Как работает компьютер и его комплектующие

Мир активно компьютеризируется. Но, вместе с тем, принципы работы домашних, планшетных и иных ПК не всегда активно изучаются пользователями. Рассмотрим основные аспекты, касающиеся устройства компьютера, его производительности и особенностей функционирования программ.

Основные принципы работы компьютера

Главная задача компьютера - это вычисление. Остальные операции и сколько-нибудь значимые с точки зрения потребностей человека действия, выполняемые на нем - суть производные. Структура вычислений, о которых идет речь, многоуровневая. Изучение ее поможет нам понять, как работает компьютер.

На самом низком уровне микросхемы ПК "обрабатывают" биты - двоичные сигналы, состоящие из нулей и единиц. Никаких других цифр на этом уровне нет, и на нем компьютер, скорее, не вычисляет что-то, а правильно расставляет последовательность нулей и единиц. Для чего? Дело в том, что 8 битов образуют байт. Который, в свою очередь, становится основой следующего уровня вычислений.

Несложно подсчитать, что возможное количество комбинаций битов в одном байте - 256, то есть 2 в 8-й степени. Почему 2? Потому что цифр в бите, как мы уже сказали выше, только две - 0 и 1. На практике объединение битов в байты позволяет "закодировать" в последних некую информацию. Например, букву, цифру или, скажем, знак препинания. Как работает компьютер на этом уровне? Он преобразует байты в практически значимые для человека объекты на экране - текст, пиксели, составляющие картинку, звуки и т. д.

Следующий уровень - это вычисления, связанные с операциями с той информацией, что составлена из байтов. То есть если это текст, то это может быть его редактирование, форматирование, печать. Если музыка или видео - то проигрывание, запись и т. п.

Таковы основные принципы того, как работает компьютер. Вместе с тем, каждый из уровней, отмеченных выше, не существует отдельно от другого. Вместе они формируют операционную среду вычислений. Которая также неоднородна. Исходя из современных теоретических представлений в области информатики, специалисты выделяют два компонента операционной среды, в которой происходят вычисления, - аппаратное и программное обеспечение. Изучим особенности каждого.

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.

2. Монитор.

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.

Программное обеспечение

Следующий компонент операционной среды, в которой осуществляются вычисления, - это программное обеспечение, или ПО (называемое также на сленге специалистов софтом). Оно представляет собой набор алгоритмов, позволяющих управлять "железом". То есть без программного обеспечения аппаратные компоненты компьютера не несут никакой пользы. Даже на самом первом уровне, где ПК обрабатывает нули и единицы - и там "железо" действует согласно запрограммированным алгоритмам.

Опять же, в зависимости от типа компьютера, механизмы классификации софта могут различаться. В годы, когда IT-индустрия только зарождалась, существовали целые инженерные дисциплины, слушатели которых осваивали то, как научиться работать на компьютере, представлявшем собой прибор размером с гараж. Что касается современных домашних ПК, ситуация, конечно, проще. Большинство видов ПО представляют собой дружелюбный, понятный на уровне интуиции, снабженный подробной справкой, рассчитанной на среднестатистического пользователя, инструмент управления. Исходя из представлений современных теоретиков, программы можно подразделить на следующие основные типы:

- системное ПО (дает возможность пользователю решать задачи, связанные с функциями ПК: как посмотреть, сколько компьютер работает, какие программы запущены и т. д.);

- прикладное ПО (предназначено для решения практически значимых для пользователя задач - печатания текста, рисования, программирования, прослушивания музыки, просмотра видео и т. д.).

Но четкой границы между этими двумя типами программного обеспечения нет. Например, задача: "Как узнать, сколько работает компьютер по времени?" (вроде бы, типично системная) может быть поставлена с прикладной целью. Например, с тем, чтобы запрограммировать запуск какой-то программы или файла по расписанию.

Как работает компьютер в плане взаимодействия аппаратного обеспечения и ПО? Очень просто. Пользователь ставит перед машиной "задачу", вводя данные в программу с помощью элемента управления ПК - клавиатуры или мыши. Например: "сделать шрифт текста красным" (на практике - выделив нужную область букв на экране и нажав на соответствующую область палитры в Word). Программа "сообщает" аппаратному обеспечению (условимся, что монитору и видеокарте), что необходимо выдать на экран такой-то участок красного цвета. Видеокарта и монитор, "взаимодействуя" между собой, выдают пользователю нужный результат: текст на выбранном участке становится красным. Разумеется, все это происходит за доли секунды.

При этом скорость принятия решений компьютером предопределяется особой его характеристикой - производительностью. Если она высокая, то "железо" сможет принимать больше "распоряжений" от программ за единицу времени, вследствие чего пользователь решает свои задачи быстрее. Рассмотрим данный аспект.

Производительность ПК

Производительность ПК зависит главным образом от уровня технологичности "железа". Хотя и грамотность, и качество проработки алгоритмов в ПО - тоже важное условие. Бывает так, что какой-то компонент аппаратного обеспечения может быть высокопроизводительным, но программа, "управляющая" им, неспособна в полной мере задействовать имеющийся ресурс. В архитектуре современных "домашних" ПК за производительность отвечают два базовых вида "железа" - это процессор и оперативная память. Почему именно они?

Процессор

Как работает процессор компьютера? Какова его главная задача? Работает он подобно многим другим типам микросхем. В кристалле кремния присутствуют области, ответственные за обработку нулей и единиц, объединение их в байты и последующую передачу их в "компетенцию" других компонентов аппаратного обеспечения (равно как и обратные операции).

Изобретение процессора стало настоящей находкой в компьютерной индустрии. Долгое время в вычислительных машинах данного компонента попросту не было: операции с цифрами распределялись по разным участкам аппаратного обеспечения. Но в конце 60 - начале 70-х годов инженеры все же решили, что целесообразнее концентрировать ключевые, а в математическом плане - наиболее сложные, операции в одной микросхеме, "шефствующей" над другими.

Производительность процессора измеряется в тактовой частоте, количестве операций в секунду. Единица измерения здесь - Герц. На практике, если говорить о современных моделях микросхем, речь идет, как правило, о сотнях миллионов, о миллиардах операций в секунду. Поэтому при фабричной маркировке соответствующий показатель производительности процессоров выражается в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Общее правило: чем цифра выше, тем быстрее будет работать "шефствующая" микросхема ПК, а значит, и весь компьютер в целом.

Следует отметить нюанс: современные процессоры, выполняя большое количество операций, как правило, сильно греются. Как узнать, работал ли компьютер? Нужно просто приложить руку к системному блоку. Если он ощутимо теплый, значит, его только что выключили.

На процессоры, таким образом, нужно ставить кулер. Иначе главная микросхема перегорит. Как работает кулер компьютера? Он попросту дует на процессор мощным потоком холодного воздуха, остужая его. Мощность кулера выражается в оборотах в минуту. Чем этот показатель выше, тем эффективнее охлаждается процессор.

Оперативная память

Как работает память компьютера - другой важнейший аппаратный ресурс ПК, прямо влияющий на его производительность? Дело в том, что процессор, в силу особенностей своей структуры, не наделен способностью оперативно, тактически "запоминать" производимые вычислительные операции с тем, чтобы использовать их результаты в дальнейшем. "Шефствующей" микросхеме нужен "блокнот" для того, чтобы фиксировать промежуточные итоги работы с цифрами.

И этим самым блокнотом выступает оперативная память. Называется она также ОЗУ. Или оперативно-запоминающее устройство. Чем больше "блокнот" по объему, тем эффективнее будет происходить управление остальными микросхемами, и тем быстрее будет работать компьютер в целом. Основной ресурс оперативной памяти - это ее емкость. Исчисляется она в байтах - тех самых базовых единицах информации, о которых шла речь выше. Но, если говорить о современных моделях ПК, соответствующие показатели выражаются в сотнях миллионов и гигабайтах единиц емкости - в мегабайтах (МБ) и гигабайтах (ГБ).

Кстати, оперативная память и процессор имеют ряд общих признаков. Касательно первого аппаратного компонента - у ОЗУ тоже есть показатель, отражающий количество операций в секунду. Соответственно, чем он больше, тем эффективнее происходит взаимодействие между памятью и процессором: у них будет возможность "бежать" в одном темпе.

В свою очередь, у процессора тоже есть немного встроенной ОЗУ. Называется она "кэш-память". Чем ее больше - тем меньше у "шефствующей" микросхемы будет повода "отвлекать" основную оперативную память, и тем производительнее будет работа ПК в целом.

Как заставить компьютер работать быстрее? Способ один - установить на него процессор или ОЗУ с как можно большими показателями по основным характеристикам. Безусловно, в каких-то аспектах важны параметры также и иных аппаратных компонентов - той же видеокарты, жесткого диска. Но ключевые элементы, влияющие на производительность, - это процессор и память. Если их мощности низкие, то характеристики других видов "железа" иметь значения не будут. Вместе с тем, полезно будет узнать, какого рода задачи выполняют некоторые "подотчетные" процессору аппаратные компоненты.

Видеокарта

Начнем с видеокарты. Она отвечает за визуализацию вычислений, представление их результатов перед пользователем. Интересно, что в видеокарте есть свой процессор и своя память. Причем, по характеристикам (частоте и объему) они могут в ряде случаев даже превосходить "шефствующие" компоненты. И это совершенно нормально, исходя из задач, возлагаемых на видеокарту. Дело в том, что современные компьютерные игры требуют очень большой производительности ПК. Ресурсов основного процессора и памяти может попросту не хватать на необходимые вычисления. Поэтому современные видеокарты берут на себя значительную часть операций, в результате чего обработка данных идет быстрее. Итог радует - игра не "тормозит" и не "виснет".

Поэтому вопрос о том, как заставить компьютер работать быстрее, может оказаться особенно актуален, если на ПК стоит устаревшая, обладающая скромными характеристиками, видеокарта.

Производительность данного аппаратного компонента измеряется одновременно и в тактовой частоте - мегагерцах и гигагерцах, и в объеме встроенной памяти - мегабайтах и гигабайтах. Однако, как мы уже сказали выше, просто заменить одну видеокарту другой, как правило, недостаточно. Ключевые аппаратные компоненты производительности ПК - процессор и память. Их, вероятно, также придется менять на более мощные, вслед за видеокартой.

Монитор

Как работает монитор компьютера? Дело в том, что сама по себе видеокарта, как и процессор, функционирует на уровне "нулей и единиц". Естественно, что человек понять соответствующий набор цифр не может. Монитор - это устройство, которое призвано "переводить" сигналы с видеокарты в понятные нам символы и картинки. Как проверить, как работает компьютер? В большинстве случаев достаточно просто включить монитор. Если изображение есть - значит, все функционирует нормально. Исторически именно рассматриваемый аппаратный компонент предшествовал появлению многих других - в частности, того же процессора. С точки зрения практической полезности компьютера, роль монитора исключительно важна, и это очевидно. Как правило, характеристики этого компонента прямо не влияют на производительность. Монитор - это скорее пассивный вид "железа", выполняющий функцию посредника между машиной и пользователем. Однако иногда может иметь значение его размер. Слишком маленький монитор может оказаться неудобен для решения пользовательских задач.

Основных критериев стандартизации два - разрешение и величина диагонали. Первый выражается в пикселях, или "точках" - количестве единичных элементов изображения на экране по горизонтали и вертикали. Второй - как правило, в дюймах, но иногда и в сантиметрах.

Жесткий диск

Выше мы сказали, что процессор может испытывать потребность в "блокноте" для записи тактических результатов операций. Жесткий диск, называемый также "винчестером", - это ресурс, где фиксируются данные на постоянной основе. Своего рода "тетрадь" процессора. Практически значимые для человека результаты вычислений процессора - это файлы: текстовые, графические, мультимедийные. Они-то и хранятся на жестком диске.

Главная характеристика данного аппаратного компонента - объем. Выражается он, по аналогии с принципами, реализованными в ОЗУ, в байтах. На практике - в мегабайтах, гигабайтах и даже терабайтах. Соответственно, чем больше цифра, отражающая объем жесткого диска, тем больше файлов на нем может быть размещено. Еще один показатель производительности "винчестера" - количество оборотов в минуту. Дело в том, что он в буквальном смысле является диском, крутится вокруг своей оси. Чем быстрее, тем оперативнее записываются или считываются файлы.

Баланс знаний и навыков

Знание основных принципов работы ПК - одно из условий того, как научиться работать на компьютере. Во многих случаях пользователи ограничиваются освоением навыков конкретных программ, не особенно задумываясь о том, как так получается, что данный тип ПО так замечательно работает. Конечно, не считая рассмотренных выше аспектов, есть большое количество интересных областей, которые можно изучить. Например, тех, что дают ответ на вопрос о том, как работает блок питания компьютера, модем, сетевая карта, принтер, проводные и Wi-Fi-интерфейсы и т. д. Но, обладая базовыми знаниями в области аппаратных компонентов ПК, всегда легко понять особенности функционирования любых других видов "железа".