איך עובד מחשב מבחינה

איך עובד מחשב מבחינה טכנית הפשוטה עד המורכבת?

כיום כולנו עובדים עם מחשב אישי. מה שהיה עד לפני כעשרים שנים קופסת מתכת שמעטים השתמשו בה, שלא לדבר על להחזיק כזאת בבית, הפך להיות חלק אינטגרלי מחיינו. כל אחד מאיתנו משתמש במחשב לצרכים שונים: החל בגלישה באינטרנט, דרך שימוש במעבד תמלילים וכלה במשחקים ובישומי מולטימדיה.

אנו רגילים לעבוד כל יום עם המחשב ואנו מתייחסים אל העבודה איתו באופן מאוד אינטואיטיבי, אבל כמה מאיתנו באמת יודעים כיצד המחשב פועל? בסופו של דבר, לב ליבו של המחשב הוא המעבד. המעבד משתתף בכל פעולה שהמחשב מבצע ובמרבית מהמקרים הוא אחראי ישיר לפעולה עצמה. המעבד הוא המוח של המחשב - כל פעולת חישוב מתבצעת בו, והרי כל תוכנית מחשב מורכבת מחישובים במידה זו או אחרת. בנוסף, המעבד מפקח על כל העבודה במחשב והרבה פעמים הוא נותן פקודות לרכיבים אחרים שיבצעו פעולות ויודיעו לו כשהם מסיימים.

המעבד הוא אומנם לב ליבו של המחשב, אך דרך פעולתו נראית מאוד טכנית, אפורה, ומשעממת. אנו רואים במחשב מכונה חכמה ואינטיליגנטית המסוגלת לבצע המון פעולות מסובכות ולפתור פעולות מתמטיות מורכבות באופן מיידי. אך בסופו של דבר, המעבד, המבצע את הפעולות האלו עושה פעולות טכניות לחלוטין, והוא מצליח להדהים אותנו רק בזכות העובדה שהחשמל שזורם בו עובר מהר ולכן הוא יכול לעשות המון פעולות תוך זמן קצר.
במהלך ריצת המחשב עליו לטפל בהרבה מאוד נתונים המייצגים צלילים, תמונות, טקסט ומספרים. כדי לטפל ולעבד נתונים אלו, המחשב חייב לדאוג בכל רגע, שכל נתון שנעשה בו שימוש יישמר ולא יאבד. כדי לשמור את הנתונים עושה המחשב שימוש ברכיב הנקרא זיכרון.

במחשב ישנם זיכרונות שונים. הזיכרון העיקרי של המחשב הוא זיכרון גישה אקראית Random Access Memory) RAM). זהו הזיכרון העיקרי שהמחשב עושה בו שימוש. כל פעולת עיבוד כוללת קריאת נתונים מהזיכרון העיקרי וכתיבת נתונים לזיכרון העיקרי.
ישנם גם זיכרונות נוספים כגון זיכרון לקריאה בלבד (Read Only Memory - ROM), הנמצא ב-BIOS ובו צרובות פקודות שאינן ניתנות לשינוי, המתארות את הפעולות הראשונות שעל המחשב לעשות כאשר מדליקים אותו. כמעט לכל כרטיס הרחבה או אמצעי קלט/פלט יש זיכרון עיקרי, ולרוב גם זיכרון לקריאה בלבד.

עם זאת, לא משנה באיזה זיכרון מדובר, דרך הפעולה של כל הזיכרונות דומה. לוח אם הוא אירגון פיזי בתוך המחשב המכיל את מעגלי החשמל של המחשב ואת רכיביו הבסיסיים של המחשב. בלוח אם טיפוסי, מעגלי החשמל מוטבעים על הלוח. מעבר לרכיבים המחוברים ישירות ללוח האם, ישנה אפשרות לחיבור רכיבים נוספים ע"י כרטיסי הרחבה. המנשק האלקטרוני בין לוח האם ללוחות קטנים יותר הנמצאים במחשב נקרא פס (Bus).

BIOS הוא קיצור של Basic Input/Output system ומבוטא:
"bye-ose".
BIOS היא תוכנה הבנויה בתוך המחשב שאומרת מה יכול המחשב לעשות ללא גישה לתכניות מדיסק. במחשב האישי, ה- BIOS מכיל את הקוד הנדרש בכדי לשלוט על המקלדת, המסך, כונני הדיסקים ועוד מספר פעולות שונות. הדיסק הקשיח הינו דיסק מגנטי שניתן לשמור עליו מידע. אנו משתמשים במושג קשיח על מנת להבדילו מהדיסק הגמיש (תקליטון). לדיסק קשיח טיפוסי יש קיבולת של 10GB עד 40GB, בניגוד לדיסקים הגמישים שלהם קיבולת של 1.4MB בלבד. דיסק קשיח אחד בד"כ מכיל כמה פלטות, ולכל פלטה נדרשים שני ראשי קריאה/כתיבה, אחד לכל צד. כל ראשי הקריאה/כתיבה מחוברים לזרוע אחת כך שהם לא יכולים לזוז עצמאית. כל פלטה מחולקת למסילות, וכל מסילה מחולקת למגזרים. בניגוד לדיסק הקשיח, התקליטון כפי שכולנו מכירים הינו נייד, משום שאנו יכולים להוציא אותו מן הכונן ולהעבירו ממחשב למחשב. התקליטון גם יותר איטי מן הדיסק הקשיח והוא יכול לשמור פחות נתונים (בד"כ קיבולת של תקליטון הנה 1.4MB). התקליטון גם הרבה יותר זול מן הדיסק הקשיח אך יתרונו הגדול ביותר כאמור, הוא היותו נייד, דבר המאפשר העברת מידע ממחשב למחשב.

במחשבים כיום, טכנולוגיית ה-CD ROM היא שיטה להקלטה, שמירה והעלאת מידע אלקטרוני על דיסק (כמו דיסק המוסיקה המוכר לכולנו). המחשב קורא מהדיסק באמצעות ראש אופטי. בעבר ה CD ROMנועד לקריאה בלבד ולא היה ניתן לכתוב על הדיסק, אך בשנים האחרונות הופך השימוש בצורב דיסקים (CD-R) לנפוץ בבתים פרטיים, דבר המאפשר גם לכתוב על ה CD ROM.

dvd הינו סוג חדש של CD ROM, בעל קיבולת של 4.7GB (לעומת 650MB ב-CD ROM), דבר המאפשר שמירת סרט קולנוע באורך מלא על דיסק אחד. אחת התכונות הבולטות של ה-DVD היא התאימות לאחור שלו עם ה-CD ROM. זאת אומרת, שאפשר להכניס CD לתוך כונן של DVD ויהיה אפשר לעבוד איתו כרגיל. הצפי בענף המחשבים הוא שבשנים הקרובות יחליף ה-DVD את ה-CD ROM. בעבר, DVD היה ראשי-תיבות של Digital Versatile Disk אך כיום זה ראשי-תיבות של Digital Video Disk.

כרטיס הוידאו במחשב, אחראי לייצר את הפלט הויזואלי מהמחשב. למעשה, כמעט כל התוכניות מייצרות פלטים ויזואליים וכרטיס הוידאו הוא רכיב החומרה האחראי לקחת פלט זה ולהגיד למסך אילו נקודות להאיר על הצג (ובאיזה צבע) בכדי שנוכל לראות את הפלט.
כמו רוב חלקי המחשב האישי, לכרטיס הוידאו הייתה התחלה צנועה - הוא היה אחראי רק לקחת את מה שייצר המעבד המרכזי ולהציג אותו על המסך. בתחילה, זה היה רק טקסט ואפילו לא צבעוני.
כיום, כרטיסי הוידאו הם כמו מעבדים בפני עצמם. יש להם יכולת עיבוד נתונים משלהם והם עושים הרבה מעבודת העיבוד שבעבר נעשתה ע"י המעבד המרכזי של המחשב. הצורך בדבר זה נובע מכמות המידע שאנו שולחים כיום למסך ומהחישובים המסובכים שצריכים להיעשות בכדי לקבוע מה נראה על המסך. דבר זה מתעצם עם כניסת הגרפיקה התלת מימדית.

המסך הוא אמצעי הפלט העיקרי של המחשב. אנו משתמשים בו בכל רגע שאנו משתמשים במחשב. מתוקף היותו חשוב, ומתוקף פעולתו המורכבת והמדהימה שהוא מבצע (להפוך מסך שחור למסך מלא צבעים), ישנם הרבה תתי נושאים הקשורים לדרך שבה המסך עובד.
ברוב המחשבים, המקלדת היא אמצעי הקלט העיקרי. בניגוד לעכבר, המשמש גם הוא כאמצעי קלט, העברת קטעי טקסט מהמשתמש למחשב באמצעות המקלדת הרבה יותר נוחה וזה נותן לה את יתרונה העיקרי.
מקשי המקלדת מסודרים כמו במכונות הכתיבה הישנות שקדמו למחשבים. בעקבות העובדה שרבים מהאנשים המשתמשים במקלדות בתדירות גבוהה סובלים מבעיות פרקים, מופצות כיום מקלדות ארגונומיות שמטרתן להקל על השימוש במקלדת.

אחד מאמצעי הקלט העיקריים בימינו הוא העכבר. בעבר אמצעי הקלט העיקרי היה המקלדת, אך המקלדת דורשת מיומנות וניסיון כדי שיהיה אפשר לעבוד בה בקצב סביר. העכבר הוא הרבה יותר אינטואיטיבי ונוח. כל ילד יכול לקחת עכבר לידיו ולהזיז את סמן העכבר לכל מקום על המסך ללא מאמץ.

תפקידו של המודם להפוך אותות דיגיטליים הנשלחים מהמחשב לאותות אנלוגיים היכולים לעבור בקו הטלפון וכמו כן להפוך אותות אנלוגיים המגיעים למחשב לאותות דיגיטליים. בשנים האחרונות עלו המהירויות של מספר הסיביות לשניה שמודם יכול להעביר מ-2,400 סיביות לשניה לפני מספר שנים, עד ל-56,000 ויותר סיביות לשניה שמודמים ביתיים מעבירים כיום. השימוש העיקרי כיום במודם הוא החיבור לשרת האינטרנט. כאשר חיבור זה מתבצע אנו שומעים את רעש ההתחברות בין המחשב בבית לשרת האינטרנט.

אחד הרכיבים שמכניסים הכי הרבה "חיים" למחשב הוא כרטיס קול. אם פעם קול נחשב כמותרות במחשבים, היום, אפילו לאיש העסקים הרציני ביותר יש כרטיס קול במחשב וזוג רמקולים והוא נהנה מצלילי הרקע שמשמיע המחשב. בנוסף, יש אפשרות, כמובן, לחבר מיקרופון לכרטיס הקול וכך אפשר להשתמש בו כמכשיר הקלטה. כרטיס קול מאפשר גם לאנשי מקצוע בתחום הקול להיעזר במחשב לצורך עבודתם. כל מה שאפשר לעשות לקטע מוקלט באולפן הקלטה משוכלל, אפשר לעשות על מחשב PC רגיל עם תוכנות מתאימות ויש הרבה תוכנות שמאפשרות לעשות הכל עם הקול.

כאמור, כל תוכנית מחשב מורכבת מפקודות בשפה הבינארית שהמחשב או יותר נכון המעבד מבין. כדי שהפקודות הללו יתבצעו יש להעביר אותן דרך המעבד, שיקרא אותן, ויבצע את הכתוב בהן. להלן תיאור מפורט של דרך עבודתו של המחשב.

כאשר אנו מריצים תוכנית כלשהי, אנו בעצם מתחילים תהליך ארוך מאוד. תחילה אנו אומרים למחשב להריץ את התוכנית. אנו עושים זאת ע"י שימוש באמצעי קלט כלשהו (לרוב המקלדת או העכבר), אך בדרך כלל אנו לא מעבירים הוראות מפורשות למחשב מה לעשות, אז כיצד המחשב יודע כיצד לנהוג?

כאשר אנו מדליקים את המחשב הפעולה הראשונה שהוא מבצע היא לגשת לרכיב ה-BIOS ששם ישנן הוראות נוספות מה לעשות. ההוראה האחרונה ב-BIOS מכוונת את המחשב לביצוע התוכנית הראשונה - הרצת מערכת ההפעלה. ברגע שמערכת ההפעלה "עלתה" המחשב ערוך לבצע פעולות שונות ולהגיב בהתאם לקלט מהמשתמש. נתבונן למשל, בתהליך הזזת העכבר. זוהי פעולה שנראית מאוד פשוטה ואינטואיטיבית אך בפועל מדובר בפעולה מורכבת מאוד (מעבר לדרך פעולתו של העכבר עצמו). כאשר אנו מזיזים את העכבר, המחשב שם לב לכך, ופונה לקטע בתוכנית של מערכת ההפעלה שמורה לו כיצד עליו לנהוג. הפקודות במערכת ההפעלה יורו למעבד לחשב את מיקומו החדש של סמן העכבר, לשמור את המיקום החדש בזיכרון המחשב, ולהציג את הסמן במקומו החדש על המסך. כאשר אנו מזיזים את העכבר, פעולה זו חוזרת על עצמה מאות פעמים והיא מתבצעת מייד. בנוסף, בפעולת הזזה פשוטה של העכבר, אנו מפעילים את העכבר, המעבד, הזיכרון, כרטיס המסך והמסך.

נתבונן כעת בתהליך יותר מורכב - הרצת תוכנית כלשהי. בין אם אנחנו לוחצים לחיצה כפולה על הצלמית של התוכנית או אם אנחנו משתמשים בתפריט ''התחל'' כדי להריץ את התוכנית, הפעולות הבאות להרצת התוכנית הן זהות. בעת קבלת הקלט מן המשתמש, המחשב מזהה את הקלט ופונה לקטע בתוכנית של מערכת ההפעלה שיורה לו מה לעשות: ההוראה הראשונה היא להעביר את התוכנית שאנו מעונינים להריץ מהכונן הקשיח לזיכרון העיקרי של המחשב (ה-RAM). המחשב אף פעם לא מריץ תוכנית ישירות מהכונן הקשיח. שלב הכרחי בהרצת תוכנית הוא העברתה לזיכרון העיקרי. המעבד דואג להעברת ההוראות של התוכנית מהזיכרון העיקרי לזיכרון המטמון. המעבד עובד ישירות רק מול זיכרון המטמון. מרגע זה, המעבד מקבל את ההוראות של התוכנית מזיכרון המטמון ומתחיל לבצע אותן. הוראות אלו יכולות להיות רבות ומגוונות: החל מחישוב של פעולה אריתמטית פשוטה וכלה בהרצת תוכנית חדשה נוספת במקביל לתוכנית הנוכחית או במקומה. התוכנית יכולה להמתין לקלט מהמשתמש או יכולה לפעול מייד ולא לקבל כלל נתונים מן המשתמש. באותה מידה, התוכנית יכולה לשלוח הרבה נתוני פלט שאנו שמים לב אליהם (כגון הוראות לכרטיס המסך במשחקים למשל) או נתוני פלט שאנו לא נשים לב אליהם כלל (כגון כתיבה לכונן הקשיח או לזיכרון). כשהתוכנית מסיימת את פעולתה, אנו חוזרים בעצם למצב שבו היינו קודם במערכת ההפעלה (למעט השינויים שגרמה התוכנית שהרצנו, אם היו כאלו).

בסופו של דבר, גם מערכת ההפעלה היא תוכנית לכל דבר. ההבדל בין מערכת ההפעלה לבין כל תוכנית אחרת הוא שמערכת ההפעלה היא התוכנית הראשונה שרצה ולכן מוטל עליה התפקיד החשוב של הכנת המחשב כדי שיוכל לקבל מאיתנו המשתמשים, הוראות פשוטות ולדעת כיצד לנהוג. כמו כן מערכת ההפעלה אמורה לרוץ כל הזמן כל עוד המחשב פועל כשורה.
עוד אתרים בנושא:

Ynet - מדריכים בתחום המחשוב

ויקיפדיה

הכרת המחשב

אתר טכנו

זירת המחשבים באתר טכנו

מילון מונחי מחשב

התשובה ניתנה על ידי מירי כהן מצוות מידעני KOL

---