Курс лекций
по дисциплине «Информатика»
Разработчики
Максимова О.Г., преподаватель.
Максимова А.В., студент.
Содержание
3.1 Архитектура компьютеров
Основные характеристики компьютеров
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
внутренняя память (основная и оперативная),
устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор 1 — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
управление всеми остальными устройствами компьютера.
Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память 2 или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
прием информации от других устройств;
передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
тип DDR — 1, 2, 3, 4;
тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
Курс лекций
по дисциплине «Информатика»
Разработчики
Максимова О.Г., преподаватель.
Максимова А.В., студент.
3.1 Архитектура компьютеров
Основные характеристики компьютеров
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
внутренняя память (основная и оперативная),
устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор 1 — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
управление всеми остальными устройствами компьютера.
Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память 2 или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
прием информации от других устройств;
передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
тип DDR — 1, 2, 3, 4;
тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;
пропускная способность — это сколько за секунду времени может быть «пропущено» данных через плату оперативной памяти;
Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) 3 — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.
Рисунок 3 – Жёсткий диск
Характеристики жёстких дисков:
скорость вращения шпинделя;
наработка на отказ;
среднее время ожидания;
энергопотребление и тепловыделение.
Видеокарта 4 — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Рисунок 4 – Видеокарта
производитель видеопроцессора (GPU);
частота GPU, МГц;
количество занимаемых слотов на материнской плате;
объем видеопамяти, ГБ;
тактовая частота видеопамяти, МГц;
шина обмена данными с памятью, бит;
поддержка SLI и CrossFire;
поддержка разных версий DirectX;
необходимость дополнительного питания.
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями
Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:
шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера;
шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода;
шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.
Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата 5 — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).
Рисунок 6 – Материнская плата
На системной (материнской) плате размещаются:
генератор тактовых импульсов;
контроллеры внешних устройств;
звуковая и видеокарты;
Многообразие компьютеров
В настоящее время рынок персональных компьютеров представлен огромным количеством моделей различных конфигураций. Основными факторами, влияющими на дальнейшее развитие компьютерной индустрии, станет снижение цен, появление в этом сегменте рынка все большего числа производителей. Компьютерный бизнес — одна из самых динамично развивающихся сфер как российской, так и мировой экономики.
Также положительную динамику рынка персональных компьютеров связывают с глобальной «мобилизацией» потребителей. Сегодня все больше рядовых пользователей переходят с громоздких настольных машин на портативные ПК — например, ноутбуки и нетбуки. Немудрено, что при таком невероятном многообразии компьютеров пользователю практически невозможно выбрать персональный компьютер самостоятельно.
Существует различные системы классификации ЭВМ:
по производительности и быстродействию;
по уровню специализации;
по типу используемого процессора;
по особенностям архитектуры;
Рассмотрим одну из таких классификаций.
1. Персональные компьютеры
1.1 Стационарные компьютеры. Занимают постоянное место, например, компьютерный стол. Обладают большими вычислительными мощностями чем переносные гаджеты. Выделим основные виды подобных устройств:
Десктопы. Самые мощные и производительные персональные компьютеры, основным компонентом которого является системный блок, занимающий постоянное место. К блоку подключаются периферийные устройства – клавиатура, мышь, монитор и прочее. Такое устройство является модульным, то есть отдельные его части подлежат замене, что позволяет постоянно обновлять и улучшать показатели работы компьютера.
Неттопы. По сути это те же десктопы, но они обладают меньшими габаритами и более экономным энергопотреблением. Их производительность меньше, но для некоторых задач она не настолько важна, а вот отсутствие шума для некоторых покупателей является приоритетом. Такой девайс занимает меньше места и его значительно проще разместить в домашних или офисных условиях, что также имеет высокую ценность в некоторых ситуациях.
Моноблоки. У данного вида стационарных ПК отсутствует видимый системный блок – все его компоненты размещены в мониторе, который так же служит корпусом для комплектующих. Такие устройства обладают высокой эстетичностью и меньшими требованиями к наличию свободного места, а топовые моноблоки практически не уступают по характеристикам привычным десктопам.
1.2. Портативные компьютеры – переносные персональные компьютеры, имеют высокие требования к мобильности конструкции и ее весу, способны работать в автономном режиме, для увеличения которого производители зачастую жертвуют производительностью системы. Этот вид ПК классифицируют следующим образом:
Ноутбуки – переносные компьютеры, оснащенные батареей, которая позволяет устройство работать без подключения к электрической сети. В одном корпусе такого гаджета одновременно находятся все необходимые элементы – монитор, клавиатура, процессор и прочая начинка.
Нетбуки – это компактные ноутбуки, которые приносят производительность в жертву легкости веса и упрощения мобильности, они отлично подходят для тех, кто любит работать не только за определенным рабочим местом, но и буквально где придется – в поезде, кафе или библиотеке.
Планшеты – нечто среднее между смартфонами и ноутбуками. Обладают довольной большой диагональю экрана порядка 10 дюймов, весят заметно меньше ноутбуков. Управляются посредством сенсорного дисплея, хотя, например, планшетные ноутбуки обладают полноценной клавиатурой.
Карманные компьютеры и смартфоны. Форм-фактор КПК был крайне популярен на заре нулевых, когда мобильные телефоны еще не предоставляли широких возможностей. Пришедшие на смену КПК смартфоны проигрывают в производительности более тяжелым и мощным ноутбукам, зато они имеют неоспоримое достоинство – они умещаются в карман и их всегда можно иметь под рукой.
2. Вычислительные серверы – благодаря таким компьютерам обеспечивается доступ к сетям, в том числе и интернету. Все файлы и информация, которую пользователь видит на экране монитора при веб-серфинге, хранится на таких серверах. Для таких компьютеров огромную роль играет производительность, но есть и более важная характеристика подобных систем – надежность. Вычислительные серверы должны без сбоев работать весь срок своей службы. Такие типы компьютеров всегда имеют резервные копии данных, что сказывается на общей концепции их архитектуры.
В основе такой аппаратуры лежит параллельная обработка информации, потому серверы стали пионерами в развитии многопроцессорности и многоядерности, которая сегодня используется уже повсеместно.
3. Суперкомпьютеры –профессиональные машины с наиболее высокой на сегодняшний день производительностью, они используются в научных лабораториях и крупном бизнесе. Такое устройство представляет собой целый комплекс компьютерных устройств, который может занимать огромные помещения. Каждый составной элемент подобной махины отвечает за свою конкретную задачу, подобная структуризация и векторная организация позволяют решать самые сложные проблемы, требующие невероятного объема расчетов.
4. Другие виды – многие устройства, которые привычно воспринимаются опосредовано от компьютерной составляющей, например, банкоматы или игровые приставки, также по большому счету являются компьютерами. Бытовая техника тоже имеет в себе встроенные компьютеры, ответственные за выполнение ряда функций. Роботы, которые постепенно получают все большее распространение в нашей жизни, так же являются компьютерными устройствами.
Многообразие внешних устройств, подключаемых к компьютеру
Периферийные 6 (внешние) устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря этим устройствам компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.
По назначению периферийные устройства можно подразделить на:
устройства ввода данных;
устройства вывода данных;
устройства хранения данных.
Рисунок 7 – Классификация периферийных устройств
Виды программного обеспечения компьютеров
Программное обеспечение (ПО, англ. software) – это совокупность программ, обеспечивающих функционирование компьютеров и решение с их помощью задач предметных областей. Программное обеспечение – неотъемлемая часть компьютерной системы, является логическим продолжением технических средств и определяет сферу применения компьютера.
ПО современных компьютеров включает множество разнообразных программ, которые можно условно разделить на две группы:
1. Системное программное обеспечение (системные программы);
2. Прикладное программное обеспечение (прикладные программы);
Системное программное обеспечение – это программы, управляющие работой компьютера и выполняющие различные вспомогательные функции, например, управление ресурсами компьютера, создание копий информации, проверка работоспособности устройств компьютера, выдача справочной информации о компьютере и др. Они предназначены для всех категорий пользователей, используются для эффективной работы компьютера и пользователя, а также эффективного выполнения прикладных программ.
Центральное место среди системных программ занимают операционные системы (англ. operating systems).
Операционная система управляет работой компьютера с момента включения до момента выключения питания. Она загружается автоматически при включении компьютера, ведет диалог с пользователем, осуществляет управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, дисковым пространством и т.д.), запускает другие программы на выполнение и обеспечивает пользователю и программам удобный способ общения – интерфейс – с устройствами компьютера. Другими словами, операционная система обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.
Сервисные системы расширяют возможности ОС по обслуживанию системы, обеспечивают удобство работы пользователя. К этой категории относят системы технического обслуживания, программные оболочки и среды ОС, а также служебные программы.
Системы технического обслуживания – это совокупность программно-аппаратных средств ПК, которые выполняют контроль, тестирование и диагностику и используются для проверки функционирования устройств компьютера и обнаружения неисправностей в процессе работы компьютера. Они являются инструментом специалистов по эксплуатации и ремонту технических средств компьютера.
Служебные программы (утилиты, лат. utilitas – польза) – это вспомогательные программы, предоставляющие пользователю ряд дополнительных услуг по реализации часто выполняемых работ или же повышающие удобство и комфортность работы. К ним относятся:
программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют более плотно записывать информацию на дисках, а также объединять копии нескольких файлов в один, так называемый, архивный файл (архив);
антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения;
программы оптимизации и контроля качества дискового пространства;
программы восстановления информации, форматирования, защиты данных;
драйверы – программы, расширяющие возможности операционной системы по управлению устройствами ввода/вывода, оперативной памятью и т.д. При подключении к компьютеру новых устройств необходимо установить соответствующие драйверы;
коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами и др.
Прикладное программное обеспечение предназначено для решения задач пользователя. В его состав входят прикладные программы пользователей и пакеты прикладных программ различного назначения.
Прикладная программа пользователя – это любая программа, способствующая решению какой-либо задачи в пределах данной проблемной области. Прикладные программы могут использоваться либо автономно, либо в составе программных комплексов или пакетов.
Пакеты прикладных программ – это специальным образом организованные программные комплексы, рассчитанные на общее применение в определенной проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией.
1 англ . central processing unit, CPU
2 англ . Random Access Memory , RAM , память с произвольным доступом
3 англ . hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD
4 также видеоадаптер, графический адаптер, графическая плата, графическая карта, графический ускоритель
5 от англ. motherboard, MB или англ. mainboard — главная плата
