Datorteknik

Normalt säger vi ”dator” men egentligen det riktiga namnet är 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

Datorns komponenter kan grupperas som hårdvara och mjukvara eller som in- och ut enheter samt en systemenhet som innehåller många komponenter.

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.

Processorarkitekturer

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

Bild 3: Processorarkitektur

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 primärminnet till Register och från Register till primärminnet kopieras, flyttas, ändras instruktioner och data som processorer i en dator behöver.

Bild 4: Chipset

Via indata kan instruktioner och information matas in i datorn. Chipset ser till att indata hamnar i första hand via processor till primärminnet. Då börjar indata att bearbetas av processorn. Resultatet av processors arbete skickas ut från en enhet till en annan exempelvis till en skärm.

Processors arbetssätt: RISC och CISC

Det finns två generella arbetssätt för processorer som oftast kallas 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.

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.

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.