Устройство компьютера

1. Устройство компьютера

1
Устройство
компьютера
§ 32. Принципы устройства компьютеров
§ 33. Магистрально-модульная
организация компьютера
§ 34. Процессор
§ 35. Память
§ 36. Устройства ввода
§ 37. Устройства вывода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

2. Устройство компьютера

2
Устройство
компьютера
§ 32. Принципы устройства
компьютеров
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

3. Принципы устройства компьютеров

Устройство компьютера, 10 класс
3
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

4. Архитектура фон Неймана

Устройство компьютера, 10 класс
4
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, 2013
долговременное
хранение данных
внешняя
память
обеспечивает
выполнение
программы
Джон фон Нейман
(1903-1957)
http://kpolyakov.spb.ru

5. Принцип двоичного кодирования

Устройство компьютера, 10 класс
5
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

6. Принцип адресности памяти

Устройство компьютера, 10 класс
6
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

7. Принцип адресности памяти

Устройство компьютера, 10 класс
7
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
202
символы
208
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
201
209
20 A
203
числа
20 B
http://kpolyakov.spb.ru

8. Память с произвольным доступом

Устройство компьютера, 10 класс
8
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

9. Иерархическая организация памяти

Устройство компьютера, 10 класс
9
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

10. Принцип хранимой программы

Устройство компьютера, 10 класс
10
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

11. Принцип программного управления

Устройство компьютера, 10 класс
11
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

12. Что такое архитектура?

Устройство компьютера, 10 класс
12
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

13. Устройство компьютера

13
Устройство
компьютера
§ 33. Магистрально-модульная
организация компьютера
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

14. Типы компьютеров

Устройство компьютера, 10 класс
14
Типы компьютеров
• настольные (desktop)
моноблок
• переносные (ноутбуки)
• нетбуки (нет привода DVD)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

15. Типы компьютеров

Устройство компьютера, 10 класс
15
Типы компьютеров
• планшетные
• смартфоны и карманные персональные
компьютеры (КПК)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

16. Типы компьютеров

Устройство компьютера, 10 класс
16
Типы компьютеров
• суперкомпьютеры
«Ломоносов»
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

17. Взаимодействие устройств

Устройство компьютера, 10 класс
17
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

18. Контроллеры

Устройство компьютера, 10 класс
18
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, 2013
видеокарта
http://kpolyakov.spb.ru

19. Архитектура современных компьютеров

Устройство компьютера, 10 класс
19
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

20. Устройство компьютера

20
Устройство
компьютера
§ 34. Процессор
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

21. Что такое процессор?

Устройство компьютера, 10 класс
21
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

22. Основные характеристики процессора

Устройство компьютера, 10 класс
22
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, 2013
Величина адресного
пространства 2R байтов
http://kpolyakov.spb.ru

23. Устройство компьютера

23
Устройство
компьютера
§ 35. Память
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

24. Что такое компьютерная память?

Устройство компьютера, 10 класс
24
Что такое компьютерная память?
Память — это устройство компьютера, которое
используется для записи, хранения и выдачи по
запросу команд программы и данных.
• внутренняя или основная (для хранения программ
и данных в момент решения задачи), ОЗУ и ПЗУ
• внешняя или долговременная (… на длительный
срок)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

25. Внутренняя память

Устройство компьютера, 10 класс
25
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

26. Внутренняя память – ПЗУ

Устройство компьютера, 10 класс
26
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

27. Внешняя память

Устройство компьютера, 10 класс
27
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

28. Внешняя память

Устройство компьютера, 10 класс
28
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

29. Виды внешней памяти

Устройство компьютера, 10 класс
29
Виды внешней памяти
• перфоленты, перфокарты
• магнитные ленты, магнитные диски
!
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Файловые системы!
http://kpolyakov.spb.ru

30. Виды внешней памяти

Устройство компьютера, 10 класс
30
Виды внешней памяти
• оптические диски
CD (Compact Disk)
до 700 Мбайт
DVD (Digital Versatile Disk)
до 17,1 Гбайт
Blu-ray Disk
до 500 Гбайт
• флэш-память
флэш-карты
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
флэш-накопители
SSD
(Solid State Drive)
http://kpolyakov.spb.ru

31. Устройство компьютера

31
Устройство
компьютера
§ 36. Устройства ввода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

32. Что такое устройство ввода?

Устройство компьютера, 10 класс
32
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, 2013
сетевая карта
http://kpolyakov.spb.ru

33. Клавиатура

Устройство компьютера, 10 класс
33
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, 2013
дороже
тяжелее
http://kpolyakov.spb.ru

34. Манипуляторы

Устройство компьютера, 10 класс
Манипуляторы
Мышь (оптическая)
34
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

35. Манипуляторы

Устройство компьютера, 10 класс
35
Манипуляторы
Трекбол
Сенсорная панель (тачпад)
мультитач – реакция
на касание в
нескольких местах
одновременно
Трекпоинт
Джойстик
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Игровые манипуляторы
http://kpolyakov.spb.ru

36. Сканеры

Устройство компьютера, 10 класс
36
Сканеры
Сканер – устройство для ввода изображений.
ручные
планшетные
со слайд-модулем
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
барабанные
рулонные
http://kpolyakov.spb.ru

37. Устройства ввода

Устройство компьютера, 10 класс
37
Устройства ввода
Микрофоны
Датчики
Веб-камера
Графический
планшет
датчик
АЦП
101001010101
компьютер
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

38. Устройство компьютера

38
Устройство
компьютера
§ 37. Устройства вывода
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

39. Что такое устройства вывода?

Устройство компьютера, 10 класс
39
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, 2013
флэш-диск
колонки
МФУ
плоттер
сетевая карта
http://kpolyakov.spb.ru

40. Плоттеры (графопостроители)

Устройство компьютера, 10 класс
40
Плоттеры (графопостроители)
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

41. Мониторы

Устройство компьютера, 10 класс
41
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, 2013
• хуже цветопередача
(чёрный цвет?)
• изображение зависит от
угла зрения
• смазывание изображения
• «битые пиксели»
• только одно разрешение
http://kpolyakov.spb.ru

42. Мониторы

Устройство компьютера, 10 класс
42
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, 2013
4:3, 5:4, 16:9
160° … 178°
2…8 мс
http://kpolyakov.spb.ru

43. Принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
43
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

44. Матричные принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
44
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, 2013
• дешевые принтеры и ленты
• нетребовательны к бумаге
невысокое качество
низкая скорость печати графики
шумят
черно-белые (почти все)
http://kpolyakov.spb.ru

45. Струйные принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
45
Струйные принтеры
цвет: CMYK
Cyan
Magenta
Yellow
Key color
Качество печати:
300…4800 dpi
цвет: до 30 стр/мин
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, 2013
относительно дешевые
качественная печать
мало шумят
большинство – цветные
http://kpolyakov.spb.ru

46. Лазерные принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
46
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, 2013
становятся все дешевле
очень качественная печать
мало шумят
есть цветные
требовательны к бумаге
дорогие катриджи
потребляют много электроэнергии
цветные дорогие
http://kpolyakov.spb.ru

47. Сублимационные принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
47
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

48. 3D-принтеры

Устройство компьютера, 10 класс
48
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

49. Устройства ввода и вывода

Устройство компьютера, 10 класс
49
Устройства ввода и вывода
Сенсорный экран
мультитач – реакция на касание экрана в нескольких
местах одновременно
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

50. Конец фильма

Устройство компьютера, 10 класс
50
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, 2013
http://kpolyakov.spb.ru

51. Источники иллюстраций

Устройство компьютера, 10 класс
51
Источники иллюстраций
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
http://lenovo.ru
http://apple.com
http://samsung.com
http://www.pcguide.com
http://hardforum.com
http://www.techspot.com
http://www.directindustry.com
http://www.photo-dictionary.com
http://www.flashdrive-repair.com
http://qtwy.net
http://www.designboom.com
http://vindavoz.ru
http://www.mousearena.com
http://www.globalnerdy.com
http://vernier.com
http://mnc.ru
http://npkrapid.ru
http://avgold.ru
http://abs3d.ru
К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
20.
21.
22.
23.
http://tavco.net
http://en.wikipedia.org
http://ru.wikipedia.org
http://www.teamliquid.net/forum/te
ch-support/333648-an-overviewof-mouse-technology
24. иллюстрации художников
издательства «Бином»
25. авторские материалы
http://kpolyakov.spb.ru