Фізичні основи роботи комп’ютера (стр. 5 из 21)

Зараз спостерігається тенденція зменшення годин викладання фізики у школі при зростанні об’єму матеріалу, який учень повинен засвоїти, тому вирішенням проблеми розвиваючої складової навчання може стати саме позаурочна робота з фізики.

Серед усіх видів позакласної роботи з учнями, найкращим до засвоєння цікавого матеріалу підходять факультативні заняття з фізики та заняття в гуртках. Для проведення позаурочних занять з фізики можна використати науково-популярний матеріал, щодо будови і принципу роботи окремих частин комп’ютерної техніки, та пояснити їх роботу за допомогою фізики. Для цього вчителеві необхідно зібрати та систематизувати цікавий, добре підібраний матеріал, який можна використовувати на позаурочних заняттях. Цей матеріал повинен йти як логічне завершення викладання основного курсу фізики; це залежить від відведеного часу для проведення позаурочних занять та, насамперед, майстерності вчителя. Такий підхід навчання та загального розвитку учнів також сприятиме їх самостійній роботі з науково-популярною літературою.

2.1 Дисплеї

2.1.1 Дисплей електронно-променевий

ДЕП (рис. 2.1) містить: три електронні пушки, що емітують три променя електронів; котушку, що відхиляє промені в горизонтальному і вертикальному напрямках; маску для точного попадання променів у потрібні точки екрана; екран, що складається з «пікселів» (точок). Піксель містить три елементи, кожний з яких під впливом променя світиться червоним, жовтим і зеленим кольором.

Рисунок 2.1 – Принципова схема електронно-променевого дисплея

Принцип дії: комп'ютер управляє інтенсивністю електронних променів, що потрапляють на кожен піксель. Залежно від інтенсивності кожного з кольорів сумарний колір пікселя може мати 16 мільйонів градацій.

Характеристики: Розподіл — кількість пікселів на екрані по горизонталі і по вертикалі. В даний час від 640/480 до 2048/1536. Крок пікселя — відстань між пікселями по горизонталі і по вертикалі. Залежно від розподілу і розміру екрана від 0,14 до 0,67 мм [9].

2.1.2 Дисплей плоский

Відомо декілька типів: на світлодіодах, плазмові, люмінесцентні, рідкокристалічні (РК). Розглядається тільки останній тип як найпоширеніший – РК (рис. 2.2).

Призначення: те ж, що і ДЕП – представляти зображення у вигляді, що сприймається зором (рис. 2.3) .

Рисунок 2.2 – Принцип дії рідкого кристалу

Рисунок 2.3 – Схема роботи рідкокристалічного дисплея

Принцип дії: комп'ютер подає напруги на пари електродів тих РК (рис. 2.4), які повинні стати прозорими. В результаті на екрані утворюється зображення з вибраних пікселів вибраного кольору [9].

Рисунок 2.4 – Схема розташування пікселя на дисплеї

Характеристики: роздільна здатність — кількість пікселів на екрані по горизонталі і по вертикалі. В даний час від 1024/768 до 1600/1200.

Особливості: дорогі (у 2-3 рази дорожче ДЕП); власне дисплей споживає мало енергії, але потрібне підсвічування, що вимагає значної потужності; критичні до температури: не функціонують при

Погрішності дисплеїв (див. табл. 2.1) обумовлені принципом створення зображення точками (пікселями). Значення інструментальної погрішності при представленні результату вимірювання графічно дорівнює значенню пікселя. Абсолютна погрішність дорівнює кроку пікселя, відносна – величина, зворотна розподілу.

Наприклад. При роздільній здатності 640/480 по горизонталі

, по вертикалі

[9].

Таблиця 2.1 – Співвідношення наведених погрішностей комп'ютерних вимірювань для дисплея

Дисплей
Роздільна здатність, піксель	Погрішність g, %
640	0,15
800	0,12
1280	0,08

2.2 Процесори

Процесор в сучасному комп'ютері часто виступає синонімом всього ПК. На питання: «Який у вас комп'ютер?» з очевидністю йде відповідь – «четвертий Pentium» або «Athlon 64», частота така-то... До речі, такому відношенню до ЦП немало сприяла кампанія Intel Inside, що почалася ще в 1993 році.

Центральний процесор – вінець технологічних досягнень людини. З простої жмені піску люди навчилися створювати кристали (рис. 2.5) розміром з ніготь, здатні виконувати мільярди обчислень за секунду. Не дивлячись на складність архітектури самого процесора, він складається з простої «цегли» – транзисторів, своєрідних перемикачів. Працює транзистор так: якщо на замикаючому затворі немає напруги, елемент не проводить струм. Коли ж напруга до затвора прикладається, транзистор «відкривається» і сам стає провідним. А далі їх починають комбінувати: адже транзистор, що «відкрився», здатний пропустити струм до затвора іншого транзистора і, у свою чергу, вплинути на його поведінку. Такі комбінації ускладнюються, а з елементарних поєднань будуються величезні блоки. Ускладнюється і їх поведінка. У сучасних процесорах присутні сотні мільйонів транзисторів, що працюють в тісному зв'язку один з одним. Далі ми зупинимося на ключових особливостях процесорів, які визначають їх швидкість і можливості [7].

Рисунок 2.5 – Зовнішній вигляд пластини кристалу з нанесеною на нього літографією

2.2.1 Техпроцес

Ми спеціально згадали про транзистори, оскільки вони пов'язані з важливою характеристикою процесора – так званим «технічним процесом». Він має розмірність довжини і вимірюється в нанометрах (на даний момент – 130,90 або 65 нм). А щоб зрозуміти, звідки він береться, давайте подивимося, як з'являється на світ окремо взятий процесор.

Спочатку з кремнієвого піску вирощують циліндричний кристал з діаметром основи 20-30 см і розрізають його на тонкі круглі пластини – вони стануть основою для майбутніх процесорів. Пластини полірують, а потім за допомогою фотолітографії наносять на них транзистори і інші компоненти. На кожній пластинці розміщується декілька сотень процесорів. Потім їх вирізають, наносять шари алюмінієвих або мідних з'єднань, що зв'язують транзистори і ділянки кристала. Нарешті, «насаджують» готовий процесор на упаковку, тестують і продають.

Протягом багатьох років технологи провідних фірм працювали над тим, щоб зменшити розмір транзисторів. Адже чим він менший, тим, взагалі кажучи, краще. Транзистор меншого розміру вимагає меншої напруги, знижуючи споживання енергії. Чим менше транзистори, тим більше їх можна розташувати на поверхні кристала. Нарешті, процесори, створені на транзисторах менших розмірів, краще розганяються. Така важлива величина не могла не отримати окремої назви. Власне, техпроцес – це і є характерний розмір одного транзистора.

Це цікаво: спочатку зменшення техпроцесу йшло досить успішно. Удосконалювалися технології вирощування кристалів, досягався вищий клас поліровки, все більш ускладнювалося устаткування фотолітографії. Але незабаром компанії-виробники зіткнулися з тим, що впритул підійшли до обмежень самого матеріалу: як-не-як, комірка кристалічної решітки має свій розмір, яким вже давно не можна нехтувати. Так, при 90-нанометровому техпроцесі затвор транзистора складається всього з п'яти атомних шарів діелектрика (SiO

), а при 65-нанометровому – з трьох-чотирьох. Далі зменшувати нікуди: ніякий діелектрик не в силах запобігти тунелювання електронів крізь такий тонкий бар'єр. Кремній відпрацював своє. Можна з упевненістю сказати, що наступні планки – 45 і 30 нм – можна буде здійснити з використанням інших матеріалів. Силікат нікелю? Вуглецеві нанотрубки? Поживемо – побачимо [7].

2.2.2 Розмір КЕШа

Схематично уявити собі роботу процесора досить просто. Він прочитує дані з пам'яті, обробляє їх і записує назад в пам'ять. Все! Швидкість другого етапу залежить від архітектури процесора, а ось перший і третій етапи – від продуктивності пам'яті. І тут проблеми є. У 80-х роках минулого століття процесори були відносно повільними, і пам'ять встигала їх обслуговувати. З часом швидкість ЦП стрімко росла, тоді як пам'ять розвивалася помітно повільніше. А якщо так, то який сенс у потужному процесорі, якщо він своєчасно не отримуватиме дані?

Для розв’язання проблеми додали швидкісну пам'ять, яка відіграє роль буфера між процесором і оперативною пам'яттю, – кеш-пам'ять. Вона застосовується для зберігання найбільш часто використовуваних даних, щоб скоротити число повторних звернень до «повільної» пам'яті. Кеш ділиться на декілька рівнів, але найчастіше доводиться стикатися з кешем другого рівня (L2). У найпростіших процесорів він складає 128-256 кбайт, у потужніших – 1-2 Мбайт.