Datorsystem

pic01b-datorystem
Bild 1: Datorsystem

Ett datorsystem omfattar flera elektroniska komponenter som arbetar tillsammans som en enhet. Ett datorsystem kallas ofta dator men inte ”data”.
DATOR syftar till maskiner medan DATA syftar till ettor och nollor datorer jobbar med.

Datorns arkitektur

John von Neuman datorarkitektur

Sedan 1940-talet har uppfattas ett datorsystem enligt modellen som matematikern John von Neumann tog fram.

pic02a-von_neumann_arkitektur
Bild 2: Datorarkitektur

Systemenhet

pic-03d-systemenhet
Bild 3: Systemenhet

Systemenheten är kärnan i ett datorsystem. Det är en fyrkantig låda som står på eller under skrivbordet. Inuti lådan finns det många elektroniska komponenter som hanterar signaler. Dessa enheter kan uppfattas som interna och anslutna till moderkortet.

Exempel på komponenter i systemenheten:

  • Nätaggregat
  • Processor
  • Minne
  • Hårddisk

Externa enheter ansluts till systemenheten via portar som finns på moderkortet.
Exempel på externa enheter som ansluts till systemenheten:

  • Bildskärm och mus
  • Högtalare
  • Skrivare

Nätaggregat

pic04-ps
Bild 4: Nätaggregat

Datorns nätaggregat konverterar växelspänning till likspänning. Sedan levererar nätaggregatet flera olika spänningsnivåer (12 V, 5 V och 3,3 V) till rätt komponenter i datorn. Ett problem som vi har med nätaggregat är att de inte är 100 procent effektiva. En viss del av energin förloras inuti nätaggregatet i form av värme när nätaggregatet konverterar växel till likspänning.

Sedan några år finns det en frivillig certifiering vars syfte är att få tillverkarna att höja effektiviteten hos nätaggregat. Namnet på denna certifiering är 80 Plus och majoriteten av de nätaggregat som säljs idag klarar av åtminstone den lägsta graden av certifieringen.

Moderkortet

Ett centralt kretskort i systemenheten, ett kretskort som sammanlänkar alla datorkomponenter. Äldre moderkort är byggt kring en styrkrets som ofta är uppdelad i nordbrygga och sydbrygga. Nord­bryggan var direktlänkad till grafikkortet, arbetsminnet, processorn och sydbryggan. Sydbryggan tog i sin tur hand om all data till och från alla in/ut-enheter, exempelvis mus, tangentbord, ljudkort, nätverkskort och lagringsmedia såsom hårddiskar.

pic05-3-till-2-chips
Bild 5: Chipset

Bryggorna var strategiskt placerade på moderkortet. Nordbryggan låg centralt mellan processorn, arbetsminnet och grafikkortet. Sydbryggan placerades vanligtvis nära expansions­portarna för tilläggskorten och hårddiskarnas dataanslutningar på moderkortet.

Dagens moderkort har ett annorlunda utseende. Från att vara baserade på tre chip (processor, nordbrygga och sydbrygga) är de istället baserade på en tvåchipslösning. Fördelen med att hålla så många funktioner som möjligt samlade i ett och samma chip är att hastigheten mellan involverade enheter förbättras. Exempelvis flyttades minneskontrollen från nordbryggan till processorn för att förbättra hastigheten mellan just processorn och arbetsminnena.

Processor

Datorns processor exekverar (utför) program i en dator genom att hämta maskininstruktioner och utföra begärda operationer som beräkningar och datahantering. Processorer är idag uppbyggda av tiotals miljoner miniatyrtransistorer på en yta av ett par cm². Antalet transistorer man kan få in på ett chip har hittills ökat exponentiellt enligt Moores lag.

Processorarkitekturer

En modern dator-arkitektur kan beskrivas som ett förhållande mellan processor och primärminnet, RAM.

Bild 6: Datorns arkitektur

I CPU finns flera processorer och de kontrolleras av kontrollenheten. I CPU finns också ett minne som kallas Register och det är processors minne där lagras de senast använda instruktioner. När datorn är igång behöver processor nya instruktioner som ska exekveras och dessa instruktioner och kompletterande data finns i primärminnet dvs. RAM. Från det primäraminnet till Register och från Register till primäraminnet kopieras, flyttas, ändras instruktioner och data som processorer i en dator behöver.

pc06-cpu-architechture
Bild 7: processorarkitektur

Via indata kan instruktioner och information matas in i datorn. Processor ser till att indata hamnar i första hand på minnet och sedan börjar processorn att bearbeta informationen. Resultatet av processors arbete skickas ut från en enhet till en annan exempelvis till en skärm. Datorns komponenter kan grupperas som hårdvara och mjukvara eller som system, in och ut enheter.

Datorns arbetssätt: RISC och CISC

Det finns två generella arkitekturstrukturer, RISC (Reduced Instruction Set Computing) och CISC (Complex Instruction Set Computing). De fundamentala skillnaderna mellan de två arkitekturerna är sättet som data behandlas.
En processor av typen RISC är konstruerad för att klara av enkla operationer väldigt snabbt. CISC däremot är konstruerad för att kunna göra komplicerade operationer men inte nödvändigtvis särskilt snabbt jämfört med RISC. Utvecklingen har sedan gjort så att dessa två varianter har lånat många tekniker från varandra. Dagens processorer kan inte med lätthet klassificeras i endera gruppen. Processorns arkitektur startade som 4-bitars, och har sedan dess stadigt ökat till 64-bitars. Från mjukvaruperspektiv är processorarkitekturen indelade i x86 – x64, ARM och Power PC.

Datorns minne – arbetsminne

pic06-abc80_45-minne
Bild 8: Datorsminne

Datorns minne kallas för ”Primärminne” eller ”Arbetsminne” eller bara RAM-minne. Arbetsminnet används för att lagra all instruktioner och data som processorn behöver för att genomföra sitt arbete. Att komma åt instruktioner eller data kan göras sekventiellt eller direkt till minnesceller. Det förutsätter att minnescellerna adresseras.

På bilden visas en äldre dator som hade på kanterna den primära och sekundära minnen.

RAM minnet och hårddiskar kallas primär och sekundär minne. Hårddisken är ett lagringsmedium som är lämpligt för större mängder data. Däremot är den för långsam för att processorn ska kunna arbeta effektivt med den. Då processorn är mycket snabbare på att behandla information behöver den ett snabbt minne att arbeta mot.

Hårddiskens egenskaper

Mekaniska hårddiskar är uppbyggda av roterande magnetiska skivor från och till vilka en mekanisk arm läser och skriver data. Denna uppbyggnad gör hårddisken känslig för mekaniska påfrestningar som uppstår om den till exempel skakas eller tappas i golvet. Skivorna finns i olika storlekar, kapaciteter och hastigheter, och läsarmen kan vara mer eller mindre intelligent.

Storlek och kapacitet

pic07-harddisk
Bild 9: Traditionella hårddiskar

Hårddiskens storleken anges i tum och baseras på skivornas storlek.

  • 3,5” är den vanligaste storleken för stationära datorer och traditionella externa hårddiskar.
  • 2,5”-hårddisken sitter främst i bärbara datorer och i externa portabla hårddiskar. 2,5”-hårddiskarna är normalt 9,5 mm tunna. Numera är även 7 mm tunna hårddiskar vanligt förekommande.

En del bärbara datorer med 2,5”-hårddiskar är utrustade med sensorer som känner av om datorn håller på att falla i golvet. Hårddisken avbryter omedelbart alla läsningar och skrivningar om sensorn registrerar häftiga rörelser.
Hastighets siffran som oftast syns i samband med hårddiskars hastighet är antalet rpm (revolutions per minute). Ju högre siffran är desto snabbare snurrar hårddisken. De flesta 3,5”-hårddiskar ligger på 5400 rpm eller 7200 rpm men även 10 000 rpm medan de mindre 2,5”-modellerna nästan alltid ligger på 5400 rpm.

Solid State-Diskar SSD

Skapades som en efterföljare till traditionell hårddisk teknik. Utan några rörliga delar kan SSD-hårdiskar arbeta betydligt snabbare än traditionella mekaniska hårddiskar. Utan rörliga delar minskar strömförbrukningen därmed mindre värme utvecklas.

SSD är fortfarande dyrare per GB jämfört med traditionella hårddiskar på grund av de höga kostnaderna för NAND-flash minne.

Hur fungerar en SSD-hårddisk?

SSD-enheter har två viktiga komponenter: SSD-kontrollern och NAND-flash minne.

Bild 10: SSD hårddisk
  • SSD-Kontrollern är den komponent som hanterar datan som hanteras på NAND-flash och fungerar också som bro mellan enheten och datorn. Beroende på kontrollen, har den också en rad andra användbara funktioner, såsom kryptering, skräphämtning, korrigering av fel, etc.
  • NAND-flash minne är helt enkelt minnesceller som lagrar data.