Принципи функціонування комп'ютера Фізичні принципи

Комп'ютер опрацьовує значні обсяги інформації з великою швидкістю і високою точністю. Розглянемо, як це відбувається.

Функціонування сучасного комп'ютера базується на злагодженій роботі декількох основних вузлів, що знаходяться у системному блоці і складаються з мініатюрних електронних пристроїв, які можуть перебувати в одному з двох можливих фізичних станів. Тому будь-яка інформація (дані, програми тощо) кодується послідовністю нулів та одиниць і циркулює в комп'ютері у вигляді електричних сигналів двох типів — імпульсів (1) чи пауз (0).

Закодована інформація міститься в регістрах процесора (частки секунди) або в оперативній нам'яті (під час виконання програми), або у постійній чи дисковій пам'яті (тут вона зберігається постійно).

Важливими елементами процесора є регістри. Один регістр опрацьовує 8, 16, 32 бітів інформації або більше. Це число визначає розрядність регістра і процесора. В персональних комп'ютерах застосовують переважно 16- та 32-розрядні мікропроцесори, у більш досконалих моделях та у великих комп'ютерах — 64-розрядні.

Усі розряди опрацьовуються у регістрі під час надходження лініями зв'язку електричних сигналів. Відповідні лінії зв'язку називаються шинами (каналами, магістралями). Від розрядності шини m, яка визначається кількістю провідників в одній шині, залежить швидкість обміну інформацією між процесором та пам'яттю. Отже, чим вища розрядність регістра та шини, тим більший обсяг інформації надходить у процесор за одиницю часу. Шини бувають 8-, 16-, 20-, 32-розрядними тощо.

Тригер. Регістр складається з тригерів — пристроїв, що зберігають 1 біт інформації: 0 або 1. Тригер може перебувати в одному з двох стійких станів, доки працює комп'ютер і доки на входи тригера не надходить сигнал зміни стану. Один із станів позначається «1» і йому відповідає наявність напруги (це вихідний сигнал) на головному виході тригера. Якщо на вхід тригера подати сигнал зміни стану, то тригер перейде у протилежний стан, наприклад, стан «0», при якому напруги на головному виході нема. Технічно один тригер базується на двох транзисторах.

Транзистори, резистори та інші елементи настільки малі, що їх мільйони можна розмістити на невеликих напівпровідникових пластинках. Це — інтегровані пристрої (інтегральні схеми, чіпи). З них, зокрема, складається оперативна пам'ять. Саме вони зберігають великі обсяги інформації під час роботи комп'ютера. Необхідні чи додаткові пристрої пам'яті, основний та допоміжні процесори (адаптери й контроллери) та інші пристрої вкладають у гнізда, які є на материнській платі у системному блоці.

Для дискової магнітної пам'яті використовують магнітний принцип зберігання інформації. Диски обертаються з великою швидкістю. Під дією електричних імпульсів, які надходять зі спеціальних головок, феритові магнітні елементи, що розташовані на концентричних доріжках, змінюють свої магнітні стани (перемагнічуються). Стани, в яких може перебувати один магнітний мікроелемент, позначають «0» або «1». Завдяки залишковій магнітній індукції матеріалу елемент перебуває в одному з таких станів як завгодно довго.

Густина запису на магнітному диску різна, наприклад, 100 бітів на 1 мм доріжки. Деякі комп'ютери використовують одночасно декілька магнітних дисків. Диски є змінними. Отже, у зовнішній пам'яті можна зберігати практично необмежені обсяги інформації.

Що станеться, якщо вимкнути живлення? Для функціонування тригера потрібний електричний струм. Тому після вимикання живлення інформація в оперативній пам'яті зникає. Постійна ж пам'ять реалізована так, що інформація в ній залишається навіть після вимикання струму. Для підтримання фіксованого стану магнітних чи оптичних елементів живлення не потрібне, тому дискова (зовнішня) пам'ять також не чутлива до вимикання комп'ютера. Саме тому її використовують для тривалого зберігання інформації.

Велика швидкодія комп'ютера досягається завдяки здатності елементів змінювати стани мільйони разів за секунду. Ця здатність визначається тактовою частотою, яка залежить від фізичних властивостей елементів електронної схеми. На початку 70-х років вона становила 5-10 МГц, а 90-х — сягала 150-200 МГц, зараз 1,2-1,8 ГГц.

Висока точність (надійність) комп'ютера залежить від здатності машини однозначно розпізнавати чи проходять імпульси (до 5 вольт) в електричних колах, чи є паузи (напруга, менша 0,5 вольта).

Довідка. Крім регістрів, функціональними вузлами процесора є суматори, лічильники, шифратори та дешифратори. Суматор — це основа арифметико-логічного пристрою процесора. На входи суматора надходять сигнали типу «1» або «0» (у вигляді імпульсу або паузи), а на виходах — результат їх додавання. Лічильник підраховує кількість сигналів типу «1», що потрапили на його вхід. Шифратор — це пристрій, який перетворює вхідну інформацію у сигнали типу «0» та «1». Дешифратор виконує зворотну функцію.