Jak działa komputer i co jest w środku?

W ciągu zaledwie kilku dekad komputery ewoluowały od prostych urządzeń do podstawowych produktów XXI wieku. Ale pomimo tego, że jest to stosunkowo nowa technologia, większość ludzi nie ma pojęcia, jak prosty prostokąt jest wystarczająco mały, aby zmieścić Twój plecak — jest zdolny do wszystkiego, od skomplikowanej matematyki po odtwarzanie wideo, audio i bieganie wyrafinowane oprogramowanie.

Jak więc działa komputer i jakie komponenty są potrzebne do jego wykonania?

Czym jest komputer?

Komputer to programowalne urządzenie elektroniczne zdolne do przetwarzania informacji. Składające się ze sprzętu i oprogramowania komputery działają na dwóch poziomach: odbierają dane drogą wejściową, na żywo lub za pośrednictwem cyfrowej jednostki pamięci, i wysyłają dane wyjściowe.

Współczesne komputery nie powinny być mylone z przestarzałym zawodem komputerów w XIX wieku. Podczas gdy obaj wykonują długie i żmudne obliczenia matematyczne i przetwarzanie informacji, jeden jest osobą, a drugi maszyną.

Jak działa komputer?

Komputer przetwarza dane wejściowe, aby uzyskać pożądany wynik, ale w jaki sposób maszyna przewyższa ludzki mózg?

Konwencjonalne komputery nie próbują naśladować ludzkiego mózgu. Zamiast tego uruchamiają polecenia sekwencyjnie, a dane nieustannie przemieszczają się z wejścia i pamięci do procesora urządzenia. Z drugiej strony komputery neuromorficzne przetwarzają dane w tym samym czasie, dzięki czemu są szybsze, energooszczędne i bliższe strukturze ludzkiego mózgu.

Ogólnie komputer działa w czterech krokach:

1. Wejście: Dane wejściowe to dane przed przetwarzaniem. Pochodzi z myszy, klawiatury, mikrofonu i innych zewnętrznych czujników.
2. Składowanie: Przechowywanie to sposób, w jaki komputer przechowuje dane wejściowe. Dysk twardy służy do długoterminowego i masowego przechowywania danych, natomiast zestaw danych do natychmiastowego przetwarzania jest tymczasowo przechowywany w pamięci o dostępie swobodnym (RAM).
3. Przetwarzanie: Przetwarzanie polega na tym, że dane wejściowe są przekształcane w dane wyjściowe. Centralna jednostka przetwarzania (CPU) komputera jest jego mózgiem. Odpowiada za wykonywanie instrukcji i wykonywanie operacji matematycznych na danych wejściowych.
4. Wyjście: Wynik jest końcowym wynikiem przetwarzania danych. Może to być wszystko, od obrazów, filmów lub treści audio, nawet słowa, które wpisujesz za pomocą klawiatury. Możesz także odbierać dane wyjściowe przez drukarkę lub projektor zamiast bezpośrednio przez urządzenie.

Komponenty sprzętowe komputera

Im prostsze zadanie musi wykonać komputer, tym łatwiej go zbudować. Dlatego starsze komputery są uproszczone w porównaniu z ich nowoczesnymi odpowiednikami, o ograniczonych możliwościach.

Komponenty sprzętowe to wszystko, czego możesz fizycznie dotknąć i zobaczyć w komputerze, w tym wszystkie urządzenia wejściowe i wyjściowe, od klawiatur, mikrofonów i myszy po ekrany i głośniki.

Sprzęt to także fizyczne elementy przetwarzania, takie jak pamięć masowa, procesor, karta graficzna, karta dźwiękowa, pamięć RAM i płyta główna, które odgrywają ważną rolę we współczesnych komputerach.

Płyta główna

Płyta główna jest głównym węzłem komunikacyjnym między elementami sprzętowymi komputera. To główny obwód, w którym wszystko musi się fizycznie połączyć — z wyjątkiem tych, które polegają na Bluetooth lub Wi-Fi. Bez płyty głównej nie ma sprawnego, nowoczesnego komputera.

procesor

Jeśli płyta główna jest koncentratorem komunikacyjnym, to procesor jest dyrektorem komunikacji. Odbiera i interpretuje dane wejściowe i instrukcje oraz wysyła sygnały do ​​innych komponentów, dokładnie określając, co zrobić z danymi dla żądanego wyjścia. Im więcej rdzeni ma procesor, tym więcej operacji może wykonać jednocześnie.

Baran

Pamięć RAM jest głównym asystentem procesora. Zamiast szukać danych w dość dużej jednostce pamięci, pamięć RAM przechowuje dane używane przez system operacyjny, działające oprogramowanie i przychodzące dane wejściowe. Im większa pojemność pamięci RAM, tym cięższe oprogramowanie może działać bez spowalniania urządzenia.

HDD/SSD

HDD oznacza dysk twardy. Jest to składnik, który na stałe przechowuje Twoje multimedia i aplikacje, w tym system operacyjny (OS). Różnią się rozmiarem i wydajnością od kilkuset gigabajtów (GB) do kilku terabajtów (TB).

Możesz także napotkać dyski półprzewodnikowe (SSD), które są innym rodzajem sprzętu pamięci masowej. Dyski SSD i HDD przydają się do różnych rzeczy, a wielu użytkowników łączy dyski, aby zmaksymalizować wydajność.

Procesor graficzny

Jednostka przetwarzania grafiki (GPU) jest przeznaczona do przetwarzania obrazów wizualnych na komputerze. Wydajne procesory graficzne są niezbędne do renderowania wysokiej jakości obrazów i grafiki lub grania w gry wideo. Przetwarzanie grafiki może być własnymi komponentami lub być zintegrowane z procesorem.

Karta dźwiękowa

Karty dźwiękowe odpowiadają za przetwarzanie danych słuchowych i przesyłanie ich do głośników. Podobnie karta dźwiękowa może być albo oddzielnym elementem, albo zintegrowana z procesorem.

Składniki oprogramowania komputera

Nowoczesne komputery wykorzystują kombinację komponentów sprzętowych i programowych, które współpracują ze sobą w celu przetwarzania złożonych danych wejściowych i wyjściowych.

Oprogramowanie to wstępnie napisany zbiór instrukcji, które informują komputer, co ma robić. To program cyfrowy, a nie fizyczny element, który można zobaczyć po otwarciu obudowy komputera lub laptopa.

Podobnie jak sprzęt komputerowy, różne typy oprogramowania pełnią różne role w funkcjonowaniu komputera.

Oprogramowanie układowe

Oprogramowanie układowe to miejsce, w którym zaciera się granica między sprzętem a oprogramowaniem. To oprogramowanie, które jest fizycznie wyryte w sprzęcie.

Firmware to pierwsza rzecz, która się uruchamia komputer po włączeniu, prosty program, który instruuje komputer, aby uruchomić system operacyjny. Bez tego komputer nie uruchomi systemu operacyjnego ani innych składników, a Ty utkniesz ze sprzętem, z którym nie będziesz mógł się komunikować.

System operacyjny (OS)

System operacyjny to oprogramowanie, które zarządza sprzętem i zasobami oprogramowania komputera. Podobnie bez systemu operacyjnego nie można komunikować się z komputerem nawet przy użyciu urządzeń wejściowych.

Przyszłość komputerów

Komputery, które stosują model przetwarzania sekwencyjnego, będą tylko tańsze, mniejsze, szybsze i wydajniejsze. Jednak konwencjonalne projektowanie i architektura komputerów osiągają swoje granice. Zamiast tego można spodziewać się rozwoju nowoczesnej architektury obliczeniowej, która nie jest w pierwszej kolejności uzależniona od technologii zaprojektowany ponad 50 lat temu, od perspektywy komputerów Neuromorficznych do bardziej dostępnego Quantum komputery.

Nanokomputery: czy komputery naprawdę mogą być mikroskopijne?

Komputery stają się coraz mniejsze, ale czy kiedykolwiek będą tak małe, że będą niewidoczne gołym okiem?

Czytaj dalej

O autorze