Komputery osobiste zostały wprowadzone na rynek około 30 lat temu. Natomiast pierwsze opracowanie logicznego modelu komputera datowane jest na około 50 lat temu. Jego twórcą był John von Neuman. Do dnia dzisiejszego zasada działania komputera pozostaje niezmienna, co oznacza, że również dzisiejsze komputery są budowane wg opracowanej przez Neumana koncepcji. Podstawową koncepcją działania Neumana są następujące założenia:
- programy i dane są w tej samej postaci
- programy oraz dane są przechowywane w tej samej pamięci
Innymi słowy dane mogą być postrzegane jako instrukcje programu komputerowego, te zaś mogą być postrzegane jak dane.
Podstawowym elementem komputera pozostaje jego mózg, czyli procesor (CPU – Central Processing Unit). Jest on układem scalonym opartym na strukturze krzemowej. CPU jest zbudowany z tranzystorów. Ich liczba sięga nawet kilkanaście miliardów. Zadaniem procesora jest wykonywanie operacji arytmetycznych takich jak dodawanie i odejmowanie, jak również logiczne (iloczyn, negacja, suma logiczna itp.). CPU ma też za zadanie przesyłanie danych z i do pamięci operacyjnej. Procesor odpowiada również za prawidłową współpracę komponentów komputera. Obecnie szybkość taktowania procesora liczona jest w gigahercach, co oznacza, że w jednej sekundzie wykonuje on kilka miliardów operacji. Kiedy posiada więcej rdzeni, liczba ta jest mnożona przez ich ilość. Wszystkie te operacje noszą miano listy rozkazów procesora. Wg nich tworzone są programy komputerowe.
Rozkazy procesora mają postać zero – jedynkową, zaś każdy rozkaz to sekwencja zer i jedynek. Odpowiadają im sygnały elektryczne.
Przyjmuje się, że jeśli sygnał jest obecny ma wartość 1 lub jeśli go nie ma ma wartość 0. Ponieważ jako podstawę tego systemu przyjmuje się liczbowy system binarny, podstawową jednostką jest bit (0 lub 1), natomiast przelicznik jest następujący:
Komputer może wykonywać operacje na danych lub programy komputerowe tylko wtedy, kiedy są one dla niego dostępne. Przestrzenią, gdzie są umieszczane nazywa się pamięcią operacyjną. Może mieć ona różną formę. Np. półprzewodnikową, lecz dla procesora zawsze będzie widziana jako jednolity obszar pamięciowy. W pamięci operacyjnej, którą można wyobrazić sobie jako zbiór komórek, przy czym numer komórki jest jej adresem zapisywane mogą być następujące informacje:
- wartości, które wprowadza użytkownik,
- wartości, które są wynikiem działania jakiegoś programu,
- adresy komórek,
- rozkazy procesora,
- wartości, które pochodzą z urządzeń wejścia.
Procesor do komunikacji z pamięcią wykorzystuje szyny (magistrale). Rozróżnia się magistralę adresową oraz danych. Pierwsza z nich jest jednokierunkowa i umożliwia aktywację odpowiednich komórek pamięci poprzez ich zapis lub odczyt, natomiast druga tj. szyna danych jest dwukierunkowa i za jej pośrednictwem dane są przesyłane do lub od procesora.
Model wg. Neumana ilustruje poniższy obraz
Działanie procesora można zobrazować w kilku krokach:
- pobranie pierwszego kodu rozkazu programu załadowanego do pamięci operacyjnej
- żądanie przez procesor dostępu poprzez wstawienie na szynę adresową adresu komórki, w którym kod ten się znajduje
- uaktywnienie odczytu zawartości wskazanej komórki
- przesłanie do procesora zawartości oraz umieszczenie jej w rejestrze
- wykonanie rozkazu o ile kod tym rozkazem jest
Przykładem może być operacja dodania dwóch liczb (zmiennych) oraz umieszczenie jej w trzeciej zmiennej:
Założenia: dodali liczby x=4 i y=5
Należy pamiętać, że pamięć operacyjna jest pamięcią o swobodnym dostępie, w której dane rezydują wyłącznie w czasie pracy komputera. Jeśli wyniki mają zostać zapamiętane, należy je umieścić zapisując na pamięci masowej.
Opracowano na podstawie książki: Teraz bajty. Informatyka dla szkół ponadpodstawowych III. Grażyna Koba, Wydawnictwo Migra.