Так как компьютер моделирует все информационные функции
человека, то он должен иметь память для хранения информации. Память в
компьютере используется нескольких типов, отличающихся по своему
функциональному назначению, а также конструктивно. Рассмотрим память
компьютера, которая по отношению к процессору является внутренней.
Внутренняя память компьютера предназначена для хранения
программ и данных, с которыми процессор непосредственно работает, пока включен
компьютер. В современных компьютерах элементы внутренней памяти изготавливаются
на микросхемах.
Различают оперативную и постоянную внутреннюю
память.
В оперативной памяти хранятся те программы и
данные, с которыми вы работаете в данный момент. При выключении
компьютера информация в оперативной памяти не сохраняется. Например, вы
работаете с учебной программой по русскому языку, записанной на лазерном
диске. Процессор загружает программу и все необходимые данные с этого диска в
оперативную память и только после этого может их обработать.Процессор
считывает команды и данные из оперативной памяти и записывает в нее результаты.
После окончания работы с программой и выключения компьютера все данные из
оперативной памяти исчезнут.
Таким образом, основное свойство оперативной памяти — то,
что она является энергозависимой, т. к. при отключении энергии данные в
ней не сохраняются.
Существуют программы для управления основными устройствами
компьютера, которые не должны теряться при отключении энергии. Они хранятся в постоянной
внутренней памяти компьютера. Эту информацию процессор может считывать, а изменять
не может.
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив
кристаллических ячеек, способных хранить данные.
В ячейку можно записать только 0 или 1, т. е. 1 бит
информации. Такая ячейка так и называется – “бит”.
Это наименьшая частица памяти компьютера и в связи с этим
память имеет битовую структуру, которая определяет первое свойство оперативной
памяти – дискретность.Бит является слишком маленькой единицей информации, поэтому
биты объединили в группы по 8 и получили байт.
Каждый байт получает порядковый номер – адрес. Адресуемость
– второе свойство оперативной памяти. Нумерация начинается с нуля.Таким образом, память можно представить себе в виде
многоквартирного дома, в котором квартиры – это байты, а номер квартиры –
адрес. Чтобы найти нужную информацию, необходимо знать адрес байта, в котором
она хранится. Именно так поступает процессор, когда обращается за данными и
программам к оперативной памяти.
Рассмотрим физический принцип действия оперативной памяти. С
этой точки зрения различают динамическую память (DRAM) и статистическую память
(SRAM).
Оба вида памяти запоминающих микросхем успешно конкурируют
между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны,
статическая память значительно проще в эксплуатации, т.к. не требует
регенерации, и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С
другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость,
сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для
построения ОЗУ всегда решается в пользу динамической памяти. И все же
быстродействующая статическая память в современно компьютере тоже обязательно
есть – кэш-память.
Оперативную память в компьютере размещают на стандартных панельках,
называемых модулями.
Модули вставляются в соответствующие разъемы на материнской
плате. Такая конструкция облегчает процесс замены или наращивания памяти.
Важнейшей характеристикой модулей ОЗУ является их быстродействие, т.е. у памяти
есть своя скорость работы. У современных модулей скорость доступа к информации
порядка 10 нс.
Первую свою команду процессор находит в памяти, которая в
отличие от магнитных и оптических дисков является внутренней и, в отличии от
ОЗУ , энергонезависимой, т.е. хранит информацию постоянно, даже после
выключения компьютера. В ПЗУ хранится информация об устройствах компьютера,
т.е. параметры и характеристики монитора, жесткого диска, мыши т.д. для того,
чтобы при включении компьютера, прежде чем начать работу, можно было убедиться,
что все они работоспособны.
CMOS – это память с невысоким быстродействием и минимальным
энергопотреблением от батарейки расположенной на материнской плате. Зарядки
батарейки хватает на несколько лет. Наличие такого вида памяти позволяет
отслеживать время и календарь, даже если компьютер выключен.
Подробнее о характеристиках процессора читайте в презентации к уроку.
Материнская плата – самая большая плата компьютера. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так называемые шины. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – так называемый чипсет.
Процессор – основная микросхема компьютера. Все вычисления выполняются в ней. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС является большой не по размеру, а по количеству элементов. Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество функциональных элементов, размеры которых составляют всего около 0.13 микрон (1 микрон = 10-6 м). Например, в процессоре Pentium 4 их около 42 миллионов.
Основная характеристика процессора – тактовая частота (измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц)). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Так, например, при тактовой частоте 2000 МГц процессор может за одну секунду изменить свое состояние 2000 миллионов раз.
Единственное устройство, о существовании которого процессор “знает от рождения” – оперативная память – с нею он работает совместно.
Смотрите моделирование процесса производства процессора в видео фирмы Intel:
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Процессор имеет кэш-память - массив сверхбыстрой оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером системной памяти и процессором. В этом буфере сохраняются блоки данные после того, как их считал процессор, а потом он выполняет команду над данными.
Внутреннее устройство процессора
металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (то есть внутри самого процессора).
сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней - тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния.
специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть большое количество золотистых "точек" - это контакты. Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.
Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается "мостик" между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.
Процессор состоит из ячеек, в которых обрабатываются данные. Ячейки процессора называют регистрами. Регистры могут быть восьмиразрядные (в такой регистр помещаются 8 бит, т.е. 1 байт), шестнадцатиразрядные (в такой регистр помещается два байта или говорят машинное слово), 32-разрядные (помещается двойное слово). Разные регистры процессора имеют разное назначение. Для сохранения данных и результатов используются регистры данных . Для хранения адреса команды - счётчик команд. Для хранения команды – регистр команд. Для хранения адреса данных адресный регистр. Существуют специальные регистры для самопроверок процессора.
Машинные команды, которые обрабатывает процессор состоят из двух основных частей:
Код операции
адресная часть
Код операции показывает, какую именно операцию из системы команд процессора надо выполнить, а в адресной части содержится адрес данных, над которыми будет выполняться эта операция.
К процессору подходят магистрали передачи сигналов:
адресная шина - соединяет процессор с оперативной памятью;
шина данных - по ней в регистры процессора передаётся содержимое ячеек памяти и отправляются результаты обработки назад в оперативную память;
шина управления.
Для хранения адреса команды - счётчик команд. Первым делом процессор считывает из счётчика команд адрес команды.
Размеры регистров (в битах) определяют разрядность процессора.
Разрядность процессора и его тактовая частота - это основные характеристики процессора, от которых зависит производительность компьютера. Для хранения команды у процессора существует -регистр команд. Когда процессор знает адрес команды он считывает слово -команду.
Подробнее смотрите в видео "Как делают процессоры":
