Устройство компьютера. Общая схема. Процессор, память. Поколения ПК

Устройство компьютера. Общая схема. Процессор, память. Поколения ПК

Цель урока: обеспечить усвоение знаний об программной обработке данных на компьютере, об устройстве компьютера; формировать назначение аппаратного обеспечения компьютера; развивать внимание, память, любознательность; воспитывать бережное отношение к школьным компьютерам, организованность.

Образовательные цели:
1.знать функциональное назначение компьютера;
2.знать основные устройства компьютера.
Задачи урока: 
1. освоить основные характеристики устройств компьютера;
2. иметь представление о функциональном назначении периферийного оборудования;

Поколение ПК

Устройство ПК

Платформа и ее виды:

Компьютер представляет собой единое целое аппаратной и программной частей, что и отражено на следующей схеме.

Платформа — совокупность взаимодействующих между собой аппаратных средств и операционной системы, под управлением которой функционируют прикладные программы и средства для их разработки.

 Под термином «платформа» в широком смысле обычно понимается совокупность следующих компонентов:

аппаратного решения;

операционной системы (ОС);

В более узком смысле выделяют следующие виды платформ:

программная платформа – это совокупность операционной системы, средств разработки прикладных программных решений и прикладных программ, работающих под управлением этой операционной системы;

прикладная платформа – это средства выполнения и комплекс технологических решений, используемых в качестве основы для построения определенного круга прикладных программ;

аппаратная платформа (hardware) – это совокупность совместимых аппаратных решений с ориентированной на них операционной системой.

Понятие «аппаратная платформа» связано с решением фирмы IBM о выработке и утверждении единого стандарта на основные комплектующие персонального компьютера. До этого времени фирмы-производители ПК стремились создать собственные, уникальные устройства, чтобы стать монополистом по сборке и обслуживанию собственных персональных компьютеров. Однако, в итоге рынок был перенасыщен несовместимыми друг с другом ПК, для каждого из которых нужно было создавать собственное программное обеспечение. В этот период устройство каждого ПК было охраняемой тайной фирмы-производителя, и копирование одной фирмой изделий другой было строго запрещено.

Благодаря принципу «открытой архитектуры» был выработан и утвержден единый стандарт на основные части персонального компьютера — комплектующие, указаны все  особенности  их конструкции, поощряя при этом производство совместимых с IBM PC компьютеров других фирм. В основу принципа «открытой архитектуры» была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала ПК не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. 

На сегодняшний день в мире самыми распространенными считаются компьютерные платформы Apple и IBM PC. Они отличаются одна от другой компьютерными деталями, то есть устройством и набором программного обеспечения (операционная система и т. д.)

Устройство компьютера.

Материнская плата (англ. motherboard) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера. С помощью материнской платы осуществляется монтаж элементов, реализуется система обратной связи для их тестирования и прочее, но основные функции у нее следующие:

обеспечения всех компонентов питанием;

обеспечения связи между компонентами.

Практически все современные материнские платы для стандартных ПК имеют разъёмы для центрального процессора (CPU socket), модулей памяти, дополнительных карт расширения (таких как видеокарта, звуковая карта), накопителей, различных входов/выходов и связи с другими компьютерами и устройствами.

Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – так называемый чипсет. Чипсет, или набор системной логики, — это главный компонент материнской платы, от которого зависит поддержка процессора, возможности подключения периферии и общая скорость работы всей системы в целом. Чипсет содержит северный и южный мосты.

Северный мост служит для скоростной связи между процессором, оперативной памятью и встроенным видеоадаптером, подключенным к высокоскоростной шине. 

Южный мост предназначен для связи с контроллерами портов периферийных устройств. На южном мосте находятся контроллеры устройств ввода-вывода (I/O, Input/Output devices). 

Процессор – основная часть персонального компьютера. Небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая координацию потока данных и их обработку. Процессор выполняет все вычисления и обработку информации, следуя конкретным инструкциям. Например, сложение двух чисел процессор выполнит так: 

1) считает значения из памяти, 

2) сложит эти значения, 

3) сохранит их в другом отделе памяти.  

В ПК используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ним: АDM, IBM. Архитектура ЭВМ определяется типом центрального процессора.

Как устроен процессор, и из каких основных частей он состоит?

металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений.

кристалл, который является самой важной частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления. 

специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того, она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть контакты, с помощью которых обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом.

У стройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней: контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла. Каждый процессор имеет свой сокет (платформу), т. е. название разъёма на материнской плате под который он предназначен. Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать).

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип графическое ядро процессора, играет роль встроенной в процессор видеокарты. 

Если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль довольно мощной видеокарты. В некоторых моделях процессоров графическое ядро позволяет играть в современные игры на средних настройках графики.

Все современные процессоры состоят из следующих основных компонентов:

1. Ядро процессора;

2. Кэш-память – небольшой накопитель информации прямо внутри процессора, ускоряет обмен данными; обладает большой скоростью и низкой задержкой при работе с данными;

3. Контроллер оперативной памяти - цифровая схема, управляющая потоком данных к и от оперативной памяти. Может представлять собой отдельную микросхему, но в современных компьютерах интегрирована в процессор;

4. Контроллер системной шины.

 Процессоры характеризуются следующими параметрами:

типом микроархитектуры;

тактовой частотой;

набором выполняемых команд;

количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;

типом и скоростью системной шины;

размерами обрабатываемых слов;

наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;

типом поддерживаемой оперативной памяти;

объемом адресуемой памяти;

наличием или отсутствием встроенного графического ядра;

энергопотреблением.

 Остановимся только на некоторых.

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду. Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду. Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. 

 У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

 Многоядерность. Почему появились ядра? 

Во-первых, увеличение тактовой частоты приносило большие технические проблемы, такие, как перегрев процессора. 

Во-вторых, экономически выгодно разместить в одном процессоре несколько ядер, чем на материнской плате два процессора. 

В-третьих, ядра нужны для того,  чтобы компьютер мог выполнять параллельно несколько однотипных или, напротив, разноплановых задач, увеличивая скорость их обработки и, соответственно, скорость их выполнения. Количество ядер нужно подбирать, под конкретные задачи.

 Ядро процессора выполняет все арифметические и логические операции, а также содержит все необходимые функциональные блоки, среди которых:

Блок работы с прерываниями — это, попросту говоря, возможность быстро и часто переключаться с выполнения одной задачи на другую.

Блок выборки инструкций — получает и направляет на дальнейшую обработку сигналы команд.

Блок декодирования — обрабатывает сигнал команд, определяет, что нужно сделать в данный момент, и нужны ли для этого дополнительные действия.

Управляющий блок — передает декодированные инструкции для дальнейшего выполнения в другие блоки, координирует нагрузку, подаваемую на них.

Блоки выполнения и сохранения результатов соответственно выполняют полученную команду и сохраняют в нужном месте результат.

 В современных процессорах появилось еще такое понятие, как поток. Его еще называют виртуальным ядром. Он представляет собой результат работы современных технологий: ядро с помощью специальных технологий способно разделить свою производительность и решать параллельно сразу две задачи.

В разных процессорах может быть разное количество ядер и потоков. Если компьютер будет офисным, для работы без использования серьезных программ, то достаточно использовать двухъядерный процессор. 2-4 ядра необходимы для универсальных и недорогих игровых компьютеров. Для средних и мощных игровых компьютеров нужно 6 ядер. Для мощных игровых компьютеров – 8 ядер. Если компьютер используется в проектировании, в обработке профессионального видео и графики, то количество не меньше 10

Память. Кэш память и оперативная память

Кэш современных процессоров влияет на их производительность. Кэш – это сверхбыстрая энергозависимая память, которая позволяет процессору быстро получить доступ к определённым данным, которые часто используются.

Кэш центрального процессора различается тремя уровнями (L1, L2 и L3), располагается непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из оперативной памяти для более высокой скорости обработки:

Кэш первого уровня – высокая скорость и невысокий объем памяти, по сравнению со вторым или третьим уровнем. 

Кэш второго уровня выполняет аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. 

Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может достигать 30 Мб.

Энергоэффективность:

 Еще несколько лет назад такой характеристики процессора, как энергоэффективность, не существовало и всё сводилось лишь к производительности, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота. Кроме абсолютной производительности, процессор принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой им электроэнергии. Процессоры с высоким энергопотреблением трудно охлаждать, для этого приходится использовать массивные и шумные кулеры, что исключает возможность создания малошумных ПК. Оптимально - производительный процессор с низким энергопотреблением.

 Энергоэффективность зависит от таких характеристик, как: 

микроархитектура процессора, 

технологический процесс производства, 

тактовая частота, 

потребляемая мощность, 

поддержка процессором функций энергосбережения.

Разрядность процессора

 Это — величина, которая определяет количество информации, которое центральный процессор способен обработать за один такт. Например, если разрядность процессора равна 16, это значит, что он способен обработать 16 бит информации за один такт. Чем выше разрядность процессора, тем большие объемы информации он может обрабатывать, и тем выше его производительность. В настоящее время используются 32- и 64-разрядные процессоры

Функциональные возможности

 Современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. Современные процессоры поддерживают такие технологии, как виртуализацию, защиту от вирусов, защиту от перегрева, технологию энергосбережения и динамического разгона.

Оперативная память

 Очень важным элементом компьютера является оперативная память (ОП). Именно из неё процессор берет программы и исходные данные для обработки, в неё он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или запись в память. Однако при выключении компьютера содержимое ОП стирается. Это энергозависимая память.

 Оперативную память можно представить, как обширный массив ячеек, в которых хранятся числовые данные и команды в то время, когда компьютер включен.

 DDR (double data rate — «удвоенная скорость передачи данных»), DDR2, DDR3 – на современных компьютерах не используются. Сейчас используется тип оперативной памяти DDR4.

DDR4 DIMM — используется в настольных ПК. DDR4 SO-DIMM – более компактные габариты оперативной памяти. Используются в ноутбуках и мини-ПК. DDR4 DIMM Registered частично берет на себя контроль за передачей данных в памяти. Такие модули считаются более надежными и отказоустойчивыми. Используются практически только в серверах.

Основной характеристикой оперативной памяти является ее объем. В современных компьютерах используют оперативную память объемом более 8 Гигабайт.

Скорость работы ОП:

В это понятие входит две характеристики – частота и тайминг.

 Частота ОП — частота передачи данных (измеряется в МГц).

 Тайминг замеряет период ожидания памяти, пока она обрабатывает текущий процесс. Т. е. это время между получением команды на чтение и ее выполнением. Чем выше частота и ниже тайминги, тем лучше оперативная память.

Размер кэша или кэш память жесткого диска — особый вид памяти (буферной памяти), в которой хранятся часто используемые данные. Кэш обладает высоким быстродействием. Объем кэша значительно влияет на скорость передачи информации. Когда запрашивается информация у жесткого диска, то сначала опрашивается кэш жесткого диска, если там нужная информация присутствует, то она немедленно передается компьютеру.

Жесткий диск (HDD, винчестер) — энергонезависимое запоминающее устройство, назначение которого длительное хранение данных.

 Строение жесткого диска: 

корпус из прочного сплава; 

диски с магнитным покрытием;

блок головок с устройством позиционирования;

электропривод шпинделя.

Несмотря на название, жесткий диск – весьма хрупкий прибор, требующий бережного отношения. Он боится толчков, ударов, резких перепадов температуры и влажности, а также сильных магнитных полей. Под термином «жесткий» следует понимать жесткое закрепление в системном блоке и нежелательность перемещения и транспортировки. В крайнем случае, перемещение жестких дисков между компьютерами следует выполнять с повышенной внимательностью и аккуратностью.

Основным параметром жесткого диска является емкость, измеряемая в настоящее время в терабайтах (1012 байтов), Средний размер современного жесткого диска составляет свыше 4Тб, причем этот параметр неуклонно растет.

В современных компьютерах может применяться еще один вид жестких дисков – SSD- твердотельный накопитель. Представляет собой немеханическое запоминающее устройство на основе полупроводниковой технологии флэш-памяти, используемой для записи и хранения информации.

Как правило, современные видеокарты разделяют на два основных вида:

интегрированные;

дискретные.

Видеокарты интегрированного типа представляют собой часть материнской платы. Они несъемные и при работе используют ОЗУ компьютера. Дискретные видеокарты значительно лучше, но и стоимость их выше, чем у интегрированных. Дискретные видеокарты легко заменить, что позволяет модернизировать компьютер.

 1. Графическое ядро (GPU, графический чип или графический процессор). Является основой видеокарты. Выполняет расчёты выводимого изображения, освобождая от этого процессор компьютера, а так же производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Основная техническая характеристика ядра - это частота, которая измеряется в мегагерцах. Чем больше это значение, тем быстрее, производительнее и мощнее сама видеокарта.

 2. Видеопамять — хранит в себе всю графическую информацию, созданную ядром. Чем больше объем памяти видеокарты, тем лучше. Важной характеристикой видеопамяти еще является разрядность шины (ширина шины) – какое количество информации можно передать за единицу времени от ядра к блокам памяти и обратно. 

 3. Видеоконтроллер отвечает за формирование конечного изображения, служит посредником во всех процессах создания и обработки изображения.

 Система охлаждения видеокарты играет огромную роль в производительности и сроке эксплуатации видеокарты.

 Для компьютеров IBM PC работа со звуком изначально не была предусмотрена. Первые 10 лет существования компьютеры считались офисной техникой и обходились без звуковых устройств. В настоящее время функции ПК стали неизмеримо шире. Для работы со звуком используется звуковая карта. Разъемы ее выведены на заднюю стенку системного блока: 

для воспроизведения (через колонки или наушники); 

для подключения микрофона (при наличии специальной программы это позволяет записывать звук); 

линейный выход (для подключения к внешней записывающей и воспроизводящей аппаратуре: магнитофоны, усилители).

Периферийные устройства — аппаратура, предназначенная для внешней обработки информации. Другими словами, это устройства, расположенные вне системного блока — внешние устройства.

Периферийные устройства можно разделить на:

основные — без которых работа компьютера практически невозможна (устройства управления курсором, видеокарта, жесткий диск, монитор);

прочие — которые подключаются при необходимости (принтер, сканер и т. д.).

Контрольные вопросы и задания:

Пользуясь конфигуратором компьютера на сайте https://www.dns-shop.ru/configurator/, подберите составные части современного персонального компьютера для работы в офисе .

Дайте определение ЭВМ или компьютера.

Каково назначение ЭВМ или компьютера?

В каком году была предложена схема компьютера по фон Нейману?

Перечислите блоки, составляющие схему компьютера по фон Нейману.

В чем состоит принцип программного управления?

Перечислите состав устройств персонального компьютера.

Что такое системная (материнская) плата?

Перечислите основные характеристики персональных компьютеров.

Назовите основные элементы системного блока.

Чем определяется количество цветов изображения на экране монитора? Чем отличается оперативная память компьютера от долговременной?

В чем назначение видеокарты?