Hur datorer fungerar

De flesta av oss använder en dator varje dag, men få människor känner till den inre funktionen i denna viktiga del av våra liv. © iStockphoto.com / spxChrome

Ordet dator hänvisar till ett objekt som kan acceptera viss ingång och producera viss utgång. Faktum är att den mänskliga hjärnan i sig är en sofistikerad dator, och forskare lär sig mer om hur det fungerar med varje år som går. Vår vanligaste användning av ordet dator är dock att beskriva en elektronisk enhet som innehåller en mikroprocessor.

En mikroprocessor är en liten elektronisk enhet som kan utföra komplexa beräkningar på ett ögonblick. Du kan hitta mikroprocessorer på många enheter du använder varje dag, till exempel bilar, kylskåp och TV-apparater. Den mest erkända enheten med en mikroprocessor är persondatorn eller PC. I själva verket har begreppet dator blivit nästan synonymt med termen PC.

När du hör dator kan du föreställa dig en sluten enhet med en bifogad videoskärm, tangentbord och någon typ av pekdon, som en mus eller pekplatta. Du kan också tänka dig olika former av datorer, som stationära datorer, torn och bärbara datorer. Termen PC har associerats med vissa märken, till exempel Intel-processorer eller Microsoft-operativsystem. I denna artikel definierar vi dock en dator som en mer generell datoranordning med dessa egenskaper:

• designad för användning av en person i taget
• driver ett operativsystem för gränssnitt mellan användaren och mikroprocessorn
• har vissa vanliga interna komponenter som beskrivs i den här artikeln, som en CPU och RAM
• kör programvaror som är utformade för specifikt arbete eller spelaktiviteter
• möjliggör att lägga till och ta bort hårdvara eller mjukvara efter behov

Datorer spårar sin historia tillbaka till 1970-talet när en man vid namn Ed Roberts började sälja datorsatser baserade på ett mikroprocessorchip designat av Intel. Roberts kallade sin dator Altair 8800 och sålde de omonterade satserna för 395 dollar. Popular Electronics sprang en berättelse om satsen i utgåvan från januari 1975, och till överraskningen för nästan alla, blev satserna en omedelbar hit. Således började persondatorns era [källor: Cerruzi, Lasar].

Medan Altair 8800 var den första riktiga persondatorn, var det Apple II ett par år senare som signalerade PC-starten som en eftertraktad hushållsapparat. Apple II, från uppfinnarna Steve Jobs och Steve Wozniak, bevisade att det fanns en efterfrågan på datorer i hem och skolor. Strax efter hoppade länge etablerade dataföretag som IBM och Texas Instruments till PC-marknaden, och nya varumärken som Commodore och Atari hoppade in i spelet.

I den här artikeln tittar vi inuti datorn för att ta reda på dess delar och vad de gör. Vi ska också kolla in den grundläggande programvaran som används för att starta och köra en dator. Sedan täcker vi mobila datorer och undersöker framtiden för PC-teknik.

Innehåll

1. Core PC-komponenter
2. Portar, kringutrustning och expansionsplatser
3. Starta en dator
4. PC-operativsystem
5. PC: s framtid
6. Bärbar personlig databehandling

För att se hur en dator fungerar, låt oss börja med bitarna som samlas för att göra maskinen. Följande är de komponenter som är gemensamma för datorer i den ordning de vanligtvis monteras:

Fall -- Om du använder en bärbar dator innehåller datorhöljet tangentbord och skärm. För stationära datorer är fallet vanligtvis någon typ av låda med ljus, ventiler och platser för att fästa kablar. Väskans storlek kan variera från små bordsskivor till höga torn. Ett större fall innebär inte alltid en mer kraftfull dator; det är vad som är inne som räknas. PC-byggare designar eller väljer ett fodral baserat på typen av moderkort som borde passa inuti.

Moderkort -- Det primära kretskortet inuti din dator är dess moderkort. Alla komponenter, inifrån och ut, ansluter genom moderkortet på något sätt. De andra komponenterna som listas på denna sida är borttagbara och därmed utbytbara utan att byta moderkortet. Flera viktiga komponenter är dock kopplade direkt till moderkortet. Dessa inkluderar den komplementära metalloxidhalvledaren (CMOS), som lagrar viss information, t.ex. systemklockan, när datorn stängs av. Moderkort finns i olika storlekar och standarder, det vanligaste av detta skrivande är ATX och MicroATX. Därifrån varierar moderkort beroende på vilken typ av flyttbara komponenter de är utformade för att hantera internt och vilka portar som finns tillgängliga för att ansluta externa enheter.

Strömförsörjning -- Förutom sin CMOS, som drivs av ett utbytbart CMOS-batteri på moderkortet, förlitar sig alla komponenter på din dator på strömförsörjningen. Strömförsörjningen ansluts till någon typ av strömkälla, oavsett om det är ett batteri för mobila datorer, eller ett eluttag för stationära datorer. På en stationär dator kan du se strömförsörjningen monterad inuti höljet med en strömkabelanslutning på utsidan och en handfull anslutna kablar inuti. Vissa av dessa kablar ansluts direkt till moderkortet medan andra ansluter till andra komponenter som enheter och fläktar.

Central processorenhet (CPU) -- CPU, ofta bara kallad processorn, är komponenten som innehåller mikroprocessorn. Den mikroprocessorn är hjärtat i all PC: s verksamhet, och prestanda för både hårdvara och mjukvara är beroende av processorns prestanda. Intel och AMD är de största CPU-tillverkarna för datorer, även om du hittar andra på marknaden också. De två vanliga CPU-arkitekturerna är 32-bitars och 64-bitars, och du kommer att upptäcka att viss programvara är beroende av denna arkitekturskillnad.

Random access-minne (RAM) -- Även den snabbaste processorn behöver en buffert för att lagra information medan den bearbetas. RAM: n är till CPU: n som en bänkskiva för en kock: Det fungerar som platsen där ingredienserna och verktygen du arbetar med väntar tills du behöver hämta dem och använda dem. Både en snabb CPU och en stor mängd RAM är nödvändig för en snabb dator. Varje dator har en maximal mängd RAM som den kan hantera, och kortplatser på moderkortet indikerar vilken typ av RAM som datorn kräver.

Drives -- En enhet är en enhet avsedd att lagra data när den inte används. En hårddisk eller solid state-enhet lagrar en dators operativsystem och programvara, som vi kommer att titta närmare på senare. Denna kategori inkluderar också optiska enheter som de som används för att läsa och skriva CD, DVD och Blu-ray media. En enhet ansluts till moderkortet baserat på den typ av drivenhetsteknologi som den använder, inklusive den äldre IDE-standarden och den nyare SATA-standarden.

Kylanordningar -- Ju mer din dator bearbetar, desto mer värme genererar den. CPU och andra komponenter kan hantera en viss mängd värme. Men om en dator inte kyls ordentligt kan den överhettas och orsaka kostsamma skador på dess komponenter och kretsar. Fläktar är den vanligaste enheten som används för att kyla en dator. Dessutom täcks CPU: n av ett metalliskt block som kallas ett kylfläns, som drar värme bort från CPU: n. Vissa seriösa datoranvändare, som spelare, har ibland dyrare värmebehandlingslösningar, som ett vattenkyldt system, utformat för att hantera mer intensiva kylkrav.

kablar -- Alla komponenter som vi hittills har nämnt är anslutna med någon kombination av kablar. Dessa kablar är utformade för att bära data, ström eller båda. PC: er ska vara konstruerade så att kablarna viks ordentligt in i höljet och inte blockerar luftflödet genom det.

En dator är vanligtvis mycket mer än dessa kärnkomponenter. Därefter tittar vi på portarna och kringutrustningen som låter dig interagera med datorn och hur du kan lägga till ännu fler komponenter med expansionsplatser.

Helst kommer din dator att ha tillräckligt många portar så att du inte behöver smyga alla tillbehör tillsammans. Om du befinner dig i ett sådant sylt, överväg om du behöver alla dessa kringutrustning eller inte. © iStockphoto.com / andres balcazar

Kärnkomponenterna som vi hittills har tittat på utgör en PC: s centrala processorkraft. En dator behöver dock ytterligare komponenter för att interagera med mänskliga användare och andra datorer. Följande är datordelarna som gör detta:

Grafikkomponenter -- Medan vissa moderkort har grafik ombord inkluderar andra det som kallas en expansionsplats, där du kan skjuta in ett separat videokort. I båda fallen bearbetar videokomponenterna i en dator en del av de komplexa grafikdata som går till skärmen och tar bort lite av din CPU. Ett moderkort accepterar grafikkort baserat på ett specifikt gränssnitt, till exempel den äldre AGP-standarden eller en av de nyare PCI-standarderna.

Hamnar -- Ordet port används ofta för att beskriva en plats på utsidan av datorn där du kan ansluta en kabel. Beskriv en port med dess användning, till exempel en USB-port eller en Ethernet-port. (Observera att ordporten också används för att beskriva en mjukvaruförbindelse när två hårdvara försöker kommunicera.) Många portar är fästade direkt på moderkortet. Några av de portar du hittar på en dator inkluderar följande:

• USB-portar
• nätverksportar, vanligtvis Ethernet och FireWire
• videoporter, vanligtvis en kombination av VGA, DVI, RCA / komponent, S-Video och HDMI
• ljudportar, vanligtvis en kombination av mini-analoga ljuduttag eller RCA
• äldre portar eller portar som följer gamla standarder som sällan används i moderna datorer, till exempel parallella skrivarportar och PS2-portar för ett tangentbord och mus

kringutrustning -- Varje hårdvara som inte är monterad i en PC-hölje kallas periferiutrustning. Detta inkluderar dina grundläggande in- och utgångsenheter: skärmar, tangentbord och möss. Det inkluderar även skrivare, högtalare, hörlurar, mikrofoner, webbkameror och USB-flashenheter. Allt du kan ansluta till en port på datorn är en av datorns kringutrustning. De väsentliga kringutrustning (som bildskärmar) är inte nödvändiga på bärbara datorer som har dem inbyggda i stället.

Expansionsplatser -- Ibland vill du lägga till komponenter till en dator som inte har någon särskild plats någonstans på moderkortet. Det är därför moderkortet kommer att innehålla en serie expansionsplatser. De flyttbara komponenterna som är utformade för att passa in i expansionsplatser kallas kort, antagligen på grund av deras platta, kortliknande struktur. Med hjälp av expansionsplatser kan du lägga till extra videokort, nätverkskort, skrivarportar, TV-mottagare och många andra anpassade tillägg. Kortet måste matcha expansionsspårstypen, oavsett om det är den gamla ISA / EISA-typen eller de vanligaste PCI-, PCI-X- eller PCI Express-typerna.

Nu när vi har tittat på delar av en dator, låt oss trycka på strömbrytaren och se vad som får den att starta.

När du först startar en dator går maskinen igenom flera interna processer innan den är redo att använda. Detta kallas startprocessen, eller starta om datorn. Boot är förkortning för bootstrap, en hänvisning till det gamla ordspråket, "Dra dig upp med bootstraps", vilket innebär att starta något från början. Startprocessen styrs av PC: s grundläggande input-output-system (BIOS).

BIOS är mjukvara lagrad på ett flashminne-chip. På en PC är BIOS inbäddat på moderkortet. Ibland släpper en PC-tillverkare en uppdatering för BIOS, och du kan noggrant följa instruktionerna för att "flasha BIOS" med den uppdaterade programvaran.

Förutom att styra startprocessen tillhandahåller BIOS ett grundläggande konfigurationsgränssnitt för datorns hårdvarukomponenter. I det gränssnittet kan du konfigurera saker som ordningen att läsa enheter under uppstart och hur snabbt processorn ska tillåtas köras. Kolla in din dators dokumentation för att ta reda på hur du anger BIOS-gränssnittet. Denna information visas ofta när du först startar datorn också med ett meddelande som "Tryck DEL för att öppna installationsmenyn."

Följande är en sammanfattning av startprocessen på en dator:

1. Strömknappen aktiverar strömförsörjningen i datorn och skickar ström till moderkortet och andra komponenter.
2. Datorn utför ett självtest (POST). POST är ett litet datorprogram inom BIOS som kontrollerar om maskinvarufel. Ett enda pip efter POST signalerar att allt är okej. Andra ljudsekvenser signalerar ett maskinvarufel, och PC-reparationsspecialister jämför dessa sekvenser med ett diagram för att avgöra vilken komponent som har misslyckats.
3. Datorn visar information på den bifogade bildskärmen som visar detaljer om startprocessen. Dessa inkluderar BIOS-tillverkaren och revisionen, processorspecifikationer, hur mycket RAM som är installerat och enheterna som upptäckts. Många datorer har ersatt att visa denna information med en stänkskärm som visar tillverkarens logotyp. Du kan stänga av stänkskärmen i BIOS-inställningarna om du hellre vill se texten.
4. BIOS försöker få åtkomst till den första sektorn på enheten som är angiven som startdisken. Den första sektorn är den första kilobyten på disken i sekvens, om enheten läses i följd med början med den första tillgängliga lagringsadressen. Startdisken är vanligtvis samma hårddisk eller solid-state-enhet som innehåller ditt operativsystem. Du kan ändra startdisken genom att konfigurera BIOS eller avbryta startprocessen med en nyckelsekvens (ofta anges på startskärmarna).
5. BIOS bekräftar att det finns en bootstrap loader, eller boot loader, i den första sektorn på startdisken, och den laddar den boot loader i minnet (RAM). Boot loader är ett litet program som är utformat för att hitta och starta datorns operativsystem.
6. När startlasteren är i minnet överlämnar BIOS sitt arbete till startlastaren, som i sin tur börjar ladda operativsystemet i minnet.
7. När startladdaren avslutar sin uppgift överför den kontrollen över datorn till operativsystemet. Sedan är operativsystemet redo för användarinteraktion.

Nu när vi alla är igång, vad är nästa? En hel del av hur datorer fungerar beror på vilket operativsystem du använder. Låt oss i nästa avsnitt undersöka hur operativsystem fungerar på en dator.

Microsoft Windows är fortfarande det mest populära operativsystemet i världen. © iStockphoto.com / Tuomas Kujansuu

Efter att en dator har startat kan du styra den via ett operativsystem eller OS för kort. Från detta skrivande kör de flesta icke-Apple-datorer en version av Microsoft Windows eller en Linux-distribution. Dessa operativsystem är utformade för att köra på olika typer av PC-hårdvara, medan Mac OS X främst är designad för Apple-hårdvara.

Ett operativsystem ansvarar för flera uppgifter. Dessa uppgifter ingår i följande breda kategorier:

• Processorhantering -- delar upp processorns arbete i hanterbara bitar och prioriterar dem innan du skickar dem till CPU: n.
• Minneshantering -- koordinerar flödet av data in och ut ur RAM och bestämmer när det virtuella minnet ska användas på hårddisken för att komplettera en otillräcklig mängd RAM.
• Enhetshantering -- tillhandahåller ett mjukvarubaserat gränssnitt mellan datorns interna komponenter och varje enhet ansluten till datorn. Exempel inkluderar tolkning av tangentbord eller musinmatning eller justering av grafikdata till rätt skärmupplösning. Nätverksgränssnitt, inklusive hantering av din Internet-anslutning, faller också in i enhetshanteringshinken.
• Lagringshantering -- riktar var data ska lagras permanent på hårddiskar, solid state-enheter, USB-enheter och andra former av lagring. Till exempel hjälper lagringshanteringsuppgifter när du skapar, läser, redigerar, flyttar, kopierar och tar bort dokument.
• Programgränssnitt -- tillhandahåller datautbyte mellan program och PC. En applikation måste programmeras för att fungera med applikationsgränssnittet för det operativsystem du använder. Program är ofta utformade för specifika versioner av ett operativsystem. Du ser detta i applikationens krav med fraser som "Windows Vista eller senare" eller "fungerar bara på 64-bitars operativsystem."
• Användargränssnitt (UI) - ger dig ett sätt att interagera med datorn.

Därifrån, notera för att se vår artikel Hur operativsystem fungerar för mer information om hur ett operativsystem fungerar på en dator. Kontrollera också när du vill veta hur specifika applikationer och enheter fungerar på din dator.

Låt oss nu titta på PC: s framtid övergripande och hur PC-tillverkarna har erövrat portabilitetsutmaningarna för mobil datoranvändning.

Sedan den första datorn kom på marknaden har nyare och bättre modeller gjort äldre modeller föråldrade inom månader efter produktion. Drive-tekniker som SATA ersatte IDE, och PCI-expansionsplatser ersatte ISA och EISA. Den mest framträdande mätaren för teknisk utveckling i en PC är dock dess CPU och mikroprocessorn i den CPU.

Kiselmikroprocessorer har varit hjärtat i datorvärlden sedan 1950-talet. Under den tiden har mikroprocessortillverkare pressat fler transistorer och förbättringar på mikroprocessorer. 1965 förutspådde Intel-grundaren Gordon Moore att mikroprocessorer skulle fördubblas i komplexitet vartannat år. Sedan dess har denna komplexitet fördubblats var 18: e månad, och branschexperter kallade förutsägelsen Moore's Law. Många experter har förutspått att Moores lag snart kommer att ta slut på grund av de fysiska begränsningarna av kiselmikroprocessorer [källa: PBS].

Från detta skrivande fortsätter dock processorns transistorkapacitet att öka. Detta beror på att chipstillverkarna ständigt hittar nya sätt att etsa transistorer på kisel. De små transistorerna mäts nu i nanometer, som är en miljarddels meter. Atomerna själva är ungefär 0,5 nm, och de mest aktuella produktionsprocesserna för mikroprocessorer kan producera transistorer som mäter 45 nm eller 32 nm. Ju mindre antalet går, desto fler transistorer passar på ett chip och därmed desto mer processorkraft kan chipet. Från maj 2011 arbetade Intel med en 22-nm tillverkningsprocess, kodnamn Ivy Bridge, som använder transistorer med en energisparande design som heter Tri-Gate [källor: BBC, Intel].

Så vad händer när vi når slutet av Moore's Law? Ett nytt sätt att bearbeta data kan säkerställa att framstegen fortsätter. Potentiella efterträdare är de som visar sig vara ett mer kraftfullt sätt att utföra en processors grundläggande beräkningsfunktioner. Silikonmikroprocessorer har förlitat sig på den traditionella tvåstatstransistorn i mer än 50 år, men uppfinningar som kvantdatorer förändrar spelet.

Kvantdatorer är inte begränsade till de två tillstånden på 1 eller 0. De kodar information som kvantbitar eller qubits. En kvbit kan vara en 1 eller en 0, eller den kan finnas i en superposition som är samtidigt 1 och 0 eller någonstans däremellan. Qubits representerar atomer som arbetar tillsammans för att fungera som både datorminne och mikroprocessor. Eftersom en kvantdator kan innehålla dessa flera tillstånd samtidigt, har den potentialen att vara miljoner gånger mer kraftfulla än dagens mäktigaste superdatorer. Kvantberäkningstekniken är fortfarande i sina tidiga stadier, men forskare bevisar redan konceptet med verkliga, mätbara resultat. Se till hur kvantdatorer arbetar för mer om detta fantastiska genombrott.

Tiden kommer att visa om kraften hos kvantdatorer någonsin kommer att komma till den genomsnittliga datorn. Under tiden kan du fortfarande ha en hel del processorkraft med dig tack vare mobila datorer, som vi kommer att titta på nästa.

Mobila datorenheter kommer att fortsätta att bli mer och mer framträdande på PC-marknaden. © iStockphoto.com / Oleksiy Mark

Redan före datorn föreställde datortillverkare bärbara datorer. Det var den 12-pundiga IBM PC Convertible som tog med sig laptopkonceptet i produktion 1986. Sedan dess har bärbara datorer blivit mindre och lättare, och deras bearbetningskraft har förbättrats tillsammans med stationära datorer [källa: IBM].

I dag känner datorindustrin igen andra klasser av mobila datorer. En klass, anteckningsboken, har blivit nästan synonymt med den bärbara datorn. Begreppet användes ursprungligen för att indikera en mindre, lättare kusin till den bärbara datorn. En annan klass, netbook, är ännu mindre än bärbara datorer, medan den också är billigare och mindre kraftfull. Klassificeringen är förmodligen uppkallad efter sin målgrupp: de som vill ha ett mycket grundläggande gränssnitt för att använda Internet.

Mobil databehandling går ännu längre än bärbara och netbooks. Många smartphones och surfplattor har lika mycket processorkraft som bärbara datorer, packade i mindre paket. De viktigaste skillnaderna inkluderar en mindre skärmstorlek och upplösning, färre externa portar, kapacitet för mobiltelefoner och pekskärmsteknik, utöver eller i stället för ett tangentbord.

På mjukvarusidan förbättrar datorns operativsystem också portabiliteten. Till exempel minimerar Google Chrome OS behovet av hårddiskutrymme genom att förlita sig på åtkomst till webbapplikationer och molnlagring. Detta betyder att en netbook som är begränsad till en 64 GB solid-state-enhet har potential att vara lika användbar som en bärbar dator med en 500 GB-hårddisk. Naturligtvis är stora applikationer som inte är webbaktiverade undantag för denna utrymmesbesparande fördel.

I den här artikeln har vi tittat på hur en dator fungerar och vart datortekniken går. En sak är säker: datorn kommer att utvecklas. Det kommer att bli snabbare. Det kommer att ha mer kapacitet. Och det kommer att fortsätta att vara en integrerad del av våra liv.

För mycket mer om persondatorer, klicka på nästa sida.

relaterade artiklar

• Så fungerar BIOS
• Hur datorminne fungerar
• Hur Ethernet fungerar
• Hur EUVL-chipproduktion fungerar
• Hur FireWire fungerar
• Hur hårddiskar fungerar
• Hur bärbara datorer fungerar
• Hur mikroprocessorer fungerar
• Hur modem fungerar
• Hur Moores lag fungerar
• Hur Netbooks fungerar
• Så fungerar PCI
• Hur fungerar flyttbar lagring
• Hur transistorer fungerar
• Hur USB-portar fungerar
• 10 typer av datorer
• Hur små kan CPU: er få?
• Vad är skillnaden mellan bärbara datorer, netbooks och ultra-mobila datorer?

Fler bra länkar

• IBM-arkiv: IBMs persondator
• Microsoft: Windows historia

källor

• BBC Nyheter. "Intel avslöjar 22nm 3D Ivy Bridge-processor." BBC. 4 maj 2011. (1 november 2011) http://www.bbc.co.uk/news/technology-13283882
• Ceruzzi, Paul E. "A History of Modern Computing, 2nd Edition." Massachusetts Institute of Technology. 2003.
• Lenovo. "Företagshistoria." (1 november 2011) http://www.lenovo.com/lenovo/us/en/history.html
• Intel. "Från Sand till Silicon: Making of a Chip: 32nm Process Technology." Intel Corporation. (1 november 2011) http://www.intel.com/pressroom/kits/chipmaking/index.htm
• Lasar, Matthew. "Vem uppfann datorn? (Ledtråd: inte IBM)." Ars Technica. Condé Nast Digital. Juni 2011. (31 oktober 2011) http://arstechnica.com/tech-policy/news/2011/06/did-ibm-invent-the-personal-computer-answer-no.ars
• PBS.org. "Den första kiseltransistorn." ScienCentral, Inc. och American Institute of Physics. 1999. (1 nov. 2011) http://www.pbs.org/transistor/science/events/silicont1.html