Функции памяти и процессора компьютера

Как работает процессор?

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Функции CPU

Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU:

получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции, передаёт их на внешние устройства,
формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств,
временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных,
принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их.

Процессор (центральное процессорное устройство — ЦПУ «CPU»)

Центральный процессор – это главная часть аппаратного обеспечения компьютера или «мозг компьютера». Чаще говорят — микропроцессор или просто процессор.

Устройство системного блока, 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!

Память компьютера

Память компьютера предназначена для записи (приёма), хранения и выдачи данных. Представим её в виде листа в клетку. Тогда каждая клетка этого листа будет изображать бит памяти — наименьший элемент памяти компьютера. В каждой такой «клетке» может храниться одно из двух значений: 0 или 1. Один символ двухсимвольного алфавита, как известно, несёт один бит информации. Таким образом, в одном бите памяти содержится один бит информации.

Различают внутреннюю и внешнюю память.

Отличия в устройстве стационарного компьютера и ноутбука

Стационарный компьютер состоит из системного блока, монитора и устройств ввода (мышки, клавиатуры).

Возможность собрать ПК под свои нужды;
Хорошая система охлаждения;
Возможность апгрейда.

Занимает много места.
Работает только от сети или ИБП.

Ноутбук – это портативное переносное устройство. За счет своих миниатюрных размеров, ноутбуки уступают по мощности стационарным, хотя в продаже имеются эксклюзивные игровые модели, но их цена очень высока.

Процессор и видеокарта зачастую не съемные, а запаяны на материнскую плату. Жесткий диск и оперативная память также имеют более компактную форму.

Работает ноутбук от аккумулятора, который заряжается от съемного блока питания. Как правило, нормальной работы аккумулятора хватает на год-два, затем время автономной работы уменьшается.

Плюсы ноутбука в его мобильности: в него уже установлены все необходимые комплектующие – экран, клавиатура, тачпад (выполняет функцию мышки), колонки, сетевая плата и WI-FI адаптер.

Небольшой размер экрана
Нет возможности полноценного апгрейда
Слабая система охлаждения
Сложность ремонта
Быстрый расход батареи.

Если вы используете компьютер для полноценной работы с графикой или для игр, вам стоит приобрести стационарный ПК.
Если вам необходимо часто перемещаться с места на место, тогда стоит приобрести ноутбук.

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.

Декодирование

Разговор о декодировании придется начать c рассмотрения филологических вопросов. Увы, далеко не все компьютерные термины имеют однозначные соответствия в русском языке. Перевод терминологии зачастую шел стихийно, а поэтому один и тот же английский термин может переводиться на русский несколькими вариантами. Так и случилось с важнейшей составляющей микропроцессорной логики «instruction decoder». Компьютерные специалисты называют его и дешифратором команд и декодером инструкций. Ни одно из этих вариантов названия невозможно назвать ни более, ни менее «правильным», чем другое.

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Конспект урока «Устройства компьютера и их функции»

· Устройства ввода и вывода информации.

В современной жизни все вокруг стремительно растёт и развивается. Общение между людьми, странами и континентами осуществляется мгновенно. Любая информация доступна и поступает оперативно, благодаря всемирной сети Интернет. Компьютер в нашей жизни по праву занял одно из главных мест.

По своему назначению компьютер — это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.

Человек создал компьютер, чтобы облегчить свою умственную деятельность, поэтому у человека и компьютера много общего.

Человек получает информацию с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания. А компьютер получает информацию с помощью устройств ввода: клавиатуры, мышки и других устройств.

Человек хранит информацию в памяти и на носителях информации. А компьютер хранит информацию в оперативной и долговременной памяти.

Человек осмысливает, обдумывает, преобразует информацию, делает выводы с помощью головного мозга, а компьютер обрабатывает информацию с помощью процессора.

Человек передаёт информацию другим людям с помощью речи, мимики, жестов. А компьютер выводит информацию с помощью устройств вывода: монитора, принтера и других устройств.

Но всё же не стоит равнять человека с компьютером. Человек управляет своими действиями сам, а компьютером управляет человек, программируя его.

Сегодня на уроке мы с вами узнаем:

· Для чего в компьютере процессор;

· Как работает память компьютера;

· Что относится к устройствам ввода и вывода информации.

Компьютер – это аппаратно-программный комплекс, служащий для приёма, передачи, хранения и обработки информации.

Совокупность всех устройств компьютера называют его аппаратным обеспечением. Состав этих устройств может изменяться в зависимости от того для чего используется компьютер, то есть какие задачи поставлены.

Основной набор включает следующие функциональные блоки: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь.

Системный блок представляет собой корпус с размещёнными внутри него системной платой, блоком питания и другими устройствами, которые называют внутренними: например, дисковод для оптических дисков.

Не входящие в системный блок устройства называют внешними.

Основной компонент системного блока — системная (или материнская) плата. На ней размещаются процессор, устройства памяти, набор микросхем, управляющих работой устройств, разъёмы для подключения устройств.

Процессор — это важнейшее устройство компьютера, его мозг, он предназначен для выполнения вычислений и исполнения программ.

Процессор строит свою работу следующим образом:

1) получает данные, то есть считывает из оперативной памяти команды;

2) анализирует их;

3) затем выполняет;

4) отправляет результаты работы на требуемое устройство.

Основные характеристики процессора, определяющие его быстродействие: тактовая частота и разрядность.

Процессор обрабатывает поступающие к нему электрические сигналы (импульсы).

Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом. На выполнение процессором каждой операции выделяется определённое количество тактов.

Тактовая частота — это число тактов, которые процессор выполняет за одну секунду. Различные операции могут занимать один или несколько тактов. Тактовая частота измеряется в герцах.

У современных процессоров тактовая частота достигает нескольких миллиардов герц. Поэтому её измеряют в производных единицах:

1 МГц = 1000000 Гц

1 ГГц = 1000000000 Гц

Процессоры выполняют операции не над десятичными числами, а над двоичными. Как вы помните двоичные числа записываются цифрами 0 и 1, которым соответствуют единицы информации, называемые битами.

Разрядность процессора — это количество двоичных цифр (битов), которые одновременно обрабатывает процессор.

Большинство современных процессоров имеет разрядность 32 бит или 64 бит.

Производительность процессора может быть повышена за счёт одновременного выполнения нескольких последовательностей операций (потоков).

Процессоры, способные одновременно обрабатывать несколько потоков, являются многоядерными.

Другое важнейшее устройство компьютера — это память.

Память компьютера предназначена для приёма, записи, хранения и выдачи данных.

Чтобы понять принцип работы памяти компьютера давайте представим лист бумаги в клеточку. Каждая клеточка этого листа ¾ это наименьший элемент памяти компьютера, 1 бит. В каждой клеточке может храниться одно из двух значений: 0 или 1.

То есть в 1 бите памяти содержится 1 бит информации.

Для хранения информации используются различные виды памяти или запоминающие устройства. Различают внутреннюю и внешнюю память.

Внутренняя память – это память, которая встроена в компьютер и напрямую управляется процессором.

Внутренняя память компьютера передаёт и принимает от процессора данные с такой же скоростью, с какой процессор их обрабатывает. Поэтому её ещё называют оперативной (быстрой).

Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство) предназначена для хранения данных и программ во время их выполнения.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью выполняется за очень короткие промежутки времени. Информация в оперативную память поступает после включения компьютера, а при его выключении не сохраняется.

ОЗУ представляет собой набор микросхем, которые собраны в модули. Для установки модулей на материнской плате имеются соответствующие разъёмы.

Для постоянного хранения информации даже при выключенном компьютере предназначено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Хранимые в ПЗУ данные и программы обеспечивают запуск компьютера и работу с клавиатурой, монитором и другими устройствами.

Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации.

Если пользователь запускает программу, которая хранится во внешней памяти компьютера, то она сначала загружается в оперативную память и после этого начинает выполняться.

Основным устройством долговременного хранения информации является накопитель на жёстких магнитных дисках (винчестер). Он представляет собой набор вращающихся дисков с магнитным покрытием, у поверхности которых расположены головки для записи — чтения. Винчестер является энергонезависимым, перезаписываемым запоминающим устройством. Он является основным носителем данных практически во всех современных компьютерах. Обычно находится внутри системного блока.

Для переноса данных используют съёмные носители: оптические диски (СD и DVD), флэш-память и другие.

Максимальный объём информации, который может быть записан на носитель, называют его ёмкостью.

За единицу измерения объёма информации принят байт. Ёмкость носителей измеряют в производных единицах.

1 Кбайт = 1024 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт

1 Гбайт = 1024 Мбайт

1 Тбайт = 1024 Гбайт.

К системному блоку подключаются внешние устройства компьютера – устройства ввода и вывода информации.

На прошлых уроках мы с вами уже научились переводить числа, слова в двоичную систему чисел. Гораздо труднее понять двоичный код. И совсем невозможно понять информацию, которая представлена в виде электрических импульсов. Для этого служат устройства ввода и вывода информации.

Устройства ввода переводят человеческий язык в компьютерный, а устройства вывода наоборот компьютерный язык переводят в человеческий.

К устройствам ввода информации относятся:

1. Клавиатура. Она служит для ввода в компьютер текстовой информации и команд управления при помощи клавиш.

2. Манипуляторы, например, мышь, джойстик и другие. Это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

· Мышь перемещает указатель мыши по экрану и вводит команды пользователя. Управление курсором осуществляется путём перемещения мыши по поверхности стола или коврика для мыши. Клавиши и колёсико мыши вызывают определённые действия, например, активация указанного объекта, вызов контекстного меню, вертикальная прокрутка веб-страниц и электронных документов.

· Джойстик – это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх.

· Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает курсор.

3. Сканер – устройство для ввода графической информации в компьютер.

4. Микрофон – устройство для ввода звуковой информации.

5. Веб-камера – видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшего использования.

К устройствам вывода относятся:

1. Монитор служит для вывода информации пользователю на экран.

2. Принтер – устройство для вывода информации на бумагу.

3. Звуковые колонки и наушники предназначены для воспроизведения звуковой информации.

Практическая часть урока.

На флеш-память объёмом 1 Гигабайт загрузили максимально возможное число фотографий. Каждое фото занимает 500 Килобайт. Нужно выяснить, сколько времени займёт просмотр всех фотографий на флеш-памяти, если на просмотр одной уходит 6 секунд.