Урок 6
Назначение и устройство компьютера. Принципы организации внутренней и внешней памяти
Назначение и устройство компьютера
Основные темы, параграфа:
— что общего между компьютером и человеком;
— какие устройства входят в состав компьютера;
— что такое данные и программа;
— принципы фон Неймана.
Изучаемые вопросы:
— Компьютер как модель человека, работающего с информацией.
— Схема информационного обмена в компьютере.
— Отличие программы и данных.
— Отличие внутренней и внешней памяти компьютера.
— Принцип двоичной кодировки информации.
— Структура внутренней памяти компьютера, её свойства.
— Носители и устройства внешней памяти.
Что общего между компьютером и человеком
С этого урока мы начинаем знакомство с компьютером. Для информатики компьютер — это не только инструмент для работы с информацией, но и объект изучения. Вы узнаете, как компьютер устроен, какую работу с его помощью можно выполнять, какие для этого существуют программные средства.
С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Электронная вычислительная машина (в современной терминологии — компьютер) (рис. 2.1) была изобретена в середине XX века для усиления возможностей умственной работы человека, т. е. работы с информацией.
Из истории науки и техники известно, что идеи многих своих изобретений человек «подглядел» в природе.
Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов.
Русский ученый Н. Е. Жуковский, основоположник аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц. Результаты этих исследований используются при расчетах конструкций самолетов.
А есть ли в природе прототип у компьютера? Да! Таким прототипом является сам человек. Только изобретатели стремились передать компьютеру не физические, а интеллектуальные возможности человека.
По своему назначению компьютер — универсальное техническое средство для работы человека с информацией.
По принципам устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.
Какие устройства входят в состав компьютера
Информационная деятельность человека делится на составляющие:
• прием (ввод) информации;
• запоминание информации (сохранение в памяти);
• процесс мышления (обработка информации);
• передача (вывод) информации.
В состав компьютера входят устройства, выполняющие аналогичные функции:
• устройства ввода;
• устройства запоминания — память;
• устройство обработки — процессор;
• устройства вывода.
В ходе работы компьютера информация через устройства ввода попадает в память; процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в память результаты обработки; полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.
Чаще всего в качестве устройства ввода используется клавиатура, а устройства вывода — монитор или принтер (устройство печати).
Что такое данные и программа
И все-таки нельзя отождествлять «ум компьютера» с умом человека. Важнейшее отличие состоит в том, что работа компьютера строго подчинена заложенной в него программе, человек же сам управляет своими действиями.
В памяти компьютера хранятся данные и программы.
Данные — это обрабатываемая информация, представленная в памяти компьютера в специальной форме.
Программа — это описание последовательности действий, которые должен выполнить компьютер для решения поставленной задачи обработки данных.
Если информация для человека — это знания, которыми он обладает, то информация для компьютера — это данные и программы, хранящиеся в памяти. Данные — это «декларативные знания», программы — «процедурные знания» компьютера.
Принципы фон Неймана
В 1946 году американский ученый Джон фон Нейман сформулировал основные принципы устройства и работы ЭВМ. Описанный выше состав устройств ЭВМ и взаимодействие между ними называют архитектурой фон Неймана. Для неймановской архитектуры характерно наличие одного процессора, который управляет работой всех остальных устройств. С другими принципами фон Неймана вам еще предстоит познакомиться.
Коротко о главном
Компьютер — это программно управляемое устройство для выполнения любых видов работы с информацией.
В состав компьютера входят: процессор, память, устройства ввода, устройства вывода.
В памяти компьютера хранятся данные и программы.
Компьютер работает по программам, созданным человеком.
Вопросы и задания
1. Какие возможности человека воспроизводит компьютер?
2. Перечислите основные устройства, входящие в состав компьютера. Какое назначение каждого из них?
3. Опишите процесс обмена информацией между устройствами компьютера.
4. Что такое компьютерная программа?
5. Чем отличаются данные от программы?
6. Подготовьте доклад о принципах, сформулированных фон Нейманом.
Компьютерная память
Основные темы, параграфа:
— внутренняя и внешняя память;
— структура внутренней памяти компьютера;
— программа в памяти компьютера;
— носители и устройства внешней памяти.
Изучаемые вопросы:
— Компьютер как модель человека, работающего с информацией.
— Схема информационного обмена в компьютере.
— Отличие программы и данных.
— Отличие внутренней и внешней памяти компьютера.
— Принцип двоичной кодировки информации.
— Структура внутренней памяти компьютера, её свойства.
— Носители и устройства внешней памяти.
Внутренняя и внешняя память
Работая с информацией, человек пользуется не только своими знаниями, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. В главе I «Человек и информация» было отмечено, что информацию можно хранить в памяти человека и на внешних носителях. Заученную информацию человек может забыть, а записи сохраняются надежнее.
У компьютера тоже есть два вида памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память.
Внутренняя память — это электронное устройство, которое хранит информацию пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера.
Сформулированное правило относится к принципам Неймана. Это правило называют принципом хранимой программы.
Внешняя память — это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски, флеш-карты памяти. Сохранение информации на внешних носителях не требует постоянного электропитания.
В современных компьютерах имеется еще один вид внутренней памяти, который называется постоянным запоминающим устройством — ПЗУ. Это энергонезависимая память, информация из которой может только читаться.
На рисунке 2.2 показан состав устройств компьютера. Стрелки указывают направления информационного обмена.
Структура внутренней памяти компьютера
Устройства компьютера производят определенную работу с информацией (данными и программами). А как же представляется в компьютере сама информация? Для ответа на этот вопрос «заглянем» внутрь машинной памяти. Структуру внутренней памяти компьютера можно условно изобразить так, как показано на рис. 2.3.
Наименьший элемент памяти компьютера называется битом памяти. На рисунке 2.3 каждая клетка изображает бит. Вы видите, что у слова «бит» есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Покажем, как связаны между собой эти понятия.
В каждом бите памяти может храниться в данный момент одно из двух значений: нуль или единица. Использование двух знаков для представления информации называется двоичной кодировкой.
Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода.
Один символ двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации.
В одном бите памяти содержится один бит информации.
Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера — дискретность. Дискретные объекты составлены из отдельных частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. «Песчинками» компьютерной памяти являются биты.
Второе свойство внутренней памяти компьютера — адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Вы знаете, что это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, в одном байте памяти хранится один байт информации.
Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля.
Порядковый номер байта называется его адресом.
Принцип адресуемости означает, что:
Запись информации в память, а также чтение ее из памяти производится по адресам.
Программа в памяти компьютера
Несколько последовательно расположенных байтов памяти образуют ячейку памяти, адресом которой является адрес младшего байта, т. е. байта с наименьшим номером. На рисунке 2.4 показан принцип адресации на примере 4-байтовых ячеек памяти.
Одна ячейка памяти может хранить одну команду программы или элемент данных, обрабатываемых программой (например, число). Машинная программа — это множество команд, расположенных в последовательных ячейках памяти (рис. 2.5).
Команда программы состоит из операционной части — кода операции и адресной части — адресов размещения в памяти обрабатываемых данных. Код операции определяет действие, выполняемое процессором по команде. Работа процессора заключается в автоматическом выполнении последовательности команд программы до ее завершения (команды остановки).
Носители и устройства внешней памяти
Устройства внешней памяти — это устройства чтения и записи информации на внешние носители. Информация на внешних носителях хранится в виде файлов. Что такое файлы, вы подробнее узнаете позже.
Важнейшими устройствами внешней памяти в современных компьютерах являются накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы.
Принцип магнитной записи был изобретен в 20-х годах прошлого столетия. Тогда появились акустические магнитофоны, которые позволяли записывать на магнитную ленту речь, музыку, а затем воспроизводить записанные звуки. Первым видом устройств внешней памяти на ЭВМ были накопители на магнитной ленте — аналоги акустических магнитофонов.
Современный НМД работает аналогично магнитофону. На поверхности диска, покрытой тонким ферромагнитным слоем, записывается двоичный код: намагниченный участок — единица, ненамагни- ченный — нуль. При чтении с диска эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.
К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка (рис. 2.6), которая может перемещаться по радиусу. Во время работы НМД диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации.
Другим видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название — лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.
Сначала появились лазерные диски, на которые информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM — Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе означает «компактный диск — только для чтения». Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски — CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново.
Носители, которые пользователь может извлекать из дисковода, называют сменными.
Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD (Digital Versatile Disk — универсальный цифровой диск). Иногда их называют видеодисками. Объем информации, хранящейся на DVD, измеряется в гигабайтах. Видеофильмы, записанные на DVD, можно просматривать с помощью компьютера, как по телевизору.
Сравнительно новым видом устройств внешней памяти является флеш-память. Устройство флеш-памяти подключается к компьютеру через универсальный разъем USB.
Коротко о главном
В состав компьютера входят внутренняя и внешняя память.
Исполняемая программа хранится во внутренней памяти (принцип хранимой программы).
Информация в памяти компьютера имеет двоичную форму.
Наименьшим элементом внутренней памяти компьютера является бит. Один бит памяти хранит один бит информации: значение О или 1.
Восемь подряд расположенных битов образуют байт памяти. Байты пронумерованы, начиная с нуля. Порядковый номер байта называется его адресом.
Во внутренней памяти запись и чтение информации производятся по адресам.
Машинная программа — множество команд, расположенных в последовательных ячейках памяти.
Внешняя память: магнитные диски; оптические (лазерные) диски — CD, DVD; флеш-память.
Вопросы и задания
1. Постарайтесь объяснить, зачем компьютеру нужны два вида памяти: внутренняя и внешняя. Подготовьте сообщение.
2. Что такое принцип хранимой программы?
3. В чем заключается свойство дискретности внутренней памяти компьютера?
4. Какие два значения имеет слово «бит»? Как они связаны между собой?
5. В чем заключается свойство адресуемости внутренней памяти компьютера?
6. Что представляет собой машинная программа? Какая информация содержится в команде программы?
7. Назовите устройства внешней памяти компьютера и сделайте их фотографии.
8. Какие типы оптических дисков вы знаете?
Внешние (периферийные) устройства компьютера
Рассмотрим только основные внешние устройства компьютера, так как если перечислять все, то чернила закончатся ? Внешние устройства персонального компьютера еще называют периферийными устройствами. Это устройства которые обеспечивают связь компьютера с пользователем, объектами управления либо с другим компьютером, то есть с окружающей средой. Внешние устройства делят на устройства Ввода и Вывода.
Устройства Ввода
Клавиатура. Пожалуй самое главное (во всяком случае на момент написания заметки :)) периферийное устройство Ввода информации в ПК. Клавиатура (в народе еще кличут «Клава») — это набор кнопок (клавиш), которые расположены в определенном порядке. На кнопках изображены буквы, цифры и различные знаки. Также на клавиатуре могут быть установлены дополнительные клавиши для различных действий.
Компьютерная мышь. Устройство Ввода получившее распространение с появление графического интерфейса на ПК. С помощью мышки (кнопок и колесика) можно отдавать различные команды компьютеру и управлять курсором на мониторе. При перемещении компьютерной мышки на горизонтальном столе курсор на мониторе также передвигается (по правилам координатной плоскости). Мышку также называют координатным устройством ввода.
Устройств ввода много. Мы рассмотрели два основных. Кроме них к устройствам ввода можно отнести: сканер, сенсорный экран, микрофон, веб-камеру и т.д.
Устройства вывода
Монитор. Это экран, на который с помощью видеосигнала выводится информация. Видеосигнал формирует электронное внутреннее устройство вывода, которое называется видеокартой. О ней мы еще поговорим чуть ниже.
Принтер. Слово принтер произошло от англ. Printer, Print — печатать. Он предназначен для преобразования цифровой информации хранящейся на компьютере в аналоговую, доступную для нашего с вами понимания, а также для её вывода (распечатывания) в виде текста, рисунка или графики, на твердый физический носитель (бумага).
Акустическая система. Говоря по простому — это звуковые колонки, которые предназначены для вывода звуковой информации. Звуковая карта преобразует цифровую информацию хранящуюся на компьютере в звук и выводит его через акустическую систему. Устройств вывода также много и перечислять их всех нет смысла. Основные из них мы с вами рассмотрели. Поэтому, давайте уже от периферийных (внешних) устройств ПК перейдем к внутренним.
Процессор (центральное процессорное устройство — ЦПУ «CPU»)
Центральный процессор – это главная часть аппаратного обеспечения компьютера или «мозг компьютера». Чаще говорят — микропроцессор или просто процессор.
Именно процессор отвечает за выполнение программного кода (инструкции) для выполнения арифметических, логических и системных операций ввода/вывода.
Этот термин используется в компьютерной индустрии, с начала 1960 годов. Форма, дизайн и реализация процессоров сильно изменились начиная с самых ранних примеров, но их фундаментальная работа остаётся такой же.
Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках.
Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.).
Современные процессоры, как правило, меньше, чем 4х4 сантиметра, с сотнями контактов.
Упрощенно можно сказать, что типичными компонентами процессора являются арифметическо — логический блок (ALU), который выполняет арифметические и логические операции, и блок управления (CU), который извлекает инструкции из памяти, декодирует и выполняет их, призывая к работе ALU, когда это необходимо.
Производительность или скорость процессора зависит от тактовой частоты (как правило, обозначают в МГц) и количества выполненных инструкций за такт (IPC), которые в совокупности являются количеством выполненных инструкций в секунду (IPS).
Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти, в определённой последовательности, команд и данных, и их выполнение. На этом и базируется выполнение программ.
Распределение памяти также сильно влияет на производительность процессора.
Производительность компьютеров повышается за счёт использования многоядерных процессоров, который, по сути, это объединение двух или более отдельных процессоров (называется сердечники) в одну интегральную схему. В идеале, двухъядерный процессор будет почти вдвое мощнее одноядерных процессоров.
На практике, однако, производительность гораздо меньше, всего около 50%, из-за несовершенства программного обеспечения и алгоритмов реализации взаимодействия между аппаратным и программным обеспечением.
Совет: не стоит переплачивать за новинки, через полгода они будут стоить на 10-20% дешевле!
Монитор
Также, уже вне корпуса, будет расположено ещё одно важное устройство – монитор. Монтитор подключается проводом к материнской плате и без него вы, соответственно, не увидите всего что делаете на компьютере 🙂 Основными параметрами монитора являются:
Диагональ экрана в дюймах;
Поддерживаемое разрешение экрана, например, 1920×1080. Чем оно больше, тем лучше;
Угол обзора. Влияет на то, как будет видно изображение если смотреть на монитор со стороны или чуть выше / ниже. Чем больше угол обзора, тем лучше.
Яркость и контрастность. Яркость измеряется в кд/м2 и в хороших моделях лежит за пределами 300, а контрастность должна быть не менее 1:1000 для хорошего отображения.
Вот так выглядит монитор:
Помимо перечисленных выше основных компонентов компьютера, существуют ещё и периферийные устройства. Периферией называют различные дополнительные и вспомогательные устройства, которые позволяют расширить возможности компьютера. Сюда относится множество устройств, например: компьютерная мышь, клавиатура, наушники, микрофон, принтер, сканер, копир, графический планшет, джойстик, web-камера.
Все эти устройства уже удобно будет затронуть в отдельных темах, поскольку каждое из них имеет свои характеристики и особенности. Клавиатуру и мышь выбрать проще всего, главное, чтобы подключение к компьютеру было по USB или же вообще по радиоканалу без провода, а все остальные параметры подбираются уже индивидуально и здесь главное, чтобы просто было удобно.
О выборе самых основных периферийных устройств читайте в статье:
На этом разбор компонентов компьютера я заканчиваю. Надеюсь, что подобная статья окажется для новичков в какой-то степени полезной и те, кто совсем не понимали, что находится в компьютере и для чего нужно, теперь смогу более-менее представить себе 🙂 Также данная информация, я думаю, станет полезна при выборе компьютера и тем более последующие статьи как раз будут о выборе и покупке домашнего компьютера.
