Как устроен компьютер. Что такое компьютер и как он устроен В какой системе работает компьютер

Как уже было сказано ранее, открытая архитектура и блочно-модульный принцип организации IBM-компьютеров стали решающими факторами, позволившими им ныне безраздельно господствовать на рынке компьютерной техники. Давайте же рассмотрим, из каких блоков и модулей собирается современный компьютер и как организована его работа, которая показана схематически ниже.

Центральный процессор ("камень" в жаргонном лексиконе компьютерщиков) - "мозги" компьютера. Именно в центральном процессоре происходят основные вычисления, ради которых, собственно и придумывался компьютер, чтобы облегчить жизнь человека. Физически центральный процессор (микропроцессор) выполняется в виде большой интегральной схемы (БИС), которая устанавливается в соответствующий разъем на материнской плате. Сверху на процессор обязательно крепится радиатор и кулер (вентилятор), которые охлаждают процессор, т.к. тот в процессе работы выделяет достаточно много тепла.

Память - то "место", где хранится разнообразная информация (данные, программные коды), предназначенная для центрального процессора (и не только), а также результаты произведенных им вычислений. Компьютерная память бывает двух видов: ПЗУ (постоянно-запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство).

ПЗУ можно только считывать. Как правило, ПЗУ применяется для начальной загрузки компьютера. В ПЗУ хранятся специальные инструкции (BIOS), которые управляют в момент включения питания работой компьютера и "рассказывают" ему, что он должен делать. Физически ПЗУ выполняется в виде микросхемы, которая впаивается в материнскую плату.

Информацию ОЗУ можно не только считывать, но и записывать. Более того, скорость работы ОЗУ напрямую влияет на производительность всей компьютерной системы в целом. Можно сказать, что в ОЗУ хранится вся информация, необходимая для работы компьютера в данный момент и с которой пока (или уже) не работает центральный процессор. Физически ОЗУ выполняется в виде отдельных модулей, которые устанавливаются в специальные разъемы (слоты) материнской платы.

Отдельные модули и блоки компьютера должны каким-то образом обмениваться между собой информацией. Для этой цели служат специальные информационные линии, которые принято называть шинами .

Шина данных - информационная линия (канал), по которой идет передача электрических сигналов в обоих направлениях.

Адресная шина - информационный канал, который передает адрес ячейки памяти, в которую (из которой) будет производиться запись (чтение) информации. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес, по которому идет обращение к памяти.

Шина управления указывает, какое именно действие будет производиться: чтение или запись.

Такая организация работы компьютера называется трехшинной архитектурой . Физически шина - это обыкновенный "кусок" изолированного провода, который выполнен в виде ленточного жгута (шлейфа) или в виде металлических дорожек на системной плате.

Все вышеперечисленные компоненты находятся в "железном ящике", который называется системным блоком , который содержит блок питания, питающий все модули компьютера.

Для того, чтобы с компьютером можно было "общаться" нужны средства ввода и вывода информации .

Информация вводится в компьютер посредством клавиатуры (с мышью), флоппи-дисков (которые практически ушли в прошлое), компакт-дисков, флэш-памяти и других подключаемых внешних устройств.

Вывод информации производится через монитор, принтер (другие устройства).

Все внешние устройства, которые подключаются к системному блоку компьютера управляются через контроллеры - специальные аппаратные устройства, имеющие соответствующие разъемы для подключения того или иного внешнего устройства. Контроллеры работают под специальными управляющими программами - драйверами . Драйвер "рассказывает" контроллеру как компьютер должен правильно обмениваться информацией с соответствующим подключенным внешним устройством. Без правильно установленного драйвера ни принтер, ни сканер, ни монитор не будет работать. Физически контроллеры выполнены в виде специальных разъемов, установленных либо на материнской плате, либо непосредственно на системном блоке компьютера.

Отдельной важной деталью компьютера является жесткий диск ("винчестер", "винт"), который находится внутри системного блока, но подключен к общей системе также через контроллер. Винчестер имеет очень большой объем хранения данных (современные жесткие диски уже измеряются в терабайтах - миллионах мегабайтов). На жестком диске хранится вся информация, предназначенная для работы конкретного компьютера. Физически жесткий диск выполнен в виде закрытого модуля размером примерно двух-трех сигаретных пачек.

Когда вышеперечисленные модули собраны воедино, правильно подключены и корректно установленно нужное программное обеспечение - компьютер готов к работе. Опытный пользователь из работоспособных комплектующих соберет и настроит компьютер в течение 3-5 часов.

Архитектура современных компьютеров была разработана еще в 1945 году. При таком методе команды и данные хранятся вместе в памяти компьютера. Набор команд, называемый программой, и данные загружаются в память. Память разделена на индивидуальные ячейки, так что и команды и данные в любой момент могут быть найдены.

Центральный процессор (ЦПУ) содержит программный счетчик, обеспечивающий порядок команд. После каждой операции программный счетчик продвигается на один шаг.
Другие компоненты ЦПУ, включают контрольный модуль, который руководит пошаговыми операциями по обработке данных; арифметический логический модуль (АЛМ), осуществляющий операции со сложением, вычитанием и сравнением.
Справа изображены шаги, объясняющие, как компьютер оперирует командами и данными, чтобы выполнить простое задание «сложение». Программа поручает компьютеру сложить два числа и запомнить их сумму - как приказано в третьей строке на экране (внизу), что читается как «30 С = А+Б». Для выполнения этой задачи требуется пройти много шагов, но каждый из них занимает всего тридцать биллионных секунды, и вычисления производятся очень быстро. Хотя внутри компьютера все числа записаны в двоичной системе исчисления, здесь они представлены в десятичной системе для облегчения чтения.

Инструктирование компьютера
Оператор записал короткую программу на компьютерном языке БЕЙСИК. Первые две строки под номерами 10 и 20 (слева) приказывают компьютеру извлечь цифры из клавиатуры. На диаграммах справа показано, как компьютер выполняет третью команду. Эта команда «С = А+Б» приказывает компьютеру сложить числа А и Б, а в четвертой строке содержится приказ запомнить результат. Строка 50 завершает программу. В данном случае А находится в ячейке 86, Б в ячейке 87, а С будет определено в ячейку 88.

1. Первые инструкции. Контрольный модуль получает команды из ячеек 78 и 79. После декодирования команд он знает, что должен доставить данные из ячейки 86.

2. Передвижение первого числа. Контрольный модуль копирует А - число «3» из ячейки 86, и помещает его в один из регистров - временное хранилище для небольшого количества данных.

3. Считывание команды «Сложение». Контрольный модуль получает следующую команду - команду «сложение» - из ячеек 80 и 81 и декодирует эти команды.

4. Считывание данных. Следуя командам, контрольный модуль копирует значение В, равное 2 из ячейки 87, и помещает его в АЛМ.

5. Сложение данных. Первое число берется из ЗУ центрального процессора и направляется в АЛМ, где осуществляются математические операции. Компьютер может сложить два числа.

6. Временное хранение. Сумма сложения временно хранится в регистре ЦПУ, пока в контрольный модуль не поступит дальнейших распоряжений от пользователя.

7. Суммирование. Контрольный модуль добывает из ячейки 82 команду сохранить данные в памяти в позиции 88, где они будут легко доступны для последующих вычислений

8. Хранение. Контрольный модуль помещает сумму, число «5», в ячейку 88 в соответствии с командой, завершив восемь операций, необходимых для выполнения одной стооки тоогоаммы.

Как работают компьютеры?

Сегодня очень сложно представить дом без персонального компьютера. И, возможно, не одного. Но большинство пользователей даже не представляет, как работает компьютер и из чего он состоит: что скрывается в его металлическом или пластиковом корпусе? Попробуем разобраться самостоятельно хотя бы в основах.

Рассмотрим базовую конфигурацию персонального компьютера. Она, разумеется, изменяется, расширяется в зависимости от желаний и возможностей его обладателя, но минимальный набор остаётся неизменным:

• системный блок;
• клавиатура;
• компьютерная мышь.

Системный блок - основа основ любого компьютера, именно в нём сосредоточены самые важные узлы. Итак, представим, что мы сняли с него крышку и заглянули внутрь.

Системный блок состоит из следующих компонентов:

Блок питания

Первое, с чего стоит начать - блок питания. Как правило, корпус компьютера продаётся уже с установленным блоком питания. Главный параметр, который должен интересовать пользователя - мощность. Для массовых моделей, основные функции которых - доступ в интернет и простые игры, подойдёт блок питания мощностью от 350 до 400 Вт. Но если вы собираете серьёзный игровой компьютер, с производительной видеокартой, мощность блока питания придётся увеличить.

Сердце любого компьютера. Именно к ней подключены шины: проводники, по которым различные устройства внутри компьютера обмениваются сигналами. На материнской плате размещено и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - особая микросхема, которая долгое время хранит данные, даже если сам компьютер выключен. Помимо этого, на материнской плате расположен чипсет - набор микросхем, которые управляют работой остальных внутренних устройств. Кстати, именно чипсет определяет основные возможности функционала материнской платы. Также на материнской плате расположены ещё два очень важных устройства: оперативная память и процессор. О них следует поговорить отдельно

Процессор

Если материнская плата «сердце компьютера», то процессор - его мозг. Именно он отвечает за все вычисления, которые делает компьютер. Выглядит он, как большая микросхема, найти его на материнской плате не сложно. На процессор, или CPU, устанавливается специальный ребристый радиатор и вентилятор для охлаждения. Чем ниже температура процессора, тем лучше он работает. Процессор состоит из очень маленьких, невидимых глазом, ячеек, которые хранят и изменяют информацию. И обработка данных происходит именно тогда, когда в разные ячейки или регистры процессора поступают различные команды.

Оперативная память

Это небольшая плата, которая помогает процессору работать с данными. В оперативную память поступают нужные программы и данные с жёсткого диска. А процессор во время работы всё время обращается к оперативной памяти, считывая команды программы. Именно она объясняет, какие данные нужны и как их обрабатывать.

Видеокарта

Другое название видеокарты - видеоадаптер. Она служит для обработки, говоря техническим языком, «рендеринга» изображения и выводит его на экран монитора. Многие современные игры очень чувствительны именно к производительности видеокарт. Кстати, видеоадаптеры бывают двух видов - встроенные (интегрированные) и дискретные. Встроенные -неотъемлемая часть материнской платы. Мощности такого адаптера вполне хватает для интернета, но серьёзные игры он может уже и не потянуть. Дискретная видеокарта вставляется в отдельный разъём на материнской плате и даже может иметь свою систему охлаждения. Производительность таких видеоадаптеров гораздо выше. Правда, и стоят они дороже.

Жесткий диск

Жёсткий диск - устройство, которое хранит всю вашу информацию. На самом деле, диск в этом устройстве не один. Жёсткий диск - система дисков с магнитным покрытием, которые вращаются с большой скоростью.

Именно из этих частей состоит компьютер. Но как работает компьютер, какой примерный алгоритм этого процесса?

Как только включается компьютер и запускается программа, происходят следующие действия:

1. С жёсткого диска программа попадает в оперативную память и даёт команду процессору.
2. В свою очередь, процессор поочерёдно выполняет поступившие команды.
3. Когда процессор заканчивает работу с данными, он возвращает их в оперативную память.
4. Результат работы попадает на жёсткий диск и сохраняется.

Клавиатура и мышь

Для ввода данных в компьютер служат устройства ввода. Самые распространённые - это клавиатура и мышь. Данные устройства могут быть проводными, то есть подключаться с помощью шнура или беспроводными, которые работают через приемник, подключенный к компьютеру.

Монитор

Результат обработки информации пользователь видит на устройстве вывода. Опять-таки, самым распространённым таким устройством является монитор.

Если у вас остались вопросы о том, как работает компьютер, можно просмотреть небольшое обучающее видео.

Глава 3

Начинаем «вскрытие»

А вместо сердца – пламенный мотор.

Из песенки о революционерах-киборгах

И снова здравствуйте! Это на тот случай, если первая часть показалась вам слишком простой и вы начали читать книгу с данной главы.

Специально для таких читателей озвучим краткое содержание предыдущих глав. Мы пришли к выводу, что компьютер нам необходим, потратили немного времени и нервов на его покупку, привезли домой и попытались разобраться, где его лучше всего расположить в квартире.

В общем, теперь у нас есть рабочая машина, на которой (при наличии элементарных навыков) можно выполнять необходимую работу или осуществлять не менее необходимый отдых. Но при постоянном общении с ПК у любопытного человека рано или поздно обязательно возникнет вопрос: «А как это все работает?» В этой части книги мы попытаемся на него ответить. Не бойтесь, уговор о сведении к минимуму количества умных слов и запутанных определений остается в силе.

Видимые и невидимые части компьютера. Краткий обзор

Итак, перед вами компьютер (см. рис. 1.1). Возможно, ваша машина внешне отличается от приведенной на рис. 1.1, но, скорее всего, незначительно. Чтобы убедиться в этом, предлагаем провести что-то типа переклички. Перечислим основные части компьютера (вашего и нашего, изображенного на рисунке) в порядке возрастания их значимости.

Мышь (это устройство еще называют манипулятор типа «мышь» ) предназначена исключительно для управления компьютером. На заре становления компьютерной техники люди обходились без этого устройства, однако в наши дни вы, наверное, уже и не встретите ПК без мыши. Управлять компьютером с помощью мыши просто и наглядно, по этой причине начинающие пользователи очень любят данный инструмент. Однако как ни крути, а часто ну просто никак не обойтись без другого, не менее уважаемого инструмента управления, который называется…

Клавиатура – устройство для ввода информации в компьютер и управления им. Вот уж без чего точно не обойтись (хотя мы видали компьютеры без клавиатур).

Монитор нам уже слегка знаком, а подробно о нем мы поговорим в главе 7.

Системный блок (часто его называют «системник»). Собственно, это и есть компьютер. Именно в системном блоке расположены все компоненты, которые только и ждут команд от мыши и клавиатуры, чтобы выполнить поставленную вами задачу. Нужно четко представлять, что системный блок – это не одно устройство. Именно в нем самым причудливым (для начинающих пользователей) образом соединяются и совместно работают процессор, оперативная память, видеокарта и многие другие устройства. Причем все они должны соединяться друг с другом не только физически, но и функционально (то есть работать как единое целое). Если добавить немного образности в наше повествование, то можно сказать, что в «системнике» находится спинной и головной «мозг» вашего компьютера.

Тут кто-то скажет: «А у меня на компьютерном столе есть еще колонки, принтер, сканер и это… Не знаю, как называется эта штуковина». Согласимся с данным утверждением, к тому же его вполне можно считать удачной подводкой к двум основным определениям этого раздела.

Определения

Внутренние (встроенные) устройства – это компоненты компьютера, находящиеся внутри системного блока.

Внешние устройства – это приспособления, работающие вне системного блока (к последнему они, как правило, подключаются с помощью различных соединительных проводов).

Необходимо добавить, что некоторые внутренние устройства (например, модем) имеют внешние аналоги (рис. 3.1). Как правило, внешние устройства стоят дороже (поскольку им необходим собственный корпус, источник питания, соединительный кабель и т. д.), но зато их можно подключить в считанные минуты, не разбирая корпус системного блока.

Рис. 3.1. Внутренний (слева) и внешний (справа) модемы

В следующих разделах и главах рассматриваемой части мы подробно и обстоятельно познакомимся с большинством комплектующих компьютера. Для облегчения понимания начнем с внутренних устройств (или устройств, которые чаще встречаются как внутренние), а затем перейдем к внешним. Готовы? Поехали!

На рисунке ниже, я, с великим мастерством и любовью, нарисовал обычного пользователя, с обычным компьютером. Наверное, вы думали, что будет размещена какая-нибудь фотка навороченного системного блока, со снятой крышкой. Поверьте мне, этой банальной картинки хватит, чтобы понять, что и как работает в таинственном ящике, надо будет только включить чуточку воображения и немного фантазии и все будет ОК!

И так, давайте разберем на рисунке - Как работает компьютер .

Представим, что вот этот человечек в красной майке и есть мощный двухядерный процессор типа ATLON или INTEL, а может и вообще он не двухядерный. Но дело не в этом, итак - этот человечек - это процессор, который просчитывает различные операции.

Рис.1 Ой, а кто это?

Монитор на рисунке пусть будет видеокартой.

Поверхность письменного стола превращается в оперативную память, а шуфлядки этого стола - ваш винчестер (или жесткий диск). Представим, что все это подключено к материнской плате (вместо нее будем использовать стол, нарисованный выше), и работает!

Теперь, если вы все представили правильно, то у вас в голове должна возникнуть картина примерно такого плана (смотрим на рисунок):

Рис.2 Дык это ж мой компьютер!

Если в вашем двухядерном процессоре ничего не возникло, читаем урок сначала.

Теперь представьте себя на месте этого человечка, будто вы сидите за таким столом, будто вы - процессор, вставленный в разъем на материнской плате. Представьте себя в комнате вот за таким столом. Будто комната, в которой вы находитесь - системный блок, стол вместе со стулом в этой комнате - материнская плата. Ну что, представили? Тогда поехали дальше.

А теперь приходит обычный юзер (что-то вроде - пользователь), который хочет поиграть в какую-нибудь игру, и тычет кнопочку на системном блоке, вам подается ток, вы включаетесь и все вокруг вас тоже, и начинается работа компьютера!

Вы, сидите и работаете за этим столом (только прошу не забывать что вы процессор, а поверхность письменного стола - оперативная память), и выполняете различные операции, дабы юзер мог в полной мере насладиться игрой. Сама игра, находится где? Правильно! На винчестере (в шуфлядках). И чтобы процессор (вы) мог обработать данную игру, требуется доступ к файлам этой игры. Вы (процессор) подаете команду, и начинаете записывать на оперативную память (выкладывать из шуфлядок на стол) нужные для работы файлы (возьмем за файлы обычные книги). То есть вы лезете в шуфлядку (на винчестер), достаете книги (файлы) и кладете их на стол (записываете в оперативную память). Это процесс загрузки игры.

«Зачем же тогда нужна оперативная память? », спросите вы, если вы можете прочитать файлы с жесткого диска (шуфлядки). А вот для чего: оперативная память работает в тысячи раз быстрее, чем винчестер и поэтому, намного быстрее процессор (вы) будете считывать файлы с оперативной памяти (читать книги с поверхности стола), чем с винчестера (лезть в шуфлядки).

Вот представьте себе вы (процессор) читаете с поверхности рабочего стола (оперативная память) книгу с какой либо информацией (файл), она лежит у вас перед носом и если надо, вы сразу посмотрели и нашли то, что надо. Теперь вам (процессору) требуется положить еще одну книгу (файл), вы лезете в шуфлядку (винчестер), берете книгу и кладете ее на стол (оперативная память) и так еще несколько книг (файлов), в результате чего ваш стол (оперативная память) полностью заполнен книгами (фалами), которые нужны вам для работы. Вы с ними работаете и вот вам нужна для работы еще одна книга (файл), а места на столе (оперативная память) тю-тю! И вы (процессор) лезете в тумбочки (на винчестер), и оттуда читаете книгу. Прочитали и положили назад, т.к. места на столе (оперативной памяти) нет. А на глазах у пользователя компьютер начинает притормаживать, потому что процессор (вы) занят чтением файла (книги) с винчестера (шуфлядки), что занимает намного больше времени, чем чтение из оперативной памяти.

И теперь сделайте вывод, как вам легче - когда вы (процессор) читаете книгу (файл) на столе (из оперативной памяти), быстро найдя то, что вам надо, или когда вы (процессор) читаете книгу (файл) только после того, как достали ее из шуфлядки (загрузили с винчестера), тратя большинство времени на открывание и закрывание шуфлядок, и поиск нужной вам книги (файла). В том-то вся и фишка, что на столе (оперативная память) найти и прочитать книгу (файл) намного быстрее, когда она лежит в открытом виде, прямо перед носом, чем рыться в шуфлядках.

Вот и получается, что чем больше поверхность стола (оперативная память), тем больше книг (файлов) вы (процессор) можете на него положить.

Но тогда, наверное, у вас возник другой вопрос: «Зачем же винчестер, если он так медленно работает, лучше было бы установить больше оперативной памяти, и работать процессору было бы намного легче? ». Я бы с радостью с вами согласился, но есть несколько весомых причин, почему до сих пор используются жесткие диски.

Первая причина - размер . Как правило, сейчас используются жесткие диски размером от 160 гигобайт (далее ГБ) и выше, а платы оперативной памяти емкостью от 1ГБ до 4ГБ. Длинна такой платы около 10см, в то время как размер винчестера 2,5 дюйма. И притом, что винчестеры размером 160ГБ уже не актуальны, т.к. это маленький размер. Сейчас используются в основном 250ГБ, 320ГБ, 500ГБ и >>> (). Вот и представьте - сколько надо плат, чтобы достичь такой емкости. То же самое касается и физического размера, оперативная плата размером в 160ГБ получиться огромной, не говоря уже про 500ГБ.

Вторая причина - цена . Такие платы стоить будут очень дорого. Думаю, если бы, и начали производить оперативные платы емкостью 160ГБ, цена на них была бы несколько тысяч долларов.

Третья причина - энергопотребление . Что бы на оперативной памяти хранились данные, такая плата должна постоянно питаться током. Поэтому, когда вы выключаете компьютер (не путать с перезагрузкой) все данные в оперативной памяти теряются. Винчестеру для хранения ток не требуется.

Думаю с видеокартой все понятно. Она предназначена для обработки видеоинформации и выдачи ее вам на экран. Если у вас слабенькая видеокарта, а вы решили «повалиться» в какую-нибудь игру, требующую больше видео ресурсов, чем может предоставить вам ваша видеокарта. То она просто не успевает их обрабатывать, и в помощь вступает процессор, не предназначенный для таких целей. В результате, как правило, начинает тормозить вся система! И естественно, что никакой объем оперативной памяти вам не поможет устранить эту проблему. Для хорошей игры в крутые игры требуется хорошая видеокарта.

Надеюсь, теперь вам понятно, как, в общих чертах, работает компьютер?

Всем руководит процессор - это сердце ПК (голова - это вы), он обрабатывает все данные, необходимые для работы. Оперативная память требуется для ускорения работы процессора, т.к. она работает в тысячи раз быстрее винчестера. Винчестер - это хранилище всей информации на компьютере, если он ломается всем данным - кранты.

Видеокарта - для видео и 3D (трехмерных) приложений, все, что мы видим на мониторе - мы видим благодаря ей.

Я еще не написал вам про звуковую карту, но тут, думаю, тоже все понятно. Когда вы устанавливаете звуковую карту, она начинает отвечать за все звуки на вашем ПК, освобождая время вашего процессора на обработку других данных (но это не заметно на производительности системы в целом). Обычно, в большинстве материнских плат, используется встроенная звуковая карта.

Ну, вот мы и рассмотрели основные моменты работы вашего компьютера . Дальше, как я и обещал, мы рассмотрим с вами все детали по отдельности, ну и конечно же, я буду вам напоминать, как они называются в народе, более «прошаренном» в компьютерных делах.

Если вам не до конца понятно, как работает компьютер - задавайте вопросы прямо в комментариях.

Это был урок №3. Как работает компьютер . Если вы не читали предыдущих уроков - вам может быть кое что не понятно.

Поэтому советую перейти на страничку -