Устройства компьютера

Разбор темы

Принципы фон Неймана и магистрально-модульное устройство 6 класс

Почти все компьютеры работают по принципам, которые сформулировал Джон фон Нейман (1946). 1) Двоичное кодирование: и программы, и данные хранятся в виде нулей и единиц. 2) Программное управление: компьютер выполняет программу — последовательность команд — одну за другой. 3) Однородность памяти: программы и данные лежат в одной и той же памяти. 4) Адресность: память состоит из пронумерованных ячеек, к каждой можно обратиться по её адресу.

Состав компьютера: процессор (обрабатывает информацию), память (хранит), устройства ввода и вывода (связывают компьютер с человеком и внешним миром). Все устройства подключены к общей магистрали — системной шине — через свои контроллеры. Такая схема называется магистрально-модульной: новый модуль просто подключается к магистрали.

Как устройства взаимодействуют: вы нажали клавишу → контроллер клавиатуры передаёт код клавиши по шине → процессор обрабатывает его по программе, загруженной в ОЗУ → результат попадает в видеопамять → монитор показывает символ на экране.

Процессор: УУ, АЛУ, регистры и характеристики 8, 10 класс

Процессор (ЦП, CPU) состоит из трёх главных частей. Устройство управления (УУ) извлекает очередную команду из памяти, расшифровывает её и управляет работой всех остальных устройств. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические ($+$, $-$, $\times$, $\div$) и логические (И, ИЛИ, НЕ, сравнение) операции. Регистры — сверхбыстрые ячейки памяти внутри процессора: счётчик команд хранит адрес следующей команды, регистр команд — текущую команду, регистры общего назначения — числа, с которыми работает АЛУ.

Цикл выполнения команды: выборка команды из памяти по адресу из счётчика команд → дешифрация (УУ понимает, что делать) → выполнение (обычно в АЛУ) → запись результата; затем счётчик команд переходит к следующей команде, и всё повторяется.

Основные характеристики процессора: тактовая частота (ГГц) — сколько тактов он делает за секунду; разрядность (32 или 64 бит) — сколько бит обрабатывается за одну операцию; количество ядер — сколько задач решается параллельно; объём кэш-памяти. Пример: процессор 3 ГГц делает $3\cdot10^9$ тактов в секунду, один такт длится $\frac{1}{3\cdot10^9}\approx0{,}33$ нс.

Сравнивать процессоры только по частоте нельзя: 4-ядерный процессор 3 ГГц с большим кэшем обычно быстрее одноядерного 3,5 ГГц.

Виды памяти компьютера 7 класс

Внутренняя память. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, RAM) хранит запущенные программы и данные, с которыми процессор работает сейчас; оно энергозависимо — при выключении питания всё стирается. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM) — только для чтения, энергонезависимо, хранит BIOS/UEFI: программу проверки оборудования и начальной загрузки операционной системы. Кэш-память (уровни L1, L2, L3) — маленькая очень быстрая память между процессором и ОЗУ, хранит часто используемые данные, чтобы процессор не ждал медленное ОЗУ.

Внешняя (долговременная) память. Жёсткий диск HDD — магнитные пластины, большой объём, дешёвый, но медленный и боится ударов. Твердотельный накопитель SSD — флеш-память без движущихся частей, быстрый и тихий. Флеш-накопители и карты памяти — переносные. Оптические диски: CD ≈ 700 Мбайт, DVD ≈ 4,7 Гбайт, Blu-ray ≈ 25 Гбайт; читаются лазером. Облачное хранилище — память на удалённых серверах через интернет.

Иерархия памяти: регистры → кэш → ОЗУ → SSD → HDD → оптические диски. Чем ближе к процессору, тем память быстрее, дороже за 1 байт и меньше по объёму. Чем дальше — тем медленнее, дешевле и больше.

Характеристики памяти: объём (байт, Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт), время доступа, скорость чтения и записи, энергозависимость.

Устройства ввода и вывода 5–6 класс

Устройства ввода передают информацию в компьютер: клавиатура, мышь, тачпад, сканер, микрофон, веб-камера, графический планшет, джойстик, сканер штрих-кодов, различные датчики.

Устройства вывода передают информацию из компьютера человеку: монитор, принтер (матричный, струйный, лазерный), колонки и наушники, проектор, плоттер (печать чертежей). 3D-принтер выводит результат в виде объёмного предмета.

Устройства ввода-вывода работают в обе стороны: сенсорный экран, модем, сетевая карта, гарнитура (наушники с микрофоном), МФУ (принтер + сканер), внешние накопители (с них и читают, и на них записывают).

Характеристики монитора: диагональ в дюймах, разрешение в пикселях (например, $1920\times1080$), глубина цвета, частота обновления (Гц). Принтера: разрешение (dpi — точек на дюйм) и скорость (страниц в минуту).

Материнская плата, шины, контроллеры 8 класс

Материнская (системная) плата — главная плата компьютера. На ней находятся разъём (сокет) процессора, слоты оперативной памяти, чипсет, микросхема ПЗУ с BIOS, слоты расширения (PCI Express — для видеокарты) и внешние порты: USB, HDMI, Ethernet (RJ-45), аудиоразъёмы.

Системная шина состоит из трёх частей. Шина данных передаёт сами данные; её разрядность показывает, сколько бит передаётся за один раз. Шина адреса передаёт номер (адрес) ячейки памяти; при разрядности $n$ бит можно адресовать $2^n$ ячеек: 20 бит → $2^{20}$ байт = 1 Мбайт, 32 бита → $2^{32}$ байт = 4 Гбайт. Шина управления передаёт служебные сигналы («читать», «записать», синхронизация).

Контроллер (адаптер) — электронная схема, которая управляет конкретным внешним устройством и согласует его с шиной. Видеокарта — контроллер монитора: в ней есть графический процессор (GPU) и видеопамять, где хранится изображение экрана. Объём одного кадра: $V = W\cdot H\cdot i$.

Также в системном блоке есть блок питания и система охлаждения (кулеры, радиаторы).

История вычислительной техники и поколения ЭВМ 6, 11 класс

Домеханический и механический этап: абак (счёты), суммирующая машина Паскаля (1642), арифмометр Лейбница (умел умножать), аналитическая машина Чарльза Бэббиджа — первый проект программируемого компьютера; Ада Лавлейс написала для неё первые программы и считается первым программистом.

I поколение (1940–1950-е) — электронные лампы: ENIAC (США, 1946), МЭСМ (С. А. Лебедев, 1951). Огромные, потребляли много энергии. II поколение (1950–1960-е) — транзисторы. III поколение (1960–1970-е) — интегральные схемы, появились операционные системы. IV поколение (с 1970-х) — большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС, СБИС), микропроцессор (Intel 4004, 1971), персональные компьютеры. V поколение — параллельные вычисления и искусственный интеллект.

Закономерность развития: закон Мура — количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые два года. Поэтому компьютеры становятся меньше, быстрее, дешевле и экономичнее, а программы — требовательнее к ресурсам.

Конфигурация компьютера, мобильные устройства, эргономика 6, 9, 11 класс

Конфигурацию выбирают по назначению. Учёба и офис: процессор среднего уровня, 8 Гбайт ОЗУ, SSD. Игры, 3D-моделирование, видеомонтаж: мощная видеокарта, многоядерный процессор, 16–32 Гбайт ОЗУ, быстрый SSD большого объёма. Сервер: много ядер, большой объём ОЗУ, несколько дисков, надёжное питание.

Мобильные устройства (смартфоны, планшеты) построены на «системе на кристалле» (SoC): процессор, графика и модемы в одной микросхеме. Их характеристики: процессор и ОЗУ, встроенная память, ёмкость аккумулятора (мА·ч), диагональ и разрешение экрана, камеры (Мп), датчики — акселерометр, гироскоп, GPS, датчик освещённости, сканер отпечатка пальца. Планшет отличается от телефона прежде всего большим экраном и аккумулятором.

Эргономика и безопасность: монитор на расстоянии 50–70 см, верхний край на уровне глаз, перерывы каждые 30–45 минут, гимнастика для глаз; нельзя трогать провода мокрыми руками и вскрывать включённый компьютер.