מבנה המחשב

באופן מפתיע, על אף התקדמותה המסחררת של הטכנולוגיה בכל הקשור למחשבים, מרבית המחשבים כיום בנויים על פי אותו מודל שלפיו נבנו ראשוני המחשבים, מכונת פון נוימן.

לפי המודל, בנוי המחשב מארבע קבוצות רכיבים עיקריות. הרכיבים מחוברים ביניהם על ידי חבילות חוטים הנקראים "אפיקים" (באנגלית: buses). כלל הרכיבים מונָעים, לרוב, על ידי שעון פנימי או "טיימר" (אם כי גם אירועים אחרים יכולים להשפיע על בקרת הפעולה(.

מבט על מחשב אישי מודרני על חלקיו השונים

1. צג

2. לוח אם



3. מעבד

4. זכרון RAM

5. כרטיס הרחבה

6. ספק כח

7. כונן אופטי

8. כונן קשיח

9. מקלדת

10. עכבר

התקני הקלט-פלט.

 

התקני הקלט-פלט הם האמצעים שבעזרתם מתקשר המחשב עם העולם החיצון. בעזרת התקני הקלט מקבל המחשב מידע שלו הוא זקוק מהחוץ, ובאמצעות התקני הפלט הוא שולח החוצה מידע חיוני (תוצאות חישובים או הודעות אחרות שעליו להעביר). מכורח המציאות חייב כל מחשב לפחות מספר מצומצם של התקני קלט-פלט, אחרת לא נוכל להורות לו מה לעשות ולא נוכל לדעת את תוצאות הפעולות שהוא מבצע.

מקלדת, התקן קלט שכיח המצוי כמעט בכל מחשב

התקני קלט דרושים לשם העברת פקודות ונתונים למחשב. בלעדיהם לא נוכל להעביר למחשב את רצוננו ואז לא יהיה בו שום שימוש עבורנו. בעבר צוידו המחשבים בקורא כרטיסים מנוקבים, המידע הנחוץ הועבר למחשב בצורה בינארית כחורים על גבי הכרטיסים, והקורא תרגם זאת למספרים בזיכרון. כיום, התקני הקלט הבסיסיים, המצויים כמעט בכל מחשב, הם מקלדת ועכבר. במחשבים מסוימים יש התקני קלט נוספים, כמו הסורק ומצלמת האינטרנט, שמטרתם העברת מידע ייחודי יותר למחשב: במקרה של סורק ומצלמת אינטרנט מדובר בתמונות או בסרטים.

התקני פלט דרושים לשם העברת מידע מהמחשב לעולם החיצון, לרוב למשתמש. מידע זה כולל את תוצאות הפעולה שהתבקש המחשב לבצע, הודעה על שגיאות או על אזהרות, בקשות לקלט ובמקרה של מערכת משובצת מחשב, השפעה של ממש על העולם, לדוגמה הזזת רובוט. בעבר היה התקן הפלט העיקרי סוג כלשהו של מדפסת, שפלטה את תוצאות המחשב. כיום, התקן הפלט העיקרי הוא הצג, אך גם המדפסת והרמקולים שכיחים למדי. במקרה של מערכת משובצת מחשב, המכונה שעליה שולט המחשב היא התקן הפלט. אם למשל שולט המחשב על רובוט, אזי הרובוט עצמו הוא התקן הפלט העיקרי של המחשב. ללא התקני הפלט לא יוכל המחשב לדווח על תוצאות הפעולה שביצע עבורנו והן יאבדו כאילו לא בוצעה הפעולה מעולם.

למרות החלוקה בין התקני קלט להתקני פלט, לעתים משמש מכשיר אחד לשתי המטרות. לדוגמה, כונן הCD משמש הן כהתקן פלט בעת צריבת נתונים לדיסק לשם שמירתם לשימוש מאוחר יותר במחשב שצרב אותם או במחשב אחר, והן כהתקן קלט כאשר מגיע זמן השימוש בנתונים אלה במחשב שצרב אותם או במחשב אחר.

קיימות קבוצות רבות של התקני קלט-פלט שונים. קבוצה אחת (נרחבת מאוד) של התקני קלט-פלט היא אמצעי אחסון המידע המשניים. עם קבוצה זו נמנים הכונן הקשיח, כונן התקליטורים, הדיסק און קי ורבים אחרים שהמשותף ביניהם הוא, שכולם אמצעי אחסון מידע איטיים יחסית אך בעלי קיבולת מידע גבוהה ואמינות גבוהה (בניגוד לזיכרון המחשב המהיר פי עשרות מונים אך קטן יחסית ומתרוקן בכל הפעלה מחדש של המחשב). קבוצה נוספת היא זו של התקנים המאפשרים תקשורת בין מחשבים בכלל, וגישה לרשתות בפרט, בין אם לרשת מחשבים או לרשת האינטרנט. היכולת להעביר מידע בין קבוצות מחשבים פתחה חלון אפשרויות רחב במיוחד, בייחוד כאשר מדובר על מיליוני מחשבים המחוברים יחדיו ברשת האינטרנט. קיימים התקני קלט-פלט נוספים המיועדים למטרות ממוקדות יותר, החל ממצלמה, עבור הכנסת תמונה למחשב, וכלה במכשירים מתוחכמים יותר לשימושים מקצועיים, כמו התקנים המעבירים למחשב רישומי דופק או נוכחות זיעה ומשמשים, למשל, בעת ביצוע בדיקת פוליגרף.

   זיכרון המחשב.

 

זיכרון המחשב משמש לאחסון הפקודות והנתונים השונים.

ניתן להמשיל את זיכרון המחשב לרשימת תאים, לדוגמה תאי דואר. לכל תא יש כתובת ויכולת להכיל בתוכו כמות קבועה של מידע. הכתובת היא מספר ייחודי המייצג את התא, ובאמצעותו ניתן לגשת אל התא לשם אחסון מידע או אחזורו. התאים מצויים זה אחר זה בזיכרון, וכתובותיהם עוקבות. המידע יכול להיות פקודה המורה למחשב מה לעשות, או לחלופין נתון. הנתונים יכולים להיות הקלט שעל המחשב לעבד, תוצאות ביניים של חישובים שעשה המחשב ואולי ישתמש בהם בהמשך, או התוצאות של פעולת המחשב. לפי מודל פון ניומן, לכל תא היכולת להכיל פקודה או נתון ואין צורך בתא מיוחד לכל אחד מסוגי המידע.

"זיכרון קריאה בלבד" - "ROM"

קיימים התקני חומרה שהם "כמעט כמו" זיכרון, והמכונים "זיכרון קריאה בלבד". התקנים אלו, המאפשרים גישה אקראית, לא עונים על ההגדרה המקובלת לזיכרון מחשב, משום שהמעבד אינו יכול לכתוב לתוכם, אלא רק לקרוא מהם מידע שנכתב מראש. נהוג להבחין בין מעין-זיכרון זה לבין זיכרון רגיל, ובהתאם ניתן למצוא בהרבה הסברים חלוקה של זיכרון המחשב ל-ROM ול-RAM.

השימוש בזיכרון

זיכרון המחשב משמש לאחסון התוכנית שהמחשב מבצע ולאחסון הנתונים שתוכנית זו קוראת או כותבת בעת ביצועה על ידי המעבד. בהתאם לכך, תוכנו של הזיכרון משתנה תוך כדי פעולת התוכנית. בעיקר משתנה החלק שבו נמצאים הנתונים המעובדים, אך לעתים משתנה גם החלק שבו נמצאת התוכנית (הוא בוודאי משתנה כאשר התוכנית המתבצעת מוחלפת באחרת). בנוסף לזיכרון, רוב המחשבים מכילים גם אמצעי אחסון חיצוניים, שתוכנם נשמר לטווח ארוך, ובהם דיסק קשיח, תקליטור, דיסק און קי ועוד. בעבר כונו שני הסוגים הללו "זיכרון ראשי" ו"זיכרון משני", בהתאמה.

גודל הזיכרון שהמחשב זקוק לו תלוי ביישומי המחשב אותם מפעיל המשתמש וביעילות מערכת ההפעלה של המחשב. מערכות ההפעלה ותוכנות מחשב בכלל דורשות כמות מינימלית של זיכרון RAM כדי לפעול כהלכה.

במחשבים אישיים, להרצת מערכת חלונות XP נחוץ זיכרון של לפחות 128 מגה בייט RAM כדי לפעול באופן מלא. מחשבים בעלי 64-128 מגה בייט עדיין יכולים להשתמש במערכת ההפעלה הזו, אך חלקים מהפונקציונליות שלה יהיו מנוטרלים. במחשב עם פחות מ-64 מגה בייט אין אפשרות להתקין את המערכת. במקרים רבים, הגדלת הזיכרון (אם על ידי הוספת כרטיס זיכרון, או על ידי החלפת כרטיס קיים בגדול יותר) משפרת את ביצועי המחשב.

במחשבים הראשונים שימש הזיכרון את מערכת ההפעלה, ובנוסף לה תוכנית אחת בלבד (בזמן נתון), שלרשותה עמד כל יתר הזיכרון של המחשב. בתחילת שנות ה-60 נוצרו מערכות הפעלה הפועלות בריבוי משימות, כך שבזיכרון שכנו בזמן נתון תוכניות אחדות, שכל אחת מהן קיבלה לשימושה נתח מהזיכרון, שנקרא

היחידה האריתמטית-לוגית

היחידה האריתמטית-לוגית מסוגלת לבצע שלושה סוגים של פעולות בסיסיות:

§         פעולות אריתמטיות

למשל, חיבור או חיסור שני מספרים. אוסף הפעולות האריתמטיות שיכולה היחידה לבצע עלול להיות דל ביותר עד כדי מצב שבו בחלק מן הדגמים לא מומשה ישירות האפשרות של כפל וחילוק (במקום מימוש ישיר בחומרה, יש להשתמש בתוכנות המבצעת כפל וחילוק באמצעות אלגוריתם).

* פעולות על מחרוזות בזיכרון המחשב

בשפות תכנות אימפרטיביות המחרוזת מאוחסנת כמערך של תווים. בשפות פונקציונליות (כגון LISP או Haskell) מחרוזות מאוחסנות כרשימה.

יש מספר צורות מקובלות להתייחסות למחרוזת:

·         ישנן שפות המתייחסות למחרוזת כאל מערך רגיל (למשל C) אבל בגלל שימושיותה הרבה של המחרוזת נכתבו לה פונקציות ספריה מיוחדות.

·         ישנן שפות בהן המערך מטופל כטיפוס מיוחד בשפה (בדומה למספר), למשל ב־BASIC.

בשפות בהן צורת האחסון היא תמיד כמערך, הצורה המדויקת משתנה בהתאם לשפה:

·         בחלק מהשפות (כמו C, אסמבלר), האחסון הוא בצורה של מערך שבסופו יש תו מציין.

·         בשפות מסוימות (למשל Pascal) המערך מאוחסן עם הגודל שלו בתחילת המערך.

·         בשפות אחרות (למשל ADA) אין כלל טיפול בגודל המערך על ידי השפה ועל המתכנת לדאוג לשמור את גודל המערך.

·         ישנן שפות (למשל ב־Visual Basic) בהם נוקטים הן את שיטת התו המציין ואת שיטת שמירת הגודל.

בשפות בהן המחרוזת היא אובייקט, לרוב ההקצאה היא אוטומטית (כלומר כאשר מגדילים את גודל המחרוזת, המערכת מקצה שטח זיכרון גדול יותר) ואילו בשפות אחרות ההקצאה היא סטטית (אם חורגים מגודל המערך ב־C עלולים לקבל השחתת זיכרון).

פעולות אופייניות על מחרוזות הן:

·         שרשור: איחוד שתי מחרוזות למחרוזת אחת.

·         יצירת תת-מחרוזת ממקום מסוים ובאורך מסוים ממחרוזת נתונה. דוגמה: מתת-המחרוזת הנמצאת החל מהמקום החמישי באורך 2 של המחרוזת 'שלום רב שובך' היא 'לך'.

·         איתור תת-מחרוזת נתונה במחרוזת נתונה. דוגמה: חיפוש המחרוזת 'לך' במחרוזת 'שלום רב שובך' ייתן את התוצאה 5 (או 4 במחרוזת שהתו הראשון בה נמצא במקום ה-0).

§         פעולות לוגיות

פעולות השוואה בעיקר. למשל, בהינתן שני מספרים, קבע האם הם שווים, ואם לא, מי מהם גדול יותר.

 יחידת השליטה

יחידת השליטה היא הגורם הקושר יחדיו את כל הרכיבים. היחידה קוראת פקודות ומידע מהזיכרון או מהתקני הקלט-פלט. היא מפענחת את הפקודות ומתחילה לפעול לפיהן. היא מספקת ליחידה האריתמטית-לוגית את הנתונים הדרושים, לפי הפקודה, ומכוונת אותה לבצע את סוג הפעולה הנדרשת. לאחר מכן שולחת יחידת השליטה את התוצאה בחזרה אל הזיכרון או אל התקני הקלט-פלט המתאימים. בתוך יחידת השליטה ישנו מונה השומר את כתובת הזיכרון שבה שמורה הפקודה הנוכחית עליה עובד המחשב, שמו "מונה הפקודות". קיימות פקודות לבקרת זרימה, שמטרתן שינוי המונה או שינויו תחת תנאים מסוימים (אם מתקיים תנאי מסוים). בכך מתאפשרות חזרות מרובות על מספר פקודות (לולאות) או "קפיצות" לקטעי קוד אחרים (למשל, פונקציות). לעומת זאת, רוב הפקודות אינן משפיעות על המונה ולאחר ביצוען מקודם המונה במספר השקול לגודלה של פקודה (הגודל תלוי במחשב המדובר), דבר המוביל למעבר לפקודה הבאה ברצף הפקודות בזיכרון.

יחידת השליטה והיחידה האריתמטית-לוגית מזוהות לרוב כרכיב אחד הנקרא מעבד (CPU - Central Processing Unit). במרבית המחשבים, החל משנות ה-80 ועד ימינו, נמצאות יחידת השליטה והיחידה האריתמטית-לוגית על גבי רכיב אחד הנקרא מיקרומעבד. במעבד מתרחשות הבאת הפקודות, תרגומן, הבאת הנתונים, עיבודם ולבסוף, שמירת התוצאות בזיכרון.

מבין כל מרכיבי המחשב, המעבד הוא הקובע יותר מכל את אופיו של מחשב זה, ואת התוכניות שניתן לבצע עליו. לפיכך המעבד נחשב ל"מוחו" של המחשב.