Informatyka · Sprzęt i architektura
Co naprawdę dzieje się w komputerze, kiedy piszesz x = 5 + 3?
Pisząc program, rzadko myślisz o tym, gdzie on się wykonuje. A to właśnie wyjaśnia, dlaczego komputer zwalnia, gdy otwierasz za dużo kart, i dlaczego dokupienie RAM-u często pomaga bardziej niż szybszy procesor.
- około 30 minut
- 5 interaktywnych ćwiczeń
- wraca na maturze i egzaminach zawodowych
Po tej lekcji: opiszesz drogę jednej instrukcji przez komputer, odczytasz liczbę zapisaną bitami i wyjaśnisz, dlaczego pamięci mają różne prędkości.
Zakres podstawowy · materiał otwarty
1 · Jak to jest zbudowane
Cztery elementy i jedna wspólna zasada
Prawie każde urządzenie, od telefonu po superkomputer, jest zbudowane według pomysłu Johna von Neumanna z 1945 roku: program i dane leżą w tej samej pamięci, a procesor pobiera je stamtąd i wykonuje.
Można to porównać do kuchni. Przepis i składniki leżą na blacie (pamięć), kucharz czyta przepis i gotuje (procesor), spiżarnia trzyma zapasy na dłużej (dysk), a drzwi i okienko to kontakt ze światem (wejście i wyjście).
CPU · procesorkucharz
Pobiera instrukcje programu i je wykonuje. Składa się z jednostki sterującej (CU), która rozumie polecenia, oraz jednostki arytmetyczno-logicznej (ALU), która liczy i porównuje.
Na przykład zsumowanie dwóch liczb robi ALU.
RAM · pamięć operacyjnablat kuchenny
Trzyma programy i dane, z którymi procesor pracuje w tej chwili. Jest szybka, ale po wyłączeniu zasilania traci zawartość.
Na przykład otwarte karty przeglądarki i dokument, który właśnie edytujesz.
Dysk · SSD lub HDDspiżarnia
Przechowuje pliki na stałe, także po wyłączeniu komputera. Jest większy niż RAM, ale wolniejszy.
Na przykład zapisany dokument, system i zainstalowane gry.
Wejście i wyjściedrzwi i okienko
Urządzenia, przez które komputer kontaktuje się z człowiekiem i światem. Wejście dostarcza dane, wyjście je pokazuje.
Na przykład klawiatura i mikrofon to wejście, monitor i głośnik to wyjście.
2 · Zobacz to w ruchu
Droga jednej instrukcji przez komputer
Weźmy najprostszą instrukcję z programu: x = 5 + 3. Zmień liczby lub działanie, a potem przejdź przez pięć kroków. Obserwuj, który element akurat pracuje i dokąd wędruje paczka danych.
To bardzo uproszczony obraz. Prawdziwy procesor robi to miliardy razy na sekundę, a instrukcje wyglądają inaczej (to tak zwany kod maszynowy). Schemat jest jednak ten sam: pobierz, rozpoznaj, policz, zapisz.
Bajty, kilobajty i pułapka z tysiącem
Przy jednostkach łatwo się pomylić, bo istnieją dwa sposoby liczenia. W informatyce naturalna jest potęga dwójki: 1 KiB = 1024 B, bo 1024 to 2 do potęgi 10. Producenci dysków liczą w tysiącach (1 GB = 1 000 000 000 B), a Windows pokazuje rozmiar w potęgach dwójki, choć nazywa go „GB”. Dlatego dysk opisany jako 500 GB widać w systemie jako około 465 GB.
| Jednostka | Bajtów | Bitów |
|---|---|---|
1 B | 1 | 8 |
1 KiB | 1 024 | 8 192 |
1 MiB | 1 048 576 | 8 388 608 |
1 GiB | 1 073 741 824 | 8 589 934 592 |
4 · Dlaczego pamięci jest kilka
Im szybsza pamięć, tym mniejsza i droższa
Procesor liczy tak szybko, że przy każdym sięgnięciu po dane na dysk musiałby długo czekać. Dlatego między nim a dyskiem ustawiono kolejne, coraz większe i coraz wolniejsze piętra pamięci. Czasy poniżej są orientacyjne: to rzędy wielkości, a nie pomiar konkretnego sprzętu.
Kliknij „Przelicz na ludzką skalę”. Wyobraź sobie, że jedna nanosekunda trwa sekundę, i zobacz, jak ogromne są te różnice.
W tej skali odczyt z RAM-u trwa około półtorej minuty, z SSD około doby, a z talerzowego dysku ponad trzy miesiące. Stąd cała hierarchia pamięci.
5 · Typowy problem
Dlaczego komputer zwalnia, choć dysk jest prawie pusty?
Gdy programy nie mieszczą się w RAM-ie, system zrzuca część danych na dysk (to tak zwany plik wymiany, czyli swap). Dysk jest znacznie wolniejszy, więc cały komputer zaczyna „mulić”.
Ustaw, ile programów chcesz mieć otwartych, i zobacz, co się dzieje. Potem wypróbuj dwóch napraw: większego dysku i większego RAM-u.
Więcej miejsca na dysku nie dodaje pamięci roboczej. Dlatego dokupienie RAM-u często przyspiesza komputer bardziej niż szybszy procesor, jeśli problemem jest właśnie brak pamięci.
6 · Który procesor jest lepszy?
Szybkość to nie tylko gigaherce
Pracą procesora rządzi zegar: 1 GHz to miliard taktów na sekundę. Ale częstotliwość to nie wszystko. Liczy się też liczba rdzeni, z których każdy może pracować nad własnym zadaniem, oraz to, czy dane zadanie da się podzielić.
Porównaj dwa procesory o tej samej architekturze. Przesuwaj suwak: jaka część zadania daje się podzielić na kilka rdzeni?
Podsumowanie
Co warto zapamiętać
- Komputer składa się z procesora (CU i ALU), pamięci RAM, pamięci trwałej oraz urządzeń wejścia i wyjścia. Program i dane leżą w pamięci, a procesor je wykonuje.
- Instrukcja przechodzi przez cztery etapy: pobranie, rozpoznanie, obliczenie, zapis wyniku.
- Bajt to 8 bitów. 1 KiB to 1024 bajty, więc 2 KiB to 2048 B, czyli 16 384 bity.
- Liczby ujemne zapisujemy w kodzie U2: odwróć bity i dodaj 1. Na 8 bitach mieści się zakres od −128 do 127.
- Pamięć jest albo szybka, albo duża. RAM to pamięć robocza, a dysk to pamięć trwała.
- Wyższy takt nie zawsze oznacza szybszy komputer: liczą się też rdzenie i to, czy zadanie da się podzielić.
Po zalogowaniu zobaczysz dodatkowe lekcje i materiały oznaczone jako rozszerzenie. Podstawowe quizy i zadania pozostają dostępne w biurku.
Dalej na swoim koncie
Rozgrzewki, quiz i zadania są w biurku ucznia.
Teoria jest otwarta dla wszystkich. Żeby rozwiązywać zadania, zapisywać szkice i widzieć swój postęp, zaloguj się.
Zaloguj się →