Урок 27
Компьютер как средство обработки информации.
Представление о микропроцессоре

Любой компьютер может быть рассмотрен с технической точки зрения как система взаимосвязанных материальных объектов (устройств) разного принципа действия. Все эти устройства объединяет общая цель — техническое обеспечение основных этапов обработки информации.

Одни устройства служат для того, чтобы компьютер смог получать информацию, другие преобразуют введенную в компьютер информацию, третьи обеспечивают вывод информации из компьютера, а некоторые несут вспомогательные функции. Техническую часть персонального компьютера принято называть аппаратным обеспечением. Аппаратное обеспечение всегда может быть представлено в виде базовой части, составляющей основу любой модели компьютера, и периферийной части, которую составляют разнообразные устройства ввода-вывода.

Из раздела вы узнаете, из каких устройств состоит базовая часть компьютера, познакомитесь с различными видами внутренней и внешней памяти, их назначением, физическими принципами и характеристиками. Приводится краткая характеристика периферийных устройств — устройств ввода (клавиатуры, манипуляторов, сенсорных и сканирующих устройств, систем распознавания символов) и вывода (мониторов, принтеров, плоттеров). Вы познакомитесь с упрощенной структурой компьютера и основными принципами взаимодействия его частей. Лучшего понимания вы достигнете, если хорошо освоите тему, посвященную алгебре логики, которая заложена в основу организации работы базовой части компьютера.

В разделе также рассматриваются компьютерные сети, для функционирования которых тоже необходимо специальное аппаратное обеспечение. Вы получите представление о каналах связи, о назначении сетевых адаптеров и модемов, о роли протоколов.

Последние темы раздела посвящены описанию основных классов современных компьютеров. Один класс образуют большие компьютеры, к которым отнесены суперкомпьютеры и суперсерверы. Другой класс составляют малые компьютеры: персональные, портативные и производственные. Для каждого подкласса приводятся основные характеристики и особенности.

И в заключение, вы узнаете историю основных этапов развития компьютерной техники — от идеи создания аналитической машины до перспективных моделей «компьютера будущего». 

Компьютер как средство обработки информации

Изучив эту тему, вы узнаете:

- каково назначение аппаратного обеспечения компьютера;
- каков состав базового комплекта компьютера;
- что означает понятие производительности компьютера.

Перед вами на столе установлен компьютер. Вы можете обратиться к нему за помощью, пообщаться с ним — иногда как с добрым или строгим учителем, иногда как с партнером в игре. Компьютер помогает вам в решении самых разных задач, учит, развлекает. При этом компьютер послушно выполняет ваши указания в виде определенных команд. Компьютер обладает чрезвычайно высокой по сравнению с человеческими возможностями скоростью работы, благодаря чему команды исполняются почти мгновенно.

Что же позволяет компьютеру так безукоризненно исполнять волю человека? Как устроен компьютер и из каких частей он состоит? Ответы на эти вопросы могут быть простыми или сложными в зависимости от того, как человек собирается его использовать.

В этом учебнике вы познакомитесь с устройством компьютера с точки зрения пользователей, чтобы уметь обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации (рисунок 16.1): ввод, хранение, преобразование, вывод.

Рис. 16.1. Основные этапы обработки информации

Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы. Совокупность технических устройств называют аппаратным обеспечением (англ. hardware — аппаратные средства).

    Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации.

Отдельные части компьютера — блоки, связанные между собой с помощью различных устройств: электрических кабелей, разъемов, портов и т. п.

Из всего многообразия составных частей компьютера можно выделить минимально необходимый базовый комплект: устройство ввода информации — клавиатура, устройство вывода — монитор и отдельный блок, который называют системным. Эти устройства обеспечивают основные этапы обработки информации, отображенные на рисунке 16.1. С помощью клавиатуры человек вручную вводит информацию (данные и команды) в память компьютера. Монитор используется для отображения вводимых данных, а также для вывода на экран результатов обработки информации. Системный блок обеспечивает преобразование и хранение информации.

Наряду с клавиатурой и монитором при работе с персональным компьютером используется еще ряд устройств, не входящих в базовый комплект, но обеспечивающих ввод и вывод информации. Трудно, например, представить себе работу современного компьютера без маленькой помощницы — мыши, которая легко движется по коврику даже в руках неопытного пользователя.

Очень полезно иметь печатающее устройство — принтеру позволяющий распечатывать в считанные минуты текстовые, табличные, графические документы. Часто в комплект современного компьютера входят также сканер (устройство ввода информации с листа книги, журнала и т. п.), звуковые колонки, наушники, микрофон и др. Те, кто увлекается компьютерными играми, знают, что для управления ими часто используется джойстик.

Наличие этих и многих других устройств в составе компьютера позволяет использовать его в качестве универсального инструмента обработки разнообразной информации. В последующих темах вы более подробно познакомитесь с назначением и особенностями аппаратного обеспечения персонального компьютера.

Независимо от комплектации компьютера нас всегда будут интересовать характеристики его возможностей, которые также позволяют сравнивать компьютеры между собой. Одна из таких важнейших характеристик — производительность компьютера, которая приближенно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых за одну секунду (оп/с).

    Производительность компьютера — характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации.

Контрольные вопросы

1. Как вы понимаете назначение компьютера?

2. Назовите основные этапы обработки информации компьютером.

3. Опишите основные этапы обработки информации с помощью обычного микрокалькулятора.

4. Что понимают под аппаратным обеспечением компьютера?

5. Что входит в базовый комплект персонального компьютера?

6. Каково назначение клавиатуры и монитора?

7. Перечислите известные вам устройства компьютера, не входящие в базовый комплект.

8. Что понимается под производительностью компьютера?

Микропроцессор

Изучив эту тему, вы узнаете:

- что такое микропроцессор и каково его назначение;
- каковы основные характеристики микропроцессора — тактовая частота и разрядность.

Центральным устройством в компьютере является процессор. Он выполняет различные арифметические и логические операции, к которым сводится решение любой задачи обработки информации на компьютере. Кроме того, процессор управляет работой всех устройств компьютера.

    Процессор — устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.

Что же представляет собой современный процессор? Для ответа на этот вопрос вспомним, что вся история развития компьютеров тесно связана с достижениями человечества в области электроники, материаловедения и других областей науки и техники. Именно открытия некоторых свойств материалов и веществ, в частности на основе кремния, позволили создать процессор для современного компьютера на кремниевом кристалле. Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ. chip — чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине — кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором (англ. Central Processing Unit, CPU).

Первый в мире микропроцессор создан в 1971 году инженерами фирмы Intel. Для современных компьютеров микропроцессоры фирмы Intel и фирмы AMD являются наиболее распространенными.

Микропроцессор конструктивно представляет собой интегральную микросхему, а точнее, сверхбольшую интегральную схему (СБИС). Слово «сверхбольшая» относится не к размерам интегральной схемы, а к количеству заключенных в ней электронных компонентов, размещенных на кремниевой пластине. Число таких компонентов достигает нескольких миллионов. Совершенствование технологий позволяет минимизировать электронные компоненты и увеличить их количество на одном кристалле, что влечет за собой уменьшение размеров устройств, повышение скорости работы и увеличение надежности. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем, или сокет (англ. socket — разъем), на системной плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.

Обработка любой информации на компьютере связана с выполнением процессором различных арифметических и логических операций. Арифметические операции — это базовые математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Логические операции (логическое сложение, логическое умножение, отрицание и др.) представляют собой некоторые специальные операции, которые чаще всего используются при проверке соотношений между различными величинами. Это необходимо для управления работой компьютера.

В состав процессора входят:
- арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее базовые арифметические и логические операции;
- устройство управления (УУ);
- элементы памяти.

Процессор должен обеспечить автоматическое исполнение программы, хранящейся в памяти компьютера, для чего выполняет следующие действия:
- извлечь из памяти команду;
- расшифровать команду;
- выполнить команду.

Эти действия процессор повторяет до команды окончания программы. Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик — тактовой частоты и разрядности.

Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Тактовая частота — это количество тактов в секунду. Такт — интервал времени между началами двух соседних тактовых импульсов. Единица измерения тактовой частоты — герц (Гц). Для современных компьютеров тактовая частота измеряется единицами гигагерц (ГГц), 1 ГГц = 109 Гц. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. В течение одного такта может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, обрабатываемой процессором за один такт. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам.

С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 кГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. В 2000 году компьютеры оснащались 32-разрядными микропроцессорами с тактовой частотой порядка 1,7-3 ГГц.

Кроме центрального микропроцессора во многих компьютерах имеются сопроцессоры — дополнительные специализированные процессоры. Например, математический сопроцессор — микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении вычислений при решении на компьютере математических задач.

Одной из основных тенденций в развитии микропроцессоров до недавнего времени было увеличение тактовой частоты и разрядности. Сегодня ведущие производители микропроцессоров отказались от такой стратегии, теперь важнейшими показателями производительности становятся количество процессорных ядер, которые реализуют полный набор возможностей процессора.

Контрольные вопросы

1. Как вы понимаете назначение микропроцессора?

2. Что такое микропроцессор?

3. Какие характеристики микропроцессора вы знаете?

4. Что такое тактовая частота процессора и как она связана с характеристикой «производительность» ?

5. Что такое разрядность процессора?

6. Что зависит от разрядности процессора?

7. В чем назначение сопроцессора?

8. Приведите примеры устройств, использующих микропроцессор.

9. Определите тип микропроцессора в школьном (личном) компьютере.