כחלק מהפורום, ננסה להסביר למתחילים ולמתעניינים מה עומד מאחורי המוצרים שהם מכירים.
אשכול זה ינסה לסקור ולהסביר איך עובדים המוצרים הדיגיטליים שכולם מכירים. אתם מוזמנים למבקש הסברים על כל דבר.
ונתחיל איך לא, במחשב. המוצר הלכאורה פלאי הזה, שקשה לדמיין איך היו חיינו בלעדיו. אם לא שמים לב ופותחים עיניים, זה יכול להיראות כאילו מהפיכת המחשוב היא מהפיכה רק בנוחות החיים. אבל אם תפתחו את העניים ותשימו לב, תמצאו שמהפיכת המחשוב שינתה כמעט את כל העולם.
כיום, כמעט בכל דבר יש מחשב, החל מנגן הMP3 שלכם, עבור דרך מכונת הכביסה שלכם, וכלה במחשבי על.
אז מהו מחשב? בפוסט זה אסקור את החומרה שבמחשב, החומרה היא החלקים הפיזיים במחשב, כדוגמת המעבד הזיכרון והדיסק קשיח. בניגוד לתוכנה, שהיא כמובן מה שמפעיל את החומרה, אבל בסופו של דבר הוא אוסף נתונים בינאריים של 0 ו1 (שעוד נעמוד עליו בהמשך, אל דאגה).
אז נתמקד במחשב הביתי בהתחלה. כיום המחשבים בנויים במה שנקרא ארכיטקטורת פון ניומן, או מודל פו ניומן. שהבסיס שלו הוא, שהמעבד קורא נתונים מהזיכרון, ושומר את התוצאה המעובדת בזיכרון.
נתחיל בהסבר על איך המחשב עובד הלכה למעשה, ואז נעבור להסברים נרחבים על כל רכיב חומרה.
בבסיסו של המחשב יושב המעבד, או בשמו המלא, יחידת העיבוד המרכזית (באנגלית CPU). המעבד אחראי על עיבוד הנתונים שנכנסים אליו כקוד, את הקוד המעבד קורא מתוך זיכרון המחשב, שהוא זיכרון גישה אקראית בד"כ (RAM), היינו, שהמחשב יכול לגשת לכל נקודה בזיכרון בזמן שווה, בניגוד למשל בדיסק קשיח, שם המידע מאוחסן בצורה סידרתית, היינו יש מיקום מסויים על הדיסק בו מאוחסן המידע, וכדי לגשת עליו צריך לחפש את המיקום ורק אז לגשת אליו. בהמשך נרחיב על כך.
המידע שבזיכרון הוא נדיף, היינו כל פעם שאין זרם חשמל בזיכרון, כל המידע נמחק. כך שצריך לטעון את המידע לזיכרון, מזכרון לא נדיף. כאן נכנס לתמונה הדיסק קשיח, שהוא בעצם פלטות זכוכית (בד"כ) המצופות בחומר הניתן למגנוט. ויש לו ראש קריאה וראש כתיבה, שקוראים וכותבים את המידע בדיסק.
ועתה נרחיב על רכיבי הליבה האמורים.
יחידת העיבוד המרכזית - להלן 'המעבד'. כאמור המעבד הוא הרכיב האחראי על עיבוד הנתונים והחישובים במחשב.
המעבד הוא המצאה פיזיקלית במהותו, שעובד עם מתמטיקה.
תארו לכם שיש לי מערך של 7 ברזי מים, אשר מחולקים לכמה סוגי ברזים, שבנויים בצורה ששני צינורות מזרימים לכל ברז, והברז עובד כדלהלן. הברז הראשון עובד שאם מהצינור המזין הימני מזרים מים, והשמאלי לא מזרים, אז הברז מזרים מים, ואם לא אז לא יזרים. השני עובד שאם הימני לא מזרים והשמאלי מזרים, אז הברז מזרים, ואם לא כנ"ל. השלישי עובד שרק אם אחד מהצינורות מזרים, אז הברז מזרים, אם שניים מזרימים אז הוא לא יזרים. הרביעי עובד שאם אחד מהצינורות מזרימים, אז הברז לא עובד. החמישי עובד שרק אם שני הצינורות מזרימים, אז הברז יעבוד. השישי עובד שאם שני הצינורות לא מזרימים, אז הוא כן יזרים. צריך לציין, שלא כל הנ"ל נצרכים לשני צינורות, למשל זה שאם הצינור מזרים, הוא לא מזרים, וההפך, יכול להיות גם בצינור אחד.
עכשיו תארו לכם שכל הנ"ל מסודר בסדר מסוים, אפשר לחזות במדויק מה יצא לפי מה שיכנס. עכשיו, אם נרצה לעשות חישוב מתמטי, נוכל לפתוח חלק מהצינורות בסדר שייצג את הבעיה המתמטית שלנו, בצורה שהמעבר דרך אותם ברזים ייתן לנו את התוצאה. זה אמנם יהיה קשה מאוד, כי צריך לחשב מה לפתוח ומה לסגור, אבל זה אפשרי. לכל ברז כזה קוראים שער לוגי.
ועכשיו נעבור למעבד, בתוך המעבד יש החל ממליוני שערים במעבדים ישנים או חלשים, ועד למליארדי שערים לוגיים בחדשים. העובדים בצורה כזאת, רק שבמקום מים, יש זרם חשמלי. כל שער עובד בטרנזיסטור, שמנצל תוכנות פיזיקליות כדי ליצור את השערים הנ"ל.
בכל מעבד, השערים מסודרים בסדר מסוים, שגורם לכך שבהינתן פקודה ידועה מראש, היא תעבור עיבוד, ותצא מעובדת בצד השני. לכן לכל מעבד יש סט פקודות משלו, למשל למעבדי אינטל למחשבים הביתיים יש שני ארכיטקטורות עיקריות, האחת של 32 ביט, שהיינו שכל פקודה שנכנסת לצינור העיבוד מורכב מ32 בתים של זיכרון, דהיינו לשורה של 32 שערים (ביט זה נקודת זיכרון הקטנה ביות, שמכילה או את 0 המיוצג על ידי זרם חלש, או 1 המיוצג ע"י זרם חזק). לארכיטקטורה זו נהוג לקרוא גם X86, מכיון שהמעבדים הראשונים שנשאו סט פקודות של 32 ביט היו מעבדים מסדרה שנקראה X86, כי היא הייתה משפחה של מעבדים שכולם הסתיימו ב86.
הסט השני הנפוץ נקרא AMD64 או I64 או X86-64, מכיוון שמי שהוציא את הארכיטקטורה ראשון, הייתה חברת AMD (זו הפעם הראשונה אי פעם שAMD הובילה מהלך חדשני יותר מאינטל). ובארכיטקטורה הזו כל פקודה מורכבת מ64 ביט. מה שמאפשר פקודות נרחבות בהרבה, וכן זיכרון מחשב גדול בצורה משמעותית. מכיוון שבזיכרון המחשב בארכיטקטורת 32 היה מוגבל ל כ3 ג'יגה בייט, וב64 הוא יכול עד טרה בייט של זיכרון מחשב (RAM), וזה מסיבה שנסביר מאוחר יותר בזיכרון המחשב. ארכיטקטורה זו יכולה גם לתמוך בתוכנות שנכתבו ל32.
ישנו סט אשר נפוץ בעיקר לשרתים של חברת HP שתומך רק ב64, אבל לא נתעכב עליו.
במעבדים של סמארטפונים וטאבלטים, נפוצה בעיקר ארכיטקטורת ARM שהמציאה אגב חברה ישראלית (הגורפת מליונים בגלל המצאה זו).
במעבדים גרפיים (שמשמשים כרטיסי מסך) יש מעבדים בעלי ארכיטקטורת 128 ביט. בפוסט אחר נשתדל להסביר את ההבדל. אבל מעבדים גרפיים הם חזקים פי כמה ממעבד רגיל, בגלל העיבודים הגרפיים המסובכים שעליהם לעשות.
המעבד קורא את הפקודה באופן ישיר מזיכרון שנמצא במעבדים מודרניים בתוך המעבד עצמו, וקוראים לו אוגר. פעם גודלו של אוגר זיכרון היה כגודל רוחב הזיכרון של המעבד (32 או 64 כאמור), אבל היום היא מכילה כבר כמה מאות ביט (כמה מאות ביט). הזיכרון הזה יקר מאוד, ומחירו כמחיר חלק מהמעבד עצמו באופן יחסי.
לכן יש במעבדים מודרניים עוד כמה זכרונות, יותר זולים קצת, במעבד עצמו. בדרך כלל יש עוד שלשה זכרונות, שנקראים L1 L2 וL3. ככל שהL נמוך יותר (1) הוא יקר יותר וקטן יותר. כיום L3 מכיל בין 1.5 מגה בייט (מליון וחצי ביייט) ל12 מגה בית במעבדי אקסטרים.
הזיכרונות הללנו מוזנים מזיכרון המחשב. זיכרון המחשב הוא מה שנקרא זיכרון גישה אקראית (RAM = Random Access Memory), דהיינו לכל נקודה בזיכרון מוקצית כתובת, שאותה המעבד מקצה ויודע, ויכול לגשת ישירות לנקודה בזיכרון באופן שווה (בניגוד לדיסק קשיח, שם צריך לחפש כל נקודה ואז לגשת אליה, נסביר בהמשך). זיכרון המחשב שומר עליו את כל התוכניות שרצות עכשיו במחשב, והיא מזינה את המעבד בנתונים ופקודות הנמצאות אצלה, לפי פקודה.
לחלקים קריטיים במערכת ההפעלה, כגון ליבת מערכת ההפעלה. נשמר אזור סגור בזיכרון, אליה רק למערכת ההפעלה יש גישה. וזה מסיבות אבטחה ואמינות.
המעבד עובד בתדר מסוים, דהיינו מכיון שהמעבד בסופו של דבר מעביר חשמל דרך שערים, כל מחזור של העברת האלקטרונים של החשמל מהתחלה עד הסוף, נקרא תדר. לכן באופן תאורטי, יכול מעבד הפועל בתדר 3GHZ, לבצע 3 מליארד חישובים לשנייה. למה באופן תאורטי? מכיוון שכדי לבצא את הפקודה הוא נזקק להביא את הפקודה מהזיכרון לאוגרים, וכל הבאה כזו לוקחת עשרות מחזורי שעון. אבל זה עדיין מהיר בקנה מידה בלתי נתפס :) זה כאמור רק להביא מהזיכרון, אם הוא גם נזקק לטעון מהדיסק קשיח, אז זה כבר כמה עשרות אלפי מחזורי שעון.
זיכרון המחשב הוא מה שנקרא זיכרון נדיף, דהיינו הזיכרון (שהם בעצמם טרנזיסטורים שיכולים להכיל כל אחד את האופציה 0 או 1) נשמר רק כל עוד יש זרם חשמל בזיכרון. אבל ברגע שיגמר החשמל, אז ימחק כל המידע.
כאמור לעיל, כל הזיכרון במחשב, וכל הפקודות, בסופו של דבר מיוצגות רק ע"י שני מצבים של 0 ו1. שיטה זו נקראת השיטה הבינארית, דהיינו אנו למשל סופרים בשיטה עשרונית, דהיינו סופרים עד 9 (כולל 0) ואז מתחילים להוסיף ספרה לכל סדרה של 10 ספרות (גם אם זה נשמע מסובך בהתחלה, תעצרו שנייה, תחשבו על זה, ותראו שזה מאוד פשוט). אז המחשב סופר רק עד 1, שזה יוצא שני ספרות, ולכן קוראים לו בינארי (בי מלשון 2 ונארי מלשון ספרה). ואת הבסיס הבינארי סופרים בקבוצות של 8, דהיינו מחלקים כל נתון לקבוצה של 8 ספרות בינאריות), ביט הוא ספרה בינארית בודדת (בעברית 'סיבית'), ואילו בייט 8 ספרות בינאריות, שביחד יוצרים תו או ספרה. למשל מה שאנחנו רואים כספרה 1, מיוצג בשיטה הנ"ל כ0000,0001. אחרי שמגיעים ל8 מוסיפים עוד 8 בתים כדי לייצג את 9, כמו שאנחנו עושים כשמגיעים ל9, אנו מוסיפים 1 ו0 ומקבלים 10 וכן הלאה.
הסיבה לכך פשוטה, מכיוון שטכנית טרנזיסטור פשוט יכול להכיל רק מצב טעון ומצב ריק, לכן מייצגים את הריק (או את הזרם החלש, כי אי אפשר לקרוא משהו ריק) כ0, ואת המלא כ1.
בפוסט הבא נסביר איך עובד שפת התיכנות.
עכשיו נחזור לזיכרון המחשב ונסביר איך הוא עובד. בתוך הזיכרון יש מליארדי טרנזיסטורים, שהם פשוטים יחסית לטרנזיסטורי המעבד, כי הם צריכים להכיל רק שני מצבים, ריק או מלא.
טרנזיסטור הוא סוג של אוגר חשמל, שע"י שינויים פיזיולוגים ניתן לגרום לו לשמור 0 או 1 ע"י הפעלת מצבים שונים. את הטרנזיסטור 'צורבים' על משטח סיליקון (צורן בעברית) בגלל תכונות פיזיולוגיות. ע"י שימוש באור, פשוט מורחים חומר ששורף ע"י חשיפה לאור, בצורה הרצויה.
כיום הגודל הכי קטן לטרנזיסטור, עומד על 22 ננו מטר.
הזרם החשמלי שנכנס לטרנזיסטורים, מיוצר ע"י מתנד, שתפקידו לייצר ולבקר את החשמל.
נעבור לדיסק הקשיח. הדיסק הקשיח הוא זיכרון שנועד לשמור מידע לטווח ארוך, והוא זיכרון לא נדיף, דהיינו נשמר בלי חשמל. כאמור המידע שעל הקשיח נטען לזיכרון המחשב כדי לעבור למעבד, המעבד לא יכול לקרוא ישירות מהדיסק קשיח.
אז איך עובד הדיסק הקשיח? הדיסק הקשיח עובד על עיקרון המגנטיות. כאמור המידע הדיגיטלי (אגב, עכשיו אתם מבינים למה קוראים לזה דיגיטלי? זה סיפרתי) בסופו של דבר מיוצג רק ע"י 2 מצבים. ופה נכנס המגנטיות. כידוע, למגנט יש שני קטבים, (שלכן מגנט אחד דוחה מגנט אחר במצבים מסוימים, בגלל שהקטבים מנוגדים), אז כל מה שצריך הוא למגנט נקודות בשני קטבים.
אז מורחים על משטח זכוכית עגול מתכת הניתנת למיגנוט, למשל תחמוצת אלומיניום (אלומניום רגיל לא ניתן למגנוט). מכניסים אותו למנוע שמסובב אותו, ושמים ראש קריאה וכתיבה. האחראיים על הקריאה והכתיבה, ע"י מיגנוט, וחיישן הרגיש למגנט. בכל פעם שרוצים לקרוא מידע מהדיסק, מעבירים בקשה עם הכתובת של הקובץ המבוקש (שנרחיב עליו בפוסט אחר אי"ה). והבקר של הדיסק מחפש את הכתובת, מניח את הראש במקום המבוקש, וקורא או כותב כבמבוקש.
לסיום הפוסט הנוכחי, בפעם הבאה שהמחשב יעבוד לאט, על תכעסו עליו, תזכרו את העבודה הקשה שהוא עושה :).
אם הדברים אינם ברורים, אנא העירו והאירו, הפוסט הזה מיועד לכולם, ולא רק לגיקים. אז בבקשה להעיר על מה שלא ברור.
כאמור, זה רק קצה המזלג, אבל אשתדל לכתוב עוד. אם מצאת טעות, אנא העירו לי כדי שאתקן, הרי אי אפשר לאדם בלא טעות. אשמח גם לקבל פידבקים. ותודה מראש עליהם. תדוני אותי לכף זכות, פשוט הפוסט נכתב בשני מועדים שונים, ובזמן קצר יחסית :)
אתם רוצים לדעת איך עובד מוצר דיגיטלי כל שהוא? כל שעליכם לעשות הוא לשאול כאן, ואני מבטיח להשתדל לענות.
תוקן על ידי itshak57 ב- 03/05/2014 21:14:38
