Как работает CPU: интерактивный урок для начинающих. Как устроен процессор компьютера
Как устроен компьютер и что входит в его состав?
Один из первых вопросов, который возникает у начинающих пользователей: «Как устроен компьютер?» Ведь для того чтобы уверенно на нем работать, необходимо понимать его организацию и разбираться в том, что входит в его состав. Именно эта информация и будет рассмотрена в рамках данной статьи.
Общий вид
В состав любого современного персонального компьютера входят следующие элементы:
- Монитор.
- Системный блок.
- Устройства ввода и вывода.
Монитор предназначен для вывода информации. С его помощью легко и просто организуется взаимодействие пользователя с ЭВМ. Системный блок связывает между собой отдельные компоненты, расположенные снаружи. К нему подключается монитор и вся периферия. А вот то, как устроен компьютер внутри системного блока, будет описано в следующем разделе. Сюда входит множество компонентов, и их необходимо рассмотреть отдельно. Теперь выясним то, как устроен компьютер с позиции организации ввода и вывода. К этому классу устройств относится вся его периферия. Это и мышка, и клавиатура, и сканер, и принтер. Первые три используются только для ввода информации. Последний выводит ее на бумаге. Сейчас все большую популярность приобрели многофункциональные устройства, которые объединяют в себе не только принтер со сканером, но и копировальный аппарат.
Системный блок
В системном блоке размещены следующие компоненты персонального компьютера:
- Процессор с вентилятором для охлаждения.
- Видеокарта.
- Материнская плата.
- Оперативная память.
- Жесткий диск.
- Блок питания.
- Картридер.
- Привод компакт-дисков.
Процессор – это главный чип в системе. Он устанавливается на материнскую плату. В его состав входят устройство управления, кеш (быстрая память для хранения наиболее важных данных), регистры памяти и арифметически-логическое устройство. Это и есть то, как устроен процессор компьютера. Он сильно греется во время работы. Поэтому для его охлаждения используют вентиляторы, которые называются кулерами.
Видеокарта устанавливается в главную плату ПК. Основная ее задача – это вывод изображения на экран монитора. Она оснащена для этих целей отдельной мощной микросхемой и своей собственной памятью. Материнская плата является объединяющим элементом всей системы. На ней все устанавливается или подключатся.
Подсистема хранения информации на ПК состоит из двух компонентов: энергозависимого и длительного хранения. В первом случае это оперативная память, которая имеет высокое быстродействие, но при отключении полностью обнуляется. А вторая – это жесткий диск, который сохраняет данные длительное время. Это и есть то, как устроена память компьютера.
Блок питания отвечает за организацию энергоснабжения системы. Это отдельная «коробочка», которая устанавливается сверху или снизу тыльной стороны системного блока. Картридер и привод компак-дисков схожи между собой. Они работают со сменными носителями информации. Первый организует работу с различными видами флешек, а второй – с компакт-дисками (CD, DVD и Blu-ray, в зависимости от модели).
Заключение
Важно понимать, как устроен компьютер. За счет этого будет проще на нем работать. Также при появлении неисправностей появится возможность их диагностировать и устранить. Именно с этой позиции нужно знать и понимать устройство современной ЭВМ.
fb.ru
интерактивный урок для начинающих / Хабр
Урок состоит из 8 интерактивных примеров.
1. Бинарное счисление.
2. Логические операции на примере штриха Шеффера (NAND gate).
Штрих Шеффера (NAND gate) 3. Триггер. Демонстрирует, как хранится информация в компьютере. Верхний переключатель изменяет значение бита, а нижний включает/отключает хранение.
D-триггер (триггер задержки)
Восемь триггеров сохраняют 1 байт информации.
4. Логические операции AND, OR, XOR. Щёлкая мышкой по входящим значениям, можно наглядно посмотреть, как они работают.
Что делать с числами, которые мы храним в памяти?
5. На схеме показано устройство под названием сумматор, которое складывает два бита. Если нужно сложить несколько бит, то последовательно используется несколько сумматоров: вход одного (carry in) подключается к выходу другого (carry out).
Опять же, это интерактивная схема.
Далее, как из калькулятора сделать компьютер?
6. Программирование.
С точки зрения CPU, программа не отличается от данных в том смысле, что здесь такой же двоичный код. Но он воспринимаются как инструкции. Например:
| Инструкция | Код | |
| «Добавить одно число к другому» | 00000001 | |
| «Вычесть одно число из другого» | 00000010 |
00000001 00000101 00000111 (сложить)(адрес № 5)(адрес № 7)
7. Набор инструкций CPU.
8. Эмулятор CPU.
Здесь автор предлагает поиграться с простым эмулятором процессора, указывая инструкции в отдельных ячейках памяти. При этом инструкции меняют значение других ячеек, где тоже хранятся инструкции. Можно придумать забавные рекурсии. Компьютер понимает три инструкции: сложение, вычитание и перемещение данных из одной ячейки в другую.
Simple CPU на Github
Об автореP.S. Интересно, что проект родился на форумах Reddit, а его автор — только что закончивший школу пользователь r00nk. Поскольку r00nk двоечник, его сейчас не берут ни в один хороший колледж, так что он пытается пройти курс информатики самостоятельно, попутно изучая OpenGL.habr.com
Процессор(CPU) - сердце компьютера
«Дареному процессору в кулер не дуют.»
Неизвестный автор
Важность процессора для любого персонального компьютера трудно переоценить. Это электронное устройство сравнительно мало по размерам, но потребляет значительный процент энергии, получаемой от блока питания, а его стоимость составляет львиную долю стоимости компьютера. Не случайно многие люди, обычно не очень сведущие в компьютерной терминологии, ассоциируют процессор с самим компьютером. Хотя это, конечно же, ошибочная точка зрения, но причины подобной ассоциации нетрудно понять. Ведь процессор вполне можно уподобить мозгу компьютера, и в таком случае он будет олицетворять суть компьютера, и идентифицировать его точно так же, как мозг человека олицетворяет суть человека и идентифицирует его личность.
Следует сразу оговориться, что в этой статье будет рассказано в основном о центральном процессоре компьютера, так называемом CPU (Central Processing Unit), между тем, как к процессорам относятся и многие вспомогательные чипы, расположенные в компьютере, как, например, процессор видеокарты или звуковой карты. Тем не менее, принципы работы, характерные для CPU, во многом справедливы и для других типов чипов.
Содержание статьи
Немного истории
Первые процессоры появились на самой заре зарождения компьютерных технологий. А бурное развитие микрокомпьютерной техники во многом являлось следствием появления первых микропроцессоров. Если раньше все необходимые элементы CPU были расположены на различных электронных схемах, то в микропроцессорах они впервые были объединены на одном-единственном кристалле. В дальнейшем под термином «процессор» мы будем иметь в виду именно микропроцессоры, поскольку эти слова давно превратились в синонимы.
Микропроцессор i4004 — прадедушка сегодняшних CPU
Одним из первых микропроцессоров был четырехразрядный процессор фирмы Intel i4004. Он имел смехотворные по нынешним временам характеристики, но для своего времени – начала 1970-x гг., его появление представляло собой настоящий технологический прорыв. Как можно догадаться из его обозначения, он был четырехразрядным и имел тактовую частоту около 0,1 МГц. И именно его прямой потомок, процессор i8088, был выбран фирмой IBM в качестве «мозга» первого персонального компьютера фирмы IBM PC.
Процессор i8088 использовавшийся в первом персональном компьютере фирмы IBM
Шли годы, характеристики CPU становились все более серьезными и внушительными, и, как следствие, становились все более солидными характеристики персональных компьютеров. Значительной вехой в развитии микропроцессоров стал i80386. Это был первый полностью 32-разрядный CPU, который мог адресовать к 4 ГБ оперативной памяти, в то время как большинство его предшественников могло работать максимум с 640 КБ ОЗУ. Подобная разрядность микропроцессоров настольных компьютеров продержалась довольно долго, почти два десятилетия. В середине 80-х объем ОЗУ в 4 ГБ казался фантастически огромным, но сейчас его можно считать небольшим для серьезного компьютера.
i80386 — первый полностью 32-разрядный CPU
Следующий микропроцессор компании Intel, 486DX, замечателен тем, что в нем впервые появился внутренний кэш – внутренняя оперативная память микропроцессора. Кроме того, в нем было применено много других усовершенствований, которые во многом определили дальнейшую эволюцию микропроцессоров. То же самое можно сказать и про следующий процессор компании Intel, Pentium.
Intel 486DX — первый процессор с внутренним кэшем
Процессор компании Intel — Pentium
Вместе с CPU Pentium 4 в ряду технологий, использующихся в микропроцессорах, появилась технология Hyper Threading. А процессоры Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel открыли современную эпоху эволюции CPU, эпоху процессоров, имеющих несколько ядер. Сейчас на рынке представлено много CPU от различных производителей, но главными производителями до сих пор остаются две компании – Intel и AMD, причем на долю первой приходится более 80% рынка.
CPU Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel
Устройство CPU
Любой CPU имеет вычислительное ядро (иногда их бывает несколько), а также кэш, то есть собственную оперативную память. Кэш обычно имеет два уровня – первый и второй (внутренний и внешний). Внутренний имеет меньший объем, но обладает большим быстродействием по сравнению с внешним. Емкость кэша второго уровня современных CPU составляет несколько мегабайт – больше, чем оперативная память первых персональных компьютеров!
В ядре CPU находится несколько функциональных блоков – блок управления, блок выборки инструкций, блок вычислений с плавающей точкой, блок целочисленных вычислений, и.т.д. Также в ядре располагаются главные регистры processor-а, в которых находятся обрабатываемые в определенный момент данные. В классической схеме микропроцессора архитектуры х86 этих регистров всего 16.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили две основные разновидности процессоров – CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). В CISC-процессорах мало внутренних регистров, но они поддерживают большой набор команд. В RISC-процессорах регистров много, зато набор команд ограничен. Традиционно микропроцессоры для персональных компьютеров архитектуры Intel х86 принадлежали к классу CISC-процессоров, однако в настоящее время большинство микропроцессоров представляют собой гибрид этих двух архитектур.
Если рассмотреть CPU на аппаратном уровне, то он является, по сути, огромной микросхемой, расположенной на цельном кристалле кремния, в которой содержатся миллионы, а то и миллиарды транзисторов. Чем меньше размеры транзисторов, тем больше их содержится на единицу площади CPU, и тем больше его вычислительная мощность. Кроме того, от размеров транзисторов зависит энерговыделение и энергопотребление процессора — чем меньше их размер, тем эти характеристики процессора меньше. Этот фактор немаловажен, так как CPU является наиболее энергоемким устройством современного ПК. Поэтому проблема уменьшения нагрева процессора входит в число самых важных, стоящих перед разработчиками ПК и самих процессоров.
Отдельно стоит сказать о корпусе, в котором находится CPU. Обычно материалом корпуса процессора служит керамика или пластик. Первоначально процессоры намертво впаивались в системную плату, сейчас же большинство вставляются в специальные гнезда – сокеты. Такой подход заметно упростил модернизацию системы пользователем – достаточно вставить в разъем другой CPU, поддерживаемый данной системной платой, и вы получите более мощный компьютер.
Сокет современного процессора
С другими устройствами процессор связан при помощи специальных каналов связи (шин) – шины памяти, шины данных и шины адреса. Разрядность последней очень важна, поскольку от этого параметра зависит объем доступной CPU, а значит, и программам, оперативной памяти.
Принцип работы
Для обработки данных управляющее устройство CPU получает из оперативной памяти или кэша процессора сами данные, а также команды, которые описывают процесс обработки данных. Данные помещаются во внутренние регистры микропроцессора, и над ними производятся операции при помощи арифметико-логического устройства в соответствии с поступившими командами.
Принцип работы процессора
Работу CPU синхронизируют так называемые тактовые сигналы. Наверняка каждому пользователю известно понятие тактовой частоты, которая отражает количество тактов работы процессора за секунду. Это значение во многом определят характеристики процессора. Тем не менее, производительность компьютера далеко не всегда пропорциональна его тактовой частоте. И дело тут не только в наличии у современных CPU нескольких ядер, а и в том, что разные процессоры имеют разную архитектуру и, как следствие, могут выполнять разное количество операций за секунду. Современные CPU могут выполнять несколько операций за один такт, тогда как у первых микропроцессоров на одну операцию, наоборот, могло уходить несколько тактов.
CPU архитектуры х86 исторически поддерживают следующие режимы работы процессора:
- Реальный
- Защищенный
- Виртуальный
- Режим супервизора
Реальный режим работы был единственным режимом, в котором работали все CPU до i80386. В этом режиме processor мог адресовать лишь 640 КБ ОЗУ. В результате появления защищенного режима процессор получил возможность работать с большими объемами оперативной памяти. Также существует разновидность защищенного режима – виртуальный режим, предназначенный для совместимости со старыми программами, написанными для процессоров 8086.
Режимы работы процессора также включают режим супервизора, который используется при работе в современных операционных системах. В этом режиме программный код имеет неограниченный доступ ко всем системным ресурсам.
Заключение
В этой статье вы в общих чертах познакомились с назначением центрального CPU, его историей, устройством, узнали про режимы работы процессора и ознакомились с принципами его функционирования. Central Processing Unit – это самое сложное и наиболее важное устройство компьютера. Можно смело утверждать, что развитие компьютерной техники во многом взаимосвязано с прогрессом в развитии CPU. От мощности микропроцессора и его особенностей его работы зависит производительность всего компьютера, а также возможности его отдельных компонентов.
Порекомендуйте Друзьям статью:
biosgid.ru
Как устроен компьютер. Часть 1
Как устроен компьютер
Компьютеры давно и прочно вошли в нашу жизнь. Сложно представить — что было бы, если бы они вдруг исчезли!
Мы часто автоматическим движением нажимаем на кнопку включения, ждем минуту-другую, пока компьютер загружается.
И потом начинаем делать на нем какую-то работу, постукивая по клавиатуре.
И не задумываемся, что при этом происходит в его недрах.
Про то, как работают компьютерные устройства можно написать (и написано уже) сотни статей.
Мы постараемся в данной статье посмотреть под практическим углом зрения на то, как устроено это чудо техники.
Существует большое число видов компьютеров — настольные, портативные (ноутбуки, нетбуки и иже с ними), мэйнфрэймы (суперкомпьютеры в шкафах, вроде тех, которые используют для предсказания погоды) и другие. Мы рассмотрим начинку настольного компьютера, который называют еще персональным (ПК).
Как устроен настольный компьютер
Основная часть настольного (desktop) компьютера — это системный блок.
Это тот «сундук», в который вставляется множество проводов, в том числе и кабель питающего напряжения 220 В.
Результаты нашей работы отображаются на мониторе.
Информация вводится в компьютер с помощью клавиатуры и манипулятора «мышь».
И монитор, и клавиатура, и мышь подключаются к соответствующим разъемам системного блока.
Снимем боковую крышку системного блока и заглянем внутрь.
В верхней части видим
Блок питания
Блок питания (далее — БП) вырабатывает из переменного сетевого напряжения 220 В несколько постоянных напряжений для питания компонентов компьютера. Он может отдавать мощность от 300 до 600 Вт и более.
В производительных компьютерах, имеющих мощные процессоры, графические видеокарты и дополнительные устройства на борту, применяются БП повышенной мощности. В серверах (еще более мощных компьютерах, имеющих несколько процессоров и управляющих локальными вычислительными сетями) могут применяться БП мощностью 1 кВт и больше.
Вначале сетевое напряжение выпрямляется и превращается с помощью фильтра в постоянное. Затем инвертор превращает его в переменное с частотой в несколько десятков килогерц. Это переменное напряжение понижается импульсным трансформатором с несколькими обмотками. Затем оно выпрямляется и фильтруется, превращаясь в несколько нужных нам постоянных.
Ввиду того, что преобразование выполняется на относительно высокой частоте (а не на частоте сети 50 Гц) размеры трансформатора (и всего БП) при достаточно большой мощности получаются небольшими. БП содержит в себе один или два вентилятора, охлаждающих его компоненты и заодно пространство системного блока.
При этом воздух втягивается через щели, протягивается через системный блок и выбрасывается вентилятором наружу. В воздухе всегда есть пыль, которая постепенно скапливается внутри компьютера, особенно в радиаторе процессора и самом БП. Она ухудшает теплоотдачу, поэтому ее надо периодически (хотя бы раз в год) удалять.
Отметим, что в БП могут применяться вентиляторы разных диаметров — от 80 до 130 мм. Вентилятор большего диаметра при одной и той же производительности имеет меньшие обороты и поэтому меньше шумит.
Разъемы блока питания
Выходные напряжения БП выводятся на разъемы разноцветными проводниками:
- +5 В — проводниками красного цвета,
- +12 В — проводниками желтого цвета,
- +3,3 В — проводниками оранжевого цвета,
- общие — проводниками черного цвета.
БП имеет несколько разъемов, основной из них — 24 контактный, который вставляется в материнскую плату. В старых блоках питания использовался 20 контактный разъем. Другие разъемы, с меньшим числом контактов, используются для подачи напряжений на винчестер, привод DVD и видеокарту (если требуется). Заканчивая краткий рассказ о БП, отметим, что он снабжен схемами защиты от перегрузки и короткого замыкания.
Материнская плата
Если мы переведем взгляд ниже, увидим материнскую плату, основную часть компьютера.
Материнская плата представляет собой кусок изоляционного материала с токопроводящими дорожками и напаянными деталями и разъемами. В эти разъемы могут вставляться:
- процессор,
- модули памяти,
- платы расширения,
- разъем блока питания,
- провода дополнительных разъемов, индикации и кнопок,
- 3 В литиевая батарейка.
Разъем для процессора
Больше всего контактов в разъеме для процессора. Современные процессоры имеют более тысячи контактов. Процессоры могут иметь выводы (или pins, пины) или контактные площадки («пятачки»). Разъем для процессоров сконструирован так, что обеспечивается плотный и надежный контакт между ними и ответной частью — «сокетом» (socket), установленным на плате.
Иногда (к счастью, достаточно редко) контакт ослабевает. В этом случае компьютер может не стартовать. И может сложиться ложное впечатление, что неисправна материнская плата или процессор. Повторная установка процессора в разъем решает эту проблему. В один разъем может устанавливаться несколько типов процессоров, но только одной фирмы.
В бытовых и офисных компьютерах почти всегда используются процессоры фирм «AMD» и «INTEL». Процессоры фирмы AMD нельзя установить в разъем для процессоров INTEL и наоборот. Разъем и процессор содержат ключи, поэтому процессор можно вставить только одним определенным — правильным образом.
Охлаждение процессора
Современные процессоры могут потреблять от БП мощность 100 Вт и более. Это большая величина, поэтому на процессор устанавливают Cooler (охладитель), состоящий из металлического радиатора и вентилятора. Радиаторы могут быть только из алюминиевого сплава или из алюминиевого сплава с медной вставкой.
Медь проводит тепло лучше алюминия, поэтому вставку впрессовывают в центр радиатора, в месте контакта с металлической крышкой процессора. Между процессором и радиатором наносится тонкий слой теплопроводящей смазки, улучшающей тепловой контакт. Иногда может применяться жидкостная система охлаждения.
Она устанавливается в том случае, если невозможно установить достаточно громоздкий охладитель непосредственно на процессор из-за недостатка места. В этом случае тепло отводится жидкостью по трубкам к охладителю, установленному в удобном месте.
Вентилятор управляется схемой управления, расположенной на материнской плате. Если температура процессора в процессе работы увеличивается, схема управления отслеживает это и увеличивает обороты вентилятора. Отметим, что для охлаждения процессоров используются более качественные вентиляторы, с бОльшим ресурсом работы, чем в БП.
Модули памяти
Следующая группа разъемов используется для установки модулей оперативной памяти. Разъемы содержат защелки, а модули — выступ на коротких сторонах, что позволяет надежно фиксировать модуль в разъеме. Кроме того, на нижней стороне модуля (там, где контакты) есть еще один ключ в виде выреза. Это исключает установку модулей не подходящих к данной плате типов.
На плате могут устанавливаться один или несколько модулей. В настоящее время емкость модулей памяти исчисляется гигабайтами (Gb). Современный модуль DDR3 имеет 240 контактов.
Контакты расположены по обеим сторонам модуля, поэтому такие модули называются DIMM (Dual In-line Memory Module, двухсторонний модуль памяти). Контакт в разъеме достаточно надежен, но иногда он может ослабевать, и компьютер при включении не подает «признаков жизни» или издает длинные гудки.
Повторная установка модулей решает эту проблему. Переставить модуль памяти легче, чем процессор, ведь для этого не надо наносить теплопроводящую пасту.
Переставлять модуль памяти и процессор нужно только тогда, когда компьютер выключен, и шнур питания вынут из розетки.
В следующей части статьи мы продолжим краткое знакомство с устройством компьютера.
vsbot.ru
Просто о сложном: как работает компьютер?
Полагаю, что раз вы уже читаете данную статью с Интернет-ресурса, значит, с таким устройством, как компьютер, знакомы, видели его и представляете, как оно выглядит.
А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, как работает компьютер? Ведь кроме таких, безусловно, важных составляющих, как монитор, системный блок, клавиатура и мышка, есть еще и компоненты, которые можно увидеть, только заглянув внутрь. Это видеокарта, оперативная память, винчестер и процессор.
Хотя если вы не обладаете необходимым багажом знаний, то открывать крышку вашего системного блока или раскручивать монитор я бы вам не советовала. Во-первых, можно что-то непоправимо сломать, а во-вторых, все равно ведь ничего не поймете.
Предлагаю начать с чисто теоретических знаний.
Раздел 1. Как работает компьютер? Воображение, господа, воображение!
Итак, я думаю, мы уже определились с тем, что никто пока не будет пытаться расковырять и раскурочить системный блок, чтобы лучше познакомиться с его содержимым.
Как же иначе?
Предлагаю представить себе рисунок. Не какой-нибудь шедевр мировой живописи, а скорее что-то наподобие детских каракулей. Письменный стол с выдвижными полочками, на котором стоит наш компьютер, состоящий из монитора, системного блока, клавиатуры, мышки, и, пожалуй, добавим еще парочку колонок. Ну как, представили? Теперь рядышком со всем этим изобразите человечка, в данном случае, себя. Готово?
Теперь открою вам тайну: вот этот человечек – это на самом деле очень-очень мощный двуядерный процессор типа INTEL (ну, или ATLON). Хотя вполне возможно, что он вовсе и не двуядерный… В данном случае это не столь важно. Возникает вполне логичный вопрос о том, а почему именно процессорю Да потому что это устройство подобно мозгу современного человека способно просчитывать наперед тысячи различных операций. Это своеобразный мозг, а как работать с компьютером без мозга? Никак!
Идем дальше. Монитор, изображенный на нашем виртуальном рисунке, будет видеокартой. Поверхность письменного стола превратим в оперативную память, а вот ящички стола заменят нам жесткий диск, называемый еще винчестером. Теперь «подключим» все к материнской плате (ну, в нашем с вами случае к основанию стола). Готово?
Именно по такому принципу подключения работает устройство.
Раздел 2. Как работает компьютер в целом и каждая из составных частей по отдельности.
Возвращаемся к нашему рисунку: вы сидите за столом, т.е. представляете собой процессор, вставленный в материнскую плату, а ваша комната – это не что иное, как системный блок.
Хватило воображения?
Представьте себе ситуацию, когда приходит обычный среднестатистический пользователь, нажимает на кнопку питания. К процессору (т.е. в данном случае к вам) поступает сигнал, и он включается в работу.
Если пользователю захочется посмотреть фильм или открыть какой-то нужный документ, он пошлет «вам» соответствующий сигнал. Вы полезете в ящичек стола (т.е. в винчестер) и откопаете там все необходимое.
Оперативная память работает в тысячи раз быстрее, чем процессор, она ускоряет процесс поиска той или иной информации. Она действительно напоминает собой поверхность стола и позволяет все необходимое хранить на виду, а не лазить каждый раз в ящики стола, затрачивая тем самым время и энергию.
Мне кажется, что сейчас каждый стремящийся узнать, как работает компьютер, вполне обоснованно спросит, а зачем же тогда нужен винчестер, если выуживать из него материал очень долго.
Все дело в том, что жесткий диск, обладающий значительным объемом, можно рассматривать, как своеобразное хранилище. Сами подумайте, что такое поверхность стола по сравнению со всем тем свободным местом, которое содержат ящички? Кроме того, оперативная память не может работать без постоянной подачи электропитания, поэтому стоит только отключить компьютер от сети, как вся сохраненная информация переместится опять на винчестер.
Раздел 3. Как работает компьютер? Заключение.
Теперь подведем итоги. Итак, всем внутри компьютера руководит процессор, он обрабатывает все хранящиеся здесь и необходимые для работы данные. Оперативная память нужна для того, чтобы ускорить работу процессора. Винчестер - это своеобразное хранилище информации.
Видеокарта, как вы, наверное, сами уже догадались, необходима для того, чтобы пользователь видел все происходящее на мониторе. Чем лучше и выше ее параметры, тем, соответственно, и качество картинки будет лучше.
Звуковая карта, которая на нашем виртуальном рисунке была представлена колонками, отвечает за все звуки на ПК, освобождая тем самым время процессора на обработку других данных. Нельзя не сказать, что сейчас в большинстве случаев она уже является встроенной в материнскую плату.
Как научится работать на компьютере человек, не зная всего вышеперечисленного. Мы же дышим и живем, хотя не каждый в курсе того, как устроены легкие или сердце. Вот так и с ПК. Можно. Вот только для некоторых, пожалуй, скучно.
fb.ru
Как работает процессор | Двигатель прогресса
May 21, 2015
Центральное процессорное устройство (англ. CPU – central processing unit) – электронный блок на котором выполняются набор машинных инструкций (арифметические и логические вычисления). Изначально этот термин относился к определенным логическим машинам, задачей которых было выполнение сложных компьютерных программ. Со временем, с начала 1960-х годов, определение центральное процессорное устройство было естественным образом перенесено на компьютеры. В настоящее время CPU реализуется в рамках компьютерного процессора (чипа), микропроцессора (интегральная схема) или многоядерного процессора.
История развития процессоров началась после Второй мировой войны. В 1946 году был разработан первый электронный компьютер общего назначения ЭНИАК (англ. ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer — Электронный числовой интегратор и вычислитель). ENIAC разрабатывался для расчетов артиллерийских таблиц, но впоследствии был перепрофилирован для решения задач широкого спектра. Первоначально результаты работы этого компьютера перепроверяли математики.
Термин CPU, как правило, означает устройство для исполнения программного обеспечения (компьютерной программы). Самые ранние устройства, которые по праву можно называть процессорами, были разработаны с появлением хранимой компьютерной программы.
Летом 1945 года математик Джон фон Нейман распространил «первый проект отчета о EDVAC» (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Проект был реализован в 1949 году командой ученых во главе с Джоном Мокли и Джоном Экертом. Главное отличие от ENIAC было использование двоичной системы, а не десятичной. EDVAC мог выполнить определенное количество инструкций (или операций) различных типов. Важно отметить, что программы, написанные для EDVAC хранились на подключаемом физическом носителе, а не в памяти компьютера. Это выгодно отличало его от ENIAC, для которого требовалось значительное время чтобы перенастроить на выполнение новых задач. Тем не менее EDVAC был не первой электронной вычислительной машиной с хранимыми в оперативной памяти программами реализовавшим архитектуру фон Неймана. Небольшой прототип, созданный в Манчестерском институте и Манчестерский Mark I, выполнили свои первые программы 21 июня 1948 года и 17 июля 1949 года соответственно.
С середины 1950-х годов и до середины 60-х прошел этап усовершенствования процессоров, связанный с применением транзисторов, которые заменили громоздкие, ненадежные и хрупкие вакуумные лампы и электрические реле. Благодаря этому усовершенствованию были построены процессоры более быстрые и более надежные на одной или нескольких печатных платах, содержащих отдельные компоненты.
В 1964 году IBM представила свой новый компьютер архитектуры System/360. Эта архитектура была использована в серии компьютеров, которые могли выполнять те же программы с разной скоростью и производительностью. Это было значимо для того времени, поскольку большинство компьютеров, даже одного производителя, были несовместимы. Чтобы решить эту задачу в IBM использовали понятие прошивки (микрокод), которая используется даже в современных процессорах. Процессоры с архитектурой System/360 были настолько популярны, что доминировали на рынке ЭВМ в течение многих десятилетий.
Компьютеры на основе транзисторов имели ряд преимуществ над своими предшественниками. Помимо повышенной надежности и низкого энергопотребления транзисторы позволяли процессору работать на гораздо больших скоростях из-за меньшего времени переключения транзистора по сравнению с лампой или реле.
В 1970 годы произошел прорыв в технологии создания процессора. Была создана интегральная схема на кристалле которой были расположены основные элементы и блоки процессора. Эта микросхема известна как микропроцессор. В 1971 году фирма Intel выпустила первый коммерчески доступный 4-разрядный микропроцессор Intel 4004. В следующие несколько лет Intel выпустили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086. Эти процессоры заложили основы архитектуры микропроцессоров для современных персональных компьютеров. Оптимальным материалом для изготовления микропроцессоров стал кремний.
В то время как за последние шестьдесят лет кардинально изменились сложность, размер, архитектура и общий вид процессора, следует отметить, что основные операции практически не изменились. Почти все общие процессы описаны архитектурой Неймана, законами Мура и др. В настоящее время по-прежнему исследуются новые методы расчета, такие, как квантовые вычисления, использование параллельных вычислений и других методов, которые усовершенствуют классическую модель фон Неймана.
Основная работа большинства процессоров заключается в последовательном выполнении определенных инструкций (вычислений), называемых программой. Есть три шага, которые используют в своей работе практически все процессоры: получение команды (чтение), декодирование и выполнение.
Первый шаг – получение инструкций. На этой стадии процессор получает инструкцию, которая представлена числом или последовательностью чисел из программной памяти. Расположение инструкции (адрес) в памяти определяется счетчиком команд. В нем хранится число, которое идентифицирует адрес следующей инструкции. После, команда извлекается, компьютер получает приращение на длину командного слова так, что она будет содержать адрес следующей команды. В зависимости от типа памяти и чипа обработки, этот шаг может быть выполнен быстро или медленно. Этот вопрос в значительной степени решен в современных процессорах кэшем.
Следующим шагом является фаза декодирования. Центральный процессор получает программный код, как инструкции. Значение числовой инструкции определяется набором команд процессора. Группы чисел в инструкции называется кодом операции, который указывает какие и в каком порядке операции выполнять. После того как процессор нашел программу и получил код он должен определить, что именно программа хочет сделать. Есть сотни различных типов языков программирования. ЦП должен быть в состоянии расшифровать тип языка программирования используемого в коде, так чтобы понять, что делать с программой дальше. По сути декодирование – это перевод команд программы с языка программирования в численные значения. В старых моделях процессоров для декодирования команд использовались аппаратные устройства. Современные ЦПУ используют микропрограмму в качестве переводчика для улучшения связи между языком программирования, который использует код и процессора. Основная работа микропрограммы заключается в том, чтобы прочитать код и переписать его таким образом, что процессор понимал его.
Третий этап – выполнение. В зависимости от архитектуры процессора, исполнение может состоять из одного действия или последовательности действий. Очень часто результаты записываются во внутренний регистр процессора для быстрого исполнения последующими инструкциями. Используя полученную и декодированную информацию процессор может запустить программу. Полученный от микропрограммы декодированный код операции позволяет процессору определить порядок выполнения кода, после чего происходит загрузка всех компонентов установленных полученной командой. Это называется выполнением кода.
Производительность или скорость процессора, помимо многих других факторов, зависит от тактовой частоты (обычно измеряется в Герцах, Гц), а также количество операций за такт. Вместе эти факторы определяют количество операций в секунду, которые может выполнять процессор.
Производительность компьютеров может быть увеличена с помощью многоядерных процессоров, которые представляют собой соединение двух или более отдельных процессоров (ядер) на одной интегральной схеме. В идеале, двухъядерный процессор должен быть в два раза мощнее одноядерного. На практике прирост производительности намного меньше, лишь около 50% из-за несовершенства алгоритмов и программной реализации.
В ближайшем будущем материальная часть процессоров будет изменена. Это неизбежно произойдет поскольку технологический процесс производства процессоров в том виде какими они известны на сегодняшний день достигает физических пределов. В перспективе есть несколько направлений.
- Оптические компьютеры, основанные на оптических или фотонных вычислениях. Вместо традиционных электрических сигналов (движение электронов) обработке подвергаются фотоны (потоки света), произведенные лазерами или светодиодами. С помощью фотонов можно значительно увеличить пропускную способность (количество обработанных сигналов) процессора.
- Квантовые компьютеры основаны на квантовой механике. Разработка этих вычислительных устройств является одной из приоритетных задач современной физики. Полноценно работающий образец пока не собран, разработка связана с множеством сложных экспериментов и теоретических исследований.
- Молекулярные компьютеры вместо традиционных кремниевых технологий используют молекулярную биологию и биохимию. Разработка молекулярных компьютеров является быстро развивающейся междисциплинарной областью. В основе лежит возможность программирования молекул на нужное поведение.
lab-37.com
Как устроен компьютер? - Интересно знать
20.02.2018 17:00 333
Как устроен компьютер?
Мы живём в современном мире высоких технологий, где компьютер стал незаменимым помощником в жизни человека. Он решает разные задачи и хранит важную информацию. Компьютеры есть во многих организациях. Иногда, когда смотришь на это устройство, возникает вопрос: а как устроен компьютер?
Стационарный компьютер – тот, что находится в школе, организации или дома, состоит из монитора, системного блока, клавиатуры, мыши и колонок. Монитор очень похож на телевизор. Благодаря ему мы видим всю нужную информацию, которую выдаёт компьютер. С помощью клавиатуры можно передавать компьютеру запросы, которые нужно получить. Клавиатура также служит для того, чтобы печатать разные тексты. Функции мыши похожи с функциями клавиатуры. Передвигая мышкой по столу, мы видим как по экрану монитора передвигается стрелка. Перемещение этой стрелки зависит от движений мышки. Стрелкой мы указываем компьютеру на то, что хотим получить.
Системный блок компьютера – это прямоугольный ящик, который стоит обычно рядом с монитором. В нём находятся разные микросхемы, благодаря которым компьютер работает. Самой большой и важной микросхемой является материнская плата. К ней подсоединяются различные проводки. На самой материнской плате установлены разъёмы или как их называют по другому – слоты. В слоты вставляются другие микросхемы: звуковая карта (отвечает за звук на компьютере), видеокарта (превращает в привычное нам изображение материалы, хранящиеся на компьютере), оперативная память (хранит программы и информацию, которую в данный момент использует компьютер).
Но самыми важными элементами в компьютере являются маленькая микросхемка ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и процессор. В ПЗУ хранятся данные. Благодаря им компьютер загружается. Эти данные ещё называют БИОС (BIOS) – микропрограммы, в которых находятся настройки компьютера. Процессор – это главная деталь компьютера, его сердце. Он расположен на специальном слоте материнской платы. Через него проходят все важные действия и процессы, которые мы совершаем, работаю на компьютере. Процессор можно сравнить с мостом, который получает данные от одного устройства (например клавиатура) и направляет другому (например монитор). Чем процессор мощнее, тем компьютер быстрее работает. Материнская плата, к которой все упомянутые устройства компьютера крепятся (видеокарта, оперативная память и другие) соединяет их с процессором, направляющим потоки важной информации.
Ещё к материнской плате крепятся сетевая карта и блок питания. В сетевую карту с внешней стороны системного блока заходит тоненький кабель. Он включается в специальную розетку. Она называется RJ-45. Благодаря этому кабелю и сетевой карте ваш компьютер, ребята подключается к сети интернет. А блок питания обеспечивает подачу электричества, без которого он не смог бы работать.
Теперь вы ребята знаете, как устроен компьютер, но пожалуйста не забывайте, что это очень сложное устройство. Поэтому разбирать его и смотреть, что там внутри без присутствия взрослых, не надо.
yznavaika.ru
