سخت افزار رایانه

سخت افزار رایانه

اسلاید 1: سخت افزار رايانهبخش اول کتاب توربان

اسلاید 2: محتوای فصلمقدمهواحد پردازش مرکزيحافظهسير تکاملي سخت افزارسلسله مراتب رايانهفناوري هاي ورودي و خروجيشاخص هاي کلي فناوري2پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 3: مقدمهسخت افزار: ابزار فيزيکی که براي ورودی، پردازش، خروجی و فعاليت های حافظه در يک سيستم رايانه ای استفاده می شوند. شامل:واحد پردازش مرکزی (cpu:central processing unit) حافظه اوليهحافظه ثانويهفناوری های ورودی و خروجیفناوری های ارتباطیانتخاب سخت افزار روی سه عامل تمرکز دارد:قابليت (قدرت و تناسب با وظيفه)سرعتهزينه3پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 4: واحد پردازش مرکزیواحد پردازش مرکزی (CPU:Central Processing Unit): محاسبات حقيقی و يا اصطلاحاً number crunching را در هر رايانه انجام مي دهد. CPU يک ريزپردازنده است که از ميليون ها ترانزيستور کوچک ساخته شده است که در يک مدار روی يک قرص سيليکونی يا تراشه جاسازي شده اند.واحد کنترل(CU:Control Unit) : بخشی از واحد پردازش مرکزی است که جريان اطلاعات را کنترل مي کند.واحد محاسبه و منطق(ALU:Arithmatic-Logic Unit): بخشي از واحد پردازش مرکزی است که محاسبات رياضي و مقايسه هاي منطقي را انجام مي دهد.ثبات (register): حافظه هاي با سرعت بالا در CPU هستند که حجم بسيار کمي از داده ها و دستورالعمل ها در دوره هاي زماني کوتاه نگه مي دارند.4پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 5: واحد پردازش مرکزیادامه قسمت هاي يک ريزپردازنده5پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 6: واحد پردازش مرکزیادامه نحوه کار پردازنده6پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 7: واحد پردازش مرکزیادامه چرخه دستورالعمل ماشين (machine instruction cycle): مدت زمان پردازش يک دستور در رايانه؛سرعتي که به ازاي تعداد دستورالعمل هايي که يک تراشه در هر ثانيه پردازش مي کند اندازه گيري مي شود.سرعت پالس ساعت ( Clock speed ): سرعت از پيش تنظيم شده پالس ساعت رايانه که تمام فعاليت های تراشه را زمانبندي مي کند.طول کلمه(word length) : تعداد بيت هايي که CPU در هر يک از فواصل زماني مي تواند پردازش کند.پهناي گذرگاه (bus width): اندازه مسيرهاي فيزيکي که داده ها و دستورالعمل ها به عنوان ضربه الکترونيکي روي تراشه جابجا مي شوند. پهناي خط ( line width): فاصله بين ترانزيستورها، هر چه کوتاه تر باشد، سرعت تراشه بيشتر است.7پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 8: قانون مورپيچيدگي ريزپردازنده ها هر دو سال يکبار به علت تغييرات زير دو برابر مي شود:کوچک سازي ترانزيستور هامتراکم سازي و مناسب سازي لايه فيزيکي اجزاي تراشه ها تا حد امکان( به منظور کاهش پهناي خط )به کار بردن عناصري در تراشه ها به منظور افزايش رسانايي (استفاده از ارسنيد گاليم و ژرمانيم سيليسيم به جاي سيليسيم)قرار دادن دستورالعمل هاي پايه اي و اساسي در تراشه ها8پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 9: معماری ريزپردازندهطبقه بندي گسترده معماري ريزپردازنده ها:CISC ( Complex Instruction Set Computing ): بیشترین معماری مورد استفاده در ریزپردازنده ها که مجموعه جامعی از دستورات را در خود جای می دهدRISC ( Reduced Instruction Set Computing ):در این نوع ریزپردازنده تنها دستوراتی که بیشترین استفاده را داشته باشند گنجانده می شود و سایر دستورات در نرم افزارها نوشته می شود.VLIW ( Very Long Instruction Word ): این نوع معماری با افزودن طول کلمات دستور تعداد دستورات را کاهش می دهد.EPIC ( Explicitly Parallel Instruction Computing ): این ریزپردازنده امکان اجرای موازی برخی دستورات را می دهد.9پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 10: 10پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 11: ريزکنترلگرهاتراشه هاي رايانه اي که در محصولات و فناوري ها جاسازي مي شود که معمولا هزينه پايين تر و نسبت به پردازنده ها، در کارهاي کم تقاضاتر کاربرد دارند.11پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 12: حافظه رايانهدو بخش اصلي : حافظه اوليه ـ حافظه ثانويهبيت: تنها داده اي که رايانه مي تواند پردازش کند.بايت: يک داده رشته اي 8 بيتي، که براي نمايش هر يک از عملگرهاي ساده رياضي يا حروف الفبا استفاده مي شود.ظرفيت حافظهکيلو بايت مگا بايتگيگا بايتترابايتپتا بايتاگزا بايت12پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 13: حافظه اوليه-حافظه اصلیحافظه اي که براي نگهداري سه نوع داده زير در دوره هاي زماني کوتاه به کار مي رود: داده هايي پردازش شده توسط پردازنده دستورالعمل هاي پردازنده مبني بر چگونگي پردازش داده ها برنامه هاي سيستم عامل براي مديريت جنبه هاي گوناگون عمليات رايانهثبات ( register): بخشي از CPU با کمترين ظرفيت مي باشند که تنها مقدار کمي از دستور العمل ها و داده ها را بلافاصله قبل و بعد از پردازش در خود نگه مي دارد.13پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 14: حافظه اوليهادامهRandom Access Memory(RAM): بخشي از حافظه اوليه که يک برنامه نرم افزاري و مقدار کمي داده را وقتي که از حافظه ثانويه آورده مي شوند، در خود نگه مي دارد.انواع RAMDynamic RAM(DRAM): حافظه ای با گنجايش بالاو قیمت کم اما با سرعت نسبتا پایین Static RAM(SRAM):کارایی این نوع حافظه از DRAM بیشتر است و لذا برای برنامه های حساس به کارایی از آن استفاده می شود. اما هزینه نسبتا بالاتری دارد.Magnetic RAM(MRAM): حافظه ای غيرفرار که از خاصيت مغناطيسي براي ذخيره داده به جاي الکتريسيته استفاده می کند، ترکيب سرعت SRAM و گنجايش بالاي DRAM و غيرفراري flash14پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 15: حافظه اوليهادامهCache: نوعي از حافظه اوليه که بلوک هاي داده ها را که زياد مورد استفاده قرار مي گيرند موقتاً در خود نگه مي دارد. به دليل فاصله کمتر تا CPU، از RAM سريعتر و داراي سه سطح مي باشد:L1 و L2: داخل پردازنده، L1 سريعتر و کوچکتر از L2 مي باشد.L3: روي بورد اصلي است ولي داخل پردازنده نيست.Read-only memory(ROM): نوعي از حافظه اوليه که دستور العمل هاي کليدي معين در آن نگهداري مي شود. اين حافظه غيرفرار است و در صورت خاموش شدن رايانه، دستورات باقي مي مانند.حافظه FLASH: نوعي حافظه قابل بازنويسي ROM که فشرده، قابل حمل و نيازمند انرژي کمي مي باشد.15پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 16: حافظه ثانويهفضاي حافظه اي که مي تواند ميزان زيادي از داده ها را برايمدت زيادي نگه دارد.حافظه اي غير فرارزمان بيشتر براي بازيابي داده ها( به دليل طبيعت الکترومکانيکي آن)ارزانتر از حافظه اوليه در گونه هاي مختلف با فناوري هاي مختلف 16پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 17: حافظه ثانويهادامهنوار مغناطيسي: يک حافظه ثانويه با دسترسي ترتيبي که معمولاً در يک قاب نوار يا کاست کوچک نگهداري مي شود. به خاطر قيمت کم و توانايي کنترل ميزان عظيمي از داده ها، هنوز رايج است.دسترسي ترتيبي(sequential access): نوعي از دسترسي که در آن سيستم رايانه بايد همه ي داده های قبلی را به منظور دسترسی به داده مورد نظر پشت سر گذاردديسک مغناطيسي: شکلي از حافظه ثانويه روي يک ديسک مغناطيسي که به شیارها(track) و بخش هايي (sector) تقسيم بندي شده که حاوي آدرس هايي براي بخش هاي مختلف داده هستند.( ديسک سخت )17پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 18: حافظه ثانويهادامهدیسک سخت (Hard Disk): نوعي از حافظه ثانويه با دسترسي مستقيم که در آن داده ها را روي صفحه فلزي ذخيره مي کند که به شیارهاي هم مرکز و بخش هاي تقسيم شده است که به وسيله ي هد خوانده مي شوند.دسترسي مستقيم(direct access): دسترسي به داده ها که در آن هر بخش از داده ها به صورت غيرترتيبي بازيابي مي شود.( استفاده از آدرس داده ها براي دسترسي به آن ها )ديسکت هاي مغناطيسي: نوعي از حافظه مغناطيسي با قابليت حمل آسان و روي ديسک هاي پوليستري انعطاف پذير.18پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 19: حافظه ثانويهادامهحافظه هاي نوري: نوعي از حافظه هاي ثانويه که با استفاده از تابش ليزر روي سطح يک صفحه پلاستيکي بازتابنده، خوانده مي شود.Compact Disc,Read-Only Memory(CD-ROM): نوعي از حافظه ثانويه که فقط خواندني است.Digital Video Disk(DVD): نوعي حافظه نوري که براي ذخيره سازي ويدئو هاي ديجيتالي يا داده هاي رايانه اي مناسب است.19پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 20: حافظه ثانويهادامهFluorescent multilayer disk(FMD-ROM):ديسک چندلايه فلورسنت؛ نوعي حافظه نوري با ظرفيت بسيار بيشتر از DVDها.Memory cards : کارت حافظه که به اندازه یک کارت اعتباری است و بر روی آداپتور یا slot روی کامپیوترهای شخصی نصب می شود.دستگاه هاي حافظه انبساط پذير(expandable storage device): کارتريج هاي ديسک قابل تعويض که براي back up گرفتن از هارد ديسک مناسب مي باشند.20پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 21: سيستم حافظه بنگاهیسيستم حافظه بنگاهی(Enterprise storage system ): يک سيستم مستقل و خارجي، داراي هوشمندي که مشتمل بر دو يا چند حافظه مي باشد. مکانی برای حفظ داده های سازمان با سرعت بالا و مصون در مقابل از دست رفتن داده ها(حافظه درون کامپیوتر در معرض انواع خطرات از قبیل خرابی موتور،گردو خاک،تغییرات دما و تغییرات ولتاژ است.)RAID(Redundant arrays of independent disks): يک سيستم حافظه سازماني که گروهي از درایوها سخت استاندارد را به يک ميکروکنترولر خاص که درايو ها را با هم هماهنگ مي سازد، متصل مي کند؛ طوري که يک هارد درايو به نظر مي رسند. (مزیت این نوع حافظه ، نگهداری داده ها به صورت افزونه (redundant) است.)21پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 22: سيستم حافظه بنگاهیادامهNAS (Network-Attached Storage): يک سيستم حافظه سازماني که در آن يک کارگزار خاص منظوره، امکان دسترسی به فایلها را به کاربراین که از طریق شبکه به آن متصل می شوند را می دهد.SAN(storage Area Network): يک معماري سيستم حافظه سازماني براي ساختن شبکه هاي ويژه و اختصاصي که دسترسي سريع و قابل اطمينان به دستگاه هاي حافظه را به وسيله چند کارگزار ممکن مي سازد. Storage over IP: فناوري که با استفاده از قراردادهاي اينترنتي (internet protocols) داده هاي ذخيره شده را بين دستگاه ها، از طريق SAN منتقل مي کند. به نام هاي IP over SCSI و يا iSCSI هم شناخته مي شود.22پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 23: سير تحول سخت افزارنسل اول، از سال هاي 1946 تا حدود 1956، رايانه ها از لامپ هاي خلأ براي پردازش و ذخيره داده ها استفاده مي کردندمصرف توان زيادتوليد گرماي زيادعمر کوتاه نسل دوم، از 1957 تا 1963 از ترانزيستور ها استفاده مي شد. نسل سوم، از 1964 تا 1979، مدار هاي مجتمع گسترش نرم افزارها براي مردم عادي23پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 24: سير تحول سخت افزارادامهاوايل نسل چهارم، از 1980 تا 1995، استفاده از مدار های VLSI (very-large-scale integrated )صدها هزار مدار روی يک تراشهULSI، 10 ميليون ترانزيستور روی يک تراشهبر اساس معماری فان نيومن ( پردازش دنباله ای اطلاعات، يک دستورالعمل در هر بار ) اواخر نسل چهارم، از 1996 تا کنون، استفاده از مدار های GSI(grand-scale-integrated)يک بيليون ترانزيستور روی يک تراشهپردازش موازی گسترده ( داده کاوی پايگاه داده های های عظيم ) 24پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 25: انواع رايانه ابررایانه ((Supercomputersرايانه های با بالاترين توان پردازشي در دسترس، استفاده در امور علمي و نظامي روي مجموعه داده هاي کلان.رایانه های بزرگ(Mainframe computers )رايانه هاي بزرگ مورد استفاده سازمان هاي بزرگ براي انجام محاسبات حجيم و در دسترس هزاران کاربر رایانه های متوسط (Midrange computers)محدوده کارگزار تا کامپیوترهای کوچک: کوچکتر، ارزارنتر از رایانه های بزرگ که کارهای آنها را در محدوده هاي کوچکتر انجام مي دهند و براي پشتيباني شبکه و اشتراک فايل و نرم افزار به کار مي روند.25پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 26: انواع رايانهادامهWorkstation computersرايانه هاي قدرتمند روميزی که براي کاربردهای محاسباتی حجيم علمی، مهندسی و مالی استفاده می شوند. عموماً بر اساس معماری RISC ساخته مي شوند.رایانه های کوچک(Microcomputers)کوچکترين و ارزان ترين طبقه از رايانه هاي همه منظوره، رايانه هاي شخصي که بر اساس اندازه به انواع زير تقسيم مي شوند: رايانه هاي روميزي شخصي (Fat-client systems)سامانه های کاربر لاغر( Thin-client systems) رایانه های قابل حملوسایل قابل حمل( Mobile Devices): PDA، گوشی همراه26پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 27: ابزارهای محاسباتی رایانه های پوشیدنی(Wearable Computers)کارت های هوشمند(Smart Cards)Radio Frequency Identification Tag(RFID)27پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 28: فناوری های ورودی و خروجیفناوري هاي ورودي، به کاربر و يا ساير دستگاه ها اجازه مي دهد تا داده ها را به رايانه وارد کند. دو نوع اصلي از ابزار ورودي : دستگاه های ورود داده های انسانیصفحه کلیدموشیصفحه لمسی (touchscreen)دسته لغزان (joystick )دستگاه های ورود داده خودکار کدخوان(Barcode)پویشگر(scanner)28پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 29: چند رسانه ایفناوري چند رسانه اي (multimedia): ترکيب متن، صدا،تصوير، تصاوير متحرک در سيستم هاي رايانه اياين فناوري قابليت هاي رايانه را با CD/DVD player، سيستم پخش صدا و تصوير و فناوري ها بازي و موسيقي ترکيب مي کند.29پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 30: گرايش های کلی فناوری سخت افزاربهبود نسبت هزينه-عملکرد تراشه هاحافظهرايانه های self-healing ( خودعيب ياب )BlueSky محصول IBMحسگرهای وبی ( Sensor webs )مجموعه اي از جعبه هاي فلزي کوچک که به منظور جمع آوري انواع اطلاعات نصب مي شود، با جعبه هاي نزديک ارتباط برقرار مي کند و در بعضي موارد به صورت بي سيم با دستگاه هاي خارجي وصل مي شود.30پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 31: گرايش های کلی فناوری سخت افزارنانوتکنولوژيساخت اشيا، دستگاه، يا سيستم هايي در مقياس 1 تا 100 نانومتر.محاسبات کوانتومياستفاده از حالات اساسي يک ذره (کوانتوم) از ماده به عنوان واحد بنيادي محاسبه31پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات

اسلاید 32: مباحث راهبردی سخت افزارسازمان چگونه بايد با نسبت هزينه-عملکرد برخورد کنند؟سازمان چند وقت يکبار نسبت به تغيير سيستم هاي خود اقدام کند؟چگونه سازمان مي تواند بهبود عملکرد را اندازه گيري کند؟رايانه های قابل حملآيا استفاده از فناوری های کار از راه دور به سازمان ها و کارمندان کمک مي کند؟سازمان ها چگونه بايد اين شيوه جديد کار را مديريت کنند؟32پاييز 87درس مهندسي فناوري اطلاعات