Centralna jedinica

1. Kapacitet memorije

Najmanja količina informacije koju neka memorija može pohraniti je bit (eng. binary digit). 1 bit je količina memorije potrebna za pamćenje jedne binarne znamenke (0 ili 1). 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.

Računalo pamti podatke pomoću osnovnih elektroničkih sklopova koji se nazivaju bistabili. Bistabil pamti 1 bit (1 b).

Bistabil je uređaji s dvama stabilnim stanjima:

• stanje nižeg napona je znamenka 0 (oko 0 V),
• stanje povišenog napona je znamenka 1 (5 V)

Registar je skup povezanih bistabila. Broj bistabila u registru određuje duljinu registara (2, 4, 8, 16, 32, 64).

O duljini registra ovisi broj bitova koje procesor može obraditi u jednom koraku (danas 64). Elektronička memorija  je niz registara jednake duljine.

Prva veća mjerna jedinica od bita je 1 bajt i vrijedi da je 8 bitova = 1 bajt (8 b = 1 B)

Do sada je bilo uobičajeno veće mjerne jedinice označavati sa:

• 1 bajt (1 B) = 8 bita (8 b)
• 1 kB (kilobajt) = 1024 B
• 1 MB (megabajt) = 1024 kB = 10242 B
• 1 GB (gigabajt) = 1024 MB = 10243 B
• 1 TB (terabajt) = 1024 GB = 10244 B
• 1 PB (petabajt) = 1024 TB = 10245 B
• 1 EB (eksabajt) = 1024 PB = 10246 B

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.

2. Glavna memorija

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

2.1. RAM

Radna memorija ili RAM (eng. Random Access Memory) je najznačajniji dio memorije računala i s njom radi procesor. To je mjesto u računalu gdje se slijevaju svi ulazni podaci, instrukcije, međurezultati obrade i izlazni rezultati. Program koji je instaliran na računalu stvarno je spremljen na tvrdom disku, a prilikom pokretanja njegove se instrukcije učitavaju u RAM - privremeni spremnik. Ono što trenutno radimo također je pohranjeno u RAM. Nakon isključivanja računala gube se svi podaci (prekinemo li dovod energije, napon na svim bistabilima pada na 0 - prije zapamćeni podaci nestaju)

     Pločica na kojoj se nalazi veliki broj integriranih elektroničkih komponenti.

 Osnovne karakteristike RAM-a:

• Kapacitet
  
• Brzina pristupa podacima – brzina kojom može pohraniti i ponovo pročitati podatke (još se naziva i vrijeme pristupa memoriji – mjeri se u ns (nanosekunda))

 Radne memorije je podijeljena na memorijske lokacije. Svaku memorijsku lokaciju čini grupa bistabila. Memorijskoj lokaciji pristupa se preko adrese pa zato RAM još nazivamo i memorija s izravnim pristupom. Upravo zato je i brza.

Veličina RAM-a mjeri se brojem bajtova koje možemo u memoriju pohraniti, dakle što veći to bolje. No postoje problemi zbog ograničenja operacijskog sustava u adresiranju memorije. Naime 32-bitni operacijski sustav ne može adresirati više od 4 GB memorije (najveća adresa može biti 2³²), što znači da ugradimo li više memorije, ostatak će ostati neprepoznat. 64-bitni operacijski sustavi teoretski mogu adresirati 2⁶⁴ adresa.

Brzina pristupa podacima  ovisi o građi i vrsti memorije. Razlikujemo:

• Statička (SRAM) – podaci se mogu čuvati duže vrijeme bez osvježavanja, brza, cache
• Dinamička (DRAM) – potrebno neprestano osvježavanje – sporija (RAM)

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

2.2. ROM

   ROM memorija

Postoji više vrsta ROM-a s obzirom na mogućnost brisanja podataka:

• PROM (Programmable Read Only Memory) – programabilna memorija (dolazi prazna i podaci se mogu samo jednom upisati)
• EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) – višekratno brisanje i pisanje
• FLASH MEMORIJA

2.3. Kako funkcionira memorija računala?

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

3. 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.

Pojednostavljeni princip rada procesora:

• Dohvatiti instrukcije i podatke iz memorije
• CU  dekodira instrukcije i određuje koju operaciju treba izvesti s kojim podacima
• CU šalje ALU potrebne podatke koja s njima izvede traženu operaciju (složene operacije se svode na niz osnovnih)
• CU rezultate obrade smješta u memoriju ili dalje na odredište

Danas sse proizvode višejezgreni procesori kod kojih se na jednoj pločici silicija nalazi se više procesorskih jezgri (svaka sa svojom CU i ALU), ali upotrebljavaju istu priručnu memoriju. Razlikujemo:

• Dvije jezgre (dual-core)
• Četiri jezgre (quad-core)
• Osam jezgri (octa-core)

Procesor računala

   Procesor sa aktivnim i pasivnim hladnjakom

3.1. Registri

Unutar procesora nalaze se i registri. Registri su memorije koje služe za privremeno pohranjivanje podataka i instrukcija. Postoje:

• Programsko brojilo – pamti adrese instrukcija koje treba izvršiti; automatsko povećanje
• Instrukcijski registar – sadrži instrukciju koju treba izvršiti
• Podatkovni registar – sadrži podatke
• Adresni registar – pamti slijedeću adresu
• …

3.2. Generator takta

Generator takta (clock) određuje ritam rada procesora odnosno njegovu radna frekvencija procesora, koja se mjeri u Hz – herc. Frekvencija procesora je broj osnovnih instrukcija koje se mogu izvesti u jednoj sekundi. Na primjer 3 GHz = 3 milijarde osnovnih instrukcija u jednoj sekundi i to označavamo brojem kojeg nazivamo  MIPS (engl. Million Instructions Per Second). 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).
Najveći proizvođači procesora su Intel, AMD, Samsung i Motorola.(MIPS)

3.3. Cache

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. Naime, pri razmjeni podataka između RAM-a i procesora dolazi do nerazmjera između njihovih brzina. Procesor šalje i prima podatke brže od radne memorije pa čeka dok memorija izvršava spremanje ili dohvaćanje podataka. Između RAM-a i procesora nalzai se cache koji nadomješta sporost RAM-a u odnosu na registre u procesoru. Brzina cache memorije jednaka je brzini procesora, a kapacitet relativno malen.

Postoji nekoliko vrsta cache memorije:

• L1 – najbrži, najmanji kapacitet (desetci KiB)
• L2 – sporiji od L1, ali većeg kapaciteta (stotine KiB)
• L3 – sporiji od L2, ali brži od RAM-a te većeg kapaciteta od L2 (nekoliko MiB)

4. Sabirnice

Sabirnice su snopovi vodiča na koji su spojeni svi dijelovi računala i pomoću kojih se ostvaruje komunikacija među uređajima u računalu. Svaki vodič prenosi jedan bit. Širina sabirnice je broj bitova koji sabirnica može prenijeti istovremeno (32-bitovna, 64-bitovna), tj. onoliko koliko ALU može obraditi u jednom taktu.

Istovremeno se mogu prenositi samo podaci između jednog para spojenih uređaja što znači da je  vrijeme uporabe podijeljeno u kratka vremenska razdoblja (time sharing). Što su vremenska razdoblja kraća prenese se više podatka u sekundi. Brzina sabirnice označava se u Hz (broj perioda u sekundi).

Sabirnica ima tri dijela:

• Adresni dio
• Podatkovni dio
• Upravljački dio

Najbitnija je FSB sabirnica (povezuje northbridge i CPU).

Postoj još:    

• PCI-Express – grafičke kartice, zvučne kartice, mrežne kartice, …
• SATA – uređaji za pohranu podataka (hard disk, CD, DVD, SSD, Blu-Ray)
• PCI – dodatne kartice – izlazi iz uporabe
• USB – vanjski uređaji
• USB 1 – 12 Mb/s (mega bita po sekundi – 106 bita po sekundi)
• USB 2.0 – 480 Mb/s
• USB 3.0 – 4,8 do 5 Gb/s

5. Matična ploča

Matična ploča (eng. motherboard) služi za povezivanje i spajanje svih komponenata računala u funkcionalnu cjelinu. U nju su ugrađene sabirnice. Njezina konstrukcija određuje koje komponente možemo na nju spojiti. Razlikujemo:

• Podnožja (Socket),
• utore (Slot) i
• priključke (Connector)

Uređaje koje ne spajamo izravno na matičnu ploču spajamo na ulazno-izlazne priključke: serijski, paralelni, USB (Universal Serial Bus).

Chipset

Definira mogućnosti matične ploče (maksimalan takt procesora, radne memorije, pristup diskovima, itd. Sastoji se od dva čipa:

• Northbridge – brine se za komunikaciju između procesora, memorije, cache-a, PCI slotova – velike brzine – zagrijava se – hladnjak
• Southbridge – brine se za ulazno/izlazne funkcije

   Malo starija matična ploča

6. Zadatci

Riješite sljedeće zadatke:

1. Koliko MiB ima 1,7 GiB?
2. Poredaj po veličini sljedeće kapacitete memorije počevši od najmanjeg:  1 TiB, 1 KiB, 1b, 1 B, 1 GiB, 1 MiB
3. Poredaj po veličini sljedeće kapacitete memorije počevši od najmanjeg:  1000 MiB, 0.1 GiB, 1024 KiB, 1 GiB
4. Poredaj po veličini sljedeće kapacitete memorije počevši od najvećeg:  1025 MiB, 1 GiB, 0.01 TiB, 101 GiB
   
5. Imate tri datoteke veličine 0.5 GiB, 150 MiB, 35840 KiB i želite ih spremiti na CD kapaciteta 700 MiB. Stanu li one na medij koji imate na raspolaganju? Kolika je ukupna veličina tih datoteka?
6. Poredaj po veličini slijedeće kapacitete memorije počevši od najvećeg:  0.1 GiB, 4 MiB, 4072 KiB, 2400 Mib
7. Pretpostavimo da raspolažemo sa spremnikom veličine 2GiB i u njemu se nalaze pohranjene tri datoteke. Veličine datoteka su 1536 KiB, 512 KiB i 46 MiB. Koliko slobodnog prostora je preostalo u tom spremniku?

7. U unutrašnjosti računala - video

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