§ 5. Процессор и память

Определения и обозначения

Процессор — устройство, которое выполняет команды программы и управляет работой компьютера. В нём есть устройство управления, которое организует выполнение команд, и арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее вычисления и логические действия. Вместе эти части помогают компьютеру обрабатывать данные по заданному алгоритму.

Тактовая частота — число тактов процессора за одну секунду. Её измеряют в герцах: 1 Гц — один такт в секунду, а 1 ГГц — миллиард тактов в секунду. Частота показывает ритм работы процессора, но сама по себе не сообщает, сколько полезной работы тот успеет выполнить.

Оперативная память хранит программы и данные, с которыми компьютер работает в данный момент. Процессор быстро обращается к этой памяти, поэтому текущие команды и результаты удобно держать рядом. При отключении питания её содержимое обычно теряется.

Постоянная память хранит данные, необходимые компьютеру при запуске, и сохраняет их без питания. Благодаря ей компьютер может начать работу после выключения и включения. Оперативная и постоянная память решают разные задачи, поэтому одна не заменяет другую.

Как это устроено

Для выполнения команды процессору нужны сама команда и данные, над которыми она действует. Он получает их из памяти, после чего устройство управления организует работу частей процессора, а АЛУ выполняет нужное действие. Результат записывается в память, если он понадобится позже, или передаётся устройству вывода, например на экран. Такой обмен позволяет последовательно выполнить команды программы.

Тактовый генератор задаёт процессору ритм: он посылает регулярные сигналы, которые помогают согласовать действия устройства. Чем больше тактов приходится на секунду, тем чаще процессор может выполнять отдельные этапы работы. Однако команда может занимать несколько тактов, а некоторые процессоры способны выполнять этапы нескольких команд параллельно. Поэтому нельзя считать, что один такт всегда равен одной команде.

Оперативная память должна быстро предоставлять текущие данные, потому что процессору приходится обращаться к ним снова и снова. Если данных и программ одновременно нужно больше, чем помещается в памяти, компьютеру приходится освобождать место или обращаться к накопителю, что может замедлить работу. Большой объём оперативной памяти позволяет держать больше задач открытыми, но сам по себе не делает процессор быстрее. Нужен баланс между объёмом памяти и потребностями программ.

Оперативная и постоянная память нужны для разных этапов работы компьютера. Постоянная память сохраняет необходимые для запуска сведения, а оперативная предоставляет быстрое рабочее место для текущих программ и данных. Компьютеру важно сохранить часть информации после выключения и одновременно быстро получать то, что используется сейчас. Поэтому он использует оба вида памяти.

Процессор не работает отдельно от памяти: ему нужны команды и данные, а память должна успевать их предоставлять. Высокая тактовая частота не гарантирует быстрого выполнения задачи, если данные поступают медленно или оперативной памяти не хватает. На скорость влияют также устройство процессора и характер программы. Поэтому быстродействие компьютера оценивают с учётом нескольких характеристик, а не только частоты.

Виды памяти компьютера

Сравни таблицу по двум вопросам: что именно хранит каждый вид памяти и останутся ли данные без питания. Так проще понять, почему информация для текущей работы находится не там же, где архивные файлы. Внешняя память — это, например, накопитель компьютера или флешка.

Разбор задач

Что останется после выключения компьютера?

Условие: компьютер выключили, а затем включили снова. Нужно определить, какие данные могли исчезнуть из оперативной памяти, а какие остались на внешнем носителе. Сравним не названия файлов, а место, где хранились данные.

1. Оперативная память хранит сведения для текущей работы, например открытый документ или незаписанные изменения.
2. При выключении питание оперативной памяти прекращается, поэтому её содержимое обычно теряется.
3. Файлы, сохранённые на накопителе или флешке, находятся во внешней памяти и остаются там без питания.

Ответ: могли исчезнуть данные, которые находились только в оперативной памяти, например несохранённые изменения. Файлы на внешнем носителе останутся, если их успели сохранить.

Сколько тактов при частоте 2 ГГц?

Условие: частота процессора равна 2 ГГц. Нужно узнать число тактов за одну секунду. Сначала переведём единицу измерения в герцы, а затем применим смысл частоты.

1. Один гигагерц равен 1 000 000 000 герц, то есть миллиарду тактов в секунду.
2. Умножим 2 на 1 000 000 000 и получим 2 000 000 000.
3. Запишем результат как число тактов за секунду, не подменяя им число выполняемых команд.

Ответ: процессор выполняет 2 000 000 000 тактов за секунду. Число команд может быть другим, потому что команда не обязательно выполняется за один такт.

Зачем загружать программу в оперативную память?

Условие: программа хранится на накопителе, а перед запуском компьютер загружает её в оперативную память. Нужно объяснить назначение копии и её судьбу после выключения. Рассмотрим отдельно хранение программы и её выполнение.

1. Накопитель нужен, чтобы программа сохранялась надолго, но процессору удобнее быстро получать команды и данные из оперативной памяти.
2. При запуске компьютер копирует нужные части программы в оперативную память, откуда процессор использует их во время работы.
3. После выключения питания копия в оперативной памяти обычно пропадает, а исходная программа на накопителе остаётся.

Ответ: копия нужна для быстрого доступа процессора к программе. После выключения она исчезнет из оперативной памяти, но программу можно будет снова загрузить с накопителя.

Типичные ошибки

Ошибка — считать тактовую частоту точным показателем общей производительности. Так думают, потому что число герц похоже на прямую оценку скорости, но процессоры с одинаковой частотой могут работать по-разному. Проверь себя: учитывай устройство процессора и доступ к памяти, а не только гигагерцы.

Ошибка — считать, что оперативная память постоянно хранит файлы. Её название иногда путают с хранилищем для сохранения документов, хотя это память для текущей работы, и без питания данные обычно теряются. Проверь себя вопросом: останется ли информация, если компьютер выключить?

Ошибка — путать оперативную и постоянную память. Обе хранят данные, но оперативная нужна для выполняемых сейчас задач, а постоянная сохраняет сведения для запуска компьютера. Чтобы проверить себя, сравни их назначение и сохранность данных без питания.

Ошибка — думать, что процессор сам хранит все данные программы. Он обрабатывает команды, но для получения команд и данных обращается к памяти. Проверь себя: если процессору нужно выполнить новую команду, откуда он её получает? Из памяти, а не из неограниченного собственного хранилища.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что компьютер выполняет программы, состоящие из команд, а данные могут быть представлены в двоичном виде. Эти знания помогают представить, что именно процессор получает и обрабатывает. Тема пригодится при изучении устройства компьютера, хранения файлов и характеристик устройств. Она также объясняет, почему выполнение программы связано с постоянным обменом данными между процессором и памятью и почему нехватка памяти может замедлить компьютер.

Что запомнить

• Процессор выполняет команды программы и управляет работой компьютера.
• Тактовая частота показывает число тактов в секунду.
• Оперативная память хранит данные и программы, используемые в данный момент.
• Содержимое оперативной памяти обычно теряется при отключении питания.
• Постоянная память хранит данные, необходимые компьютеру при запуске.
• Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и файлов.
• Быстродействие компьютера зависит не только от процессора, но и от памяти.