В чем заключается работа компьютера

Опубликовано: 03.10.2024

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.

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".

Программный принцип работы компьютера

По своему назначению компьютер - это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией.

Персональный компьютер (ПК) — это компьютер, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. По своим характеристикам он может отличаться от больших ЭВМ, но функционально способен выполнять аналогичные операции. По способу эксплуатации различают настольные (desktop), портативные (laptop и notebook) и карманные (palmtop) модели ПК.

Аппаратное обеспечение. Поскольку компьютер предоставляет все три класса информационных методов для работы с данными (аппаратные, программные и естественные), принято говорить о компьютерной системе как о состоящей из аппаратных и программных средств, работающих совместно. Узлы, составляющие аппаратные средства компьютера, называют аппаратным обеспечением. Они выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для взаимодействия с естественными информационными методами человека.

Устройство компьютера. Любой компьютер (даже самый большой)состоит из четырех частей:

устройства ввода информации
устройства обработки информации
устройства хранения
устройства вывода информации.

Схема устройства компьютера впервые была предложена в 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом. Дж. фон Нейман сформулировал основные принципы работы ЭВМ, которые во многом сохранились и в современных компьютерах.

Основу компьютеров образует аппаратура, построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств.

Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций

Программа – это указание на последовательность действий (команд), которую должен выполнить компьютер, чтобы решить поставленную задачу обработки информации.

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств компьютера.

Функции памяти:

приём информации из других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Принципы фон-Неймана:

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности.

2. Принцип адресности. Основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору времени доступна любая ячейка.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Таким образом, компьютер представляет собой совокупность устройств и программ, управляющих работой этих устройств.

Принцип работы компьютера:

· С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.

· Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:

выполнение логических или арифметических операций;
чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
запись результатов в память;
ввод данных из внешнего устройства в память;
вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.

Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.

Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Системное ПО.

Главной частью системного программного обеспечения является операционная система.

Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

К системному ПО кроме ОС следует отнести и множество программ обслуживающего, сервисного характера. Например, это программы обслуживания дисков (копирование, форматирование), сжатия файлов на дисках (архиваторы) борьбы с компьютерными вирусами и многое другое.

Прикладное программное обеспечение

Для выполнения на компьютере конкретных работ (создания текстов и рисунков, обработки числовых данных и т. д.) требуется прикладное программное обеспечение.

Прикладное программное обеспечение можно разделить на две группы программ: системы программирования и приложения.

Системы программирования являются для программистов-профессионалов инструментами разработки программ на различных языках программирования (Basic, Pascal, С и др.). В настоящее время появились системы визуального программирования (Visual Basic, Borland Delphi и др.), которые позволяют даже начинающему пользователю компьютера создавать несложные программы.

Приложения предоставляют пользователю возможность обрабатывать текстовую, графическую, числовую, аудио- и видеоинформацию, а также работать в компьютерных сетях, не владея программированием.

Практически каждый пользователь компьютера нуждается в приложениях общего назначения, к числу которых относятся: текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, системы управления базами данных, а также приложения для создания мультимедиа-презентаций.

В связи со стремительным развитием глобальных и локальных компьютерных сетей все большее значение приобретают различные коммуникационные программы.

Из-за широкого распространения компьютерных вирусов можно отнести к отдельной группе антивирусные программы.

Для профессиональных целей квалифицированными пользователями компьютера используются приложения специального назначения. К ним относятся системы компьютерной графики, системы автоматизированного проектирования (САПР), бухгалтерские программы, компьютерные словари и системы автоматического перевода и др.

Все большее число пользователей применяет обучающие программы для самообразования или в учебном процессе. Прежде всего, это программы обучения иностранным языкам, программы-репетиторы и тесты по различным предметам

Большую пользу приносят различные мультимедиа-приложения (энциклопедии, справочники и т. д.) на лазерных дисках, содержащие огромный объем информации и средства быстрого ее поиска.

Сегодня компьютерные устройства настолько прочно вошли в нашу жизнь, что представить себе наше существование без них кажется невозможным. Однако большинство пользователей практически никогда не задумывается о том, как же работают все эти системы. Далее будет рассмотрено, как устроен компьютер (для «чайников», так сказать). Конечно, описать все подробно и осветить все технические стороны не получится (да это большинству и не нужно). Поэтому ограничимся основными аспектами, говоря простым «человеческим» языком.

Компьютер для «чайников»: основные компоненты

Говоря об устройстве любого компьютерного устройства, следует четко понимать, что в основе своей он состоит из аппаратной и программной части.

Под аппаратной частью понимают все подключенные устройства, которые, если можно так выразиться, можно потрогать руками (процессоры, планки памяти, жесткие диски, мониторы, видео-, аудио- и звуковые адаптеры, клавиатуру, мышь, периферийные устройства вроде принтеров, сканеров и т. д.). В народе все эти компоненты иногда называют «компьютерным железом».

Программная часть состоит из множества компонентов, среди которых главенствующую роль играет операционная система, на основе которой производится взаимодействие между аппаратной частью и другими программами и устанавливаемые в ней драйвера устройств – специальные программы, с помощью которых ОС может взаимодействовать с самим «железом» и задействовать его при выполнении определенных задач.

Отсюда нетрудно сделать вывод о том, что главный принцип работы компьютера любого типа состоит во взаимодействии «железных» и программных компонентов. Но это только поверхностное представление. Эти процессы будут описаны несколько позже.

Компьютерное «железо»

В аппаратной части, как считают многие, на первом месте стоят процессор и оперативная память. Отчасти, это так и есть. Именно они обеспечивают выполнение всех программных команд и дают возможность запускать те или иные процессы.

С другой стороны, если копнуть глубже, ни один «железный» компонент сам по себе ничего не стоит, ведь его для использования надо куда-то подключить. И тут первостепенное значение уделяется, так называемым, материнским платам (в народе – «материнкам») – специальным устройствам, на которые монтируются все остальные компоненты, микросхемы и т. д. В этом смысле основной принцип работы компьютера (корректного функционирования без сбоев) состоит в том, чтобы правильно подключить все аппаратные компоненты через соответствующие контроллеры к специальным слотам или разъемам на самой плате. Тут есть свои правила, например, по корректному использованию шин PCI, по подключению жестких дисков и съемных дисководов с использованием принципа Master/Slave и т. д.

Отдельно стоит сказать о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), на котором записана информация, как бы навечно, и оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), служащем для выполнения программных компонентов.

Виды программного обеспечения

Программный принцип работы компьютера подразумевает использование соответствующего программного обеспечения для выполнения поставленных задач.

В общем понимании ПО делится на несколько категорий, среди которых отдельно можно выделить системное и прикладное ПО. К системному программному обеспечению относят сами операционные системы, драйвера устройств, иногда сервисные утилиты, необходимые для обеспечения корректной работы всей системы. Это, так сказать, общая оболочка, в которую встраиваются прикладные программы и приложения. ПО этого типа имеет строгую направленность, то есть, ориентировано на выполнение какой-то определенной задачи.

Но раз речь идет именно о том, что представляют собой основные принципы работы компьютера в общем смысле, на первое место выходит именно системное ПО. Далее рассмотрим, как запускается вся компьютерная система.

Урок информатики. Компьютер: включение и проверка устройств

Наверное, многие пользователи стационарных ПК замечали, что при включении компьютера раздается характерный звук системного динамика. Мало кто обращает на него внимания, однако из факта его появления можно сделать вывод о том, что все «железные» устройства работают нормально.

Что получается? Принцип работы компьютера состоит в том, что при подаче питания на специальную микросхему, называемую устройством первичного ввода/вывода, производится тестирование всех устройств. В первую очередь идет обнаружение неполадок в работе видеоадаптера, ведь если он не в порядке, система просто не сможет вывести на экран визуальную информацию. Только потом определяется тип процессора и его характеристики, параметры оперативной памяти, жесткие диски и другие устройства. По сути, в BIOS изначально хранится информация по всему «железу».

Варианты загрузки

Кроме того, загрузка тоже может трактоваться как программный принцип работы компьютера, поскольку проверка происходит именно программным, а не физическим способом.

Тут же имеется и система выбора загрузочного устройства (жесткий диск, оптический носитель, USB-устройство, сеть, и т. д.). В любом случае дальнейший принцип работы компьютера в плане загрузки состоит в том, чтобы на устройстве присутствовала, так называемая, загрузочная запись, необходимая для старта системы.

Старт операционной системы

Для загрузки ОС необходим специальный загрузчик, который инициализирует ядро системы, записанное на жестком диске, и помещает его в оперативную память, после чего управление процессами передается уже самой ОС.

Кроме того, основная загрузочная запись может иметь и более гибкие настройки, предоставляя право выбора загружаемой системы пользователю. Если же старт производится со съемного носителя, исполняемый загрузочный код считывается с него, но загрузка в любом варианте производится только в том случае, если BIOS определит исполняемый код как действительный. В противном случае на экране появится уведомление о невозможности старта, вроде того, что загрузочный раздел не найден. При этом иногда используется таблица разделов, которая содержит информацию обо всех логических дисках, на которые может быть поделен винчестер. Кроме всего прочего, доступ к информации напрямую зависит от структуры организации файлов, которая носит название файловой системы (FAT, NTFS и др.).

Заметьте, это самая примитивная интерпретация процесса загрузки, поскольку на самом деле все гораздо сложнее.

Память компьютера: запуск программ

Итак, операционная система загрузилась. Теперь остановимся на вопросах функционирования программ и приложений. За их выполнение в первую очередь отвечают центральный процессор и оперативная память, не говоря о задействованных драйверах других устройств.

Принцип работы памяти компьютера заключается в том, что при запуске исполняемого файла программы или другого объекта из ПЗУ или съемного носителя, когда приложение исполняет как бы дополняющую роль, в оперативную память (ОЗУ) через ядро системы помещаются некоторые сопутствующие компоненты, чаще всего представляющие собой динамические библиотеки (хотя для простых программ их наличие может быть и не предусмотрено), и необходимые для работы драйверы устройств.

Они обеспечивают связь между операционной системой, самой программой и пользователем. Понятно, что чем больший объем имеет оперативная память, тем больше компонентов в нее можно загрузить и тем быстрее будет происходить их обработка. При поступлении команд взаимодействия в дело вступает центральный процессор, который и производит все вычислительные действия в системе. По завершении работы приложения или при выключении компьютера все компоненты из «оперативки» выгружаются. Но так бывает не всегда.

Изменение параметров системы

Некоторые процессы могут находиться в оперативной памяти постоянно. Поэтому их нужно останавливать вручную. В Windows-системах многие службы стартуют автоматически, а вот пользователю они оказываются совершенно ненужными. В этом случае применяется настройка автозапуска. В самом простом варианте применяются программы-оптимизаторы, которые очищают ненужные процессы, удаляют компьютерный мусор в автоматическом режиме. Но это уже отдельный разговор.

Для того чтобы понять основные принципы работы компьютера, не помешает ознакомиться с его устройством, хотя бы в общих чертах.

Основой компьютера является материнская плата , к которой подключаются все остальные устройства.

От архитектуры (конфигурации) материнской платы зависит и то, сколько дополнительных устройств может быть подключено к компьютеру. Также, материнская плата является распределителем питания для всех устройств.

BIOS — Basic Input/Output System — (Базовая Система Ввода/Вывода) — первичный программный код, который записан в постоянное запоминающее устройство, находящееся на материнской плате. По своей сути BIOS это первичный язык (азбука) компьютера, который позволяет ему обнаруживать все внутренние подключенные к материнской плате устройства, работать с ними, а также содержит первичные базовые команды, которые позволяют компьютеру осуществлять загрузку более серьезного программного обеспечения.

Если сравнить компьютер с новорожденным ребенком, то BIOS это набор первичных инстинктов, с которыми ребенок рождается на свет. Он ещё ничего не знает, но уже может смотреть, кричать, хаотично двигать ручками и ножками, слышать звуки, ощущать прикосновения, запоминать какую-то незначительную информацию. У новорожденного ребенка уже всё работает, но совершенно хаотично и несистематизировано. Возможности новорожденного ребенка сильно ограничены.

Процессор — мозг компьютера. Процессор совершает все вычислительные операции. Вычислительной операцией называется абсолютно всё. Пользователь может видеть на экране текст, либо цветные картинки, либо слышать музыку из динамиков, для компьютера это всё — вычислительные операции. Компьютер работает с цифровыми значениями. Для него существуют только цифры и сочетания цифр. Все исходные данные, а также результаты вычислений записываются в оперативную память.

Оперативная память сохраняет информацию только при поддержке питания. При обесточивании, вся информация из оперативной памяти безвозвратно исчезает. Оперативная память работает в паре с процессором и от её объема зависит продуктивность процессора. К примеру, если требуется обработать файл, который может быть целиком загружен в оперативную память, он будет обработан в ней процессором, а потом сохранен на жесткий диск.

В этом случае, недостаточный объем оперативной памяти может быть частично компенсирован её быстродействием. Если обмен данными происходит быстро, то пользователь не обнаружит задержки — когда часть обработанного файла была сохранена на жесткий диск, а на освободившееся в оперативной памяти место был загружен следующий фрагмент файла.

Жесткий диск в обиходе имеет несколько названий. Иногда его называют HDD — сокращение от Hard Disk Drive, а также можно услышать: Винчестер, Винт, Хард или Хард-диск . Жесткий диск является постоянным запоминающим устройством, которое способно хранить информацию даже при полном отключении электроэнергии.

Когда возникают сбои в работе компьютера или перепады напряжения в электросети, та информация, которая была сохранена на жестком диске, не утрачивается и не теряется.

Видеокарта служит для просчета изображения и вывода его на экран. По своей сути, видеокарта это мини-компьютер, который находится внутри большого компьютера. Видеокарта имеет свой собственный процессор и свою собственную оперативную память, в которой происходит просчет изображений и виртуальных сцен.

Видеокарта берёт на себя часть задач, связанных с просчетом изображения, чтобы этим не приходилось заниматься основному процессору компьютера.

Файл подкачки это зарезервированная область на жестком диске, которая используется для хранения виртуальных страниц и создаётся операционной системой автоматически. Обычно, система создаёт файл подкачки в полтора раза больше, чем имеется в наличии оперативной памяти, если пользователь не указал иные размеры. Файл подкачки позволяет расширить общий объем виртуальной памяти и обеспечивает быстрый доступ к уже просчитанным виртуальным страницам, чтобы избавить компьютер от необходимости просчитывать страницу каждый раз при обращении к ней.

Звуковая карта это аналог видеокарты, с той разницей, что звуковая карта занимается воспроизведением звука, дабы не отвлекать на эту задачу центральный процессор компьютера. Но поскольку воспроизведение звука не является столь сложной задачей, как воспроизведение видео, в большинстве случаев, звуковая карта интегрирована в материнскую плату и является её неотъемлемой частью.

Дополнительную звуковую карту устанавливают только в тех случаях, когда требуется высококачественный, студийный звук, который будет выводиться не на компьютерные колонки, а на профессиональную аудиоаппаратуру. В других случаях, использование отдельной звуковой карты не имеет смысла.

CD/DVD-ROM это устройство чтения компакт-дисков формата CD или DVD. Устройство используется для воспроизведения (чтения) аудио или видеофайлов, просмотра фотоальбомов, а также — установки операционной системы с загрузочного компакт диска на жесткий диск компьютера. Помимо чтения дисков, такое устройство может производить запись на CD или DVD диск.

Порты USB универсальные порты, которые были разработаны для подключения к компьютеру различных внешних устройств: смартфон, цифровая камера, флеш-накопители, мышь, клавиатура, съемные жесткие диски, устройства беспроводной связи и многое другое. При подключении устройства к порту USB, устройство сообщает компьютеру свою модель и другие исходные данные, которые позволяют компьютеру "найти общий язык" и работать с подключенным устройством.

Принцип работы

При включении питания компьютера, в первую очередь, блок питания подаёт напряжение на материнскую плату, а через неё уже на все прочие устройства компьютера. Следующим этапом происходит чтение информации из постоянного запоминающего устройства BIOS, что позволяет компьютеру обнаружить все внутренние устройства, которые к нему подключены. В соответствии с настройками BIOS производится загрузка с дискеты, компакт-диска, запоминающего устройства подключенного к USB-порту или HDD.

В классической настройке BIOS приоритеты были расставлены следующим образом: В первую очередь производится загрузка с диска "A" или "B" - эти буквы всегда отводились под дискету (флоппи-диск). Если указанные дисководы пусты, осуществить загрузку с диска "C" - Жесткий диск компьютера. Позже, когда дискеты практически вышли из обихода, настройку BIOS изменили. Приоритет загрузки отдали устройству чтения компакт-дисков CD-ROM. Если в этом устройстве нет диска, произвести загрузку, опять же, с диска "C". Подобная настройка BIOS позволяла без лишних хлопот установить операционную систему с загрузочного диска. Достаточно было вставить компакт-диск с установочными файлами операционной системы в дисковод, и компьютер начинал загружаться с компакт-диска, выходил в режим установки операционной системы. Позже, когда компьютеры стали продаваться с уже заранее установленной операционной системой, настройку BIOS поменяли и принудили компьютер в любом случае загружаться с диска "C", игнорируя другие устройства. Итак, загрузив BIOS, определив подключенные устройства, компьютер начинает загрузку операционной системы. В большинстве случаев это происходит с жесткого диска "C" или из раздела "C" находящегося на жестком диске. Помимо загрузки самой операционной системы, производится загрузка всех необходимых драйверов для обнаруженных устройств, подключенных в данный момент к компьютеру. В процессе работы, компьютер четко следует заданному алгоритму.

Говоря простым языком, компьютер четко выполняет инструкции, которые написаны для него человеком (программистом). Компьютер не может ошибаться, это было исключено ещё на заре развития кибернетики. Частично поврежденные элементы исключаются из работы. Либо, если повреждения значительны, компьютер отказывается работать совсем. Таким образом, все ошибки, возникающие в работе компьютера, полностью лежат на совести программиста. Если программа была написана с нарушением компьютерной грамматики, компьютер, обнаружив ошибку, откажется выполнять программу. Однако, чаще бывает, что программа написана безукоризненно, но содержит логическую ошибку, которую компьютер обнаружить не способен. Говоря простым языком, все команды написаны верно, но среди них отсутствует необходимая, либо присутствует команда, которая противоречит другой команде. Тогда компьютер берется выполнять программу, пока не дойдет до ошибки, где и происходит сбой в работе или зависание. Чаще всего, ошибки возникают по той причине, что программы были написаны разными программистами, которые не могли учесть всех тонкостей, не зная заранее — что написано другим.

Алгоритм это четкая, пошаговая инструкция, предусматривающая различные варианты развития событий. Без учета различных вариантов, работа компьютера с пользователем ограничивалась бы только запуском и выполнением программы, следующей одним, заранее написанным сценарием. Возможность менять ход сценария, делает компьютер уникальным и единственным устройством в своем роде.

Любой алгоритм, имеющий стандартное начало, содержит в себе строку, где пользователю предлагается выбор да/нет. В случае если выбрано "да", следует один путь развития сценария, если выбрано "нет", на этот случай имеется другой сценарий. Любая программа состоит из нумерованных строк. Выполняя программу, компьютер последовательно считывает строки в возрастающем порядке, начиная от первой строки. Выполнив команду, заданную в одной строке, компьютер переходит к чтению следующей, если не было команды перейти на какую-либо другую строку. То есть, к примеру, если в строке 337 сказано вывести на экран такое-то сообщение, после этого компьютер приступит к чтению строки 338. Если-же в строке 337 была команда перейти к строке, допустим 1164, тогда все строки с 338 по 1163 будут пропущены. Однако, следует понимать, что на деле, будучи построенными по описанному принципу, современные программы содержат мегабайты программного кода, где счет строк идет не на сотни и даже не на тысячи. Программы содержат сотни различных алгоритмов открытия, обработки и сохранения файла, что значительно расширяет возможности компьютера, делая их практически неограниченными.

Двоичный код

Двоичный код, как система сохранения данных, появился очень давно. Известно, что ещё во времена древних инков использовался данный принцип передачи информации. На верёвке завязывались узелки, которые означали единицу, а отсутствие узелка означало ноль. Позже система была забыта, но с появлением электроники, снова возродилась. Чтобы найти золотую середину, необходимо познать обе крайности. Это правило актуально и для электроники.

Учитывая несовершенство первых компьютеров, проще было обозначить само наличие сигнала или его отсутствие, чем пытаться опираться на прочие характеристики электрического тока, которые могли быть сильно искажены помехами, но которые пытались использовать — как альтернативный путь развития кодирования. Одно время, разрабатывались процессоры, которые также реагировали на частоту электрического тока. Каждая частота имела собственное значение.

Слабое место подобного метода заключается в том, что любые помехи могут искажать исходный сигнал, что приведет к искажению данных — ошибке. Защитить устройство от посторонних помех довольно сложно, да и генерация импульсов различной частоты тоже усложняет задачу. Поэтому подобный путь передачи и хранения данных не получил широкого распространения.

Инженеры пошли более простым и безошибочным путем. Наличие сигнала, в определенный промежуток времени, стали рассматривать — как единицу, отсутствие сигнала, за такой же промежуток времени, взяли за ноль. Таким образом, сформировалась основа двоичного кода, которой присвоили обобщенное название бит . Для этого случая вполне справедлива поговорка: Отсутствие результата — тоже результат . И действительно, в двоичном коде, единица это один бит информации. Ноль (отсутствие сигнала) также является одним битом информации.

Один бит (ноль или единица) занимает одну ячейку памяти. Правда, из одного бита информации, даже из двух — много пользы не выжмешь. Можно поиграть с их чередованием. Скажем, выражение 00 имеет одно значение, выражению 01 можно присвоить — другое, следовательно, появляется возможность записать ещё два значения: 10 и 11. Всего четыре комбинации из двух битов.

Этого явно недостаточно для передачи и сохранения сложной информации. Если же использовать не два, а три бита, то возможных вариантов становится уже не четыре, а восемь: 000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111. Увеличение количества бит всего на один — увеличивает количество возможных вариантов вдвое. Использование восьми бит даёт уже 256 вариантов комбинаций и этого вполне достаточно для того, чтобы присвоить каждому варианту свой собственный символ или определенную команду. Получается, что восемь бит уже могут иметь определенное значение и смысл. По этой причине, запись, состоящая из восьми бит, получила название байт .

Подобная схема и легла в основу BIOS , благодаря чему компьютер способен понимать буквы латинского алфавита, цифровые значения от 0 до 9, а также — специальные символы, использующиеся в программировании.

В 1940-х годах, Томас Уотсон, глава корпорации IBM утверждал, что всему человечеству понадобится «около пяти компьютеров». Но уже сейчас, менее, чем через сто лет, число компьютеров и пользователей возросло до одного миллиарда! Правда и компьютеры изменились. Если тогда это были гигантские научные машины стоимостью больше миллиона долларов за штуку, то сейчас компьютеризированы не только ПК, но и телефоны, планшеты, микроволновки и холодильники. Но внешне различные приборы тем не менее состоят из одних и тех же чипов, цепей и транзисторов.

Принципы работы компьютера

Работу компьютера (ПК) делят на аппаратную и программную составляющие. Проще говоря, аппаратная составляющая – это те физические, реально существующие устройства ПК, а программная – это софт, программное обеспечение, которое нельзя потрогать, но которое служит для выполнения различных задач пользователя.

Программный принцип

Программная часть состоит из всех тех внутренних компонентов, которые делают работу с ним интуитивно понятной и удобной для пользователя. К ней относятся и операционная система, и различные программы, и драйвера, которые способствуют правильной работе периферийных (подключаемых) устройств.

Существуют три различных вида ПО: системное, прикладное и системы программирования. Системное подразумевает функционирование различных операционных систем, драйверов и системных утилит которые помогают выстроить «диалог» между пользователем и его устройством, управлять файлами ПК и подключенными к нему устройствами.

Прикладная часть состоит из приложений, направленных на решение поставленных задач. Они делятся на общее программное обеспечение и на программное обеспечение специального назначения. К первому виду относятся текстовые редакторы, аудиоплееры, игры и др., ко второму – различные математические, профессиональные программы, используемые ограниченным кругом лиц.

Системы программирования – это разные среды разработки, необходимые для создания пользовательских программ, используя различные языки программирования, компиляторы, средства сервиса и трансляции.

Аппаратный принцип

Аппаратная же схема работы – это внутренние и внешне подключаемые к ПК устройства: клавиатура, мышь, принтер, а также непосредственно системный блок со всеми своими компонентами (материнская плата, процессор, память и т.п.) и монитор.

Для правильной работы ПК важны все элементы системного блока, однако отдельно выделяют материнскую плату, к которой и подключаются практически все остальные элементы: процессор, оперативная и постоянная память, жесткий диск, видео- и звуковая карты и др. Также материнская плата включает в себя слоты расширения, транзисторы и шины, которые используются для соединения и правильной работы ее элементов.

Микропроцессор, или центральное процессорное управление – это небольшое электронное устройство, которое может выполнять сложные вычисления. По сути, все логические и арифметические операции, которые и заложены в работу ПК – это работа именно ЦПУ.

Оперативное запоминающее устройство – память, которая задействуется для выполнения конкретных задач. Она хранит данные и инструкции, которые используются микропроцессором для выполнения операций. Постоянное запоминающее устройство хранит программы, инструкции и алгоритмы, непосредственно доступные в микропроцессоре.

Как работает компьютер?

Компьютер принимает и обрабатывает данные в соответствии со специальными инструкциями, а результаты обработки отправляет на устройства вывода.

Алгоритмы (наборы команд), программы и все остальные данные хранятся в памяти компьютера, которая разделена на ячейки. Центральное процессорное устройство включает в себя программный счетчик, который нужен для правильного порядка исполнения команд и алгоритмов. Также в состав ЦПУ входит и модуль для контроля порядка команд при обработке данных, арифметический логический модуль, служащий для выполнения компьютером операций арифметики и логики: сложения и сравнения.

Компьютер занимается обработкой введенной (входной) информацией, ее хранением и выводом. Вся информация представляется в виде двоичного (бинарного) кода: то есть нолей «0» (ложь) и единиц «1» (истина), которые также называются логическими переменными. Выделяют следующие программные элементы работы компьютера:

Что же происходит, когда пользователь включает компьютер и запускает произвольную программу? Сначала программа, хранящаяся на жестком диске, загружается в оперативную память и сообщает процессору, какие дополнительные данные необходимо выгрузить в ОЗУ для дальнейшей работы, затем ЦПУ (центральное процессорное устройство) порционно обрабатывает взятую из ОЗУ информацию, выполняет сообщенные алгоритмы и действия, после чего результат выгружает обратно в оперативную память. Когда порции данных для обработки заканчиваются, итоговый результат загружается на жесткий диск и отправляется на хранение.

Читайте также: