Структура и принцип работы компьютера

1.

Структура и принцип работы
компьютера
Структура компьютера - это совокупность его
функциональных элементов и связей между ними.
Элементами могут быть самые различные
устройства - от основных логических узлов
компьютера до простейших схем.
1

2.

Разнообразие современных компьютеров очень
велико. Но их структуры основаны на общих
логических принципах, позволяющих выделить в
любом компьютере следующие главные устройства:
память
(запоминающее
устройство,
состоящую из нумерованных ячеек;
ЗУ),
процессор,
включающий в себя устройство
управления
(УУ)
и
арифметико-логическое
устройство (АЛУ);
устройство ввода;
устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по
которым передается информация.
2

3.

Структурная схема
персонального компьютера
3

4.

Рассмотрим компоненты системного блока.
Материнская плата — сложная многослойная
печатная плата, к ко- торой подключаются
остальные компоненты компьютера
Материнская плата содержит несколько слоев дорожек
(проводников), по которым электропитание и данные
поступают к подключенным к материнской плате
микросхемам устройствам компьютера. Логически наборы
дорожек образуют разные шины. Выделяют:
• шину данных — соединения, назначением которых
является передача данных между компонентами
персонального компьютера;
• шина адреса — соединения, назначением которых
является передача адресной информации;
• шина управления — соединения, назначением которых
является сигналов управления, которые определяют
характер обмена информацией между устройствами

5.

6.

Сигналы управления определяют выполняемую
операцию (например, запись или чтение информации из
памяти), а также синхронизируют обмен информацией
между устройствами компьютера.
На материнской плате располагается специальный набор
микросхем, который называется чипсет. Он выступает в
роли связующего компонента (моста), который
обеспечивает взаимодействие микропроцессора c
памятью, устройствами ввода-вывода, контроллерами
через систему шин. Именно чипсет влияет на скорость
взаимодействия между процессором и памятью,
видеокартой и другими подключаемыми устройствами.
Основными компонентами, подключаемыми к
материнской плате, являются микропроцессор и разные
виды памяти.

7.

Микропроцессор (центральный процессор) — основная
интегральная схема компьютера, которая выполняет
машинные инструкции (код программ) для обработки
данных.
В состав процессора входят:
• устройство управления — предназначено для
организации процесса исполнения программ, а также
координирует взаимодействие всех устройств
персонального компьютера;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) —
предназначено для выполнения внутри процессора
арифметических и логических операций над данными
(сложение, вычитание, сравнение, сдвиг и др.);
• генератор тактовой частоты — предназначен для
создания электрических импульсов, которые
синхронизируют работу компонентов компьютера.

8.

Главными характеристиками процессора, которые
определяют и влияют на его производительность,
являются:
• количество ядер;
• тактовая частота;
• разрядность;
• кэш-память;
• архитектура.
Многоядерный процессор — процессор компьютера,
который содержит два и более вычислительных ядер
на одном процессорном кристалле.
Ядро процессора предназначено для выполнения
арифметических и логических операций. Увеличение
количества ядер необходимо для того, чтобы
компьютер мог параллельно (одновременно)
выполнять несколько задач, что увеличивает скорость
обработки данных в процессоре.

9.

Тактовая частота определяет количество операций в
секунду, которое процессор может исполнить. Процессоры
с более высокой тактовой частотой обладают лучшей
производительностью. Разрядность процессора
характеризует количество бит информации, которые
процессор может принять и обработать за один такт.
В настоящее время все выпускаемые процессоры для
персональных компьютеров имеют 64-битную
разрядность, но на них также можно запускать 32разрядное программное обеспечение. То есть за один такт
процессор может обработать или 64 бита информации, или
32 бита.
Кэш-память представляет собой сверхбыструю память,
которая используется процессором для временного
хранения наиболее часто используемых данных.

10.

У процессора выделяют три уровня кэш-памяти:
L1 (первый уровень),
L2 (второй уровень),
L3 (третий уровень).
Кэш-память первого уровня (L1) представляет собой
очень маленькую по объему, но самую быструю и
важную микросхему памяти. Объем L1 в процессорах не
превышает нескольких десятков килобайт.
Функционирует L1 без задержек. В L1 помещаются
данные, которые чаще всего используются
процессором. Количество микросхем памяти L1 в
процессоре определяется и равно количеству ядер
процессора. Каждое ядро имеет доступ только к своей
микросхеме L1.
Кэш-память второго уровня (L2) представляет собой
микросхему па- мяти, которая немного медленнее L1,
но имеющая гораздо больший объем (сотни килобайт).
10

11.

L2 предназначена для временного хранения такой
информации, вероятность запроса которой ниже, чем у
информации, находящейся в L1.
Кэш-память третьего уровня (L3) характеризуется не
только еще большим объемом, но и еще более низкой
скоростью. Но, несмотря на низкую скорость, L3
значительно быстрее оперативной памяти. Раз- мер L3
может достигать нескольких десятков мегабайт. В
отличие от кэшей L1 и L2 кэш-память третьего уровня
является общей для всех ядер процессора. L3
предназначена для временного хранения важных данных,
характеризующихся низкой вероятностью запроса, а
также для обеспечения взаимодействия ядер процессора
между собой.
Увеличение размера кэш-памяти, как правило,
положительно влияет на увеличение производительности
почти всех программ.

12.

Память компьютера предназначена для
кратковременного и долговременного хранения
информации (кодов команд, данных)
Информация в памяти хранится в двоичных кодах,
каждый бит – элементарная ячейка памяти – может
принимать значение 0 или 1.
Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, по которому
процессор может к ней обратиться. Минимальной
адресуемой единицей хранения информации в памяти
является 1байт, состоящий из 8 бит.

13.

для хранения программного кода и данных.
имеет одномерный (линейный) адрес двоичное число определенной разрядности.
доступ к ней осуществляется по адресу,
заданному программой.
является доступной для процессора.
13

14.

CMOS - память
Кэш-память (SRAM)
ПЗУ
ОЗУ
14

15.

CMOS - память
Полупостоянная память.
Хранит параметры конфигурации компьютера:
данные о системном времени и дате, о составе и
наличии того или иного оборудования, режимах
работы ПК.

16.

ПЗУ - (Постоянное запоминающее устройство)–
данные в нем могут сохраняться без
электропитания.
ПЗУ – устройство, не способное выполнять
операцию записи данных, т.е. информацию из
ПЗУ процессор может только считывать.
ПЗУ служит для хранения информации о запуске
компьютера и его стартовых программ - BIOS.
16

17.

Физически BIOS (Basic Input Output System)
представляет собой:
• специальную микросхему, установленную на
материнской плате,
• и программу, которая определяет порядок работы
этой системы.
Микросхема распаяна на материнской плате и не
подлежит замене, а вот сама программа BIOS может
быть заменена другой более совершенной.
BIOS выполнен на основе ЭНЕРГОНЕЗАВИСМОЙ
памяти, питание которой осуществляется с
помощью специального аккумулятора.

18.

Оперативное запоминающее устройство – это
временное «хранилище» информации.
В ней содержатся данные обрабатываемые
процессором в данный момент.
Эта память энергозависимая (при отключении
питания вся информация стирается), это главное
отличие ОЗУ от ПЗУ, т.к. ПЗУ энергонезависимая.
При включении компьютера необходимы команды,
т.к. его оперативная память (ОЗУ) пуста.
Для этого компьютеру необходимо иметь
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
18

19.

В ПЗУ находятся базовые программы, которые
проверяют состояние системы и её готовность к
работе и дают возможность взаимодействовать с
монитором, жёстким диском, клавиатурой,
дисководом.
Составной частью оперативной памяти являются:
Видеопамять
Звуковая память
19

20.

Видеопамять - энергонезависимое запоминающее
устройство.
Хранит двоичный код изображения выводимого на
экран.
Видеоадаптер (видеокарта) – устройство
управляющее работой графического дисплея.
Видеоадаптер состоит из:
Видеопамяти;
Дисплейного процессора.
20

21.

Звуковая плата (звуковая карта, музыкальная
плата) (англ. sound card) - позволяет работать со
звуком на компьютере.
В настоящее время звуковые карты бывают:
Встроенные в материнскую плату
Отдельными платами расширения
Внешними устройствами
Обычно видеокарта является
платой расширения и вставляется
в специальный разъём (ISA, VLB,
PCI, AGP, PCI-Express) для
видеокарт на материнской плате,
но бывает и встроенной.
21

22.

23.

Обычно звуковая карта
является платой
расширения
и вставляется в
специальный разъём
(ISA, VLB, PCI, AGP, PCIExpress) для звуковых карт
на материнской плате, но
бывает и встроенной.

24.

ВНЕШНЯЯПАМЯТЬ
КОМПЬЮТЕРА
Внешняя память - это память, предназначенная для
длительного хранения программ и данных. Целостность
содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или
выключен компьютер
В состав внешней памяти входят:
1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
3) накопители на оптических дисках (CD-ROM);
5) Flash память и др.

25.

НЖМД (винчестер) представляют собой несколько
алюминиевых дисков с магнитным покрытием,
заключенных в единый корпус с
электродвигателем, магнитными головками и
устройством позиционирования. К магнитной
поверхности диска подводится записывающая
головка, которая перемещается по радиусу диска с
внешней стороны к центру. Во время работы
дисковода диск вращается.

26.

Винчестеры
ЖМД = жесткий магнитный диск
HDD = hard disk drive
Емкость: до 5 Тбайт
Частота вращения: 7200, 10000, 15 000 об/мин
Подключение: IDE, SATA
внешние винчестеры

27.

Твердотельный накопитель SSD
(solid-state drive)
На основе микросхем памяти
(ноутбуки, нетбуки, телефоны, планшеты)
•не шумят
•высокая скорость чтения и записи
•небольшой вес
•малая чувствительность к
магнитным полям
Различают 2 вида SSD накопителей:
SSD на основе энергонезависимой памяти (RAM SSD);
SSD на основе энергозависимой памяти (NAND SSD);

28.

RAM SSD. Построены на использовании энергозависимой
памяти характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и
поиском информации. Используются, в основном, для
ускорения работы крупных систем управления базами
данных и мощных графических станций. Такие накопители,
как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения
данных при потере питания, а более дорогие модели —
системами резервного и/или оперативного копирования.
NAND SSD. Накопители, построенные на использовании
энергонезависимой памяти, более низкой стоимостью. До
недавнего времени существенно уступали традиционным
накопителям в чтении и записи, но компенсировали это
(особенно при чтении) высокой скоростью поиска
информации (сопоставимой со скоростью оперативной
памяти). Характеризуются относительно небольшими
размерами и низким энергопотреблением.

29.

Преимущества по сравнению с жёсткими дисками
отсутствие движущихся частей;
низкая потребляемая мощность;
полное отсутствие шума от движущихся частей и
охлаждающих вентиляторов;
высокая механическая стойкость;
широкий диапазон рабочих температур;
малый размер и вес.
Недостатки полупроводниковых накопителей
ограниченное количество циклов перезаписи: обычная
(50nm MLC) флеш-память позволяет записывать данные
примерно 10 000 раз, более дорогостоящие виды памяти
(SLC) — более 100 000 раз;
высокая цена за 1 ГБ;
стоимость SSD-накопителей прямо пропорциональна
ёмкости, в то время как стоимость традиционных
жёстких дисков зависит от количества пластин и
медленнее растёт при увеличении объёма диска.

30.

Основными характеристиками памяти персонального
компьютера, влияющими на его производительность,
являются:
Объем (емкость) памяти – характеризует максимальное
количество информации, которое можно сохранить на
носителе.
Быстродействие (время доступа к памяти) – время,
необходимое для чтения и записи минимального
количества данных.
Разрядность – число бит, которые читаются или
записываются в память за одну операцию.
Доступ к памяти Память произвольного доступа – в любой
момент могут быть переданы данные (ОЗУ, жёсткий диск,
SSD. Память последовательного доступа – данные
передаются только в определенной последовательности
(например, магнитная лента).