К каким данным центральный процессор может обращаться непосредственно
3. Регистр является компонентом внутри ЦПУ, он имеет очень высокую скорость чтения и записи, поэтому передача данных между регистрами очень быстрая.
4. Cache :Кеш-память,Это небольшая, но высокоскоростная память, расположенная между процессором и основной памятью, Поскольку скорость ЦП намного выше, чем у основной памяти, ЦП в течение определенного периода времени ожидает прямого доступа к данным из памяти.Кэш содержит часть данных, которые процессор только что использовал или переработалКогда ЦП снова использует часть данных, их можно напрямую вызывать из кэша, что сокращает время ожидания ЦП и повышает эффективность системы.Кэш-память делится на кэш первого уровня (кэш-память первого уровня) и кэш-память второго уровня (кэш-память второго уровня), кэш-память первого уровня встроена в центральный процессор., L2 Cache обычно паялся на материнской плате в первые дни,Теперь также все встроено в процессорОбщая емкость кэш-памяти L2 составляет 256 КБ или 512 КБ.
Краткое описание:Вообще говоря, данные проходят через кэш-регистр памяти, а кеш - это компонент, который настроен для компенсации разницы в скорости вычислений между процессором и памятью.
Сначала посмотрите на пирамиду иерархии памяти компьютера
Далее мы рассмотрим систему хранения компьютера
Register
Регистр является внутренним компонентным блоком ЦПУ, и это место, где ЦП извлекает инструкции и данные во время работы. Скорость очень высокая. Регистр может использоваться для временного хранения инструкций, данных и адресов. В CPU обычно имеются общие регистры, такие как регистр команд IR, регистры специальных функций, такие как счетчик программ PC, sp и т. Д.
Register
Регистр является внутренним компонентным блоком ЦПУ, и это место, где ЦП извлекает инструкции и данные во время работы. Скорость очень высокая. Регистр может использоваться для временного хранения инструкций, данных и адресов. В CPU обычно имеются общие регистры, такие как регистр команд IR, регистры специальных функций, такие как счетчик программ PC, sp и т. Д.
Кеш памяти
Cache (английский: кеш, английское произношение: / kæʃ / kash [1] [2] [3], называемый кешем), его первоначальное значение относится к виду оперативной памяти с более высокой скоростью доступа, чем общая оперативная память (RAM), Обычно он не использует технологию DRAM, такую как системная память, но использует дорогую, но более быструю технологию SRAM.
принцип
Термин Cache взят из статьи 1967 года в электронном инженерном журнале. Автор дал французскому слову «кеш» значение «безопасного хранения» и использовал его в области компьютерной техники.
Когда процессор обрабатывает данные, он сначала отправляется в кэш, чтобы найти его. Если данные временно сохраняются, поскольку они были прочитаны предыдущей операцией, нет необходимости считывать данные из оперативной памяти (основной памяти), поскольку Скорость работы ЦП обычно выше, чем скорость чтения основной памяти, а цикл основной памяти (время, необходимое для доступа к основной памяти) составляет несколько тактов. Поэтому, если вы хотите получить доступ к основной памяти, вы должны подождать несколько циклов ЦП и привести к растрате.
Целью предоставления «кэша» является адаптация скорости доступа к данным к скорости обработки ЦП, которая основана на принципе «локального выполнения выполнения программы и доступа к данным» в памяти, то есть в течение определенного времени и места выполнения программы к ней осуществляется доступ. Код ориентирован на часть. Чтобы в полной мере играть роль кеша, не только полагаться на «временное хранение данных, к которым только что обращались», но и использовать технологию прогнозирования команд и предварительной выборки данных, реализованную аппаратно - насколько это возможно, используемые данные будут забираться из памяти в кеш заранее.
Кэш-память ЦП раньше была продвинутой технологией, используемой в суперкомпьютерах, но микропроцессоры AMD или Intel, используемые в современных компьютерах, интегрируют кэш-память данных и кэш-память команд различных размеров внутри чипа, обычно называемого кешем L1 ( Кэш-память L1 - это встроенный кэш-память первого уровня (кэш-память первого уровня), тогда как кэш-память второго уровня с большей емкостью, чем L1, когда-то размещалась вне ЦП (основной платы или интерфейсной платы ЦП), но теперь она стала внутренней по отношению к ЦП. Стандартные компоненты: более дорогие процессоры будут оснащены кэш-памятью L3 (кэш-память 3-го уровня) больше, чем кэш-память L2.
Расширение концепции
Теперь концепция кеша была расширена, она не только имеет кеш между процессором и основной памятью, но также имеет кеш (дисковый кеш) между памятью и жестким диском, и даже имеет ощущение кеширования между жестким диском и сетью Кэш для временных интернет-папок или сетевого контента и т. Д. Любую структуру, которая расположена между двумя типами оборудования с большой разницей в скорости и используется для координации разницы в скорости передачи данных между ними, можно назвать кешем.
HardDisk
Процесс выполнения инструкции по сборкеНе абсолютно, разные платформы имеют различия):
Инструкция выборки (инструкция выборки), декодирование (преобразование инструкции в микроинструкцию), выборка номера (чтение операнда в памяти), вычисление (различный процесс вычисления, отвечает АЛУ), обратная запись (запись результата вычисления обратно в память ), На некоторых платформах первые два шага будут объединены в один шаг, а в некоторых инструкциях не будет процесса извлечения или обратной записи.
Давайте упомянем концепцию частоты процессора: во-первых, частота определенно не равна количеству команд, которые могут быть выполнены за одну секунду. Стоимость выполнения каждой инструкции различна. Например, инструкция по сборке INC на платформе x86 быстрее, чем ADD. Цикл каждой инструкции может ссылаться на руководство Intel.
Зачем упоминать основную частоту? Поскольку в описанном выше процессе выполнения каждая операция должна занимать один тактовый цикл, для добавления оперативной памяти требуется 5 тактовых циклов, другими словами, частота процессора 500 МГц, не более 100 МГц инструкций.
Внимательно следите за тем, чтобы вышеуказанные шаги не включали операции с регистрами. Процессору не требуется время для чтения / записи регистров или если он предназначен только для работы с регистрами (такими как операции типа mov BX, AX), а затем выполняется за одну секунду Количество инструкций в теории равно основной частоте, потому что регистр является частью процессора.
Затем регистр является кешем на всех уровнях, есть кэш L1, L2, даже L3 и TLB (TLB также можно рассматривать как кэш), а затем это память. Ранее регистр говорил, что регистр быстрый, а теперь почему он медленный:
Для всех уровней кэша скорость доступа различна. Теоретически L1cache (кэш первого уровня) имеет ту же скорость, что и регистр ЦП, но у L1cache есть проблема. Когда содержимое между кэшем и памятью необходимо синхронизировать, его необходимо заблокировать. Блок кеша (термин - строка кеша), а затем обновление кеша или содержимого памяти, к этому кеш-блоку нельзя получить доступ в течение этого периода, поэтому скорость L1cache не так высока, как у регистра, потому что она будет частой в течение определенного периода времени. Не доступно
Ниже кеша L1 находится кеш L2, даже кеш L3. Все они имеют те же проблемы, что и кеш L1. Его необходимо заблокировать и синхронизировать, и L2 медленнее, чем L1, а L3 медленнее, чем L2, поэтому скорость ниже.
Наконец, давайте поговорим о памяти. Основная частота памяти теперь составляет около 1333, верно? Или 1600, единица измерения - МГц, что намного ниже, чем скорость ЦП, поэтому начальная точка скорости памяти ниже, а затем связь между памятью и ЦП - не то, что вам нужно.
Память не только связывается с ЦП, но также обменивается данными с другим оборудованием через контроллер DMA. ЦП инициирует запрос памяти, сначала подав сигнал «Я хочу получить доступ к данным, вы заняты?» Если память в это время занята , Связь должна ждать, и связь может быть нормальной, когда она не занята. И временная стоимость этого сигнала запроса достаточна для выполнения нескольких инструкций по сборке, поэтому это является причиной медленной памяти.
Другая причина заключается в том, что канал связи между памятью и процессором также ограничен, так называемая «полоса пропускания шины», однако следует учитывать, что эта полоса пропускания не только зарезервирована для памяти, но также включает в себя все виды связи, такие как видеопамять. Чтобы воспользоваться этим маршрутом и поскольку маршрут является общим, необходимо выгрузить любой запрос, прежде чем он будет инициирован.
Комбинация вышеупомянутых двух заставляет ЦП обращаться к памяти медленнее, чем кэш.
Чтобы дать более понятный пример:
Процессору нужен только один шаг, чтобы получить значение регистра AX: принесите мне AX, и AX получит его.
Чтобы получить определенное значение кэша L1, ЦП требуется 1-3 шага (или больше): заблокировать строку кэша, взять определенные данные и разблокировать их. Если он не заблокирован, он будет работать медленно.
ЦП должен принять определенное значение кеша L2, он должен сначала перейти в кеш L1, сказал L1, нет, в L2 L2 начинает блокировку, после блокировки копирует данные из L2 в L1, а затем выполняет чтение L1 Процесс, описанный выше 3 шага, затем разблокировать.
То же самое относится и к процессору, который принимает кэш L3, за исключением того, что он копируется из L3 в L2, из L2 в L1 и из L1 в CPU.
Извлечение памяти из ЦП является наиболее сложным: уведомить контроллер памяти о том, что он занимает полосу пропускания шины, уведомить о блокировке памяти, инициировать запрос чтения из памяти, дождаться ответа, сохранить данные ответа в L3 (если нет, перейти в L2), а затем из L3 / 2 в L1, а затем От L1 до CPU, затем отпустите блокировку шины.
RAM-memory
То есть память - это блок для хранения данных. Его роль заключается во временном хранении данных вычислений в ЦП и данных, которыми обмениваются внешние хранилища, такие как жесткие диски.
Разница между дисковым кешем и кешем памяти
Дисковый кеш
Жесткий диск с буфером 16 МБ
Дисковый кеш (Disk Buffer) или дисковый кеш (Disk Cache) фактически предназначен для сохранения загруженных данных в пространстве памяти, выделенном системой для программного обеспечения (это пространство памяти называется «пул памяти»), при сохранении в Когда данные в пуле памяти достигают определенного уровня, данные сохраняются на жесткий диск. Это может уменьшить фактические операции с диском и эффективно защитить диск от повреждения, вызванного повторными операциями чтения и записи.
Дисковый кэш предназначен для уменьшения количества раз, которое процессор считывает с диска через ввод-вывод, и для повышения эффективности дискового ввода-вывода. Память используется для хранения содержимого диска, к которому осуществляется более частый доступ, поскольку доступ к памяти является электронным действием, а диск Доступ представляет собой действие ввода-вывода, и кажется, что дисковый ввод-вывод становится быстрее.
Та же самая техника может использоваться в действии записи: сначала мы помещаем содержимое для записи в память, ждем, пока у системы будет другой простой, а затем записываем данные этой памяти на диск.
размер
Текущие диски обычно имеют кэш 32 МБ или 64 МБ. Старые жесткие диски 8 МБ или 16 МБ.
Процессор — это устройство, предназначенное для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.
Название «процессор» происходит от английского глагола to process — обрабатывать. Процессор, изготовленный в виде микросхемы — электронной схемы на одном кристалле кремния, — называется микропроцессором (рис. 2.1).
Рис. 2.1
В любой процессор обязательно включены две важные части:
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), в котором выполняется обработка данных;
• устройство управления (УУ), которое выполняет программу в автоматическом режиме (без участия человека) и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера.
Программа — это последовательность команд процессора.
Примеры простейших команд — сложение или деление чисел, копирование данных из одного места памяти в другое. Процессор также может сравнить два числа, определить, какое из них больше (меньше), и даже перейти по результатам этого сравнения к разным частям программы.
Выполнение каждой команды состоит из элементарных действий, которые называются микрокомандами. Простые команды состоят из нескольких микрокоманд, более сложные (например, умножение) могут включать несколько десятков микрокоманд. Разбиение команд на микрокоманды в различных процессорах может быть сделано по-разному.
Каждая из микрокоманд запускается с помощью управляющего импульса от источника (генератора) импульсов. Интервал между двумя соседними импульсами называется тактом (рис. 2.2). Очевидно, что чем чаще поступают импульсы, тем быстрее будет выполняться программа. Поэтому скорость поступления тактовых импульсов может быть характеристикой быстродействия процессора.
Рис. 2.2
Тактовая частота — это количество тактовых импульсов в секунду.
Обычно процессор выполняет за один такт одну простую команду (например, сложение двух чисел). Тогда при тактовой частоте 4 ГГц (4 гигагерца, т. е. 4 миллиарда импульсов в секунду) за одну секунду выполняется около 4 миллиардов таких операций.
Другая характеристика быстродействия процессора — его разрядность. Как вы знаете, все данные хранятся в компьютере в виде цепочек нулей и единиц. Каждый элемент памяти, куда можно записать 0 или 1, называется битом, потому что хранит 1 бит информации.
Разрядность — это максимальное количество битов, которые процессор способен обработать за одну команду.
Современные компьютеры за одну команду могут обработать 64 бита данных.
Как вы думаете, почему увеличение разрядности процессора может привести к ускорению обработки данных? В каких задачах оно может оказаться бесполезным?
Следующая страница Память
Cкачать материалы урока
Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
Этот вид памяти позволяет повторно использовать программы и данные. Благодаря этому текст достаточно набрать один раз, а цифровые фотографии можно рассматривать в течение многих лет.
Устройства внешней памяти часто называют накопителями. К ним относятся, например, накопители на магнитных и оптических дисках, а также современные внешние запоминающие устройства на основе полупроводниковой флэш-памяти.
Внешняя память любого типа состоит из некоторого носителя информации (например, диска или полупроводникового кристалла) и электронной схемы управления (контроллера).
Компьютерный носитель информации — это средство длительного хранения данных в компьютерном формате. Носитель может быть съёмным (как в накопителях на оптических дисках), а может быть помещён внутрь неразборного устройства (жёсткий магнитный диск — «винчестер»).
Магнитные и оптические диски для обеспечения доступа к любому блоку данных быстро вращаются, а читающая головка перемещается вдоль радиуса диска. В более современных видах внешней памяти, где носителем информации является полупроводниковый кристалл, никаких движущихся частей нет, а для чтения и записи данных используются только электрические импульсы (аналогично ОЗУ).
В переносных устройствах внешней памяти, например во внешних жёстких дисках и флэш-накопителях, носитель и схема управления объединены в единый блок. Такие устройства подключаются к компьютеру снаружи через разъём.
Центральный процессор не может непосредственно обращаться к данным на носителе, он работает с ними через контроллер внешней памяти. На рисунке 5.16 схематично показано, как читаются данные с внешнего носителя информации и записываются в ОЗУ 1 .
1 В действительности процесс обмена более сложен, в нём участвует ещё и контроллер ПДП.
Рис. 5.16
Для связи с контроллером процессор использует порты — регистры контроллера, к которым процессор может обратиться по номеру. Процессор передаёт контроллеру «задание» на передачу данных, и контроллер берёт руководство процессом на себя. В это время центральный процессор может параллельно выполнять программу дальше или решать другую задачу. Таким образом, выполнить чтение (и запись) данных из внешней памяти гораздо сложнее, чем из внутренней памяти.
Для внешней памяти характерны следующие черты:
• обменом данными управляют контроллеры;
• прежде чем процессор сможет непосредственно использовать программу или данные, хранящиеся во внешней памяти, их нужно предварительно загрузить в ОЗУ;
• данные располагаются блоками (на дисках их принято называть секторами); блок данных читается и пишется как единое целое, что существенно ускоряет процедуру обмена; работать с частью блока невозможно.
В качестве внешней памяти используются самые разные носители. Первоначально программы и данные сохранялись на бумажных перфокартах (рис. 5.17) и перфолентах. Подписанные обычной ручкой или карандашом, они сортировались программистами вручную. Затем произошёл переход к магнитным носителям: магнитным лентам, барабанам и дискам.
Рис. 5.17. Перфокарта
На магнитных дисках биты данных хранятся в виде небольших намагниченных (или ненамагниченных) областей. Секторы размещаются на концентрических окружностях (имеющих общий центр), которые называются дорожками. Поскольку длина дорожки зависит от положения на диске, количество секторов на дорожках может быть разным. Доступ к секторам диска — произвольный, максимальная скорость достигается тогда, когда читаемые или записываемые секторы располагаются подряд.
Управление такой сложной системой очень трудоёмко — поэтому, как нам уже известно из истории вычислительной техники, появление магнитных дисков вызвало создание специального ПО для работы с ними — операционных систем (ОС). ОС берёт на себя все технические детали, предоставляя пользователю работу с некоторыми наборами данных — файлами. Таким образом, начиная с дисковых накопителей, наличие файловой системы — это характерная черта внешней памяти, которая существенно отличает её от внутренней.
Следующей технологией хранения данных стали оптические компакт-диски, CD (англ. Compact Disk). При записи данных (одним из способов) луч лазера «выжигает» на поверхности диска дорожку, в которой чередуются впадины и возвышения. При считывании также применяется луч лазера, только меньшей интенсивности, чтобы не разрушить данные. Для распознавания нулей и единиц используется различное отражение от перепадов глубины и ровной поверхности диска. В отличие от магнитных дисков, где информация хранится на отдельных замкнутых дорожках, данные на оптическом диске записываются вдоль непрерывной спирали, как на старых грампластинках .
Сейчас широко используются оптические диски следующих поколений: DVD (англ. Digital Versatile Disk — цифровой многоцелевой диск, ёмкость до 17 Гбайт) и Blu-ray-диски (ёмкостью до 500 Гбайт). Они имеют тот же диаметр, что и CD-диски, но для повышения плотности записи используют лазер с меньшей длиной волны. Были разработаны также комбинированные магнитооптические диски. Носителем информации в них служит магнитное вещество. При нагреве лазером оно плавится, частицы среды ориентируются в магнитном поле, и меняются оптические
свойства поверхности диска. После восстановления нормальной температуры такие диски необычайно устойчивы к внешним воздействиям. Тем не менее они не получили распространения из-за высокой стоимости и малой скорости записи.
Отметим, что на всех видах дисков есть разметка на секторы, благодаря которой контроллер может быстро находить нужную информацию. Сами данные помещаются между «заголовком» сектора и его завершающей записью.
Наконец, последнее достижение в области устройств внешней памяти — запоминающие устройства на базе флэш-памяти. В них нет движущихся частей, а носителем информации служит полупроводниковый кристалл. Данные во флэш-памяти обновляются только блоками, но для устройств внешней памяти это вполне естественно. Максимальное количество перезаписей данных для каждого блока хотя и велико, но всё же ограничено. Поэтому встроенный контроллер при записи использует специальный алгоритм для выбора свободных блоков, стараясь загружать секторы диска как можно более равномерно.
Кроме широко распространённых флэш-дисков (сленговое название — «флэшки») этот вид памяти используется в картах памяти (рис. 5.18) для фотоаппаратов, плееров и мобильных телефонов, а также в твёрдотельных винчестерах SSD (англ. Solid, State Disk).
Напомним, что ПЗУ также может изготовляться на базе флэш-памяти.
Рис. 5.18. Флэш-карта
Следующая страница Взаимодействие разных видов памяти
Cкачать материалы урока
Центральный процессор, или центральное процессорное устройство (ЦПУ) (англ. central processing unit — CPU) — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. ЦПУ имеет размеры 5*5*0,3 см, устанавливается на материнской плате. На процессоре установлен большой радиатор, охлаждаемый вентилятором (cooler). Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены на сегодняшний день в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.
Основные параметры процессоров
Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.
Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры были 4-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).
В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше производительность процессора. Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты, некоторых процессоров уже превосходят 500 МГц.
Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.
Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.
История и производители процессоров
Оперативная память
Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство). Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory) и память, доступная только на чтение (ROM - Read Only Memory). Процессор ЭВМ может обмениваться данными с оперативной памятью с очень высокой скоростью, на несколько порядков превышающей скорость доступа к другим носителям информации, например дискам.
Оперативная память с произвольным доступом (RAM) служит для размещения программ, данных и промежуточных результатов вычислений в процессе работы компьютера. Данные могут выбираться из памяти в произвольном порядке, а не строго последовательно, как это имеет место, например, при работе с магнитной лентой.
Память, доступная только на чтение (ROM) используется для постоянного размещения определенных программ, например, программы начальной загрузки ЭВМ – BIOS (basic input-output system – базовая система ввода-вывода). В процессе работы компьютера содержимое этой памяти не может быть изменено.
Оперативная память - энергозависимая, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п.
Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Емкость модулей памяти кратна степени числа 2: 128, 256, 512, 1024 Mb.
Полупроводниковая статическая (SRAM) — ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Сейчас широко используется в качестве кеш-памяти процессоров.
Полупроводниковая динамическая (DRAM) — каждая ячейка представляет собой конденсатор. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большое энергопотребление. Обычно используется в качестве оперативной памяти компьютеров.
Жесткий диск
Накопитель на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск или винчестер (англ. Hard Disk Drive, HDD) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке воздуха, образуемой при быстром вращении дисков.
Название «винчестер» жёсткий диск получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе диски и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером».
В Европе и Америке название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах; в российском же компьютерном сленге название «винчестер» сохранилось, сократившись до слова «винт».
Интерфейс — способ, использующийся для передачи данных. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA (IDE, EIDE), Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB и Fibre Channel.
Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств может достигать до 1.5 Tб, в ПК сегодня распространены винчестеры ёмкостью 80, 120, 200, 320 Гб. В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб.
Физический размер — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках.
Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Графическая плата
Графическая плата (известна также как графическая карта, видеокарта, видеоадаптер) (англ. videocard) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.
Первый IBM PC не предусматривал возможности вывода графических изображений. Современный ПК позволяет выводить на экран двух- и трёхмерную графику и полноцветное видео.
Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъём (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате, но бывает и встроенной.
Современная графическая плата состоит из следующих основных частей:
Графический процессор (GPU) — занимается расчетами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору.
Видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти.
Видеопамять — выполняет роль буфера, в котором в цифровом формате хранится изображение, предназначенное для вывода на экран монитора. Ёмкость видеопамяти так же, как и оперативной памяти кратна степени числа два и на сегодняшний день измеряется в мегабайтах.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет RGB, что в сумме дает 16.7 млн. цветов.
ATI Technologies, NVIDIA Corporation, Matrox, 3D Labs, 3dfx (приобретена NVidia), S3 Graphics, XGI Technology Inc. (приобретена ATI в 2006 г.)
Звуковая плата
Звуковая плата (также называемая звуковая карта, аудиоадаптер) используется для записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов.
IBM-PC проектировался не как мультимедийная машина, а инструмент для решения серьёзных научных и деловых задач, звуковая карта на нём не была предусмотрена и даже не запланирована. Единственный звук, который издавал компьютер — был звук встроенного динамика бипера, сообщавший о неисправностях.
В настоящее время звуковые карты чаще бывают встроенными в материнскую плату, но выпускаются также и как отдельные платы расширения.
На материнскую плату звуковая плата устанавливается в слоты ISA (устаревший формат) или РСI (современный формат). Когда звуковая плата установлена, на задней панели корпуса компьютера появляются порты для подключения колонок, наушников, микрофона…
Creative Labs, Diamond Multimedia System Inc., ESS Technology, KYE Systems (Genius), Turtle Beach Systems, Yamaha Media Technology.
Сетевая плата
Сетевая плата (также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet card, NIC (англ. network interface card)) — печатная плата, позволяющая взаимодействовать компьютерам между собой, посредством локальной сети.
Обычно, сетевая плата идёт как отдельное устройство и вставляется в слоты расширения материнской платы (в основном — PCI, ранние модели использовали шину ISA). На современных материнских платах, сетевой адаптер все чаще является встроенным, таким образом, покупать отдельную плату не нужно.
На сетевой плате имеются разъёмы для подключения кабеля витой пары и/или BNC-коннектор для коаксиального кабеля.
Сетевая карта относится к устройствам коммуникации (связи). Кроме нее к устройствам коммуникации относится модем, но он служит для организации связи в глобальной сети (Интернет). Скорость передачи данных устройствами коммуникации измеряется в битах в секунду (а также в Кбит/с и Мбит/с). Модем, используемый для подключения домашнего компьютера к сети Интернет по телефонной линии, обычно обеспечивает пропускную способность до 56 Кбит/c, а сетевая карта - до 100 Мбит/с.
TV-тюнер
TV-тюнер (англ. TV tuner, ТВ-тюнер) — устройство, предназначенное для приёма телевизионного сигнала в различных форматах вещания (PAL, SÉCAM, NTSC) с показом на компьютере или просто на отдельном мониторе. Tune означает “настраивать” (на длину волны).
TV-тюнер может представлять собой как отдельное устройство с радиовходом и аудио-видео выходами, так и плату расширения. Внешние ТВ-тюнеры подключаются к компьютеру через порт USB или между компьютером и дисплеем через видеокабель, внутренние вставляются в слот ISA, или PCI, или PCI-Express.
Кроме того, большинство современных ТВ-тюнеров принимают FM-радиостанции и могут использоваться для захвата видео.
Дисковод 3,5’’
Дискета — портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — начале 1990-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД — «гибкий магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с дискетами называется НГМД — «накопитель на гибких магнитных дисках»).
Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помещается в защитную оболочку, защищающую магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства — дисковода (флоппи-дисковода).
Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.
Первая дискета диаметром в 200 мм (8″) и ёмкостью 80 килобайт была представлена фирмой IBM в 1971. В 1981 году фирма Sony выпустила на рынок дискету диаметром 3½" (90 мм). Поздняя её версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт. Именно этот тип дискеты стал стандартом и используется по сей день.
Из-за малой ёмкости и скорости обмена данными дискета является отживающим носителем информации, поэтому производители не уделяют больше внимания повышению ее надежности, скорее наоборот. Следует запомнить, что дискета не предназначена для того, чтобы непосредственно открывать и сохранять на ней файлы (хотя это можно делать, но не рекомендуется). Дискету следует использовать только для транспортировки данных.
Центра́льный проце́ссор(ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера; отвечает за выполнение операций, заданных программами. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:
1) АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;
2) Регистры или микропроцессорная память
— сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;
3) БУ - блок управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от
кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с
постоянной частотой . Эти колебания и задают темп работы всей системной платы; Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины.
Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.
На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти.
Характеристики процессора:
1.Тактовая частота—это количество операций,которое процессор может выполнить всекунду. Единица измерения МГц и ГГц ( мегагерц и гигагерц). 1 МГц — значит, что процессор может выполнить 1 миллион операций в секунду, если процессор 3,16 ГГц — следовательно он может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1 секунду.
Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота—это тактовая частота,с которой происходит работавнутри процессора.
Внешняя тактовая частота или частота системной шины—это тактовая частота,с
которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутрення и явнешняя частоты были различны
— внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).
В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.
2.Другой основной характеристикой процессора является его разрядность.
Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров.
Процессор Pentium 4 является 32-разрядным. Сейчас всё больше процессоров 64 разрядные.
3.Кэш процессора—довольно важный параметр.Чем он больше,тем больше данных хранится вособой памяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные, которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время. Чтобы вы не путались в уровнях кэша — запомните одно свойство: кэш первого уровня самый быстрый, но самый маленький, второго — помедленней, но побольше и кэш третьего уровня самый медленный и самый большой(если он есть)
4.Технический процесс(иногда пишут технология)—не основная характеристика процессорадля обычного обывателя, но знать о нем надо, чтобы понимать заумные статьи на компьютерных сайтах. Чем меньше тех процесс, тем как говорится, лучше. По факту – это площадь кристалла на процессоре. Чем кристаллы меньше, тем их больше можно уместить, следовательно увеличить тактовую частоту. Да и на меньший кристалл нужно меньше подавать напряжения, поэтому и тепловыделение уменьшается, поэтому опять же можно увеличить тактовую частоту. Эта цепочка приведена в пример, что бы вы поняли как всё взаимосвязано. Тех процесс в прайсах могут и не написать, но в обзорах его упоминают почти всегда.
5.Socket–этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключенияк материнской плате. Например, Socket LGA775 – если вы такую характеристику встретите на материнской плате, то к ней подойдут только процессоры с маркировкой Socket LGA775 и никакие другие. Обратное правило тоже действует.
Интерфейсная система - это:
-шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК; -шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;
-шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода; -шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.
Интерфейсная система обеспечивает три направления передачи информации:
- между МП и оперативной памятью;
- между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;
- между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств.
Обмен информацией между устройствами и системной шиной происходит с помощью кодов ASCII.
Память
Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации).
Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:
• - ПЗУ(постоянное запоминающее устройство)илиROM (read only memory),котороесодержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы-изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.
• - ОЗУ(оперативное запоминающее устройство,ОП—оперативная память)илиRAM(random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. ОП выделяется особыми функциями и спецификой доступа:
o ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;
o МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.
• Кэш-память -имеет малое время доступа,служит для временного храненияпромежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров
Логическая организация памяти — адресация, размещение данных определяется ПО, установленным на ПК, а именно ОС.
Внешняя память.Устройства внешней памяти весьма разнообразны.Предлагаемаяклассификация учитывает тип носителя, т.е. материального объекта, способного хранить информацию.
• Накопители на магнитной лентеисторически появились раньше,чем накопители намагнитном диске. Бобинные накопители используются в суперЭВМ и mainframe.
• Дискиотносятся к носителям информации с прямым доступом,т.е.ПК может обратиться кдорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.
Магнитные диски(МД)—в качестве запоминающей среды используются магнитные материалысо специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. На сегодняшний день редко используемые.
НЖМДили«винчестеры»изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрытыферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Емкость накопителей за счет чрезвычайно плотной записи достигает нескольких гигабайт, быстродействие также выше, чем у съемных дисков (за счет увеличения скорости вращения, т.к. диск жестко закреплен на оси вращения). Первая модель появилась на фирме IBM в 1973 г. Она имела емкость 16 Кб и 30 дорожек/30 секторов, что случайно совпало с калибром популярного ружья 30'730" «винчестер».
Каждый ЖМД проходит процедуру низкоуровневого форматирования — на носитель записывается служебная информация, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их, маркируются дефектные сектора для исключения их из процесса эксплуатации диска. В ПК имеется один или два накопителя. Один ЖД можно разбить при помощи специальной программы на несколько логических дисков и работать с ними как с разными ЖД.
НОД(накопители на оптических дисках)лазерно-оптические диски или компакт-диски(CD,DVD).Воптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом. Ввиду чрезвычайно плотной записи имеют емкость до 8 Гб.
Флеш-память (англ. flash memory)—разновидность твердотельной полупроводниковойэнергонезависимой перезаписываемой памяти (ПППЗУ).
Она может быть прочитана сколько угодно раз ( в пределах срока хранения данных, типично — 10-100 лет), но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.
Cache
Кэш-память используется для временного хранения данных в памяти.Если регистр хочет взять часть данных в памяти, он может быть непосредственно получен из кеша, так что скорость может быть увеличена. Кеш является частичной копией памяти.
ЦП регистр кэш память
Рабочий метод регистра очень прост, есть только два шага: (1) найти соответствующие биты, (2) прочитать эти биты.
Работа памяти намного сложнее:
(1) Найдите указатель данных. (Указатель может храниться в регистре, поэтому этот шаг уже включает всю работу регистра.)
(4) Определите, в каком блоке памяти находятся данные, и прочитайте данные из блока.
(5) Данные сначала отправляются обратно в контроллер памяти, затем обратно в ЦП, а затем начинают использоваться.
Рабочий процесс памяти на много шагов больше, чем регистров. Каждый шаг создает задержку, которая накапливает, делает память намного медленнее, чем регистры.
Чтобы облегчить огромную разницу в скорости между регистрами и памятью, разработчики аппаратного обеспечения предприняли много усилий, включая настройку в ЦП.кэшОптимизируйте режим работы процессора, попробуйте прочитать все данные, необходимые для инструкции, из памяти за один раз и т. Д.
Читайте также: