מבנה המחשב

התקני הקלט-פלט

התקני הקלט-פלט הם האמצעים שבעזרתם מתקשר המחשב עם העולם החיצון. בעזרת התקני הקלט מקבל המחשב מידע שלו הוא זקוק מהחוץ, ובאמצעות התקני הפלט הוא שולח החוצה מידע חיוני (תוצאות חישובים או הודעות אחרות שעליו להעביר). מכורח המציאות חייב כל מחשב לפחות מספר מצומצם של התקני קלט-פלט, אחרת לא נוכל להורות לו מה לעשות ולא נוכל לדעת את תוצאות הפעולות שהוא מבצע.

התקני קלט דרושים לשם העברת פקודות ונתונים למחשב. בלעדיהם לא נוכל להעביר למחשב את רצוננו ואז לא יהיה בו שום שימוש עבורנו. בעבר צוידו המחשבים בקורא כרטיסים מנוקבים, המידע הנחוץ הועבר למחשב בצורה בינארית כחורים על גבי הכרטיסים, והקורא תרגם זאת למספרים בזיכרון. כיום, התקני הקלט הבסיסיים, המצויים כמעט בכל מחשב, הם מקלדת ועכבר. במחשבים מסוימים יש התקני קלט נוספים, כמו הסורק ומצלמת האינטרנט, שמטרתם העברת מידע ייחודי יותר למחשב: במקרה של סורק ומצלמת אינטרנט מדובר בתמונות או בסרטים.

התקני פלט דרושים לשם העברת מידע מהמחשב לעולם החיצון, לרוב למשתמש. מידע זה כולל את תוצאות הפעולה שהתבקש המחשב לבצע, הודעה על שגיאות או על אזהרות, בקשות לקלט ובמקרה של מערכת משובצת מחשב, השפעה של ממש על העולם, לדוגמה הזזת רובוט. בעבר היה התקן הפלט העיקרי סוג כלשהו של מדפסת, שפלטה את תוצאות המחשב. כיום, התקן הפלט העיקרי הוא הצג, אך גם המדפסת והרמקולים שכיחים למדי. במקרה של מערכת משובצת מחשב, המכונה שעליה שולט המחשב היא התקן הפלט. אם למשל שולט המחשב על רובוט, אזי הרובוט עצמו הוא התקן הפלט העיקרי של המחשב. ללא התקני הפלט לא יוכל המחשב לדווח על תוצאות הפעולה שביצע עבורנו והן יאבדו כאילו לא בוצעה הפעולה מעולם.

למרות החלוקה בין התקני קלט להתקני פלט, לעתים משמש מכשיר אחד לשתי המטרות. לדוגמה, כונן הCD משמש הן כהתקן פלט בעת צריבת נתונים לדיסק לשם שמירתם לשימוש מאוחר יותר במחשב שצרב אותם או במחשב אחר, והן כהתקן קלט כאשר מגיע זמן השימוש בנתונים אלה במחשב שצרב אותם או במחשב אחר.

קיימות קבוצות רבות של התקני קלט-פלט שונים. קבוצה אחת (נרחבת מאוד) של התקני קלט-פלט היא אמצעי אחסון המידע המשניים. עם קבוצה זו נמנים הכונן הקשיח, כונן התקליטורים, הדיסק און קי ורבים אחרים שהמשותף ביניהם הוא, שכולם אמצעי אחסון מידע איטיים יחסית אך בעלי קיבולת מידע גבוהה ואמינות גבוהה (בניגוד לזיכרון המחשב המהיר פי עשרות מונים אך קטן יחסית ומתרוקן בכל הפעלה מחדש של המחשב). קבוצה נוספת היא זו של התקנים המאפשרים תקשורת בין מחשבים בכלל, וגישה לרשתות בפרט, בין אם לרשת מחשבים או לרשת האינטרנט. היכולת להעביר מידע בין קבוצות מחשבים פתחה חלון אפשרויות רחב במיוחד, בייחוד כאשר מדובר על מיליוני מחשבים המחוברים יחדיו ברשת האינטרנט. קיימים התקני קלט-פלט נוספים המיועדים למטרות ממוקדות יותר, החל ממצלמה, עבור הכנסת תמונה למחשב, וכלה במכשירים מתוחכמים יותר לשימושים מקצועיים, כמו התקנים המעבירים למחשב רישומי דופק או נוכחות זיעה ומשמשים, למשל, בעת ביצוע בדיקת פוליגרף.

מקלדת, התקן קלט שכיח המצוי כמעט בכל מחשב

זכרון המחשב

זיכרון גישה אקראית (RAM, מ- Random Access Memory) הוא שם כללי למספר רב של סוגי זיכרון מחשב, המתאפיינים כולם ביכולת המעבד לגשת ישירות לכל תא בזיכרון לפי כתובתו, לכתוב בו ולקרוא ממנו. ההתייחסות הנפוצה לזיכרון מחשב היא למעשה התייחסות לזיכרון הגישה האקראית הראשי שלו.

סוג הזיכרון הנמצא בשימוש נפוץ ביותר בימינו הוא DRAM. זיכרון מסוג זה הוא נדיף (volatile), כלומר מאבד את תוכנו עם אובדן הכוח למחשב. בנוסף, DRAM דורש רענון (refresh) מספר פעמים בשנייה כדי לשמור את תוכנו.

היסטוריה והגדרות בסיסיות

ארכיטקטורת פון נוימן היא מודל שהציע בשנות הארבעים המתמטיקאי ג'ון פון נוימן למבנהו של המחשב. במודל זה, זיכרון המחשב משמש הן לאחסון התוכנית והן לאחסון הנתונים שתוכנית זו קוראת או כותבת בעת ביצועה על ידי המעבד. מרבית המחשבים בנויים על־פי מודל זה. במימוש המקובל של ארכיטקטורה זו, זיכרון המחשב הוא זיכרון גישה אקראית.

בראשית ימי המחשוב, רבים מסוגי הזיכרון הזמינים לא היו מסוג "זיכרון גישה אקראית". אחד מסוגי הזיכרון הנפוצים היה "קו השהיה כספיתי" ("Mercury Delay Line"). סוג זה היווה את הזיכרון העיקרי של המחשב המסחרי הראשון - הENIAC. בהתקני זיכרון אלו, הגישה לזיכרון היא סדרתית, כלומר בכל רגע נתון כתובת מסוימת בזיכרון זמינה לקריאה או כתיבה, וכדי לקרוא או לכתוב מכתובת כלשהי, על המחשב להמתין שתורה של אותה כתובת יגיע.

החל מאמצע שנות ה-50 של המאה ה-20, בעקבות מספר המצאות, בעיקר בחברת IBM, התפשט השימוש בסוג חדש של זיכרון: זיכרון טבעות מגנטי (או "זיכרון ליבה מגנטית" - באנגלית "Magnetic-core memory"). לזיכרון זה היו שני יתרונות: המעבד יכול לגשת לכל כתובת בזיכרון בזמן גישה קבוע, ללא תלות בכתובת, בלי לחכות ש"תורה" של הכתובת יגיע, וכן העובדה שזיכרון זה אינו צורך הספק כדי לשמור על תוכנו, אלא רק לצורך פעולות הכתיבה והקריאה. משמעות העובדה האחרונה היא שתוכן הזיכרון נשמר גם אם מופסקת אספקת החשמל למחשב. להתקני זיכרון בעלי התכונה הראשונה קוראים "זיכרון גישה אקראית^" ("RAM"), ולהתקני זיכרון עם התכונה השנייה קוראים "זיכרון בלתי נדיף" (Non Volatile memory").

ניתן לממש התקני זיכרון גם באמצעות שערים לוגיים, שהם רכיבי החומרה העיקריים מהם בנויים מחשבים. בראשית ימי המחשוב השתמשו במנורות רדיו למימוש שערים לוגיים, ועקב כך שימוש בשערים לוגיים למימוש זיכרון היה מוגבל מאד, משיקולים של נפח, הספק ומחיר.

זיכרון "קו השהיה כספיתי" של ה-ENIAC

זיכרון טבעות מגנטי של מחשב CDC 6600, ‏ 64x64 סיביות. ממדי הרכיב - 10.8 x 10.8 ס"מ. זיכרון מסוג זה הוא ה-RAM הראשון שזכה לתפוצה נרחבת

 

זיכרון קריאה בלבד" - "ROM"

קיימים התקני חומרה שהם "כמעט כמו" זיכרון, והמכונים "זיכרון קריאה בלבד". התקנים אלו, המאפשרים גישה אקראית, לא עונים על ההגדרה המקובלת לזיכרון מחשב, משום שהמעבד אינו יכול לכתוב לתוכם, אלא רק לקרוא מהם מידע שנכתב מראש. נהוג להבחין בין מעין-זיכרון זה לבין זיכרון רגיל, ובהתאם ניתן למצוא בהרבה הסברים חלוקה של זיכרון המחשב ל-ROM ול-RAM.

מהירות הזכרון

בנוסף לפרמטר של נפח הזיכרון שנמדד בבתים, ביחידות שגדלו במשך השנים, מקילובייט למגהבייט ועד לגיגבייט בתחילת המאה ה-21, ישנו פרמטר של מהירות הזיכרון שנמדד במספר פעולות בשנייה (הרץ). ככל שפיתוח הזיכרונות התקדם כך הואצה מהירותם, רכיב זיכרון מסוג DDR (בשנת 2006), למשל, פעל לרוב במהירות של 400MHz, ואילו רכיב DDR3 הואץ ב-2011 עד 2,000MHz.

האצת הגישה לזיכרון

אף שמהירות הזיכרון גדלה במהלך השנים באופן דרמטי, עדיין קיים פער בין מהירות הזיכרון למהירות המעבד. מעבדים מודרניים פועלים בקצב הגבוה באופן משמעותי מקצב העבודה של הזיכרון, ולכן נוצר צוואר בקבוק בגישה לזיכרון. התמודדות עם בעיה זו היא באמצעות הוספת זיכרון מטמון המוטמע במעבד עצמו (או בקרבתו) וניהול מדרגי של הזיכרון.

זיכרון המטמון הוא זיכרון מחשב מהיר שקיבולתו קטנה, ותפקידו לצמצם את הגישה לזיכרון הראשי המאופיינת באיטיות ביחס למהירות המעבד. הגישה של המעבד אל זיכרון המטמון היא הישירה והמהירה ביותר, ועל כן פעולות של המעבד על נתונים מזיכרון המטמון, הן מהירות הרבה יותר מאלה המתבצעות על נתונים מהזיכרון הראשי.

מבנה הנתונים בזיכרון

יחידת הנתונים הקטנה ביותר של הזיכרון היא סיבית (ביט), שלה שני ערכים בלבד: 0 או 1. ההבחנה בין שני ערכים אלה מיושמת בשני סוגים של מתח חשמלי, כשאחד מייצג את ה-0 והשני את ה-1. גישת המעבד לזיכרון נעשית ביחידה גדולה יותר - בית (בייט), המורכבת, במחשבים מודרניים, מ־8 סיביות. לכל בית יש כתובת, המשקפת את מספרו הסידורי מתחילת הזיכרון. הנתונים נשמרים בזיכרון המחשב בשיטת סדר בתים.

שתי יחידות נתונים אלה מתקיימות גם בנתונים המאוחסנים באמצעי לאחסון נתונים.

יחידת נתונים נוספת, המאפיינת רק את הזיכרון והמעבד, היא המילה. במערכת 360 של חברת יבמ, שיצאה לעולם בשנת 1964, נקבע גודל מילה של 32 סיביות (ארבעה בתים). גודל זה של מילה הפך מאז למקובל ביותר, וגם במחשבים אחרים מקובל גודל מילה השווה לגודל זה, למחציתו או לכפליים ממנו. במעבד אינטל 8086, למשל, גודל מילה הוא 16 סיביות. לגודל המילה יש השפעה גם על גודל הזיכרון המרבי במחשב, משום שמילה (או חלק ממנה) משמשים לרישום הכתובת. לדוגמה, מעבד עם מילה בגודל 32 סיביות מאפשר שימוש בזיכרון שגודלו עד 4GB ‏(4,294,967,296 בתים) משום שבעזרת 32 סיביות ניתן לייצג ערכים שונים. בשנותיה הראשונות של מערכת 360 שימשו רק 24 סיביות מתוך המילה לרישום כתובת, ולאחר מכן נוצלו למטרה זו 31 סיביות, כדי לאפשר זיכרון מרבי גדול יותר.

הזיכרון הוא רצף אחיד של ביטים, בתים ומילים. המשמעות לרצף זה ניתנת על ידי המעבד, הרואה חלק ממנו כרצף פקודות בשפת מכונה ומבצע אותן, ועל ידי התוכנה, הרואה חלקים מרצף זה כטקסט (בשיטות שונות של קידוד תווים), כמספר שלם (לפי סדר הבתים המתאים למעבד), כמספר בנקודה צפה, וכו'.

השימוש בזיכרון

זיכרון המחשב משמש לאחסון התוכנית שהמחשב מבצע ולאחסון הנתונים שתוכנית זו קוראת או כותבת בעת ביצועה על ידי המעבד. בהתאם לכך, תוכנו של הזיכרון משתנה תוך כדי פעולת התוכנית. בעיקר משתנה החלק שבו נמצאים הנתונים המעובדים, אך לעתים משתנה גם החלק שבו נמצאת התוכנית (הוא בוודאי משתנה כאשר התוכנית המתבצעת מוחלפת באחרת). בנוסף לזיכרון, רוב המחשבים מכילים גם אמצעי אחסון חיצוניים, שתוכנם נשמר לטווח ארוך, ובהם דיסק קשיח, תקליטור, דיסק און קי ועוד. בעבר כונו שני הסוגים הללו "זיכרון ראשי" ו"זיכרון משני", בהתאמה.

גודל הזיכרון שהמחשב זקוק לו תלוי ביישומי המחשב אותם מפעיל המשתמש וביעילות מערכת ההפעלה של המחשב. מערכות ההפעלה ותוכנות מחשב בכלל דורשות כמות מינימלית של זיכרון RAM כדי לפעול כהלכה.

במחשבים אישיים, להרצת מערכת חלונות XP נחוץ זיכרון של לפחות 128 מגה בייט RAM כדי לפעול באופן מלא. מחשבים בעלי 64-128 מגה בייט עדיין יכולים להשתמש במערכת ההפעלה הזו, אך חלקים מהפונקציונליות שלה יהיו מנוטרלים. במחשב עם פחות מ-64 מגה בייט אין אפשרות להתקין את המערכת. במקרים רבים, הגדלת הזיכרון (אם על ידי הוספת כרטיס זיכרון, או על ידי החלפת כרטיס קיים בגדול יותר) משפרת את ביצועי המחשב.

במחשבים הראשונים שימש הזיכרון את מערכת ההפעלה, ובנוסף לה תוכנית אחת בלבד (בזמן נתון), שלרשותה עמד כל יתר הזיכרון של המחשב. בתחילת שנות ה-60 נוצרו מערכות הפעלה הפועלות בריבוי משימות, כך שבזיכרון שכנו בזמן נתון תוכניות אחדות, שכל אחת מהן קיבלה לשימושה נתח מהזיכרון, שנקרא מחיצה.

הצגת תוכן הזיכרון

תוכנו של הזיכרון ברגע נתון מעניין לעתים את המתכנת, בעת שהוא עוסק בניפוי שגיאות. למטרה זו באפשרותו לקבל תדפיס זיכרון (core dump), המציג לו את מלוא תוכנו של הזיכרון ששימש את התוכנית הנבדקת ברגע שבו נפסקה פעולתה. כיוון שגודל בית בזיכרון הוא 8 ביטים, מוצג הזיכרון בבסיס הקסדצימלי, שבו שתי ספרות מייצגות בית אחד. בתדפיס זה התוכנה מוצגת בשפת מכונה, המובנת רק למתכנתי שפת סף.

סוגי זיכרון מבוססי מוליכים למחצה

קיימים סוגים רבים של זיכרון מבוסס מוליכים למחצה. שני הנפוצים בהם מוכרים בדרך כלל כ-SRAM ו-DRAM

זיכרון סטטי" - SRAM

SRAM, או Static RAM הוא מימוש זיכרון באמצעות טרנזיסטורים. המימוש הנפוץ הוא באמצעות מעגל פליפ פלופ. התקני SRAM דורשים לפחות שישה טרנזיסטורים לכל סיבית של זיכרון. התקנים אלו מהירים מאד, ואינם דורשים רענון ("Refresh") של תוכן הזיכרון. לעומת התקני DRAM, התקן SRAM הוא מהיר יותר, אך צפוף פחות (כלומר רכיב באותו גודל מכיל פחות זיכרון), צורך הספק גבוה יותר, ויקר יותר.

"זיכרון דינמי" - DRAM

כרטיסי DDR בנפח 512 מגהבייט ובתדר 400 מגהרץ

DRAM או Dynamic RAM הוא התקן זיכרון בו נשמר תוכן הזיכרון בהתקן דמוי קבל. כיוון שסיבית בודדת של זיכרון נשמרת בקבל יחיד (לעומת מספר טרנזיסטורים בהתקני זיכרון אחרים), זיכרון DRAM מספק צפיפות גבוהה ביותר ומחיר (משוקלל לגודל הזיכרון) נמוך יותר מרוב סוגי הזיכרון האחרים. חסרונו של זיכרון זה הוא בעובדה שיש לרענן אותו כל הזמן. משמעות הרענון היא חידוש המטען בקבל, שבגלל הפסדים של זרם זליגה הולך ופוחת כל הזמן (מעניין לציין שגם הזיכרון מסוג "קו השהייה כספיתי" דרש רענון).

פעולת הרענון עלולה לעכב את הגישה לזיכרון: אם המעבד מנסה לגשת לכתובת מסוימת בדיוק ברגע שמעגלי הרענון מרעננים אותה, הגישה מהמעבד מתעכבת.

השימוש היעיל ביותר ב-DRAM מודרני מתבצע על ידי גישה ב"פרצים" ("Bursts"), כלומר קריאה מן הזיכרון של מספר מילים שנמצאות בכתובות רציפות. גודל הפרץ האופטימלי תלוי בסוג הזיכרון, אך הגודל המקובל הוא ארבע מילים: קריאה בפרץ אחד של ארבע מילים בכתובות רציפות בזיכרון מהירה בהרבה מקריאה של ארבע מילים שנמצאות כל אחת בכתובת אחרת.

בגלל שתי תכונות אלו (המתנה לרענון והעדיפות לקריאה בפרצים), אפשר לומר ש-DRAM למעשה חורג מעט מהגדרת "זיכרון גישה אקראית". למרות זאת מקובל כיום להתייחס ל-DRAM כאל זיכרון גישה אקראית.

זיכרון מסוג DRAM הוא הזיכרון הנפוץ ביותר בשימוש בימינו, וקיימים דורות רבים של טכנולוגיה זו.

כרטיסי זיכרון גישה אקראית

זיכרונות RAM מלמעלה למטה:DIP, SIPP, SIMM 30 pin, SIMM 72 pin, DIMM (168-pin), DDR DIMM (184-pin). למעט הפריט העליון, כל הפריטים הם כרטיסי זיכרון

כרטיסי זיכרון גישה אקראית הם לוחות של מעגלים מודפסים שבקצה האחד שלהם יש משטח עם קצוות מתכתיים חשופים הננעץ בחריצים המיועדים לכרטיסי הזיכרון, בלוח האם. הרכיבים הבולטים ביותר בכרטיסים הם סדרה של שבבים גדולים וזהים, שבבי הזיכרון.

סוגי כרטיסי זיכרון RAM, על פי האות החשמלי שהם מתאימים לו:

·         DDR3

·         DDR2

·         DDR SDRAM

·         SDRAM

·         RDRAM

·         EDO

זיכרון VRAM

רכיבי זיכרון אלו מיועדים לטפל בנתונים ויזואלים (VRAM = Video RAM) ובמבנה הם זהים לכרטיסי ה-RAM הרגילים. בגלל הטיפול בנתונים הויזואלים, זכרון זה נמצא בכרטיסי מסך חדישים, לצד רכיבים ייחודיים לכרטיסי המסך. רכיבי RAM אלה פועלים על אותו עיקרון של זכרון ה-RAM אך משמשים רק לאחסון נתונים ויזואלים. כך הם מזרזים את עיבוד הנתונים הויזואלים ומשפרים את יכולת העיבוד הזו. בדרך כלל רוב הזכרון משמש לאחסון המרקמים (טקסטורות) של המודלים^{[דרושה הבהרה- מה פירוש המשפט הזה?]}, הנמצאות בשימוש באפליקציות התלת-ממד למיניהן. כרטיסים מודרניים מכילים כיום יותר מ-512 MB של זיכרון VRAM ומשחררים את כרטיסי הזיכרון הרגיל מהצורך לטפל בנתונים הויזואלים אשר צורכים משאבי זכרון רבים. ככל שכרטיס המסך מצליח לטפל בנתונים הויזואליים ומשחרר את כרטיסי הזיכרון מטיפול בנתונים אלו, הוא נחשב למוצלח יותר.

 

היחידה האריתמטית-לוגית

יחידה אריתמטית-לוגית (או בקיצור ALU) היא יחידה ביצועית חשובה הקיימת בכל יחידת עיבוד מרכזית הבנויה ממעגל אלקטרוני דיגיטלי. היחידה האריתמטית-לוגית מסוגלת לחשב את תוצאותיהן של מגוון רחב של פעולות אריתמטיות בסיסיות. כמעט כל היחידות הארתמטיות-לוגיות המודרניות משתמשות בשיטת המשלים ל-2 בייצוג מספר בינארי.

פעולות היחידה

רוב היחידות האריתמטיות-לוגיות מסוגלות לבצע את הפעולות הבאות, בהתאם לפקודות הניתנות להן:

·         חישובים אריתמטיים במספרים שלמים (חיבור, חיסור, לעתים כפל).

·         פעולות בינאריות לוגיות (AND, OR, NOT, XOR).

·         פעולות הסטת סיביות - Shifters.

יחידות אריתמטיות-לוגיות סטנדרטיות רבות אינן מטפלות בפעולות חילוק או כל חישוב נקודה צפה, היות שאלו ניתנים לאלתור ברמת תוכנה. המעבדים החדישים יותר מיישמים יחידת נקודה צפה המטפלת במטלות אלו.

רוב פעולות המעבד מבוצעות על ידי ALU אחד או יותר. ה-ALU טוען נתונים מאוגרי הכניסה, יחידת בקרה חיצונית נותנת הוראה ל-ALU לבצע פעולה אריתמטית מסוימת על הנתונים, ותוצאת החישוב נאגרת באוגר הפלט. קיימים מעגלים המבצעים העברות בין האוגרים ובינם לזיכרון.

יחידת השליטה

יחידת השליטה היא הגורם הקושר יחדיו את כל הרכיבים. היחידה קוראת פקודות ומידע מהזיכרון או מהתקני הקלט-פלט. היא מפענחת את הפקודות ומתחילה לפעול לפיהן. היא מספקת ליחידה האריתמטית-לוגית את הנתונים הדרושים, לפי הפקודה, ומכוונת אותה לבצע את סוג הפעולה הנדרשת. לאחר מכן שולחת יחידת השליטה את התוצאה בחזרה אל הזיכרון או אל התקני הקלט-פלט המתאימים. בתוך יחידת השליטה ישנו מונה השומר את כתובת הזיכרון שבה שמורה הפקודה הנוכחית עליה עובד המחשב, שמו "מונה הפקודות". קיימות פקודות לבקרת זרימה, שמטרתן שינוי המונה או שינויו תחת תנאים מסוימים (אם מתקיים תנאי מסוים). בכך מתאפשרות חזרות מרובות על מספר פקודות (לולאות) או "קפיצות" לקטעי קוד אחרים (למשל, פונקציות). לעומת זאת, רוב הפקודות אינן משפיעות על המונה ולאחר ביצוען מקודם המונה במספר השקול לגודלה של פקודה (הגודל תלוי במחשב המדובר), דבר המוביל למעבר לפקודה הבאה ברצף הפקודות בזיכרון.

יחידת השליטה והיחידה האריתמטית-לוגית מזוהות לרוב כרכיב אחד הנקרא מעבד (CPU - Central Processing Unit). במרבית המחשבים, החל משנות ה-80 ועד ימינו, נמצאות יחידת השליטה והיחידה האריתמטית-לוגית על גבי רכיב אחד הנקרא מיקרומעבד. במעבד מתרחשות הבאת הפקודות, תרגומן, הבאת הנתונים, עיבודם ולבסוף, שמירת התוצאות בזיכרון.

מבין כל מרכיבי המחשב, המעבד הוא הקובע יותר מכל את אופיו של מחשב זה, ואת התוכניות שניתן לבצע עליו. לפיכך המעבד נחשב ל"מוחו" של המחשב.