Устройство компьютера: процессор, память и материнская плата

В этом уроке ты узнаешь

объяснять функциональную схему компьютера и принципы фон Неймана
описывать части и характеристики процессора (тактовая частота, ядра, разрядность, кэш)
различать внутреннюю и внешнюю память и выполнять расчёты с ёмкостью памяти
объяснять роль материнской платы и шин и находить число адресов по разрядности шины адреса

В магазине рядом с ноутбуком табличка: «6-ядерный процессор, 3,2 ГГц, 16 Гбайт ОЗУ, 512 Гбайт SSD». Что означают эти числа и какой компьютер будет работать быстрее? На этом уроке вы заглянете внутрь системного блока и узнаете о процессоре, видах памяти и материнской плате, которая их соединяет. Во вступительном экзамене DİM утверждения об устройствах памяти и процессоре часто встречаются в заданиях «выберите верные (неверные) утверждения». Устройства, которые подключают к компьютеру, — клавиатура, монитор, принтер — разобраны в уроке «Устройства ввода и вывода».

Функциональная схема и принципы фон Неймана

Определение

Аппаратное обеспечение

Все физические части компьютера: процессор, память, материнская плата, устройства ввода и вывода и т. д. Они принимают, обрабатывают, хранят и выводят информацию.

Все части связаны шинами на материнской плате.

Схема показывает: информация приходит от устройств ввода к процессору, обрабатывается там, и результат идёт к устройствам вывода. Программу и данные процессор берёт из внутренней памяти, а файлы, которые нужно хранить долго, лежат во внешней памяти. Большинство современных компьютеров построено по принципам, которые описал математик Джон фон Нейман в 1945 году:

Двоичное кодирование — вся информация (числа, текст, изображения, команды) кодируется нулями и единицами.
Программное управление — компьютер автоматически выполняет последовательность команд, то есть программу.
Однородность памяти — программа и обрабатываемые ею данные хранятся в одной памяти.
Адресность — память состоит из пронумерованных ячеек, и процессор обращается к любой ячейке по её адресу.

Центральный процессор

Определение

Центральный процессор (CPU)

Главная микросхема, которая последовательно выполняет команды программы, производит арифметические и логические операции и управляет работой других устройств компьютера.

Внутри процессора устройство управления (УУ) выбирает из памяти очередную команду и организует её выполнение, арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции вроде сложения и сравнения, а регистры — очень быстрые маленькие ячейки памяти, которые хранят числа во время операции. В современном процессоре несколько ядер: ядро — это часть процессора, непосредственно выполняющая вычисления, и каждое ядро может выполнять команды самостоятельно. В играх и при работе с видео процессору помогает видеокарта (GPU): тысячи её простых ядер параллельно выполняют однотипные вычисления для изображения.

Характеристика	Что показывает	Пример
Тактовая частота	сколько тактов выполняется за секунду	3,2 ГГц
Число ядер	сколько задач может выполняться одновременно	4, 6, 8
Разрядность	сколько битов обрабатывается за один раз	32 бита, 64 бита
Объём кэша	ёмкость быстрой памяти внутри процессора	8–32 Мбайт

N = f · t

где:

Nчисло тактов
fтактовая частота, Гц (1 ГГц = 1000 МГц = 10⁹ Гц)
tвремя, с

Герц — это «один раз в секунду»: частота показывает, сколько тактов в секунде.

Тактовая частота

1) Сколько тактов выполнит процессор с частотой 3 ГГц за 2 секунды?
2) Какая частота больше: 2,4 ГГц или 3200 МГц?

Показать решение

1) 3 ГГц = 3 · 10⁹ Гц. N = 3 · 10⁹ · 2 = 6 · 10⁹ — 6 миллиардов тактов.
2) Переведём в одни единицы: 3200 МГц = 3200 / 1000 = 3,2 ГГц. 3,2 > 2,4, значит, 3200 МГц больше.
Внимание: скорость зависит не только от частоты — важны и число ядер, и кэш.

Память: внутренняя и внешняя

Память делится на две большие группы. Внутренняя память находится на материнской плате и внутри процессора, процессор работает с ней напрямую. Внешняя память долго хранит файлы; жёсткий диск относится к внешней памяти, даже если стоит внутри системного блока, потому что процессор не работает с ним напрямую — нужные данные сначала копируются в ОЗУ. Единицы измерения памяти (байт, Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт) изучались в уроке «Измерение информации: бит, байт и единицы измерения».

Определение

ОЗУ (RAM) — оперативная память

Быстрая внутренняя память, в которой хранятся работающие программы и их данные. При отключении питания всё её содержимое стирается.

Определение

ПЗУ (ROM) — постоянная память

Память в микросхеме на материнской плате, которая сохраняет содержимое без питания. В ней хранится программа, запускающая компьютер и проверяющая устройства, — BIOS (в современных компьютерах UEFI).

Определение

Кэш-память

Очень быстрая, но маленькая память внутри процессора (уровни L1, L2, L3). Хранит копии часто нужных процессору данных, чтобы не ждать их из ОЗУ.

Устройство	Вид	Без питания	Типичная ёмкость
Кэш	внутренняя	стирается	единицы Мбайт
RAM	внутренняя	стирается	8–32 Гбайт
ROM (BIOS/UEFI)	внутренняя	сохраняется	единицы Мбайт
Жёсткий диск (HDD)	внешняя; вращающиеся магнитные пластины	сохраняется	1–8 Тбайт
SSD	внешняя; нет движущихся частей, быстрее HDD	сохраняется	256 Гбайт – 4 Тбайт
Флешка, карта памяти	внешняя	сохраняется	16–512 Гбайт
CD / DVD / Blu-ray	внешняя; оптический диск (читается лазером)	сохраняется	700 Мбайт / 4,7 Гбайт / 25 Гбайт (один слой)
Дискета (3,5 дюйма)	внешняя; устарела	сохраняется	1,44 Мбайт

Сколько нужно дисков

1) Сколько CD ёмкостью 700 Мбайт нужно, чтобы записать 4 Гбайт данных?
2) Сколько DVD ёмкостью 4,7 Гбайт нужно для 20 Гбайт видео?
3) Сколько дискет по 1,44 Мбайт нужно, чтобы перенести все данные одного CD (700 Мбайт)?

Показать решение

1) 4 Гбайт = 4 · 1024 = 4096 Мбайт. 4096 / 700 ≈ 5,85 → вверх: 6 CD (5 дисков не хватит).
2) 20 / 4,7 ≈ 4,26 → 5 DVD.
3) 700 / 1,44 ≈ 486,1 → 487 дискет — понятно, почему дискеты устарели.

Сколько файлов поместится

1) Сколько фотографий по 3 Мбайт поместится на флешку 16 Гбайт?
2) Сколько фильмов по 1,5 Гбайт поместится на диск 500 Гбайт?

Показать решение

1) 16 Гбайт = 16 · 1024 = 16 384 Мбайт. 16 384 / 3 ≈ 5461,3 → вниз: 5461 фотография (для 5462-й места не хватит).
2) 500 / 1,5 ≈ 333,3 → 333 фильма.
(На реальном диске часть места занимает сама файловая система, поэтому файлов поместится чуть меньше — см. «Файловые системы и место на диске».)

Материнская плата и шины

Материнская (системная) плата — большая электронная плата, которая соединяет все части компьютера. На ней находятся разъём процессора, слоты для модулей ОЗУ, микросхема ПЗУ с BIOS/UEFI, слоты для видеокарты и других плат расширения, разъёмы для дисков и сзади — порты для внешних устройств. Части «разговаривают» друг с другом через шины.

Определение

Шина

Общий набор проводников, по которому передаются сигналы между устройствами. Шина данных передаёт числа и коды, шина адреса — номер ячейки памяти, к которой идёт обращение, шина управления — команды вроде «читать» и «записать».

Каждая линия шины адреса передаёт один бит. С n линиями (n-разрядная шина) можно записать 2ⁿ разных адресов — это принцип адресности фон Неймана, выраженный числом:

N = 2ⁿ

где:

nразрядность шины адреса (число битов)
Nчисло ячеек памяти (байтов), к которым можно обратиться

Если каждая ячейка — 1 байт, можно обратиться к N байтам памяти.

Шина адреса и объём памяти

Каждая ячейка — 1 байт. К какому наибольшему объёму памяти может обратиться процессор, если шина адреса а) 16-, б) 20-, в) 32-разрядная? г) Сколько разрядов нужно как минимум, чтобы адресовать 1 Гбайт?

Показать решение

а) 2¹⁶ = 65 536 байт = 65 536 / 1024 = 64 Кбайт.
б) 2²⁰ = 1 048 576 байт = 1 Мбайт.
в) 2³² = 4 294 967 296 байт = 4 Гбайт — поэтому 32-разрядные системы не могли использовать больше 4 Гбайт ОЗУ.
г) 1 Гбайт = 2¹⁰ · 2¹⁰ · 2¹⁰ = 2³⁰ байт, значит, n = 30.

Основные характеристики компьютера

При выборе компьютера чаще всего смотрят на эти характеристики: тактовую частоту и число ядер процессора, объём ОЗУ (показывает, сколько программ могут спокойно работать одновременно), тип и ёмкость внешней памяти (с SSD система загружается во много раз быстрее, чем с HDD), видеокарту и экран. В заданиях DİM эти знания проверяются в виде утверждений.

Неверные утверждения

Выберите неверные утверждения.
1. Кэш-память быстрее ОЗУ.
2. DVD — устройство внешней памяти.
3. Данные в ПЗУ стираются при отключении питания.
4. Тактовая частота измеряется в герцах и кратных единицах.
5. Жёсткий диск — внутренняя память, так как он стоит внутри системного блока.
A) 1, 2 B) 3, 5 C) 2, 4 D) 1, 3 E) 4, 5

Показать решение

1 — верно. 2 — верно. 3 — неверно: ПЗУ хранит данные и без питания (стирается ОЗУ). 4 — верно. 5 — неверно: жёсткий диск — внешняя память.
Ответ: B) 3, 5.

1 / 6

Главное

Все физические части компьютера — аппаратное обеспечение; принципы фон Неймана: двоичное кодирование, программное управление, однородность памяти, адресность.
Процессор = устройство управления + АЛУ + регистры; скорость зависит от тактовой частоты, числа ядер и кэша.
Внутренняя память: кэш, ОЗУ (стирается без питания), ПЗУ (BIOS, не стирается); внешняя: HDD, SSD, флешка, CD/DVD, дискета.
Части связаны шинами на материнской плате — шинами данных, адреса и управления; n-разрядная шина адреса даёт 2ⁿ адресов.
В задачах на ёмкость приводите к одним единицам (1 Гбайт = 1024 Мбайт); «сколько дисков» — вверх, «сколько файлов» — вниз.

Проверь себя

Вопросов: 12. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 12

Какое устройство выполняет команды программы?