Устройство компьютера

Устройство компьютера
§ 32. Принципы устройства компьютеров

Принципы устройства компьютеров
А. Беркс, Г. Голдстайн и Дж. фон Нейман:
«Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» (1946)
состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
принцип адресности памяти
принцип иерархической (многоуровневой) организации памяти
принцип хранимой программы
принцип программного управления

Архитектура фон Неймана
обрабатывает данные
обеспечивает выполнение программы
временное хранение данных во время обработки
долговременное хранение данных

Принцип двоичного кодирования
Все данные хранятся в двоичном коде.
проще устройства для хранения и обработки данных
Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959)

Принцип адресности памяти
оперативная память состоит из отдельных битов
группы соседних битов объединяется в ячейки
каждая ячейка имеет свой адрес (номер)
нумерация ячеек начинается с нуля
за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку

Принцип адресности памяти
Первые ЭВМ (I и II поколения)
III и IV поколения
размеры ячеек:
у первых ЭВМ – 36, 48, 60 битов
сейчас – 8 битов

Память с произвольным доступом
RAM = Random Access Memory
чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память)
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ROM = Read Only Memory
содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера
запись запрещена

Иерархическая организация памяти
Требования к памяти:
большой объём
высокая скорость доступа
Использование несколько уровней памяти:
внутренняя память (небольшой объём, высокое быстродействие)
внешняя память (большой объём, низкое быстродействие)
…

Принцип хранимой программы
Фрагмент коммутационной панели IBM-557
Код программы хранится в ПЗУ или во внешней памяти и загружается в ОЗУ для решения задач.
В гарвардской архитектуре есть отдельные области памяти для программ и данных!

Принцип программного управления
программа – это набор команд
команды выполняются процессором автоматически в определённом порядке
Счётчик адреса команд – это регистр процессора, в котором хранится адрес следующей команды.
IP (Instruction Pointer) в процессорах Intel

Основной алгоритм работы процессора
выбрать команду
записать в счётчик команд адрес следующей команды
выполнить команду
перейти к п. 1
Начальный адрес может заноситься
вручную (в первых ЭВМ)
из ПЗУ, аппаратно (тестирование, потом передача управления загрузчику операционной системы)

Что такое архитектура?
Архитектура компьютера – это общие принципы построения конкретного семейства компьютеров (PDP, ЕС ЭВМ, Apple, IBM PC, …).
принципы построения системы команд и их кодирования
форматы данных и особенности их машинного представления
алгоритм выполнения команд программы
способы доступа к памяти и внешним устройствам
возможности изменения конфигурации оборудования
К архитектуре НЕ относятся особенности конкретного компьютера: набор микросхем, тип жёсткого диска, ёмкость памяти, тактовая частота и т.д.

Устройство компьютера
§ 33. Магистрально-модульная организация компьютера

Типы компьютеров
настольные (desktop)
переносные (ноутбуки)
нетбуки (нет привода DVD)

Типы компьютеров
планшетные
смартфоны и карманные персональные компьютеры (КПК)

Типы компьютеров
суперкомпьютеры
«Ломоносов»

Взаимодействие устройств
Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

Контроллеры
Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных.

Архитектура современных компьютеров
Магистрально-модульная архитектура: набор устройств (модулей) легко расширяется путём подключения к шине (магистрали).
Принцип открытой архитектуры (IBM):
спецификация на шину (детальное описание всех параметров) опубликована
производители могут выпускать новые совместимые устройства
на материнской плате есть стандартные разъёмы
нужны драйвера (программы управления) для каждого устройства

Обмен данными с внешними устройствами
Программно-управляемый обмен – все операции ввода и вывода предусмотрены в программе, их полностью выполняет процессор.
простота
не нужно дополнительное оборудование
процессор долго ждёт медленные устройства

Обмен данными с внешними устройствами
Обмен по прерываниям – внешнее устройство передаёт процессору запрос на обслуживание (прерывание).
процессор прерывает выполнение программы и …
переходит на программу обработки прерывания и …
возвращается к прерванной программе
процессор не ждёт устройства
всю работу выполняет процессор
Контроллер прерываний – использует приоритет различных типов прерываний

Обмен данными с внешними устройствами
Прямой доступ к памяти (ПДП)
DMA = Direct Memory Access
обмен данными выполняет внешнее устройство по команде центрального процессора.
процессор готовит обмен:
программирует контроллер ПДП
контроллер ПДП пересылает данные
процессор загружен минимально
сложность (нужен контроллер ПДП)

Устройство компьютера
§ 34. Процессор

Что такое процессор?
Процессор – это устройство, предназначенное для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.
AЛУ = арифметико-логическое устройство, выполняет обработку данных
УУ = устройство управления, которое управляет выполнением программы и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера

АЛУ
2 регистра
сумматор
схема управления операциями
Регистр состояния процессора – биты устанавливаются по результату R последней операции
бит Z (zero) – установлен, если R = 0
бит N (negative) – установлен, если R < 0
бит C (carry) – установлен, если произошел перенос
R ≤ 0: N or Z
R ≥ 0: not N

Устройство управления
извлечение из памяти очередной команды
расшифровка команды, определение необходимых действий
определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные
занесение в АЛУ исходных данных
управление выполнением операции
сохранение результата
команда
генератор тактовых импульсов

Регистры общего назначения (РОН)
Для процессоров Intel:
H = High
(старший байт)
L = Low (младший байт)
Обработка 8-, 16-, 32- и 64-битовых данных.
Есть RBX, RCX, RDX и др…

Основные характеристики процессора
Тактовая частота — количество тактовых импульсов в секунду.
1 ГГц (гигагерц) = 1 млрд герц
Разрядность — это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обработать за одну команду.
разрядность регистров
разрядность шины данных
разрядность шины адреса R
Величина адресного пространства 2R байтов

Система команд процессора
команды передачи (копирования) данных
арифметические операции
логические операции, например «НЕ», «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ»
команды ввода и вывода
команды переходов (условного, безусловного)
Intel 8080 → Pentium III → Core i7

Система команд процессора
81 C 2 01 01
код операции ADD (сложить регистр и число)
код регистра DX
число 10116
ADD DX, 101h
DX := DX + 10116
на языке ассемблера

Система команд процессора
CISC = Complex Instruction Set Computer, компьютер с набором сложных команд
команды разной длины
есть сложные команды (умножение, деление, …)
команды выполняются за разное число тактов
есть операции с данными в памяти
мало регистров
удобство программирования
сложно проектировать процессор
ниже быстродействие

Система команд процессора
RISC = Reduced Instruction Set Computer, компьютер с набором упрощённых команд
команды одинаковой длины (32 бита, …)
только простые команды (сложение и т.п.)
команды выполняются за 1 такт
только две операции с памятью – чтение (LOAD) в регистр и запись (STORE) из регистра
много регистров (32, …)
проще аппаратура
выше быстродействие
сложнее писать программы

Устройство компьютера
§ 35. Память

Что такое компьютерная память?
Память — это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу команд программы и данных.
внутренняя или основная (для хранения программ и данных в момент решения задачи), ОЗУ и ПЗУ
внешняя или долговременная (… на длительный срок)

Внутренняя память
RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в любом порядке.
ОЗУ = оперативное запоминающее устройство
на электронно-лучевых трубках
на магнитных сердечниках
сейчас:
на триггерах (статическая):
регистры, кэш-память
на полупроводниковых
конденсаторах (динамическая):
большая ёмкость
меньшая стоимость
меньшее быстродействие
потребляет больше электроэнергии

Внутренняя память – ПЗУ
ПЗУ = постоянное запоминающее устройство
первые: информация заносится только на заводе
затем программируемые ПЗУ
затем перепрограммируемые ПЗУ (флэш-память)
Минимальный набор программ:
тестирование компьютера
программа начальной загрузки
программы для обмена данными с клавиатурой, монитором, принтером
В компьютерах IBM PC:
BIOS = Basic Input/Output System

Внешняя память
Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
Устройства внешней памяти = накопители:
на магнитных дисках
на оптических дисках
флэш-память
…
контроллер

Внешняя память
данные располагается блоками (на дисках – сектора)
блок данных читается и пишется как единое целое; работать с частью блока невозможно
прежде чем процессор сможет использовать программу или данные, их нужно загрузить из внешней памяти в ОЗУ
обменом данными управляют контроллеры

Виды внешней памяти
перфоленты, перфокарты
магнитные ленты, магнитные диски

Виды внешней памяти
оптические диски
флэш-память

Чтение данных в ОЗУ
шина
1. Передача «задания» контроллеру
2. Ввод данных в ОЗУ

Иерархия памяти
процессор
компьютер
объем
быстродействие,
стоимость бита
регистры
ОЗУ
компьютерные сети

Кэш-память
Кэш-память — это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счёт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.
статическая память (на триггерах)
нет собственных адресов ячеек
кэш программ и данных отдельно
процессор
кэш-память
контроллер кэш-памяти
1-й раз
2-й раз
ОЗУ

Кэш-память
Проблемы:
небольшой объём, быстро заполняется
при изменении данных в регистрах нужно обновлять кэш
Решаются контроллером кэш-памяти.

Виртуальная память
использование сред быстрой разработки программ (RAD) – увеличение размера программы
увеличение объема обрабатываемых данных (до Тбайтов)
запуск нескольких программ одновременно
адресное пространство процессора
страницы виртуальной памяти

Основные характеристики памяти
Информационная ёмкость — это максимально возможный объём данных, который может сохранить данное устройство памяти (Гбайт, Тбайт, …).
Для дисков – форматированная («полезная») ёмкость и неформатированная (+ место для служебной разметки)
Время доступа — интервал времени от момента посылки запроса информации до момента получения результата на шине данных.
ОЗУ – наносекунды(1 нс = 10–9 с)
жёсткие диски — миллисекунды (1 мс = 10–3 с).

Основные характеристики памяти
Средняя скорость передачи данных — это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (Мбайт/с).
для дисков – частота вращения
стоимость 1 бита или стоимость 1 Гбайта

Устройство компьютера
§ 36. Устройства ввода

Что такое устройство ввода?
Устройством ввода называется устройство, которое: позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере.
сенсорная панель
(touchpad)
микрофон
джо йстик
графический
планшет
датчики
мышь
сканер
флэш-диск
сетевая карта
жесткий диск

Клавиатура
Мембранная
Механическая
простая и дешёвая
недолговечна (1-10 млн нажатий)
со временем свойства ухудшаются (залипание, нужны бόльшие усилия)
реакция быстрее
20-50 млн нажатий
характеристики не меняются
дороже
тяжелее

Контроллер клавиатуры
опрашивает клавиши; фиксирует их нажатие или отпускание;
хранит скан-коды нескольких последних нажатых или отпущенных клавиш;
посылает требование прерывания центральному процессору, передаёт ему скан-коды;
управляет индикаторами клавиатуры;
диагностика неисправностей клавиатуры
центральный
процессор
контроллер клавиатуры
буфер клавиатуры
прерывание
скан-коды

Манипуляторы
Мышь (оптическая)
приемное устройство
(адаптер, USB)
Лазерные мыши:
подсветка лазером
более контрастное
изображение
точность выше
Характеристики:
разрешение ≈ 1000 dpi
количество кадров в секунду
(до 10000)
размер кадра (16×16, 32×32)

Манипуляторы
Трекбол
Сенсорная панель (тачпад)
Трекпоинт
Джойстик
Игровые манипуляторы
мультитач – реакция на касание в нескольких местах одновременно

Сканеры
со слайд-модулем
Сканер – устройство для ввода изображений.
барабанные
планшетные
рулонные
ручные

Сканеры
ppi = pixels per inch, пиксели на дюйм
150-300 ppi – низкое разрешение
300 ppi – сканирование любительских фото
до 5400 ppi – сканирование фотопленки
планшетные – до 5400 ppi
барабанные – до 14400 ppi
рулонные – до 800 ppi
Ввод текста
OCR = Optical Character Recognition, оптическое распознавание символов
ABBY FIneReader, CuneiForm
Разрешающая способность — это максимальное количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.

Сканирование

Устройства ввода
Микрофоны
Датчики
датчик
АЦП
компьютер
101001010101
Веб-камера
Графический планшет

Устройство компьютера
§ 37. Устройства вывода

Что такое устройства вывода?
Устройства вывода — это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком.
сенсорный экран
колонки
плоттер
МФУ
датчики
монитор
принтер
флэш-диск
сетевая карта
жесткий диск

Первые устройства вывода
700707708
Рг2 = ?
АЦПУ = алфавитно-цифровые печатающие устройства

Плоттеры (графопостроители)

Мониторы
Монитор = дисплей + электронные схемы управления
электронно-лучевые
жидкокристаллические (ЖК)
очень малое излучение
малые размеры и вес
потребляют мало
электроэнергии (40 Вт)
нет искажений изображения
хуже цветопередача (чёрный цвет?)
изображение зависит от угла зрения
смазывание изображения
«битые пиксели»
только одно разрешение

Мониторы
управляющий
транзистор
15’’, 17’’, 19’’, …
Разрешение — это количество точек экрана по ширине и по высоте.
1280×1024, 1440×900, 1366×768, …
Соотношение сторон 4:3, 5:4, 16:9
Углы обзора 160° … 178°
Время отклика 2…8 мс

Принтеры
Принтер – устройство для вывода информации на бумагу или пленку.
Разрешающая способность
dpi = dots per inch, точки на дюйм
обычно 300 – 600 dpi
1200 dpi (типографское качество)
Виды принтеров
матричные (красящая лента)
струйные (чернила)
лазерные (порошок)
сублимационные (красящая лента)

Матричные принтеры
Качество печати:
72…300 dpi
текст: до 337 символов в минуту
графика: до 5 мин на страницу!!!
дешевые принтеры и ленты
нетребовательны к бумаге
невысокое качество низкая скорость печати графики
шумят
черно-белые (почти все)

Струйные принтеры
Качество печати:
300…4800 dpi
ч/б: до 30 стр/мин
цвет: до 30 стр/мин
фото 10×15:
от 10 сек
относительно дешевые
качественная печать
мало шумят
большинство – цветные
требовательны к бумаге
дорогие катриджи
чернила расплываются от воды
цвет: CMYK

Лазерные принтеры
Качество печати:
600…1200 dpi
ч/б: до 50 стр/мин
цвет: до 25 стр/мин
становятся все дешевле
очень качественная печать
мало шумят
есть цветные
требовательны к бумаге
дорогие катриджи
потребляют много электроэнергии
цветные дорогие

Сублимационные принтеры
качество печати:
300 dpi
(= 4800 dpi)
фото 10×15:
около 1 мин
твердые красители:
256 оттенков каждого цвета, всего 16,7 млн. цветов
печать при нагреве
верхний защитный слой
Сублимация – быстрый переход вещества из твердого состояния в газообразное.
очень качественная печать фото
не выцветает 100 лет
печать прямо с фотоаппарата
специальная бумага и пленки с красками

3D-принтеры
3D-принтер — устройство, которое создает физический объект по слоям на основе его цифровой трёхмерной модели.
3D = 3-dimensions, трёхмерный

Устройства ввода и вывода
Сенсорный экран
мультитач – реакция на касание экрана в нескольких местах одновременно

Конец фильма
ПОЛЯКОВ Константин Юрьевич
д.т.н., учитель информатики
ГБОУ СОШ № 163, г. Санкт-Петербург
[email protected]
ЕРЕМИН Евгений Александрович
к.ф.-м.н., доцент кафедры мультимедийной дидактики и ИТО ПГГПУ, г. Пермь
[email protected]