К уроку информатики и ИКТ "Процессор"

• 1 слайд

  1
  Устройство компьютера
  

• 2 слайд

  Устройство компьютера
  2
  

• 3 слайд

  Принципы устройства компьютеров
  3
  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
  

• 4 слайд

  
  Архитектура фон Неймана
  4
  Джон фон Нейман
  (1903-1957)
  процессор
  (АЛУ, УУ)
  внешняя
  память
  устройства
  ввода
  устройства
  вывода
  внутренняя
  память
  обрабатывает данные
  обеспечивает выполнение программы
  временное хранение данных во время обработки
  долговременное хранение данных
  

• 5 слайд

  Принцип двоичного кодирования
  5
  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
  

• 6 слайд

  Принцип адресности памяти
  6
  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
  

• 7 слайд

  Принцип адресности памяти
  7
  200
  201
  202
  203
  204
  205
  числа
  200
  204
  205
  206
  207
  208
  200
  208
  201
  202
  203
  209
  20
  A
  20
  B
  символы
  числа
  Первые ЭВМ (I и II поколения)
  III и IV поколения
  размеры ячеек:
  у первых ЭВМ – 36, 48, 60 битов
  сейчас – 8 битов
  

• 8 слайд

  Память с произвольным доступом
  8
  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
  
  

• 9 слайд

  Иерархическая организация памяти
  9
  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)
  …
  

• 10 слайд

  Принцип хранимой программы
  10
  5
  10
  15
  20
  25
  30
  35
  40
  45
  50
  55
  60
  Фрагмент коммутационной панели IBM-557
  Программа хранится в единой памяти вместе с данными!
  !
  Код программы хранится в ПЗУ или во внешней памяти и загружается в ОЗУ для решения задач.
  В гарвардской архитектуре есть отдельные области памяти для программ и данных!
  

• 11 слайд

  Принцип программного управления
  11
  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
  

• 12 слайд

  Основной алгоритм работы процессора
  12
  выбрать команду
  записать в счётчик команд адрес следующей команды
  выполнить команду
  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)
  

• 13 слайд

  Что такое архитектура?
  13
  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.
  

• 14 слайд

  Устройство компьютера
  14
  

• 15 слайд

  Типы компьютеров
  15
  
  
  настольные (desktop)
  
  
  
  
  
  переносные (ноутбуки)
  
  
  
  нетбуки (нет привода DVD)
  моноблок
  

• 16 слайд

  Типы компьютеров
  16
  планшетные
  
  
  
  
  
  
  смартфоны и карманные персональные компьютеры (КПК)
  

• 17 слайд

  Типы компьютеров
  17
  суперкомпьютеры
  «Ломоносов»
  

• 18 слайд

  Взаимодействие устройств
  18
  устройства ввода
  К
  К
  внешняя
  память
  процессор
  (АЛУ, УУ)
  внутренняя
  память
  К
  устройства вывода
  шина адреса
  шина данных
  шина управления
  Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.
  

• 19 слайд

  Контроллеры
  19
  Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных.
  устройство
  К
  шина адреса
  шина данных
  шина управления
  контроллер клавиатуры
  контроллер диска
  сетевая карта
  видеокарта
  

• 20 слайд

  Архитектура современных компьютеров
  20
  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
  

• 21 слайд

  Обмен данными с внешними устройствами
  21
  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)!
  !
  

• 22 слайд

  Обмен данными с внешними устройствами
  22
  Обмен по прерываниям – внешнее устройство передаёт процессору запрос на обслуживание (прерывание).
  процессор прерывает выполнение программы и …
  переходит на программу обработки прерывания и …
  возвращается к прерванной программе
  процессор не ждёт устройства
  всю работу выполняет процессор
  Контроллер прерываний – использует приоритет различных типов прерываний
  

• 23 слайд

  Обмен данными с внешними устройствами
  23
  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)
  

• 24 слайд

  Устройство компьютера
  24
  

• 25 слайд

  Что такое процессор?
  25
  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
  

• 26 слайд

  АЛУ
  26
  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
  АЛУ работает с целыми числами, математический сопроцессор – с вещественными!
  !
  R  0: N or Z
  R  0: not N
  

• 27 слайд

  Устройство управления
  27
  извлечение из памяти очередной команды
  расшифровка команды, определение необходимых действий
  определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные
  занесение в АЛУ исходных данных
  управление выполнением операции
  сохранение результата
  
  команда
  генератор тактовых импульсов
  

• 28 слайд

  Регистры общего назначения (РОН)
  28
  Для процессоров Intel:
  AX
  0
  7
  8
  15
  16
  31
  EAX
  H = High
  (старший байт)
  L = Low
  (младший байт)
  RAX
  32
  63
  Обработка 8-, 16-, 32- и 64-битовых данных.
  Есть RBX, RCX, RDX и др…
  

• 29 слайд

  Основные характеристики процессора
  29
  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
  Величина адресного пространства 2R байтов
  

• 30 слайд

  Система команд процессора
  30
  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
  

• 31 слайд

  Система команд процессора
  31
  81 C 2 01 01
  код операции ADD (сложить регистр и число)
  код регистра DX
  число 10116
  операнды – данные, с которыми выполняется операция
  ADD DX, 101h
  DX := DX + 10116
  на языке ассемблера
  

• 32 слайд

  Система команд процессора
  32
  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!
  !
  

• 33 слайд

  Система команд процессора
  33
  RISC = Reduced Instruction Set Computer, компьютер с набором упрощённых команд
  команды одинаковой длины (32 бита, …)
  только простые команды (сложение и т.п.)
  команды выполняются за 1 такт
  только две операции с памятью – чтение (LOAD) в регистр и запись (STORE) из регистра
  много регистров (32, …)
  проще аппаратура
  выше быстродействие
  сложнее писать программы
  Современные процессоры: CISC-команды выполняются RISC-ядром!
  !
  А умножение?
  ?
  

• 34 слайд

  Устройство компьютера
  34
  

• 35 слайд

  Что такое компьютерная память?
  35
  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)
  

• 36 слайд

  Внутренняя память
  36
  RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в любом порядке.
  ОЗУ = оперативное запоминающее устройство
  на электронно-лучевых трубках
  на магнитных сердечниках
  сейчас:
  на триггерах (статическая):
  регистры, кэш-память
  
  
  на полупроводниковых
  конденсаторах (динамическая):
  большая ёмкость
  меньшая стоимость
  меньшее быстродействие
  потребляет больше электроэнергии
  

• 37 слайд

  Внутренняя память – ПЗУ
  37
  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
  

• 38 слайд

  Внешняя память
  38
  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
  …
  
  носитель
  К
  контроллер
  

• 39 слайд

  Внешняя память
  39
  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
  

• 40 слайд

  Виды внешней памяти
  40
  перфоленты, перфокарты
  
  
  
  магнитные ленты, магнитные диски
  Файловые системы!
  !
  

• 41 слайд

  Виды внешней памяти
  41
  оптические диски
  
  
  
  
  
  флэш-память
  CD (Compact Disk)
  до 700 Мбайт
  DVD (Digital Versatile Disk)
  до 17,1 Гбайт
  Blu-ray Disk
  до 500 Гбайт
  флэш-карты
  флэш-диски
  SSD
  (Solid State Drive)
  

• 42 слайд

  Чтение данных в ОЗУ
  42
  шина
  процессор
  ОЗУ
  носитель информации
  К
  передача данных
  сигналы управления
  линия не задействована
  1. Передача «задания» контроллеру
  2. Ввод данных в ОЗУ
  Ещё участвует контроллер ПДП!
  !
  шина                       
  процессор
  ОЗУ
  носитель информации
  К
  

• 43 слайд

  Иерархия памяти
  43
  процессор
  компьютер
  объем
  быстродействие,
  стоимость бита
  регистры
  кэш-память
  ОЗУ
  компьютерные сети
  внешняя память
  (диски)
  Какая память внутри процессора?
  ?
  Где расположить ОЗУ?
  ?
  

• 44 слайд

  Кэш-память
  44
  Кэш-память — это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счёт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.
  статическая память (на триггерах)
  нет собственных адресов ячеек
  кэш программ и данных отдельно
  процессор
  кэш-память
  контроллер кэш-памяти
  1-й раз
  2-й раз
  ОЗУ
  

• 45 слайд

  Кэш-память
  45
  Проблемы:
  небольшой объём, быстро заполняется
  при изменении данных в регистрах нужно обновлять кэш
  Решаются контроллером кэш-памяти.
  

• 46 слайд

  Виртуальная память
  46
  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!
  !
  адресное пространство процессора
  страницы виртуальной памяти
  

• 47 слайд

  Основные характеристики памяти
  47
  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).
  

• 48 слайд

  Основные характеристики памяти
  48
  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
  

• 49 слайд

  Устройство компьютера
  49
  

• 50 слайд

  Что такое устройство ввода?
  50
  Устройством ввода называется устройство, которое: позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере.
  сенсорная панель
  (touchpad)
  микрофон
  джойстик
  графический
  планшет
  датчики
  мышь
  сканер
  флэш-диск
  сетевая карта
  жесткий диск
  Что не относится к устройствам ввода?
  ?
  

• 51 слайд

  Клавиатура
  51
  Мембранная
  Механическая
  простая и дешёвая
  недолговечна (1-10 млн нажатий)
  со временем свойства ухудшаются (залипание, нужны бόльшие усилия)
  реакция быстрее
  20-50 млн нажатий
  характеристики не меняются
  дороже
  тяжелее
  

• 52 слайд

  Контроллер клавиатуры
  52
  опрашивает клавиши; фиксирует их нажатие или отпускание;
  хранит скан-коды нескольких последних нажатых или отпущенных клавиш;
  посылает требование прерывания центральному процессору, передаёт ему скан-коды;
  управляет индикаторами клавиатуры;
  диагностика неисправностей клавиатуры
  центральный
  процессор
  контроллер клавиатуры
  буфер клавиатуры
  прерывание
  скан-коды
  

• 53 слайд

  Манипуляторы
  53
  Мышь (оптическая)
  приемное устройство
  (адаптер, USB)
  Лазерные мыши:
  подсветка лазером
  более контрастное
  изображение
  точность выше
  Характеристики:
  разрешение  1000 dpi
  количество кадров в секунду
  (до 10000)
  размер кадра (16×16, 32×32)
  

• 54 слайд

  Манипуляторы
  54
  Трекбол
  Сенсорная панель (тачпад)
  Трекпоинт
  Джойстик
  Игровые манипуляторы
  мультитач – реакция на касание в нескольких местах одновременно
  

• 55 слайд

  Сканеры
  55
  со слайд-модулем
  Сканер – устройство для ввода изображений.
  барабанные
  планшетные
  рулонные
  ручные
  

• 56 слайд

  Сканеры
  56
  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
  на бумаге
  в компьютере
  1 дюйм = 2,54 см
  пиксель
  Разрешающая способность — это максимальное количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.
  

• 57 слайд

  Сканеры
  57
  Ввод текста
  
  
  Для редактирования в текстовом редакторе, нужно распознать символы с помощью специальной программы (> 300 ppi!):
  OCR = Optical Character Recognition, оптическое
  распознавание символов
  ABBY FIneReader, CuneiForm
  Сканер вводит текст как изображение!
  !
  

• 58 слайд

  Сканирование
  58
  

• 59 слайд

  Устройства ввода
  59
  Микрофоны
  Датчики
  датчик
  АЦП
  компьютер
  101001010101
  Веб-камера
  Графический планшет
  

• 60 слайд

  Устройство компьютера
  60
  

• 61 слайд

  Что такое устройства вывода?
  61
  Устройства вывода — это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком.
  сенсорный экран
  колонки
  плоттер
  МФУ
  датчики
  монитор
  принтер
  флэш-диск
  сетевая карта
  жесткий диск
  Что не относится к устройствам вывода?
  ?
  

• 62 слайд

  Первые устройства вывода
  62
  Рг1
  Рг2
  См
  700707708
  Рг2 = ?
  АЦПУ = алфавитно-цифровые печатающие устройства
  

• 63 слайд

  Плоттеры (графопостроители)
  63
  

• 64 слайд

  Мониторы
  64
  Монитор = дисплей + электронные схемы управления
  электронно-лучевые
  жидкокристаллические (ЖК)
  очень малое излучение
  малые размеры и вес
  потребляют мало
  электроэнергии (40 Вт)
  нет искажений изображения
  хуже цветопередача (чёрный цвет?)
  изображение зависит от угла зрения
  смазывание изображения
  «битые пиксели»
  только одно разрешение
  

• 65 слайд

  Мониторы
  65
  R
  G
  B
  пиксель
  управляющий
  транзистор
  диагональ
  15’’, 17’’, 19’’, …
  Разрешение — это количество точек экрана по ширине и по высоте.
  1280×1024, 1440×900, 1366×768, …
  Соотношение сторон 4:3, 5:4, 16:9
  Углы обзора 160° … 178°
  Время отклика 2…8 мс
  

• 66 слайд

  Принтеры
  66
  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)
  

• 67 слайд

  Матричные принтеры
  67
  красящая лента
  бумага
  печатающая головка
  Качество печати:
  72…300 dpi
  текст: до 337 символов в минуту
  графика: до 5 мин на страницу!!!
  дешевые принтеры и ленты
  нетребовательны к бумаге
  невысокое качество низкая скорость печати графики
  шумят
  черно-белые (почти все)
  

• 68 слайд

  Струйные принтеры
  68
  Качество печати:
  300…4800 dpi
  ч/б: до 30 стр/мин
  цвет: до 30 стр/мин
  фото 1015:
  от 10 сек
  относительно дешевые
  качественная печать
  мало шумят
  большинство – цветные
  требовательны к бумаге
  дорогие катриджи
  чернила расплываются от воды
  цвет: CMYK
  

• 69 слайд

  Лазерные принтеры
  69
  Качество печати:
  600…1200 dpi
  ч/б: до 50 стр/мин
  цвет: до 25 стр/мин
  становятся все дешевле
  очень качественная печать
  мало шумят
  есть цветные
  требовательны к бумаге
  дорогие катриджи
  потребляют много электроэнергии
  цветные дорогие
  картридж
  с тонером
  лазер
  призма
  фотобарабан
  нагретые
  валики
  чистящий
  элемент
  бумага
  

• 70 слайд

  Сублимационные принтеры
  70
  качество печати:
  300 dpi
  (= 4800 dpi)
  фото 1015:
  около 1 мин
  твердые красители:
  
  
  256 оттенков каждого цвета, всего 16,7 млн. цветов
  печать при нагреве
  верхний защитный слой
  Сублимация – быстрый переход вещества из твердого состояния в газообразное.
  очень качественная печать фото
  не выцветает 100 лет
  печать прямо с фотоаппарата
  специальная бумага и пленки с красками
  

• 71 слайд

  3D-принтеры
  71
  3D-принтер — устройство, которое создает физический объект по слоям на основе его цифровой трёхмерной модели.
  3D = 3-dimensions, трёхмерный
  

• 72 слайд

  Устройства ввода и вывода
  72
  Сенсорный экран
  мультитач – реакция на касание экрана в нескольких местах одновременно
  

• 73 слайд

  Источники иллюстраций
  73
  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
  http://tavco.net
  http://en.wikipedia.org
  http://ru.wikipedia.org
  иллюстрации художников издательства «Бином»
  авторские материалы