20.08.2018

Πώς λειτουργεί ο Υπολογιστής

Οι υπολογιστές βρίσκονται παντού στη ζωή μας: από το σπίτι ή και τη δουλειά, μέχρι την οργάνωση οποιασδήποτε εταιρείας και οργανισμού ερχόμαστε σε επαφή. Αν έχετε αναρωτηθεί πώς λειτουργεί ο υπολογιστής, στον οδηγό αυτό θα μάθετε αναλυτικά όλα όσα θα θέλατε, κι ακόμα περισσότερα!

Τεχνολογία και μαγεία

Όπως είχε πει ο Arthur C. Clarke, κάθε επαρκώς εξελιγμένη τεχνολογία είναι αδύνατον να διακριθεί από τη μαγεία.

Φανταστείτε να είχαμε τη δυνατότητα να ταξιδέψουμε στο σήμερα ένα μέσο άνθρωπο του 1920. Θα ήταν ένας άνθρωπος που θα είχε γνωρίσει, έστω σε κάποιο βαθμό, την τεχνολογία: το γραμμόφωνο, το ραδιόφωνο, τον κινηματογράφο, την τηλεόραση.

Παρ’ όλα αυτά, θα ήταν αδύνατον να χωρέσει το μυαλό του έστω και ένα μέρος από αυτά που μπορεί να κάνει ένας απλός υπολογιστής, από το Internet μέχρι τη μουσική, τις ταινίες, και τα παιχνίδια.

Όσο περίπλοκα όμως κι αν φαίνονται όλα αυτά, ακόμα και στο σημερινό άνθρωπο, στην πραγματικότητα το πώς λειτουργεί ο υπολογιστής είναι σχετικά απλό.

Τα Μέρη του Υπολογιστή: Hardware, Software, και Λειτουργικό Σύστημα

Το να γνωρίζουμε τα μέρη από τα οποία αποτελείται ο υπολογιστής είναι θεμελιώδους σημασίας για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του.

Hardware: Το Υλικό του Υπολογιστή

Το Hardware είναι το σύνολο των συσκευών που αποτελούν τον υπολογιστή.

Μπορεί να εμφανίζονται συνεχώς νέες τεχνολογίες, και ταχύτερα υποσυστήματα, στην πραγματικότητα όμως όλοι οι υπολογιστές των τελευταίων 25+ ετών αποτελούνται από τα ίδια βασικά μέρη:

Επεξεργαστής (Central Processing Unit, CPU)

Είναι ο «εγκέφαλος» του υπολογιστή.

Εκτελεί όλες τις εντολές του χρήστη, εκτελεί όλα τα προγράμματα, συντονίζει όλα τα υπόλοιπα υποσυστήματα, κάνει τους περισσότερους από τους υπολογισμούς.

Δεν υπάρχει τίποτα στον υπολογιστή που να μην περνάει, έστω εν μέρει, από τον επεξεργαστή.

Μνήμη RAM (Random Access Memory)

Στη μνήμη βρίσκονται όλα τα προγράμματα που έχουν ξεκινήσει και εκτελούνται ανά πάσα στιγμή.

Η RAM μπορεί να διατηρήσει τα δεδομένα της μόνο όσο ο υπολογιστής είναι ανοιχτός. Μόλις σβήσει, οτιδήποτε δεν έχει αποθηκευτεί στο σκληρό δίσκο, χάνεται οριστικά.

Αν η Μνήμη RAM γεμίσει υπερβολικά, επειδή τρέχουμε πολλά ή βαριά προγράμματα, η λειτουργία του συστήματος επιβραδύνεται σημαντικά, και μπορεί να κολλήσει και εντελώς.

Σκληρός Δίσκος (Hard Disk Drive, HDD)

Πρόκειται για ένα μαγνητικό μέσο αποθήκευσης στο οποίο βρίσκονται όλα τα εγκατεστημένα προγράμματα και είναι αποθηκευμένα όλα μας τα αρχεία.

Ονομάζεται «σκληρός δίσκος» σε αντίθεση με τις παλιές δισκέτες 5’25 της δεκαετίας του ’80, που ήταν σχετικά εύκαμπτες και χαλούσαν εύκολα, γι’ αυτό και είχαν την ονομασία Floppy Disk («ετοιμόρροπος» δίσκος).

Σε αντίθεση με τη μνήμη RAM, ακόμα και με κλειστό τον υπολογιστή και εκτός ρεύματος, ο σκληρός δίσκος διατηρεί όλα του τα δεδομένα.

Κάρτα Γραφικών

Η Κάρτα γραφικών αναλαμβάνει τον υπολογισμό όλου του περιεχομένου επί της οθόνης, από τα παράθυρα των Windows μέχρι το πιο απαιτητικό παιχνίδι.

Καθώς αναλαμβάνει βαριές δουλειές, διαθέτει τον δικό της, ειδικό επεξεργαστή (Graphic Processing Unit, GPU) και ξεχωριστή μνήμη από του συστήματος.

Κάρτα Ήχου

Η κάρτα ήχου συνδέεται με τα ηχεία ή έναν εξωτερικό ενισχυτή, για να μεταφέρει όλους τους ήχους από τον υπολογιστή.

Επίσης, διαθέτει υποδοχή για μικρόφωνο, για μαγνητοφώνηση.

Κάρτα Δικτύου (ενσύρματου ή ασύρματου)

Επιτρέπει στον υπολογιστή να συνδεθεί με το router για να έχουμε πρόσβαση στο Internet ή και σε ένα τοπικό δίκτυο.

Στους υπολογιστές των τελευταίων 10 χρόνων έχει αντικαταστήσει πλήρως το Modem, που χρησιμοποιούταν για πρόσβαση στο Internet μέσω τηλεφωνικής κλήσης, πριν το aDSL.

Μητρική Πλακέτα (Motherboard)

Πρόκειται για τη μεγάλη πλακέτα πάνω στην οποία «κουμπώνουν» όλες οι παραπάνω συσκευές, η οποία επίσης φροντίζει για την απρόσκοπτη επικοινωνία μεταξύ τους.

Επίσης, η motherboard ενσωματώνει μια σειρά από συσκευές, ώστε ο υπολογιστής να μην χρειάζεται ξεχωριστή κάρτα, όπως η κάρτα ήχου, η κάρτα δικτύου, ή και η κάρτα γραφικών.

Software: Τα προγράμματα

Οποιοδήποτε πρόγραμμα τρέχουμε, είτε πρόκειται για το Microsoft Word, είτε για ένα παιχνίδι, είτε το απλό κομπιουτεράκι, αποτελούν το Software του υπολογιστή.

Υπάρχουν αμέτρητα προγράμματα διαθέσιμα για τον υπολογιστή, άλλα προς πώληση και άλλα εντελώς δωρεάν. Ορισμένα από τα βασικότερα είναι τα παρακάτω:

Browser

Το πρόγραμμα που χρησιμοποιείτε αυτή τη στιγμή για να διαβάζετε το άρθρο!

Για να πλοηγηθούμε στο Internet χρειαζόμαστε κάποιο browser. Όλοι οι Browser της αγοράς διατίθενται εντελώς δωρεάν.

Οι πιο γνωστοί Browser είναι ο Google Chrome, ο Mozilla Firefox, ο Microsoft Internet Explorer, Microsoft Edge και ο Safari στους υπολογιστές Apple Mac.

Microsoft Office

Μία από τις πιο δημοφιλείς σουίτες προγραμμάτων, που στη βασική του έκδοση περιλαμβάνει επεξεργαστή κειμένου (Word), πρόγραμμα λογιστικών φύλλων (Excel), και πρόγραμμα παρουσιάσεων (Powerpoint).

Υπάρχουν επίσης εκδόσεις του Office που περιλαμβάνουν το Outlook, για την αποστολή και λήψη email, και το Access, για δημιουργία βάσεων δεδομένων.

Antivirus

Το Antivirus προστατεύει τον υπολογιστή μας για να μην μολυνθεί από ιούς (πιο σωστά, Malware), ή αναλαμβάνει να τον καθαρίσει σε περίπτωση μόλυνσης.

Υπάρχουν δεκάδες μάρκες antivirus. Ένα από τα καλύτερα επί πληρωμή είναι το Kaspersky. Υπάρχουν όμως και αρκετά αξιόλογα antivirus εντελώς δωρεάν.

Παιχνίδια

Τα παιχνίδια είναι από τις πιο «βαριές» και απαιτητικές εφαρμογές σε έναν υπολογιστή.

Για να μπορέσουν να τρέξουν τις καλύτερες ρυθμίσεις γραφικών και χωρίς κολλήματα, χρειάζονται έναν ισχυρό υπολογιστή, ιδιαίτερα αν αναφερόμαστε σε παιχνίδια που έχουν κυκλοφορήσει πρόσφατα.

Λειτουργικό Σύστημα (Operating System, OS)

Το λειτουργικό σύστημα είναι μεν ένα πρόγραμμα, και ανήκει στο software, όμως το βάλαμε σε ξεχωριστή κατηγορία, καθώς πρόκειται για το σημαντικότερο πρόγραμμα σε έναν υπολογιστή.

Σκοπός του είναι να φέρει σε επαφή τον χρήστη και το hardware του υπολογιστή, έτσι ώστε να μεταφράσει τις εντολές μας (πχ το κλικ το ποντικιού, την πληκτρολόγηση) σε εντολές που να μπορεί να κατανοήσει ο υπολογιστής.

Αν δεν υπήρχε το λειτουργικό σύστημα, η χρήση υπολογιστή θα ήταν τόσο δύσκολη, που θα απαιτούσε ενδεχομένως δίπλωμα μηχανικού υπολογιστών.

Τα Windows είναι μακράν το δημοφιλέστερο λειτουργικό σύστημα. Το 90,6% των υπολογιστών τρέχει κάποια έκδοση των Windows.

Οι υπολογιστές της Apple τρέχουν το δικό της λειτουργικό σύστημα, Mac OS, το οποίο επισήμως δεν μπορεί να εγκατασταθεί σε υπολογιστές εκτός των Apple Mac.

Τέλος, το Linux είναι ένα δωρεάν λειτουργικό σύστημα που κατέχει ένα μικρό αλλά αυξανόμενο ποσοστό της αγοράς.

Το είδος του λειτουργικού συστήματος υπαγορεύει επίσης ποια προγράμματα μπορούν να εγκατασταθούν. Ένα πρόγραμμα που έχει γραφτεί για Windows δεν μπορεί να τρέξει σε Mac OS ή Linux, ούτε το αντίστροφο.

Πώς λειτουργεί ο υπολογιστής

Η βασική λογική της λειτουργίας του υπολογιστή έχει παραμείνει η ίδια εδώ και πάνω από 40 χρόνια.

  • Όταν ξεκινάμε ένα πρόγραμμα, το λειτουργικό σύστημα δίνει την κατάλληλη εντολή στον επεξεργαστή.
  • Ο επεξεργαστής, με τη σειρά του, δίνει εντολή να αντιγραφεί μέρος του προγράμματος από το σκληρό δίσκο στη μνήμη RAM.
  • Καθώς το πρόγραμμα τρέχει, ο επεξεργαστής διαβάζει δεδομένα από τη RAM, τα επεξεργάζεται, επιστρέφει κάποιο αποτέλεσμα, και το καταχωρεί ξανά στη μνήμη, ενώ δίνει εντολή στην κάρτα γραφικών τι να προβάλλει στην οθόνη.
  • Όταν κλείσουμε το πρόγραμμα, οι αλλαγές που είναι να αποθηκευτούν σώζονται στο σκληρό δίσκο, και το υπόλοιπο πρόγραμμα διαγράφεται από τη RAM.

Πώς «σκέφτεται» ο υπολογιστής?

Ο υπολογιστής είναι μία πολύ διαφορετική συσκευή σε σχέση π.χ. με ένα μπλέντερ ή την ηλεκτρική κουζίνα.

Στο μπλέντερ, πατάμε ένα κουμπί και συνεχίζει να λειτουργεί μέχρι να του πούμε να σταματήσει. Δεν μπορεί να ελέγξει αν π.χ. έχει ολοκληρωθεί το άλεσμα για να σταματήσει μόνο του.

Ο υπολογιστής φαίνεται ασύγκριτα πιο έξυπνος από μια τέτοια συσκευή.

Θα εκπλαγείτε ίσως να μάθετε πως ο υπολογιστής και το μπλέντερ μπορούν να αντιληφθούν ακριβώς το ίδιο πράγμα: Αν περνάει ρεύμα από ένα κύκλωμα, ή αν δεν περνάει.

Τίποτα περισσότερο.

Το κλειδί όσον αφορά τον υπολογιστή είναι πως μπορεί να ελέγξει δισεκατομμύρια κυκλώματα, όσον αφορά το αν είναι ενεργοποιημένα ή όχι, και με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα. Αυτό του επιτρέπει να εκτελέσει πολύ πιο περίπλοκες εργασίες, καθώς και να πάρει «αποφάσεις», με βάση προγραμματισμένες επιλογές και συνθήκες.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη λογική της «σκέψης» του υπολογιστή, είναι σημαντικό να δούμε πώς ακριβώς αποθηκεύονται τα δεδομένα.

Αποθήκευση Δεδομένων

Όμως προείπαμε, το μόνο που μπορεί να κατανοήσει ο υπολογιστής είναι αν από κάποιο κύκλωμα περνάει ρεύμα ή όχι.

  • Αν περνάει ρεύμα, ορίζουμε πως το κύκλωμα έχει την τιμή 1.
  • Αν δεν περνάει, ορίζουμε πως έχει την τιμή 0.
  • Αυτό το κύκλωμα, που μπορεί να πάρει τιμή 0 ή 1, ονομάζεται Bit. Η λέξη προέρχεται από το Binary Digit (δυαδικό ψηφίο). Από αυτή την ονομασία τα δεδομένα στους υπολογιστές ονομάζονται digital (ψηφιακά).
  • Κάποιοι λένε πως στα Ελληνικά το bit θα έπρεπε να το λέμε δυφίο, από το δυαδικό ψηφίο.
  • Αν βάλουμε 8 bits στη σειρά, παίρνουμε ένα Byte. Το 1 Byte είναι το ελάχιστο μέγεθος που χρειάζεται για να αποθηκευτεί η πληροφορία ενός χαρακτήρα (π.χ. το γράμμα «α»).
  • Η χωρητικότητα της μνήμης RAM αποτελείται από δισεκατομμύρια εκατομμύρια Bytes, ή αλλιώς GigaBytes.
  • Ο σκληρός δίσκος έχει φτάσει πλέον στο μέγεθος των τρισεκατομμυρίων Bytes, ή αλλιώς TeraBytes.

Ουσιαστικά, δηλαδή, όλα όσα έχουμε αποθηκευμένα στον υπολογιστή μας, από τις ταινίες, τα Windows και όλα τα προγράμματα, όλα όσα βλέπουμε καθημερινά στο Internet, το Google, το Facebook, δεν είναι τίποτα περισσότερο από ατέλειωτες αλληλουχίες 0 και 1, σε ανενεργά και ενεργά bits.

Πώς γίνεται αυτό;

Κατ’ αρχάς…

Όλα είναι αριθμοί

Ο υπολογιστής αντιλαμβάνεται τα πάντα ως αριθμούς και μαθηματικές πράξεις.

Για παράδειγμα, για να δείξει μια εικόνα στην οθόνη, ο υπολογιστής δεν γνωρίζει τι σημαίνει χρώμα ή τι σημαίνει σχέδιο.

Το μόνο που ξέρει είναι πως η οθόνη είναι χωρισμένη σε μικρά τετραγωνάκια (Pixel, από το Pixture Element), και πως το κάθε ένα χαρακτηρίζεται από ένα σετ αριθμών, το οποίο μεταφράζεται στην οθόνη σε ένα συγκεκριμένο χρώμα.

Κάθε γράμμα που πληκτρολογούμε προξενεί μια αριθμητική εντολή, η επεξεργασία της οποίας θα οδηγήσει σε ένα σετ από αριθμούς που θα κάνουν τις κατάλληλες αλλαγές επί της οθόνης.

Το ίδιο ισχύει σε κάθε μετακίνηση του ποντικιού, κάθε κλικ, κάθε άνοιγμα προγράμματος. Σε κάθε παιχνίδι που παίζουμε, σε κάθε μονάδα που κινείται επί της οθόνης, στους πυροβολισμούς, τις εκρήξεις, την τεχνητή νοημοσύνη των αντιπάλων.

Όλα είναι αριθμοί και μαθηματικές πράξεις.

Και, το πιο παράδοξο απ’ όλα είναι πως ο υπολογιστής δεν μπορεί καν να κατανοήσει τους αριθμούς όπως εμείς.

Ουσιαστικά, δεν ξέρει καν τι είναι οι αριθμοί. Ξέρει μόνο αν περνάει ρεύμα ή όχι. Το 1 και το 0.

Και όμως, αυτά τα δύο ψηφία είναι αρκετά για να υπολογίσει όποιον αριθμό και όποια μαθηματική πράξη χρειάζεται.

Από το 0 και 1 στα δεδομένα

Το αριθμητικό σύστημα που γνωρίζουμε όλοι είναι το δεκαδικό, το οποίο έχει δέκα διαφορετικά ψηφία διαθέσιμα για να δημιουργήσει κάθε αριθμό: 0, 1, 2, 3 μέχρι το 7, 8, 9.

Τι γίνεται όταν θέλουμε να γράψουμε στο δεκαδικό έναν αριθμό μεγαλύτερο από το 9, για τον οποίο δεν υπάρχει ειδικό ψηφίο? Προσθέτουμε μία θέση για ψηφία στα αριστερά του αριθμού, και ξαναρχίζουμε από την αρχή: 10, 11, 12, 13, 14, 15 κλπ.

Αν τελειώσουν όλοι οι διψήφιοι αριθμοί που μπορούμε να φτιάξουμε με αυτά τα στοιχεία, προσθέτουμε άλλο ένα ψηφίο, και πάλι απ’ την αρχή: 99, 100, 101.

Ο υπολογιστής μπορεί να αντιληφθεί το 0 (χωρίς ρεύμα) και το 1 (με ρεύμα), αλλά δεν έχει τρόπο να αντιληφθεί το 2. Άρα, το μόνο αριθμητικό σύστημα που μπορεί να αντιληφθεί ο υπολογιστής είναι το δυαδικό, που περιλαμβάνει μόνο δύο διαφορετικά ψηφία (0,1).

Για να γράψουμε το 2 στο δυαδικό, κάνουμε ακριβώς το ίδιο που κάνουμε μετά το 9 στο δεκαδικό: προσθέτουμε μια θέση για ψηφίο, και ξαναρχίζουμε από την αρχή: 10. Για το 3, προσθέτουμε άλλη μία μονάδα: 10+1=11.

Στο 4, εξαντλήθηκαν τα δύο ψηφία, οπότε προσθέτουμε και τρίτο: 100

Από εκεί έχει βγει και το τεχνολογικό αστείο: Υπάρχουν 10 τύποι ανθρώπων. Αυτοί που κατανοούν το δυαδικό σύστημα, κι αυτοί που δεν το κατανοούν.

(πείτε το σε έναν προγραμματιστή ή σε έναν τεχνικό, κι αν δεν το έχει ακούσει ήδη, είναι βέβαιο πως θα γελάσει)

Με αυτό τον τρόπο, οποιοσδήποτε αριθμός στο δεκαδικό σύστημα, μπορεί να μετατραπεί στο δυαδικό:

  • 0 → 0
  • 1 → 1
  • 2 → 10
  • 3 → 11
  • 4 → 100
  • 5 → 101
  • 6 → 110
  • 7 → 111
  • 8 → 1000
  • 9 → 1001

Άρα, πλέον, ο υπολογιστής μπορεί να κατανοήσει οποιονδήποτε φυσικό αριθμό, μέχρι ενός ορίου, σαν μια σειρά από 0 και 1.

Λέμε «μέχρι ενός ορίου», γιατί κάθε υπολογιστής μπορεί να επεξεργαστεί μέχρι ένα συγκεκριμένο μέγεθος αριθμού, ανάλογα με τις εντολές που περιλαμβάνει στο εσωτερικό του.

Με διαδικασίες που είναι κάπως περίπλοκες για να περιγράψουμε, ο υπολογιστής μπορεί επίσης να κατανοήσει αρνητικούς αριθμούς, καθώς και δεκαδικούς.

Οι Εντολές του Επεξεργαστή

Το τελευταίο κομμάτι του παζλ είναι το πώς γίνεται η επεξεργασία των δεδομένων αυτή καθαυτή.

Ο επεξεργαστής είναι ουσιαστικά ένα κύκλωμα ασύλληπτα μεγάλης πολυπλοκότητας. Υπάρχουν αυτή τη στιγμή επεξεργαστές οι οποίοι ενσωματώνουν 5 δισεκατομμύρια transistor.

Κατά τον σχεδιασμό του, έχει ενσωματωθεί ένα σετ εντολών (instruction set), το οποίο του επιτρέπει να κάνει όλες τις απαραίτητες μαθηματικές πράξεις, πράξεις λογικού ελέγχου (αληθές/ψευδές) και εργασίες όσον αφορά την είσοδο δεδομένων (input) και την έξοδο αποτελεσμάτων (output).

Από την άλλη μεριά, κάθε πρόγραμμα στον υπολογιστή ουσιαστικά είναι μία σειρά εντολών προς τον επεξεργαστή, τι ακριβώς πρέπει να κάνει, βήμα προς βήμα, για οτιδήποτε αφορά το πρόγραμμα.

Αυτό σημαίνει πως όσο υψηλής τεχνολογίας και αν είναι ο επεξεργαστής, αν το πρόγραμμα δεν είναι σωστά γραμμένο, δεν θα έχει την αναμενόμενη απόδοση.

Πόσο μάλλον αν το πρόβλημα είναι στον προγραμματισμό του ίδιου του λειτουργικού συστήματος, όπως συνέβη με τα Windows Vista.

Πηγή

ΚΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗ