Zacznijmy od tego, czym w ogóle jest komputer. Mówiąc najprościej, komputer - zwany również systemem komputerowym - jest urządzeniem elektronicznym, które otrzymuje dane wejściowe, takie jak liczby, tekst lub obrazy, wykorzystuje zestaw instrukcji (program) do przetwarzania i przekształcania ich w znaczące informacje w różnych formatach jako dane wyjściowe.
Elementy, które sprawiają, że system komputerowy działa, są ogólnie podzielone na dwie grupy: sprzęt i oprogramowanie.
Sprzęt komputerowy odnosi się do fizycznych elementów komputera lub systemu elektronicznego: maszyn samego komputera lub zewnętrznego sprzętu komputerowego. Klawiatura, monitor i części elektroniczne wewnątrz jednostki centralnej stanowią sprzęt.
Z kolei oprogramowanie reprezentuje elementy "niefizyczne", instrukcje, które mówią komputerowi, co ma robić. Pozwala nam ono "rozmawiać" z komputerem bez znajomości języka komputerowego. Najważniejszymi komponentami składającymi się na oprogramowanie komputera są system operacyjny (OS) i aplikacje.
System operacyjny funkcjonuje jako interfejs między sprzętem a programami użytkowymi. Ponieważ zazwyczaj w tym samym czasie działa kilka różnych programów komputerowych, które muszą mieć dostęp do zasobów komputera, system operacyjny koordynuje ich pracę, aby mieć pewność, że każdy program otrzyma to, czego potrzebuje.
Programy użytkowe (aplikacje) wykonują określone zadania w systemie: może to być program do edycji tekstu, odtwarzacz muzyki, przeglądarka internetowa itd.
Sprzęt i oprogramowanie są ze sobą ściśle powiązane: bez oprogramowania sprzęt komputerowy nie mógłby spełniać swojej funkcji. Bez sprzętu potrzebnego do wykonywania zadań zleconych przez oprogramowanie oprogramowanie byłoby bezużyteczne.
Elementy sprzętu muszą posiadać pewne właściwości, aby oprogramowanie mogło dobrze funkcjonować. Te elementy systemu komputerowego współdziałają ze sobą w celu wykonywania określonych zadań, więc aby je zrozumieć, ważne jest zrozumienie całego procesu, ponieważ ich prawidłowe funkcjonowanie opiera się na ich zależności od siebie nawzajem. Zazwyczaj ta współzależność jest wyrażona w warstwach.
Najwyższą warstwą systemu komputerowego jest oprogramowanie użytkowe - programy(aplikacje) umożliwiające nam interakcję z komputerem, z których zazwyczaj korzystamy.
Poniżej tej warstwy znajduje się system operacyjny - pełni on rolę tłumacza między aplikacjami a sprzętem, dzięki czemu rozumieją się one wzajemnie.
Na najniższej warstwie znajduje się sprzęt - wszystkie urządzenia, które można dotknąć. Systemy operacyjne, aby móc dobrze funkcjonować, muszą zostać zainstalowane na określonym sprzęcie.
Proces ten jest powszechny dla wszystkich systemów komputerowych, zarówno komputerów osobistych jak i przemysłowych.
Bliższe spotkanie ze sprzętem
Przyjrzymy się teraz głównym elementom sprzętu komputerowego i roli, jaką każdy z nich odgrywa. Ważne jest, abyśmy posiadali wiedzę na temat tych elementów i ich właściwości, ponieważ to one decydują o tym, jak dobrze komputery wykonują zadania, których od nich wymagamy. Gdy kupujesz nowy komputer lub wymieniasz części w komputerze, który posiadasz, prawdopodobnie będziesz musiał(a) zapoznać się ze specyfiką sprzętu, aby upewnić się, że będzie on działał prawidłowo w zależności od Twoich potrzeb: pracy, przeglądania Internetu lub grania w gry.
Chociaż skupimy się głównie na komputerze osobistym - ponieważ jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych typów komputerów - oraz na urządzeniach peryferyjnych, które są z nim powszechnie używane, te same zasady dotyczą wszystkich komputerów.
Części składowe komputera ogólnego przeznaczenia można podzielić na dwie kategorie: wewnętrzne i zewnętrzne. Wewnętrzny sprzęt komputerowy odnosi się do tych elementów, które są przeznaczone do umieszczenia wewnątrz systemu komputerowego i które pełnią ważne funkcje. Elementy zewnętrzne są podłączane do systemu komputerowego od zewnątrz. Nie są one niezbędne do funkcjonowania systemu, ale w inny sposób ułatwiają lub poprawiają jego funkcjonowanie.
Części składowe komputera obejmują następujące elementy:
Procesor
rocesor lub centralna jednostka obliczeniowa (central processing unit, CPU) wykonuje instrukcje zorganizowane w programy ("oprogramowanie"), które przekazują komputerowi, jakie dane ma przetwarzać i i w jaki sposób. Bez CPU uruchamianie programów na komputerze nie byłoby możliwe.
Jest on często nazywany "mózgiem" komputera, zawierającym wszystkie układy potrzebne do przetwarzania danych wejściowych, przechowywania danych i generowania wyników.
Szybkość, z jaką procesor przetwarza informacje, jest mierzona w gigahercach (GHz). Ogólnie rzecz biorąc, im większa szybkość, tym większa wydajność komputera.
Jednostka pamięci
Jednostka pamięci jest tym, co pozwala komputerowi zapamiętywać dane i informacje. Podobnie jak w przypadku pamięci ludzkiej, istnieje pamięć krótkotrwała (RAM) i pamięć długotrwała (dysk twardy).
Pamięć RAM (random-access memory) i ROM (read-only-memory) są używane do przechowywania danych komputerowych i procesor może mieć do nich bezpośredni dostęp.
Pamięć RAM jest używana do tymczasowego przechowywania informacji, które są aktualnie używane przez komputer.
Pamięć ROM służy do trwałego przechowywania instrukcji, które mówią komputerowi, w jaki sposób ma się uruchomić. W pamięci tej znajduje się również system operacyjny.
Dysk twardy (może być wewnętrzny lub zewnętrzny) służy do trwałego przechowywania danych i programów tak długo, jak tego potrzebujemy.
Zawartość pamięci RAM jest niestabilna i jest usuwana natychmiast po utracie zasilania przez komputer. Aby zachować swoją pracę nawet po wyłączeniu komputera, należy zapisać ją na trwałym nośniku (urządzeniu wewnętrznym lub zewnętrznym).
Płyta główna
Jest znana również jako "main board” i stanowi centralny węzeł obwodów, który umożliwia połączenie wszystkich elementów i urządzeń peryferyjnych podłączonych do komputera.
Płyta główna dostarcza zasilanie tam, gdzie jest ono potrzebne, komunikuje się ze wszystkimi innymi komponentami i koordynuje ich pracę, co czyni ją jednym z najważniejszych elementów wyposażenia komputera.
Wszystkie inne komponenty podłącza się do płyty głównej bezpośrednio (bezpośrednio do płytki obwodu drukowanego) lub pośrednio (przez porty USB) i współpracują one ze sobą, tworząc system komputerowy.
Karta graficzna
Karta graficzna lub karta wideo to urządzenie sprzętowe, które podłącza się do płyty głównej i które umożliwia komputerowi wyświetlanie obrazów na monitorze.
Procesor karty graficznej, zwany procesorem graficznym (GPU), jest podobny do procesora centralnego (CPU) komputera, ale został zaprojektowany specjalnie do wykonywania złożonych obliczeń matematycznych i geometrycznych, które są niezbędne do wyświetlenia grafiki.
Procesory GPU to wyspecjalizowane rdzenie przetwarzające, które mogą być wykorzystywane do przyspieszania procesów obliczeniowych. Procesory GPU były początkowo zaprojektowane do przetwarzania obrazów i danych wizualnych, a obecnie są wykorzystywane do usprawniania innych procesów obliczeniowych, takich jak uczenie głębokie (deep learning) czy nowoczesna infrastruktura sztucznej inteligencji.
Karta dźwiękowa
Karty dźwiękowe to wewnętrzne urządzenia sprzętowe, które podłącza się do płyty głównej i które umożliwiają systemowi komputerowemu wytwarzanie dźwięku. Pozwalają one również użytkownikom na podłączenie mikrofonów w celu wprowadzania dźwięków do komputera.
Zasilacz
Zasilacz to miejsce, dzięki któremu zasilanie dociera do systemu komputerowego z zewnętrznego źródła zasilania, a następnie jest rozdzielane przez płytę główną na poszczególne komponenty sprzętowe.
Urządzenia wejściowe
Są to urządzenia, za pomocą których dane i instrukcje są wprowadzane do komputera.
Urządzenia wejściowe dzielą się na dwie kategorie: ręczne urządzenia wejściowe (na przykład mysz, klawiatura, ekran dotykowy lub skaner), które muszą być obsługiwane przez człowieka w celu wprowadzenia informacji, oraz automatyczne urządzenia wejściowe (na przykład czytnik kodów kreskowych lub czytnik kart), które mogą samodzielnie wprowadzać informacje.
Urządzenia wyjściowe
Po przetworzeniu wprowadzonych danych stają się one informacjami użytkowymi, które są przekazywane użytkownikowi za pomocą urządzeń wyjściowych.
Urządzenie wyjściowe to ekran, drukarka lub inne urządzenie, które pozwala zobaczyć wyniki pracy komputera.
W komputerze przenośnym wszystkie elementy sprzętowe są wbudowane w jedną całość. A idąc jeszcze dalej, smartfon zawiera te same elementy połączone w jeszcze mniejszym urządzeniu.
Kiedy myślimy o komputerze, większość osób wyobraża sobie komputer osobisty, który mamy w domu lub komputer stacjonarny w pracy. Jednak obecnie komputery występują w wielu formach i są wykorzystywane do wielu różnych zadań. Poza przetwarzaniem i produkcją danych, komputery mogą również mieć zdolność do "działania", takiego jak na przykład kontrolowanie systemów, robotyka i tak dalej.
Rewolucja w dziedzinie urządzeń do przechowywania danych
Komputer cyfrowy reprezentuje dane za pomocą binarnego systemu liczbowego. Oznacza to, że każda forma informacji, niezależnie od tego, czy są to liczby, tekst, obraz czy dźwięk, może zostać przekształcona w cyfry binarne, z których każda ma wartość 1 lub 0. Najbardziej powszechną jednostką zapisu jest bajt, równy 8 bitom. Dana informacja może być przetwarzana przez dowolny komputer lub urządzenie, którego przestrzeń dyskowa jest wystarczająco duża, aby pomieścić binarną reprezentację danej informacji, lub po prostu danych.
Dlatego też zdolność do przechowywania danych zapewnia komputerom jedną z ich podstawowych funkcji, jaką jest przechowywanie danych cyfrowych. Choć dziś uważamy tę funkcję za oczywistą, przechowywanie danych w komputerach przeszło długą drogę od wczesnych dni informatyki.
Na początku programowanie komputerów polegało na użyciu sztywnych kartek papieru z poleceniami i innymi danymi reprezentowanymi przez obecność lub brak otworów. Te kartki zostały później zastąpione przez szpule taśmy magnetycznej, które były łatwiejsze w użyciu i zajmowały mniej miejsca, ponieważ przechowywanie stosów kartek było bardzo niepraktyczne, ale programowanie nadal wymagało dużo czasu i pracy, a sam proces był żmudny.
Pierwsze komputery osobiste nie posiadały wewnętrznego magazynu danych (twardego dysku), więc oprogramowanie, które w tamtym czasie było bardzo proste i wymagało tylko niewielkich ilości danych, było ładowane za pomocą dyskietek. Zmieniło się to wraz z ewolucją sprzętu. Gdy dyski twarde stały się standardem, oprogramowanie można było instalować na komputerze. Oznaczało to, że firmy mogły sprzedawać komputery z zainstalowanym już systemem operacyjnym i aplikacjami. Ludzie nie musieli już wymieniać dysków, aby przełączać się między różnymi programami, dzięki czemu praca z komputerem stała się bardziej wydajna i efektywna.
Było coraz lepiej: pojawiały się CD-ROMy, potem płyty CD, następnie DVD i coraz większe dyski twarde. Natomiast dzięki rozwojowi internetu ludzie nie muszą już kupować oprogramowania na płytach CD, ponieważ możemy pobierać nasze programy, a nawet korzystać z nich bezpośrednio z chmury.
Rodzaje komputerów
Przyjrzymy się teraz różnym typom komputerów, które są obecnie dostępne, w zależności od ich ogólnego przeznaczenia.
Komputery osobiste
Komputer osobisty (PC, personal computer) jest komputerem przeznaczonym do ogólnego użytku przez jedną osobę. Jest wyposażony w podłączony monitor, klawiaturę i procesor, stał się on też wygodnym i elastycznym narzędziem, które może działać samodzielnie lub jako część sieci organizacyjnej. Obecnie komputery osobiste występują w wielu formach i rozmiarach, od komputerów stacjonarnych po laptopy i od telefonów komórkowych po tablety. W następnym rozdziale przyjrzymy się bliżej rodzajom komputerów osobistych.
Serwery
Serwery to komputery, które zostały przystosowane do świadczenia usług innym komputerom za pośrednictwem sieci i zazwyczaj mają wydajne procesory, dużo pamięci oraz duże dyski twarde. Istnieją na przykład domowe serwery multimedialne, serwery internetowe i serwery drukujące. Istnieją również serwery plików i serwery baz danych. Firmy używają serwerów do dostarczania informacji, przetwarzania zamówień, śledzenia danych wysyłkowych, obliczania formuł naukowych itp.
Komputery typu mainframe
Są to duże komputery o dużej pojemności i szybkości przetwarzania. Komputery mainframe obsługują wiele programów w tym samym czasie i są w stanie obsłużyć setki, a nawet tysiące użytkowników jednocześnie. Komputery mainframe mają bardzo odporną infrastrukturę, co przekłada się na wysoką niezawodność i bezpieczeństwo. Maszyny te charakteryzują się wysoką dostępnością, często pracują przez lata bez przerwy, naprawy i modernizacje sprzętu odbywają się w trakcie normalnej pracy, a nawet są w stanie pracować dalej w przypadku awarii podzespołów.
Dlatego też są one najczęściej wykorzystywane przez rządy i duże organizacje do masowego przetwarzania danych, aplikacji o kluczowym znaczeniu, a także do pomocy w zabezpieczeniu niezliczonych wrażliwych transakcji, przemysłu i statystyk konsumenckich oraz wielu innych zadań.
Superkomputery
Superkomputery są jak samochody wyścigowe świata komputerów; znajdują się w czołówce obecnych możliwości przetwarzania danych, szczególnie pod względem szybkości obliczeń. Mogą być zbudowane albo z niewielkiej liczby bardzo wydajnych komponentów, albo z większego zestawu mniej wydajnych jednostek i są wykorzystywane do specjalistycznych zastosowań wymagających ogromnej liczby obliczeń matematycznych. Superkomputery znajdują się na przykład w instytutach naukowych lub stacjach prognozowania pogody, gdzie szybkość obliczeń ma zasadnicze znaczenie.
Komputery wbudowane
Komputery wbudowane są częścią innych urządzeń, raczej nie stanowią samodzielnych komputerów, są zaprojektowane do wykonywania określonych zadań. Przykłady to aparaty cyfrowe, odtwarzacze muzyczne i prawie każdy rodzaj przemysłowego lub domowego systemu sterowania. Na przykład większość nowoczesnych telefonów komórkowych zawiera w rzeczywistości kilka oddzielnych komputerów: oprócz karty SIM telefon może mieć jeszcze jeden mikroprocesor do obsługi komunikacji radiowej i drugi układ komputerowy do uruchamiania wszystkich wymagających procesora aplikacji, takich jak gry. Nawet pralki wyposażone są obecnie w mikroprocesor, który oblicza cykl prania i napędza silnik bębna w jak najbardziej wydajny sposób.
Jak widać, dzisiejsze komputery są bardzo wszechstronne, a ich elastyczność i możliwości rozbudowy świadczą o tym, że rewolucja komputerowa wciąż trwa.
