Процессор

Важнейший компонент любого персонального компьютера, его «мозг» - это микропроцессор (в литературе часто его называют CPU, Central Processor Unit - ЦПУ, или центральное процессорное устройство), который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор (рис. 3) представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов.

Иногда интегральные микросхемы называют чипами (англ, chip). Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.

Рис. 3. Процессор

Важнейшей характеристикой процессора является тактовая частота - величина, показывающая, сколько элементарных операций - тактов микропроцессор выполняет за одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) (1 МГц = 1 млн тактов в секунду) и для разных процессоров имеет следующие значения: 4,77 МГц (Intel 8088), 16-25 МГц (Intel 80286), 25-40 МГц (Intel 80386), 33-100 МГц (Intel 80486), 75-2400 МГц (Pentium). Быстродействие процессора определяется отношением тактовой частоты к количеству тактов, требующихся процессору для выполнения простой команды, т.е. быстродействие определяется количеством элементарных операций (например, сложение), выполняемых за одну секунду.

В начале 2000 г. был достигнут рубеж тактовой частоты процессора 1 ГГц (109 Гц). Материал данной книги написан на компьютере с процессором Intel Pentium 4 с тактовой частотой 2,4 ГГц.

Память

Память (memory) предназначена для хранения данных и программ их обработки. Различают следующие виды памяти компьютера: внутреннюю и внешнюю. Встроенная в компьютер и непосредственно управляемая им память называется внутренней. Она разделяется на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM - Read Only Memory - память только для чтения) и оперативную память (RAM - Random Access Memory).

Рис. 4. Оперативная память

Оперативной памятью (рис. 4) называется программно-адресуемая память, быстродействие которой соизмеримо с быстродействием процессора. В ней хранятся исполняемые в данный момент программы и оперативно необходимые для этого данные. Недостатком оперативной памяти является ее энергозависимость, т.е. при выключении компьютера все содержимое оперативной памяти стирается. Объем оперативной памяти является одной из важнейших характеристик компьютера.

Постоянная память (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т.е. может сохранять информацию и при отключенном питании. В ПЗУ компьютера хранится базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System), которая состоит из программы тестирования памяти и периферийного оборудования компьютера, а также программы запуска операционной системы.

Компьютеры на основе процессоров с тактовой частотой 25 МГц и более, чтобы процессор не простаивал в связи с ожиданием получения данных из оперативной памяти, оснащаются кэшпамятью, т.е. «сверхоперативной» памятью относительно небольшого объема (от 64 до 256 Кбайт). Кэш-память (cache memory -память немедленного доступа) является «посредником» между процессором и оперативной памятью. В ней хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. За счет того, что время доступа процессора к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, среднее время доступа к памяти значительно уменьшается.

Внешней памятью называются энергонезависимые средства памяти на сменных носителях (магнитные диски, магнитные ленты, перфоленты и другие носители информации: оптические диски, магнито-оптические диски), предназначенные для хранения больших массивов данных. Для хранения архивов, переноса информации с одного компьютера на другой широко используются гибкие магнитные диски (FDD - Floppy Disk Drive). Для работы с ними в системный блок встроен накопитель информации на гибких магнитных дисках (НГМД - дисковод) емкостью от 360 Кбайт до 2,88 Мбайт (1 Мбайт памяти позволяет запомнить около 700 страниц машинописного текста).

Рис. 5. Гибкий магнитный диск

Гибкие магнитные диски (дискеты) (рис. 5) представляют собой тонкие пластиковые диски, покрытые специальным магнитным материалом и запечатанные в пластиковую обложку. Магнитный материал на диске способен надолго запомнить одно из двух состояний намагниченности, соответствующих двоичным цифрам: 0 или 1. Для считывания или записи информации дискеты вставляются в дисковод. Диск в работающем дисководе вращается, а вдоль радиуса диска около его поверхности перемещается магнитная головка. Информация на дискетах записывается концентрическими кольцами - дорожками, располагаясь небольшими порциями фиксированной длины - секторами. На персональных компьютерах широко распространены дискеты диаметром 3,5 дюйма (объем памяти от 720 Кбайт до 1,44 Мбайта).

Примечание. 1 дюйм - английская мера длины (примерно равен 2,54 см).

Дискеты бывают с двойной плотностью записи (DS/DD -Double Sided/Double Density - двусторонний гибкий диск двойной плотности) или высокой плотностью записи (DS/HD - Double Sided/High Density - двусторонний гибкий диск высокой плотности). Для предупреждения случайной порчи информации на дискетах предусмотрена защита от записи. На 3,5-дюймовых дисках имеется пластмассовый переключатель, разрешающий или запрещающий запись.

Рис. 6. Жесткий магнитный диск

Функции внешней несменной памяти компьютера, предназначенной для долговременного и энергонезависимого хранения информации выполняют жесткие магнитные диски (HDD-Hard Disk Drive). Часто их называют винчестерами (рис.6). Они представляют собой малогабаритный пакет из нескольких жестких магнитных дисков, вращающихся с высокой скоростью на одной оси и размещенных в герметичном корпусе вместе с головками чтения-записи. Информация располагается дорожками и секторами, при этом группа дорожек на всех дисках винчестера, расположенных на одинаковом расстоянии от их общей оси, называется цилиндром. Считывание и запись информации осуществляются сразу несколькими магнитными головками одновременно со всех дисков пакета. Название «винчестер» возникло из-за того, что первые модели таких дисков имели 30 дорожек по 30 секторов; суммарная емкость получаемого накопителя обозначалась цифрами 30/30, подобно калибру старинного охотничьего ружья «Винчестер». Емкость винчестеров значительно больше, чем гибких магнитных дисков, и может иметь значение от 1 Гбайта до 200 Гбайт и более.

Рис. 7. Оптические диски

В качестве устройств внешней памяти большой емкости все большее распространение получают оптические диски (рис. 7), или CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск, предназначенный только для чтения). Емкость CD-ROM дисков - 600-800 мегабайт. Компакт-диск состоит из поликарбонатной основы диаметром 5,25 дюйма, отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется напыленный алюминий. Цифровая информация представляется здесь чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков. Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему.

Рис. 8. Дисковод для чтения оптических дисков

Считывание информации с компакт-диска (рис. 8) происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается: фотодетектор фиксирует двоичный нуль.

В последнее время стали широко использоваться и другие устройства внешней памяти: ZIP-диски, флэш-накопители (рис.9).

Рис. 9. Другие устройства внешней памяти