Из чего состоит компьютер: процессор, память, устройства

Разбираем компьютер на части: что делает процессор, зачем нужна память и какие бывают устройства ввода и вывода.

Компьютер — это универсальное устройство для обработки информации, которое работает по заложенной в него программе.

Компьютер как «умный помощник»

Слово «компьютер» буквально значит «вычислитель». Но сегодня он не только считает: пишет тексты, показывает видео, общается через интернет. Почему одна машина умеет столько всего? Потому что она универсальна — её поведение задаёт программа. Поменял программу — и тот же компьютер делает совсем другое. В этом его сила.

Чтобы понять, как это работает, познакомимся с главными «органами» компьютера. Удобно сравнить его с человеком, который решает задачу за столом.

Процессор — «мозг»

Процессор (его называют CPU, центральный процессор) — главная микросхема, которая выполняет команды программы и производит вычисления. Он берёт данные, обрабатывает их по командам и выдаёт результат. И делает это поразительно быстро — современный процессор выполняет миллиарды операций в секунду.

У процессора есть важные характеристики:

• Тактовая частота — сколько простых операций он успевает за секунду (измеряется в гигагерцах, ГГц). 3 ГГц — это около 3 миллиардов тактов в секунду.
• Число ядер — несколько «мозгов» в одном процессоре, которые работают параллельно. 4 ядра могут делать 4 дела одновременно.

Память — где хранятся данные

Чтобы процессору было с чем работать, нужна память. Её два главных вида, и путать их нельзя.

Аналогия с рабочим столом помогает запомнить: пока ты решаешь задачу, тетради и учебник лежат на столе (это оперативная память — быстрый доступ, но ограниченное место). Закончил — убрал всё в шкаф (это диск — много места, хранит долго). Именно поэтому, если выключить компьютер, не сохранив документ, несохранённое пропадёт: оно было только в оперативной памяти.

Что значит «4 ядра по 3 ГГц» на ценнике

Когда выбираешь компьютер или телефон, в характеристиках пишут что-то вроде «4 ядра, 3 ГГц». Теперь ты можешь это прочитать. «3 ГГц» — тактовая частота: процессор делает около трёх миллиардов простых шагов в секунду. «4 ядра» — внутри четыре независимых вычислителя, и они могут работать одновременно. Грубая аналогия: один кассир в магазине обслуживает очередь по одному человеку, а четыре кассы — вчетверо быстрее. Но есть нюанс: если задача неделимая (например, один длинный пример), её всё равно считает одно ядро, и лишние кассы простаивают. Поэтому больше ядер помогает не всегда, а только когда работы можно разделить. Вот почему нельзя выбирать компьютер по одной цифре — важна вся картина целиком.

Устройства ввода и вывода

Компьютеру нужно как-то получать информацию от нас и показывать результат. За это отвечают устройства.

• Устройства ввода — через них информация попадает в компьютер: клавиатура, мышь, микрофон, сканер, веб-камера, сенсорный экран.
• Устройства вывода — через них компьютер показывает результат: монитор, принтер, колонки, наушники.

Некоторые устройства совмещают обе роли. Сенсорный экран и вводит (касание), и выводит (картинку). Жёсткий диск тоже работает в обе стороны — туда и пишут, и оттуда читают.

Как всё это связано

Части компьютера соединены между собой специальными линиями связи — их называют шиной или магистралью. По ней между процессором, памятью и устройствами бегают данные. Схему «процессор — память — устройства, соединённые общей магистралью» предложил математик Джон фон Нейман ещё в 1940-х годах, и она используется до сих пор. Поэтому такую схему называют архитектурой фон Неймана.

Главная идея фон Неймана: и программа, и данные хранятся в одной и той же памяти. Процессор по очереди берёт из памяти команды и выполняет их.

Эта мысль кажется очевидной, но в своё время была революционной. Первые вычислительные машины перенастраивали под новую задачу вручную — буквально перетыкали провода, и это занимали дни. А идея хранить программу в памяти, как обычные данные, позволила менять поведение машины простой загрузкой другой программы. Именно поэтому твой компьютер и универсален: чтобы из «пишущей машинки» сделать «игровую приставку», достаточно запустить другую программу. Почти все компьютеры, телефоны и планшеты вокруг тебя построены по этой схеме — ей уже почти 80 лет, а она всё ещё работает.

Как процессор выполняет команды: цикл «выборка — исполнение»

Заглянем чуть глубже. Процессор работает по бесконечно повторяющемуся циклу из трёх шагов: выбрать из памяти очередную команду, понять, что она требует, и выполнить её. Потом — следующая команда, и так миллиарды раз в секунду. У процессора есть крошечная сверхбыстрая память — регистры, где он держит числа, с которыми работает прямо сейчас. Команды простые до примитивности: «сложи два числа», «сравни», «положи в ячейку памяти», «перейди к другой команде». Вся мощь компьютера рождается не из сложности отдельной команды, а из их огромного количества и бешеной скорости. Когда ты смотришь видео, процессор за каждую секунду выполняет миллиарды таких элементарных шажков — и из них складывается плавная картинка.

Попробуй сам

Прикинем, как «думает» процессор: он берёт данные из памяти и обрабатывает их по командам. Смоделируем крошечную программу — список команд, которые процессор выполняет по очереди.

# "Память": переменная-ячейка
pamyat = 0

# "Программа": список команд для процессора
programma = ["+5", "+10", "-3", "*2"]

print("Старт, в памяти:", pamyat)
for komanda in programma:
    znak = komanda[0]
    chislo = int(komanda[1:])
    if znak == "+":
        pamyat = pamyat + chislo
    elif znak == "-":
        pamyat = pamyat - chislo
    elif znak == "*":
        pamyat = pamyat * chislo
    print("Выполнили", komanda, "-> в памяти:", pamyat)

print("Результат в памяти:", pamyat)

Вывод:

Старт, в памяти: 0
Выполнили +5 -> в памяти: 5
Выполнили +10 -> в памяти: 15
Выполнили -3 -> в памяти: 12
Выполнили *2 -> в памяти: 24
Результат в памяти: 24

Поменяй команды в списке programma — например, добавь "+100". Процессор честно выполнит их одну за другой. Так и работает настоящий процессор, только команд у него миллиарды и они куда сложнее.

Память бывает разной по скорости

На самом деле память в компьютере — это целая «лесенка» по скорости и объёму, а не только ОЗУ и диск. Чем память быстрее, тем она дороже и тем её меньше. Внутри процессора есть крошечные сверхбыстрые регистры (буквально несколько чисел) и кэш — небольшой запас самых нужных данных под рукой. Дальше идёт оперативная память — побольше и помедленнее. А в самом низу — вместительный, но медленный диск. Компьютер постоянно «подтаскивает» нужные данные снизу вверх, поближе к процессору, чтобы тот не ждал. Это похоже на работу за столом: то, что нужно сию секунду, — в руках, что нужно скоро — на столе, остальное — в шкафу и на складе. Понимать эту иерархию полезно: именно поэтому компьютер с быстрым SSD-диском вместо старого медленного «загружается» в разы быстрее, хотя процессор тот же.

Кстати, диски тоже бывают разные. Старые жёсткие диски (HDD) хранят данные на вращающихся магнитных пластинах — они дешёвые и вместительные, но медленные и боятся тряски. Современные SSD-диски не имеют движущихся частей и работают намного быстрее и тише. Поэтому замена HDD на SSD — самый ощутимый способ «оживить» старый компьютер.

Частые ошибки

• Путать оперативную память и диск. ОЗУ быстрая, но очищается при выключении; диск медленнее, зато хранит данные долго.
• Считать, что больше гигагерц — всегда быстрее. Скорость зависит и от частоты, и от числа ядер, и от других деталей.
• Называть монитор «компьютером». Монитор — лишь устройство вывода; компьютер — это в первую очередь процессор и память внутри системного блока.

Запомни

• Процессор выполняет команды и обрабатывает данные; его характеристики — частота и число ядер.
• Оперативная память быстрая, но временная; долговременная (диск) медленнее, но постоянная.
• Устройства делятся на ввода (клавиатура, мышь) и вывода (монитор, принтер).
• Архитектура фон Неймана: процессор, память и устройства на общей магистрали; программа и данные — в одной памяти.