IT-ликбез

Как работает компьютер?

Фото: Elena11 / shutterstock
ALMAMAT – образовательный IT-стартап, обучающий по методологии Crowd Learning & Lean Education. Обучение в ALMAMAT ориентировано на быстрое трудоустройство/аутсорсинг. Блог компании помогает новичкам сориентироваться в мире IT. В одном из предыдущих IT-ликбез постов мы разбирались с устройством компьютера. Сейчас посмотрим, как в общих чертах работает компьютер.
Компьютер – буквально «вычислитель»
Он производит последовательности вычислений и так манипулирует данными. Вычисление – это математическое преобразование входящего потока данных в исходящий.

Компьютер выполняет инструкции программ. Для этого он обрабатывает заданную изменяемую последовательность операций.

Два вопроса. Что собой представляет информация? Как ее обрабатывает машина?

Программы пишут на высокоуровневых языках программирования. Это когда текст исходного кода похож на строки англоязычного текста. Читая качественный исходный код, программист может сразу понять, что это и как работает. Компьютер читает программу по-своему. Софт под называнием транслятор (это может быть компилятор или интерпретатор) переводит понятный человеку код высокого уровня в машинный код (то есть команды из последовательностей единиц и нулей). Компиляция кода производится под особенности операционных системы, поэтому вас и спрашивают про ОСь перед загрузкой установочного файла.

Современные компьютеры массового рынка представляют информацию в виде двоичного кода (бинарного), состоящего из битов информации – 1 и 0. Бит отражает значение сигнала: 1 или 0, да или нет, истина или ложь, включено или выключено, заряжено или разряжено, есть ток или нет тока и т. д.
Как работают жесткий диск, процессор и оперативная память?
Постоянно все файлы и программы хранятся на жестком диске, накопителе информации. Его еще называют HHD и винчестер. Под корпусом 3 элемента:
1
Электромотор
Он непрерывно вращает диск с высокой скоростью, пока компьютер работает в любом режиме.
2
Непосредственно круглый жесткий диск
(или несколько)
С сотнями тысяч дорожек для хранения данных и 12 секторами. Он сделан из металлического сплава и покрыт ферромагнитным слоем (с магнитными свойствами).
3
«Коромысло» / Шпиндель
Его головка намагничивает ферромагнитный слой: считывает и записывает информацию. Управляет коромыслом интегральная схема снаружи корпуса.
Как все записывается на жесткий диск? При подаче электрического тока жесткий диск движется под головкой шпинделя. В зазоре возникает магнитное поле. Головка намагничивает миллиарды микроскопических областей кристалла в ферромагнитном слое – ячейки памяти. В зависимости от электрического сигнала их «магнитный момент» оказывается в состоянии 1 или 0.

Мы вернулись к тому, с чего начали. Абсолютно все, что вы делаете, машина воспринимает как биты информации (1 или 0), как команды в виде двоичного (бинарного) кода. Что такое 1 и 0 в машинном коде? Заряженная ячейка памяти или разряженная.

Программы, загружаемые с винчестера, дают команды процессору (микросхеме с кремниевыми транзисторами). Он делает вычисления и возвращает информацию. Но не напрямую, а через оперативная память (запоминающее устройство, ОЗУ). Она временная, сбрасывается при отключении электропитания, потому что конденсаторы ОЗУ быстро теряют электрический заряд.

Широко используется сегодня модуль DRAM, разновидность устройства оперативной памяти. Это микросхема со множеством ячеек, где временно хранится информация. У них есть адреса, по которым обращается процессор. В записи информации участвуют конденсаторы и полупроводниковые транзисторы.

В основе работы оперативной памяти тоже физика: биты данных хранятся в заряженных или разряженных ячейках полупроводникового материала. Логические 1 и 0 – это изменяемое состояние конденсатора: есть заряд или нет заряда. Конденсатор в ячейке памяти – двухполюсное токопроводящее устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Зачем нужна оперативная память? Она хранит промежуточные данные запущенных программ. Без нее обмен между процессором и жестким диском был бы медленным. Если вы покупаете дешевый ноутбук с меньшей оперативной памятью, то потом узнаете, как медленно все «думает». От объема оперативной памяти зависит, сколько команд компьютер способен выполнять параллельно. На жестком диске данные хранятся постоянно, пока вы не сотрете их или не повредите диск. Оперативная память все забывает при выключении.

Координирует описанные процессы материнская плата, к которой подключены и жесткий диск, и оперативная память, и процессор.

Не надо пугаться того, что все это физика, электроника и математика. Можно в общих чертах один раз составить представление о том, как работает «магия» IT – информационных технологий. Как сформулировал писатель-фантаст Артур Кларк в одном из Трех законов Кларка, «любая достаточно развитая технология неотличима от магии». В следующем посте ALMAMAT Blog расскажет, то такое полупроводники. almamat blog
Almamat рассказывает, как стать QA-инженером
Здесь можно почитать, как устроен компьютер: