Так как компьютер моделирует все информационные функции человека, то он должен иметь память для хранения информации. Память в компьютере используется нескольких типов, отличающихся по своему функциональному назначению, а также конструктивно. Рассмотрим память компьютера, которая по отношению к процессору является внутренней.
Внутренняя память компьютера предназначена для хранения программ и данных, с которыми процессор непосредственно работает, пока включен компьютер. В современных компьютерах элементы внутренней памяти изготавливаются на микросхемах.
Различают оперативную и постоянную внутреннюю память.
В оперативной памяти хранятся те программы и данные, с которыми вы работаете в данный момент. При выключении компьютера информация в оперативной памяти не сохраняется. Например, вы работаете с учебной программой по русскому языку, записанной на лазерном диске. Процессор загружает программу и все необходимые данные с этого диска в оперативную память и только после этого может их обработать.Процессор считывает команды и данные из оперативной памяти и записывает в нее результаты. После окончания работы с программой и выключения компьютера все данные из оперативной памяти исчезнут.
Таким образом, основное свойство оперативной памяти — то, что она является энергозависимой, т. к. при отключении энергии данные в ней не сохраняются.
Существуют программы для управления основными устройствами компьютера, которые не должны теряться при отключении энергии. Они хранятся в постоянной внутренней памяти компьютера. Эту информацию процессор может считывать, а изменять не может.
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
В ячейку можно записать только 0 или 1, т. е. 1 бит информации. Такая ячейка так и называется – “бит”.
Это наименьшая частица памяти компьютера и в связи с этим память имеет битовую структуру, которая определяет первое свойство оперативной памяти – дискретность.Бит является слишком маленькой единицей информации, поэтому биты объединили в группы по 8 и получили байт.
Каждый байт получает порядковый номер – адрес. Адресуемость – второе свойство оперативной памяти. Нумерация начинается с нуля.Таким образом, память можно представить себе в виде многоквартирного дома, в котором квартиры – это байты, а номер квартиры – адрес. Чтобы найти нужную информацию, необходимо знать адрес байта, в котором она хранится. Именно так поступает процессор, когда обращается за данными и программам к оперативной памяти.
Рассмотрим физический принцип действия оперативной памяти. С этой точки зрения различают динамическую память (DRAM) и статистическую память (SRAM).
Оба вида памяти запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации, и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость, сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается в пользу динамической памяти. И все же быстродействующая статическая память в современно компьютере тоже обязательно есть – кэш-память.
Оперативную память в компьютере размещают на стандартных панельках, называемых модулями.
Модули вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Такая конструкция облегчает процесс замены или наращивания памяти. Важнейшей характеристикой модулей ОЗУ является их быстродействие, т.е. у памяти есть своя скорость работы. У современных модулей скорость доступа к информации порядка 10 нс.
Первую свою команду процессор находит в памяти, которая в отличие от магнитных и оптических дисков является внутренней и, в отличии от ОЗУ , энергонезависимой, т.е. хранит информацию постоянно, даже после выключения компьютера. В ПЗУ хранится информация об устройствах компьютера, т.е. параметры и характеристики монитора, жесткого диска, мыши т.д. для того, чтобы при включении компьютера, прежде чем начать работу, можно было убедиться, что все они работоспособны.
CMOS – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки расположенной на материнской плате. Зарядки батарейки хватает на несколько лет. Наличие такого вида памяти позволяет отслеживать время и календарь, даже если компьютер выключен.
Подробнее о характеристиках процессора читайте в презентации к уроку.
Материнская плата – самая большая плата компьютера. На ней
располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так
называемые шины. К шинам материнской платы подключаются также все прочие
внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный
набор микросхем – так называемый чипсет.
Процессор – основная микросхема компьютера. Все
вычисления выполняются в ней. Процессор аппаратно реализуется на большой
интегральной схеме (БИС). БИС является большой не по размеру, а по количеству
элементов. Использование современных высоких технологий позволяет разместить на
БИС процессора огромное количество функциональных элементов, размеры которых
составляют всего около 0.13 микрон (1 микрон = 10-6 м). Например, в процессоре
Pentium 4 их около 42 миллионов.
Основная характеристика процессора – тактовая частота
(измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц)). Чем выше тактовая частота,
тем выше производительность компьютера. Так, например, при тактовой частоте
2000 МГц процессор может за одну секунду изменить свое состояние 2000 миллионов
раз.
Единственное устройство, о существовании которого процессор
“знает от рождения” – оперативная память – с нею он работает совместно.
Смотрите моделирование процесса производства процессора в видео фирмы Intel:
Физически микропроцессор представляет собой интегральную
схему — тонкую пластинку прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных
миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.
Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский
корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его
можно было присоединить к системной плате компьютера. Процессор имеет кэш-память - массив сверхбыстрой оперативной памяти, являющейся буфером между
контроллером системной памяти и процессором. В этом буфере сохраняются блоки
данные после того, как их считал процессор, а потом он выполняет команду над
данными.
Внутреннее устройство процессора
металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (то есть внутри самого процессора).
сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней - тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния.
специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть большое количество золотистых "точек" - это контакты. Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.
Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается "мостик" между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.
Процессор состоит из ячеек, в которых обрабатываются данные.
Ячейки процессора называют регистрами. Регистры могут быть
восьмиразрядные (в такой регистр помещаются 8 бит, т.е. 1 байт),
шестнадцатиразрядные (в такой регистр помещается два байта или говорят машинное
слово), 32-разрядные (помещается двойное слово). Разные регистры процессора
имеют разное назначение. Для сохранения данных и результатов используются
регистры данных . Для хранения адреса команды - счётчик команд. Для
хранения команды – регистр команд. Для хранения адреса данных
адресный регистр. Существуют специальные регистры для самопроверок процессора.
Машинные команды, которые обрабатывает процессор состоят из
двух основных частей:
Код операции
адресная часть
Код операции показывает, какую именно операцию из системы
команд процессора надо выполнить, а в адресной части содержится адрес данных,
над которыми будет выполняться эта операция.
К процессору подходят магистрали передачи сигналов:
адресная шина - соединяет процессор с оперативной памятью;
шина данных - по ней в регистры процессора передаётся
содержимое ячеек памяти и отправляются результаты обработки назад в оперативную
память;
шина управления.
Для хранения адреса команды - счётчик команд. Первым
делом процессор считывает из счётчика команд адрес команды.
Размеры регистров (в битах) определяют разрядность
процессора.
Разрядность процессора и его тактовая частота - это основные
характеристики процессора, от которых зависит производительность компьютера.
Для хранения команды у процессора существует -регистр команд. Когда
процессор знает адрес команды он считывает слово -команду.
Подробнее смотрите в видео "Как делают процессоры":
Подробнее с принципами фон Неймана вы можете познакомиться в презентации к уроку.
Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана».
В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.
Схематичное изображение машины фон Неймана
Принципы фон Неймана
Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Принцип адресности
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.
Узкое место архитектуры фон Неймана
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала "процессор-память" и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров
Настольный ПК (англ. Desktop computer) — стационарный
компьютер, тот самый, который стоит на столе (или под столом) к нему подключены
монитор, клавиатура и мышь.
До недавнего времени именно настольные ПК были самыми
распространенными и популярными. В некоторых задачах им пока что нет замены
(профессиональная работа с графикой, мощные трехмерные игры и многое другое).
Преимущества настольных ПК:
Низкая стоимость (относительно конкурентов с такими же
характеристиками);
Широкий выбор возможных конфигураций (с учетом потребностей
для разных задач);
Возможность самостоятельно подобрать комплектующие;
Легкая замена комплектующих;
Минимум проблем при апгрейде (модернизации);
Значительно более низкая стоимость ремонта.
Недостатки настольных ПК:
Большие размеры и вес, что приводит к сложностям при транспортировании (в командировку не возьмешь
с собой :))
не очень привлекательный вид;
Потребляют немало электроэнергии (особенно производительные
системы).
Как видим, достоинств больше, чем недостатков, но первые два
недостатка перевешивают многие преимущества.
2. Ноутбук
Ноутбук (англ. Notebook — блокнот, второе название
Laptop – «на коленях») — портативный переносной компьютер, содержит в одном
корпусе все необходимые компоненты. В последнее время успешно конкурирует с
настольным ПК.
Преимущества ноутбуков:
Небольшие размеры и вес (1,5 – 4 кг), благодаря чему:
Можно брать с собой в дорогу (на работу, на отдых);
Более привлекательный вид (по сравнению с настольным ПК);
Все устройства в одном корпусе (монитор, клавиатура,
тач-пад, web-камера, сетевой адаптер, Wi-Fi, кардридер, динамики…);
Низкое потребление электроэнергии;
Наличие аккумуляторной батареи, что позволяет использовать
ноутбук вдали от розетки (от двух до шести часов).
Недостатки ноутбуков:
Более высокая стоимость при тех же характеристиках (в
последнее время разница всё меньше);
Ограниченный выбор возможных конфигураций;
Более сложная замена комплектующих (особенно некоторых
деталей);
Практически невозможна модернизация (апгрейд);
Высокая стоимость ремонта.
Количество достоинств приблизительно равно количеству
недостатков, но небольшие размеры, вес, и легкая транспортировка дают о себе
знать.
Исходя из всего перечисленного не удивительно, что у многих
сейчас есть и настольный компьютер и ноутбук одновременно (первый для работы
дома или игр, второй – в дорогу).
3. Ультрабук
Ультрабук (англ. Ultrabook) – это разновидность
ноутбука, которая ориентирована на малые размеры и вес, а также длительное
время работы от аккумулятора.
Другими словами – это небольшой производительный ноутбук,
который может долго проработать без подключения к розетке.
Данный подвид появился в 2011 году благодаря компании Intel.
Особенности ультрабуков:
Толщина не более 2 сантиметров;
Вес должен быть не более 1,4 килограмм;
Длительное время работы от аккумулятора (заявлены 8-10 часов
и более);
Производительность на уровне обычного ноутбука или выше;
И, как следствие- высокая стоимость.
Для большинства случаев стоимость ультрабуков не оправдана,
можно вполне найти небольшой ноутбук по более приемлемой цене с хорошими (но не
выдающимися) характеристиками.
4. Нетбук
Нетбук (англ. Netbook) – небольшой ноутбук, основное
назначение которого – выход в Интернет (отсюда и название) и работа с простыми
приложениями.
Отличительные особенности нетбуков:
небольшой вес (от 1 до 2 кг) и размеры (легко влезет в
походную сумку);
низкое энергопотребление, благодаря чему:
может долго работать от аккумуляторной батареи (4-8 часов);
низкая стоимость (приблизительно от 250$).
Но приходится мириться с ограничениями:
невысокая производительность;
небольшая диагональ экрана (от 7 до 12 дюймов).
На нетбуке можно достаточно комфортно работать
в Интернете, в офисных программах, слушать музыку и смотреть фильмы в
дороге. Работа с программами, использующими высокие вычислительные ресурсы
(Photoshop, обработка видео и т.п.) возможна, но затруднена.
5. Планшет
Планшет (англ. Tablet computer — планшетный компьютер)
– разновидность переносного компьютера с сенсорным экраном. Используется без
клавиатуры, но зачастую есть возможность её присоединить.
Особенность планшета - в компактности при достаточно
большом экране. По размерам и весу он меньше чем нетбук (тоньше и легче).
Планшеты получили популярность после выпуска фирмой Apple
планшета iPad, затем многие другие производители начали разработку своих
планшетов.
Если кратко описать особенности планшета, то можно
уложиться в одно предложение: «очень удобно бродить по Интернету и делать
различные заметки, но полностью заменить компьютер или ноутбук пока не
может». Тем не менее, как дополнительное устройство планшет может быть очень
практичен.
Внутреннее устройство компьютера
Когда говорят о внутреннем устройстве компьютера, обычно
имеют в виду те компоненты, которые находятся внутри его корпуса. У
настольного компьютера корпус – это системный блок, у ноутбуков и нетбуков –
это нижняя из раскрываемых половинок.
С внутренним устройством настольного ПК вы сможете познакомиться в видео:
