ساختار و طرز کار کامپیوتر

ساختار کامپیوتر

تاریخ کامپیوتر به سال 1940 برمی گردد. در طی این سال ها محققان و ریاضی دان های بزرگی برای توسعه ی این فناوری فعالیت کرده اند. جان فان نیومن یکی از این دانشمندان است که توانست با تقسیم بندی ساختار کامپیوتر در توسعه ی آن نقش فراوانی داشته باشد. او الگوی بسیار ساده ای را برای کامپیوتر ها پیشنهاد داد که امروزه تمام کامپیوتر ها از این الگو پیروی می کنند. فان نیومن اجزای سخت افزاری کامپیوتر را به پنج دسته تقسیم کرد که عبارت اند از:

• واحد پردازش مرکزی
• واحد ورودی
• واحد خروجی
• حافظه ی اصلی (کاری)
• حافظه ی جانبی (دائمی)

در واقع می توان تقسیم بندی فان نیومن برای سخت افزار های کامپیوتری مدرن امروزی را اینگونه نشان داد:

اجزای کامپیوتر های مدرن بر اساس الگوی فان نیومن

کامپیوتر های امروزی از نظر پردازش داده ها بسیار قدرتمند هستند و امکانات و ابزار بسیار جالبی برای کاربران دارند. کارت صدا، مودم، کارت گرافیک و ... باعث افزایش کاربری و قدرت کامپیوتر می شود. به همین دلیل برای شناخت و فهم عملکرد کامپیوتر باید تمام اجزای آن بررسی شوند.

ساختار کامپیوتر

در پست های قبلی در مورد عملکرد کامپیوتر بیشتر توضیح داده شده است. برای دیدن مطلب اینجــــــــا کلیک کنید.

طرز کار کامپیوتر

کار اصلی انجام شده به وسیله ی کامپیوتر برنامه ها و دستورات ارسال شده توسط کاربر است. برنامه، مجموعه دستوراتی است که برای رسیدن به هدف معینی نوشته و در حافظه ذخیره شده باشد. برای اجرای این دستورات، پردازنده آن ها را پردازش می کند.

پردازش هر دستور از دو گام تشکیل شده است:

• دستورالعمل را از حافظه برمی دارد که به آن برداشت یا واکشی گویند.
• دستورالعمل را اجرا می کند، اجرای هر دستور ممکن است خود شامل چند عمل باشد و به ماهیت دستور بستگی دارد.

زمان لازم برای پردازش یک دستور را سیکل دستور می گویند. همان طور که گفته شد، برای پردازش هر دستور دو گام لازم است. به گام برداشت یا واکشی دستور، سیکل برداشت و به گام اجرای دستور، سیکل اجرا می گویند. اجرای دستور به وسیله ی پردازنده فقط در موارد زیر متوقف می شود:

• کامپیوتر خاموش شود.
• دستوری از برنامه که کامپیوتر را متوقف می کند، اجرا گردد.

سیکل دستورالعمل پایه

سخت افزار کامپیوتر

در ادامه بر اساس تقسیم بندی فان نیومن بخش سخت افزاری را بررسی می کنیم:

شکل زیر جریان داده ها را بین واحد های فوق از طریق گذرگاه سیستم (System Bus) نشان می دهد.

جریان داده ها در کامپیوتر

واحد پردازش مرکزی

واحد پردازش مرکزی شامل واحد محاسبه و منطق (Arithmetic & Logic Unit - ALU)، واحد کنترل (Control Unit)، کمک پردازنده ی اعداد اعشاری و ثبات هاست.

بخش های واحد پردازش مرکزی

واحد ماسبه و منطق عملیات محاسباتی و منطقی را انجام می دهد. واحد کنترل، نظارت و هماهنگی تمام واحد های کامپیوتر را بر عهده دارد. ثبات یا رجیستر (Register) حافظه ای موقتی و بسیار سریع است که داده های در حال پردازش به طور موقت در آن قرار می گیرند.

کمک پردازنده ی اعداد اعشاری، برای انجام محاسبات ممیز شناور و سرعت بخشیدن به کار پردازنده ایجاد شد و در ابتدا به صورت یک تراشه ی جدا در اختیار کاربر قرار می گرفت. پس از مدتی کمک پردازنده ها نیز در داخل پردازنده ی اصلی قرار گرفتند.

واحد حافظه (Memory Unit)

حافظه های کامپیوتر به دو گروه حافظه ی اصلی و حافظه ی جانبی تقسیم می شوند:

• حافظه ی اصلی

حافظه ی اصلی (Main Memory) یا حافظه ی اولیه، با پردازنده در ارتباط است و داده های مورد نیاز برای عمل پردازش را در خود نگهداری می کند. حافظه های اصلی، از نظر نگهداری داده ها، به دو گروه حافظه ی با دسترسی تصادفی (Random Access Memory:RAM) و حافظه ی خواندنی (Read Only Memory:ROM) تقسیم می شوند. حافظه های پنهان و میانگیر نیز از حافظه های اصلی هستند.

- RAM، از تعدادی خانه یا سلول تشکیل شده است و هر خانه قابلیت نگهداری یک یا چند بایت را دارد و با آدرسی منحصر به فرد مشخص می شود. داده های موجود در RAM قابل پاک شدن و جایگزینی با داده های دیگر هستند و هر نوع وقفه ای در جریان برق کامپیوتر، موجب از بین رفتن داده های موجود در آن می شود. استفاده از این نوع حافظه ها، برای نگهداری موقت داده ها تا زمان پردازش یا انتقال نتایج به بیرون از کامپیوتر و یا ذخیره در حافظه ی جانبی است.

حافظه های اصلی (RAM)

- ROM، داده ها را به صورت دائمی ذخیره می کند و داده ها با قطع برق از بین نمی روند. از ROM برای حفظ داده ها و دستورالعمل هایی که برای راه اندازی کامپیوتر لازم است استفاده می شود. حافظه های ROM دارای انواع مختلفی هستند.

- حافظه ی پنهان (Cache) و حافظه های میانگیر یا بافر (Buffer) هم در کامپیوتر وجود دارند. حافظه ی پنهان بسیار سریع تر از حافظه ی اصلی است و بین حافظه ی اصلی و پردازنده قرار می گیرد. محل این نوع حافظه در بعضی از کامپیوتر ها دورن پردازنده است و در بعضی دیگر روی برد اصلی (MotherBoard) است. داده ها ابتدا از حافظه ی اصلی وارد حافظه ی پنهان می شوند و سپس در اختیار پردازنده قرار می گیرند.

• حافظه ی جانبی

حافظه های جانبی، با توجه به نوع دسترسی به داده ها به دو گروه اصلی تقسیم می شوند که عبارت اند از: حافظه های جانبی با دسترسی ترتیبی به داده ها مانند نوار مغناطیسی و حافظه های جانبی با دسترسی مستقیم به داده ها مانند هارد دیسک (Hard Disk).

واحد های ورودی

برای ارتباط با کامپیوتر و ارائه ی دستور و داده ها، کاربر از ابزار متفاوتی استفاده می کند. این دستگاه ها در طی زمان و بر اساس نیاز کاربران با استفاده از این دستگاه های گوناگون متصل به کامپیوتر مانند صفحه کلید، ماوس و اسکنر، داده ها و دستورات را وارد می کنند.

واحد خروجی

هر سیستمی پس از پردازش برای ارائه ی نتیجه، نیاز به دستگاه خروجی دارد. کامپیوتر نیز با استفاده از دستگاه های مختلف نتیجه ی پردازش داده ها را به صورت گوناگون در اختیار کاربر قرار می دهد. متداول ترین واحد های خروجی، صفحه ی نمایش، چاپگر و بلندگو هستند. صفحه ی نمایش مسطح با فناوری (Liquid Crystal Display:LCD) متداول است. انواع چاپگر های رنگی و غیر رنگی با سرعت های متفاوت و با فناوری لیزری یا جوهر افشان توسط سازندگان مختلف در بازار عرضه می شود.

تلویزیون و پروژکتور را نیز می توان به عنوان واحد خروجی به کامپیوتر متصل کرد و از آن ها برای نمایش اطلاعات استفاده کرد.

استفاده از پروژکتور

دستگاه های ورودی و خروجی

بعضی از دستگاه ها، هم ورودی و هم خروجی هستند، مثل دیسک گردان های هارد دیسک و لوح فشرده، کارت صدا، کارت مودم و کارت شبکه که در پست های آینده با این دستگه ها  و عملکرد آن ها بیشتر آشنا خواهید شد.