Какое компьютерное устройство выполняет большую часть вычислений

Обновлено: 21.11.2024

Процессор — это интегральная электронная схема, выполняющая вычисления, необходимые для работы компьютера. Процессор выполняет арифметические, логические, ввод-вывод (I/O) и другие основные инструкции, которые передаются от операционной системы (ОС). Большинство других процессов зависят от операций процессора.

Термины "процессор", "центральный процессор" (ЦП) и "микропроцессор" обычно используются как синонимы. В настоящее время большинство людей используют слово «процессор» как синоним термина «ЦП». Это технически неверно, поскольку ЦП — это всего лишь один из процессоров внутри персонального компьютера (ПК).

Графический процессор (GPU) — это еще один процессор, и даже некоторые жесткие диски технически способны выполнять некоторую обработку.

Techopedia объясняет процессор

Процессоры используются во многих современных электронных устройствах, включая ПК, смартфоны, планшеты и другие портативные устройства. Их цель — получать входные данные в виде программных инструкций и выполнять триллионы вычислений, чтобы получить выходные данные, с которыми будет взаимодействовать пользователь.

Процессор включает в себя блок арифметической логики и управления (CU), который измеряет возможности с точки зрения следующего:

  • Возможность обработки инструкций в заданное время.
  • Максимальное количество бит/инструкций.
  • Относительная тактовая частота.

Каждый раз, когда на компьютере выполняется операция, например изменение файла или открытие приложения, процессор должен интерпретировать инструкции операционной системы или программного обеспечения. В зависимости от его возможностей, операции обработки могут выполняться быстрее или медленнее и сильно влиять на так называемую «скорость обработки» ЦП.

Каждый процессор состоит из одного или нескольких отдельных процессорных блоков, называемых «ядрами». Каждое ядро ​​обрабатывает инструкции одной вычислительной задачи с определенной скоростью, определяемой как «тактовая частота» и измеряемой в гигагерцах (ГГц). Поскольку увеличение тактовой частоты сверх определенного значения стало технически слишком сложным, современные компьютеры теперь имеют несколько процессорных ядер (двухъядерные, четырехъядерные и т. д.). Они работают вместе, обрабатывая инструкции и выполняя несколько задач одновременно.

Современные настольные и портативные компьютеры теперь имеют отдельный процессор для обработки графического рендеринга и отправки вывода на устройство монитора дисплея. Поскольку этот процессор, графический процессор, специально разработан для этой задачи, компьютеры могут более эффективно обрабатывать все приложения, особенно требовательные к графике, такие как видеоигры.

Процессор состоит из четырех основных элементов: арифметико-логического устройства (ALU), устройства с плавающей запятой (FPU), регистров и кэш-памяти. ALU и FPU выполняют базовые и расширенные арифметические и логические операции над числами, а затем результаты отправляются в регистры, в которых также хранятся инструкции. Кэши – это небольшие и быстрые запоминающие устройства, в которых хранятся копии данных для частого использования, и они действуют аналогично оперативной памяти (ОЗУ).

ЦП выполняет свои операции через три основных этапа цикла инструкций: выборка, декодирование и выполнение.

Выборка: ЦП извлекает инструкции, обычно из ОЗУ.

Декодирование: декодер преобразует инструкцию в сигналы для других компонентов компьютера.

Выполнение: декодированные теперь инструкции отправляются каждому компоненту, чтобы можно было выполнить желаемую операцию.

Компьютерное оборудование (обычно называемое просто аппаратным обеспечением, когда речь идет о вычислительном контексте) – это совокупность физических элементов, составляющих компьютерную систему. Компьютерное оборудование — это физические части или компоненты компьютера, такие как монитор, мышь, клавиатура, хранилище компьютерных данных, жесткий диск (HDD), графические карты, звуковые карты, память, материнская плата и т. д., все из которых физические объекты, которые осязаемы. Напротив, программное обеспечение — это инструкции, которые могут храниться и выполняться аппаратным обеспечением.

Программное обеспечение – это любой набор машиночитаемых инструкций, которые предписывают процессору компьютера выполнять определенные операции. Сочетание аппаратного и программного обеспечения образует пригодную для использования вычислительную систему.

Архитектура фон Неймана

Схема архитектуры фон Неймана.

Шаблоном для всех современных компьютеров является архитектура фон Неймана, подробно описанная в статье 1945 года венгерского математика Джона фон Неймана. В нем описывается архитектура конструкции электронного цифрового компьютера с подразделениями блока обработки, состоящего из арифметико-логического блока и регистров процессора, блока управления, содержащего регистр инструкций и программный счетчик, памяти для хранения как данных, так и инструкций, внешнего запоминающего устройства, и механизмы ввода и вывода. [3] Значение термина эволюционировало и означает компьютер с хранимой программой, в котором выборка инструкций и операция с данными не могут выполняться одновременно, поскольку они используют общую шину.Это называется узким местом фон Неймана и часто ограничивает производительность системы.

Продажи

Третий год подряд продажи через каналы B2B (продажи через дистрибьюторов и коммерческих реселлеров) в США выросли: к концу 2013 года они выросли почти на 6 % и составили 61,7 миллиарда долларов. Впечатляющий рост стал самым быстрым ростом продаж с момента окончания рецессии. Рост продаж ускорился во второй половине года, достигнув пика в четвертом квартале, увеличившись на 6,9 % по сравнению с четвертым кварталом 2012 года.

Разные системы

Сегодня используется несколько различных типов компьютерных систем.

Персональный компьютер

Аппаратное обеспечение современного персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3. Процессор 4. Оперативная память 5. Карты расширения6. Источник питания 7.Привод оптических дисков8. Жесткий диск9. Клавиатура 10.Мышь.

Внутри изготовленного на заказ компьютера: блок питания внизу имеет собственный охлаждающий вентилятор.

Персональный компьютер, также известный как ПК, является одним из наиболее распространенных типов компьютеров благодаря своей универсальности и относительно низкой цене. Ноутбуки, как правило, очень похожи, хотя могут использовать компоненты с меньшим энергопотреблением или меньшими размерами.

Корпус компьютера представляет собой пластиковый или металлический корпус, в котором находится большинство компонентов. Те, что можно найти на настольных компьютерах, обычно достаточно малы, чтобы поместиться под столом, однако в последние годы более распространенными стали более компактные конструкции, такие как универсальные конструкции от Apple, а именно iMac. Хотя корпус в основном может быть большим или маленьким, важнее то, для какого форм-фактора материнской платы он предназначен. Ноутбуки — это компьютеры, которые обычно имеют форм-фактор раскладушки, однако в последние годы стали появляться отклонения от этого форм-фактора, такие как ноутбуки со съемным экраном, которые сами по себе становятся планшетными компьютерами.

Электропитание

Блок питания (PSU) преобразует электроэнергию переменного тока (AC) в низковольтную энергию постоянного тока для внутренних компонентов компьютера. Ноутбуки могут работать от встроенного аккумулятора обычно в течение нескольких часов.

Материнская плата

Материнская плата является основным компонентом компьютера. Это большая прямоугольная плата со встроенной схемой, которая соединяет другие части компьютера, включая ЦП, ОЗУ, дисководы (CD, DVD, жесткий диск или любые другие), а также любые периферийные устройства, подключенные через порты или слоты расширения.

К компонентам, непосредственно прикрепленным к материнской плате или являющимся ее частью, относятся:

  • ЦП (центральный процессор) выполняет большую часть вычислений, обеспечивающих работу компьютера, и иногда его называют «мозгом» компьютера. Обычно он охлаждается радиатором и вентилятором. Большинство новых процессоров включают встроенный графический процессор (GPU).
  • Набор микросхем, включающий северный мост, обеспечивает связь между ЦП и другими компонентами системы, включая основную память.
  • Оперативная память (ОЗУ) хранит код и данные, к которым активно обращается ЦП.
  • В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится BIOS, который запускается, когда компьютер включается или иным образом начинает выполнение, процесс, известный как начальная загрузка или «загрузка» или «загрузка». BIOS (базовая система ввода-вывода) включает загрузочную прошивку и прошивку управления питанием. В более новых материнских платах вместо BIOS используется унифицированный расширяемый интерфейс встроенного ПО (UEFI).
  • Шины соединяют ЦП с различными внутренними компонентами и платами расширения для графики и звука.
  • Батарея CMOS также прикреплена к материнской плате. Эта батарейка такая же, как батарейка для часов или батарейка для пульта к центральному замку автомобиля. Большинство батарей имеют тип CR2032, который питает память даты и времени в чипе BIOS.

Дополнительные карты

Плата расширения в вычислительной технике — это печатная плата, которую можно вставить в слот расширения материнской платы или объединительной платы компьютера, чтобы расширить функциональные возможности компьютерной системы через шину расширения. Карты расширения можно использовать для получения или расширения функций, не предлагаемых материнской платой.

Устройства хранения

Компьютерное хранилище данных, часто называемое хранилищем или памятью, относится к компьютерным компонентам и носителям записи, которые сохраняют цифровые данные. Хранение данных является основной функцией и фундаментальным компонентом компьютеров. Цена на твердотельные накопители (SSD), которые хранят данные во флэш-памяти, за последние годы значительно снизились, что делает их лучшим выбором, чем когда-либо, для добавления к компьютеру, чтобы ускорить загрузку и доступ к файлам.

  • Фиксированные носители
    • Данные хранятся на компьютере с использованием различных носителей.Жесткие диски используются практически во всех старых компьютерах из-за их большой емкости и низкой стоимости, но твердотельные накопители быстрее и энергоэффективнее, хотя в настоящее время они дороже жестких дисков, поэтому их часто можно найти в более дорогих компьютерах. В некоторых системах может использоваться контроллер дискового массива для повышения производительности или надежности.
    • Для передачи данных между компьютерами можно использовать флэш-накопитель USB или оптический диск. Их полезность зависит от возможности чтения другими системами; на большинстве машин есть дисковод для оптических дисков, и практически все имеют порт USB.

    Периферийные устройства ввода и вывода

    Устройства ввода и вывода обычно располагаются снаружи корпуса основного компьютера. Следующее является либо стандартным, либо очень общим для многих компьютерных систем.

    • Ввод
      • Устройства ввода позволяют пользователю вводить информацию в систему или управлять ее работой. Большинство персональных компьютеров оснащены мышью и клавиатурой, но в ноутбуках вместо мыши обычно используется сенсорная панель. К другим устройствам ввода относятся веб-камеры, микрофоны, джойстики и сканеры изображений.
      • Устройства вывода отображают информацию в удобочитаемой форме. К таким устройствам могут относиться принтеры, динамики, мониторы или устройства для тиснения шрифтом Брайля.

      Мейнфрейм

      Мейнфрейм IBM System z9.

      Мейнфрейм – это гораздо более крупный компьютер, который обычно занимает комнату и может стоить во много сотен или тысяч раз больше, чем персональный компьютер. Они предназначены для выполнения большого количества расчетов для государственных органов и крупных предприятий.

      Ведущие вычисления

      В 1960-х и 1970-х годах все больше и больше отделов начали использовать более дешевые специализированные системы для конкретных целей, таких как управление процессами и автоматизация лабораторий.

      Суперкомпьютер

      Суперкомпьютер внешне похож на мейнфрейм, но вместо этого предназначен для выполнения чрезвычайно ресурсоемких вычислительных задач. По состоянию на ноябрь 2013 года самым быстрым суперкомпьютером в мире является Tianhe-2 в Гуанчжоу, Китай.

      Термин суперкомпьютер не относится к конкретной технологии. Скорее это указывает на самые быстрые компьютеры, доступные в любой момент времени. В середине 2011 года самые быстрые суперкомпьютеры могли похвастаться скоростью, превышающей один петафлопс, или 1000 триллионов операций с плавающей запятой в секунду. Суперкомпьютеры быстры, но чрезвычайно дороги, поэтому они обычно используются крупными организациями для выполнения задач, требующих больших вычислительных ресурсов, связанных с большими наборами данных. Суперкомпьютеры обычно работают с военными и научными приложениями. Хотя они стоят миллионы долларов, они также используются для коммерческих приложений, где необходимо анализировать огромные объемы данных. Например, крупные банки используют суперкомпьютеры для расчета рисков и доходности различных инвестиционных стратегий, а организации здравоохранения используют их для анализа гигантских баз данных данных пациентов, чтобы определить оптимальные методы лечения различных заболеваний и проблем, с которыми сталкивается страна.

      Обновление оборудования

      При использовании компьютерного оборудования обновление означает добавление к компьютеру нового оборудования, которое повышает его производительность, увеличивает мощность или добавляет новые функции. Например, пользователь может выполнить обновление оборудования, заменив жесткий диск на твердотельный накопитель, чтобы повысить производительность или увеличить объем хранимых файлов. Кроме того, пользователь может увеличить объем оперативной памяти, чтобы компьютер работал более плавно. Пользователь мог добавить карту расширения USB 3.0, чтобы в полной мере использовать устройства USB 3.0. Выполнение таких обновлений оборудования может быть необходимо для старых компьютеров, чтобы они соответствовали системным требованиям программы.

      Компьютерное оборудование (обычно называемое просто аппаратным обеспечением, когда речь идет о вычислительном контексте) – это совокупность физических элементов, составляющих компьютерную систему. Компьютерное оборудование — это физические части или компоненты компьютера. Аппаратным обеспечением может быть монитор, мышь, клавиатура, компьютерное хранилище данных, жесткий диск (HDD), графические карты, звуковые карты, память, материнская плата и т. д., все из которых являются материальными физическими объектами, то есть объектами, к которым вы можете прикоснуться.

      Материнская плата

      Материнская плата является основным компонентом компьютера. Это большая прямоугольная плата со встроенной схемой, которая соединяет другие части компьютера, включая центральный процессор (ЦП), оперативную память (ОЗУ), дисководы (CD, DVD, жесткий диск или любые другие), а также а также любые периферийные устройства, подключенные через порты или слоты расширения.

      К компонентам, непосредственно прикрепленным к материнской плате или являющимся ее частью, относятся:

      • ЦП (центральный процессор) выполняет большую часть вычислений, обеспечивающих работу компьютера, и иногда его называют «мозгом» компьютера. Обычно он охлаждается радиатором и вентилятором. Большинство новых процессоров включают встроенный графический процессор (GPU).
      • Набор микросхем, включающий северный мост, обеспечивает связь между ЦП и другими компонентами системы, включая основную память.
      • Оперативная память (ОЗУ) хранит код и данные, к которым активно обращается ЦП.
      • В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится BIOS, который запускается, когда компьютер включается или иным образом начинает выполнение, процесс, известный как начальная загрузка или «загрузка» или «загрузка».
      • BIOS (базовая система ввода-вывода) включает микропрограмму загрузки и микропрограмму управления питанием. В более новых материнских платах вместо BIOS используется унифицированный расширяемый интерфейс встроенного ПО (UEFI).
      • Шины соединяют ЦП с различными внутренними компонентами и платами расширения для графики и звука.
      • Батарея CMOS также прикреплена к материнской плате. Эта батарейка такая же, как батарейка для часов или батарейка для пульта к центральному замку автомобиля. Большинство батарей имеют тип CR2032, который питает память даты и времени в чипе BIOS.

      Хранилище

      Компьютерное хранилище данных, часто называемое хранилищем, относится к компьютерным компонентам и носителям записи, которые сохраняют цифровые данные. Хранение данных является основной функцией и фундаментальным компонентом компьютеров. Цена твердотельных накопителей (SSD), которые хранят данные во флэш-памяти, за последние годы значительно снизилась, что делает их лучшим выбором, чем когда-либо, для добавления к компьютеру, чтобы ускорить загрузку и доступ к файлам.

      Фиксированные носители

      Данные хранятся на компьютере с использованием различных носителей. Жесткие диски используются практически во всех старых компьютерах из-за их большой емкости и низкой стоимости, но твердотельные накопители быстрее и энергоэффективнее, хотя в настоящее время они дороже жестких дисков, поэтому их часто можно найти в более дорогих компьютерах. В некоторых системах может использоваться контроллер дискового массива для повышения производительности или надежности.

      Съемные носители

      Для передачи данных между компьютерами можно использовать флэш-накопитель USB или оптический диск. Их полезность зависит от возможности чтения другими системами; на большинстве машин есть дисковод для оптических дисков, и практически все имеют порт USB.

      Практический вопрос

      Ввод и вывод

      Ввод

      Устройства ввода позволяют пользователю вводить информацию в систему или управлять ее работой. Большинство персональных компьютеров оснащены мышью и клавиатурой, но в ноутбуках вместо мыши обычно используется сенсорная панель. К другим устройствам ввода относятся веб-камеры, микрофоны, джойстики и сканеры изображений.

      Устройство вывода

      Устройства вывода отображают информацию в удобочитаемой форме. К таким устройствам могут относиться принтеры, динамики, мониторы или устройства для тиснения шрифтом Брайля.

      Чтобы выполнить задачу с помощью компьютера, вам потребуется сочетание оборудования, программного обеспечения и входных данных.

      Оборудование состоит из таких устройств, как сам компьютер, монитор, клавиатура, принтер, мышь и динамики. Внутри вашего компьютера находится больше оборудования, в том числе материнская плата, на которой вы найдете основные процессорные микросхемы, составляющие центральный процессор (ЦП).

      Аппаратное обеспечение обрабатывает команды, которые оно получает от программного обеспечения, и выполняет задачи или вычисления.

      Программное обеспечение — это название программ, которые вы устанавливаете на компьютер для выполнения определенных действий. Существует программное обеспечение операционной системы, такое как Apple OS для Macintosh или Windows 98 для ПК. Существует также прикладное программное обеспечение, такое как игры, в которые мы играем, или инструменты, которые мы используем для составления букв или решения математических задач.

      Вы вводите данные. Когда вы вводите команду или нажимаете на значок, вы говорите компьютеру, что делать. Это называется вводом. Устройство ввода позволяет общаться с компьютером. Вы можете использовать устройства ввода для ввода информации и подачи команд. Клавиатура, мышь и джойстик являются устройствами ввода.

      Итак, компьютер собирает, обрабатывает, хранит и выводит информацию. Запоминающее устройство хранит информацию. Компьютер использует информацию, хранящуюся на этих устройствах, для выполнения задач. Жесткий диск, ленточный накопитель, гибкий диск и дисковод для компакт-дисков являются устройствами хранения.

      Центральный процессор (ЦП) — это основная микросхема компьютера. Процессор обрабатывает инструкции, выполняет вычисления и управляет потоком информации через компьютерную систему. ЦП связывается с устройствами ввода, вывода и хранения для выполнения задач.

      Устройство вывода позволяет компьютеру общаться с вами. Эти устройства отображают информацию на экране, создают печатные копии или генерируют звук. Монитор, принтеры и динамики являются устройствами вывода. Во-первых, ввод осуществляется при включении компьютера.Затем системное программное обеспечение приказывает ЦП запустить определенные программы и включить некоторые аппаратные устройства, чтобы они были готовы к дальнейшему вводу от вас. Весь этот процесс называется загрузкой. Следующий шаг происходит, когда вы выбираете программу, которую хотите использовать. Вы нажимаете на значок или вводите команду для запуска программы. Если вы решите распечатать страницу, щелкните значок принтера. Опять же, вы ввели данные, чтобы указать компьютеру, что делать.

      Читайте также: