Datorteknik

Bild 1: Datorsystem

Ett datorsystem omfattar flera elektroniska maskiner 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.

John von Neuman datorarkitektur

Bild 2: Processorarkitektur

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

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.

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 datasignaler. 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

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.

Hur effektivt konverterar nätaggregatet växelström med spänningen 220V till likström med olika spänningar?

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. Ett nätaggregat som sägs vara 70 procent effektivt drar till exempel 100W från väggkontakten men levererar endast 70W till moderkortet. 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.

Nätaggregatet ansluts till moderkortet därmed ett nätaggregat ska passa ihop med systemenheten och moderkortets formfaktor. Det finns flera varianter av formfaktor AT och ATX. AT är inte längre aktuellt och ATX har flera varianter. ATX-aggregaten brukar ha en specificerad uteffekt på mellan 400-1200W i dagsläget.

Nätaggregatets anslutningar

Bild 5: 20 och 24 pin kontakt

Varje el-aggregat kan leverera olika spänningsnivåer via kablar som markeras med färg:

  • Gul, +12V, motorer, fläkt, kylningssystem, systembuss
  • Blå, -12V, seriella enheter och äldre PROM-minne
  • Orange, +3.3V, Processor, minne och AGP kort
  • Röd, +5V, moderkort, äldre processorer, moderkortkomponenter
  • Vitt, -5V äldre kretskort och PROM minne
  • Svart, 0V jordning.

När nätaggregatet ansluts till moderkortet kan uppstå frågan om antal pin i kontakten. Normalt är 24-pin anslutningskontakt men av kompatibilitetsskäl ska kontakten stödja 20-pin anslutningar. Nyare nätaggregat har oftast stöd för både 20- och 24-pin. De flesta kontakter är fastorienterade som gör att de kan kopplas endast i ett vist sätt, det gäller att vara observant.

Anslutningskontakter

Bild 6: Anslutningskontakter

Kontakter utvecklas med olika teknologier och har olika namn exempelvis:

A = ATX, B =  AT, C = BERG, D = MOLEX

  • MOLEX kontakter finns i olika varianter avsedda för olika enheter såsom DVD/CD-ROM, hårddiskar, mm.
  • MOLEX kontakter utvecklades för ATX el-aggregat med kablar i färg gul för +12v, röd  för +5v och svart för 0v eller jord.
  • BERG kontakter finns också i olika varianter.  De flesta BERG kontakter har fyrkantiga former och levererar samma spänningsnivåer som Molex kontakter.
  • SATA kontakter är idag standard men det finns kombinationsmöjligheter så klart.

Moderkortet

Bild 7: 3 till 2 chip-arkitektur

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.

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

Moderkorts översikt

Bild 8: Moderkorts överskikt
  1. Strömförsörjning för processor
  2. Processorsockel
  3. Socklar för arbetsminnen
  4. Strömförsörjning för moderkort
  5. CMOS-batteri
  6. SATA 3
  7. SATA 2
  8. PCH
  9. Minne till BIOS
  10. System Panel Header
  11. USB 3.0-frontuttag
  12. USB 2.0-frontuttag
  13. Firewire-frontuttag
  14. Ljud-frontuttag
  15. PCI express x16
  16. PCI
  17. PCI express x1
  18. Strömförsörjning för fläkt
  19. Externa anslutningar.

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

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.

X86

Namnet X86 kommer från några av Intels första processorer som kallades 286, 386 och 486. När de fasades ut fick begreppet X86 ändå bli kvar som ett de facto-namn för arkitekturen. X86 har

Bild 10: ARM processor

med tiden utvecklats och fått allt fler funktioner. Bakåtkompatibiliteten har dock upprätthållits i väldigt stor utsträckning. Det enskilt största utvecklingssteget av arkitekturen var när den bytte från att vara 32-bitarsbaserad till 64-bitarsbaserad. Till och med då upprätthölls kompatibiliteten, så att de moderna 64-bitarsbaserade processorerna även kunde köra gamla 32-bitarsmjukvaror.

När X86 blev 64-bitarsbaserad bytte arkitekturen mer eller mindre namn till X86-64. Det namnet har sedermera förkortats ned till bara X64.

ARM

Mobiltelefoner och surfplattor använder vanligtvis ARM-processorer (Advanced RISC Machine) eftersom sådana är mycket strömsnåla och ger bra batteritid. IOS, Windows Phone och Android är exempel på operativsystem som är gjorda för ARM-arkitekturen, även om Android även förekommer i en X86-version.

Bild 11: PPC processor

ARM finns likt X86 i både 32- och 64-bitarsversioner. Den senaste 32-bitarsversionen av ARM kallas ARM v7 och den nya 64-bitarsversionen kallas ARM v8.

Power PC

Apple, IBM och Motorola utvecklade tillsammans Power PC-arkitekturen (PPC) som bland annat användes i Apples Macar fram till 2006. Numera använder Apple X86-arkitekturen i sina datorer, vilket gör att moderna Macar bygger på samma hårdvara som Windowsbaserade datorer.

Apples vd Steve Jobs meddelade den 6 juni 2005 att bolaget skulle börja övergången från IBMs PowerPC-processorer till Intel-processorer. Vid den tidpunkten presterade Intel processorer bättre än PowerPC. Dessutom Intels processorer kunde köras med betydligt mindre värme och därmed var Intels processorer energisnåla.

Kontakter för processorer

Bild 12: ZIP socket

När du söker efter en processor till ditt system kommer du finna två olika fysiska ”kontakter”, ”slot” (kortplats) och ”socket” (sockel). Det är två olika kontakter som fäster processorer på moderkort. Sockeln är av ZIP (Zero Insertion Force) typ och är fyrkantig, medan den andra kontakten är ordnad i en linje.

 Processors hastighet

Processorns hastighet definieras i Megahertz eller Gigahertz, som är ett mått på frekvens och ger oss en indikation på processorns klockhastighet. Under nittiotalet ökade processorernas klockfrekvenser successivt, vilket gjorde att de blev allt snabbare och hetare. Den höga klockfrekvensen gjorde att processorerna drog mycket ström och genererade mycket värme. För att kunna fortsätta utvecklingen var processortillverkarna tvungna att hitta andra lösningar än att endast höja klockfrekvensen. Utvecklingen bytte därför fokus till att istället effektivisera processorn så att den kunde utföra så mycket som möjligt under en och samma klockcykel. Det gjorde att dagens processorer har betydligt högre prestanda än sina föregångare, även om de ibland har lägre klockfrekvenser. Klockfrekvensen är numera ofta missvisande då den inte berättar något om hur effektivt processorn arbetar utan endast hur snabbt.

 Datorns minne – arbetsminne

Datorns minne kallas för ”Arbetsminne” eller bara RAM-minne. Arbetsminnet används för att lagra all data som processorn behöver för stunden eller inom en snar framtid. Arbetsminnet eller RAM-minne behöver inte läsa allt i samma ordning utan kan gå direkt till adressen där den efterfrågade informationen finns lagrad.

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.

Arbetsminnets uppgift

När datorn startar hämtas operativsystemets viktigaste delar från hårddisken och läggs i arbetsminnet. På så sätt blir de lättåtkomliga. När operativsystemet sedan används för att starta ett program läggs även det in i arbetsminnet. Samma sak gäller eventuella dokument som programmet öppnar. När programmet sedan avslutas rensas det bort från arbetsminnet för att ge plats åt ny information.

Flyktiga och icke-flyktiga minne

Bild 13: Dators minne

En dator arbetar med olika typer av minnen. Det finns minnen som behåller innehållet och minnen som tappar innehållet när datorn är stängd. Dessa minnen är exempelvis hårddiskar, arbetsminnen, cacheminnen, flashminnen, optiska lagringsmedier och många andra typer. Alla lagrar ettor och nollor men skiljer sig från varandra när det gäller hur snabba de är och på vilket sätt de lagrar informationen.

Cacheminne

Ett litet men snabbat minne. Processorn använder som sitt eget minne (cacheminne L1/L2/L3). Det används endast för den information som processorn jobbar med för ögonblicket, vilket gör att det inte behöver vara speciellt stort. Däremot måste det vara extremt snabbt; ännu snabbare än arbetsminnet.

Virtuellt minne

Datorn har även något som kallas virtuellt minne. Det är en del av hårddisken som datorn använder för att lagra information som används, men inte behöver vara snabbt ­åtkomlig i arbetsminnet.

DDR – Double Data Rate

Bild 14: DDR minnen

I dagsläget finns det fyra olika minnestyper som används på desktop marknaden i större utsträckning, DDR, DDR2, DDR3, DDR4 och DDR5.

DDR kan både skicka och ta emot data i en cykel, vilket gör att man räknar den faktiska frekvensen som dubbelt så hög som den verkliga. Ett minne som säljs som 1800MHz jobbar alltså egentligen vid 900MHz.

Maximal storlek på arbetsminne

Det är alltid bra att ha mycket arbetsminne men det finns en övre gräns på vad som går att använda. Det kan dels finnas en begränsning på datorns moderkort för hur mycket minne det kan hålla reda på. Det kan också finnas begränsningar i mjukvaran i första hand operativsystemet. Ett operativsystem som är 32 bitar kan adressera mindre minnesplatser än ett 64 bitar operativsystem.

Arbetsminnets tekniska beteckningar

Det finns många olika typer av minnen som betecknas på ett vist sätt.
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory).

  • Bokstaven S i SDRAM indikerar att det är ett synkront dynamiskt minne.
  • Bokstaven D i SDRAM är dynamiskt RAM-minne. DRAM sparar sin information i celler, vilka är uppbyggda av en kondensator och en transistor. Den stora nackdelen med DRAM är att kondensatorn snabbt tappar sin laddning. Därför måste laddningen i kondensatorerna ständigt uppdateras. Fördelen med DRAM är att det är billigt att tillverka, men det är långsammare än SRAM (statiskt RAM) som används till cacheminne i processorer. SRAM behöver inte uppdateras mellan läsningarna och blir därmed mycket snabbt. Det har dock en mer komplicerad uppbyggnad och är därför dyrare att tillverka.
  • Ändelsen RAM indikerar att det är ett minne där datan inte behöver läsas in i en specifik ordning.

Hårddiskens egenskaper

Bild 15: Magnetiska skivor

Hårddisken är uppbyggd 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. 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.

Bild 16: Hårddiskens storlek

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.

Det är inte bara rotationshastigheten på skivorna som spelar roll för den totala prestandan.  Tekniken som används för att läsa och skriva påverkar också. Genom att använda smart läsning och intelligenta skrivhuvuden kan hårddiskens prestanda ökas ytterligare.

Lagringsenheternas kapacitet

Hur mycket som får plats på ett lagringsmedium anges i antal bytes (B). Eftersom det rör sig om stora mängder data används SI-prefix såsom kilo, mega, giga och tera för att beskriva tusental, miljontals eller miljardtals bytes. Kilobyte, megabyte, gigabyte och terabyte förkortas kB, MB, GB och TB.
SI-prefixen kilo, mega, giga, tera och peta motsvarar egentligen jämna tusen-multiplar.

1 kB (kilobyte) = 1000B
1 MB (megabyte) = 1000 kB
1 GB (gigabyte) = 1000 MB
1 TB (terabyte) = 1000 GB

Ett bättre räknesätt finns med bastalen två, vilken är den som datorn alltid använder.

1 ”kiB” (”kilobyte”) = 1024 B
1 ”MiB” (”megabyte”) = 1024 kB
1 ”GiB” (”gigabyte”) = 1024 MB
1 ”TiB” (”terabyte”) = 1024 GB

Skillnaden i räknesätt gör tyvärr att kapaciteten som anges för lagringsenheter kan bli mindre exempelvis hårddiskens lagringskapacitet är mindre än den som operativsystemet visar.

 EIDE-gränssnittet

Bild 17: SATA och EIDE anslutningskontakt

Det parallella EIDE-gränssnittet är en vidareutveckling av den äldre IDE-varianten.  De två begreppen används ofta för att beskriva samma sak. PATA (Parallell ATA) är ett annat vanligt namn som används synonymt med EIDE och IDE.

Det fanns länge minst en EIDE-port på moderkorten, men på nya moderkort har EIDE prioriterats bort. EIDE-gränssnittet använder en bred flatkabel för anslutning. Vanligtvis finns det tre anslutnings­kontakter på en sådan kabel: två för anslutning av enheter (t.ex. hårddisk, CD- eller DVD-brännare) och en för anslutning till moderkortet.
Normalt har EIDE-kontrollern två kanaler (benämns primary och secondary). Då varje kanal kan hantera två enheter går det att ansluta upp till fyra enheter (t.ex. tre hårddiskar och en optisk enhet).

Om fyra enheter används kommer de att kallas:

  • Primary Master
  • Primary Slave
  • Secondary Master
  • Secondary Slave

På baksidan av EIDE-enheterna sitter en eller flera stiftlister. Här görs den så kallade jumperkonfigurationen. Det innebär att man flyttar en bygel (eng. jumper) till rätt position. Det är bygelns position som bestämmer om enheten ska vara en master- eller en slave-enhet. För att förenkla det hela finns även en bygelposition som kallas cable select. Då behöver inte några andra inställningar göras. Om två enheter ska anslutas på samma kabel på detta vis, ska båda konfigureras som cable select. Deras inbördes position på kabeln kommer automatiskt bestämma om de ska vara master- eller slave-enheter.

 SATA-gränssnittet

SATA (Serial ATA) har nu ersatt EIDE helt och hållet. SATA finns i tre versioner.

Den första versionen klarar upp till 150 MB/s och den andra versionen (SATA 2) upp till 300 MB/s. Den senaste versionen (SATA 3) klarar upp till hela 600 MB/s. SATA 3 behövs numera eftersom dagens SSD-enheter är snabbare än vad SATA 2 klarar av. De olika SATA-versionerna är kompatibla med varandra, vilket gör att exempelvis en SATA 2-hårddisk kan kopplas till en SATA 3-port på moderkortet.

Alternativa SATA-kontakter

slim SATA och SAT med strömförsörjning
Bild 18: mikro SATA

Marknadens efterfrågan på fysiskt mindre hårdvara ökar ständigt. I och med bytet från parallell kommunikation till seriell sådan kunde kablarna göras betydligt mindre än tidigare. Det har också öppnat för vidareutveckling av SATA-kontakterna till ännu mindre varianter än ursprungskontakten. Här nämns några exemplen Slim-SATA, SATA med strömförsörjning, Mikro-SATA (µSATA).

SSD (Solid State Drive) hårddiskar

SSD (Solid State Drive) är en modern utmanare till den traditionella hårddisken. Den bygger på teknik som är lik den som används i USB-minnen och är därför helt fri från rörliga delar.
Den stora fördelen med SSD-enheter är hastigheten. Idag är SSD-enheterna helt överlägsna de mekaniska hårddiskarna när det gäller att starta program eller hela operativsystem på kort tid. Vid så kallad sekventiell läsning kan många SSD-enheter läsa in filer i över 500 MB/s, medan vanliga mekaniska hårddiskar brukar ligga runt 80 MB/s. Vanliga mekaniska hårddiskar har dessutom en accesstid på ungefär åtta millisekunder, medan motsvarande fördröjning är nästintill obefintlig på SSD-enheter.

Bygg din egen dator