КОНСПЕКТ УРОКОВ ПО ИНФОРМАТИКЕ
УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Учени____ 10 «__» класса
ГБОУ школы № _____
_________________________
УРОК 1. Программная обработка данных на компьютере
Основной функцией компьютера является обработка информации.
В 50-60-е годы, когда компьютер еще назывался ЭВМ (электронно-вычислительная машина), он мог только вычислять. Процесс обработки информации состоял в операциях над числовыми данными.
В 70-е годы компьютер "научился" работать с текстом. Пользователь получил возможность редактировать и форматировать текстовые документы. В настоящее время большая часть компьютеров и большая часть времени используется для работы именно с текстовыми данными.
В 80-е годы появились первые компьютеры, способные работать с графической информацией. Сейчас компьютерная графика широко используется в деловой графике (построение диаграмм, графиков и так далее), в компьютерном моделировании, при подготовке презентаций, при создании Web-сайтов, в рекламе на телевидении, в анимационном кино и так далее. Применение компьютеров для обработки графических данных постоянно расширяется.
В 90-е годы компьютер получил возможность обрабатывать звуковую информацию. Любой пользователь современного персонального компьютера может воспользоваться стандартными приложениями Windows для прослушивания, записи и редактирования звуковых файлов. Работа со звуковыми данными является неотъемлемой частью мультимедиа технологии.
Для того чтобы числовая, текстовая, графическая и звуковая информация могли обрабатываться на компьютере, они должны быть представлены в форме данных.
Данные хранятся и обрабатываются в компьютере на машинном языке, то есть в виде последовательностей нулей и единиц (1 – импульс есть, 0 – импульса нет).
Информация, представленная в компьютерной форме (на машинном языке в виде двоичных кодов) и обрабатываемая на компьютере, называется данными.
Тип информации
|
Человек
|
Компьютер
|
Двоичный код
|
Последовательность импульсов
|
Числовая
|
5
|
00000101
|
|
Текстовая
|
А
|
11000000
|
|
Графическая
|
.
|
00000000
|
|
Звуковая
|
Звук максимальной громкости
|
11111111
|
|
Для того чтобы процессор компьютера "знал", что ему делать с данными, как их обрабатывать, он должен получить определенную команду (инструкцию). Такой командой может быть, например, "сложить два числа" или "заменить один символ на другой".
Обычно для решения какой-либо задачи процессору требуется не единичная команда, а их последовательность.
Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.
На заре компьютерной эры, в 40-50-е годы, программы разрабатывались непосредственно на машинном языке, то есть на том языке, который "понимает" процессор. Такие программы представляли собой очень длинные последовательности нулей и единиц, в которых человеку разобраться было очень трудно.
В 60-е годы началась разработка языков программирования высокого уровня (Алгол, Фортран, Basic, Pascal и др.), которые позволили существенно облегчить работу программистов. В настоящее время с появлением систем визуального программирования (Visual Basic, Delphi и др.) создание программ стало доступно даже для начинающих пользователей компьютера.
В течение нескольких десятилетий создавались программы, необходимые для обработки различных данных. Совокупность необходимых программ составляет программное обеспечение компьютера.
Таким образом, для обработки данных на компьютере необходимо иметь не только аппаратное обеспечение компьютера, так называемое hardware, но и программное обеспечение, так называемое software.
ПРАКТИКА к уроку 1
Заполнить таблицу, используя ресурсы Интернет и дополнительный конспект к уроку «Развитие программирования»
Период (годы)
|
Вид обрабатываемой информации
|
Решаемые задачи, проблемы
|
Технология программирования, языки программирования
|
Программное обеспечение ПК (ОС и приложения)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
УРОК 2. Системный блок (состав и назначение)
Выходные данные
Входные данные
Устройства ввода
Устройства вывода
ПРОЦЕССОР
АЛУ
УУ
ПАМЯТЬ
Хранение и преобразование информации
Персональный компьютер – это комплекс взаимосвязанных устройств, каждому из которых поручена определенная функция.
Архитектура ПК – это общее описание структуры и функций.
Принцип, на основе которого организована взаимосвязь устройств ПК, называется принципом открытой архитектуры. Компьютер имеет модульное построение узлов и блоков, что позволяет расширять его возможности.
Принцип открытой архитектуры был введен немецким математиком – Джоном фон Нейманом в 1945 году.
Принцип программного управления – программа состоит из команд, которые выполняются последовательно.
Принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
Принцип адресности – память состоит из нумерованных ячеек.
По типу ПК бывают стационарные (настольные) и переносные (блокноты, карманные секретари, электронные записные книжки)
Независимо от типа в каждом ПК можно выделить две части:
базовую (обязательную), которая имеется в любой модели ПК;
дополнительные устройства (ввода/вывода).
Базовая конфигурация ПК – минимальный комплект аппаратных средств, достаточный для начала работы с ПК.
В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:
системная (материнская) плата;
электронные схемы (процессор, контроллеры устройств, память и т.д.);
блок питания;
системная шина;
дисководы (накопители);
разъёмы для дополнительных устройств.
Принцип работы ПК:
Входные данные (команды) с внешних носителей через устройства ввода попадают в процессор, где они расшифровываются, а затем выполняются. Результат выполнения команды записывается в память. Для выполнения арифметических (сложение, вычитание, умножение и деление) и логических (сравнение) операций процессор имеет арифметико-логическое устройство (АЛУ), это основной блок процессора. Задачу управления работой ПК решает устройство управления (УУ), которое является составной частью работы ПК. УУ контролирует все процессы обработки информации, выполняемые в ПК, координирует работу всех устройств, подключенных к ПК.
ПРОЦЕССОР
ПАМЯТЬ
Принтер
Сканер
Мышь
Колонки
СИСТЕМНАЯ ШИНА
…….
Шины
В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. Модульность позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и производить ее модернизацию. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.
Связь блоков осуществляется с помощью системной шины (bis), которая является каналом связи между МП, основной памятью и периферийными устройствами.
Входные данные (команды) с внешних носителей через устройства ввода попадают в процессор, где они расшифровываются, а затем выполняются. Результат выполнения команды записывается в память.
Системная шина – группа электрических линий, выполняющая функцию взаимодействия и обмена информацией между всеми устройствами ПК. Находится в системном блоке.
Производительность шины – объем информации, которую по ней можно передать за одну секунду.
Разрядность шины – определяет количество бит, передаваемых одновременно от одного устройства к другому (16, 32, 64).
К магистрали, которая представляет собой три различные шины, подключаются процессор и ОП, а также периферийные устройства ввода/вывода, хранения информации, которые обмениваются информацией в форме последовательностей нулей и единиц, реализованных электрическими импульсами.
По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC.
По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.
По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией.
В настоящее время существует несколько стандартов шин:
PCI (Peripheral Component Interconnect) – для подключения видеоплаты к северному мосту. Ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств. Пропускная способность этой шины может достигать 32 Гбайт/с. К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается электронно-лучевой или жидкокристаллический монитор или проектор.
USB (Universal Serial BUS) – для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных устройств. Пропускная способность – до 60 Мб/с и обеспечивает одновременное подключение к ПК до 127 ПУ.
SATA – устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы) подключаются к южному мосту - последовательная шина подключения накопителей. Скорость передачи данных может достигать 300 Мбайт/с.
FSB (системная шина) – данные передаются между северным мостом и процессором. Частота такой шины от 400 МГц. Однако между северным мостом и процессором эффективная частота передачи данных в 4 раза выше (1600 МГц). Разрядность системной шины = 64 бита.
В процессоре используется внутреннее умножение частоты (частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины). В современных ПК этот коэффициент=8, это значит, что процессор за один такт шины способен генерировать 8 своих внутренних тактов.
DDR3 (шина памяти) – обмен данными между северным мостом и ОП. Частота ОП в 4 раза выше частоты системной шины. Разрядность шины памяти = 64 бита.
Модули памяти маркируются своей пропускной способностью: PC4200, РС8500…
Быстродействие процессора, ОП и ПУ существенно различается. Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты обработки данных (измеряется в МГц) и разрядности, т.е. количества битов данных, обрабатываемых за один такт.
Такт – промежуток времени между подачами электрических импульсов, синхронизирующих работу устройств ПК.
Частота шины данных - это количество операций в секунду, для обмена данными между процессором и системной шиной компьютера.
Соответственно, скорость передачи данных (пропускная способность) соединяющих эти устройства шин также должны различаться. Пропускная способность шины (измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в герцах – Гц, 1 Гц=1 такт в секунду):
пропускная способность шины=разрядность шины*частота шины
Магистраль данных
Магистрали данных, возможно, не так легко увидеть, но, так же, как и шины, они повсюду. И подобно шинам, магистрали данных позволяют обмениваться данными двум точкам. Однако в отличие от шин, магистрали данных:
Работают по более простому протоколу (или вообще без него)
Характеризуются меньшим количеством или отсутствием стандартов механической части
Причина этих отличий в том, что магистрали данных обычно расположены внутри определённых компонентов системы и не предназначены для соединения различных компонентов. Поэтому магистрали данных сильно оптимизированы именно для такого использования, когда скорость и низкая цена лучше, чем более медленная и дорогая универсальная гибкость.
Примерами типичных магистралей данных являются:
Магистраль данных от процессора к внутреннему кэшу
Магистраль от графического процессора к видеопамяти
Материнская плата (определение, схема устройства)
Материнская (системная) плата является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются:
центральный процессор,
сопроцессор,
контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами,
оперативная память (Random Access Memory), постоянная память (Read Only Memory), кэш-память,
аккумуляторная батарея,
кварцевый генератор тактовой частоты
слоты (разъемы) для подключения других устройств.
Это основная плата в персональном компьютере, так называемый фундамент для построения ПК. Именно от материнской платы зависит производительность, стабильность и масштабируемость, то есть дальнейший апгрейд вашего компьютера, возможность установки более мощного процессора, большего количества памяти и так далее.
Многие необходимые дополнительные устройства интегрированы в современные материнские (системные) платы: сетевая карта, внутренний модем, сетевой адаптер беспроводной связи Wi-Fi, контроллер IEEE1394 для подключения цифровой видеокамеры, звуковая плата и др. Раньше эти устройства подключались к материнской плате с помощью слотов и разъемов.
Такие платы называются «интегрированные системные платы».
Достоинства интеграции устройств:
Освобождение слотов.
Удешевление компьютера.
Недостатки интеграции устройств:
Встроенные компоненты имеют посредственные параметры.
Скорость совершенствования графических карт и аудиоустройств выше (примерно в 2 раза), чем системных, поэтому встроенные устройства быстро морально устаревают.
При модернизации встроенный контроллер становится мертвым капиталом.
Основными параметрами системной платы являются:
Чипсет – набор микросхем, обеспечивающих согласованную работу устройств компьютера. Чипсет обычно состоит из двух микросхем, а именно:
North Bridge (NB, северный мост) – обслуживает центральный процессор, память и графическую карту AGP.
South Bridge (SB, южный мост) – содержит контроллеры устройств ввода/вывода и стандартных перифирийных устройств, таких как дисководы для гибких дисков, клавиатура, последовательные и параллельный порты и т.д.
К Северному мосту подключены все основные шины компьютера: процессорная, шина оперативной памяти, графическая, шина соединения с южным мостом.
Южный мост отвечает за периферийные устройства и различные внешние шины. Так, к нему подключены: слоты расширения, порты USB, IDE-контроллер, дополнительные IDE-, SATA-или FireWire-контроллеры.
Двухчиповая архитектура является классической, однако не исключены и одночиповые решения. Большинство современных наборов логики представляет собой одночиповое решение, однако архитектуры, с точки зрения техники, это не меняет. В данном случае один чип сочетает в себе возможности и южного, и северного мостов, которые, в свою очередь, связаны между собой.
Форм-фактор (ФФ) платы. Определяет совместимость с корпусом и типом электропитания. ФФ включает в себя размер, тип питания и конструктивное исполнение системной платы.
В настоящее время в домашних компьютерах применяются два семейства ФФ (внутри каждого семейства модели отличаются форматами).
Морально устаревшее семейство AT (Baby AT – BAT). Платы данного семейства менее совершенны, но более дешевые.
Семейство ATX. Исправляет недостатки семейства BAT.
Платы семейства ATX имеют существенное преимущество над платами BAT по питанию, охлаждению, легкости доступа и замены устройств.
В настоящее время материнские платы стандарта ATX выпускаются в двух форматах: ATX и Mini ATX. Форм-фактор накладывает ограничения на размеры платы и, соответственно, на количество слотов, расположенных на материнской плате. Современная материнская плата формата ATX обладает примерно следующим набором слотов: 2-4 слота для установки модулей памяти, один слот графической шины AGP или PCI Express для установки видеокарты, 5-6 слотов шины PCI или 2-3 слота шины PCI и 2-4 слота шины PCI Express для установки дополнительных плат расширения (модем, ТВ-тюнер, сетевая карта). Выбор между ATX и Mini ATX должен основываться на ваших требованиях, предъявляемых к ПК.
Микропроцессор
1959 г Роберт Нойс (основатель фирмы Intel) изобрел метод получения чипа (микросхемы).
В 1971 году фирма Intel разработала первый процессор – устройство обработки информации.
Современный микропроцессор выполнен в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС), которая содержит сотни миллионов микропереключателей и представляет собой маленькую полупроводниковую пластину площадью в несколько квадратных сантиметров, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов).
МП выпускаются так же фирмами IBM, NEC, Cyrix, AMD и др.
Процессор устанавливается в специальный разъем на системной плате.
Назначение: выполняет арифметические и логические операции над данными и управляет работой всех устройств.
Функции процессора:
обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций) – функция АЛУ (арифметико-логического устройства);
программное управление работой устройств ПК – функция УУ (устройства управления).
Обязательные компоненты МП:
арифметико-логическое устройство;
устройство управления;
КЭШ - память;
для промежуточного хранения данных и результатов их обработки в процессоре имеется ряд регистров.
Арифметико-логическое устройство – отвечает за выполнение арифметических и логических операций;
Устройство управления – координирует работу всех компонентов ПК.
Кэш-память – предназначена для ускорения работы МП.
В состав процессора входят также регистры (процессорная память) – ряд специальных запоминающих ячеек. Регистры выполняют две функции:
кратковременное хранение числа или команды;
выполнение над ними некоторых операций.
МП в своем составе может иметь математический сопроцессор для выполнения специальных математических функций и команд с плавающей точкой (дробные числа).
МП вычисляет адрес очередной команды программы, по которому она находится в ОП и выполняет действие, указанное в этой команде.
Характеристики МП:
Тип МП, линейка – определяет поколение, серию.
Тактовая частота – количество элементарных тактов, посылаемых генератором за 1 секунду. Показатель уровня синхронизации работы всех устройств ПК, определяет скорость работы ПК. (Количество машинных циклов, производимых процессором в единицу времени). Измеряется в МГц. С момента появления увеличилась в 37000 раз (с 0.1 МГц до 3700 МГц). Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно как-то отводить от чипа (иначе процессор будет работать нестабильно). Заметим, что тактовая частота является только одним из факторов, определяющих производительность современного процессора, но не единственным. Поэтому «гонка частот» пошла на спад, и современные процессоры по частотным характеристикам недалеко продвинулись по сравнению с моделями двух- и трехлетней давности: тактовые частоты топовых ЦП едва превысили отметку в 3 ГГц.
Разрядность – количество двоичных разрядов, обрабатываемых процессором одновременно. Измеряется в битах. За 40 лет увеличилась в 16 раз (от 4 до 64 битов).
Машинное слово – число бит (8, 16 или 32) к которым процессор имеет одновременный доступ. Чем больше объем слова, тем больший объем информации обрабатывает МП за 1 такт.
Разрядность определяет и объем памяти, с которым может работать МП.
В последнее время наиболее часто используются Pentium II, Pentium III, Pentium IV
Увеличение производительности МП
Наличие нескольких ядер. Большинство современных процессоров являются двухъядерными (Dual Core). Это значит, что в одной микросхеме, по сути, находятся сразу два процессора. Уже появились модели, которые состоят из четырех ядер (Quad Core), например, Intel Core 2 Quad и AMD Phenom X4. В будущем количество ядер в процессорах будет только возрастать, потому как увеличивать их число проще, чем постоянно поднимать тактовую частоту.
Увеличение объема кэш-памяти. Данные, с которыми работает процессор, и команды для их обработки помещаются в оперативной памяти, но помимо нее, в сам ЦП встроена кэш-память (cache), доступ к которой осуществляется гораздо быстрее. В кэш помещаются наиболее часто используемые процессором данные и куски программного кода. Чем больше объем кэш-памяти, тем выше скорость работы процессора на реальных задачах (при этом прирост производительности сильно зависит от самой задачи). Вся кэш-память делится на два уровня. К первому уровню процессор получает доступ быстрее, поэтому в нем содержится самая нужная информация. В кэш второго уровня попадают менее «ходовые» данные. Объем первого уровня невелик и у нынешних ЦП различается не столь сильно, поэтому является менее показательной характеристикой. А кэш-память второго уровня увеличивается ударными темпами: у современных двухъядерных процессоров она может иметь объем до 6 Мб, а у четырехъядерных - до 12 Мб.
Увеличение тактовой частоты фронтальной шины. Обмен данными современных процессоров с оперативной памятью происходит через канал, называемый фронтальной шиной (Front Side Bus – FSB). Чем выше ее тактовая частота, тем быстрее происходит передача данных. Первые процессоры Pentium 4 c шиной 400 МГц могли сообщаться с памятью на скорости 3,2 Гб в секунду. Пропускная способность современных процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad с шиной 1333 МГц достигает 10,6 Гб в секунду.
Все вышеперечисленные достижения стали возможными благодаря постоянно развивающимся технологиям производства микропроцессоров. Последние модели четырехъядерных ЦП Intel содержат 820 (!) млн транзисторов. Для того чтобы уместить такое огромное количество элементов на площади, равной паре квадратных сантиметров, нужно уменьшить их до микроскопических размеров. Попутно уменьшается количество выделяемого тепла, и становится возможной работа на более высоких частотах. Размер транзистора передовых современных ЦП составляет всего 45 нанометров (для сравнения: толщина человеческого волоса равна 10 000 нанометров). В 2009 году производство процессоров перешло уже на 32-нанометровую технологию.
ПРАКТИКА к уроку 2
Задание 1.
По данным из таблицы, а также используя ресурсы Интернет и дополнительные конспекты «Словарь терминов» и «Маркировка процессоров» расшифруйте значения показателей приведенных ниже процессоров:
Линейка
|
Частота МП, Ггц
|
Энергопотребление (тепловыделение), Вт
|
Техпроцесс, нм
|
Количество ядер
|
КЭШ L2, Кб (на все ядра)
|
Сокет
|
Коэффициент умножения
|
Наборы инструкций (поддержка)
|
AMD Turion 64x2 TL-50
|
|
|
|
|
|
|
|
|
AMD Phenom II X4 Deneb
|
|
|
|
|
|
|
|
|
AMD Turion 64x2 TL-60
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Intel Core Duo T2700
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Intel Core 2 Duo T7600
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Intel Core 2 Duo E8200
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задание 2.
Расшифруйте следующие показатели процессора:
|
