Лекция 8. Устройство компьютера

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. 1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. 2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, для которых, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими. 2.4. Что такое команда? Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

Устройство компьютера

Существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;

• монитор (подробнее см. здесь);

• клавиатуру (подробнее см. здесь);

• мышь (подробнее см. здесь).

Помимо компьютеров с базовой конфигурацией всё большее распространение получили мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Корпус:

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Тип, размер, параметры корпуса и называют форм-фактором компьютера.

В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ.

Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Материнская плата (системная плата)

Материнская плата (mother board) – основная плата персонального компьютера.

На материнской плате размещаются:

• процессор;

• оперативная память (ОЗУ, кэш-память)

• ПЗУ.

• микропроцессорный комплект (чипсет)

• разъемы

• шины.

Процессор

Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU - Central Processor Unit) - основной рабочий компонент компьютера, который

- выполняет арифметические и логические операции, заданные программой;

- управляет вычислительным процессом;

- координирует работу всех устройств компьютера.

В общем случае центральный процессор содержит:

- арифметико-логическое устройство - та часть процессора, которая выполняет команды;

- устройство управления (регистры команд, счетчики команд) выполняющее функции управления устройствами;

- очень быструю кэш-память малого объема;

- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Микропроцессор конструктивно представляет собой интегральную микросхему (чип - англ. Chip), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине - кристалле.

В настоящее время наиболее распространены процессоры фирмы Intel. Широко используются и микропроцессоры других производителей: Celeron, Athlon.

Важной характеристикой процессора является его производительность- количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду, которая и определяет быстродействие компьютера в целом.

Производительность процессора зависит от:

- тактовой частоты;

- разрядности.

Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения элементарных операций и тем выше производительность компьютера.

Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мегагерц (МГц) — миллион тактов в секунду. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет более 3000 МГц.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции при её обработке. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представляет собой последовательность двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 и т.д. битам.

С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций.

Кроме центрального микропроцессора во многих компьютерах имеются сопроцессоры — дополнительные специализированные процессоры. Например, математический сопроцессор — микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении вычислений при решении на компьютере математических задач.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами:

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quadсостоит из четырёх физических ядер, представляющий собой сборку из двух кристаллов.

19 ноября2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеровAMD Phenom.

Компания AMD изготовила четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой склейку двух двухъядерных кристаллов). Первый «четырёхъядерник» фирмы AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели.

К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4, по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7.

ВНУТРЕННЯЯ ПАМЯТЬ:

-ОЗУ;

-кэш-память;

-ПЗУ и др.

ОЗУ

Оперативная память (ОЗУ - оперативно запоминающее устройство или RAM -Random Access Memory - память с произвольным доступом). Это временная (энергозависимая) память, так как данные в ней хранятся только до выключения питания РС. Оперативная память напрямую связана с центральным процессором (CPU). Центральный процессор в своей работе использует только ту информацию, которая хранится в оперативной памяти.

С точки зрения физического принципа действия - DRAM, SDRAM, DDR SDRAM.

Ячейки динамической памяти (DRAM – dynamic random access memory) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках (необходимо постоянно подзаряжать).

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями (“линейки»).

Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Объём Мб или Гб.

Кэш-память:

Предназначена для оптимизации работы компьютера. Это как бы «сверхоперативная память».

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

«Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш.

Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням.

Кэш первого уровня (L1) выполняется в том же кристалле, что и сам процессор. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт. самая быстрая, поскольку ближе всего к процессору.

Кэш второго уровня (L2) находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. В современных многоядерных процессорах является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта.

Кэш-память третьего уровня (L3) выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Ячейки статической памяти (SRAM – static random access memory) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов.

В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.