Title: Jak funguje počítač, mobil nebo tablet
Course: Práce s ICT v MŠ (všechny formy) > Section: Historie, ergonomie, hardware

Cíl

Po prostudování této kapitoly byste měli pochopit jeden ze základních stavebních kamenů informatiky – a to princip fungování počítače. Tento princip před lety popsal John Von Neumann a vy byste měli pochopit a následně umět vysvětlit jeho schéma.

Průvodce studiem

V následujících kapitolách se seznámíte se základními součástmi počítače a základními principy, podle kterých dnešní počítače fungují. Abyste vše lépe pochopili, podívejte se také na pěkné video v kapitole Dále doporučujeme. K tomuto tématu není samostatný úkol, ale pouze test. Pro lepší pochopení učiva a prohloubení znalostí vám doporučujeme projít kontrolní úkoly a odkazy. Celkově by vám studium mělo zabrat maximálně dvě vyučovací hodiny, včetně testu a všech doplňkových aktivit.

Výklad učiva

V následujícím textu si představíme základní pojmy a principy.

Vstupní a výstupní zařízení

Samotný počítač, byť byl sebelépe vybaven, bychom nemohli využívat, pokud by k němu nebyly připojeny další zařízení. Jedná se o zařízení, pomocí kterých zadáváme data nebo ovládáme další zařízení. Tato zařízení nazýváme vstupní a jsou to například klávesnice, myš, skener, joystick, čtečka otisků prstů, digitální fotoaparát apod.

Informace (data) chceme nejen zadávat, ale i získávat. Zařízení, pomocí kterých získáváme informace jsou nazývány výstupní. Typické výstupní zařízení je monitor.

Existují také vstupně-výstupní zařízení, která slouží ke vstupu (načítání) i výstupu (ukládání) dat. Typickým příkladem je třeba pevný disk, flashdisk, síťová karta nebo dotykový displej.

Von Neumannova architektura

Základní architekturu, kterou navrhl John von Neumann, používají počítače, tablety nebo mobily dodnes. Liší se pouze v několika vylepšeních, která probereme později. Abyste lépe pochopili, jak počítače fungují, začneme s jednoduchým schématem, kterému se říká Von Neumannovo schéma.

Nezáleží na tom, co na počítači děláte. Počítač si vše převádí na programové instrukce a výpočty, které zpracovává aritmeticko-logická jednotka (ALU). Můžete si ji představit třeba jako kalkulačku, která umí velice rychle a přesně provádět výpočty. Někdo (nebo něco) ale musí tuto "kalkulačku" řídit: říkat jí, co má počítat a jak zobrazovat výsledky. V počítači je to řadič, který je spolu s ALU součástí procesoru. Data se do počítače dostávají ze vstupních zařízení, výsledek zpracování dat se potom třeba zobrazí na displeji nebo jiném výstupním zařízení. Když počítáte nějaký složitější příklad, zapisujete si pomocné výsledky na papír, nebo si je chvilku pamatuje. V počítači je to podobné: data a instrukce, které zpracovává procesor, se nejprve načítají do operační paměti, kde s ní procesor pracuje. Podobně jako když po vyřešení úlohy zahodíte papír nebo zapomenete pomocné výsledky ve vaší dočasné paměti, odstraní se po ukončení programu z operační paměti data i program.

Probereme si to na jednoduchém příkladu. Když pomocí myši (vstupní zařízení) kliknete na ikonu internetového prohlížeče (aplikaci), načte se programový kód této aplikace do operační paměti. Procesor začne provádět výpočty a programové instrukce, které jsou v operační paměti – říkáme, že došlo ke spuštění programu. Spuštěný program (internetový prohlížeč) je nyní v operační paměti a na monitoru (výstupní zařízení) se zobrazí okno prohlížeče. Tak poznáte, že program běží. Spuštěný program je ale sám o sobě prakticky k ničemu, pokud nezpracovává data. Ve spuštěném internetovém prohlížeči proto např. vyhledáte video, které si začnete přehrávat (prohlížeč začne zpracovávat data). Program prohlížeče i zpracovávaná data se nacházejí ve stejné operační paměti. Výsledek zpracování dat (obraz a zvuk videa) můžete vnímat na výstupních zařízeních (monitor a zvuková karta). Pokud chcete např. zastavit přehrávání videa, kliknete myší na ovládací prvek u videa a program na tuto situaci zareaguje. Když zavřete okno prohlížeče, dojde k odstranění programu i zpracovávaných dat z operační paměti.

POZNÁMKA: Na internetu najdete spoustu dalších variant Von Neumannova schématu. Pro naše potřeby jsem ho nakreslil co nejjednodušší, abyste snadno pochopili základní principy.

Architektura dnešních počítačů

Jak jsme naznačili v předcházející kapitole, používají dnešní počítače různě vylepšenou Von Neumannovou architekturu. Na dalším obrázku si představíme schéma, které znázorňuje uspořádání a komunikaci komponent běžného počítače.

Začneme procesorem, který je běžně označován zkratkou CPU (Central Processing Unit). Dnešní procesory jsou přímo propojeny s operační pamětí (RAM) a grafickou kartou (VGA). Díky tomuto přímému propojení může procesor komunikovat s grafickou kartou a operační pamětí rychleji, než kdyby mu dělal prostředníka chipset (vysvětlíme si dále). Možná se divíte, proč je grafická karta na obrázku nakreslena dvakrát. Je to proto, že většina dnešních procesorů v sobě obsahuje grafický čip, který plní funkci grafické karty. Výkon těchto integrovaných grafických čipů je dnes tak velký, že stačí pro většinu běžných aplikací a her. Pokud uživatel potřebuje pracovat s pokročilými grafickými aplikacemi a hrami, které vyžadují větší grafický výkon, je nutné připojit k počítači samostatnou grafickou kartu. V takovém případě počítač využívá místo integrovaného grafického čipu samostatnou kartu.

Samostatné grafické kartě se také často říká dedikovaná grafická karta (s tímto označením se setkáte hlavně u výkonných notebooků). Výkonné notebooky s dedikovanou grafickou kartou také často využívají obě karty: pro nenáročné operace použije notebook grafický čip v procesoru. Integrovaný čip má sice o něco menší výkon, ale také menší spotřebu, takže notebook se tolik nezahřívá a zároveň vydrží pracovat déle při napájení z akumulátoru. Pokud uživatel spustí aplikaci, která vyžaduje více grafického výkonu, přepne notebook automaticky na dedikovanou kartu.

Všechny ostatní součástky jsou propojeny s chipsetem. Chipset (čipová sada, počeštěně čipset) je sada čipů, které řídí komunikaci všech připojených součástí. Můžete si ho představit třeba jako obrovskou a složitou křižovatku, kterou řídí policista. Data mezi jednotlivými součástmi proudí po "silnicích", které jsou na obrázku zvýrazněny modře. Těmto silnicím říkáme sběrnice. Když si ještě představíte, že data nechodí pěšky, ale jezdí několika autobusy, snadno si zapamatujeme i anglické označení sběrnice: bus.

POZNÁMKA: V popisovaném schématu vidíte další součástky a zkratky, kterým zatím nemusíte rozumět, ani detailně znát jejich funkci. Budeme se jim věnovat v následujících tématech.

Von Neumannova koncepce počítala s tím, že počítač nemůže zpracovávat více programů současně. Dnešní počítače umožňují souběžné zpracování úloh. Současnému běhu více programů se říká multitasking. Dnešní procesory obsahují většinou více jader, takže programy skutečně běží souběžně, v reálném čase. Kromě toho mohou dnešní počítače obsahovat více procesorů (např. servery).

Další odlišností je, že dnešní zařízení nerozdělujeme pouze na vstupní a výstupní, ale existují i vstupně-výstupní zařízení (např. pevný disk nebo síťová karta).

Shrnutí

Kapitola stručně vysvětlila základní princip, Von Neumannovo schéma,  jak funguje počítač. Měli byste nyní být schopni popsat, jak jsou informace zpracovávány a které základní součásti obsahuje počítač. Jedná se o procesor, operační paměť, grafickou kartu, chipset, sběrnice. Další součást si postupně představíme v následujících tématech.

Kontrolní otázky a úkoly; testy

- Zkuste spočítat, kolik programů vám současně běží na počítači, když s ním pracujete.
- Podívejte se na schéma skutečného chipsetu.

Pojmy k zapamatování

- Vstupní zařízení
- Výstupní zařízení
- Vstupně-výstupní zařízení
- Procesor
- Operační paměť
- Sběrnice

Literatura

NAVRÁTIL, Pavel a Michal JIŘÍČEK. S počítačem nejen k maturitě - 1. díl. Deváté vydání. Prostějov: Computer Media, 2016. ISBN 978-80-7402-252-4.

Dále doporučujeme

Von Neumannovo schéma vám stručně a jednoduše představí Roman Zach.

https://youtu.be/Yb92eeimGK0

Testy online, pdf, SWF

Test k tématu najdete na úvodní stránce kurzu, pod tématem Jak funguje počítač, mobil nebo tablet.