מבנה המחשב

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 אחרייכולים להשפיע על בקרת הפעולה



מחשב נייד



התקני קלט - 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.

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.



עכבר











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.



סורק



מצלמת אינטרנט

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 ה - CD 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.

חבילה של דיסקים לצריבה

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

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

§         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.

central processing unit

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.