Jak działa komputer? Bajtek tłumaczy i wyjaśnia

Cześć, jestem Bajtek i tata niedawno kupił mi nowy komputer, żebym mógł się uczyć w domu (i oczywiście grać). To spora, czarna skrzynka, a za szybką z boku widzę mnóstwo ciekawych elektronicznych części. Wygląda to niezwykle skomplikowanie, a do tego te wszystkie światełka! Tak mnie to zaciekawiło, że postanowiłem się dowiedzieć, jak ta machina działa.

Krótka lekcja historii

Moją podróż w zdobywaniu wiedzy o komputerach zacząłem od lekcji historii.

Początkowo komputery bardzo różniły się od tych, które stoją u mnie w domu. Pierwszy komputer zbudowany w 1945 roku nosił nazwę ENIAC i potrafił przeprowadzić 5000 działań odejmowania i dodawania w ciągu sekundy. Może się to wydawać sporo, jednak przy współczesnych komputerach ta moc obliczeniowa to pikuś.

ENIAC składał się z wielu szaf o wysokości 3 metrów, ważył 27 ton (czyli niemal tyle samo co drugowojenny czołg Sherman M4A1) i zajmował prawie całe piętro budynku. Komputer ten był więc ogromny, strasznie ciężki i do tego pobierał niesamowicie dużo energii.

Pierwszy komputer ENIAC
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/ENIAC

Dopiero kilkadziesiąt lat później, bo w 1981 roku do sprzedaży trafił pierwszy komputer klasy PC (Personal Computer), który kupić mógł niemal każdy… o ile miał bardzo dużo pieniędzy. Sprzęt ten nazywał się IBM 5150, jego procesor Intel 8088 pracował z „zastraszającą” prędkością 4.77 MHz, posiadał 64 kB pamięci na dysku i tyle samo pamięci krótkotrwałej RAM. Za taką „monstrualną” konfigurację w przeliczeniu na dzisiejsze pieniądze trzeba było zapłacić niemal 20 000 złotych.

pierwszy komputer klasy PC IBM 5150
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/IBM_5150

Od tego momentu komputery systematycznie się rozwijały. Stawały się coraz mniejsze, szybsze i coraz tańsze, oferując jednocześnie większe możliwości.

Jak działa komputer?

Tak naprawdę pierwsze dostępne w sprzedaży komputery, wyprodukowane prawie 40 lat temu konstrukcyjnie niewiele różnią się ze współczesnymi maszynami, które stoją na biurkach.

Wyróżnić można kilka kluczowych elementów, które posiada typowy komputer PC:

  • 1. procesor
  • 2. karta graficzna
  • 3. płyta główna
  • 4. zasilacz
  • 5. dyski twarde HDD i SSD
  • 6. obudowa
  • 7. system chłodzenia
  • 8. pamięć RAM
  • 9. system operacyjny
wnętrze komputera stacjonarnego

Co ciekawe każdy z tych elementów posiadają również współczesne smartfony. Oczywiście części te są odpowiednio mniejsza niż w pełnoprawnym, pełnowymiarowym komputerze.

Patrząc na wnętrze typowego domowego PC’ta, byłem przestraszony ilością kabli, układów i całej tej elektroniki. Przestałem się jednak bać, gdy poznałem, jak komputer działa i za co każda z jego części odpowiada. Okazało się też, że komputer tylko z pozoru jest skomplikowany, a sposób jego działania jest niezwykle prosty i logiczny. Jego pracę można przyrównać do ludzkiego ciała a każdy z jego komponentów to właściwie odpowiednik różnych narządów wewnętrznych i zewnętrznych.

1. Procesor – mózg komputera

Sercem (a właściwie mózgiem) każdego komputera jest jego procesor (CPU – Central Processing Unit). Ten dość spory kawałek krzemu, przykryty metalową płytką odpowiada za wszystkie najważniejsze obliczenia wykonywane przez komputer.

Procesor komputerowy CPU

Każdy uruchomiony program, każda wprowadzona literka na klawiaturze, przeglądana strona internetowa, odpalona gra czy nawet każde ruszenie myszką. Wszystkie rzeczy, które dzieją się na komputerze, muszą przejść przez procesor. To on decyduje, które działanie bądź aplikacja ma się uruchomić pierwsza. Przez niego przepływają również informacje, które trafiają do innych komponentów PC’ta, takich jak karta graficzna czy pamięć RAM.

W dzisiejszych komputerach znaleźć można procesory, posiadające nawet 6, 8 czy 16 rdzeni, a głównymi producentami CPU jest Intel i AMD. Każdy rdzeń najprościej mówiąc odpowiada za przydzielone mu zadanie. Gdy rdzeni w procesorze jest więcej, to procesor jest w stanie wykonać więcej zadań jednocześnie. Można to porównać do autostrady – im więcej pasów ma autostrada tym więcej samochodów może przez nią jechać w tym samym momencie.

2. Karta graficzna – droga wzrokowa   

Wszystkie te skomplikowane czynności, które wykonuje komputer, na nic by mi się zdały, gdybym nie mógł zobaczyć ich wyników. Na ratunek przychodzi karta graficzna i jej GPU (Graphics Processing Unit). Co ciekawe kartą graficzną jest cały układ odpowiedzialny za przetwarzanie grafiki, w przypadku komputera stacjonarnego wyglądający zazwyczaj jak podłużny, dość spory element wsadzony prostopadle do płyty głównej z kilkoma wentylatorami.

karta graficzna

GPU natomiast to podobny do procesora układ zamontowany na płytce na samej karcie graficznej i ukryty jest pod wentylatorami i radiatorami (radiatory to te metalowe żeberka).

Do karty graficznej wysyłane są informacje o konieczności wyświetlenia jakiegoś obrazu na ekranie i to ona renderuje i generuje wszystkie elementy w grach wraz z efektami specjalnymi, takimi jak oświetlenie, cienie czy efekty cząsteczkowe. Wtedy karta ta odkodowuje przesłane do niej informacje i zmienia je na sygnał, który przesyłany jest później przez kabel wprost do monitora. Standardów połączenia monitora kartą graficzną jest kilka, min. HDMI, DisplayPort, VGA i DVI. Różnią się one możliwościami i prędkością przesyłanych danych.

W komputerze przeznaczonym do gier to właśnie karta graficzna najczęściej jest najdroższym elementem. Nic dziwnego, w końcu jest to zazwyczaj najwydajniejsza część w komputerze, gdyż oprócz generowania przepięknej grafiki w grach musi tworzyć takich scen wiele razy na sekundę, aby rozgrywka była płynna. Mało tego, każda klatka gry przy najbardziej standardowej dzisiaj rozdzielczości Full HD składa się z 2 073 600 pikseli.

Gra, działająca z płynnością 60 klatek na sekundę generuje w takim razie ponad 124 miliony pikseli na sekundę. Każdy z tych pikseli musi zostać bez jakichkolwiek opóźnień czy błędów stworzony przez kartę graficzną. Jest to więc prawdziwy cud techniki!

3. Płyta główna – układ krwionośny

Układem krwionośnym, rozsyłającym czerwone krwinki, a w tym przypadku dane i zarządzającym komunikacją wewnątrz ciała (komputera) jest właśnie płyta główna. To w nią wpięte są poszczególne części komputera i to ona łączy je wszystkie w jedną, wspólnie działającą całość.

płyta główna

Na płycie głównej (MoBo – MotherBoard) typowego komputera stacjonarnego znajduje się kilka niemal zawsze powtarzających się elementów. Są nimi:

  • Gniazdo procesora (socket)
  • Gniazdo pamięci RAM
  • Wejścia do podłączenia dysków i napędów optycznych SATA
  • Gniazda kart rozszerzeń PCI-E, gdzie wpina się przykładowo kartę graficzną
  • Wejście na zasilanie, zazwyczaj 24-pinowe

Cała płyta główna usiana jest setkami tysięcy maleńkich połączeń, tranzystorów, kondensatorów i drobnych układów. Patrząc na nią od góry w niektórych miejscach może przypominać nawet miniaturowe miasta, gdzie ścieżki wyglądają jak ulice a układy elektroniczne są niczym budynki.

Gdy uruchamiam jakiś program, to sygnał o włączeniu musi najpierw przejść przez kabel myszki, później do procesora, następnie do dysku twardego a z niego aplikacja się włączy i przejdzie do pamięci RAM. To właśnie płyta główna trzyma pieczę nad kontrolą komunikacji między tymi wszystkimi czynnościami.

4. Zasilacz – układ pokarmowy

Każdy organizm potrzebuje energii, aby działać. Nie inaczej jest z komputerami. I tak jak rodzice pilnują, abym jadł dobre i wartościowe rzeczy, tak zasilacz w komputerze pilnuje, aby układom komputera nie stała się krzywda i by nie zabrakło im energii do pracy.

zasilacz PSU

Zasilacz komputerowy zmienia napięcia i natężenia energii dostarczanej do niego z gniazdka na takie, które jest wymagane przez konkretne części komputera. Każdy z wychodzących z niego przewodów jest przystosowany do czegoś innego i zakończony jest inną wtyczką. Dzięki temu podpinanie kabli zasilających do komponentów sprowadza się do tej prostej zasady: kwadratowa wtyczka do kwadratowego wejścia, prostokątna wtyczka do prostokątnego wejścia.

Trzeba oczywiście zawsze patrzeć na to, aby dany kabel idealnie pasował do wybranej wtyczki i nie można jej na siłę wciskać. W tym jednak zawsze pomaga instrukcja obsługi. Dodatkowo oprócz dostarczania prądu do komputera zasilacz posiada wiele różnych zabezpieczeń. Gdy pojawi się jakieś przepięcie albo gdy nagle wysiądzie zasilanie w budynku, zasilacz powinien ochronić wrażliwe komponenty komputera przed spaleniem.

5. Dysk twardy i SSD – pamięć długotrwała

Pamięć masowa jest przeciwieństwem pamięci RAM. Działa od niej zdecydowanie wolniej, szczególnie gdy porównany klasyczne dyski HDD talerzowe. Na niej jednak wszystkie dane są zapisywane na stałe.

dysk twardy HDD

Kiedy gram w jakąś grę singleplayer, to wszystkie aktualne postępy mojej rozgrywki wraz z grą są uruchomione w pamięci RAM. Kiedy jednak kliknę Zapisz grę i wybiorę slot do zapisu, to właśnie na dysku twardym tworzona jest kopia stanu gry, czyli inaczej Save.

Obecnie znacznie popularniejsze od zwykłych talerzowych dysków HDD są dyski SSD. Czym one się różnią?

Dysk HDD (Hard Disk Drive) działa podobnie do płyt CD czy DVD. Wewnątrz takiego dysku znajdują się… no właśnie, dyski magnetyczne. Gdy komputer chce wczytać jakieś dane z takiego nośnika, to igła wewnątrz dysku HDD podobnie do gramofonu musi przejechać po kręcącym się elemencie, aby odnaleźć na nim szukane dane. Z tego też powodu czas odnalezienia i wczytania takich danych jest wydłużony, bo igła musi znaleźć pliki na fizycznie obracającym się krążku.

Dyski SSD (Solid-State Drive), czyli pamięć półprzewodnikowa działają na podobnej zasadzie co pendrive’y. Wewnątrz nich nie ma żadnych ruchomych części a dane przechowywane są na krzemowych kościach pamięci. Dzięki temu komputer ma niemal natychmiastowy dostęp do plików.

Obecnie dyski twarde HDD i dyski SSD są bardzo wytrzymałe a przetrzymywane na nich pliki powinny bez żadnych przeszkód przetrwać na nich nawet lata, i to bez podpięcia dysku do komputera. Przeczytałem jednak aby zawsze robić dodatkowe kopie zapasowe ważnych rzeczy, takich jak zdjęcia czy dokumenty. Taka kopia na dodatkowym zewnętrznym dysku, pendrivie czy nawet w chmurze będzie zbawienna, gdy coś pójdzie nie tak i okaże się, że wiele godzin pracy bądź tysiące wspaniałych zdjęć z podróży ulegną nagle dezintegracji.

6. Obudowa – skóra i kości

Obudowa komputerowa jest niczym moja skóra i szkielet. To ona definiuje wygląd jednostki centralnej (tak właśnie nazywa się ta czarna skrzynka) i to do niej przytwierdza się niemal wszystkie części komputera. Sama w sobie posiada niewiele elektroniki, jedynie kilka przycisków do włączania komputera, przycisk do resetowania go i parę złączy USB. Aha, no i też te ładnie świecące wentylatory.

Obudowa komputerowa

Standardów obudów komputerowych jest kilka, głównie różniących się wielkością obsługiwanej płyty głównej. O ile wewnątrz obudowy są do siebie całkiem podobne, tak na zewnątrz różnią się od siebie niemal tak samo, jak twarze ludzi. Widziałem w internecie najróżniejsze ich kolory, kształty i podświetlenia. Są czasami bardzo nudne, jak skrzynka stojąca w pokoju taty, na której pracuje. Inne wyglądają jak prawdziwe statki kosmiczne, a jeszcze inne są mniejsze od pudełka na buty.

7. System chłodzenia – może to trochę obrzydliwe, ale ma dużo wspólnego z potem

Niemal każdy z elementów znajdujących się wewnątrz komputera wydziela jakieś ciepło. Gdy wymagam od komputera wyższej wydajności grając w jakąś grę, to często słyszę dobiegający z komputera szum. Ten dźwięk wydają wentylatory, które chłodzą wszystkie jego komponenty.

Chłodzenie komputerowe

Tak samo dzieje się z moim ciałem, gdy za dużo pobiegam na podwórku. Po chwili jestem cały zlany potem. A pot ma takie zadanie, aby schłodzić moją rozgrzaną skórę i mięśnie. Każdy z wentylatorów w komputerze ma swoje zadanie. Jest wentylator do chłodzenia procesora, oddzielne wentylatory do chłodzenia karty graficznej, jeszcze inny do chłodzenia zasilacza. Na samej obudowie też mam kilka wentylatorów. One zapewniają stały dostęp świeżego, chłodnego powietrza do wnętrza skrzynki.

8. Pamięć RAM – pamięć krótkotrwała

Pamięć ulotna, czyli RAM (Random Access Memory) to kości pamięci, w których przechowywane są aktualnie uruchomione aplikacje. Pamięć ta jest niezwykle szybka, wielokrotnie szybsza niż dyski znajdujące się w komputerze. Dzięki temu, gdy uruchamiam jakąś grę, która ma bardzo dużą mapę i szybko się po niej przemieszczam, to gra wczytana do pamięci RAM jest w stanie nadążyć z ładowaniem się nowych elementów otoczenia.

Pamięć RAM

Tak samo, gdy mam już uruchomioną przeglądarkę internetową, zminimalizuję ją i uruchomię jakąś grę, to ponowne przywrócenie okna przeglądarki zajmie znacznie mniej czasu niż całkowite „świeże” jej włączenie.

Nie bez przyczyny jednak ten rodzaj pamięci nazywa się „ulotną”. Gdy wyłączę komputer bądź przez jakąś usterkę zabraknie mu prądu, to wszystkie dane chwilowo przetrzymywane w RAM-ie wyparują. Dlatego też dowiedziałem się, że warto co chwilę robić zapisy czy to grając w Wiedźmina, czy pisząc pracę do szkoły w Wordzie. Lepiej stracić 5 minut swojej pracy/zabawy niż godzinę albo dwie.

9. System operacyjny – było o ciele, teraz o umyśle

Nawet najlepsze ciało, największe bicepsy i najszybsze nogi są niczym, gdy w głowie pusto. Z komputerami jest podobnie. System operacyjny jest właśnie takim umysłem komputera i to właśnie dzięki niemu mogę przeglądać internet, instalować programy, gry czy oglądać filmy i bajki.

OS (operating system) jest jednym dużym programem, zainstalowanym na dysku twardym, który uruchamia się zaraz po włączeniu komputera. Oprócz graficznego przedstawienia co się dzieje z pecetem system operacyjny tłumaczy również wszystkie wydawane przeze mnie polecenia na język zrozumiały dla maszyny.

Nawet zwykłe przejechanie kursorem po pulpicie musi zostać zarejestrowane przez zainstalowane w systemie operacyjnym sterowniki myszy, następnie przetłumaczone na sygnał o ruchu, który musi trafić do karty graficznej, a ta odpowiednio wyświetla przesunięcie gryzonia na ekranie. Cały ten proces zaczyna się właśnie od OS’a.

Na swoim blaszaku mam zainstalowany Windows 10, wiem jednak, że dostępnych systemów jest kilka. Oprócz okienek można również korzystać z macOS’a stworzonego przez Apple’a i wielu różnych dystrybucji Linuxa, w większości dostępnych a darmo. Każdy z tych systemów ma swoje wady i zalety, ale mi najbardziej podoba się mój pulpit Windowsa z tapetą z Zygzakiem McQueenem.

Komputer niczym ciało człowieka

Przeczesując internet w poszukiwaniu wiedzy o komputerach natrafiłem na wiele interesujących informacji na ich temat. To, że komputery są znacznie starsze ode mnie, a nawet starsze od moich rodziców bardzo mnie zdziwiło. Niesamowite było również to, że mój komputer jest wiele, wiele razy szybszy niż ten, który zawiózł astronautów na księżyc.

Komputery okazały się jednak bardzo logicznie działającymi maszynami. Mogę nawet powiedzieć, że moja czarna skrzynka przypomina mnie samego. Wszystkie jego elementy są niezbędne do prawidłowego działania, tak samo jak ja potrzebuję wszystkich narządów, aby być sprawnym w 100%.

Zobacz też: