Первое поколение

Ответы по информатике

1) Кодирование информации применяют для унификации формы представления данных, которые относятся к различным типам в целях автоматизации работы с информацией. Например, естественные человеческие языки можно рассматривать как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи к тому же и азбуки представляют собой системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов. Основой этой системы кодирования является представление данных через последовательность двух знаков: 0 и 1.

2) Разделить данное число на основание новой системы счисления. Зафиксировать целое частное и остаток от деления (остаток всегда меньше основания).

3) Если полученное частное больше основания, то разделить частное на основание и вновь зафиксировать новое частное и остаток от деления.

4) Повторять процесс до тех пор, пока частное не получится меньше делителя.

5) Полученные остатки, являющиеся цифрами числа в новой системе счисления, привести в соответствие с ее алфавитом.

6) Записать последнее частное и полученные остатки в обратном порядке в ряд слева направо.

Для представления информации в памяти ЭВМ (как числовой, так и не числовой) используется двоичный способ кодирования.

Элементарная ячейка памяти ЭВМ имеет длину 8 бит (байт). Каждый байт имеет свой номер (его называют адресом). Наибольшую последовательность бит, которую ЭВМ может обрабатывать как единое целое, называют машинным словом. Длина машинного слова зависит от разрядности процессора и может быть равной 16, 32, 64 битам и т.д.

2) действия: сложение, умножение, вычитание, деление. 0-плюс, 1 – минус.

3) Информация, выраженная с помощью естественных и формальных языков в письменной форме, обычно называется текстовой информацией. Начиная с конца 60-х годов прошлого века, компьютер все больше стали использоваться для обработки текстовой информации.

Кодирование и декодирование текстовой информации.

Для кодирования прописных и строчных букв русского и латинского алфавитов, цифр и ряда специальных знаков (знаки арифметических операций, знаки препинания и пр.) достаточно использовать 256 различных символов. По формуле, связывающей количество сообщений N и количество информации можно вычислить, какое количество информации необходимо, чтобы закодировать каждый знак: N = 2I => 256 = 2I => 28 - 2I => I = 8 битов = 1 байт. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. Таким образом, человек различает символы но их начертанию, а компьютер — по их коду. При вводе в компьютер текстовой информации происходит ее двоичное кодирование, изображение символа преобразуется в его двоичный код. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом, и в компьютер поступает определенная последовательность из восьми электрических импульсов (двоичный код символа). Код символа хранится в оперативной памяти компьютера, где занимает одну ячейку. В процессе вывода символа на экран компьютера производится обратный процесс — декодирование, т. е. преобразование кода символа в его изображение.

Кодировки русского алфавита.

Важно, что присваивание символу конкретного кода — это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с О по 32) этой таблицы соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т. д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, т. е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. Существуют пять однобайтовых кодовых таблиц для русских букв (Windows, MS-DOS, КОИ-8, Mac, ISO), поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой. В настоящее время широкое распространение получил новый международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 2 16 = 65 536 различных символов. Такого количества символов достаточно, чтобы закодировать не только русский и латинский алфавиты, цифры, знаки и математические символы, но и греческий, арабский, иврит и другие алфавиты.

Кодирование звука

В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ (редактор звукозаписи). Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука - количество уровней)[1].

Принципы оцифровки звука[править | править вики-текст]

Цифровой звук — это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды[2].

Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде[2].

Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.

Оцифровка звука включает в себя два процесса:

процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени

процесс квантования по амплитуде.

Дискретизация по времени[править | править вики-текст]

Пример представления аналогового сигнала в цифровой форме

Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется, с определенным временным шагом — шагом дискретизации. Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой семплирования (от англ. «sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено.

Это подтверждается теоремой Котельникова (в зарубежной литературе встречается как теорема Шеннона, Shannon). Согласно ей, аналоговый сигнал с ограниченным спектром точно описуем дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения берутся с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала. То есть, аналоговый сигнал, в котором находится частота спектра равна Fm, может быть точно представлен последовательностью дискретных значений амплитуды, если для частоты дискретизации Fd выполняется: Fd>2Fm.

На практике это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (0 — 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц. Количество замеров амплитуды в секунду называют частотой дискретизации (в случае, если шаг дискретизации постоянен).

Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью.

Линейное (однородное) квантование амплитуды[править | править вики-текст]

Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N -битного слова можно описать 2N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды — динамический диапазон сигнала — в виде 2N −1 равных промежутков, разделив его на 2N уровней — квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).

Точность округления зависит от выбранного количества (2N) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования (подразумевая количество разрядов, то есть бит, в каждом слове), а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или семплами (от англ. «sample» — «замер»). Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными. Этот способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией, ИКМ (англ. Pulse Code Modulation — PCM).

Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM (Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.

Другие способы оцифровки[править | править вики-текст]

Способ неоднородного квантования предусматривает разбиение амплитудной шкалы на уровни по логарифмическому закону. Такой способ квантования называют логарифмическим квантованием. При использовании логарифмической амплитудной шкалы, в области слабой амплитуды оказывается большее число уровней квантования, чем в области сильной амплитуды (при этом, общее число уровней квантования остается таким же, как и в случае однородного квантования). Аналогово-цифровое преобразование, основанное на применении метода неоднородного квантования, называется неоднородной импульсно-кодовой модуляцией — неоднородной ИКМ (Nonuniform PCM).

Альтернативным способом аналогово-цифрового преобразования является разностная импульсно-кодовая модуляция — разностная ИКМ (англ. «Differential PCM» — DPCM). В случае разностной ИКМ квантованию подвергают не саму амплитуду, а относительные значения величины амплитуды. В полной аналогии с ИКМ, разностная ИКМ может сочетаться с использованием как однородного, так и неоднородного методов квантования. Разностное кодирование имеет много разных вариантов[3].

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)[править | править вики-текст]

Вышеописанный процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).

Это преобразование включает в себя следующие операции:

Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.

Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.

Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.

Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Для получения качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Кодирование графика

Технология обработки графики на компьютере бурно развивается со времени появления ПК, в котором основное устройство вывода - монитор. Компьютерная графика сегодня широко используется в самых различных областях деятельности людей. Это связано, прежде всего, с резким ростом аппаратных возможностей ПК. В последние годы стало возможным обрабатывать и видеоинформацию. Однако компьютерные (цифровые) изображения гораздо более «тяжеловесны», чем текст, требуют значительных объёмов памяти и сильно увеличивают размер файлов итоговых документов (Word, PowerPoint и др.). Чтобы преодолевать проблемы использования изображений, надо разбираться в сути цифрового представления графической информации.

Графическая информация в зависимости от способа формирования на экране монитора бывает растровой и векторной.

Растровое изображение похоже на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клетка закрашена определённым цветом (и это роднит его с мозаикой, витражами, вышивкой крестом, рисованием «по клеточкам»). Растровая графика предполагает, что изображение состоит из элементарных частей, называемых пикселями («точками»). Они упорядочены по строкам. Количество таких строк на экране образует графическую сетку или растр. Таким образом, растровое изображение – это набор пикселей, расположенных на прямоугольной сетке.

Чем меньше пиксель и больше растр у монитора, тем качественнее его изображение. Наибольшее распространение в современных мониторах получили размеры сетки:
800х600,
1024х768,
1152х864.

Важной характеристикой монитора является также разрешающая способность экрана. Она измеряется как количество пикселей на единицу длины, dpi (dots per inch – «точка на дюйм»). Для экрана обычно это 72 или 96 dpi, (для сравнения - у лазерного принтера – 600 dpi). Чем больше dpi, тем меньше "зернистость" монитора, лучше качество изображения.

Не менее важным признаком изображения является количество цветов, обеспечиваемое видеокартой. Его можно менять программно (в пределах возможностей видеокарты) выбирая режим цветного изображения:
- чёрно-белое или битовое (0 – белый цвет, 1 – чёрный цвет);
- 16 цветов (4 бита информации в пикселе, 24);
- 256 цветов (8 бит информации в пикселе, 28);
- high color (16 бит информации в пикселе, 65 536 цветов);
- true color (32 бита информации в пикселе, 16 777 216 цветов).

Количество различных цветов К и количество битов для их кодирования b связаны формулой К=2^b

Так же, как в телевизоре, в мониторе компьютера цветное изображение строится при помощи трёх основных цветов. RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue — красный, зелёный, синий) — цветовая модель, описывающая способ синтеза цвета.

Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза.

При смешении основных цветов — например, синего (B) и красного (R), мы получаем пурпурный (M magenta), при смешении зеленого (G) и красного (R) — жёлтый (Y yellow), при смешении зеленого (G) и синего (B) — голубой (С cyan). При смешении всех трёх цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W wight). Википедия

Правда, одна из новинок японской фирмы Sharp - ЖК-технология, позволяющая получить сверхчёткую картинку на экране за счёт использования не трёх, а пяти базовых цветов. К традиционным были добавлены голубой и жёлтый (RGB + CY). По словам инженеров компании, такая модель позволяет добиться более глубоких цветов и более естественной передачи картинки, снижения мощности излучения и потребления электроэнергии.

В зависимости от разрешения экрана и количества установленных цветов для преобразования изображений в двоичный код требуется некоторый объём памяти. Например, для сетки 800х600 и цветности high color требуется:
800х600х16бит = 480000х2байт - около 1 мегабайта. Это - видеопамять. Её предоставляет видеоадаптер в дополнение к имеющейся внутренней памяти ПК. Из неё цифровое изображение считывается процессором с частотой не реже 50 раз в секунду (50 Гц) и отображается на экране. Таким образом, от возможностей видеоадаптера и монитора во многом зависит построение изображения на экране и его качество.

4) Персональный компьютер, как и любая другая ЭВМ, является не чем иным, как «слепым» исполнителем последовательностей понятных ему инструкций - программ, которые и придают ему всю привлекательность. Компьютер без программ оказывается совсем бесполезным. Поэтому, чтобы плодотворно работать на нём, необходим не только он как таковой, но и набор программ, обеспечивающих решение стоящих перед пользователями задач.

Программы - это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы - управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь. Многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную

конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ, до практической эксплуатации и технического обслуживания. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но способна установить системное программное обеспечение.

Прикладное ПО

Служебное ПО

Системное ПО

Базовое ПО

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ). Программы и данные

записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш -технологией), так и вне ее, на специальных устройствах называемых программаторами.

Системный уровень. Системный уровень - переходной. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называют драйверами устройств - они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и к взаимодействию с пользователем. Наличие ядра операционной системы - непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (программы обслуживания) включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы.

Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк - от производственных до творческих и развлекательно - обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для различных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса: человек - программа - оборудование.

5) Компьютер (от англ. Computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Архитектура компьютера – это его описание на некотором общем уровне, включающее логическую организацию, структуру и ресурсы компьютера.

Основу любого персонального компьютера составляет материнская плата и процессор. От них зависит производительность всей системы.

Материнская плата- сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера.

На системной плате имеются разъемы для установки процессора, слоты для установки оперативной памяти, а также контроллеры внешних устройств.

На материнской плате для каждого устройства имеется управляющая электронная схема - адаптер, или контроллер. Все контроллеры компьютера взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которая называется системная шина.

В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально – модульный принцип и принцип Джона фон Неймана (1946 год). Этот принцип предусматривает построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала – шины.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

Шину данных;

Шину адреса;

Шину управления.

Шина данных - передаёт данные между различными устройствами.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт..

Может быть 8,16,32, 64 бита.

Шина адреса - передаёт адрес устройства к которому обращается процессор. Сигналы передаются в одном направлении (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяется объёмом адресуемой памяти, т.е. количества ячеек оперативной памяти. Может быть 16, 20, 24, 32, 36 битов.

Шина управления – передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить. Синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливаются специальные микросхемы, включающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопамяти – северный мост и контроллер периферийных устройств – южный мост.

Для подключения видеоплаты к северному мосту может использоваться шина AGP- ускоренный графический порт и PCI Express – ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств, для подключения видеоплаты к электронно-лучевого или жидко-кристаллического монитора или пректора используются аналоговый разъем VGA или цифрового разъема DVI. Устройство внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD- дисководы) подключаются к южному мосту по ATA- шина подключения накопителей, шина USB используется для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер, клавиатура и мышь.

Выполнение практического задания «Сведения об архитектуре компьютера.

Цель работы:

Научиться получать сведения об архитектуре компьютера и отдельных его устройствах.

Задание. С помощью системы тестирования компьютера получить сведения об его архитектуре компьютера и процессора.

Подведение итогов урока.

Компьютер является универсальным устройством обработки информации, характеризующимся совокупностью аппаратных и программных средств.

В основу архитектуры компьютера полжены принципы Дж. фон Неймана.

Управление аппаратными средствами осуществляется с помощью программного обеспечения, комплекса программ, обеспечивающих обработку или передачу информации.

6) Всем компьютерам требуется место для временного хранения информации во время обработки других фрагментов информации. Обычно в цифровых компьютерах хранение информации выполняется на двух различных уровнях: в первичной памяти (построенной на полупроводниковых чипах ОЗУ и ПЗУ) и в памяти для хранения больших объемов информации (обычно использующей жесткие диски).

Большая часть первичной памяти системы располагается на системной плате. На системной плате первичная память существует, как правило, в двух или трех формах:

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержит постоянные программы начального запуска компьютера.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Эта память имеет достаточно высокое быстродействие, чтобы взаимодействовать непосредственно с процессором, и допускает считывание и запись в него с любой требуемой частотой.

Кэш-память. Быстродействующая система ОЗУ, предназначенная специально для хранения информации, которая, скорее всего, будет использована процессором.

Устройства ПЗУ хранят информацию постоянно и используются для хранения программ и данных, которые остаются неизменными. Устройства ОЗУ хранят сохраненную в них информацию до тех пор, пока электроэнергия подводится к ИС.

Любое прерывание в подаче электроэнергии приводит к исчезновению содержимого памяти. Такую память называют энергозависимой. И напротив, ПЗУ является энергонезависимой памятью.

Каждая системная плата содержит одну или две ИС ПЗУ, в которых хранится программа базовой системы ввода/вывода (basic input/output system — BIOS). Программа BIOS содержит основные инструкции для обмена данными между микропроцессором и различными устройствами ввода и вывода системы. До недавнего времени эта информация постоянно хранилась внутри чипов ПЗУ и ее можно было изменить, только заменяя чипы.

Усовершенствования в технологии EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory — электрически-стираемое программируемое ПЗУ) привели к появлению устройств флэш-памяти, которые допускают запись (загрузку) новой информации BIOS в ПЗУ с целью обновления его содержимого. Эта информация может быть переписана с диска обновления или загружена с другого компьютера. В отличие от ИС ОЗУ, содержимое флэш-памяти сохраняется после отключения электропитания чипа. В любом случае модернизированная BIOS должна быть совместима с системной платой, с которой она используется, и должна быть самой новой из доступных версий.

Информация в BIOS представляет весь «интеллект», которым располагает компьютер до тех пор, пока он не сможет загрузить дополнительную информацию из другого источника, скажем, жесткого диска. Рассматриваемые совместно, программное и аппаратное (чип ПЗУ) обеспечение BIOS называют программно-аппаратными средствами. Эти ИС могут размещаться в любом месте системной платы, но обычно их легко узнать по размеру и форме (как правило, это устройства в 28-контактных, устанавливаемых в гнезда двухрядных корпусах DIP).

В более старых конструкциях компьютеров PC, таких как XT и AT, память ОЗУ системы состояла из банков отдельных ИС ОЗУ, устанавливаемых в гнезда DIP. В конструкциях промежуточных клонов группы ИС ОЗУ помещались на небольшие 30-контактные дочерние платы, называвшиеся корпусами с однорядным расположением выводов (SIP). Такой метод установки требовал меньше места на плате.

Дальнейшие усовершенствования модулей ОЗУ привел к появлению модулей памяти с однорядным расположением выводов (SIMM) и модулей памяти с двухрядным расположением выводов (DIMM). Подобно модулям SIP, модули SIMM и DIMM устанавливаются на системную плату вертикально. Однако для их установки используют не просто вставку выводов в гнезда, а специальные гнезда с фиксированием, которые жестко поддерживают модуль в вертикальном положении. Как правило, ПК продаются с не полностью заполненными гнездами ОЗУ. Это позволяет пользователям приобретать менее дорогие компьютеры, удовлетворяющие их персональным потребностям, но при этом сохраняется возможность установки в будущем дополнительных модулей ОЗУ, если в этом возникнет необходимость.

7) Понятие об управляющем и операционном

блоках цифрового устройства

Любое цифровое устройство обработки данных можно рассматривать как устройство, состоящее из двух блоков – операционного и управляющего. Такой подход упрощает проектирование, а также облегчает понимание процесса функционирования вычислительного устройства. Данный подход к декомпозиции вычислительного устройства был разработан академиком В.М. Глушковым.

Процесс функционирования операционного устройства распадается на определенную последовательность элементарных действий в его узлах. Перечень таких элементарных действий в общем случае включает в себя:

1) установку регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр числа 0, обозначаемую y₁: R1: = 0);

2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал число 101101, то после инвертирования его содержимое будет 010010, такое действие обозначают y₂: R2: =);

3) пересылку содержимого одного узла в другой узел (например, пересылку содержимого регистра R1 в регистр R2, обозначаемую y₃: R2: = R1);

4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый y₄: R1: = Cдв. Л1 (R1));

5) счет, при котором число в счетчике возрастает или убывает на единицу y₅: Сч: = Сч + 1);

6) сложение (например, y₆: R2: = R2 + R1);

7) сравнение на равенство содержимого регистра с некоторым числом, результат сравнения лог.1 в случае выполнения равенства или лог.0 в случае невыполнения равенства;

8) некоторые логические действия (поразрядная дизъюнкция, конъюнкция и т.д.) и т.п.

Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов операционного устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией. Интервал времени, отводимый на выполнение одной микрооперации, называется рабочим тактом цифрового устройства (ЦУ).

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например y₁: R2: = 0; y₅: Сч: = Сч + 1. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.

Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность выполнения n различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n управляющих линий, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И, если в операционном устройстве необходимо выполнить некоторую микрооперацию, то достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей линии подать сигнал (например, уровень лог.1). Вследствие того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммный автомат.

Очевидно, для реализации конкретной команды, операции или процедуры (микропрограммы) необходимо на соответствующие входы операционного блока (ОБ) подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих функциональных сигналов.

Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенную для выработки последовательностей управляющих функциональных сигналов, называется управляющим блоком или управляющим устройством (УБ или УУ).

Генерируемая УБ последовательность управляющих сигналов задается поступающим на входы блока кодом команды, а также сигналами из ОБ, несущими информацию об особенностях операндов, промежуточных и конечного результатов операции.

Формально управляющий блок можно рассматривать как конечный автомат, определяемый (рис.1):

Рис.1. Структура цифрового устройства

а) множеством двоичных выходных сигналов, соответствующих множеству микроопераций ОБ. При y_i=1 (i=1,2,…,m), возбуждается i-тая микрооперация

Y = {y₁, y₂, y₃, …, y_m};

б) множествами входных сигналов Z и U

Z = {z₁, z₂, z₃, …, z_p},

U = {u₁, u₂, u₃, …, u_n},

где z_j – задаваемый извне двоичный код команды (j=1,2,…p);

u_r – двоичный оповещающий сигнал (r=1,2,…n);

в) множеством подлежащих реализации микропрограмм, устанавливающих в зависимости от значений Z и U управляющие сигналы y_i.

По множествам Y, Z, U и микропрограмм определяется множество внутренних состояний блока

S = {Q₀, Q₁,…, Q_k}.

Существует два основных типа управляющих автоматов:

· управляющий автомат с жесткой или схемной (аппаратной) логикой;

· управляющий автомат с хранимой в памяти логикой (программируемой логикой).

В первом случае, для каждой операции, задаваемой командой, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы.

Во втором случае – каждой выполняемой в ОБ операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов – микрокоманд, определяемых набором микроопераций. Такой метод управления цифровым устройством обычно называют микропрограммированием, а использующий его УБ – микропрограммным управляющим устройством.

2. Назначение и структура процессора

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрует и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств вычислительной машины и из внешней среды (запросы прерывания) и т.п. Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в ее состав.

Выполнение команды (машинной операции) может быть разделено на более мелкие этапы (микрокоманды), во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микрокоманд и последовательность их выполнения определяются системой команд, логической структурой и особенностями данной ЭВМ. Последовательность микрокоманд, реализующих данную операцию, образует микропрограмму операции (команду).

Для определения временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинный такт. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций процессора. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой-генератором тактовых импульсов (ГТИ).

Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрокоманда, микрооперация.

Упрощенная структурная схема процессора представлена на рис.2. На схеме изображены только его основные части: арифметико-логическое устройство (АЛУ), управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок местной памяти и блок связи с оперативной памятью и некоторым другим, в том числе внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.

В состав процессора могут также входить и другие блоки, участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.).

Рис.2. Упрощенная структурная схема процессора

Оперативная (основная) память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование.

Арифметико-логическое устройство процессора производит логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины, а также служебные операции по преобразованию (модификации кодов команд). Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы.

В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных блоков для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.

Управляющее устройство (управляющий автомат) вырабатывает необходимые управляющие сигналы для выборки очередной команды программы из памяти, дешифрирования кода команды, формирования адресов операндов, выборки операндов из памяти, передачи полученного в АЛУ результата операции в память, инициирования операций ввода-вывода, организации реакции процессора на запросы прерывания, поступающие от узлов самого процессора, а также других устройств машины, в том числе от периферийных устройств ЭВМ и из внешней среды.

В процессорах ЭВМ и микропроцессорах применяют управляющие автоматы с хранимой в памяти логикой (микропрограммные управляющие устройства) и с жесткой или аппаратной логикой.

Блок управляющих регистров (обычно входит в состав УУ) предназначен для временного хранения управляющей информации. Блок содержит функциональные узлы, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора; регистр-счетчик адреса команды – счетчик команд; счетчик тактов; регистры запросов прерываний; триггеры, фиксирующие режимы работы процессора и др.

Для повышения быстродействия и логических возможностей процессоров (микропроцессоров) в их состав включают местную память (кэш–память) небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Кэш–память запоминает копии информации, передаваемой между процессором и оперативной памятью. При чтении данных и команд сначала выполняется обращение к кэш-памяти. Если в кэше имеется копия адресованной ячейки ОП, то данные сразу выдаются в устройства процессора, в противном случае выполняется чтение из оперативной памяти. Запись и чтение данных и команд в кэш выполняется поблочно.

Блок связи или шинный интерфейс обеспечивает взаимодействие процессора с ОП и другими устройствами в составе ЭВМ, а также с периферийными устройствами.

3. Арифметико-логические устройства. Назначение.

Классификация. Основные структуры

Назначение АЛУ. По своему назначению арифметико-логическое устройство (АЛУ) является операционным блоком (устройством), выполняющим преобразование поступающих в него операндов и передачу результатов преобразований в устройства ЭВМ.

Работа АЛУ определяется управляющими сигналами, генерируемыми управляющим блоком (устройством). Последовательность управляющих сигналов, в свою очередь, задается кодом операции (команды) и оповещающими сигналами.

Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы:

· операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

· операции двоичной арифметики для чисел с плавающей запятой;

· операции индексной арифметики;

· операции специальной арифметики;

· операции над логическими кодами (логические операции);

· операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры для выполнения операций над числами с плавающей запятой и операций над алфавитно-цифровыми полями.

К арифметическим операциям относятся операции сложения и вычитания (короткие операции), а также операции умножения и деления (длинные операции). Группу логических операций обычно составляют операции дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И), отрицания (логическое НЕ) и некоторые другие. Специальные логические операции включают в свой состав операции нормализации (для чисел в формате с плавающей запятой), операции сдвига арифметического (только для разрядов мантиссы числа) и сдвига логического (для всех разрядов числа, включая знаковый). Операции индексной арифметики используются при модификации адресов команд.

Классификация АЛУ. В современных ЭВМ АЛУ обычно интегрировано в состав процессора. В этом случае классификация арифметико-логических устройств является условной и может быть полностью отнесена к самим процессорам. Исходя из этого, можно привести следующую классификацию.

· По способу выполнения преобразований, задаваемых соответствующими операциями, АЛУ подразделяются на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются последовательными кодами, а сами операции выполняются последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельными кодами и операции выполняются параллельно во времени над всеми разрядами.

· В зависимости от способа представления операндов различают АЛУ для чисел в формате с фиксированной запятой и для чисел в формате с плавающей запятой.

· По характеру использования элементов и узлов при выполнении заданных операций АЛУ делятся на блочные и многофункциональные (универсальные). В блочных АЛУ отдельные операции, например, над числами в формате с фиксированной запятой и в формате с плавающей запятой выполняются в отдельных блоках. При этом повышается быстродействие АЛУ, так как отдельные блоки могут работать параллельно, но при этом вырастает сложность оборудования. В универсальных АЛУ все операции выполняются одними и теми же схемами, управление работой которых реализуется в зависимости от типа текущей операции.

Структуры АЛУ. Набор элементов и узлов, на основе которых строятся структуры различных АЛУ, называется структурным базисом. Структурный базис АЛУ включает в себя:

регистры, обеспечивающие кратковременное хранение операндов (слов данных);

управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;

комбинационные схемы, реализующие выполнение требуемых микроопераций по управляющим сигналам от управляющего устройства.

Используя структурный базис можно построить структуру АЛУ, имеющую требуемую производительность и заданные затраты оборудования.

В современных процессорах наибольший интерес представляют два основных вида структур АЛУ: жесткая и магистральная.

· АЛУ с жесткой структурой. В таких арифметико-логических устройствах комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать заданные микрооперации. Вариант АЛУ с жесткой структурой представлен на рис. 3а. В состав АЛУ входят 4 регистра со своими логическими схемами:

регистр первого слагаемого R1 и комбинационная схема К.Сх.1;

регистр второго слагаемого R2 и комбинационная схема К.Сх.2;

регистр сумматора R_SM и схема комбинационного сумматора SM;

регистр признаков (флагов) результата и комбинационная схема формирования признаков К.Сх.3.

Комбинационная схема К.Сх.1 выполняет микрооперации передачи первого слагаемого из регистра R1 на первый вход сумматора Вх.1:

в виде прямого кода Вх.1:= R1_ПК (по сигналу y₁);

в виде обратного кода Вх.1:= R1_ОК (по сигналу y₂);

со сдвигом на один разряд влево Вх.1:= Сдв.Л1(R1) (по сигналу y₃).

Комбинационная схема К.Сх.2 выполняет микрооперации передачи второго слагаемого из регистра R_SM на регистр R2:

в виде прямого кода R2:= R_{SM ПК} (по сигналу y₃);

в виде обратного кода R2:= R_{SM ОК} (по сигналу y₄);

со сдвигом на один разряд влево R2:= Сдв.Л1(R_SM) (по сигналу y₅).

Комбинационный сумматор SM предназначен для суммирования (обычного или по модулю 2) операндов, поступивших на его входы Вх.1 и Вх.2. Результат суммирования заносится в регистр R_SM по сигналам:

y₆ : R_SM:= Вх.1 + Вх.2 или y₇ : R_SM:= Вх.1 Å Вх.2.

Комбинационная схема К.Сх.3, на основе анализа результата с выхода SM, формирует и пересылает в регистр R3 характеризующие его признаки (флаги).

Достоинством АЛУ с жесткой структурой является высокое быстродействие, недостатком – малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию их в виде больших интегральных схем.

а)

б)

Рис.3. Структура типового АЛУ: с жесткой структурой (а);

с магистральной структурой (б)

· АЛУ с магистральной структурой. В АЛУ такого типа все внутренние регистры объединены в отдельный узел общего назначения (РОН), а все комбинационные схемы в операционный блок (ОБ).

Операционный блок и узел РОН объединяются между собой с помощью магистралей – отсюда название АЛУ с магистральной структурой. Пример магистрального АЛУ представлен на рис. 3б.

В состав узла РОН входят N регистров общего назначения, подключаемых к магистралям А и В через мультиплексоры MUXA и MUXB. Каждый мультиплексор соединяет выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определяется управляющими сигналами y_А и y_В, подаваемыми на адресные входы мультиплексоров из устройства управления.

По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, режимы работы которого задаются управляющими сигналами из УУ. Этим самым обеспечивается выполнение заданных микроопераций над операндами. Результат выполненных в ОБ микроопераций по магистрали С через демультиплексор DMUX заносится в конкретный регистр узла РОН. Управление передачей результата в регистры РОН выполняется сигналами y_С.

Признаки (флаги) результата, формируемые комбинационной схемой К.Сх., заносятся в регистр признаков FLAGS.

Основным достоинством магистральных АЛУ является высокая универсальность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию в виде БИС, а, следовательно, делая их практическое производство и применение экономически выгодным. Магистральная структура АЛУ является наиболее распространенной в схемах современных процессоров.

Кэш

Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти^[1]. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти. Подробнее о задержках памяти см. Задержки (англ. SDRAM latency) SDRAM: tCAS, tRCD, tRP, tRAS.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (логических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).

Увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность почти всех приложений^[2].

8)

Как устроен компьютер - все по полочкам для новичков

Главная» Все разделы статей» Полезное о компьютерах и программах

Как устроен компьютер - все по полочкам для новичков (картинка, фото)

Как устроен компьютер - все по полочкам для новичков

Статья создана: 2010-12-21, обновлена: 2014-05-12

СОДЕРЖАНИЕ

Устройство компьютера

Системный блок

Как устроен системный блок

Материнская плата

Процессор

Шинные интерфейсы материнской платы

Оперативная память

Микросхема ПЗУ и система BIOS

Энергонезависимая память CMOS

Жесткий диск

Дисковод гибких дисков

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.

Понятие базовой конфигурации может меняться.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

системный блок;

монитор

клавиатуру

мышь

Персональный компьютер

Персональный компьютер

Помимо компьютеров с базовой конфигурации все большее распространение получают мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.

Справка: «Юлмарт», на сегодняшний день самый хороший и удобный интернет магазин для покупки компьютера любой конфигурации.

СИСТЕМНЫЙ БЛОК

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

Системный блок

Системный блок

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

КАК УСТРОЕН СИСТЕМНЫЙ БЛОК

Системный блок - внутренности

Системный блок - внутренности

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

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

Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

полноразмерный (big tower),

среднеразмерный (midi tower);

малоразмерный (mini tower).

Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера.

Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower.

Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе.

Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором.От него зависят требования к размещаемым устройствам.

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.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Блок питания компьютера

Блок питания компьютера

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

В системный блок входит (вмещается):

Материнская плата

Процессор

Шинные интерфейсы материнской платы

Оперативная память

Микросхема ПЗУ и система BIOS

Энергонезависимая память CMOS

Жесткий диск

Дисковод гибких дисков

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА

Материнская плата (mother board) - основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой.

Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.

Материнская (системная) плата

Материнская (системная) плата

На материнской плате размещаются:

процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

ПРОЦЕССОР

Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Он представляет из себя большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.

Процессор

Процессор

На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.

Вентилятор для процессора - кулер

Вентилятор для процессора - кулер

Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных.

На этом и основано исполнение программ.

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

Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина

У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных

По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.

Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.

Основными параметрами процессоров являются:

рабочее напряжение

разрядность

рабочая тактовая частота

коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты

размер кэш-памяти

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты.

В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью.

Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш-память.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.

Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-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.

Поиск по сайту: