Процессор и память
Предмет: Информатика, 5 класс
Автор: Попов Владислав Сергеевич

Введение

Здравствуйте. Тема нашего урока – «Процессор и память». На прошлом уроке, который назывался «Архитектура компьютера», мы поняли, что главными устройствами в микропроцессорной системе являются микропроцессор (или просто процессор), оперативная память и порты ввода-вывода. Все эти устройства соединены системной шиной, состоящей из шины данных, шины адреса и шины управления. На этом уроке мы остановимся на первых двух устройствах – процессоре и оперативной памяти. Конечно же, понятие «память» гораздо шире, чем понятие оперативной памяти. Поэтому мы рассмотрим и другие виды компьютерной памяти.

Процессор и его части

Итак, приступим к изучению процессора. Его задача состоит в выполнении программ, находящихся в памяти, поэтому процессор называют «мозгом компьютера».

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления вызывает команды из памяти и определяет их тип. Арифметико-логическое устройство выполняет, как вы догадались из названия, арифметические и логические операции над данными. Наконец, регистры процессора хранят информацию о командах и данные. По своей сути регистры являются памятью, расположенной в самом процессоре. Зачем же понадобилась память внутри процессора, если существует оперативная память? Оказывается, что обмен данными по системной шине – довольно медленная операция для процессора и, согласитесь, будет гораздо проще, если команда и данные, над которыми мы работаем в данный момент, будут, что называется, под рукой. Регистры – это самая быстрая память в микропроцессорной системе. Это означает, что процессор очень быстро может считать что-либо из регистров и очень быстро произвести запись в регистры. Какие же регистры бывают? Это, во-первых, счётчик команд, который на самом деле ничего не считает, а хранит адрес выполняемой в данный момент команды, во-вторых, регистр команд, хранящий машинный код выполняемой команды, в-третьих, регистры общего назначения, хранящие данные, над которыми работают команды.

Необходимо заметить, что кроме регистров внутри процессора также имеется кэш-память. Взаимодействие с ней, естественно, медленнее, чем с регистрами, её объём больше объёма памяти регистров, но при этом с кэш-памятью процессор работает быстрее, нежели с оперативной памятью. Для более быстрой работы она и появилась.

Характеристики процессора

Какие характеристики имеет процессор? От чего зависит его производительность, скорость работы? Во-первых, это архитектура процессора, это его внутренняя организация. Процессоры для микропроцессорной архитектуры фон Неймана или Гарвардской архитектуры отличаются друг от друга. Несомненно, существует множество других архитектур, которые мы не рассматривали. Во-вторых, это его тактовая частота, измеряемая в Герцах, и время выполнения инструкций, выраженное в тактах, которые вместе влияют на количество инструкций в секунду. Количество инструкций в секунду принято измерять в MIPS – это английская аббревиатура от million operations per second, миллион операций в секунду. В-третьих, в начале нашего XXI века появились многоядерные процессоры, представляющие из себя довольно сложное объединение нескольких процессоров. Само-собой, увеличивающееся количество ядер положительно влияет на производительность. Наконец, обработка данных внутри процессора обычно происходит сразу в несколько байт, которые называются словом. Длина обрабатываемой процессором последовательности зависит от разрядности процессора, которая равняется разрядности шины данных. О разрядности процессора мы ещё поговорим на этом уроке, но чуть позже – когда будем рассматривать особенности памяти.

Несомненно, процессор – крайне сложное аппаратное обеспечение, изучению микропроцессорной техники посвящены целые университетские курсы, но всё же мы смогли на прошлом уроке рассмотреть алгоритм работы процессора под названием цикл фон Неймана, а сейчас рассмотрели структуру, состав процессора и его основные характеристики.

Оперативная память

Как вы помните из материалов предыдущего урока, в компьютерной памяти хранятся программы и данные. Память состоит из ячеек, имеющих свой номер, называемый адресом. Так как каждая ячейка имеет свой собственный адрес, программы могут обращаться к этим ячейкам по адресам. Наверняка вы хотите задать вопрос: «Ячейка памяти – это сколько?» Ответ на этот вопрос зависит от архитектуры компьютера. В архитектуре IBM PC компьютерная ячейка состоит из 8 бит, то есть в ячейку можно записать 8 каким-либо образом перемешанных нулей и единиц, ведь каждый бит содержит либо 0, либо 1. В наше время почти все производители памяти выпускают компьютеры с ячейками, состоящими из 8 бит. Вспомним наш первый урок: 8 бит составляют 1 байт.

Современные компьютеры не обрабатывают байты памяти отдельно. Дело в том, что байты памяти объединяются в слова из 4 байт (это 32 бита) или из 8 байт (это 64 бита).

Кроме регистров и кэш-памяти процессора, а также оперативной памяти должна существовать память, где бы мы могли сохранить результаты вычислений на долгое время. Первые три вида памяти называются энергозависимыми – стоит отключить электричество, как в памяти процессора и в оперативной памяти все данные пропадут. Для долговременного хранения данных существует энергонезависимая память, которую вы все используете каждый день – это жёсткие диски, как магнитные, так и твердотельные, как внутренние, так и внешние, это флеш-карты, CD, DVD и Blu-Ray диски.

Рисунок: Тененбаум, стр. 106.

Сейчас вы видите схему так называемой пятиуровневой организации памяти. На схеме показаны те виды памяти, которые мы обсудили сегодня на уроке. Если идти от основания схемы, снизу, вверх, то, во-первых, уменьшается как количество памяти, так и время доступа процессора к памяти. К слову, доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, а доступ к оперативной памяти – уже несколько десятков наносекунд. Чтобы получить данные, скажем, с оптического диска, потребуется гораздо большее время. Во-вторых, увеличивается удельная стоимость, то есть стоимость за единицу памяти, увеличивается количество денег, которые вам нужно потратить на один бит информации.

Поколения компьютеров

В этом разделе нашего урока мы поговорим о поколениях компьютеров, проведём классификацию компьютеров по способу обработки информации. Наши компьютеры, включая планшеты и даже смартфоны, принадлежат к компьютерам четвёртого поколения – они используют микропроцессор. Компьютеры предыдущего, третьего поколения, были построены на интегральных схемах. Компьютеры второго поколения – транзисторные компьютеры, эпоха которых связана с изобретением транзистора. Компьютеры первого поколения – ламповые. Также иногда говорят о компьютерах нулевого поколения, действие которых основывалось на механических принципах. Первым таким компьютером считается счётная машина Блеза Паскаля, способная складывать и вычитать и сконструированная в 1642 году. В XIX веке весомый вклад в развитие техники внёс Чарльз Бэббидж, сконструировав разностную машину и аналитическую машину, созданием программ для которой занималась первая программист – Ада Лавлэйс, дочь поэта Джорджа Гордона Байрона.

Закон Мура

Биллу Гейтсу, основателю компании Microsoft, приписывают фразу «640 Кбайт должно быть достаточно для каждого», якобы сказанную им в 80-е, хотя сам Гейтс от неё открещивается. Мой первый компьютер в 1996 году имел уже не 640 Кбайт, а 16 Мбайт оперативной памяти и был довольно мощным для своего времени. Сегодня на полках магазинов вы вряд ли сможете встретить домашний компьютер или ноутбук с оперативной памятью, меньшей 1 Гбайта. Наблюдая не за объёмами памяти, но за количеством транзисторов на интегральных схемах, Гордон Мур, основатель корпорации Intel, сформулировал закон: удвоение числа транзисторов на микросхеме происходит каждые два года.

Практическая работа: как узнать объём оперативной памяти и характеристики процессора

Проведём небольшую практическую работу, посвящённую тому, как узнать объём оперативной памяти и характеристики процессора.

Нажмите на кнопку «Пуск», которая отображается в левой нижней части вашего монитора. Найдите пункт «Компьютер», наведите на него указатель мыши и выполните щелчок правой кнопкой мыши. В открывшемся меню, которое называется контекстным, выберите пункт «Свойства». Здесь вы сможете увидеть информацию о доступной оперативной памяти, типе процессора, его тактовой частоте и разрядности системы.