Как устроен компьютер
За последние десятилетия технологии персональных компьютеров шагнули далеко вперёд и продолжают развиваться с поразительной скоростью. Машины, которые когда-то едва умещались в огромных помещениях, сейчас легко расположить у себя на ладони. Они не только уменьшились в размере.
p, blockquote 1,0,0,0,0 —>
Сегодняшний персональный компьютер несравненно более мощный, чем модель, выпущенная всего несколько лет назад.
p, blockquote 2,0,0,0,0 —>
Современные компьютеры состоят из множества деталей, которые работают в слаженной системе и создают стабильный эффективный инструмент.
p, blockquote 3,0,0,0,0 —>
Постоянное развитие оборудования и программного обеспечения делают процесс обучения для работы с компьютером трудновыполнимой задачей, требующей постоянного усовершенствования и вникания. Но некоторые понятия и детали остаются неизменными. Рассмотрим их и станем на шаг ближе к великому знанию о схеме работы персонального компьютера и пониманию того, как устроен компьютер.
p, blockquote 4,0,0,0,0 —>
Процессор (CPU)
Процессор отвечает за общую скорость или тактовую частоту компьютера, а также скорость обработки данных. Компьютер является более быстрым и мощным, если он способен выполнять больше заданий каждую секунду. Например, первым компьютерным процессором был Intel 4004, который имел тактовую частоту 740 кГц и способность обрабатывать около 92000 операций в секунду. Современные многоядерные процессоры измеряются в ГГц и способностью обрабатывать более 100 миллиардов операций в секунду.
Хотя современные компьютеры могут выполнять миллиарды операций каждую секунду, процессор обычно ждет эти операции от медленных типов памяти в компьютере. Поскольку оперативная память и жесткий диск медленнее, чем процессор, компьютерные процессоры и материнские платы используют кэш для передачи данных между процессором, памятью и компонентами компьютера. Кэш — это самый быстрый тип памяти. Компьютер с большим объемом кэша L2 или L3 способен хранить больше операций и более эффективно отправлять их процессору.
Компьютер история создания и развития
Отец компьютера
Сделать автоматизированную вычислительную машину хотели еще в 19 веке, тогда Чарльз Бэббидж создал ее первый концепт. Заниматься она должна была навигационными вычислениями. Машина была бы программируемой с помощью перфокарт. Но завершить дело ему не удалось, и упрощенную версию уже закончил его сын, в 1 906 представив ее использование в вычислительных таблицах.
В сообществе, Чарльза Бэббиджа принято считать «отцом компьютера» за счет того, что он придумал концепцию и по сути опередил на столетие свое время.
Аналоговые компьютеры
Первые компьютеры были аналоговыми и позволяли решать лишь узкоспециализированные задачи. Т.е. одно такое устройство решает лишь одну определенную задачу. Строились они на механической и электронной модели. Первым из них считается устройство для прогнозирования приливов, которое разработал Уильям Томсон.
Из-за того, что использовались механические детали, сделать такие устройства мульти задачными было практически невозможно или просто очень тяжело. Часто такие устройства мы видим в разных книгах и фильмах про фантастику. Это была эпоха механических вычислительных устройств, где использовались различные шестерни, рычаги и другие, а не электронные компоненты. Если электронные компоненты и использовались, то не так как сейчас.
В 1 927 году апогеем аналоговых компьютеров стал дифференциальный анализатор, созданный Х.Л Хазеном и Ванневаром Бушем в Массачусетском технологическом институте. Сделали его на основе механических интеграторов Джеймса Томсона с использованием крутящего момента, который изобрел Х.В. Ниман. Их успели сделать около двенадцать штук пока поняли, что это уже устаревающая технология. Уже к 1 950 году цифровые электронные-компьютеры завоевали свою популярность и вытеснили аналоговые, но их еще продолжали использовать для некоторых отраслей — авиации и образования. И в течение этого же десятилетия перестали.
Цифровые компьютеры
К 1 938 году ВМС США смогли разработать и сделать электромеханический аналоговый-компьютер таких размеров, что он помещался на борт подводной лодки. Он вычислял данные для торпед, решал проблемы стрельбы по движущимся целям и т.д. Похожие устройства в дальнейшем разработали и другие страны во время Второй мировой войны.
Самые первые цифровые-компьютеры были электромеханическими. Переключатели были электрическими и приводили в действие механическое реле, чтобы осуществлять расчеты. Эти механические детали не давали большую скорость работы, поэтому в скором времени уже все такие устройства делали, используя чисто электрические компоненты.
Современные компьютеры
То, как работают современные компьютеры, принципы работы, были предложены Аланом Тьюрингом в его основополагающей работе 1936 года о вычислимых числах. Тьюринг предложил довольно несложное устройство, которое он назвал «Универсальная вычислительная машина» и которое теперь известно, как универсальная машина Тьюринга.
Он реально доказал, что его машина может вычислять все, что можно вычислить, выполняя инструкции (программы), хранящиеся на ленте, что позволяет машине быть программируемой. Фундаментальная концепция дизайна Тьюринга — это хранимая программа, в которой все инструкции для вычислений хранятся в памяти.
Машины Тьюринга по сей день являются центральным объектом изучения в теории вычислений. За исключением ограничений, налагаемых их конечными хранилищами памяти. Современные компьютерные машины, как говорят «полны по Тьюрингу», то есть имеют возможность выполнения алгоритма, эквивалентную универсальной машине Тьюринга.
Создание компьютерных вычислительных машин положило начало новой эры развития человечества и открыло перед нами возможности, которых еще никогда не было прежде.
Попробуйте Linux (или другую ОС)
Если вы когда-нибудь хотели опробовать альтернативу Windows на ПК, старый компьютер – идеальное место для этого. Вы можете просто стереть операционную систему и установить на её место что-нибудь новое.
Есть много альтернатив Windows. Я особенно большой поклонник Ubuntu Linux в качестве отправной точки, но Zorin – ещё один хороший вариант, если вы используете Windows, или Elementary OS, если вы работаете с Mac.
В чём преимущество использования другой ОС? Они бесплатные. Приведенные выше варианты очень стабильны. Это очень безопасно, если вы не пытаетесь сделать с ним что-то конкретное, что делает их менее безопасными. Если вы пытаетесь научиться программировать, это отличная среда для этого, так как обычно в ней есть всё необходимое для изучения множества компьютерных языков.
В чем человек лучше компьютера?
С другой стороны, люди кое в чем превосходят машины. Мы выполняем задачи, основываясь не только на интеллекте, но и на таких абстрактных понятиях, как разум и жизненный опыт.
Компьютеры получают информацию из электронных библиотек. Тем не менее, они не способны переработать ее так, чтобы на выходе получился жизненный опыт, подобный человеческому.
Каждому из нас хорошо известно, что именно свой опыт дается нам порой очень не просто. Хоть и говорят, что хорошо бы учиться на чужих ошибках, но по факту приходится, в основном, учиться на собственных.
Люди обладают и другими абстрактными чертами – творчеством, вдохновением, воображением. Человек может
- сочинить стихотворение,
- написать и сыграть музыку,
- спеть песню,
- нарисовать картину.
С некоторыми из этих задач справятся и компьютеры, но врожденной способности к творчеству у них нет. Об этом образно писал А.С.Пушкин в 1829 году (классики всегда актуальны, в том числе, в эпоху компьютера и интернета):
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И Опыт, сын ошибок трудных,
И Гений, парадоксов друг,
И Случай, бог изобретатель.
Как появился суперкомпьютер
В 1980-е годы, когда возникли первые игровые 3D-миры вроде Maze War и Battlezone, перед их создателями встал вопрос, как достоверно отобразить трехмерные объекты на плоском экране. Для этого требовалось просчитать траекторию смещения всех точек проекции на экране, то есть решить простое геометрическое уравнение для каждой точки. Сама по себе задача проста, но проблема заключалась в следующем: проводить вычисления для множества точек стандартными процессорами, которые выполняют операции только последовательно, было бы долго и дорого.
Решение нашлось довольно быстро: пришлось объединить усилия маломощных ядер в одном процессоре. Каждое из этих ядер параллельно с другими решало свою небольшую задачу. Так появились графические сопроцессоры GPU, как бы состоящие из тысячи маленьких компьютеров, способных решать ограниченный класс задач.
Именно системы с чрезвычайно высокой вычислительной производительностью, работающие по принципу «делить задачу на множество более простых подзадач и решать их параллельно», называют суперкомпьютерами.
Прародителем суперкомпьютеров считают Cray-1, который был представлен широкой публике в 1975 году. Первую в своем роде машину получила одна из лабораторий министерства энергетики США: новая вычислительная мощность обеспечила учреждению шестимесячную фору перед остальными организациями, пока инженеры готовили вторую систему.
Современные суперкомпьютеры состоят из нескольких тысяч мощных вычислительных серверов, соединенных друг с другом высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности при распараллеливании сложной вычислительной задачи.
Сейчас в этой нише лидируют японский Fugaku и американский Summit. Первый, к примеру, способен производить 400 квадриллионов операций в секунду — он примерно в три раза быстрее, чем Summit. По общему количеству вычислительных устройств в государстве лидирует Китай, причем с большим отрывом: из топ-500 суперкомпьютеров 187 функционируют именно там, а в Штатах — 122. Однако половина самых мощных машин установлена в США.
Другими словами, технология давно известна и активно применяется, а победитель этой супергонки напрямую зависит от размера инвестиций и последующего масштабирования. Так, несколько лет назад отечественная разработка «Ломоносов-2» входила в двадцатку лучших, а сейчас она на 199 месте в мировом Топ-500. По общей мощности супервычислителей Россия находится на 18 месте в мире.
реклама
Корпус — это скелет компьютера, на который крепятся все детали (комплектующие). Корпусов бесконечное количество видов. Для начала разберитесь в форматах корпусов. В первую очередь он определяется форматом поддерживаемых материнских плат. Основные: E-ATX, ATX, Micro-ATX и Mini-ITX. По мере углубления знаний вы узнаете о таких характеристиках как: качество изготовления, функциональность, «продуваемость», количество слотов расширения, пылезащищенность, наличие актуальных и дополнительных функций. Есть и такая характеристика как «крутость» внешнего дизайна. Существует даже целое направление по дизайну — моддинг.
2. Материнская плата.
Материнская плата является связующим звеном между всеми комплектующими. Все они подключаются к ней для совместной работы. Это сложное техническое устройство. Наши гуру называют их нежно: «мать», «материнка» или «мамка». Основные форматы материнок описаны выше. Разные материнки поддерживают разные типы комплектующих (процессоров, оперативной памяти и прочих дискретных устройств). Получите максимум знаний по данному устройству. Без них вы не сможете самостоятельно производить сборку компьютера или его апгрейд.
3. Процессор.
Центральный процессор – основное вычислительное устройство, исполняющее код программ. Это «соображалка» компьютера. А вкупе с оперативной памятью и устройством хранения он образует мозг вашего компьютера. Процессор устанавливается только в ту модель материнской платы, которая его поддерживает. Это важнейший элемент системы. Подробные знания об устройстве процессора можно получить из обзоров. Выбирайте первые качественные обзоры процессоров новых линеек. Там часто разбирается архитектура, которая помогает понять внутреннее устройство процессора. Сгодятся и качественные обзоры прошлых лет. Набирайте максимальную базу знаний по процессорам.
4. Оперативная память.
В оперативной памяти компьютер хранит данные, которые он использует в текущий момент или собирается использовать в процессе работы. Она энергозависимая и после выключения компьютера все данные из неё пропадают. Начните с того, что узнайте типы оперативной памяти (для ПК, серверов, DDR3, DDR4). Затем узнайте о частотах, вольтажах, типах используемых чипов и их компоновке, типах охлаждения чипов.
5. Накопители HDD и SSD.
В этих устройствах долговременной энергонезависимой памяти, хранятся все данные, которые сохраняются после выключения компьютера. Проще говоря, все программы и файлы. Фото вашего любимого кота и ваши видео из отпуска хранятся именно там. Тема довольно интересная и не сложная, если пройти по ней поверхностно. Вы улучшите и углубите свои знания о накопителях, когда решите сменить HDD/SSD в вашем компьютере или при сборке нового.
6. Кулер процессора
Это не самое сложное устройство, задачей которого является охлаждение процессора во время его работы, ввиду его нагрева. Узнайте о воздушном и жидкостном охлаждении, о типах креплений (поддержка различных сокетов). Изучите тему термоинтерфейсов – это паста, которая служит проводником тепла между поверхностью подошвы кулера и крышкой процессора. От выбора кулера будет зависеть качество работы вашего процессора. Не забудьте пройтись по теме корпусных вентиляторов и способов регулирования их работы.
7. Блок питания.
С блоком питания вы уже сталкивались. «Зарядка» от вашего телефона это тоже блок питания. В компьютере он внутренний и более сложный. Как и для человека, для компьютера качественное питание является залогом хорошего здоровья и долголетия. Но, чтобы разбираться в его внутреннем устройстве, уже таки желательно иметь профильное образование. Но вам будет достаточно узнать общее внутренне устройство и типы используемых компонентов. А при выборе вы можете руководствоваться качественными обзорами и мнением уважаемых гуру в соответствующей ветке конференции Overclockers.
8. Видеокарта.
Чаще всего это самый дорогой компонент вашего компьютера. Отвечает за вывод изображения на монитор. Но не всегда. На сегодняшний день он отвечает ещё и за наполнения деньгами вашей банковской карты, если вы решите стать майнером. Высокий спрос на данный компонент породил небывалый скачек цен. У вас будет много времени на изучение устройства и возможностей видеокарт, поскольку по вменяемым ценам в магазинах они появятся не скоро.
Итак, мы закончили с начинкой системного блока. Как видите всё просто. Не сложнее, чем залезть под капот автомобиля и найти там бачок омывателя. Самостоятельная сборка компьютера позволит вам сэкономить кучу денег — больше, чем при вызове мастера по стиральным машинкам, но меньше чем при заездах в автосервис. Женщины без ума от рукастых мужчин, разбирающихся в компьютерах. Если же вы девушка (женщина), то сборка компьютера вашему избраннику станет апофеозом феминизма! Самостоятельная сборка вашего первого компьютера подарит вам чувства, отдаленно схожие с материнскими при рождении дитя или чувства маленького бога, сотворившего новую форму жизни. Молоко не появится, но это незабываемо!
Программная часть.
Но системный блок это лишь «железо». Это как человек в коме. Его сердце бьётся, а по жилам течет кровь, но он лишь овощ. Важнейшей частью компьютера является программная. Именно она заставляет компьютеры оживать. Первая и основная программа компьютера это BIOS. Это спинной мозг компьютера. Узнайте о нём. Вы даже прямо сейчас можете увидеть его воочию, перезагрузив компьютер и сразу непрерывно нажимая клавишу «DEL» на вашей клавиатуре. Поводите мышкой или понажимайте клавишами-стрелочками, но пока-что больше ничего другого не трогайте, не нажимайте и не меняйте. Ещё не пришло время это делать. Затем нажмите клавишу «ESC» на клавиатуре и выйдите без сохранения.
Затем наступает очередь изучения операционной системы (ОС). Их также довольно много, но самая распространенная из них «Windows». Вы уже с ней знакомы. В принципе, она будет работать и без вашего участия. Но изучение операционной системы позволит вам самостоятельно устранять ошибки в её работе, не вызывая платного мастера. А ошибки в «Windows» происходят периодически. Если правильно настроенное «железо» может работать годами без вмешательства, то с операционной системой так получается не всегда. Её изучение также позволит вам её правильно настраивать под свои нужды, устанавливать нужные вам программы, расширяя таким образом функционал вашего компьютера. Изучение ОС приведет к изучению других программ, начиная от интернет-браузера наподобие Google Chrome, «фотошопа” и заканчивая полезными утилитами. Программы это основная рабочая среда, а компьютер служит для обеспечения их работы. Изучив «железную» часть, вы сможете почти всё время уделить «софтовой»(программной), лишь иногда оглядываясь на «железные» новинки. А впереди ещё огромный рынок периферии, поражающий своим многообразием. Оставьте его на потом, когда придет время выбора.
Вот мы и разрезали ленточку с надписью «Welcome» нашего микро-гайда в мир компьютеров. Если вы смогли воодушевиться и выбрать компьютеры и всё что с ними связано своим хобби на всю жизнь, значит я не зря нажал клавиши на клавиатуре несколько тысяч раз. Даю вам слово – вы не пожалеете!
Напоследок я хочу оставить ещё пару «помогалок».
Не бойтесь, если у вас что-то не получается. Не заставляйте себя, а делайте всё с удовольствием. Не воздерживайтесь от помощи «бывалых». Крупнейшим ресурсом знаний на пространстве СНГ является конференция Overclockers.ru. Большинство камрадов и просто продвинутых пользователей охотно готовы помочь новичкам. А если кто-либо попытается вас обидеть, то на страже справедливости всегда стоят добровольные супер-герои Мстители-модераторы, готовые постоять за честь любого, выписывая желто-красные оплеухи нарушителям порядка. Но не забудьте и про себя. Корректно и чётко ставьте свои вопросы, не забывая прочитать правила каждой ветки. Уделяйте вашему хобби столько времени, сколько хочется именно вам. Иногда лучше оставить изучение какого-либо вопроса на потом. Не забывайте делиться и своим опытом. Это благодарное хобби. Оно даст вам очень многое. На этом прощаюсь с вами.
