Урок 3. Как работает компьютер
Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает.
В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).
Во втором уроке мы разобрались, что компьютер нужен для обработки информации, её хранения и передачи. Посмотрим же, как происходит обработка информации.
Аппаратное обеспечение
Аппаратная часть (на сленге IT-специалистов — «железо», реже «хард», от англ. Hardware) — это все микросхемы, механизмы и устройства, обеспечивающие работу компьютера. Классификация компонентов аппаратного обеспечения может быть разной. Все зависит от конкретного типа устройства. Что касается типично «домашних» ПК, то «железо», установленное на нем, представлено набором следующих компонентов:
1. Системный блок. В нем, как правило, располагаются:
- процессор;
- материнская плата;
- видеокарта;
- аудиокарта;
- оперативная память;
- жесткий диск;
- DVD или CD-привод;
- сетевая карта.
3. Средства управления — как правило, это клавиатура и мышь.
4. Периферийные устройства — модемы, принтеры, сканеры, роутеры и т. д.
Возможен вариант, при котором какие-то из вышеперечисленных устройств взаимным образом интегрированы. Например, ряд моделей материнских плат включает в себя встроенную видео- и аудиокарту. Многое зависит от типа вычислительной техники. Например, то, как работает планшетный компьютер, может отличаться от основных принципов функционирования десктопа — настольного ПК.
Материнская плата
Материнская плата является самой большой в системном блоке печатной платой, на которую устанавливаются все основные узлы компьютера (CPU, ОЗУ, видеокарта), также она имеет разъемы для подключения жесткого диска и дисководов, а также шлейфов портов USB и разъемы, выходящие на заднюю панель корпуса. Материнская плата выполняет согласование работы всех устройств компьютера.
Обработка информации на компьютере: основные этапы
Компьютер изначально был задуман для автоматизации процессов обработки информации. Он устроен соответствующим образом, чтобы иметь все возможности для успешного выполнения своего предназначения.
Для того чтобы обрабатывать в компьютере информацию, с ней необходимо делать следующие основные операции:
1) вводить информацию в компьютер:
Эта операция нужна для того, чтобы компьютеру было что обрабатывать. Без возможности ввода информации в компьютер он становится как бы вещью в себе.
2) хранить введенную информацию в компьютере:
Очевидно, что если дать возможность вводить информацию в компьютер, то надо также иметь возможность эту информацию в нем хранить, и затем использовать в процессе обработки.
3) обрабатывать введенную информацию:
Здесь надо понимать, что для обработки введенной информации нужны определенные алгоритмы обработки, иначе ни о какой обработке информации речи быть не может. Компьютер должен быть снабжен такими алгоритмами и должен уметь их применять к вводимой информации с тем, чтобы «правильно» преобразовывать ее в выходные данные.
4) хранить обработанную информацию
Так же как и с хранением введенной информации, в компьютере должны храниться результаты его работы, результаты обработки входных данных с тем, чтобы в дальнейшем ими можно было бы воспользоваться.
5) выводить информацию из компьютера
Эта операция позволяет вывести результаты обработки информации в удобочитаемом для пользователей виде. Именно эта операция дает возможность воспользоваться результатами обработки информации на компьютере. Иначе эти результаты обработки так и остались бы внутри компьютера, что сделало бы их получение совершенно бессмысленным.
Связываем всё вместе
Подводя итоги сказанному выше, можно констатировать, что компьютеры – это очень удачное и крайне полезное сочетание аппаратной и программной части. На вопрос «Как устроен компьютер?» можно ответить такой формулой:
p, blockquote 40,0,0,0,0 —>
или то же самое «по-русски»,
p, blockquote 42,0,0,1,0 —>
Приведенная формула наглядно показывает, что проблемы, которые возникают на компьютере, связаны
- либо с аппаратной частью компьютера (т.е. с «железом»),
- либо с программной частью компьютера (т.е. с операционной системой или с прикладной программой).
Аппаратная часть персонального компьютера – это
- материнская плата с установленными на ней (или подключенными к ней с помощью кабелей) остальными частями компьютера:
- процессор,
- оперативная память,
- жесткие диски,
- дисководы (приводы) CD- и DVD-,
- а также прочие устройства, такие как
- звуковая плата,
- видео карта,
- ТВ-тюнер и
- пр.
Все устройства персонального компьютера заключены в корпус и запитаны от блока электропитания или от аккумуляторной батареи.
p, blockquote 46,0,0,0,0 —>
Для удобства работы с компьютером к нему подключаются также
- клавиатура, ,
- монитор,
- звуковые колонки и
- другие полезные устройства.
Программная часть персонального компьютера состоит из
- операционной системы и
- прикладного программного обеспечения.
Операционная система позволяет запустить аппаратный комплекс, добиться его слаженной и четкой работы. Прикладные программы являются самыми полезными и самыми важными частями программно-аппаратного комплекса, поскольку именно с их помощью пользователи компьютеров выполняют свои задачи на персональном компьютере.
p, blockquote 49,0,0,0,0 —>
Таким образом, если Вы видите и читаете данный текст, это значит, что в Вашем компьютере все вышеперечисленные программные и аппаратные элементы работают слаженно, четко, бесперебойно и взаимосвязанным образом.
Насколько глубоко мы погрузимся в тему?
Давайте для начала в общих чертах поговорим об уровнях на которых можно рассматривать компьютер. Каждый уровень основывается на предыдущем. Начнём с самого верха.
Уровень прикладных программ. Здесь находятся все пользовательские приложения, это браузер, Microsoft Office, блокнот, а также веб-сервер IIS, SQL Server, различное middleware вроде Java и .Net и все скриптовые языки, будь то Ruby, PHP или Bat-файлы.
Уровень операционной системы. ОС можно рассматривать как:
- Менеджер ресурсов — память, жёсткие диски, принтеры, экран, клавиатура ограниченные ресурсы которые совместно используются запущенными на компьютере программами.
- Виртуальная машина — файл это наглядный пример виртуального объекта. Он представляет абстракцию данных на диске, API для работы с ним и так же добавляет концепцию прав доступа. Вместо файла могла быть концепция контейнера данных и совершенно другого API. Таких виртуальных объектов в ОС много.
- Платформа — ОС предоставляет программные модели и примитивы для построения программ. К примеру Windows Drivers Framework позволяет быстро разрабатывать драйвера, окна в Windows используются для построения сложных пользовательских интерфейсов. Dll — предоставляет модель расширения функционала программы через плагины, а так же механизм для реализации читалки экрана через ловушки клавиатуры (см. LowLevelKeyboard hook).
Уровень архитектуры компьютера. Он представлен материнской платой, которая имеет определённый форм-фактор, встроенные функции закодированные в микросхемах называемых чип-сетом и порты, через которые можно расширять функционал компьютера подключив графическую карту, сетевую карту, дополнительную оперативную память (RAM), жёсткие диски, клавиатуру и пр. Порты влияют на скорость работы и возможности компьютера, что и будет определять его назначение будь то сервер для обработки тысяч запросов в секунду, планшет для пользования Интернетом или игровой ПК с несколькими видеокартами. ОС абстрагирует особенности материнской платы.
Микросхемы выглядят как на картинке ниже и представляют собой мини-компьютер выполняющий простые программы для низкоуровневых задач, к примеру прочитать данные от клавиатуры и передать их дальше чтобы они достигли в конечном счёте процессора. Как правило реализованы в виде аналоговой непрограммируемой микросхемы или микроконтроллера, программируемого на языке С.
Материнскую плату можно рассматривать как колонию микросхем которые общаются между собой через шины и через них циркулируют данные от подключенных устройств к процессору и обратно. Чип-сет — это своего рода нервная система компьютера. Все чипы на материнской плате были изначально созданы чтобы работать друг с другом. Некоторые из них могут иметь особые функции, к примеру таймер или хранение настроек BIOS. Пожалуй самый важный из них тот что имеет встроенную программу (прошивку, BIOS, UEFI) которая начинает выполняться как только появляется электричество. Она находит жёсткий диск с загрузчиком Windows и передаёт тому управление который в свою очередь запускает исполняемый файл ОС, который можно назвать Windows10.exe, на самом деле NtOsKrnl.exe. BIOS знает что искать благодаря соглашению между производителями железа и операционных систем.
Вокруг материнской платы можно собрать мобильный телефон, игровую приставку, серверную станцию или умное устройство. На картинке ниже распространённые форм-факторы материнских плат.
Уровень микроархитектуры представлен процессором (CPU), это сердце материнки и весь чип-сет нужен для обслуживания CPU. Процессор это компьютер в компьютере, более мощный и продвинутый микроконтроллер которому не нужна прошивка, потому как поток команд подаётся на лету, когда планировщик потоков поменял контекст процессора. Функционал процессора делится на подсистемы, к примеру компонент занимающийся математическими и логическими операциями, математический сопроцессор, кэш. Какие-то из них раньше были отдельным чипом на материнской плате, но сейчас их сделали частью ЦПУ, например контроллер прерывания и микросхема под названием “Северный мост” что увеличило скорость работы.
Микроархитектура это не то же самое что архитектура. Весь функционал CPU разделён на компоненты, которые работают сообща. Эти компоненты и их взаимодействие и есть микроархитектура. На блок-схеме ниже они представлены цветными прямоугольниками и квадратиками.
Архитектура процессора это по сути документ который описывает какой функциональностью он должен обладать для того чтобы соответствовать к примеру архитектуре x86, x64 или ARM применяемой на мобильных устройствах. В этом документе описано какие должны поддерживаться команды, назначения регистров и логика работы. Создатели процессоров Intel, AMD, Эльбрус могут реализовывать эту функциональность как угодно и добавлять к ней новые возможности в виде команд, регистров, флагов, прерываний и если ОС знает о них то может использовать. В терминах ООП архитектура ЦПУ — это интерфейс, а микроархитектура — его реализация.
Логические схемы. Цветные прямоугольники с блок-схемы CPU состоят из логических схем, которые производят свои операции на последовательностях нулей и единиц. Процессор видит все данные и команды в виде битов (0 и 1), по формуле любое десятичное число можно представить в виде последовательности 0 и 1, а вот что значит конкретное число зависит от контекста. Это может быть код, цифра, буква. Арифметическое и логическое устройство (ALU) умеет производить сложение двух чисел через побитовые операции. Побитовые алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления давно известны, разработчикам логической схемы их только надо эффективно реализовать.
Цифровые схемы работают с данными на уровне нулей и единиц, а аналоговые полагаются на эксплуатирование законов физики. Они выполняют простейшие манипуляции над битами, такие как сдвиги, AND, OR, XOR. Через эти примитивы реализуются более сложные операции. На картинке ниже представлен аналоговый оператор AND реализованный через транзисторы. На выходе схемы ненулевое напряжение будет только если оно есть на обоих входных контактах (Вх1 и Вх2), иначе ноль вольт. Точно так же работает оператор && в C#. Цифровые схемы в конечном счёте основаны на аналоговых. Физически логические элементы в логических схемах могут быть реализованы не только электронными но и механическими, гидравлическими, оптическими и другими способами.
Уровень радиоэлементов. Физически аналоговые схемы полагаются на радиоэлементы, которые собственно и эксплуатируют законы физики. Преимущественно это полупроводники, т.е. в определённых условиях они могут проводить электричество, а могут и нет. Диод проводит ток только в одном направлении, если его выпаять, развернуть на 180 и впаять обратно, то ток через него проходить не будет. Транзистор пропускает ток только если есть напряжение на управляющей ножке. Человечество научилось делать транзисторы микроскопическими и потому их можно размещать на маленькой плате миллионами. На картинках ниже полупроводниковые радиоэлементы и обычный транзистор рядом с нано транзистором под электронным микроскопом.
Уровень законов физики. И наконец самый нижний уровень — это уровень законов физики которые заключены в полупроводниковые радиоэлементы.
Мы будем много говорить про уровень ОС и чуть меньше про архитектуру компьютера, микроархитектуру, аналоговые схемы и радиоэлементы. К последней части у вас должно быть понимание как это всё работает вместе.
Применение компьютеров
Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения расчётов.
Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.
Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё бо́льшая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.
Наконец, компьютеры развились настолько, что компьютер стал главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Т. е. теперь почти любая работа с информацией осуществляется через компьютер — будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи.
Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект — применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач — игры, машинный перевод текста, экспертные системы.
Дисковод
Дисковод оптических дисков внешне напоминает жесткий диск, но имеет на передней панели выдвигающийся лоток для установки оптических дисков. Служит дисковод для чтения и записи оптических дисков.
На системной плате могут устанавливаться и другие дополнительные устройства, например модуль Wi-Fi или ТВ-тюнер.
Для чего можно использовать компьютер
На работе много людей используют компьютеры для хранения записей, анализа данных, проведения исследований и управления проектами. Дома компьютеры можно использовать для поиска информации, хранения музыки и изображений, учета финансов, игр и общения – этот список можно продолжить.
Также с помощью компьютера можно подключиться к интернету, сети, которая объединяет компьютеры во всем мире. Доступ в интернет обычно доступен за ежемесячную плату в большинстве городов, а сейчас распространяется и в менее населенных районах. Подключившись к Интернету, можно общаться с людьми со всего мира и находить большие объемы информации.
Вот несколько популярных способов использования компьютеров:
Серфинг в сети Интернет
Веб (его еще называют всемирная сеть или Интернет-сеть) – это гигантское хранилище информации. Веб – это самая популярная часть Интернета, частично потому, что в ней информация отображается в визуально-привлекательном формате.
На одной странице заголовки, тексты, изображения (как на странице журнала) могут сочетаться с озвучкой и анимацией. Веб-сайт – это сборник взаимосвязанных веб-страниц. Веб содержит миллионы сайтов и миллиарды веб-страниц.
Навигация Интернета означает просмотр различных веб-страниц. В Вебе можно найти информацию почти на любую тему, которую можно представить. Например, можно читать новости и рецензии на фильмы, проверять расписания самолетов, просматривать карту города, получать прогноз погоды или узнавать о состоянии здоровья. Большинство компаний, учреждений, музеев и библиотек имеют веб-сайты с информацией о своих продуктах, услугах или коллекции. Также широко доступны справочные источники, например словари и энциклопедии.
Интернет – это также радость для покупателя. На сайтах крупных торговых заведений можно просматривать и покупать товары: книги, музыку, игрушки, одежду, электронику и многое другое. Также можно покупать и продавать подержанные вещи через веб-сайты, которые предлагают их с аукционов.
Электронная почта
Электронная почта (сокращенно эл. почта) – это быстрый и удобный способ общения. Посланное по электронной почте сообщение почти мгновенно появляется в папке «Входящие» электронной почты получателя.
Сообщения электронной почты можно отправлять нескольким адресатам одновременно, а также сохранять их, печатать и пересылать другим пользователям. В сообщении электронной почты можно передавать почти любые типы файлов: документы, изображения и музыку. К тому же, для электронной почты не нужны марки!
Мгновенные сообщения
Обмен мгновенными сообщениями напоминает беседу с другим человеком или группой людей в реальном времени. После ввода и передачи мгновенного сообщения оно немедленно отображается у всех участников беседы.
В отличие от электронной почты, для обмена мгновенными сообщениями нужно, чтобы все участники присутствуют в Интернете (подключенные к Интернету) и находились перед экранами своих компьютеров. Общения посредством мгновенных сообщений называется чатом.
Изображение, музыка и фильмы
Если у вас есть цифровая камера, можно перемещать изображения с камеры на компьютер. Затем эти изображения можно печатать, создавать из них слайд-шоу или предоставлять к ним общий доступ, публикуя на сайте или посылая по электронной почте.
Кроме того, на компьютере можно прослушивать музыку: музыкальные записи нужно импортировать компакт-дисков или приобрести на музыкальном сайте. Можно также настроить компьютер на прием любой из тысяч радиостанций, которые транслируют свои программы в Интернете. Если компьютер оснащен DVD-проигрывателем, вы сможете еще и смотреть фильмы.
Вам нравятся игры? Существуют тысячи компьютерных игр всех возможных категорий. Испытайте себя за рулем спортивного авто, в бою с ужасными подземными существами или владычествуйте цивилизациями и империями!
Многие игры позволяют соревноваться с игроками со всего мира через Интернет. В состав Windows входят разнообразные карточные, стратегические игры и головоломки.
