Глава 3. Устройство и работа компьютера

3.1. Как устроен и работает компьютер

Чтобы водить автомобиль, совсем не обязательно знать, отчего крутятся колеса. Но чтобы быть хорошим водителем, устройство и взаимодействие отдельных частей автомобиля пред­ставлять все же необходимо. То же самое можно сказать и о компь­ютере: можно на нем работать, используя готовые программы, и да­же самому программировать, не зная внутреннего устройства ком­пьютера. Однако квалифицированным пользователем и программи­стом не станешь, не изучив устройство и взаимодействие отдельных его частей.

Компьютеры бывают разные. Вам почти наверняка придется ра­ботать на так называемом персональном компьютере. Вот его обычный внешний вид:

Чтобы легче понять взаимодействие различных частей компью­тера, представим себе его устройство схематически.

На схеме изображено только 7 самых необходимых устройств, хотя в компьютере их может быть гораздо больше. Внутри корпуса, который называется системным блоком, находятся: центральный процессор (или просто процессор), оперативная память (или просто память), шина, а также винчестер и устройства ввода-вывода на дискетах или дисководы, названные так по­тому, что с их помощью информацию с дискеты или компакт диска можно вводить в компью­тер. Кроме того, в системный блок входит много вспомогательных элек­тронных схем и устройств.

Во время работы компьютера все устройства обмениваются ме­жду собой информацией. Например, программа с дискеты или кла­виатуры отправляется в память. Чтобы информация могла попадать из одного устройства в другое, все устройства соединены между со­бой общей шиной, которая представляет собой ряд электрических проводников, по которым эта информация передается в виде элек­трических сигналов.

Рассмотрим, чем занимается каждое устройство компьютера в отдельности. Прежде всего, выделим два устройства, образующих "мозг" компьютера, - это процессор и оперативная память. Именно эти два устройства осуществляют главную обработку информации, они решают все задачи, вычисляют траектории, обдумывают шах­матные ходы и т. д. Только не надо забывать, что все это они дела­ют, выполняя команды программы, а это значит, что весь ин­теллект компьютера сосредоточен не в них, а в программе; умен не сам компьютер, а находящаяся в нем программа. Поэтому часто вместо того, чтобы сказать: "Компьютер решил задачу", говорят "Программа решила задачу".

Процессор можно назвать "начальником" над остальными уст­ройствами компьютера, так как он во время выполнения программы руководит работой всех устройств. Именно он "понимает смысл" каждой команды программы и выполняет ее сам или приказывает выполнить ее другим устройствам. Однако процессор почти ничего не помнит. Вернее, его память очень мала.

А вот оперативная память специально предназначена для того, чтобы быстро запоминать и быстро вспоминать большие объемы информации, больше ничего она делать не умеет. Короче, процес­сор и память могут решать сложные задачи только совместно.

Порядок обмена информацией между устройствами компьютера

Рассмотрим порядок, в котором обычно обмениваются информа­цией устройства компьютера во время выполнения программы. Пусть мы только что придумали программу для перемножения двух чисел, одно из которых находится на дискете, а другое должно вво­диться с клавиатуры. Вот алгоритм программы:

1. Ввести число с дискеты.

2. Ввести число с клавиатуры.

3. Перемножить эти числа

4. Показать результат на мониторе.

Пусть мы написали эту программу на языке Бейсик и теперь хо­тим ее выполнить на компьютере. Для этого мы должны иметь дис­кету с Бейсиком. Мы включаем компьютер, он несколько секунд го­товится к работе, после чего мы вставляем в дисковод дискету с Бейсиком и нажимаем несколько клавиш. Бейсик с дискеты через шину переписывается (загружается) в память. После этого компью­тер сообщает, что готов принимать от нас программу на Бейсике, и мы эту программу набираем на клавиатуре. (Дискета с Бейсиком нам больше не нужна, и мы вынимаем ее из дисковода.)

Все современные компьютеры могут выполнять программу толь­ко тогда, когда она находится в оперативной памяти.

В соответствии с этим требованием наша программа автоматиче­ски по мере ввода с клавиатуры отправляется в память и там запо­минается. Примерно в это же время мы вставляем в дисковод дискету с одним из двух чисел. Как только вся программа введена, мы нажатием клавиши приказываем компьютеру ее выполнить. И вот что в общих чертах происходит дальше.

Как только программа была запущена на выполнение, про­цессор, прежде всего приказывает памяти послать ему по шине пер­вую команду программы. После того, как эта команда (ввод числа с дискеты) пришла в процессор, он воспринимает ее и отдает приказы устройствам компьютера на ее выполнение. В нашем случае он отдает приказ дисководу про­честь с дискеты число (пусть это было число 3) и направить его по шине в оперативную память, а оперативной памяти приказывает принять это число и запомнить. Как только число запомнилось, процессор считает команду выполненной и приказывает памяти по­слать ему вторую команду (которой оказался ввод числа с клавиату­ры). Восприняв ее, он приказывает компьютеру остановиться и ждать, когда человек введет с клавиатуры какое-нибудь число. Как только человек набрал число на клавиатуре (пусть он набрал -0.25), клавиа­тура докладывает об этом процессору и тот приказывает ей напра­вить число в память или, возможно, запоминает его сам. После это­го он принимает из памяти третью команду (умножение). Внутри процессора имеется арифметическое устройство - своеобразный ав­томатический карманный калькулятор, способный выполнять четы­ре действия арифметики. Пусть второе число уже находится в процессоре, тогда он приказывает памяти послать ему по шине первое число, перемножает оба числа, после чего запоминает результат сам или отправляет его в память. На­конец, он получает из памяти последнюю команду, согласно кото­рой приказывает памяти отправить результат (-0.75) на монитор. На этом вы­полнение программы заканчивается, компьютер останавливается и ждет от человека ввода новой программы или исправления старой.

Итак, мы видим, что работа процессора состоит в том, чтобы считывать из памяти по порядку команды программы, воспринимать их, после чего выполнять их самому или приказывать выполнить другим устройствам.

Работа оперативной памяти состоит в том, чтобы хранить про­грамму во время ее выполнения, а также принимать от любых устройств, запоминать и отправлять в любые устройства любую информацию, с которой работает программа. Такая информация, в от­личие от программы, называется данными. В нашем случае данными являются числа 3 и -0.25 (это исходные данные решения задачи), а также -0.75 (это число является результатом). Программа - это предписание того, что нужно делать с исходными данными, чтобы получить результат, а данные - это информация, над которой производит действия программа и которая зачастую в программе не содержится. Так, в нашей программе нигде не заданы значения пе­ремножаемых чисел. Оба они находятся совсем в другом месте - одно на дискете, другое вводится с клавиатуры.

Если программа предназначена для сложения 10000 чисел, запи­санных на дискете, то данными будут эти 10000 чисел. Если про­грамма предназначена для подсчета количества слов в тексте рас­сказа, вводимого с клавиатуры, то данными будет этот текст. Если программа предназначена для распечатки на принтере изображения с экрана дисплея, то данными будет изображение. Если программа предназначена для распознавания речи, вводимой в компьютер с микрофона, то данными будет звук. В подавляющем большинстве случаев данные во время их обработки хранятся в оперативной па­мяти.

Взаимодействие различных устройств компьютера можно упо­добить взаимодействию нескольких заводов, стоящих вдоль скоро­стного шоссе (шины) и производящих друг для друга различную продукцию (информацию). При этом память - это не завод, а боль­шой перевалочный склад, стоящий на том же шоссе. А на заводах собственных складов нет или они маленькие. Пусть сегодня один завод произвел для другого большое количество деталей, которые другой завод будет использовать в течение целого месяца. Целиком все детали этот второй завод сегодня забирать не будет, потому что ему складывать их некуда. Первому заводу их тоже негде хранить. Тогда первый завод везет все детали на перевалочный склад, откуда второй завод будет их понемножку забирать по мере надобности.

Назначение других устройств компьютера, кроме процессора и памяти, рассмотрим в разделе 3.4.