4.6 המחשב

הגדרת מחשב

בבסיסו, מחשב הוא מכשיר אלקטרוני שנועד לעבד ולאחסן נתונים באמצעות סדרה של פעולות לוגיות. הוא לוקח קלט, מעבד אותו באמצעות הוראות, ומייצר פלט על סמך הנתונים המעובדים. המאפיין העיקרי של מחשב הוא יכולת התכנות שלו (בהתבסס על סט של הוראות: תוכניות), המאפשרת לו לבצע משימות שונות בהתבסס על התוכנה המותקנת.

הופעת המחשבים מתחילה במאה ה-19, החל בהמצאות מכניות מוקדמות כמו המנוע האנליטי של צ'ארלס באבאג'. מחשבים מודרניים, למרות המורכבות והעוצמה המוגברות שלהם, הם בעצם איטרציות מתקדמות של מכונות חלוציות אלה.

ראשיתם של מחשבים מודרניים נזקפת החלה במאה ה-19, עם ההתפתחות של מכונות מכניות כמו המנוע האנליטי של צ'ארלס באבאג'. המחשבים שאנו מכירים היום, למרות שהם חזקים ומורכבים לאין שיעור, הם בעצם איטרציות מתוחכמות של המכונות המוקדמות הללו.

כל מחשב הוא רשת מקושרת של רכיבים, שכל אחד מהם תורם לתפקוד הכולל שלו. מיחידת העיבוד הליבה המשמשת כמוחו של המחשב, דרך התקני האחסון שמכילים נתונים ועד לציוד ההיקפי המאפשר אינטראקציה עם המשתמש, לכל פיסת חומרה יש תפקיד.

הדור הראשון של מחשבים הופיע בשנות הארבעים, עם מכונות ענק כמו ENIAC. הרמות הללו השתמשו בצינורות ואקום למעגלים ובתופים מגנטיים לזיכרון. הם היו איטיים, צרכו כמויות עצומות של חשמל ודרש תחזוקה מתמדת.

בשנות ה-50 וה-60, הגיע הדור השני של המחשבים, שהחליף את צינורות הוואקום בטרנזיסטורים. אלה היו קטנים, מהירים ואמינים יותר מקודמיהם, מה שסימן את תחילתו של מחשוב מסחרי.

הדור השלישי, בסוף שנות ה-60 וה-70, הביא מעגלים משולבים (ICs), והפחית עוד יותר את הגודל והעלות של המחשבים. עידן זה גם פיתח את ה-GUI (ממשק משתמש גרפי), שהפך את המחשבים לידידותיים יותר למשתמש.

הדור הרביעי, שנפרש משנות השמונים ועד סוף שנות התשעים, ראה את עלייתם של המיקרו-מעבדים. עידן זה הוביל למחשבים אישיים, שהיו נוחים ונגישים לקהל הרחב. גם האינטרנט זכה לשימוש נרחב בתקופה זו, והפך מחשבים לכלי תקשורת.

הדור החמישי, משנות ה-2000 ואילך, מאופיין בהתקדמות ב-AI, מחשוב קוונטי ומחשוב ענן. המחשבים של היום הם חזקים להפליא, מסוגלים לעבד משימות מורכבות ולחבר בין אנשים ברחבי העולם בצורה שלא ניתן היה להעלות על הדעת לפני כמה עשורים..

סוגי מחשבים

מחשבים מגיעים במגוון רחב של סוגים, שכל אחד מהם מיועד למטרה מסוימת או עונה על צרכים מסוימים. הם נעים ממחשבי-על ענקיים המבצעים מיליארדי חישובים בשנייה למחקר מדעי מתקדם, ועד לסמארטפונים הנמצאים בכל מקום שנכנסים לכיס שלנו ומחברים אותנו עם העולם.

• מחשבי על: אלו הם החזקים ביותר, המסוגלים לבצע קוודריליונים של חישובים בשנייה. מחשבי-על משמשים בחיזוי מזג אוויר, סימולציות מדעיות מתקדמות, קריפטוגרפיה ומשימות אחרות הדורשות כוח חישוב עצום.
•  מחשבי מיינפריים: אלו הם מחשבים בעלי ביצועים גבוהים המשמשים ארגונים גדולים לעיבוד נתונים בתפזורת. הם מסוגלים לטפל ולעבד כמות משמעותית של נתונים במהירות.
• מחשבי מיני: אלו הן גרסאות מוקטנות של מחשבי מיינפריים, פחות חזקים אך גם זולים יותר. הם היו פופולריים בסוף שנות ה-60 וה-70, לפני הופעת המחשבים האישיים.
• מיקרו מחשבים: ידועים גם בתור מחשבים אישיים (PC), אלו הם סוג המחשבים הנפוץ ביותר כיום. הם מגיעים בצורות שונות, כולל מחשבים שולחניים, מחשבים ניידים, טאבלטים וסמארטפונים.
• מערכות משובצות: אלו הם מחשבים המשולבים במכשירים אחרים, ממכוניות ומכשירי חשמל ביתיים ועד למכונות תעשייתיות וציוד רפואי. הם נועדו לבצע משימות ספציפיות.

רכיבי מחשב

מערכת מחשב היא הרכבה מורכבת אך הרמונית של רכיבי חומרה, שכל אחד מהם תורם לביצועים ולפונקציונליות הכוללים של המכשיר. ממוח המחשב, יחידת העיבוד המרכזית, ועד למכשירים ההיקפיים השונים המאפשרים אינטראקציה עם המשתמש, לכל רכיב יש תפקיד ייחודי. מאמר זה בוחן את הרכיבים הבסיסיים הללו, ומאיר את הפונקציות החיוניות המאפשרות למחשב לבצע את מגוון המשימות העצום שלו.

• יחידת עיבוד מרכזית (CPU): המכונה לעתים קרובות המוח של מחשב, יחידת העיבוד המרכזית (CPU) נושאת באחריות העיקרית לביצוע הוראות של תוכנית מחשב. הוא מבצע פעולות אריתמטיות בסיסיות, לוגיות, בקרה וקלט/פלט (I/O). המהירות והביצועים של מעבד, הנמדדים בדרך-כלל ב-GHz (גיגה-הרץ), ממלאים תפקיד מכריע בקביעת ההספק הכולל של המחשב.
  ה-CPU עצמו מורכב ממרכיבי משנה שונים, כולל יחידת הלוגיקה האריתמטית (ALU) המבצעת פעולות מתמטיות ולוגיות, ויחידת הבקרה (CU) המנהלת את האחזור (מהזיכרון), הפענוח (לפקודה) וביצוע הוראות.
  
  
• זיכרון: בהקשר של חומרת מחשב, זיכרון מתייחס למכשירים הפיזיים המשמשים לאחסון נתונים או תוכניות על בסיס זמני או קבוע. שני סוגי הזיכרון העיקריים הם RAM (זיכרון גישה אקראית) ו-ROM (זיכרון לקריאה בלבד).
  זיכרון RAM הוא סוג של זיכרון נדיף המשמש את המחשב לאחסון נתונים וקוד מכונה הנמצאים בשימוש כעת. ככל שלמחשב יש יותר זיכרון RAM, כך הוא יכול לעבד יותר מידע בבת אחת, וכתוצאה מכך ביצועים מהירים יותר.
  ROM, לעומת זאת, הוא סוג של זיכרון לא נדיף המשמש במחשבים לאחסון קושחה (תוכנה המקושרת באופן הדוק לחומרה ספציפית, וספק אם תדרוש עדכונים תכופים). בניגוד ל-RAM, ROM שומר על התוכן שלו גם כשהמחשב כבוי.
  
  
• התקני אחסון: התקני אחסון הם רכיבים חיוניים המאחסנים נתונים ותוכנות גם כשהמחשב כבוי. שני הסוגים העיקריים של התקני אחסון הם כונני דיסק קשיח (HDD) וכונני מצב מוצק (SSD).

• כונני דיסק קשיח (קשיחים): כונני קשיח משתמשים באחסון מגנטי כדי לאחסן נתונים על פלטות מסתובבות. הם מציעים יכולות אחסון גדולות בעלויות נמוכות יחסית. עם זאת, יש להם חלקים נעים מכניים, מה שעלול לגרום לזמני גישה איטיים יותר בהשוואה לכונני SSD.
  
  
• כונני מצב מוצק (SSD): כונני SSD משתמשים בזיכרון פלאש כדי לאחסן נתונים, ומספקים זמני גישה מהירים יותר ומהירויות קריאה/כתיבה משופרות בהשוואה לדיסק קשיח. כונני SSD עמידים וחסכוניים יותר באנרגיה, אך יכולים להיות יקרים יותר עבור קיבולות גבוהות יותר.

• לוח אם: לוח האם הוא לוח המעגל הראשי של המחשב, הפועל כרכזת המרכזית המחברת את כל רכיבי המחשב. זה מקל על התקשורת בין המעבד, הזיכרון, התקני האחסון וציוד היקפי, ומאפשר לכולם לעבוד בסנכרון.
  
  
• יחידת אספקת חשמל (PSU): יחידת אספקת החשמל, או PSU, מספקת מתח חשמלי לכל רכיבי המחשב. הוא ממיר מתח AC (זרם חילופין) מהשקע החשמלי למתח DC (זרם ישר) המתאים לרכיבים הפנימיים של המחשב. יעילות PSU מתייחסת לכמות הכוח שהוא יכול לספק לרכיבי המחשב ללא הפסד משמעותי כחום. בחירת ההספק המתאים מבטיחה ש-PSU יכול לספק מספיק כוח לכל הרכיבים במערכת.
  
  
• יחידת עיבוד גרפי (GPU): ה-Graphics Processing Unit, או GPU, הוא מעבד מיוחד שנועד לטפל במשימות הקשורות לגרפיקה. הוא אחראי לעיבוד תמונות, סרטונים ואנימציות לתצוגה על הצג. GPUs הם קריטיים להפעלת יישומים עתירי גרפיקה כמו משחקי וידאו, עריכת וידאו ומודלים תלת מימדיים.
  GPUs משולבים לעומת ייעודיים: GPUs משולבים מובנים במעבד ומשתפים זיכרון מערכת, מתאים למשימות גרפיות בסיסיות. למעבדי GPU ייעודיים, לעומת זאת, יש זיכרון ייעודי משלהם ומציעים ביצועים גבוהים יותר עבור יישומי גרפיקה תובעניים.
  
  
• התקנים היקפיים: התקנים היקפיים כוללים את כל רכיבי החומרה החיצוניים המספקים קלט למחשב או מקבלים את הפלט שלו. התקני קלט, כמו מקלדות, עכברים וסורקים, מאפשרים למשתמשים להזין נתונים או פקודות. התקני פלט, כגון צגים ומדפסות, מעבירים מידע מהמחשב למשתמש. חלק מהציוד ההיקפי, כמו כוננים קשיחים חיצוניים, הם התקני קלט ופלט כאחד. 
  
  
• כרטיס ממשק רשת (NIC): כרטיס ממשק הרשת (NIC) הוא רכיב חיוני המאפשר למחשבים לתקשר באמצעות רשת. הוא מתרגם את הנתונים מהמחשב לפורמט המתאים לכבל הרשת, ולהיפך.

התקני קלט ופלט

• מחשבים מקיימים אינטראקציה עם משתמשים באמצעות התקני קלט ופלט. חלק זה יתמקד בהתקני הקלט השונים המשמשים להזנת נתונים ופקודות למחשב, כולל מקלדות, עכברים, מסכי מגע ומיקרופונים. כמו כן, נדון במשמעות של עיצוב ארגונומי עבור התקני קלט כדי לשפר את חווית המשתמש. בצד הפלט, נחקור את התקני הפלט השונים כמו צגים, מדפסות ורמקולים, שמציגים או מייצרים תוצאות שנוצרו על ידי המחשב. הבנת התפקידים של התקני קלט ופלט חיונית למשתמשים ליצור אינטראקציה יעילה עם מחשבים ולעוסקים בהגנת סייבר לשקול נקודות תורפה פוטנציאליות הקשורות להתקנים אלו.
  
  
• התקני קלט: התקני קלט ממלאים תפקיד מרכזי בהעברת מידע ופקודות מהמשתמשים למחשב. הם מאפשרים למשתמשים לתקשר עם העולם הדיגיטלי, להניע תהליכים ולהשפיע על פעולות המחשב. בואו נחקור כמה מהתקני הקלט הנפוצים ביותר:

• מקלדת: המקלדת היא אחד מהתקני הקלט העיקריים המשמשים להזנת טקסט וביצוע פקודות. הוא מורכב מסט של מקשים, שכל אחד מהם מייצג תו, סמל או פונקציה. המקלדות עשויות להשתנות בפריסה, כגון פריסת ה-QWERTY הנפוצה במדינות דוברות אנגלית. בנוסף, זמינות מקלדות ארגונומיות ומיוחדות כדי לספק מענה לצרכים שונים, כגון מקלדות גיימינג עם מקשים הניתנים להתאמה אישית ומתגים מכניים לזמני תגובה מהירים יותר.
  
  
• עכבר: העכבר הוא מכשיר הצבעה המאפשר למשתמשים לשלוט בסמן על מסך המחשב. על ידי הזזת העכבר, משתמשים יכולים לנווט בממשקי משתמש גרפיים, ללחוץ על אייקונים, לבחור טקסט ולבצע משימות שונות. עכברים מודרניים עשויים לכלול כפתורים נוספים לפונקציונליות משופרת, כגון לחצני אחורה וקדימה לגלישה באינטרנט או כפתורים הניתנים להתאמה אישית למשחקים.
  
  
• מסך מגע: מסכי מגע הפכו פופולריים יותר ויותר בסמארטפונים, טאבלטים ומחשבים ניידים. הם מאפשרים למשתמשים ליצור אינטראקציה ישירה עם הצג על ידי הקשה, החלקה וצביטה. מסכי מגע מספקים חווית משתמש אינטואיטיבית וסוחפת יותר, ומאפשרים למשתמשים לנווט בין יישומים ולבצע משימות בקצות האצבעות.
  
  
• משטח עקיבה: משטח העקיבה הוא משטח רגיש למגע שנמצא לעתים קרובות במחשבים ניידים. הוא מתפקד בדומה לעכבר, ומאפשר למשתמשים להזיז את הסמן ולתקשר עם המחשב על ידי הקשה והחלקה על המשטח. חלק משטחי העקיבה תומכים גם במחוות ריבוי מגע, ומספקים פונקציות נוספות כמו צביטה לזום והחלקה בשלוש אצבעות.
  
  
• כניסת סטיילוס/עט: התקני קלט או עט משמשים לציור מדויק, שרטוט וזיהוי כתב יד. הם משמשים בדרך-כלל בעיצוב גרפי, אמנות דיגיטלית ויישומים לרישום הערות. קלט סטיילוס מספק דרך טבעית ומדויקת יותר לאינטראקציה עם צגים רגישים למגע, ומציעה מגוון רחב של אפשרויות יצירתיות.

• התקני פלט: התקני פלט אחראים להצגת מידע מעובד מהמחשב למשתמש. הם מספקים ייצוגים מוחשיים של נתונים דיגיטליים, מה שהופך אותם לנגישים ומובנים. חלק מהתקני הפלט העיקריים כוללים:

• צג/תצוגה: צגים או צגים הם התקני פלט חזותיים המציגים מידע בצורה גרפית. הם נעים בין צגי שפופרת קתודית (CRT) מסורתיים לתצוגות מודרניות של גבישים נוזליים (LCD), צגי דיודה פולטת אור (LED) ותצוגות דיודות פולטות אור אורגניות (OLED). צגים מגיעים בגדלים שונים, ברזולוציות ובקצבי רענון שונים, העונים על צרכים מגוונים, ממשימות משרדיות סטנדרטיות ועד ליישומי משחקים ומולטימדיה בחדות גבוהה.
  
  
• מדפסת: מדפסות הן התקני פלט המייצרים עותקים קשיחים של מסמכים ותמונות דיגיטליות. הן מגיעות בסוגים שונים, כגון מדפסות הזרקת דיו, מדפסות לייזר ומדפסות רב תכליתיות (MFP), שיכולות לתפקד גם כסורקים ומכונות צילום. מדפסות חיוניות למשימות שונות, כולל הפקת מסמכים, גרפיקה ותצלומים.
  
  
• רמקולים ואוזניות: רמקולים ואוזניות הם התקני פלט אודיו המאפשרים למשתמשים לשמוע צליל המופק מהמחשב. רמקולים משמשים בדרך-כלל ליישומי מולטימדיה, כגון האזנה למוזיקה, צפייה בסרטונים ומשחקים. אוזניות מספקות חווית האזנה פרטית יותר והן פופולריות למטרות בידור אישי, עריכת אודיו ותקשורת.
  
  
• מַקרֵן: מקרנים הם התקני פלט המציגים תמונות או סרטונים שנוצרו על ידי מחשב על מסך גדול יותר או משטח הקרנה. הם משמשים בדרך-כלל למצגות, הגדרות של קולנוע ביתי ולמטרות חינוכיות. מקרנים מספקים אמצעי רב תכליתי להצגת תוכן דיגיטלי לקהל רחב יותר.

זיכרון המחשב 

זיכרון מחשב מתייחס לחומרה הפיזית המאפשרת למחשב לאחסן נתונים והוראות הנדרשות לביצוע משימות. זהו אמצעי אחסון זמני שבו נתונים ותוכניות שוכנים בזמן שהמחשב פועל. בניגוד להתקני אחסון לטווח ארוך, כגון כונני דיסק קשיח (HDD) וכונני מצב מוצק (SSD), זיכרון המחשב הוא נדיף, כלומר תוכנו אובד כאשר המתח מנותק. כתוצאה מכך, הנתונים בזיכרון המחשב נשמרים רק במהלך הפעלת מחשוב.

זיכרון המחשב ממלא תפקיד קריטי באחסון נתונים ותוכניות באופן זמני או קבוע. סוגי זיכרון:

• זיכרון גישה אקראית (RAM)

זיכרון גישה אקראית, הידוע בכינויו RAM, הוא אחד הסוגים הקריטיים ביותר של זיכרון מחשב. זה מאפשר למעבד לגשת לנתונים ולהוראות במהירות במהלך הפעלת התוכנית. זיכרון RAM מאפשר גישה אקראית, כלומר המעבד יכול לקרוא או לכתוב לכל מקום בזיכרון ללא צורך לגשת לנתונים ברצף. תכונה זו תורמת לביצועים המהירים של מחשבים במהלך ריבוי משימות ומשימות עתירות משאבים. ישנם סוגים שונים של זיכרון RAM, כולל זיכרון RAM דינמי (DRAM), DRAM סינכרוני (SDRAM) ו-DRAM סינכרוני של קצב נתונים כפול (DDR SDRAM). כל דור של DDR SDRAM מציע קצבי העברת נתונים מוגברים וביצועים משופרים בהשוואה לקודמו.

• זיכרון לקריאה בלבד (ROM)

זיכרון לקריאה בלבד, או ROM, הוא סוג של זיכרון ששומר על הנתונים שלו גם כשהחשמל כבוי. בניגוד לזיכרון RAM, שהוא נדיף, ה-ROM אינו נדיף ומשמש כאחסון קבוע לקושחה ותוכנות מערכת חיוניות שאינן דורשות עדכונים תכופים. דוגמאות כוללות את ה-BIOS של המחשב (מערכת קלט/פלט בסיסית) ואת הקושחה האחראית לאתחול החומרה במהלך האתחול.

• זיכרון מטמון

זיכרון מטמון הוא סוג זיכרון קטן אך מהיר במיוחד הממוקם בין המעבד ל-RAM. מטרתו היא לאחסן נתונים והוראות שנגישים אליהם לעתים קרובות כדי להאיץ את זמן העיבוד. ה-CPU בודק תחילה את הנתונים במטמון לפני שהוא ניגש ל-RAM האיטי יותר, מפחית משמעותית את זמן ההשהיה ומשפר את ביצועי המערכת הכוללים. זיכרון המטמון מאורגן במספר רמות, כולל מטמון L1, L2 ו-L3, כאשר L1 הוא המהיר ביותר אך הקטן ביותר ו-L3 הוא הגדול ביותר אך האיטי ביותר. כל רמה מאחסנת בהדרגה כמויות גדולות יותר של נתונים אך עם זמני גישה הולכים וגדלים.

איך עובד זיכרון המחשב

זיכרון המחשב ממלא תפקיד חיוני בתהליך המחשוב, ומאפשר למעבד להפעיל תוכניות ולעבד נתונים ביעילות. השלבים הבאים ממחישים כיצד פועל זיכרון המחשב:

• טעינת נתונים לזיכרון: כאשר מחשב מופעל, מערכת ההפעלה ותהליכי המערכת החיוניים נטענים ל-RAM מהתקני אחסון לא נדיפים, כגון הכונן הקשיח. תהליך זה, המכונה אתחול, מכין את המחשב לפעולה.
  
  
• הפעלת תוכנית: כאשר משתמש פותח יישום, כגון מעבד תמלילים או דפדפן אינטרנט, קוד התוכנית והנתונים הרלוונטיים נטענים ל-RAM מהתקני אחסון. לאחר מכן, המעבד מביא ומעבד את ההוראות מ-RAM, מבצע את החישובים והפעולות הנדרשות.
  
  
• אחסון ואחזור נתונים: כאשר משתמשים מקיימים אינטראקציה עם האפליקציה, ה-CPU מאחסן נתונים זמניים ב-RAM לגישה מהירה במהלך ההפעלה. זה מאפשר אחזור נתונים מהיר בעת הצורך, מה שמבטיח חווית משתמש חלקה ומגיבה.
  
  
• ריבוי משימות: זיכרון המחשב מקל על ריבוי משימות, ומאפשר למעבד לעבור בין תוכניות שונות במהירות. כאשר משתמשים עוברים בין יישומים, הנתונים הרלוונטיים נטענים מ-RAM, בעוד שהנתונים שנגישים אליהם בתדירות נמוכה יותר מועברים לאחסון משני כדי לפנות מקום.
  
  

ניהול זיכרון

ניהול זיכרון הוא היבט קריטי של מערכות הפעלה, המבטיח הקצאה יעילה של משאבי RAM לתוכניות ותהליכים שונים. מערכת ההפעלה מטפלת במשימות ניהול זיכרון, כולל:

הקצאת זיכרון: כאשר תוכנית מופעלת, מערכת ההפעלה מקצה חלק מ-RAM זמין לתוכנית כדי לאחסן את הקוד והנתונים שלה באופן זמני.

• זיכרון וירטואלי: כדי להתגבר על המגבלות של זיכרון RAM פיזי, מערכת ההפעלה משתמשת בזיכרון וירטואלי, המשלב זיכרון RAM ושטח בהתקן האחסון (למשל, כונן קשיח או SSD). כאשר זיכרון ה-RAM הופך לדל, מערכת ההפעלה מעבירה באופן זמני נתונים בשימוש פחות תכוף מ-RAM אל התקן האחסון, ומפנה מקום לתוכניות אחרות.
• זימון זיכרון: זיכרון וירטואלי משתמש בהחלפת זיכרון, טכניקה שבה הנתונים מחולקים לבלוקים בגודל קבוע הנקראים דפים. מערכת ההפעלה מנהלת את העברת הדפים בין זיכרון RAM והתקני אחסון כדי לייעל את הביצועים ולהבטיח שהנתונים הרלוונטיים ביותר יהיו נגישים בקלות למעבד.

עבור למאמר הבא