárne zapísanom čísle nazývame bit. Osem bitov tvorí jeden bajt (byte). Každý ďalší bit pridaný k binárnemu číslu zdvojnásobí možný počet čísel, ktoré vieme vyjadriť.
Prevod do dvojkovej sústavy
Prevod z desiatkovej do dvojkovej sústavy pomocou celočíselného delenia so zvyškom ukazuje nasledujúci príklad:
\( \begin{array}{rcrcrcr}
14 & : & 2 & = & 7 & | & 0 \\
7 & : & 2 & = & 3 & | & 1 \\
3 & : & 2 & = & 1 & | & 1 \\
1 & : & 2 & = & 0 & | & 1
\end{array} \)
Zvyšky vpravo napokon prepíšeme od konca, aby sme dostali výsledné číslo v dvojkovej sústave:
\( 14_{10} = 1110_2 \)
Iný prístup vyžaduje, aby sme poznali mocniny dvojky naspamäť. Vypíšeme si je nad riadok. Najvyššia mocnina dvoch menšia ako 14 je 8. Potom prechádzame smerom vpravo a pridáme každú mocninu dvoch, ktorá sa ešte zmestí do čísla 14:
\( 14 = 8 + 4 + 2 \)
Potrebné bity v binárnom čísle "zapneme", tj. napíšeme pod ne 1, ostatné vyplníme 0:
| mocniny dvoch |
8 | 4 | 2 | 1 |
|---|---|---|---|---|
| bity v zápise |
1 | 1 | 1 | 0 |
Takže dôjdeme k rovnakému záveru:
\( 14_{10} = 1110_2 \)
3.2. Logické operácie
Procesor počítača spracúva príkazy a dáta v strojovom (binárnom) kóde. Aritmetické operácie s binárnymi číslami, ako sčítanie a násobenie, sú v integrovaných obvodoch realizované kombináciou logických operácií. Anglické video vysvetľuje, ako to funguje:
Príklady logických operátorov, ktoré sme videli, zhrnujú nasledujúce tabuľky:
| A | not A |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
| A | B |
A and B |
|---|---|---|
| 0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
0 |
| 1 |
0 |
0 |
| 1 |
1 |
1 |
| A | B |
A or B |
|---|---|---|
| 0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
1 |
| 1 |
0 |
1 |
| 1 |
1 |
1 |
Príklad
Pokúste sa vyriešiť detektívny prípad. Sú dvaja podozriví: Roman a Karol. Máte výpoveď štyroch svedkov. Z priebehu vyšetrovania viete, že len štvrtý svedok hovorí pravdu. Tu sú ich výpovede:
- Viem akurát to, že Roman je nevinný.
- Ja môžem akurát povedať to, že nevinný je Karol.
- Viem, že výpoveď aspoň jedného z predchádzajúcich svedkov je pravdivá.
- S istotou viem, že 3. svedok klame.
Svoju odpoveď môžete overiť pravdivostnou tabuľkou.
4. Zdroje
Literatúra
Poláček, Roman. Přehled hardware použitelného v malé a střední organizaci. Vyd. 1. Orlová: Obchodní akademie Orlová, 2014. 68 s. ISBN 978-80-87477-14-4.
Malý, Martin. Porty, bajty, osmibity: počítače na koleni. 1. vydání. Praha: CZ.NIC, z.s.p.o., 2019. 384 stran. CZ.NIC; 21. ISBN 978-80-88168-39-3.
https://code.org/educate/resources/videos
https://sk.wikipedia.org/wiki/Dejiny_počítačov
https://sk.wikipedia.org/wiki/Aplikácia_(informatika)