Устройство компьютера

Коротко

Компьютер - это электронная система, которая получает данные, хранит их, обрабатывает по программе и выводит результат. Компьютерами являются не только настольные ПК и ноутбуки, но и смартфоны, игровые приставки, серверы, микроконтроллерные устройства и системы управления роботами.

Зачем это нужно

Компьютерная техника окружает нас повсюду. Компьютер обрабатывает текст и изображения, смартфон принимает сообщения, игровая приставка строит графику, банковский терминал считывает карту, а контроллер стиральной машины управляет программой стирки.

Внешне эти устройства сильно различаются, но внутри у них есть похожие функциональные части:

• процессор выполняет команды программы;
• память хранит программу и рабочие данные;
• накопитель сохраняет файлы надолго;
• устройства ввода передают информацию компьютеру;
• устройства вывода показывают результат или управляют внешним оборудованием;
• интерфейсы связывают части системы между собой.

Понимание этих ролей помогает выбирать технику, читать характеристики устройств, находить причины неисправностей и лучше понимать работу программ.

Главная идея

Работу компьютерной системы можно представить как последовательность действий:

ввод данных -> обработка -> хранение -> вывод результата

Например, когда пользователь редактирует фотографию:

1. файл считывается с накопителя;
2. данные загружаются в оперативную память;
3. центральный и графический процессоры выполняют вычисления;
4. изображение выводится на экран;
5. измененный файл сохраняется на накопитель.

Эти этапы могут выполняться очень быстро и частично одновременно.

Что значит «обработка данных»

Обработка данных - это выполнение команд программы над числами, текстом, изображениями, звуком или другими данными. Компьютер может сравнивать значения, складывать числа, искать информацию, изменять изображение и выбирать дальнейшее действие.

Центральный процессор - CPU

CPU расшифровывается как Central Processing Unit - центральное процессорное устройство. Его часто называют центральным процессором.

CPU выполняет инструкции программ. Упрощенно его работа выглядит так:

получить инструкцию -> получить нужные данные -> выполнить операцию -> сохранить результат

Процессор умеет:

• выполнять арифметические и логические операции;
• сравнивать значения;
• переходить к разным участкам программы;
• обращаться к памяти;
• управлять обменом данными с другими устройствами.

Современный CPU обычно содержит несколько ядер. Несколько ядер позволяют выполнять несколько потоков команд параллельно. Однако количество ядер не является единственной характеристикой быстродействия: важны также архитектура процессора, частота, объем кэш-памяти и особенности программы.

Что такое тактовая частота

Тактовая частота показывает, сколько рабочих тактов процессор может выполнить за секунду. Она измеряется в герцах. Более высокая частота часто ускоряет вычисления, но сравнивать разные процессоры только по частоте нельзя.

Графический процессор - GPU

GPU расшифровывается как Graphics Processing Unit - графический процессор.

Первоначально GPU создавались для построения изображения на экране. Для графики требуется одновременно обрабатывать большое количество похожих элементов: пикселей, вершин и фрагментов изображения. Поэтому GPU содержит множество вычислительных блоков, способных выполнять однотипные операции параллельно.

Сегодня GPU применяют не только для игр и графики, но и для:

• обработки видео;
• трехмерного моделирования;
• научных расчетов;
• обучения нейронных сетей;
• компьютерного зрения.

CPU	GPU
хорошо выполняет разные последовательные задачи	хорошо выполняет множество похожих операций параллельно
управляет общей работой программ и системы	ускоряет графику и подходящие массовые вычисления
обычно имеет меньше сложных ядер	обычно имеет много более простых вычислительных блоков

CPU и GPU не заменяют друг друга. В современном компьютере они часто работают совместно.

Память и накопители

Словом «память» иногда называют разные устройства. Для начала важно различать рабочую память и долговременное хранение.

Вид	Для чего нужен	Что происходит после выключения
Регистры процессора	хранят данные, с которыми CPU работает прямо сейчас	данные теряются
Кэш-память	ускоряет доступ к часто используемым данным	данные теряются
Оперативная память, RAM	хранит запущенные программы и их рабочие данные	данные обычно теряются
Постоянная память и Flash	хранит прошивку и данные устройства	данные сохраняются
SSD, HDD, карта памяти	долго хранят программы, документы и другие файлы	данные сохраняются

Оперативная память работает быстрее накопителя, но хранит данные только во время работы системы. Накопитель обычно медленнее, зато сохраняет данные после выключения.

Пример

Когда программа запускается с SSD, ее данные загружаются в оперативную память. Процессор работает в основном с данными из RAM и кэш-памяти, а результаты при необходимости снова сохраняются на SSD.

Подробнее устройство и виды памяти рассматриваются в следующей главе.

Системная плата, шины и интерфейсы

Компоненты компьютера должны обмениваться данными. В настольном ПК их соединяет материнская плата, а в компактном устройстве многие компоненты могут находиться на одной общей плате или даже внутри одной микросхемы.

Шина - это набор линий и правил, по которым между компонентами передаются данные, адреса и управляющие сигналы.

Интерфейс - способ подключения и правила взаимодействия устройств. Примеры интерфейсов:

• USB - клавиатуры, мыши, накопители и другие устройства;
• HDMI или DisplayPort - передача изображения и звука;
• Ethernet и Wi-Fi - передача данных по сети;
• PCI Express - видеокарты и быстрые внутренние устройства;
• SATA и NVMe - подключение накопителей;
• GPIO, UART, I2C и SPI - датчики, контроллеры и электронные модули.

Интерфейс описывает не только форму разъема. Он также задает правила передачи и приема данных.

Устройства ввода и вывода

Устройства ввода передают данные в компьютер:

• клавиатура;
• мышь;
• микрофон;
• камера;
• сканер;
• сенсорный экран;
• различные датчики.

Устройства вывода получают результат от компьютера:

• монитор;
• принтер;
• наушники и динамики;
• световые индикаторы;
• приводы и исполнительные механизмы.

Некоторые устройства одновременно выполняют ввод и вывод. Например, сенсорный экран показывает изображение и принимает касания, а сетевой адаптер получает и отправляет данные.

Питание и охлаждение

Вычисления требуют электрической энергии. Источником может быть блок питания, аккумулятор или внешний адаптер. Разные компоненты работают при определенных напряжениях и потребляют разную мощность.

Часть энергии превращается в тепло. Поэтому мощным процессорам, видеокартам и накопителям может требоваться охлаждение:

• радиатор отводит тепло от микросхемы;
• вентилятор усиливает движение воздуха;
• термопаста улучшает передачу тепла к радиатору;
• система управления может уменьшать частоту при перегреве.

Перегрев способен снизить производительность и надежность компьютера.

Какие бывают компьютеры

Компьютер не обязательно является отдельным большим устройством.

Вид компьютера	Пример применения
Настольный ПК	учеба, работа, игры, проектирование
Ноутбук	переносная работа и обучение
Смартфон или планшет	связь, приложения, фото и навигация
Сервер	хранение данных и обслуживание других компьютеров
Одноплатный компьютер	учебные проекты, мультимедиа, автоматика
Микроконтроллерная система	управление конкретным устройством
Встроенный компьютер	автомобиль, станок, бытовая техника, робот

У встроенного компьютера обычно есть одна определенная задача. Например, контроллер микроволновой печи управляет временем, кнопками, дисплеем и силовыми элементами, но не предназначен для редактирования документов.

Компьютерная система в роботах

Робот также является компьютерной системой или содержит ее внутри. Рассмотрим робота, который движется по линии:

датчики линии -> контроллер -> программа -> драйверы -> моторы

• датчики являются устройствами ввода;
• микроконтроллер выполняет программу;
• оперативная память хранит текущие показания и переменные;
• Flash-память хранит прошивку;
• драйверы получают управляющие сигналы;
• моторы выполняют действие.

В более сложном роботе может использоваться GPU. Например, камера передает изображение, GPU ускоряет его обработку, CPU принимает решение, а микроконтроллер точно управляет моторами.

Важно

Мотор или другой мощный исполнительный механизм обычно нельзя подключать прямо к логическому выходу процессора или микроконтроллера. Между компьютером и нагрузкой используют подходящий драйвер или силовой модуль.

Что запомнить про устройство компьютера

Компонент	Главная роль
CPU	выполняет основные команды программ и управляет вычислениями
GPU	ускоряет графику и массовые параллельные вычисления
Оперативная память	хранит данные запущенных программ
Накопитель	долго хранит файлы и программы
Устройства ввода	передают данные компьютеру
Устройства вывода	получают результат работы компьютера
Системная плата и интерфейсы	соединяют компоненты и обеспечивают обмен данными
Питание и охлаждение	обеспечивают энергией и поддерживают рабочую температуру

Конкретный компьютер может выглядеть как настольный системный блок, плата, смартфон или маленький контроллер. Его устройство зависит от задачи, но основные роли компонентов остаются похожими.

Практика

Задание 1

Распредели устройства по ролям. Некоторые устройства могут относиться сразу к нескольким категориям.

Устройство	Ввод, вывод, обработка, оперативная память или накопитель?	Почему
Клавиатура
Монитор
CPU
SSD
RAM
Сенсорный экран

Задание 2

Опишите путь данных при видеозвонке. Используйте слова: камера, микрофон, CPU, GPU, оперативная память, сеть, экран и динамики.

Задание 3

Сравните две системы:

1. домашний компьютер для документов и браузера;
2. компьютер мобильного робота с камерой.

Назови необходимые устройства ввода, вывода, обработки и хранения данных.

Проверьте себя

• Чем CPU отличается от GPU?
• Почему оперативная память не заменяет SSD?
• Какие устройства могут одновременно выполнять ввод и вывод?
• Зачем компьютеру интерфейсы и шины?
• Почему мощным компонентам требуется охлаждение?
• Как основные части компьютера используются в роботе?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• Компьютер - электронная система, которая выполняет программу, обрабатывает и хранит данные.
• CPU - центральный процессор, выполняющий основные инструкции программ.
• GPU - графический процессор для графики и массовых параллельных вычислений.
• Ядро процессора - вычислительная часть процессора, способная выполнять поток команд.
• Оперативная память, RAM - рабочая память запущенных программ.
• Накопитель - устройство долговременного хранения данных, например SSD или HDD.
• Материнская плата - плата, соединяющая основные компоненты настольного или переносного компьютера.
• Шина - линии и правила передачи данных между компонентами.
• Интерфейс - способ подключения и правила обмена данными.
• Устройство ввода - устройство, передающее данные компьютеру.
• Устройство вывода - устройство, получающее результат от компьютера.
• Встроенный компьютер - компьютер, предназначенный для управления конкретным устройством или системой.

Связанные темы

• Устройство памяти - какие виды памяти используются в компьютерной технике.
• Двоичная система счисления - как числа записываются с помощью 0 и 1.
• Микроконтроллеры и компьютеры - чем различаются вычислительные платформы в робототехнике.
• Операционные системы - как система управляет программами и устройствами.

Источники

• Raspberry Pi Documentation. Computers: https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/
• Intel. What Is a CPU?: https://www.intel.com/content/www/us/en/gaming/resources/cpu.html
• Intel. What Is a GPU?: https://www.intel.com/content/www/us/en/products/docs/processors/what-is-a-gpu.html
• Arduino Docs. UNO R3: https://docs.arduino.cc/hardware/uno-rev3/