Внутренняя архитектура компьютера процессор память

Внутренняя архитектура компьютера процессор память

Цель урока: Дать учащимся схему устройства персонального компьютера, основные понятия и устройство памяти и процессора.

Ход урока:

1. Объяснение нового материала:

Устройство компьютера с точки зрения пользователей — умение обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации: ввод, хранение, преобразование, вывод.

Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы.

Совокупность технических устройств называют аппаратным обеспечением Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации.

1) Блоки компьютера

Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков: основная память, процессор, периферийные устройства. Все блоки связаны между собой системной магистралью (шиной).

Магистраль. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства компьютера.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бита.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адре­суемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N = >2 7 , где N — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бита. Таким образом, максимально возможное количест­во адресуемых ячеек памяти равно:N = 2 32 = 4 294 967 296.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

Системный блок компьютера

Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CD-ROM и др. Кроме этого, в системном блоке находится блок питания.

Системная плата. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата (рис. 1.4). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Читайте также:  Какие основные функции процессора

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост)

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access — прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоско­ростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

Виды памяти компьютера

2) Основная память

Основная память — это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного и постоянного запоминающих устройств.

В оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое часто также называют оперативной памятью (ОП), с диска или дискет копируются (загружаются) программы, которые выполняются в данный момент. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах обычно 128- 256 Мбайт. В первых моделях компьютеров оперативная память составляла не более 1 Мбайт. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения большого объема ОЗУ; в противном случае они просто не запускаются.

Читайте также:  Майнинг на процессорах intel xeon

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) постоянно хранит информацию, которая записывается туда при изготовлении компьютера. В ПЗУ находятся:

  • тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
  • программы для управления основными периферийными устройствами —дисководом, монитором, клавиатурой;
  • информация о том, где на диске расположена операционная система.

Операционная система — это программа, управляющая работой компьютера и позволяющая человеку совершать различные действия с данными на дисках — удалять их, копировать с диска на диск, запускать на выполнение различные программы и т. п. При включении компьютера операционная система загружается в ОЗУ и находится там в течение всего сеанса работы. Для (IВМ-совместимых компьютеров наиболее популярной является операционная система WINDOWS.

ВИД ПАМЯТИ

ОБЪЕМ

32; 64; 128; 256…Мб

От 8 до 512 Кб, 1 Мб

Гибкий магнитный диск (дискета)- 3,5»

Винчестер (жесткий магнитный диск)

CD (компакт диски)

250- 1500 Мб (650-700 Мб)

Основная память состоит из регистров. Регистр — это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер — устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое — запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно-заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен — он как бы запомнил значение «1», если заряд отсутствует — значение «О». Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32 и 64.

Термин «винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IВМ, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30″/30″ известного охотничьего ружья «Винчестер».

Проведем сравнение гибких и жестких дисков.

Аналогично гибким дискам:

  • жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;
  • для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;
  • для доступа к информации один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в место считывания/записи информации;
  • наиболее распространенные размеры жесткого диска — 5,25 и 3,5 дюйма в наружном диаметре.

Жесткие диски имеют преимущества перед гибкими по двум основным параметрам:

  • объем жестких дисков существенно выше, чем гибких, и колеблется от 20 до 120 и выше ГБ
  • скорость обмена информацией в десятки раз больше, чем у гибких дисков.

Для обращения к жесткому диску используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита В:, и т. д. Для удобства работы в операционной системе пре­дусмотрена возможность с помощью специальной системной про­граммы условно разбивать один физический диск на несколько не­зависимых частей, называемых логическими дисками. В этом случае каждой части одного физического диска присваивается свое логиче­ское имя, что позволяет независимо обращаться к ним: С:, В: и т. д.

3) Процессор

Центральным устройством в компьютере является процессор. Он выполняет различные арифметические и логические операции, к которым сводится решение любой задачи обработки информации на компьютере. Кроме того, процессор управляет работой всех устройств компьютера.

Процессор — устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.

Что же представляет собой современный процессор? Для ответа на этот вопрос вспомним, что вся история развития компьютеров тесно связана с достижениями человечества в области электроники, материаловедения и других областей науки и техники. Именно открытия некоторых свойств материалов и веществ, в частности на основе кремния, позволили создать процессор для современного персонального компьютера. Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ. chip — чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине — кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором. В последних моделях микропроцессоров, размер которых равен примерно 2 см, содержится до нескольких миллионов электронных компонентов.

Читайте также:  Не могу поставить дрова на видеокарту

В современных компьютерах весьма распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel, более известные по их товарной марке Pentium. По этому нередко можно услышать и очень распространенное сейчас название компьютера Pentium, хотя это всего лишь ассоциация с одним из типов используемых микропроцессоров.

Микропроцессор конструктивно представляет собой интегральную микросхему, а точнее говоря, сверхбольшую интегральную схему (СБИС). Слово «сверхбольшая» относится не к размерам интегральной схемы, а к количеству заключенных в ней электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластинке. Число таких компонентов достигает нескольких миллионов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем, или сокет на системной плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.

Обработка любой информации на компьютере связана с выполнением процессором различных арифметических и логических операций. Арифметические операции — это базовые математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Логические операции (логическое сложение, умножение, отрицание и др.) представляют собой некоторые специальные операции, которые чаще всего используются при проверке соотношений между различными величинами. Это необходимо для управления работой компьютера.

Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик — тактовой частоты и разрядности.

Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Под тактом мы понимаем чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течение которого может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мегагерц (МГц) — миллион тактов в секунду. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет более 100 МГц.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 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 того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 КГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. Современные компьютеры оснащаются 32-разрядными процессорами, и при этом их оперативная память обычно составляет 64, 128, 256 Мбайт.

Для современных микропроцессоров характерна тенденция к увеличению разрядности и повышению тактовой частоты.

Источник

Adblock
detector