9789140650962

JÖRGEN JOHNSSON

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK Dator- och kommunikationstekniken genomsyrar det mesta vi har omkring oss, från de allra enklaste leksaker med inbyggda mikroprocessorer till avancerade spelkonsoller, industrirobotar och superdatorer som kan beräkna hur vädret ska bli framöver.

Idag har dessutom de flesta datorsystem många olika möjligheter att kommunicera, och mängden av information mellan systemen ökar i allt snabbare takt.

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK

JÖRGEN JOHNSSON

META Dator- och kommunikationsteknik ingår i Gleerups nya läromedelsserie för El- och energiprogrammet.

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK

”meta-, förled som betecknar förändring ...” (ur NE)

Den här boken behandlar grunderna i all form av dator- och kommunikationsteknik, inte bara persondatorns uppbyggnad och hur datorer kommunicerar med varandra, i boken tas flera andra teknikområden upp, bland annat mobiltelefoni, industriell kommunikationsteknik och sociala nätverk. Allt är skrivet på ett lättillgängligt sätt och utan några krav på speciella förkunskaper.

Till faktaboken finns också ett övningshäfte.

FAKTABOK OmslagDator-ochkomFAKTA.indd 1

10-06-28 14.31.35

INNEHÅLL Förord ............................................................... 3

1. EN DATORISERAD VÄRLD ................ 6 Det datoriserade hemmet 8 Den datoriserade arbetsplatsen 10

Vad är datorteknik? .......................................... 12 Vad är kommunikationsteknik? ........................ 13 Maskinen som förändrade världen ................... 14 Datorns utveckling .......................................... 15

2. DATORNS PRINCIP ......................... 18 Datorer finns överallt 19 Datorernas språk 19 PROVA SJÄLV 21

Hur datorer fungerar ........................................ 22 Datorns grundkomponenter ............................ 23 Mikroprocessorns byggblock ............................ 24 Klockfrekvens 27 Minnen 28 In- och utgångskretsar 29 FAKTA: Moores lag och tillverkning av IC-kretsar 30

3. PERSONDATORN ........................... 32 Hårdvara .......................................................... 33 En persondator framifrån 34 En persondator bakifrån 35 Inuti en persondator 36

Bärbara persondatorer ...................................... 38 Persondatorns delar .......................................... 40 Datorlådor 40 Nätdelar och nätaggregat 41 Avbrottsfri kraft – UPS 43

Moderkort ....................................................... 43 Mikroprocessorn 47 Minneskretsar 49 FAKTA: Arbete i datorer 50

Datalagringsenheter ......................................... 51 Hårddisk 51 SSD-hårddiskar 54 CD- och DVD-enheter 55

Macintosh-datorer ........................................... 57

4. OPERATIVSYSTEM .......................... 58 Datorns informationshantering ........................ 59 Operativsystem ................................................ 61 Operativsystemets tre huvuddelar 63 Vad händer när du startar din dator? 64 PROVA SJÄLV 65 Programvaror och programmering 66

DatakKapitel.indb 4

Lågnivåspråk – maskinspråk 70 Högnivåspråk 71 PROVA SJÄLV 72 Objektorienterad programmering 73 Application Programming Interface – API 74 Oönskade programvaror – virus 75 Databaser 75 Några vanliga program för PC och Mac 76

5. PERIFERIENHETER ........................... 78 Datorns interna kommunikation ...................... 80 Bussar för montage av periferiutrustning .......... 81 Periferienheternas kommunikation med datorn 84 Minnesadresser 86 Plug and Play 86 USB 88 Firewire 90 Bildskärmar och grafikkort 91 Grafikkort 95 Tangentbord 97 Datormus 98 Ljudkort 98 Digitalkamera 100 FAKTA 100 Skrivare 102 Bildläsare – skanner 103

6. KOMMUNIKATIONSTEKNIK ........... 104 Kommunikation i samhället ........................... 105 Vad är kommunikation? ................................. 108 FAKTA: När tekniken räddar liv 110

7. DATAKOMMUNIKATION .............. 112 Kommunikationslänkar 113 Unicasting och multicasting 114 Simplex och duplex 115 Analog och digital kommunikation 116

Parallell och seriell kommunikation................ 117 Parallell kommunikation 117 Seriell kommunikation 118

Synkron och asynkron överföring .................. 119 Paritetskontroll 120 UART-kretsen 121 Äldre serieportar 122

Kommunikationsstandarder ............................ 123 Organisationer som arbetar med standardisering inom dator-, tele- och kommunikationsbranschen 125 Protokoll 126 OSI-modellen 126 FAKTA: Kodformatet DTMF 128

10-06-28 12.45.19

8. KOMMUNIKATIONSLÄNKAR ........ 129 Bunden och obunden kommunikation ........... 130 Bunden kommunikation 130 Enkel eller dubbel tvåledarkabel 132 Partvinnade kablar 133 Klassificering av partvinnade kablar 137 Koaxialkablar 138 Fiberoptiska kablar 139 Kabelförläggning 145

Obunden kommunikation ............................. 146 Kommunikation med infrarött ljus 146 Radiokommunikation 147 Några moderna radiobegrepp 149 Wireless LAN 150 Att sätta upp ett trådlöst nätverk 151 Säkerhet 152 Bluetooth 152 Satellitkommunikation 153 FAKTA: GPS-kommunikation 154

9. LOKALA & GLOBALA NÄTVERK .. 155 Olika nätverkstyper 156 FAKTA 158

Nätverkstopologier ........................................ 159 Bussnät 159 Ringnät 160 Stjärnnät 160

Nätverkets komponenter ................................ 161 Nätverkskort 161 Trådlösa nätverkskort 162 Server 162 Repeater 162 Hubb 163 Switch 163 Router 164 FAKTA: Nätverkssäkerhet 165 Modem 166 Standarder för lokala nätverk 167 Ethernet 167 CSMA/CD 169 TCP/IP 169 FAKTA: LAN-Party 171

10. INTERNET ..................................... 173 Internets språk – TCP/IP 174 Internetmodellens viktigaste protokoll 176

IP-adresser ..................................................... 178 Subnät och subnätmask 179

Internetanvändning ........................................ 182 World Wide Web 182 DNS-server 183 WWW-adressens uppbyggnad. 184 Vad händer när du surfar på nätet? 185 Sökmotorer 186 E-post 188 Chatt 189 Fildelning 189 FAKTA: Internets historia 190

11. INDUSTRIELL KOMMUNIKATION..192 Industrins produktionsnivåer .......................... 196 Industrins signaler 198 Industriell datakommunikation 198 Industrins gränssnitt RS422 och RS485 199 Fältbussar 203

Trådlös kommunikation i industrin ............... 209 FAKTA: Datorer i industrin 211

12. MOBILTELEFONI .......................... 212 Mobiltelefonen – din personliga kommunikationscentral 215 Det mobila radionätet 216 SMS 221 FAKTA: Mobiltelefonins utveckling 222 Mobiltelefoni idag och i framtiden 225 FAKTA: Är strålningen från en mobiltelefon farlig? 228

13. NYA MÖJLIGHETER..................... 229 Trend 1 – Allt fler kopplar upp sig i nätverk 230 Trend 2 – Datamoln 232 FAKTA: Internetåret 2009 235 Trend 3 – Sociala medier 235 Trend 4 – Maskiner som pratar med varandra 237 Förstärkt verklighet 237 FAKTA: Framtidens elnät – ”smart grids” 240

Register......................................................... 242

DatakKapitel.indb 5

10-06-28 12.45.20

Persondatorns delar Tidigare i det här kapitlet har du studerat de flesta av datorns delar översiktligt och sett var de sitter placerade. På följande sidor ska jag gå igenom vissa delar lite mer noggrant, bland annat datorlådor, nätdelar, moderkort, mikroprocessorer, datalagringsenheter och olika typer av minneskretsar. Övriga viktiga delar tar jag upp lite längre fram i den här boken under respektive avsnitt.

Datorlådor För att en persondator ska fungera krävs många olika delar. Alla dessa delar sitter fast monterade i en datorlåda, ett chassi. Konstruktionen är oftast enligt amerikansk standard med måttangivelser i tum både vad gäller själva datorlådan och för olika fack för montage av bland annat DVD- och hårddiskenheter. Den amerikanska standarden gäller även skruvar och plastdistanser för montage.

Med en dator kan man lösa problem man inte hade tidigare!

Okänd betraktare

Datorlådor finns i många olika utföranden där mini- och miditower är de allra vanligaste typerna. Dessa lådor placeras ofta på golvet under t ex en arbetsbänk.

Mini- och Miditower: Miditower är lite större än minitower och är den vanligaste typen av låda. I både mini- och miditower står moderkortet på högkant inuti datorlådan. Ofta benämns lådorna med t ex Miditower ATX vilket innebär att lådan passar för ett ATX-moderkort. Ett standard ATX-moderkort är 305 x 244 mm stort och är utvecklat av företaget Intel. Det blir allt vanligare med minitower. Dessa datorlådor stöter man oftast på i mediecentraler och liknande, där datorn mest används för lagring och uppspelning av musik och film, placerade på en undanskymd plats, i t ex ett vardagsrum.

Mini- och Micro ATX-chassi: Ett mindre chassi för mindre moderkort. Ett Mini ATX-moderkort är 284 x 208 mm och ett Micro ATX-moderkort är 244 mm x 244 mm.

Bigtower: En större datorlåda för serverapplikationer och liknande. Denna datorlåda har gott om utrymme för flera hårddiskar, CD- och DVD-enheter, nätverkskort och mycket annat.

40

DatakKapitel.indb 40

10-06-28 12.47.03

Desktop: Placeras oftast uppe på t ex en arbetsbänk där skärmen kan ställas ovanpå själva datorlådan. Moderkortet placeras liggande.

Laptop: Bärbara datorer kallas för Laptop eller Notebook. Laptop kommer från engelskans lap (knä) eftersom de kan få plats i knäet när man arbetar med datorn.

I bilden ovan ser du några olika storlekar på datorlådor. Vissa av dessa kan användas både liggande och stående.

Bärbara datorer har blivit allt populärare.

I dag säljs det fler bärbara än stationära datorer i världen.

Nätdelar och nätaggregat Datorns nätdel sitter inuti datorns chassi på stationära datorer och har till uppgift att omvandla nätets 230 V växelspänning till likspänning. Nätdelen, eller nätaggregatet som det också kallas, innehåller bland annat en transformator och en likriktare som har till uppgift att förse datorns inre delar med rätt spänningsnivåer.

En nätdel alstrar en hel del värme och brukar därför ha en inbyggd fläkt för att undvika överhettning inuti datorlådan. När man väljer nätdel är det därför mycket viktigt att undersöka hur stor effekt man tror sig behöva. Det finns olika kraftiga nätdelar med olika uteffekt på marknaden. Har man en dator med flera expansionskort, ett avancerat grafikkort, extra CD- och DVD-enheter, dubbla hårddiskar etc behöver man hög effekt. Nätdelen i en vanlig stationär dator behöver vanligtvis kunna ge mellan ca 400–500 watt och en avancerad speldator över ca 700 watt.

En nätdel kallas på engelska för power supply.

Bärbara datorer drar lite mindre ström och har oftast sina nätdelar placerade utanför själva datorlådan. Dessa nätdelar har ingen fläkt utan är tillverkade med en annan teknik.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 41

41

10-06-28 12.47.03

De olika utspänningsnivåer som en modern nätdel kan ge är vanligtvis 3,3 V, 5 V, 12 V, –12 V och 5 V SB (StandBy) och i vissa fall även –5 V. Dessa olika spänningsnivåer anges i en standard, den så kallade Intel ATX-specifikationen. Den senaste versionen heter ATX12V 2.2 som anger vilka spänningar som krävs och vilka strömmar nätdelen ska klara av att leverera. Dessutom anger denna senaste standard att utgångsspänningarna i nätaggregatet måste hålla sig inom ±5 % för att inte orsaka fel på datorn.

SATA drive connector Används för att ge spänning till seriella ATA hårddiskar och till vissa CD- och DVD-enheter. Kontakten har 15 kontakter.

Molex Drive connector Denna typ av kontakt används för att ge spänning till hårddiskar och CD- och DVD-enheter. Kontakten kallas ibland 5,25 tumskontakt och har 4 stift.

Berg drive connector Denna äldre kontakt används numera sällan. Den användes förr till diskettenheten.

ATX Auxiliary och ATX 12V

ATX power

Detta är en reservkontakt som behövs för vissa typer av moderkort och mikroprocessorer.

Detta är den s k huvudkontakten för att leverera ström till moderkortet. Kontakten har 20–24 kontakter.

42

DatakKapitel.indb 42

10-06-28 12.47.12

De flesta nätdelar i persondatorer klarar vanligtvis av de mycket korta strömavbrott eller spänningsfall som då och då kan inträffa på elnätet. Är strömavbrottet kortare än en sekund kompenserar nätdelen för avbrottet, och den vanlige användaren märker oftast ingenting. Om det är risk att driftstörningen varar längre än så, måste man till vissa viktiga datorer och servrar ansluta ett elaggregat, en UPS-enhet. UPS står för Uninterruptible Power Supply och är en apparat som innehåller uppladdningsbara batterier. UPS-enheten känner kontinuerligt av nätspänningsnivån och kopplar automatiskt om till den inbyggda batteribackupen vid strömavbrott.

UPS-enheter är mycket vanliga i datorsystem ute i industrin, på sjukhus och i kärnkraftverk. Här är driftsavbrott både kostsamma och i en del fall mycket farliga.

Foto: ELFA AB

Avbrottsfri kraft – UPS

Moderkort Som jag tidigare nämnt brukar man säga att mikroprocessorn är hjärnan i datorn. Med kroppslig liknelse kan man säga att moderkortet är datorns centrala nervsystem. Precis som i din kropp där alla kroppsdelar är anslutna till det centrala nervsystemet, är varje del inuti datorn ansluten till moderkortet.

I de flesta stationära datorer placeras moderkortet stående. Moderkortet kan då enkelt kommas åt genom att öppna ena sidan på chassit.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 43

43

10-06-28 12.47.14

Moderkortet är det största kretskortet i datorn och på detta kort finns många kontakter för att ansluta olika datordelar med varandra. Det kan t ex vara kontakter för grafikkort, hårddisk, DVD-enheter, RAM-minnen, portar för tangentbord och mus.

Moderkort heter på engelska motherboard.

På moderkortet finns massvis av ledningsbanor som förbinder de olika delarna med varandra. Många ledningsbanor syns inte, utan finns inuti kretskortet i flera olika skikt, isolerade från varandra.

Ledningsbanorna kallas för bussar och kan liknas vid en ”datamotorväg” där enorma mängder av digitala signaler (ettor och nollor) susar fram och tillbaka i ljusets hastighet mellan datorns olika delar.

På moderkortet finns inte bara en buss, utan flera. Några bussar är snabba, t ex bussen mellan mikroprocessorn och RAM-minnet, medan andra är relativt långsamma, t ex bussen mellan tangentbordet och moderkortet.

En buss, eller databuss som man ibland också säger, är en samling elektriska ledare som överför data mellan olika delar i ett datorsystem.

Databussar är olika snabba beroende på vad de ska användas till.

Exempelvis är bussen mellan CPU:n och grafikkortet flera tusen gånger snabbare än bussen till en USB-utgång.

Det viktigaste att komma ihåg är dock att alla bussar på moderkortet är sammankopplade med varandra så att data kan transporteras från den ena bussen till den andra, fram och tillbaka mellan datorns olika delar. För att inte datatrafik med olika hastighet ska kollidera och orsaka problem, är bussarna sammankopplade med olika styrkretsar, så kallade bryggor.

Enhet (CPU)

Buss

Brygga

Buss

Brygga

Buss

Buss

Enhet (RAM)

Enhet (USB-portar)

Buss

Enhet (Ljudkort)

För att bussar med olika hastighet ska kunna kopplas samman måste varje enhet (CPU, RAM-minne, USB-portar etc.) anslutas till olika bryggor. En brygga kan liknas vid en bro mellan olika breda och smala vägar.

44

DatakKapitel.indb 44

10-06-28 12.47.26

På ett modernt moderkort är bryggorna ofta samlade i två olika ICkretsar, så kallade chipset. Dessa kretsar brukar benämnas northbridge (nordbryggan) och southbridge (sydbryggan). Man kan säga att de två kretsarna delar på ansvaret med att hantera datatrafiken på moderkortet. Northbridge hanterar enheter med högre hastigheter, bland annat RAM-minne och grafikkort, och southbridge de enheter som har lägre hastigheter, bland annat ljudkort, tangentbord, mus och USB-enheter.

Buss Buss Buss

Nor Bridgth e

Buss

Buss

Sout Bridg h e

Buss

Buss Buss

Moderkortets chipset består i princip av två IC-kretsar (northbridge och southbridge) vilka tillsammans ansvarar för hanteringen av datatrafiken på moderkortet.

Allra närmast mikroprocessorn (”norrut”) är datatrafiken som mest intensiv. Här går kommunikationen med ca 10 Gbps (gigabyte per sekund) mellan processorn, RAM-minnet och grafikkortet. Med denna hastighet skulle det ta ca en halv sekund att fylla en hel DVD-skiva med information. Längre från mikroprocessorn (”söderut”) blir datatrafiken allt långsammare.

På moderkortet finns även en annan viktig IC-krets, BIOS. BIOS är ett flashminne som är förprogrammerat när man köper sitt moderkort eller sin dator. Inuti denna krets finns de instruktioner som datorn behöver när den ska starta upp. Man talar om det så kallade POST-programmet (Power On Self-Test) där datorn vid start går igenom vilka olika enheter som är anslutna till moderkortet.

Ibland är denna krets inte en enskild komponent utan finns integrerad i någon annan IC-krets på moderkortet. Eftersom BIOS är ett flashminne kan innehållet ändras av en van datoranvändare.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 45

45

10-06-28 12.47.26

Förutom chipset och BIOS består ett modernt moderkort av en mängd andra kontakter och kretsar. I bilden nedan har jag kort förklarat vad de olika kretsarna och kontakterna används till. Sök gärna vidare i litteraturen och på Internet om du behöver mer information gällande något speciellt moderkort.

Chipset (Southbridge) med tillhörande kylplåt.

RAM-minnen.

Chipset (Northbridge) med tillhörande kylplåt.

Anslutningar för hårddisk, CD- och DVD-spelare etc.

I/O-socklar för att montera olika typer av periferiutrustning.

Mikroprocessor och kylfläkt.

BIOS som innehåller POST-programmet med startrutiner.

In- och utgångar för ljud.

Huvudkontakt för spänningsmatning från nätdelen (ATX-power).

USB-anslutningar.

Anslutningar för tangentbord och mus.

Nätverkskommunikation: RJ45.

46

DatakKapitel.indb 46

10-06-28 12.47.27

Mikroprocessorn Mikroprocessorn är en av datorns absolut viktigaste komponenter.

Den styr över nästan allt som händer i datorn. När mikroprocessorn får in data bearbetar den informationen, lagrar den i olika mellanlagringsminnen (cacheminnen) och skickar den sedan vidare för eventuell korttids- eller långtidslagring i datorsystemet.

Världens två största företag som tillverkar mikroprocessorer till persondatorer är Intel och AMD. Bilden visar en 64-bitars-processor från AMD med över 1000 st anslutningspunkter till moderkortet.

En modern mikroprocessor arbetar med en hastighet på ca 3 GHz vilket innebär att processorn kan utföra ca 3 miljarder instruktioner varje sekund.

De två mått som man anger en mikroprocessors prestanda med, är bandbredd och klockfrekvens, vilket kan jämföras med en motorväg. Bandbredden är antalet filer på motorvägen och ju fler filer desto fler bilar (digitala bitar) kommer fram samtidigt på vägen.

Om även hastigheten (dvs klockfrekvensen) ökas kommer fler och fler bilar fram per tidsenhet.

Idag sitter det inte mikroprocessorer enbart på datorns moderkort.

Mikroprocessorer sitter t ex även placerade på grafikkortet för att avlasta processorn med grafikhanteringen eller på ett ljudkort för att bearbeta ljudsignaler. På så vis hjälps flera processorer åt för att tillsammans skapa ett snabbare datorsystem.

Hur många bilar som kan passera på en motorväg beror både på det antalet filer vägen har samt den tillåtna hastigheten.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 47

47

10-06-28 12.47.30

Under årens lopp har mikroprocessorernas hastighet i stort sett ökat för varje år. I nedanstående tabell kan du se utvecklingen. Årtal

Processortyp

Hastighet

1971

Intel 4004

100 kHz

1985

Intel 80386

12 – 30 MHz

1992

Intel 486

16–100 MHz

1999

AMD K7 Athlon

500 MHz – 1,2 GHz

2007

Intel Pentium 4

3,8 GHz

2009

Intel Core i7 – Extreme

3,33 GHz

Som du kan se i raden längst ned i tabellen har processorns hastighet sjunkit en aning mellan åren 2007 och 2009! Sanningen är den att det inte enbart är den hastighet som en mikroprocessor hanterar instruktionerna på som avgör hur snabb processorn är, utan även hur smart den hanterar instruktionerna och hur många olika instruktioner den kan hantera under varje klockcykel.

Intels mikroprocessor Core i7 som lanserades under 2009 har en helt ny och snabbare minnesteknik inuti processorn. Den nya tekniken innebär att den kan transportera information på ett smartare sätt samtidigt som den kan hantera flera uppgifter samtidigt under varje klockcykel. Dessutom är den rent fysiskt lite större, vilket innebär att det är lättare att kyla bort överskottsvärme när den arbetar.

Mikroprocessorer har idag flera kärnor i varje integrerad krets, dvs det finns flera styrenheter (”processorer”) som samverkar. I dagsläget (2010) är 4 kärnor det vanligaste. De största tillverkarna AMD och Intel har 4 kärnor i sina senaste processorer.

En modern mikroprocessor med fyra kärnor från det idag dominerande mikroprocessorföretaget Intel.

Det är inte enbart snabbhet som är viktigt för en mikroprocessor. Även strömförbrukningen har blivit allt intressantare. Fler och fler bärbara datorer, mobiltelefoner, MP3-spelare etc, gör att vi som konsumenter önskar produkter som både är snabba och som kan användas mobila under lång tid. Dessutom är strömsnåla produkter bäst ur miljösynpunkt. Den renaste kilowattimmen är den som inte behöver produceras!

Man kan arbeta som mikroprocessorarkitekt. Precis som en stadsarkitekt som ritar städer, arbetar en mikroprocessorarkitekt med att rita och konstruera allt smartare mikroprocessorer.

48

DatakKapitel.indb 48

10-06-28 12.47.34

Minneskretsar I en persondator finns i stort sett två olika typer av minnen: Minnen för långtidslagring (t ex hårddiskar och flashminnen) och minnen för korttidslagring (t ex cacheminnen och RAM-minnen). I det här avsnittet ska vi gå igenom RAM-minnet lite mer på djupet.

Ett RAM-minne i en persondator sitter placerat på moderkortet i nära anslutning till datorns northbridgekrets och mikroprocessor och arbetar i stort sett med samma hastighet som dessa enheter.

Minneskapslarna sitter placerade på moderkortet i minnesmoduler (sk slots).

Akronymen RAM står för Random Access Memory och innebär att åtkomsttiden (access) i minnet är lika stor oberoende och slumpvis (random) var i minnet data placeras. RAM-minnet är datorns arbetsminne och när spänningen till RAM-minnet bryts försvinner all data.

På ett moderkort finns speciella kortplatser (sk slots) där minnesmodulerna sitter placerade.

Idag är DDR3 – SDRAM-moduler vanligast. Dessa moduler är utvecklade för höghastighetslagring av data och finns i modulstorlekar upptill ca 16 GB. Beteckningarna DDR3 – SDRAM står för Double Data Rate (3) – Synchronous Dynamic Random Access Memory. DDR innebär att minnet kan läsas både på uppåtgående och nedåtgående klockcykel, vilket spar tid och snabbar upp accesstiden. Siffran 3 innebär att minnet är 3:e generationens DDR-minne med bl a lägre strömförbrukning, lägre spänningsnivåer (1,5 V) och ett inbyggt 8 bitars cache-minne på modulen, för mellanlagring, och på så vis extra snabb access av data. Föregångarna till DDR3-minnen var DDR- och DDR2-minnen. Om du vill kan läsa mer om dessa typer på t ex Internet.

Att ett RAM-minne är tillverkat med tekniken Synchronous Dynamic innebär att klockan på minnesmodulen och klockan på processorn är synkroniserade.

Detta sparar tid vid dataöverföringen, varför datorns prestanda ökar.

Bilden visar tre stycken DDR3-minnesmoduler med 240 pinnars benkonfiguration vardera. Kontakterna är guldpläterade för bästa kontaktförmåga och sitter enligt sk DIMM-standard. DIMM står för Dual Inline Memory Module, vilket innebär dubbla rader kontakter på både fram och baksidan av modulen.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 49

49

10-06-28 12.47.36

I nedanstående tabell kan du se några olika DDR3-minnen och vilka hastigheter etc de arbetar med.

Namn

Minnesklocka

Tidscykel

I/O Bus-klocka

Dataöverföringar per sekund

Max överföringshastighet

DDR3-800

100 MHz

10 ns

400 MHz

800 miljoner

6400 Mbps

DDR3-1066

133 MHz

7,5 ns

533 MHz

1066 miljoner

8533 Mbps

DDR3-1333

166 MHz

6 ns

667 MHz

1333 miljoner

10667 Mbps

DDR3-1600

200 MHz

5 ns

800 MHz

1600 miljoner

12800 Mbps

Det är relativt vanligt att minnen orsakar problem i en dator. Det kan visa sig som stabilitetsproblem eller att datorn helt enkelt inte startar upp. Börja därför allra först att undersöka minnet om du misstänker något hårdvarufel. En bra början är att ta ut RAMminnet och sätta tillbaka det i sin sockel.

FAKTA Arbete i datorer Det är mycket viktigt att du är kontinuerligt jordad och aldrig arbetar med spänningen påslagen när du arbetar inuti en dator. När du till exempel ska utöka en dators RAM-minne bör minnesmodulen som man köper i datorbutiken ligga i en ledande påse eller i en kartong av ett ledande material för att inte förstöras. De känsliga kretsarna kan relativt lätt förstöras av ESD-urladdningar på flera tusen volt. ESD står för Electro Static Discharge, dvs elektrostatisk urladdning.

Vid själva arbetet i datorn är det viktigt att hela tiden vara elektriskt jordad med t ex ett handledsband anslutet till jordpotential. På detta sätt skyddar man komponenterna på bästa sätt. Om en känslig krets skulle utsättas för en elektrostatisk urladdning kan de tunna ledningsbanorna inuti tunnas ut eller gå sönder. Detta kan förstöra kretsen omedelbart eller efter en tids användande.

Symbolen för ESD-känsliga komponenter.

50

DatakKapitel.indb 50

10-06-28 12.47.37

Datalagringsenheter Till skillnad från RAM-kretsarna som används för korttidslagring av data, finns det naturligtvis även enheter för långtidslagring i en dator. Långtidslagring av data kan bl a göras på hårddiskar, CDoch DVD-enheter. Förr gjordes även långtidslagring av data på bandstationer och de används fortfarande i stora datorsystem ute i industrin.

Hårddisk En hårddisk används bland annat för att lagra dokument, bilder, musik och för att lagra datorns operativsystem. En hårddisk som kraschar brukar innebära en smärre katastrof för användaren, så trots att du har hört det många gånger: Ta alltid en backup på dina viktigaste filer med jämna mellanrum, så att du kan återskapa filerna vid ett eventuellt haveri.

Ordet hårddisk kommer av att man vill kunna skilja dem från äldre tiders disketter och flexskivor, som var mjuka och flexibla. Skivorna inuti en hårddisk är ofta gjorda av aluminium, glas eller kompositmaterial och är därför hårda.

En hårddisk placeras inuti datorns chassi eller ansluts som en extern enhet med hjälp av en USB-kabel. Datalagringskapaciteten kan idag uppgå till några terabyte – TB (1 TB = 1 · 1012 ≈ 1 000 000 000 000 byte) En hårddisk lagrar data magnetiskt på ett antal skivor inuti enheten. Man kan säga att styrprogrammet inuti hårddisken lagrar data som små magnetiska prickar på de olika skivorna. Prickarna kan ses som små stavmagneter som kan peka på olika håll. Antingen pekar de magnetiska prickarna med skivans rotationsriktning eller mot den (en etta eller nolla). Ett läs- och skrivhuvud inuti hårddisken läser av eller påverkar de magnetiska prickarna.

1 byte = 8 bitar t ex 11010011 = ett tecken 1 kilobyte (KB) = 1024 byte = 1 sida 1 megabyte (MB) = 1024 KB = 1000 sidor 1 gigabyte (GB) = 1024 MB = 1000 böcker 1 terabyte (TB) = 1024 GB = 1 miljon böcker

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 51

51

10-06-28 12.47.40

Inuti i en hårddisk Förutom de hårda skivorna består en hårddisk av ett antal andra delar. I bilden nedan har jag kort förklarat vilka de är och vad de används till.

Läs- och skrivhuvud

Skivor

Spindel och spindelmotor

I en hårddiskenhet finns två läs- och skrivhuvud för varje skiva. Ett på ovansidan och ett på undersidan. Avståndet mellan läs och skrivhuvudet och skivytan är ca 0,0003 millimeter och hålls uppe av en luftkudde som bildas när skivan roterar. När skivan inte används ”parkerar” skriv- och läshuvudet i den s k landningszonen som är ett område där huvudet nuddar ytan. Detta område är mindre känsligt om du skulle tappa hårddisken.

I en hårddisk finns ett antal skivor ovanpå varandra.

Skivorna är gjorda av aluminium, glas eller kompositmaterial. Data kan lagras på skivornas båda sidor.

Skivorna sitter på en s k spindel där varje skiva är separerad från den andra. Motorn sitter oftast monterad direkt under spindeln. Skivorna roterar med ca 7000–8000 varv per minut.

VCM-enhet En VCM-enhet (Voice Coil Motor) styr läsarmens position över skivorna. Styrningen sker med hjälp av en kraftig magnet och en spole.

Läsarm Läsarmen för skrivhuvudet fram och tillbaka över skivorna. Läsarmen positioneras exakt och rör sig snabbt över skivornas ytor.

Styrelektronik Kontakter Gränssnitt För att kunna ta emot och leverera data till moderkortet har hårddiskenheten ett gränssnitt för kommunikation med omvärlden. Den vanligaste standarden idag är SATA.

Dessa används för att ställa in om hårddisken ska agera master eller slav. Dessa begrepp innebär att om man har fler hårddiskar i en dator måste en disk vara överordnad (Master). På denna hårddisk ligger bl.a. operativsystemet.

Spänningsanslutning I bilden visas en äldre 4-polig Molex Drive connector. Idag finns det modernare typer, där SATA drive connector, blir allt vanligare.

För att enheten ska veta vad den ska göra finns det naturligtvis en intelligent styrelektronik inuti hårddisken som talar om för motor, VCM-enhet och läsoch skrivhuvudet hur de ska arbeta. Dessutom finns minnesbuffertkretsar som mellanlagrar data när man skriver till och läser från hårddisken.

52

DatakKapitel.indb 52

10-06-28 12.47.40

För att kunna skicka information mellan moderkortet och hårddiskenheten finns ett antal standarder för överföringen. De två dominerande gränssnitten mellan ett moderkort och en hårddisk är PATA (Parallell – Advanced Technology Attachment) eller egentligen IDE (Integrated Drive Electronics), som den ofta kallas, samt SATA (Seriell – Advanced Technology Attachment). Det parallella IDE-gränssnittet ansluts med en 40 pinnars kontakt och den senaste generationens IDE hanterar hastigheter på ca 133 Mbps.

Ett vanligt gränssnitt hos lite äldre hårddiskar är PATA (parallell ATA) eller IDE som den också kallas.

Idag tar det seriella SATA-gränssnittet över allt mer. Den vanligaste versionen är idag SATA 2 och kan hantera hastigheter på upp till 300 Mbps. Nästa generation SATA 3 är på väg med kommunikationshastigheter upp till ca 600 Mbps men då har gränsen nåtts vad gäller den magnetiska skrivningen och läsningen till själva hårddisken som maximalt kan uppgå till ca 500 Mbps.

Idag är SATA-gränssnittet på väg att ta över allt mer. Med ett seriellt gränssnitt minskas antalet ledare radikalt.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 53

53

10-06-28 12.47.43

Om flera enheter kopplas in är det viktigt att enheten vet om den är master eller slav så att det inte uppstår en konflikt i systemet. Om enheten ska vara master eller slav ställs in med en liten kontakt som sitter monterad baktill på enheten.

Ytan på en hårddiskskiva delas in i sektorer och spår. Dessa skapas genom att hårddisken lågnivåformateras. Vid lågnivåformatering delas skivan in i olika sektorer som får en specifik start- och stoppadress. En sektor innehåller vanligtvis 256 eller 512 byte och grupperas i olika kluster. När datorn har använts en tid kan olika data vara utspridda på skivornas ytor, vilket gör hårddisken långsam. I operativsystemet finns en programvara som defragmenterar hårddisken.Vid defragmenteringen sätter man samman data så att den inte längre är utspridd över diskarna. Detta minskar accesstiden och gör att data kan läsas från hårddisken betydligt snabbare än förut.

I många viktiga system i t ex industrin, i flygplan eller i kärnkraftverk får ett system inte stå still eller haverera p g a datorfel. För att minimera risken används en teknik som går under benämningen RAID som kom 1988. Akronymen står för Redundant Arrays of Independent Disks, vilket rakt översatt betyder ”extrauppställning med oberoende diskar”.

Det finns flera olika RAID-nivåer där varje nivå uppåt innebär en allt högre säkerhet. RAID 1 innebär t ex att två hårddiskar installeras i datorn, där den ena är en spegling av den andra. Går en disk sönder, tar den andra över. Sök gärna vidare på Internet hur övriga RAID-nivåer är uppbyggda.

SSD-hårddiskar Sakta men säkert kommer de så kallade SSD-hårddiskarna ut på marknaden. SSD står för Solid State Drive och är enkelt förklarat ett antal flashminneskretsar instoppade i en hårddiskliknande låda. Fördelarna jämfört med en vanlig hårddisk är många. De drar mycket mindre ström, väsnas inte, är mindre känsliga för stötar och slag och har en kortare accesstid jämfört med en vanlig hårddisk.

Tyvärr är SSD-hårddiskarna fortfarande relativt dyra jämfört med de vanliga hårddiskarna.

En SSD-hårddisk är en hårddisk uppbyggd av flashminnen. Denna teknik har många fördelar jämfört med mekaniska diskar och är troligtvis en teknik vi kommer att se mycket av i framtiden, främst i mobil utrustning.

54

DatakKapitel.indb 54

10-06-28 12.47.45

CD- och DVD-enheter Ett annat vanligt sätt att lagra data är på CD- och DVD-skivor.

Idag är det mest musik- och filmindustrin som distribuerar material på dessa skivor, men även en vanlig användare bränner ibland en CD- eller DVD-skiva för backuptagning, film och musik.

I alla optiska lagringsmedia lagras informationen på olika plastskivor som kan läsas av med en laserstråle. Laserljuset träffar skivan och reflexer i upphöjningarna och i groparna på ytan ger digitala signaler i en detektor, som kan tolkas av en dator.

Förkortningarna CD står för Compact Disk och DVD betyder Digital Versatile Disk som översatt betyder; digital mångsidig disk. En CD-skiva kan lagra ca 700 MB data medan en DVD kan lagra ca 5 GB data. I dag finns även formatet Blu-ray som kan lagra ca 400 GB data på en enda skiva.

När CD- och DVD-enheter ska anslutas till datorns moderkort används precis som för hårddiskar gränssnitten IDE och SATA. På marknaden finns även enheter med USB-anslutning.

CD/DVD-skiva

Laser

Detektor Digital signal

I en CD- och DVD-enhet lyser en laserstråle på den optiska skivan och reflekteras i upphöjningar och gropar tillbaka till en detektor.

Ljussignalerna omvandlas till elektriska impulser som därefter kan tolkas av en dator. Upphöjningarna (dvs den plana ytan) returnerar en etta och en grop en nolla.

PERSONDATORN

DatakKapitel.indb 55

55

10-06-28 12.47.48

Det finns en mängd olika format då det gäller CD- och DVD-skivor.

I nedanstående lista kan du se några av de format som finns idag.

CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) kallas skivor som levereras tryckta med data, denna benämning syftar oftast på CD med program till datorer.

CD-R (Compact Disc-Recordable) kallas skrivbara skivor som man kan lagra information med en så kallad ”brännare” eller CDskrivare. Data lagras på skivan med en kraftigare laser som bränner informationen i skivan genom att ett bläcklager påverkas av laserstrålen.

CD-RW (Compact Disc-ReWriteable) är en benämning på skivor vars innehåll kan raderas varefter ny data kan skrivas. På en CD-RW lagras och raderas information genom att lasern påverkar tillståndet för ett lager på skivan.

DVD–R (DVD Recordable) är en skiva som tillåter inspelning en gång (det som spelats in kan ej raderas).

DVD–RW (DVD ReWritable) är som DVD-R, men kan även raderas och användas för inspelning flera gånger.

DVD+RW (DVD ReWritable) fungerar på samma sätt som DVD-RW. DVD-DL (DVD Dual Layer) är en skiva med ”dubbla lager”. Köp- och hyrfilmer på DVD är oftast Dual Layer-skivor.

DVD+DL (DVD Dual Layer) är samma som DVD-DL men som endast går att bränna/spela in i apparater som hanterar DVD+DL. Blu-ray disk är det senaste formatet. Tekniken kallas Bluray eftersom lasern som läser av skivorna har en blå laser. En blå laserstråle är tunnare än den röda som används i CD- och DVD-spelare.

DVD+R (DVD Recordable) är ett nyare format men fungerar på samma sätt som DVD-R.

56

DatakKapitel.indb 56

10-06-28 12.47.50

Apples produkter

Macintosh-datorer Macintosh-datorer tillverkas av företaget Apple som grundades 1976 av Steve Jobs och Steve Wozniak, samma år lanserades Apple I. Ett år senare lanserades Apple II som blev en populär dator för hemanvändare och skolor.

1984 lanserades Macintosh-datorn som var den första persondatorn med ett grafiskt gränssnitt.

Man använde sig precis som i dag av ett skrivbord, papperskorg, drag och släpp och mycket annat. Efter flera år av dålig lönsamhet och minskad marknadsandel lanserades 1998 iMac. Den fick stor uppmärksamhet på grund av sin speciella formgivning, samt att den saknade diskettläsare och enbart använde USB för anslutning av periferienheter.

Maskintypen vände utvecklingen för Apple som numera är ett av världens största datorföretag.

Apple har alltid marknadsfört sina datorer till personer i kreativa yrken, till exempel i reklambranschen, för designers, webbutvecklare och musiker.

De skillnader som tidigare fanns när Mac-datorer använde ADB (Apple Desktop Bus) för inkoppling av möss, tangentbord samt SCSI för inkoppling av externa hårddiskar, DVD-spelare, med mera har försvunnit med tiden. Eftersom Apple 2006 började använda Intels processorer ser hårdvaran idag exakt likadan ut i en Mac och PC. Nuförtiden är det bara mjukvaran som skiljer en PC från en Mac, och idag kan man till och med installera och köra Microsoft Windows på en Mac.

1976 Apple 1

1984 Macintosh

1993 Newton, första handdatorn

1998 iMac

2001 iPod

2006 MacPro med Intel

2007 iPhone

2010 iPad

DatakKapitel.indb 57

PERSONDATORN

57

10-06-28 12.47.52

JÖRGEN JOHNSSON

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK Dator- och kommunikationstekniken genomsyrar det mesta vi har omkring oss, från de allra enklaste leksaker med inbyggda mikroprocessorer till avancerade spelkonsoller, industrirobotar och superdatorer som kan beräkna hur vädret ska bli framöver.

Idag har dessutom de flesta datorsystem många olika möjligheter att kommunicera, och mängden av information mellan systemen ökar i allt snabbare takt.

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK

JÖRGEN JOHNSSON

META Dator- och kommunikationsteknik ingår i Gleerups nya läromedelsserie för El- och energiprogrammet.

DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK

”meta-, förled som betecknar förändring ...” (ur NE)

Den här boken behandlar grunderna i all form av dator- och kommunikationsteknik, inte bara persondatorns uppbyggnad och hur datorer kommunicerar med varandra, i boken tas flera andra teknikområden upp, bland annat mobiltelefoni, industriell kommunikationsteknik och sociala nätverk. Allt är skrivet på ett lättillgängligt sätt och utan några krav på speciella förkunskaper.

Till faktaboken finns också ett övningshäfte.

FAKTABOK OmslagDator-ochkomFAKTA.indd 1

10-06-28 14.31.35