Как работают компьютеры? Простое введение

1. Что такое компьютер?
2. Что такое компьютерная программа?
3. В чем разница между аппаратным и программным обеспечением?
4. Что такое операционная система?
5. Что внутри вашего ПК?
6. Блок питания (зеленый)
7. Основная плата (синяя)
8. Другие печатные платы (красные)
9. Диски (оранжевые)
10. Внешние разъемы («порты»)

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 25 декабря 2018 г.

Это был, вероятно, худший прогноз в истории. Еще в 1940-х годах Томас Уотсон, руководитель гигантской корпорации IBM, по общему мнению, предсказывал, что миру понадобится не больше, чем «около пяти компьютеров». Спустя шесть десятилетий численность компьютеров в мире выросла до миллиарда машин!

Чтобы быть справедливым по отношению к Ватсону, компьютеры сильно изменились за это время. В 1940-х годах они были гигантскими научными и военными бегемотами, заказанными правительством по цене миллионов долларов за штуку; сегодня большинство компьютеров даже не распознаются как таковые: они встроены во все микроволновые печи в сотовые телефоны а также цифровое радио , Что делает компьютеры достаточно гибкими, чтобы работать во всех этих различных устройствах? Почему они так феноменально полезны? И как именно они работают? Давайте внимательнее посмотрим!

Фото: НАСА управляет одними из самых мощных компьютеров в мире, но это просто увеличенные версии той, которую вы используете прямо сейчас. Фото Тома Чида любезно предоставлено НАСА ,

Что такое компьютер?

Фото: компьютеры, которые раньше занимали огромную комнату, теперь удобно помещаются на вашем пальце!

Компьютер - это электронный машина, которая обрабатывает информацию - другими словами, информационный процессор: она принимает необработанную информацию (или данные) на одном конце, сохраняет ее до тех пор, пока она не будет готова работать с ней, немного жует и хрустит, затем выплевывает результаты в другой конец. Все эти процессы имеют имя. Взятие информации называется вводом, хранение информации более известно как память (или хранение), разжевывание информации также называется обработкой, а выделение результатов называется выводом.

Представьте, если бы компьютер был человеком. Предположим, у вас есть друг, который действительно хорош в математике. Она настолько хороша, что все, кого она знает, отправляют ей свои математические задачи. Каждое утро она идет к своему почтовому ящику и находит кучу новых математических задач, ожидающих ее внимания. Она накапливает их на своем столе, пока не начинает смотреть на них. Каждый день она снимает письмо с верхней части стопки, изучает проблему, вырабатывает решение и набрасывает ответ на обороте. Она кладет это в конверт, адресованный человеку, который отправил ей оригинальную проблему, и кладет ее в свой поднос, готовый к публикации. Затем она переходит к следующей букве в стопке. Вы можете видеть, что ваш друг работает как компьютер. Ее почтовый ящик является ее вкладом; куча на ее столе - ее память; ее мозг - это процессор, который решает проблемы; и выходной лоток на ее столе - ее выход.

Как только вы поймете, что компьютеры занимаются вводом, памятью, обработкой и выводом, все ненужное на вашем столе приобретает гораздо больший смысл:

Работа: Компьютер работает, комбинируя ввод, хранение, обработку и вывод. Все основные части компьютерной системы участвуют в одном из этих четырех процессов.

• Вход : Ваш клавиатура а также мышь Например, это всего лишь единицы ввода - способы передачи информации на ваш компьютер, который он может обрабатывать. Если вы используете микрофон а также распознавание голоса Программное обеспечение, это еще одна форма ввода.
• Память / хранение : ваш компьютер, вероятно, хранит все ваши документы и файлы на жесткий диск : огромный магнит объем памяти , Но небольшие компьютерные устройства, такие как цифровые фотоаппараты и мобильные телефоны используют другие виды хранения, такие как флэш-память карты.
• Обработка : Процессор вашего компьютера (иногда называемый центральным процессором) представляет собой микрочип, скрытый глубоко внутри. Это работает невероятно тяжело и становится невероятно жарким в процессе. Вот почему у вашего компьютера есть небольшой вентилятор, который не дает перегреваться мозгу!
• Вывод : ваш компьютер, вероятно, имеет LCD экран, способный отображать в высоком разрешении (очень подробно) графика и, вероятно, также стерео музыкальные колонки , Вы можете иметь Струйный принтер на вашем столе тоже, чтобы сделать более постоянную форму вывода.

Что такое компьютерная программа?

Как вы можете прочитать в нашей длинной статье на компьютерная история Первые компьютеры были гигантскими счетные машины и все, что они действительно когда-либо делали, это «решающие числа»: решали длинные, сложные или утомительные математические задачи. Сегодня компьютеры работают над более широким спектром проблем, но все они, по сути, все еще являются вычислениями. Все, что делает компьютер, от помощи в редактировании фотографии, сделанной вами с помощью цифровой камеры, до отображения веб-страницы, включает манипулирование числами тем или иным способом.

Фото: калькуляторы и компьютеры очень похожи, потому что оба работают, обрабатывая числа. Однако калькулятор просто вычисляет результаты расчетов; и это все, что он делает. Компьютер хранит сложные наборы инструкций, называемых программами, и использует их для выполнения гораздо более интересных задач.

Предположим, вы смотрите на цифровую фотографию, которую вы только что сделали в программе рисования или редактирования фотографий, и решили, что вам нужно ее зеркальное отображение (другими словами, переверните ее слева направо). Вы, вероятно, знаете, что фотография состоит из миллионов отдельных пикселей (цветных квадратов), расположенных в виде сетки. Компьютер хранит каждый пиксель как число, поэтому цифровая фотография - это мгновенное упорядоченное упражнение в рисовании по номерам! Чтобы перевернуть цифровую фотографию, компьютер просто переворачивает последовательность чисел, чтобы они проходили справа налево, а не слева направо. Или предположим, что вы хотите сделать фотографию ярче. Все, что вам нужно сделать, это сдвинуть маленький значок «яркость». Затем компьютер прорабатывает все пиксели, увеличивая значение яркости каждого, скажем, на 10 процентов, чтобы сделать все изображение ярче. Итак, еще раз, проблема сводится к числам и расчетам.

Что отличает компьютер от калькулятор в том, что он может работать сам по себе. Вы просто даете ему свои инструкции (так называемую программу) и все готово, выполняя длинный и сложный ряд операций сам по себе. Еще в 1970-х и 1980-х годах, если вы хотели, чтобы домашний компьютер вообще что-либо делал, вам нужно было написать собственную небольшую программу для этого. Например, прежде чем вы могли написать письмо на компьютере, вы должны были написать программу, которая будет считывать буквы, набранные вами на клавиатуре, сохранять их в памяти и отображать на экране. Написание программы обычно занимало больше времени, чем то, чем вы изначально хотели заниматься (написание письма). Довольно скоро люди начали продавать программы, такие как текстовые процессоры, чтобы избавить вас от необходимости писать программы самостоятельно.

Сегодня большинство пользователей компьютеров полагаются на заранее написанные программы, такие как Microsoft Word и Excel, или загружают приложения для своих планшетов и смартфонов, не заботясь о том, как они туда попали. Едва ли кто-нибудь пишет программы, и это позор, потому что это очень весело и действительно полезный навык. Большинство людей считают свои компьютеры инструментами, которые помогают им выполнять работу, а не сложными электронными машинами, которые они должны предварительно запрограммировать. Кто-то скажет, что это так же хорошо, потому что у большинства из нас есть дела поважнее, чем программирование. Опять же, если мы все полагаемся на компьютерные программы и приложения, кто-то должен их написать, и эти навыки должны выжить. К счастью, недавно произошел всплеск интереса к компьютерному программированию. «Кодирование» (неофициальное название для программирования, поскольку программы иногда называют «кодом») снова преподается в школах с помощью простых в использовании языков программирования, таких как Scratch. Есть растущее движение хобби, связанное с созданием собственных устройств, таких как Raspberry Pi и Arduino. А также Код Клубы , где волонтеры учат детей программированию, возникают по всему миру.

В чем разница между аппаратным и программным обеспечением?

Прелесть компьютера в том, что он может запускать программу обработки текстов в течение одной минуты, а затем программу для редактирования фотографий через пять секунд. Другими словами, хотя мы на самом деле не думаем об этом таким образом, компьютер можно перепрограммировать столько раз, сколько захотите. Вот почему программы также называют программным обеспечением. Они «мягкие» в том смысле, что они не зафиксированы: их можно легко изменить. В отличие от этого, аппаратное обеспечение компьютера - кусочки, из которых он сделан (и периферийные устройства, такие как мышь и принтер, к которому вы подключаетесь) - в значительной степени исправлено, когда вы покупаете его с полки. Аппаратные средства - это то, что делает ваш компьютер мощным; способность запускать различное программное обеспечение делает его гибким. То, что компьютеры могут выполнять так много разных задач, делает их такими полезными, и именно поэтому миллионы из нас больше не могут жить без них!

Что такое операционная система?

Предположим, вы вернулись в конце 1970-х годов, еще до того, как были изобретены готовые компьютерные программы. Вы хотите запрограммировать свой компьютер для работы в качестве текстового процессора, чтобы вы могли создать свой первый роман, что относительно просто, но займет у вас несколько дней работы. Несколько недель спустя вы устали писать вещи и решили перепрограммировать свою машину, чтобы она играла в шахматы. Позже вы решите запрограммировать его для хранения вашей коллекции фотографий. Каждая из этих программ делает разные вещи, но они также делают много похожих вещей. Например, все они должны быть в состоянии читать клавиши, нажимаемые на клавиатуре, сохранять вещи в памяти и извлекать их, а также отображать символы (или картинки) на экране. Если бы вы писали много разных программ, вы бы писали одни и те же кусочки программирования, чтобы каждый раз выполнять одни и те же основные операции. Это немного сложная задача программирования, так почему бы просто не собрать вместе все фрагменты программы, которые выполняют эти основные функции, и повторно использовать их каждый раз?

Фото: типичная компьютерная архитектура: компьютер можно представить как серию слоев с аппаратным обеспечением внизу, BIOS, соединяющим аппаратное обеспечение с операционной системой, и приложениями, которые вы фактически используете (такими как текстовые процессоры, веб-браузеры, и так далее) работает над этим. Каждый из этих уровней является относительно независимым, поэтому, например, одна и та же операционная система Windows может работать на ноутбуках с другим BIOS, в то время как на компьютере под управлением Windows (или другой операционной системой) может запускаться любое количество различных приложений.

Это основная идея операционной системы: это основное программное обеспечение компьютера, которое (по сути) контролирует основные операции ввода, вывода, хранения и обработки. Вы можете рассматривать операционную систему как «основу» программного обеспечения в компьютере, на котором основаны другие программы (называемые приложениями). Таким образом, текстовый процессор и игра в шахматы - это два разных приложения, которые полагаются на операционную систему для выполнения своего основного ввода, вывода и так далее. Операционная система опирается на еще более фундаментальную часть программирования, называемую BIOS (Basic Input Output System), которая является связующим звеном между программным обеспечением операционной системы и аппаратным обеспечением. В отличие от операционной системы, которая одинакова для разных компьютеров, BIOS отличается от машины к машине в соответствии с точной конфигурацией оборудования и обычно записывается производителем оборудования. BIOS, строго говоря, не является программным обеспечением: это программа, которая постоянно хранится в одном из основных чипов компьютера, поэтому она называется микропрограммой (обычно она разрабатывается таким образом, чтобы ее можно было периодически обновлять).

Операционные системы имеют еще одно большое преимущество. Еще в 1970-х (и в начале 1980-х) практически все компьютеры были безумно разными. Все они работали по-своему, уникальным образом с довольно уникальным аппаратным обеспечением (разные процессорные чипы, адреса памяти, размеры экрана и все остальное). Программы, написанные для одной машины (например, Apple), обычно не запускались бы на любой другой машине (например, IBM) без достаточно обширного преобразования. Это было большой проблемой для программистов, потому что это означало, что им приходилось переписывать все свои программы каждый раз, когда они хотели запустить их на разных машинах. Как помогли операционные системы? Если у вас есть стандартная операционная система, и вы настраиваете ее так, чтобы она работала на любой машине, все, что вам нужно сделать, это написать приложения, которые работают в операционной системе. Тогда любое приложение будет работать на любой машине. Операционная система, которая окончательно сделала этот прорыв, была, конечно, Microsoft Windows, созданная Биллом Гейтсом. (Важно отметить, что были и более ранние операционные системы. Вы можете прочитать больше этой истории в нашей статье на история компьютеров .)

Что внутри вашего ПК?

Предупреждение! Не открывайте свой компьютер, если вы действительно не знаете, что делаете. Внутри находятся опасные напряжения, особенно рядом с блоком питания, и некоторые компоненты могут оставаться под напряжением в течение длительного времени после отключения питания.

Фото: Внутри корпуса типичного ПК показаны четыре ключевых области компонентов, описанных ниже. Фото ArmadniОбщая любезность Wikimedia Commons опубликовано под Лицензия Creative Commons ,

Внутри типичного ПК все выглядит довольно страшно и запутанно: печатные платы, похожие на маленькие «города», с чипами для зданий, радужными путаницами проводов между ними, и, черт возьми, знает, что еще. Но прорабатывайте компоненты медленно и логично, и все это начинает обретать смысл. Большая часть того, что вы видите, делится на четыре широкие области, которые я выделил зеленым, синим, красным и оранжевым на этой фотографии.

Блок питания (зеленый)

На основании трансформатор , это преобразует напряжение вашего домашнего или офисного питания (скажем, 230/120 В переменного тока) в намного более низкое напряжение постоянного тока, которое электронный компоненты нужны (типичный жесткий диск может потребоваться всего 5–12 В). Обычно на внешней стороне корпуса компьютера рядом с розеткой есть большой охлаждающий вентилятор (или гораздо меньший вентилятор на ноутбуке, обычно с одной стороны). В этой машине два внешних вентилятора (зеленого и синего цвета) расположены слева и охлаждают блок питания и материнскую плату.

Основная плата (синяя)

Как следует из названия, это мозг компьютера, где и делается настоящая работа. Основной процессор (центральный процессор) легко обнаружить, потому что, как правило, над ним стоит большой вентилятор, который охлаждает его. На этом фото процессор прямо под черным вентилятором с красным центральным шпинделем. То, что находится на материнской плате, варьируется от машины к машине. Помимо процессора, есть BIOS, микросхемы памяти, слоты расширения для дополнительной памяти, гибкие ленточные соединения с другими печатными платами, соединения IDE (Integrated Drive Electronics) с жесткими дисками и приводами CD / DVD, а также последовательные или параллельные соединения. на такие вещи, как порты USB и другие порты на корпусе компьютера (часто припаяны на материнскую плату, особенно в ноутбуке).

Другие печатные платы (красные)

Хотя материнская плата (теоретически) может содержать все микросхемы, в которых нуждается компьютер, для ПК вполне обычно иметь три других отдельных печатных платы: одну для управления сетью, одну для обработки графики и одну для работы со звуком.

• Сетевая карта (также называемая сетевой интерфейсной платой / контроллером, сетевой картой или сетевым адаптером), как следует из ее названия, соединяет ваш компьютер с другими машинами (или такими устройствами, как принтеры) в компьютерная сеть (обычно это локальная сеть, локальная сеть, дома или в офисе или в более широком Интернете) с использованием системы, называемой Ethernet. Старые компьютеры могут иметь отдельный беспроводной (WLAN) карта для подключения к Wi-Fi; более новые, как правило, имеют одну сетевую карту, которая поддерживает как Ethernet, так и Wi-Fi. У некоторых компьютеров есть микросхемы, которые делают все их сети на материнской плате.
• Графическая карта (также называемая видеокартой или адаптером дисплея) - это часть компьютера, которая обрабатывает все, что связано с дисплеем. Почему это не делается центральным процессором? На некоторых машинах это может быть, но это приводит к замедлению как основной обработки машины, так и графики. Автономные видеокарты были выпущены с самого первого IBM PC, который имел автономный адаптер дисплея еще в 1981 году; мощные, современные графические карты для 3D-игр с высоким разрешением и полноцветными играми, выпущенные в середине 1990-х годов, впервые предложенные такими компаниями, как Nvidia и ATI.
• Звуковая карта - это еще одна автономная плата, основанная на цифро-аналоговый и аналого-цифровые преобразователи: он превращает цифровую (цифровую) информацию, с которой центральный процессор обрабатывает, в аналоговые (постоянно меняющиеся) сигналы, которые могут питать музыкальные колонки ; и преобразует аналоговые сигналы, поступающие от микрофон в цифровые сигналы процессор может понять. Как и в случае с сетью и графикой, в материнскую плату могут быть встроены звуковые карты или звуковые чипы.

Диски (оранжевые)

ПК обычно имеют один, два или три жестких диска плюс устройство чтения / записи CD / DVD. Хотя на некоторых машинах имеется только один жесткий диск и один комбинированный дисковод CD / DVD, у большинства есть пара пустых слотов расширения для дополнительных приводов.

Производители ПК, как правило, проектируют и изготавливают свои собственные материнские платы, но большинство используемых ими компонентов являются готовыми и модульными. Так, например, ваш ПК Lenovo или ноутбук Asus могут иметь жесткий диск Toshiba, графическую карту Nvidia, звуковую карту Realtek и т. Д. Даже на материнской плате компоненты могут быть модульными и работать по принципу «подключи и работай»: «Intel Inside» означает, что под вентилятором установлен процессор Intel. Все это означает, что очень легко заменять или модернизировать части ПК, когда они изнашиваются или устаревают; Вам не нужно выбрасывать всю машину. Если вы заинтересованы в том, чтобы повозиться, есть пара хороших книг, перечисленных в разделе «Как работают компьютеры» ниже, которые проведут вас через этот процесс.

Внешние разъемы («порты»)

Вы можете подключить компьютер к периферийным устройствам (внешние гаджеты, такие как струйные принтеры , Веб-камера , а также флэш-память клюшки) либо с проводным соединением (последовательный или параллельный кабель), либо с беспроводным (обычно блютуз или же Wi-Fi ). Несколько лет назад компьютеры и периферийные устройства использовали ошеломляющую коллекцию различных разъемов для связи друг с другом. В наши дни практически все ПК используют стандартный способ соединения, называемый USB (универсальная последовательная шина). USB предназначен для «подключи и работай»: все, что вы подключаете к компьютеру, работает более или менее из коробки, хотя вам, возможно, придется подождать, пока ваша машина загрузит драйвер (дополнительное программное обеспечение, которое говорит ему, как использовать этот конкретный кусок оборудования).

Фото: USB-порты на компьютерах очень надежны, но время от времени они ломаются, особенно после многих лет использования. Если у вас есть ноутбук со слотом PCMCIA, вы можете просто вставить карту USB-адаптера, чтобы создать два совершенно новых USB-порта (или добавить еще два порта, если у вас не хватает).

Помимо упрощения обмена данными, USB также обеспечивает питание таких устройств, как внешние жесткие диски. Два внешних контакта USB-разъема - это разъемы +5 В и заземления, в то время как внутренние контакты несут данные. Когда вы подключаете свой телефон к USB-порту на автобусе или поезде, вы просто используете внешние контакты для зарядки аккумулятора.

USB дает вам гораздо больше возможностей подключения, чем устаревшие порты последовательного компьютера. Он спроектирован таким образом, что вы можете подключать его различными способами: с помощью одного периферийного устройства, подключенного к каждому из ваших USB-разъемов, или с помощью USB-концентраторов (где один USB-разъем дает вам доступ к целому ряду USB-разъемов, которые сами могут иметь больше концентраторов и розетки подключены к ним). Теоретически, к одному компьютеру можно подключить 127 различных USB-устройств.

Похожие

Комментарии