Компьютердің құрылғылары

Тақырыпты талдау

Фон Нейман принциптері және магистральды-модульдік құрылым 6 сынып

Компьютерлердің басым бөлігі Джон фон Нейман (1946) тұжырымдаған принциптермен жұмыс істейді. 1) Екілік кодтау: программалар да, деректер де нөлдер мен бірлер түрінде сақталады. 2) Программалық басқару: компьютер программаны — командалар тізбегін — бірінен соң бірін орындайды. 3) Жадтың біртектілігі: программалар мен деректер бір жадта сақталады. 4) Адрестілік: жад нөмірленген ұяшықтардан тұрады, әрқайсысына оның адресі бойынша жүгінуге болады.

Компьютердің құрамы: процессор (ақпаратты өңдейді), жад (сақтайды), енгізу және шығару құрылғылары (компьютерді адаммен және сыртқы әлеммен байланыстырады). Барлық құрылғылар өз контроллерлері арқылы ортақ магистральға — жүйелік шинаға — қосылады. Мұндай схема магистральды-модульдік деп аталады: жаңа модуль магистральға жай ғана қосылады.

Құрылғылардың өзара әрекеттесуі: сіз пернені бастыңыз → пернетақта контроллері перне кодын шина арқылы жібереді → процессор оны ЖЕСҚ-ға жүктелген программа бойынша өңдейді → нәтиже бейнежадқа жазылады → монитор экранда символды көрсетеді.

Процессор: БҚ, АЛҚ, регистрлер және сипаттамалары 8, 10 сынып

Процессор (ОПҚ, CPU) үш негізгі бөліктен тұрады. Басқару құрылғысы (БҚ) жадтан кезекті команданы алып, оны дешифрлейді және қалған құрылғылардың жұмысын басқарады. Арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ) арифметикалық ($+$, $-$, $\times$, $\div$) және логикалық (ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, ЕМЕС, салыстыру) амалдарды орындайды. Регистрлер — процессор ішіндегі аса жылдам жад ұяшықтары: командалар санауышы келесі команданың адресін, командалар регистрі ағымдағы команданы, жалпы мақсаттағы регистрлер АЛҚ жұмыс істейтін сандарды сақтайды.

Команданы орындау циклі: командалар санауышындағы адрес бойынша жадтан команданы алу → дешифрлеу (БҚ не істеу керегін анықтайды) → орындау (әдетте АЛҚ-да) → нәтижені жазу; содан кейін санауыш келесі командаға өтеді, бәрі қайталанады.

Процессордың негізгі сипаттамалары: тактілік жиілік (ГГц) — секундына неше такт жасайтыны; разрядтылық (32 немесе 64 бит) — бір амалда неше бит өңделетіні; ядролар саны — неше міндет қатар шешілетіні; кэш жадының көлемі. Мысал: 3 ГГц процессор секундына $3\cdot10^9$ такт жасайды, бір такт $\frac{1}{3\cdot10^9}\approx0{,}33$ нс созылады.

Процессорларды тек жиілігі бойынша салыстыруға болмайды: кэші үлкен 4 ядролы 3 ГГц процессор әдетте бір ядролы 3,5 ГГц процессордан жылдамырақ.

Компьютер жадының түрлері 7 сынып

Ішкі жад. ЖЕСҚ (жедел есте сақтау құрылғысы, RAM) іске қосылған программалар мен процессор дәл қазір өңдеп жатқан деректерді сақтайды; ол энергияға тәуелді — қорек өшкенде бәрі өшіріледі. ТЕСҚ (тұрақты есте сақтау құрылғысы, ROM) — тек оқуға арналған, энергияға тәуелсіз, BIOS/UEFI-ді сақтайды: жабдықты тексеру және операциялық жүйені бастапқы жүктеу программасы. Кэш жады (L1, L2, L3 деңгейлері) — процессор мен ЖЕСҚ арасындағы шағын, өте жылдам жад; процессор баяу ЖЕСҚ-ны күтпеуі үшін жиі пайдаланылатын деректерді сақтайды.

Сыртқы (ұзақ мерзімді) жад. HDD қатқыл дискі — магниттік пластиналар, көлемі үлкен, арзан, бірақ баяу және соққыдан қорқады. SSD қатты күйлі жинақтауышы — қозғалмалы бөліктері жоқ флеш-жад, жылдам әрі дыбыссыз. Флеш-жинақтауыштар мен жад карталары — тасымалды. Оптикалық дискілер: CD ≈ 700 Мбайт, DVD ≈ 4,7 Гбайт, Blu-ray ≈ 25 Гбайт; лазермен оқылады. Бұлтты сақтау — интернет арқылы қашықтағы серверлердегі жад.

Жад иерархиясы: регистрлер → кэш → ЖЕСҚ → SSD → HDD → оптикалық дискілер. Процессорға неғұрлым жақын болса, жад соғұрлым жылдам, 1 байты қымбат және көлемі аз. Алыстаған сайын — баяу, арзан және көлемді.

Жад сипаттамалары: көлемі (байт, Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт), қатынау уақыты, оқу және жазу жылдамдығы, энергияға тәуелділігі.

Енгізу және шығару құрылғылары 5–6 сынып

Енгізу құрылғылары ақпаратты компьютерге береді: пернетақта, тінтуір, тачпад, сканер, микрофон, веб-камера, графикалық планшет, джойстик, штрихкод сканері, түрлі датчиктер.

Шығару құрылғылары ақпаратты компьютерден адамға береді: монитор, принтер (матрицалық, ағынды, лазерлік), колонкалар мен құлаққаптар, проектор, плоттер (сызбаларды басып шығару). 3D-принтер нәтижені көлемді зат түрінде шығарады.

Енгізу-шығару құрылғылары екі бағытта да жұмыс істейді: сенсорлы экран, модем, желілік карта, гарнитура (микрофоны бар құлаққап), КФҚ (принтер + сканер), сыртқы жинақтауыштар (олардан оқиды да, оларға жазады да).

Монитор сипаттамалары: диагоналы (дюйм), пиксельмен ажыратымдылығы (мысалы, $1920\times1080$), түс тереңдігі, жаңарту жиілігі (Гц). Принтердікі: ажыратымдылығы (dpi — дюймдегі нүкте) және жылдамдығы (минутына бет).

Аналық тақта, шиналар, контроллерлер 8 сынып

Аналық (жүйелік) тақта — компьютердің басты тақтасы. Онда процессор ұясы (сокет), жедел жад слоттары, чипсет, BIOS бар ТЕСҚ микросхемасы, кеңейту слоттары (PCI Express — бейнекарта үшін) және сыртқы порттар орналасқан: USB, HDMI, Ethernet (RJ-45), аудиоұяшықтар.

Жүйелік шина үш бөліктен тұрады. Деректер шинасы деректердің өзін тасымалдайды; оның разрядтылығы бір мезгілде неше бит берілетінін көрсетеді. Адрес шинасы жад ұяшығының нөмірін (адресін) береді; разрядтылығы $n$ бит болса, $2^n$ ұяшықты адрестеуге болады: 20 бит → $2^{20}$ байт = 1 Мбайт, 32 бит → $2^{32}$ байт = 4 Гбайт. Басқару шинасы қызметтік сигналдарды («оқу», «жазу», синхрондау) береді.

Контроллер (адаптер) — нақты бір сыртқы құрылғыны басқаратын және оны шинамен үйлестіретін электрондық схема. Бейнекарта — монитор контроллері: онда графикалық процессор (GPU) және экран кескіні сақталатын бейнежад бар. Бір кадрдың көлемі: $V = W\cdot H\cdot i$.

Жүйелік блокта сондай-ақ қорек блогы және салқындату жүйесі (кулерлер, радиаторлар) бар.

Есептеу техникасының тарихы және ЭЕМ буындары 6, 11 сынып

Механикаға дейінгі және механикалық кезең: абак (есепшот), Паскальдың қосу машинасы (1642), Лейбниц арифмометрі (көбейте алатын), Чарльз Бэббидждің аналитикалық машинасы — программаланатын компьютердің алғашқы жобасы; Ада Лавлейс оған алғашқы программаларды жазды және алғашқы программашы саналады.

I буын (1940–1950 жж.) — электрондық шамдар: ENIAC (АҚШ, 1946), МЭСМ (С. А. Лебедев, 1951). Өте үлкен, энергияны көп тұтынған. II буын (1950–1960 жж.) — транзисторлар. III буын (1960–1970 жж.) — интегралдық схемалар, операциялық жүйелер пайда болды. IV буын (1970 жылдардан) — үлкен және аса үлкен интегралдық схемалар (ҮИС, АҮИС), микропроцессор (Intel 4004, 1971), дербес компьютерлер. V буын — параллель есептеулер және жасанды интеллект.

Даму заңдылығы: Мур заңы — кристалдағы транзисторлар саны шамамен әр екі жыл сайын екі еселенеді. Сондықтан компьютерлер кішірейіп, жылдамдап, арзандап, үнемді бола түседі, ал программалар ресурстарды көбірек талап етеді.

Компьютер конфигурациясы, мобильді құрылғылар, эргономика 6, 9, 11 сынып

Конфигурация мақсатына қарай таңдалады. Оқу және кеңсе: орташа процессор, 8 Гбайт ЖЕСҚ, SSD. Ойындар, 3D-модельдеу, бейнемонтаж: қуатты бейнекарта, көп ядролы процессор, 16–32 Гбайт ЖЕСҚ, үлкен әрі жылдам SSD. Сервер: көп ядро, ЖЕСҚ көлемі үлкен, бірнеше диск, сенімді қорек.

Мобильді құрылғылар (смартфондар, планшеттер) «кристалдағы жүйеге» (SoC) негізделген: процессор, графика және модемдер бір микросхемада. Олардың сипаттамалары: процессор мен ЖЕСҚ, кіріктірілген жад, аккумулятор сыйымдылығы (мА·сағ), экранның диагоналы мен ажыратымдылығы, камералар (Мп), датчиктер — акселерометр, гироскоп, GPS, жарық датчигі, саусақ ізі сканері. Планшеттің телефоннан айырмашылығы — ең алдымен экраны мен аккумуляторы үлкен.

Эргономика және қауіпсіздік: монитор 50–70 см қашықтықта, жоғарғы жиегі көз деңгейінде; әр 30–45 минут сайын үзіліс, көзге арналған жаттығу; сымдарды дымқыл қолмен ұстауға және қосулы компьютерді ашуға болмайды.