Кузнецов Олег Вячеславович

Занятие 09.09.2022

Основные блоки ПК и их назначение.

Дописываем для римской цифры 1.

4. Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

5. Порты ввода-вывода (I/O ports) — элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами.

6. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта или, просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

7. Математический сопроцессор (FPU) - сопроцессор для расширения командного множества МП и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой, физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в МП (как это делается в случае математического сопроцессора в МП для ПК начиная с МП Intel  486DX и до настоящего времени).

II. Системная шина

Системная шина - соединение, служащее для передачи данных между функциональными блоками компьютера. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Все блоки ПК, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления.

Ада́птер — приспособление, устройство или деталь, предназначенное для соединения устройств, не имеющих непосредственного способа соединения.

III. Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);

ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM , постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая прове-ряется при каждом включении системы.

Также к ОП стоит отнести микросхему BIOS? содержащую набор микропрограмм, реализующих низкоуровневые интерфейсы пользователя для работы с «железом» компьютера и подключёнными к нему устройствами,а также создающих необходимую программную среду для запуска операционной системы, установленной на ПК.

IV. Внешняя память

Внешняя память используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внеш-ней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

V. Источник питания - блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Это собственно блок питания, встроенный в системный блок, а так же и специальное внешнее устройство - источник бесперебойного питания (ИБП), который используется  применительно как система бесперебойного электроснабжения, позволяющее при отключении электричества сохранить информацию на ПК и выключить его.

VI. Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80–85% стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользова-телями, объектами управления и другими компьютерами.

1 Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:

а) видеомонитор (видеотерминал, дисплей) — устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;

б) устройства речевого ввода-вывода.

2 К устройствам ввода информации относятся:

а) клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

б) графические планшеты (дигитайзеры) — устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

в) сканеры (читающие автоматы) — оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

г) устройства целеуказания (графические манипуляторы, ГМ), предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в оправе, световое перо и т. д.);

д) сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК.

3 К устройствам вывода информации относятся:

а) принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель;

б) графопостроители (плоттеры) — устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

4 Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе средств мультимедиа.

Мультимедиа(multimedia, многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д.

Контроль знаний

Выполнить домашнюю работу №1

Реферат "Программные и аппаратные мультимедийные средства, реализующие одну из естественных для  человека сред"

Задание.

Используя понятие «мультимедиа» (тетрадь, лекция), выбрать одну среду (кроме текстовой) и привести пример 1-го аппаратного средства, реализующего эту среду и одного представителя программного обеспечения ПК, реализующего туже среду.
Очень краткое описание выбранных представителей - определение, какие функции выполняет, фото из интернета устройства и окна выбранного программного обеспечения обязательно вставить. Формат отчета – Word.

Пояснения на примере текстовой среды.

Аппаратным обеспечением реализующим эту среду является клавиатура.

Программным обеспечением, реализующим эту среду является любой тестовый редактор.

Выполненные работы присылаете на почту, указанную в разделе этого сайта "Контакты".

В теме письма указать ФИ, группу, номер домашней работы, прикрепить wordовский файл.

Работу сдать до 13.09.2022, до 18.00.

Занятие 12.09.2022 (записать в тетрадь).

Функциональные характеристики ПК

Основными функциональными характеристиками ПК являются:
1. Производительность, быстродействие, тактовая частота.

Быстродействие современных компьютеров измеряют обычно в миллионах операций в секунду. Единицами измерения служат:

МИПС (MIPS — Millions Instruction Per Second) — для операций над числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой); упрощенный вариант подсчета быстродействия. Для примерного определения быстродействия ПК в MIPS вполне достаточно разделить тактовую частоту одного ядра МП на четыре. К примеру, если тактовая частота МП 3,2 Ггц, переводим в герцы, делим на 4 и делим на 10⁶. 3200000000/4/10⁶=800000000/10⁶=800 MIPS.

Вычислительная мощность компьютера (производительность компьютера) — это количественная характеристика скорости выполнения определённых задач на компьютере. Чаще всего вычислительная мощность измеряется во флопсах (количество операций с плавающей запятой в секунду), а также производными от неё.

ФЛОПС (FLOPC —FLoating point Operation Per Second) — для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой). 

ГФЛОПС (GFLOPS — GigaFLOPS) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (как пример).

Оценка производительности компьютеров всегда приблизительная, ибо ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций.

Для определения производительности были разработаны усредненные наборы операций (смеси Гибсона) для разных типов задач: экономических, технических, математических и т. д., в которые разные команды входили в определенном процентном отношении. По смесям Гибсона можно определять среднюю производительность компьютера для этих типов задач.

Оценка реальной вычислительной мощности производится путём прохождения специальных тестов (бенчмарков) — набора программ, специально предназначенных для проведения вычислений и измерения времени их выполнения. Обычно оценивается скорость решения системой большой системы линейных алгебраических уравнений, чтообусловливается, в первую очередь, хорошей масштабируемостью этой задачи.

Многие компьютерные игры, благодаря их требовательности к аппаратному обеспечению и зависимости скорости работы игры от мощности компьютеров, успешно используются в качестве бенчмарков. Обычно бенчмаркинг компьютера в игре выглядит следующим образом: запускается заранее записанное тестовое демо иизмеряется количество кадров в секунду (FPS), которое способна выдать тестируемая система. Результаты тестирования в различных разрешениях и сразными настройками качества заносят в таблицу.

Для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Тип и базовые характеристики МП (тактовая частота, разрядность, многоядерность, поддерживаемые технологии и прочее).

3. Тип и базовые характеристики набора системных микросхем (чипсет).

4. Типы системного, локального и периферийных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды. Важно также наличие беспроводных интерфейсов.

5. Тип и емкость оперативной памяти.

Разные типы оперативной памяти имеют различное быстродействие. В понятие «тип оперативной памяти» (см. главу 9) следует включать и тактовую частоту ее работы. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в гигабайтах.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости оперативной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон квадратного корня).

6. Тип и емкость накопителей на магнитных дисках.

7. Вид и емкость кэш-памяти.

Кэш-память— это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операции с информацией, хранящейся в медленнее действующих запоминающих устройствах.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

9. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

10. Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования на компьютере тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

11. Возможность работы в вычислительной сети.

12. Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.

13. Надежность.

Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции

14. Стоимость.

15. Габариты и вес.

Занятие 16.09.2022 (записать в тетрадь).

Микропроцессоры

Микропроцессор(МП), или Central Processing Unit (CPU), — функционально-законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Основными функциональными характеристиками (параметрами) МП являются:

1.Разрядность определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ). Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:

а) разрядность шины данных;

Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина "внешнего машинного слова", количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции Длина машинных слов внутри микропроцессора, и длина внешнего машинного слова могут не совпадать.

б) разрядность шины адреса МП - это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от МП к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться МП.

Адресное пространство МП, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2ⁿ, где n- разрядность адресной шины.

в) Разрядность регистров (МПП) - это длина машинного слова внутри МП. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти МП- вместимостью регистров МПП. Когда классифицируют МП и употребляют термин "разрядность микропроцессора", то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность МПП определяет эффективность обработки данных МП.

2. Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Если хотите более подробно разобраться в понятии «разрядность», рекомендую перейти по ссылке и прочитать статью - https://www.ixbt.com/cpu/cpu-bitness.shtml

3. Кэш-память - кэш (сверхоперативная память), используемый МП компьютера для уменьшения среднего времени доступа к ОЗУ. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память, которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти.

Кэш - промежуточный буфер с быстрым доступом к нему, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удалённого источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.

Уровни кэша МП

Кэш центрального МП разделён на несколько уровней. Максимальное количество кэшей — четыре. В универсальном МП в настоящее время число уровней может достигать трёх. Кэш-память уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самым быстрым является кэш первого уровня — L1 cache (level 1 cache). По сути, он является неотъемлемой частью МП, поскольку расположен на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных МП L1 разделён на два кэша — кэш команд (инструкций) и кэш данных. Большинство МП без L1 не могут функционировать. L1 работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.

Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2 cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с МП. В ранних версиях МП L2 реализовывался в виде отдельного набора микросхем памяти на материнской плате. Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных МП кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в n Мбайт на каждое ядро приходится по n/c Мбайта, где c — количество ядер МП.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем ОЗУ. Также является памятью раздельного пользования, как и L2.

Существует четвёртый уровень кэша, применение которого оправдано только для многопроцессорных высокопроизводительных серверов и мейнфреймов. Обычно он реализован отдельной микросхемой.

4. Состав инструкций— перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут быть применены эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и другие), но существенное изменение состава инструкций произошло в микропроцессорах i386 (этот состав далее принят за базовый и носит название IE-32, имеется в каждом МП начиная с i386, в современных МП при диагностике не определяется, но он есть, как бы по умолчанию), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4, Pentium D, Core Duo и т.д..

5. Конструктив— это те физические разъемные соединения, которые используются для установки МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разъемы имеют разную конструкцию, разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения

а) Slot — щелевой разъем,

б) Socket — разъем-гнездо.

6. Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

7. Рабочая температура процессора

Ещё один параметр МП — максимально допустимая температура полупроводникового кристалла или поверхности процессора, при которой возможна нормальная работа. Многие МП работоспособны при температурах поверхности (кристалла) не выше 85 . Температура МП зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. При температуре, превышающей максимально допустимую производителем, нет гарантии, что МП будет функционировать нормально. В таких случаях возможны ошибки в работе программ или зависание компьютера. В отдельных случаях возможны необратимые изменения внутри самого процессора. Многие современные процессоры могут обнаруживать перегрев и ограничивать собственные характеристики в этом случае.

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры. Для лучшего контакта с радиатором на поверхность процессора наносится термопаста.

Контроль знаний

Выполнить домашнюю работу №2

Реферат-исследование "Наборы инструкций МП домашнего ПК».

Сделать краткое описание всех наборов инструкций домашнего МП. В интернете находите и скачиваете программу диагностики CPU-Z, она не требует установки, весит мало, только ищите русифицированную и не забудьте определиться с разрядностью вашей домашней операционной системы (32 или 64 бит) и протестировав свой домашний МП смотрите, какие у него наборы инструкций и их описываете.

Вот так выглядит окно этой программы, где вы и найдете искомое.

Начать с базового набора (для МП i80386 –IE-32) и до самых современных. В отчет вставить снимок экрана с окном программы диагностики для подтверждения что у вас именно эти наборы инструкций.
Подсказка 1: базовый набор скорее всего будет не показан, он с недавних пор на современных МП скрыт (это видно на рисунке, но он есть).

Формат отчета – файл Word, лучше в виде таблицы.

Работу сдать до 19.09., до 18.00.

Выполнить домашнюю работу №3

Исследование. "Современные конструктивы МП (конструктив домашнего МП).

Определение конструктива для МП домашнего ПК с помощью программ диагностики (CPU-Z), далее с помощью интернета найти описание вашего сокета. В описании указать год начала производства, для каких МП использовался, какие были новшества, но очень кратко. В отчет вставить снимок экрана с окном программы диагностики для подтверждения что у вас именно этот сокет.

Формат отчета – файл Word.

Работу сдать до 21.09., до 19.00.