Как устроен компьютер? Современные компьютерные системы

1. Как устроен компьютер

1
Как устроен
компьютер
§ 29. Современные компьютерные
системы
§ 30. Принципы устройства компьютеров
§ 31. Магистрально-модульная
организация компьютера
§ 32. Процессор
§ 33. Память
§ 34. Устройства ввода и вывода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

2. Как устроен компьютер

2
Как устроен
компьютер
§ 29. Современные
компьютерные системы
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

3. Стационарные компьютеры

Как устроен компьютер, 10 класс
3
Стационарные компьютеры
настольный
промышленный
компьютер
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
моноблок
моноблок с
сенсорным экраном
суперкомпьютер
http://kpolyakov.spb.ru

4. Мобильные компьютеры

Как устроен компьютер, 10 класс
4
Мобильные компьютеры
ноутбук
смартфоны
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
планшетные компьютеры
GPS-навигатор
http://kpolyakov.spb.ru

5. Встроенные компьютеры

Как устроен компьютер, 10 класс
5
Встроенные компьютеры
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

6. Параллельные вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
6
Параллельные вычисления
Параллельные вычисления — это вычисления на
многопроцессорных системах, при которых
одновременно выполняются многие действия,
необходимые для решения одной или нескольких
задач.
Параллельное выполнение
задач
Проц. 1
Проц. 2
Проц. 3
Задача 1
Задача2
Задача3
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
Параллельная работа с
данными
Проц. 1
Проц. 2
Проц. 3
Память
http://kpolyakov.spb.ru

7. Суперкомпьютеры

Как устроен компьютер, 10 класс
7
Суперкомпьютеры
• исследование климата
• создание математических моделей молекул
• синтез новых материалов и лекарств
• расчёт процессов горения и взрыва
• моделирование обтекания летательных
аппаратов
• моделирование ситуаций в экономике
• расчёты процессов нефте- и газодобычи
• проектирование новых электронных устройств
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

8. Суперкомпьютеры

Как устроен компьютер, 10 класс
8
Суперкомпьютеры
1976. Cray-1 (США)
• 166 млн. оп/c
• память 8 Мб
• векторные вычисления
2009. «Ломоносов» (Россия)
• 1700 Тфлопс (2012)
• 78660 ядер (многоядерные
процессоры)
• 31-е место в рейтинге TOP-500
(2013 г.)
2018. «Summit» (IBM)
• 2 282 544 ядер
• 122 Пфлопс
• 1-е место в рейтинге TOP-500
(2018 г.)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

9. Распределённые вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
9
Распределённые вычисления
Кластер
ведомые (slave)
! Специальное ПО
«под задачу»!
OC Linux
• параллельные вычисления
• много маленьких задач
ведущий
(master)
Интернет
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

10. Распределённые вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
10
Распределённые вычисления
Грид-системы
Интернет
Главный
сервер
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

11. Распределённые вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
11
Распределённые вычисления
У 90% пользователей процессор загружен
менее, чем на 40%.
BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network
Computing) – открытая инфраструктура для сетевых
вычислений
https://boinc.berkeley.edu, http://www.boinc.ru
• математика (простые числа)
• биология (модели мозга)
• медицина (борьба с малярией,)
• материалы (свойства сплавов)
• изменение климата
• поиск внеземных цивилизаций
! Каждый может участвовать!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

12. Облачные вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
12
Облачные вычисления
Облачные вычисления (англ. cloud computing) —
технология обработки данных, при которой
компьютерные ресурсы предоставляются
пользователю как Интернет-сервис.
«облако», «облачные вычисления» –
Эрик Шмидт, глава компании Google (2006)
Интернет
задание
результат
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

13. Облачные вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
13
Облачные вычисления
• программное обеспечение как услуга (англ. SaaS –
Software as a Service):
Adobe Photoshop
программное обеспечение
Microsoft Office 365
• платформа как услуга (англ. PaaS – Platform as a
Service)
средства разработки программ
• инфраструктура как услуга (англ. IaaS – Infrastructure
as a Service)
операционные системы
средства для установки и выполнения любых
нужных программ
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

14. Облачные вычисления

Как устроен компьютер, 10 класс
14
Облачные вычисления
данные доступны везде, где есть Интернет
данные надёжно хранятся в центрах обработки
данных (ЦОД) крупных компаний
большие вычислительные мощности для хранения и
обработки данных
уменьшаются затраты
потеря контроля над данными
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

15. Компьютеры V поколения

Как устроен компьютер, 10 класс
15
Компьютеры V поколения
Япония, 1982-1992
Цель – создание суперкомпьютера с функциями
искусственного интеллекта
• обработка знаний с помощью логических средств
• сверхбольшие базы данных
• использование параллельных вычислений
• распределенные вычисления
• голосовое общение с компьютером
• постепенная замена программных средств на аппаратные
Проблемы:
• идея саморазвития системы провалилась
• неверная оценка баланса программных и аппаратных средств
• традиционные компьютеры достигли большего
• ненадежность технологий
• израсходовано 50 млрд. йен
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

16. Проблемы

Как устроен компьютер, 10 класс
16
Проблемы
! Чтобы увеличить быстродействие, нужно
уменьшать размеры!
• чем мельче детали, тем сложнее изготовить
• чем мельче детали, тем труднее охлаждать
• чем меньше зазор, тем больше шансов на
короткое замыкание
Многоядерные процессоры:
• задачи сложно распараллеливать
• пересылка данных между ядрами – замедление
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

17. Перспективы развития компьютеров

Как устроен компьютер, 10 класс
17
Перспективы развития компьютеров
Квантовые компьютеры
▫ эффекты квантовой механики
▫ биты «кубиты» (квантовые биты)
▫ параллельность вычислений
▫ 2013 – компьютер D-Wave Two, 512 кубит,
в 3600 раз быстрее обычных компьютеров
D-Wave Two (2013)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

18. Перспективы развития компьютеров

Как устроен компьютер, 10 класс
18
Перспективы развития компьютеров
Оптические компьютеры
▫ источники света – лазеры, свет проходит
через линзы
▫ параллельная обработка (все
пиксели изображения одновременно)
▫ военная техника и обработка видео
Enlight256 (2003)
▫ Enlight256 (2003) – 8 Тфлопс
Биокомпьютеры
▫ ячейки памяти – молекулы сложного
строения (например, ДНК)
▫ обработка = химическая реакция с
участием ферментов
▫ 330 трлн. операций в секунду
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

19. Как устроен компьютер

19
Как устроен
компьютер
§ 30. Принципы устройства
компьютеров
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

20. Принципы устройства компьютеров

Как устроен компьютер, 10 класс
20
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

21. Архитектура фон Неймана

Как устроен компьютер, 10 класс
21
Архитектура фон Неймана
устройства
ввода
обрабатывает
данные
внутренняя
память
временное
хранение
данных во
время
обработки
процессор
(АЛУ, УУ)
устройства
вывода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
долговременное
хранение данных
внешняя
память
обеспечивает
выполнение
программы
Джон фон Нейман
(1903-1957)
http://kpolyakov.spb.ru

22. Принцип двоичного кодирования

Как устроен компьютер, 10 класс
22
Принцип двоичного кодирования
Все данные хранятся в двоичном коде.
Lorem ipsum dolor
sit amet,
consectetur
adipisicing elit, sed
do eiusmod tempor
incididunt ut labore
et dolore magna
aliqua
100101010100…
проще устройства для
хранения и обработки
данных
Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959)
Н.П. Брусенцов
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

23. Принцип адресности памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
23
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

24. Принцип адресности памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
24
Принцип адресности памяти
• размеры ячеек:
у первых ЭВМ – 36, 48, 60 битов
сейчас – 8 битов
Первые ЭВМ (I и II поколения)
200
201
202
203
204
205
III и IV поколения
200
числа
200
204
205
206
207
208
208
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
201
202
203
символы
числа
209
20 B
20 A
http://kpolyakov.spb.ru

25. Память с произвольным доступом

Как устроен компьютер, 10 класс
25
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

26. Иерархическая организация памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
26
Иерархическая организация памяти
Требования к памяти:
• большой объём
• высокая скорость доступа
! Эти требования противоречивы!
Использование несколько уровней памяти:
• внутренняя память (небольшой объём, высокое
быстродействие)
• внешняя память (большой объём, низкое
быстродействие)
• …
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

27. Принцип хранимой программы

Как устроен компьютер, 10 класс
27
Принцип хранимой программы
Фрагмент коммутационной панели IBM-557
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Код программы хранится в ПЗУ или во внешней памяти и
загружается в ОЗУ для решения задач.
! Программа хранится в единой памяти
вместе с данными!
В гарвардской архитектуре есть
отдельные области памяти для
программ и данных!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

28. Принцип программного управления

Как устроен компьютер, 10 класс
28
Принцип программного управления
• программа – это набор команд
• команды выполняются процессором автоматически
в определённом порядке
? А как?
Счётчик адреса команд – это регистр процессора, в
котором хранится адрес следующей команды.
IP (Instruction Pointer) в процессорах Intel
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

29. Основной алгоритм работы процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
29
Основной алгоритм работы процессора
1) выбрать команду
2) записать в счётчик команд адрес следующей команды
3) выполнить команду
4) перейти к п. 1
? Что будет при включении компьютера?
Начальный адрес может заноситься
• вручную (в первых ЭВМ)
• из ПЗУ, аппаратно (тестирование, потом передача
управления загрузчику операционной системы)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

30. Что такое архитектура?

Как устроен компьютер, 10 класс
30
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.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

31. Особенности мобильных компьютеров

Как устроен компьютер, 10 класс
31
Особенности мобильных компьютеров
процессор
память
аккумулятор
контроллер
дисплея
SIM-карта (Subscriber
Identification Module)
Адаптер Bluetooth
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
беспроводные
наушники
и микрофон
http://kpolyakov.spb.ru

32. Особенности мобильных устройств

Как устроен компьютер, 10 класс
32
Особенности мобильных устройств
Требования:
• уменьшенные размеры и вес
• специальные функции (приём и передача
речи)
• экономия заряда аккумулятора
• геолокация (GPS)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

33. Особенности мобильных устройств

Как устроен компьютер, 10 класс
33
Особенности мобильных устройств
Архитектура ARM = Advanced RISC Machine –
усовершенствованная RISC-машина
• процессор + ОЗУ + модули беспроводной
связи на одном кристалле
• уменьшенное потребление энергии
• экономичные («спящие») режимы
• команды для цифровой обработки звука
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

34. Как устроен компьютер

34
Как устроен
компьютер
§ 31. Магистрально-модульная
организация компьютера
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

35. Взаимодействие устройств

Как устроен компьютер, 10 класс
35
Взаимодействие устройств
Шина (или магистраль) – это группа линий связи для
обмена данными между несколькими устройствами
компьютера.
процессор
(АЛУ, УУ)
внутренняя
память
шина адреса
шина данных
шина управления
К
К
К
устройства
ввода
устройства
вывода
внешняя
память
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

36. Контроллеры

Как устроен компьютер, 10 класс
36
Контроллеры
Контроллер — это электронная схема для управления
внешним устройством и простейшей предварительной
обработки данных.
шина адреса
шина данных
шина управления
К
контроллер клавиатуры
контроллер диска
устройство
сетевая карта
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
видеокарта
http://kpolyakov.spb.ru

37. Архитектура современных компьютеров

Как устроен компьютер, 10 класс
37
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

38. Обмен данными с внешними устройствами

Как устроен компьютер, 10 класс
38
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
! Идея: пусть устройство само сообщит,
что данные готовы (или оно готово к
приёму данных)!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

39. Обмен данными с внешними устройствами

Как устроен компьютер, 10 класс
39
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
Контроллер прерываний – использует приоритет
различных типов прерываний
процессор не ждёт устройства
всю работу выполняет процессор
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

40. Обмен данными с внешними устройствами

Как устроен компьютер, 10 класс
40
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)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

41. Как устроен компьютер

41
Как устроен
компьютер
§ 32. Процессор
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

42. Что такое процессор?

Как устроен компьютер, 10 класс
42
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

43. АЛУ

Как устроен компьютер, 10 класс
43
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
! АЛУ работает с целыми числами, математический
сопроцессор – с вещественными!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

44. Устройство управления

Как устроен компьютер, 10 класс
44
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
микрокоманда микрокоманда
…
микрокоманда
генератор тактовых
импульсов
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

45. Регистры общего назначения (РОН)

Как устроен компьютер, 10 класс
45
Регистры общего назначения (РОН)
Для процессоров Intel:
63
H = High
(старший
байт)
32 31
L = Low
(младший
байт)
16 15
8 7
AH
0
AL
AX
EAX
RAX
Обработка 8-, 16-, 32- и 64-битовых данных.
Есть RBX, RCX, RDX и др…
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

46. Основные характеристики процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
46
Основные характеристики процессора
Тактовая частота — количество тактовых импульсов в
секунду.
1 ГГц (гигагерц) = 1 млрд герц
! Недостаточно для сравнения быстродействия!
Разрядность — это максимальное количество двоичных
разрядов, которые процессор способен обработать за
одну команду.
• разрядность регистров
• разрядность шины данных
• разрядность шины адреса R
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
Величина адресного
пространства 2R байтов
http://kpolyakov.spb.ru

47. Система команд процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
47
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)
! Совместимость: новые модели поддерживают
все команды предыдущих!
Intel 8080 Pentium III Core i7
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

48. Система команд процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
48
Система команд процессора
81 C 2 01 01
код регистра DX
код операции
ADD (сложить
регистр и число)
на языке
ассемблера
число 10116
ADD DX, 101h
операнды – данные, с
которыми выполняется
операция
DX := DX + 10116
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

49. Система команд процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
49
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
! Многие сложные команды используются редко!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

50. Система команд процессора

Как устроен компьютер, 10 класс
50
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
А умножение?
• только две операции с памятью – чтение (LOAD) в
регистр и запись (STORE) из регистра
• много регистров (32, …)
?
проще аппаратура
выше быстродействие
сложнее писать программы
! Современные процессоры: CISC-команды
выполняются RISC-ядром!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

51. Как устроен компьютер

51
Как устроен
компьютер
§ 33. Память
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

52. Что такое компьютерная память?

Как устроен компьютер, 10 класс
52
Что такое компьютерная память?
Память — это Как устроен компьютер, 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)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

53. Внутренняя память

Как устроен компьютер, 10 класс
53
Внутренняя память
RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в
любом порядке.
ОЗУ = оперативное запоминающее устройство
1) на электронно-лучевых трубках
2) на магнитных сердечниках
сейчас:
3) на триггерах (статическая):
регистры, кэш-память
4) на полупроводниковых
конденсаторах (динамическая):
большая ёмкость
меньшая стоимость
меньшее быстродействие
потребляет больше электроэнергии
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

54. Внутренняя память – ПЗУ

Как устроен компьютер, 10 класс
54
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

55. Внешняя память

Как устроен компьютер, 10 класс
55
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
К
носитель
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

56. Внешняя память

Как устроен компьютер, 10 класс
56
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

57. Виды внешней памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
57
Виды внешней памяти
• перфоленты, перфокарты
• магнитные ленты, магнитные диски
! Файловые системы!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

58. Виды внешней памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
58
Виды внешней памяти
• оптические диски
CD (Compact Disk)
DVD (Digital Versatile Disk)
Blu-ray Disk
до 700 Мбайт
до 17,1 Гбайт
до 500 Гбайт
• флэш-память
флэш-карты
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
флэш-накопители
SSD
(Solid State Drive)
http://kpolyakov.spb.ru

59. Чтение данных в ОЗУ

Как устроен компьютер, 10 класс
59
Чтение данных в ОЗУ
1. Передача «задания» контроллеру
процессор
процессор
ОЗУ
носитель
информации
ОЗУ
шина
шина
К
2. Ввод данных в ОЗУ
! Порт – это регистр контроллера,
К
к которому процессор
обращается по номеру!
носитель
линия не задействована
сигналы управления
информации
передача данных
! Ещё участвует
контроллер ПДП!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

60. Иерархия памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
60
Иерархия памяти
компьютер
процессор
регистры
кэш-память
объем
ОЗУ
быстродействие,
стоимость бита
внешняя память
(диски)
компьютерные сети
память
расположить
внутри процессора?
ОЗУ?
? Какая
? Где
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

61. Кэш-память

Как устроен компьютер, 10 класс
61
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
контроллер
кэш-памяти
2-й раз
1-й раз
кэш-память
ОЗУ
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

62. Кэш-память

Как устроен компьютер, 10 класс
62
Кэш-память
Проблемы:
• небольшой объём, быстро заполняется
• при изменении данных в регистрах нужно
обновлять кэш
Решаются контроллером кэш-памяти.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

63. Виртуальная память

Как устроен компьютер, 10 класс
63
Виртуальная память
• использование сред быстрой разработки программ
(RAD) – увеличение размера программы
• увеличение объема обрабатываемых данных (до
Тбайтов)
• запуск нескольких программ одновременно
! Требуется больше ОЗУ, чем реально
установлено на компьютере!
страницы
виртуальной
памяти
адресное пространство процессора
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

64. Основные характеристики памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
64
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).
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

65. Основные характеристики памяти

Как устроен компьютер, 10 класс
65
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
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

66. Как устроен компьютер

66
Как устроен
компьютер
§ 34. Устройства ввода и
вывода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

67. Что такое устройство ввода?

Как устроен компьютер, 10 класс
67
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.
? Что не относится к устройствам ввода?
сенсорная панель
флэш-диск
(touchpad)
сканер
микрофон
жесткий диск
джойстик
мышь графический
планшет
датчики
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
сетевая карта
http://kpolyakov.spb.ru

68. Клавиатура

Как устроен компьютер, 10 класс
68
Клавиатура
Мембранная
простая и дешёвая
недолговечна (1-10 млн нажатий)
со временем свойства ухудшаются (залипание,
нужны бόльшие усилия)
Механическая
реакция быстрее
20-50 млн нажатий
характеристики не меняются
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
дороже
тяжелее
http://kpolyakov.spb.ru

69. Контроллер клавиатуры

Как устроен компьютер, 10 класс
69
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
скан-коды
буфер клавиатуры
– 43 +43 –12 – 78 +78 +12
контроллер
клавиатуры
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
прерывание
центральный
процессор
http://kpolyakov.spb.ru

70. Манипуляторы

Как устроен компьютер, 10 класс
Манипуляторы
Мышь (оптическая)
70
приемное устройство
(адаптер, USB)
Характеристики:
Лазерные мыши:
• разрешение 1000 dpi
• подсветка лазером
• количество кадров в секунду • более контрастное
(до 10000)
изображение
• размер кадра (16×16, 32×32) • точность выше
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

71. Манипуляторы

Как устроен компьютер, 10 класс
71
Манипуляторы
Трекбол
Сенсорная панель (тачпад)
мультитач – реакция
на касание в
нескольких местах
одновременно
Трекпоинт
Джойстик
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
Игровые манипуляторы
http://kpolyakov.spb.ru

72. Сканеры

Как устроен компьютер, 10 класс
72
Сканеры
Сканер – устройство для ввода изображений.
ручные
планшетные
со слайд-модулем
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
барабанные
рулонные
http://kpolyakov.spb.ru

73. Сканеры

Как устроен компьютер, 10 класс
Сканеры
на бумаге
в компьютере
73
1 дюйм = 2,54 см
пиксель
Разрешающая способность — это максимальное
количество точек на единицу длины, которые способен
различить сканер.
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 рулонные – до 800 ppi
барабанные – до 14400 ppi
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

74. Сканеры

Как устроен компьютер, 10 класс
74
Сканеры
Ввод текста
! Сканер вводит текст как изображение!
Для редактирования в текстовом редакторе, нужно
распознать символы с помощью специальной
программы (> 300 ppi!):
OCR = Optical Character Recognition, оптическое
распознавание символов
ABBYY FineReader, CuneiForm
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

75. Сканирование

Как устроен компьютер, 10 класс
75
Сканирование
Разрешение, ppi
Сканирование в отраженном свете:
иллюстрации для веб-страниц
75-150
сканирование текста без распознавания
150-200
сканирование текста для распознавания
300-400
цветное фото для печати на струйном
принтере
200
цветное фото для типографской печати
не менее 300
Сканирование в проходящем свете:
35-мм пленка, для веб-страниц
200-600
35-мм пленка, для печати на струйном
принтере
600-2000
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

76. Устройства ввода

Как устроен компьютер, 10 класс
76
Устройства ввода
Микрофоны
Датчики
Веб-камера
датчик
Графический
планшет
3D-сканер
АЦП
101001010101
компьютер
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

77. Что такое устройства вывода?

Как устроен компьютер, 10 класс
77
Что такое устройства вывода?
Устройства вывода — это устройства, которые
представляют компьютерные данные в форме,
доступной для восприятия человеком.
? Что не относится к устройствам вывода?
сенсорный экран
принтер
жесткий диск
монитор
датчики
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
флэш-диск
колонки
МФУ
плоттер
сетевая карта
http://kpolyakov.spb.ru

78. Первые устройства вывода

Как устроен компьютер, 10 класс
78
Первые устройства вывода
700707708
Рг1
Рг2
См
Рг2 = ?
АЦПУ = алфавитно-цифровые печатающие устройства
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

79. Плоттеры (графопостроители)

Как устроен компьютер, 10 класс
79
Плоттеры (графопостроители)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

80. Мониторы

Как устроен компьютер, 10 класс
80
Мониторы
Монитор = дисплей + электронные схемы управления
жидкокристаллические (ЖК)
электронно-лучевые
• очень малое излучение
• малые размеры и вес
• потребляют мало
электроэнергии (40 Вт)
• нет искажений
изображения
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
• хуже цветопередача
(чёрный цвет?)
• изображение зависит от
угла зрения
• смазывание изображения
• «битые пиксели»
• только одно разрешение
http://kpolyakov.spb.ru

81. Мониторы

Как устроен компьютер, 10 класс
81
Мониторы
пиксель
R GB
управляющий
транзистор
15’’, 17’’, 19’’, …
Разрешение — это количество точек экрана по ширине
и по высоте. 1280×1024, 1440×900, 1366×768, …
Соотношение сторон
Углы обзора
Время отклика
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
4:3, 5:4, 16:9
160° … 178°
2…8 мс
http://kpolyakov.spb.ru

82. Принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
82
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)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

83. Матричные принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
83
Матричные принтеры
бумага
красящая лента
печатающая головка
Качество печати:
72…300 dpi
текст: до 337 символов в
минуту
графика: до 5 мин на
страницу!!!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
• дешевые принтеры и ленты
• нетребовательны к бумаге
• невысокое качество
• низкая скорость печати графики
• шумят
• черно-белые (почти все)
http://kpolyakov.spb.ru

84. Струйные принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
84
Струйные принтеры
цвет: CMYK
Cyan
Magenta
Yellow
Key color
Качество печати:
300…4800 dpi
цвет: до 30 стр/мин
• относительно дешевые
• качественная печать
• мало шумят
• большинство – цветные
фото 10 15:
от 10 сек
• требовательны к бумаге
• дорогие катриджи
• чернила расплываются от воды
ч/б: до 30 стр/мин
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

85. Лазерные принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
85
Лазерные принтеры
лазер
призма
чистящий
элемент
картридж
с тонером
нагретые
валики
фотобарабан
бумага
Качество печати:
600…1200 dpi
ч/б: до 50 стр/мин
цвет: до 25 стр/мин
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
• становятся все дешевле
• очень качественная печать
• мало шумят
• есть цветные
• требовательны к бумаге
• дорогие катриджи
• потребляют много электроэнергии
• цветные дорогие
http://kpolyakov.spb.ru

86. Сублимационные принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
86
Сублимационные принтеры
Сублимация – быстрый переход вещества из твердого
состояния в газообразное.
• твердые красители:
Cyan
Magenta
Yellow
• 256 оттенков каждого цвета, всего
16,7 млн. цветов
• печать при нагреве
• верхний защитный слой
качество печати:
300 dpi
(= 4800 dpi)
• очень качественная печать фото
• не выцветает 100 лет
• печать прямо с фотоаппарата
фото 10 15:
около 1 мин
• специальная бумага и пленки с
красками
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

87. 3D-принтеры

Как устроен компьютер, 10 класс
87
3D-принтеры
3D = 3-dimensions, трёхмерный
3D-принтер — устройство, которое создает физический
объект по слоям на основе его цифровой трёхмерной
модели.
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

88. Устройства ввода и вывода

Как устроен компьютер, 10 класс
88
Устройства ввода и вывода
Сенсорный экран
мультитач – реакция на касание экрана в нескольких
местах одновременно
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

89. Конец фильма

Как устроен компьютер, 10 класс
89
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]
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
http://kpolyakov.spb.ru

90. Источники иллюстраций

Как устроен компьютер, 10 класс
90
Источники иллюстраций
1. http://lenovo.ru
2. http://apple.com
3. http://samsung.com
4. http://www.pcguide.com
5. http://hardforum.com
6. https://market.yandex.ru
7. http://www.techspot.com
8. http://www.directindustry.com
9. http://www.photo-dictionary.com
10. http://www.flashdrive-repair.com
11. http://qtwy.net
12. http://www.designboom.com
13. http://vindavoz.ru
14. http://www.mousearena.com
15. http://www.globalnerdy.com
16. http://vernier.com
17. http://mnc.ru
18. http://npkrapid.ru
19. http://avgold.ru
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2018
20. http://abs3d.ru
21. http://tavco.net
22. http://en.wikipedia.org
23. http://ru.wikipedia.org
24. http://www.teamliquid.net/forum/te
ch-support/333648-an-overviewof-mouse-technology
25. http://inosmi.info
26. https://www.computerworld.com
27. иллюстрации художников
издательства «Бином»
28. авторские материалы
http://kpolyakov.spb.ru