Устройство компьютера: из чего состоит и как работает ПК

Компьютер — это машина, которая выполняет программы: получает данные, обрабатывает их по командам и выдаёт результат. Внутри у него несколько главных частей. Процессор считает и командует, оперативная память держит то, над чем он работает сейчас, накопитель хранит файлы долго, материнская плата всё соединяет, блок питания даёт ток, видеокарта рисует изображение. Снаружи — периферия: клавиатура, мышь, монитор, колонки. Ни одна из этих деталей в одиночку ничего не умеет: смысл появляется, когда они работают вместе. Ниже — части по порядку, что происходит при запуске программы и что чаще всего путают.

Из чего состоит компьютер

Сначала — детали внутри системного блока, от главной к вспомогательным, потом — то, что подключают снаружи.

Часть	Что делает
Процессор (CPU)	Выполняет команды программ: складывает, сравнивает, пересылает данные, решает, какую команду выполнить следующей
Оперативная память (ОЗУ)	Хранит запущенные программы и данные, с которыми процессор работает прямо сейчас; при выключении очищается
Накопитель (жёсткий диск HDD или SSD)	Хранит систему, программы и файлы годами, в том числе без питания
Материнская плата	Соединяет все детали, передаёт между ними данные, хранит микропрограмму BIOS/UEFI
Видеокарта	Строит изображение и передаёт его на монитор; бывает встроенной в процессор или отдельной платой
Блок питания	Превращает переменный ток 220 В из розетки в постоянный 12, 5 и 3,3 В для деталей
Система охлаждения	Радиаторы и вентиляторы отводят тепло от процессора, видеокарты и блока питания
Корпус	Держит детали, защищает от пыли и ударов, направляет поток воздуха
Устройства ввода	Клавиатура, мышь, микрофон, сканер, веб-камера передают информацию в компьютер
Устройства вывода	Монитор, принтер, колонки и наушники выдают результат человеку

Процессор

Процессор — микросхема, в которой миллиарды крошечных транзисторов. Он умеет немногое: простые арифметические и логические действия, пересылку чисел. Зато делает это миллиарды раз в секунду. Скорость задают частота (сколько тактов в секунду, измеряется в гигагерцах) и число ядер — каждое ядро способно вести свою задачу. Внутри процессора есть маленькая сверхбыстрая память — кэш, куда он складывает то, что понадобится вот-вот. Как выбирать процессор под свои задачи, разобрано в статье о том, как выбрать процессор.

Память: оперативная и долговременная

Здесь главное различие всего устройства. Оперативная память отвечает процессору намного быстрее любого накопителя, но хранит данные, только пока есть ток. Накопитель медленнее, зато помнит всё после выключения. HDD записывает данные магнитной головкой на вращающиеся пластины, SSD — в микросхемы флеш-памяти без движущихся частей, поэтому он быстрее и не боится тряски. Как на диске раскладываются файлы, объясняет статья о том, что такое файловая система.

Материнская плата и блок питания

Материнская плата — большая плата с разъёмами: гнездо (сокет) для процессора, слоты для памяти и видеокарты, разъёмы для дисков, выходы USB и сети. По её дорожкам бегут данные между деталями. На плате записана BIOS или UEFI — первая программа, которая запускается при нажатии кнопки. Блок питания подключается и к плате, и к видеокарте, и к дискам: у каждой детали свои напряжения.

Как части работают вместе

Проследим, что происходит от нажатия кнопки до открытой программы.

1. Включение. Блок питания подаёт напряжение на плату. Процессор начинает выполнять BIOS/UEFI — она записана в микросхеме на материнской плате, а не на диске.
2. Самопроверка. BIOS проверяет, на месте ли память, видеокарта и накопители. Если что-то не так, компьютер пищит или показывает ошибку.
3. Загрузка системы. BIOS находит накопитель с операционной системой и запускает её загрузчик. Windows, macOS или Linux копируется с диска в оперативную память — только оттуда процессор может быстро брать команды.
4. Запуск программы. Вы щёлкаете по значку браузера. Операционная система находит файл программы на накопителе и загружает его в оперативную память.
5. Выполнение. Процессор берёт команды из памяти одну за другой (часть — заранее из кэша) и выполняет: считает, сравнивает, отправляет данные.
6. Вывод. Когда нужно что-то показать, данные уходят в видеокарту. Она строит кадр и десятки раз в секунду отправляет его на монитор.
7. Ввод. Нажатие клавиши превращается в сигнал, который через плату доходит до процессора, и цикл повторяется.

В основе этой схемы — принципы фон Неймана, которые проходят на информатике: данные и команды кодируются двоичными числами, хранятся в одной и той же памяти, у каждой ячейки памяти есть адрес, а процессор выполняет команды по порядку, пока программа не скажет перейти в другое место.

Чем отличается одно от другого

Оперативная память и накопитель. Самая частая путаница: «у меня памяти 8 гигабайт» и «у меня памяти 512 гигабайт» — про разное. Первое — оперативная, второе — диск. Если не хватает оперативной памяти, компьютер тормозит при открытых вкладках; если диска — некуда сохранять фото.

Системный блок и процессор. Корпус под столом часто зовут «процессором», хотя процессор — одна микросхема внутри. Системный блок — это корпус со всеми деталями.

Встроенная и отдельная видеокарта. Встроенная графика живёт в процессоре и берёт часть оперативной памяти, её хватает для учёбы и фильмов. Отдельная видеокарта — самостоятельная плата со своей памятью и охлаждением, она нужна для игр и работы с 3D. Подробнее — в статье о том, как выбрать видеокарту.

Ноутбук и настольный компьютер. Детали те же, но в ноутбуке они компактнее, часто впаяны в плату и охлаждаются слабее. Поэтому настольный компьютер легче модернизировать: добавить память, поменять видеокарту.

Интересные факты

• Часы идут без розетки. На материнской плате стоит плоская батарейка, похожая на таблетку. Она питает часы и настройки BIOS, когда компьютер выключен из сети. Когда она садится, при каждом включении сбивается дата.
• Шум — это охлаждение. Процессор под нагрузкой нагревается так, что без радиатора за считаные секунды перегрелся бы и отключился. Поэтому, когда вы запускаете игру, вентиляторы раскручиваются и гудят громче.
• Почему после перезагрузки быстрее. Оперативная память очищается, программы, которые копили в ней мусор, запускаются заново.

Почему компьютер ломается и на что смотреть

• Перегрев. Пыль забивает радиаторы, а термопаста между процессором и радиатором со временем высыхает. Компьютер начинает шуметь, тормозить под нагрузкой и сам выключаться: процессор снижает частоту или защита отключает питание.
• Износ накопителя. У HDD изнашиваются подшипники и механика головок, появляются щелчки и «битые» участки. У SSD ограничено число перезаписей ячеек. Признаки — долгое открытие файлов, ошибки при копировании. Важные данные стоит держать в двух местах.
• Блок питания. Дешёвые блоки со временем теряют ёмкость конденсаторов и начинают подавать нестабильное напряжение: компьютер перезагружается под нагрузкой или не включается. Блок питания внутри под высоким напряжением, разбирать его — работа мастера.
• Ошибки памяти. Неисправный модуль оперативной памяти даёт случайные вылеты программ и «синие экраны», которые трудно связать с чем-то одним.

Как ответить на уроке

План ответа:

1. Компьютер — устройство для обработки информации по программе.
2. Процессор выполняет команды, оперативная память хранит программу во время работы, накопитель — долговременно.
3. Материнская плата соединяет детали, блок питания даёт ток, видеокарта формирует изображение.
4. Устройства ввода передают информацию в компьютер, устройства вывода — человеку.
5. Работа строится по принципам фон Неймана: двоичное кодирование, общая память для программ и данных, адресность, программное управление.

Вопросы для самопроверки:

• Почему программу нельзя выполнять прямо с диска? Диск слишком медленный: процессор ждал бы каждую команду. Поэтому программа загружается в оперативную память.
• Что пропадёт при внезапном отключении света? Всё, что было в оперативной памяти и не сохранено на диск.
• К какой группе относится сканер? К устройствам ввода: он передаёт изображение в компьютер.