Strojna oprema računala

1. Ishodi učenja

Nakon proučavanja sadržaja ovog poglavlja moći ćeš:

• nabrojiti osnovne komponente računalnog sustava
• opisati obilježja, funkciju i način povezivanja komponenti računala u svrhovitu cjelinu
• objasniti ulogu procesora i memorije i kako njihove karakteristike utječu na računalni sustav

2. Uvod

Računalo je stroj koji, prema zadanim uputama (programu), može prihvatiti i zapamtiti podatke, s njima obaviti niz operacija te rezultate prikazati ili ih pohraniti za buduću uporabu. 

Osnovni dijelovi računalnog sustava su hardver, softver i čovjek.

Hardver ili sklopovlje predstavlja fizičke dijelove računala (monitor, tipkovnica, miš, pisač, memorije i sl.). Softver ili programska podrška odnosi se na programe odnosno na skup instrukcija koje nalažu računalu što činiti. Ipak, najvažniji dio računalnog sustava je čovjek. Ljudi razvijaju hardver i softver te upravljaju radom računala.

3. Von Neumannov model računala

Iako su se elektronička računala znatno mijenjala od nastanka do danas, nije se promijenio princip njihova rada. Još 1945. godine matematičar John von Neumann (1903. – 1957.) objavio je načela rada računala. Na tim načelima radio je EDVAC (Electronic Discrete Variable Automate Computer). To je računalo bilo elektroničko, digitalno i programibilno. Von Neumann je izradio i model arhitekture računala. Prema Von Neumannovu modelu, sklopovlje računala može se podijeliti na četiri cjeline:

• aritmetičko-logičku jedinicu
• upravljačku jedinicu
• memoriju
• ulazno-izlazne uređaje.

Na slici možete vidjeti prilagođeni model Von Neumannove arhitekture računala:

3.1. Centralni procesor

Procesor ima dva osnovna dijela, aritmetičko-logičku jedinicu (engl. ALU, Arithmetic and Logic Unit) i upravljačku jedinicu (engl. CU, Control Unit).
Aritmetičko-logička jedinica zadužena je za obradu podataka. Ona obavlja aritmetičke i logičke operacije.
Upravljačka (kontrolna) jedinica nadzire prijenos podataka i usklađuje rad cijelog računala. Kao što joj samo ime govori, ona upravlja ostalim uređajima, ovisno o zadatku koji treba obaviti.

Procesor računala

Priručna memorija (engl. cache) jest memorija procesora koja mu omogućuje brži i učinkovitiji rad. Manjeg je kapaciteta i smještena je u procesoru. Ona ubrzava komunikaciju između procesora i radne memorije tako
što sprema dio sadržaja (npr. međurezultate) iz radne memorije. Procesor tako brže dolazi do tih podataka kada mu ponovno zatrebaju.
Brzina procesora često se iskazuje kao broj instrukcija koje računalo može izvesti u sekundi – MIPS (engl. Million Instructions Per Second). Broj MIPS ovisi o frekvenciji generatora takta. Frekvencija se mjeri u hertzima. Na početku su osobna računala imala male frekvencije koje su se mjerile u megahertzima
(MHz). Frekvencije procesora odavno su premašile 1 000 MHz te kažemo da su u gigahertzima (GHz). Računala koja imaju frekvenciju od 3 GHz mogu napraviti 3 000 000 000 koraka u sekundi.
Najveći proizvođači procesora su Intel, AMD, Samsung i Motorola.

3.2. Glavna memorija

Glavnu memoriju čine: RAM (engl. Random Access Memory) i ROM (engl. Read Only Memory).

RAM je radna memorija s kojom radi procesor. Ona služi za neposrednu pohranu svih podataka i programa koji se u tom času izvode i sudjeluju u obradi.
Podatke koje želimo sačuvati za kasniju uporabu treba spremiti na neku od vanjskih memorija jer se isključivanjem računala sadržaj radne memorije gubi.
Radna memorija osobnog računala smještena je na matičnoj ploči, u kućištu.
Današnje konfiguracije osobnih računala najčešće imaju između 4 i 16 GB radne memorije. Što je kapacitet radne memorije veći, računalo će moći istodobno obraditi više podataka.

Radna memorija

Iako je ROM (engl. Read Only Memory) oznaka za sve memorije čiji se podatci mogu samo pročitati (npr. neke vrste optičkih medija), ta memorija, kao dio glavne memorije, sadržava osnovne programe koji omogućuju rad računala. ROM je u pravilu nedostupan korisniku, a podatci se u tu memoriju upisuju pri proizvodnji računala.
ROM je memorija koja se prva aktivira pri uključivanju računala. Za razliku od RAM-a, ROM pamti podatke i kad računalo nije uključeno. Zbog toga ta memorija sadržava programe koji omogućuju rad računala.

ROM memorija

3.3. Kapacitet memorije

Najmanja količina informacije koju neka memorija može pohraniti je bit. Bit je mjerna jedinica za količinu informacija, a odgovara jednoj znamenci binarnoga brojevnog sustava.
Računala rade s pomoću električne energije pa je i mogućnost pamćenja podatka vezana za električni signal koji matematički predočavamo binarnim brojevnim sustavom, brojevima 0 i 1. 0 i 1 odgovaraju određenoj količini električnog naboja, odnosno 0 nema naboj, a 1 ima. Kako računala barataju velikom količinom podataka, za njihov zapis rabe bitove udružene u niz. Niz od 8 bitova naziva se bajt. Veće jedinice od bajta su kilobajt, megabajt, gigabajt.

Zbog konflikta sa SI standardom, po kojem kilo znači 1000, međunarodna elektrotehnička komisija (International Electrotechnical Commission, IEC) osmislila je jedinicu kibibyte. 1 kiB = 1024 B. Ta je jedinica osmišljena s ciljem da zamijeni dotadašnji standard po kojem je 1KB=1024B. 1998. godine ova jedinica prihvaćena je od svih glavnih organizacija standardizacije, međutim, još uvijek se koriste oba standarda zapisivanja kapaciteta memorije.

3.4. Kako funkcionira memorija računala?

Pogledajte kratak video koji na zanimljiv način objašnjava kako radi memorija računala:

3.5. Tablica jedinica za izražavanje kapaciteta memorije

3.6. Pitanja, vježbe i zadatci

Riješite sljedeće zadatke:

1. Koliko MB ima 1.7 GB? Koliko je to Mb?

2. Pretpostavimo da imate tri datoteke veličina 0.5 GB, 150 MB i 35 840 KB i želite ih spremiti na CD kapaciteta 700 MB. Stanu li one na medij koji imate na raspolaganju? Kolika je ukupna veličina tih datoteka?

3.7. Ulazni i izlazni uređaji

Podatci (tekst, slike, zvuk, video) nakon unosa ulaznim uređajima pretvaraju se u digitalne podatke (0 i 1). Nakon obrade, iz digitalnih se podataka pretvaraju u oblik razumljiv korisnicima te prikazuju izlaznim uređajima.

Ulazni uređaji služe za unos podataka iz okoline sustava i davanje naredbi računalu. Neki od ulaznih uređaja su tipkovnica, miš, skener, osjetilna ploha (engl. touchpad), digitalni fotoaparat, videokamera…

Grafička ploča

Zadatak: istražite i opišite nekoliko ulaznih uređaja.

Zadaća izlaznih uređaja je prikazivanje rezultata rada korisniku računala. Rezultati se najčešće vide na zaslonu monitora, pokazuju se projektorima ili ispisuju na pisaču.

Standardni izlazni uređaj današnjih konfiguracija je monitor, a većina osobnih računala opremljena je i zvučnicima te pisačem.
Ostali izlazni uređaji koji se često koriste su projektor i crtalo (engl. plotter).

Monitor

Zadatak: istražite i opišite osnovne karakteristike monitora i pisača.

3.8. Vanjske memorije

Vanjske memorije koristimo za tajnu pohranu podataka. Osim za čuvanje računalnih programa i podataka, neke jedinice vanjske memorije koriste se i za njihovo prenošenje s računala na računalo. Glavna zadaća vanjskih
memorija je čuvanje podataka i kad je računalo isključeno. Podatci će biti sačuvani dok ih ne izbrišemo ili dok se medij na kojem su pohranjeni ne ošteti.
Količina podataka koji se mogu spremiti na vanjske memorije danas se mjeri u gigabajtima (GB) i terabajtima (TB).
Tri osnovna tipa vanjskih memorija su: magnetske, optičke i poluvodičke.

Magnetske memorije
Pohrana podataka na magnetske medije temelji se na magnetiziranju pojedinog dijela medija. Najpoznatija magnetska memorija danas je tvrdi disk (engl. hard disc).  Osnovne karakteristike tvrdog diska su kapacitet i brzina prijenosa podataka.

Smješten je u kućištu računala, u hermetički zatvorenoj kutiji, a na njemu se nalaze svi programi i podatci koje čuvamo na računalu. Kapacitet tvrdog diska mjeri se u stotinama gigabajta ili u terabajtima.

Podatci se na tvrdi disk zapisuju u nizu koncentričnih krugova – staza. Svaka staza podijeljena je na sektore. Svi sektori imaju svoj redni broj i istog su kapaciteta. Sektor je osnovna jedinica čitanja/
pisanja na tvrdom disku.
Pojam koji se često veže za magnetske diskove jest formatiranje. Formatiranjem se stvaraju staze i sektori na disku, čime se on priprema za rad.

Tvrdi disk računala

Optičke memorije – CD, DVD, BD
Podatci se s optičkih medija čitaju, ali i na njih zapisuju pomoću laserske zrake. Površina optičkog medija sastoji se od udubljenja. Kao izvor svjetlosti pri upisu i čitanju podataka koristi se laser koji ima mogućnost stvaranja vrlo uskog snopa svjetlosti. Ako laserska zraka naiđe na udubljenje, podatak na tomu mjestu tretira se kao nula, a ako nema udubljenja, kao jedinica.
Postoje tri osnovna tipa optičkih medija: CD (engl. Compact Disc), DVD (engl. Digitale Versatile Disc) i BD (engl. Blu-ray disc).
Kapacitet tih medija bitno se razlikuje. CD-ovi imaju kapacitet od 650 do 700 MB, a DVD može biti jednoslojni, kapaciteta 4,7 GB, i dvoslojni, kapaciteta 8,5 GB. Dvostrani, dvoslojni DVD ima kapacitet 17 GB.

BD je optički disk najvećega kapaciteta. Veličinom je isti kao i CD i DVD mediji. Gustoća zapisa na BD-u veća je nego na DVD-u. BD ima kapacitet do 50 GB.

Optički mediji

Zadatak: Na optičkim diskovima postoje različite oznake: ROM,R ili RW. Istraži što znače ove oznake.

Poluvodičke memorije
Poluvodičke (engl. flash) memorije sliče RAM memoriji, no za razliku od nje,prekidom napajanja električnom energijom ne gube podatke. Ta vrsta vanjskih memorija postala je popularna zbog malih dimenzija, velikoga kapaciteta te prihvatljive cijene. Najčešće se koriste USB memorijski štapići (engl. USB stick) i memorijske kartice (u digitalnim fotoaparatima i mobitelima).
U zadnje vrijeme počeli su se proizvoditi tvrdi diskovi koji se koriste poluvodičkom (engl. flash) memorijom. Takvi diskovi zovu se SSD (engl. Solid State Drive). Mnogo su brži od magnetskih tvrdih diskova te se pretpostavlja da će ih daljnjim razvojem potpuno zamijeniti.

Poluvodičke memorije

4. Prikaz dijelova računala prema njihovim funkcijama

4.1. U unutrašnjosti računala - video

Pogledajmo kratak video koji na jednostavan način objašnjava kako radi računalo:

5. Pitanja, vježbe i zadatci

Pronađite u udžbeniku odgovore na sljedeća pitanja i upišite ih u bilježnicu. Svoje odgovore usporedite s odgovorima ostalih učenika i raspravite u razredu.

1. Tko je postavio principe koji se i danas poštuju pri izgradnji računala?
2. Na koje dvije velike skupine možemo podijeliti sklopovlje?
3. Što pripada u centralnu jedinicu, a što u periferne uređaje?
4. Gdje se nalazi dio računala zadužen za obradbu podataka? 
5. Gdje se nalazi aritmetičko-logička jedinica i što je njezin zadatak?
6. Što je zadatak upravljačke jedinice?
7. Koje memorije pripadaju u glavnu memoriju?
8. Koja je glavna razlika između ROM i RAM memorije?
9. Možete li iz odgovora na prethodno pitanje zaključiti koja je uloga RAM, a koja ROM memorije?
10. Koji je glavni zadatak vanjskih memorija? U koje skupine smo ih podijelili? Navedite nekoliko predstavnika svake skupine.
11. Za što služe ulazni uređaj? Navedite i opišite neke od njih.
12. Za što se koriste izlazni uređaji? navedite i opišite neke od njih.

6. Sistematizacija - tablica

7. Projektni zadatci

1. Otvori novu digitalnu bilježnicu u OneNote Online. Naziv bilježnice je DM informatika. Napravi novu sekciju naziva Sklopovlje računala i stranicu Pitanja. Na stranicama Nacionalnog centra za vanjsko vrednovanje obrazovanja (www.ncvvo.hr) pronađi do sada provedene ispite iz informatike na DM. Iz ispita po izboru izdvoji 20 pitanja vezanih uz sklopovlje računala.
   Pitanja oblikuj na način da prije teksta pitanja napišeš iz kojeg je testa i koji broj. Primjerice:
   
   (2010, ljetni rok, zadatak 9) Na memorijskome ključiću od 2 GB pohranjene su 3 datoteke. Veličine datoteka su 1536 kB, 512 kB i 46 MB.
   Koliko je slobodnoga prostora preostalo na memorijskome ključiću?
   A. 20 MB
   B. 200 MB
   C. 1052 MB
   D. 2000 MB
   Zatim otvorite novu stranicu Odgovori i upišite točne odgovore na izdvojena pitanja.
   
   
2. Potražite na internetu prodavaonicu informatičke opreme i pogledajte cjenik. Kako su imenovani dijelovi (komponente) računala? Koje su komponente najskuplje, a koje najjeftinije. Zapišite podatke u bilježnicu i usporedite ih.

2. Podijelite se u pet skupina. Svaka skupina neka odabere jednu od sljedećih tema:
   • Arhitektura računala Johna von Neumanna
   • Centralna jedinica
   • Ulazne jedinice
   • Izlazne jedinice
   • Jedinice vanjskih memorija
   Za odabranu temu pripremite tekstove i slike. Također pripremite: hamer papir, škarice i ljepilo. U informatičkoj učionici možete se koristiti internetom kao dodatnim izvorom znanja. Kreirajte plakate na zadanu temu i za ostale skupine učenika pripremite pitanja za ponavljanje gradiva. Ako u skupini tako odlučite plakati mogu biti multimedijski (glogsteri). Svaka skupina treba svoju temu predstaviti ostatku razreda.