컴퓨터 작동 방식에 대해

컴퓨터 작동 원리

커피 한 잔을 마시고 싶으면 웨이트리스에게 "아씨, 커피 한 잔 드세요."라고 말하면 됩니다. 웨이트리스는 이 말을 듣고 '아, 그 사람이 커피 한 잔 원하니 내가 빨리 갖다 줄게'라고 생각할 것이다. 그러면 김이 나는 커피 한 잔을 마시게 될 것입니다. 컴퓨터에게 다음과 같이 말할 수도 있습니다. 컴퓨터야, 커피 한잔 마셔라. 컴퓨터는 어떻게 생각할까요? 맙소사, 커피? 어떻게해야합니까? 그냥 충돌! 그러면 커피 김이 나지 않으며 컴퓨터를 다시 시작해야 합니다.

사실 컴퓨터가 생각하는 방식은 인간의 사고방식과 전혀 다릅니다. 보통 사람들의 눈에는 컴퓨터가 마술처럼 보이지만 사실 컴퓨터는 좀 멍청합니다. 만약 컴퓨터에게 무엇을 하라고 지시하지 않으면 그것은 정직하게 그 자리에 머물며, 천년, 만년 동안 그 자리에 머물 수 있습니다. 어차피 인내심이 없어 아무 일도 일어나지 않으면 게임을 하겠는데... 컴퓨터도 창의적이지 못해요. 하지만 컴퓨터는 그럴 수 없습니다. 컴퓨터는 마치 옛 주인과 같습니다. 컴퓨터가 하는 모든 일은 규칙을 따르고 잘 문서화되어 있습니다. 하지만 컴퓨터의 기억력은 놀라울 정도로 빠르고 정확합니다. '삼국지연의'의 장송(張宋)은 '맹덕신서'를 한 번 읽고 한 글자 한 글자 외울 수 있었습니다. 볼 때마다 여기, 장송이 팔에 노트북을 들고 있다는 의심이 늘 든다. 나는 컴퓨터가 마술적인 것이라고 결코 생각하지 않습니다. 컴퓨터가 작동하는 방식을 이해한다면 컴퓨터도 단지 도구일 뿐이라고 생각할 것입니다.

1. 입력 장치 정보 처리 방법

컴퓨터는 디지털 신호만 처리할 수 있지만 이와 유사한 소리, 색, 냄새 등 다양한 외부 정보가 있습니다. 컴퓨터는 정보를 어떻게 수신합니까? 우리 인간은 눈, 귀 등의 기관을 사용하고 컴퓨터는 입력 장치를 사용합니다. 컴퓨터 입력 장치에는 키보드, 마우스, 마이크, 카메라, 필기 패드 등 다양한 종류가 있습니다. 둘 다 입력 장치이지만 여전히 매우 다릅니다. 초기 컴퓨터의 처리 능력과 전자 기술의 한계로 인해 입력 장치는 오늘날 우리가 사용하는 키보드와 같이 모두 디지털이었습니다. 손에 있는 키보드를 보면 버튼만 있음을 알 수 있습니다. 버튼을 수행할 수 있는 작업은 누르거나 누르지 않는 것입니다. 키보드 회로가 생성할 수 있는 상태는 분명히 디지털 신호의 범주에 속합니다. 컴퓨터는 디지털 신호 처리에 매우 편리하지만 우리 인간에게는 더 번거롭습니다. 예를 들어 우리 중국인이 키보드에서 한자를 입력하는 것은 쉽지 않습니다. 키를 여러 번 눌러 한자 입력을 완료합니다. 실제로 자연에 존재하는 대부분의 정보는 시뮬레이션된 것입니다. 입력 장치가 이 시뮬레이션된 정보를 컴퓨터로 전송하여 컴퓨터가 명확하게 보고 듣게 하려면 이 변환 과정을 A/라고 합니다. D 변환(아날로그/디지털 변환) A/D 변환 프로세스는 전용 칩에 의해 완료되지만 현재 이 회로는 일반적으로 사운드 카드의 메인 칩에 통합됩니다. 분명히 아날로그 신호는 우리에게 더 편리하고 빠릅니다. 예를 들어 키보드보다 훨씬 빠른 마이크를 통해 음성 입력을 수행할 수 있습니다.

이제 키보드가 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. "A" 키와 같이 키보드의 아무 키나 손가락으로 누를 때 어떤 느낌이 듭니까? 마치 스위치를 누르는 것과 같습니다. 사실 키보드의 모든 키(Shift, Ctrl, Alt 제외)는 매트릭스 스위치 배열입니다. 행별로, 열별로. 먼저 영화관에서 좌석을 찾는 방법을 생각해보세요. 영화표를 보고 3열 8석이면 먼저 3열을 찾은 다음 8석을 찾으면 좌석을 찾을 수 있습니다. 키보드의 각 키는 이 행렬에서 자신만의 자리를 가지며, 그 위치는 3열, 8자리 등의 좌표에 의해 결정됩니다.

버튼을 누르면 버튼 양쪽 끝에 연결된 행과 열이 켜지므로 두 선의 레벨(즉, 전압)이 동일해집니다. 그렇다면 컴퓨터는 사용자가 어떤 키를 눌렀는지 어떻게 알 수 있을까요? 하나씩 찾아보고 계시나요? 그것은 너무 많은 문제가 될 것입니다. PC 키보드는 마이크로 컨트롤러를 통해 이 검색 프로세스를 완료합니다. 마이크로 컨트롤러는 특정 기능을 완료하기 위해 내부에 프로그램을 작성할 수 있습니다. 일반적으로 40핀 8035, 8048 및 기타 유형의 마이크로 컨트롤러가 사용됩니다. . 32개의 I/O 포트가 있습니다. 소위 I/O 포트는 전기 신호를 출력하고 수신할 수 있는 포트입니다. 이러한 I/O 포트에서 와이어가 서로 교차하여 이러한 교차점을 형성합니다. 스위치를 연결하면 크로스포인트 연결 여부를 제어할 수 있습니다. 이것이 스위치 매트릭스입니다. 32개의 I/O 포트는 최대 16×16 매트릭스(즉, 16개의 행을 행으로 하고, 16개의 행을 열로 하고, 교차한 후 교차점이 256개임)를 형성할 수 있습니다. 이는 최대 256개의 버튼을 연결할 수 있음을 의미합니다. 사실 우리가 일반적으로 사용하는 키보드는 104개의 키가 있고 16×8 매트릭스이면 충분합니다.

마이크로 컨트롤러는 행 스캔을 통해 버튼을 감지하고 I/O 포트를 통해 첫 번째 행에 낮은 레벨(0V 전압 신호)을 보내고 다른 행은 높은 레벨(+5V 전압 신호)을 유지합니다. 각 열의 I/O 포트를 하나씩 감지하여 어느 것이 낮은 수준인지 확인합니다. 완료 후 낮은 수준을 두 번째 행으로 보낸 다음 마지막 행까지 각 열을 감지한 다음 처음부터 시작합니다. 분명히, 3행과 8열과 같은 특정 키를 누르면 이 키에 연결된 3행과 8열이 켜집니다. 즉, 3행이 높으면 8열도 높은 수준이 됩니다. 3은 낮은 레벨이고, 8열도 낮은 레벨이 됩니다. 이때 마이크로컨트롤러가 3번째 행에 로우 레벨을 보내면 8번째 열도 로우 레벨이 됩니다. 마이크로컨트롤러는 8번째 열이 로우 레벨임을 감지하면 3번째 행에 있는 키를 결정하고 8번째 열은 '3행 8열'을 눌렀는데(영화표처럼 보이지는 않지만) 전문 분야에서는 버튼의 행과 열 위치를 반영한 ​​스캔 코드(SCAN CODE)라고 부른다. 버튼을 누르면 마이크로컨트롤러가 컴퓨터 호스트에 보고하고 호스트가 나머지 작업을 대신합니다. 간단히 말해서, 키보드 부분은 매우 바쁩니다. 컴퓨터를 켤 때마다 키보드 부분의 마이크로 컨트롤러가 초기화된 후 지속적으로 스캔을 시작합니다. 낮은 수준으로 스캔하면 데이터 조각이 호스트로 전송됩니다. 입력 여부에 관계없이 키보드는 해당 작업을 계속해서 반복합니다. 키보드와 호스트는 5핀 커넥터를 통해 연결됩니다. 이러한 연결은 전원, 접지, 데이터, 클록 및 기타 신호를 전송하는 데 사용됩니다. 분명히 전원 및 접지선은 키보드의 회로가 작동할 수 있도록 호스트에서 키보드의 회로에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 클럭 신호는 1/2박자 댄스 음악의 드럼 비트와 더 비슷합니다.

키보드가 완전히 디지털이기 때문에 특별한 점은 없습니다. 사운드 카드는 아날로그 신호를 처리하는 방식의 차이를 살펴보겠습니다. 사운드 카드에는 일반적으로 마이크 입력인 MIC IN 인터페이스가 있습니다. 이 인터페이스는 먼저 마이크를 통해 음성과 같은 사운드 신호를 수집한 다음 신호를 충분히 강하게 만듭니다. , 신호에 대해 A/D 변환을 수행하면 디지털 신호로 변환된 후 쉽게 전송 및 처리할 수 있습니다. 다른 입력 장치에서 수집한 데이터가 아날로그인 경우 컴퓨터 내부에서 전송 및 처리되기 전에 A/D 변환됩니다.

위에서 우리는 입력 장치에 의한 디지털 신호 처리와 아날로그 신호 처리에 대해 이야기했습니다. 다른 입력 장치의 기본 작동 원리는 유사합니다. 디지털 신호의 경우 입력 장치는 신호 감지 및 수집을 완료한 다음 이를 아날로그 신호의 경우 컴퓨터 호스트로 전송하기만 하면 됩니다. 필수의. 따라서 비디오 입력 기능이 있는 그래픽 카드를 구입하면 그래픽 카드에 A/D 변환 기능이 있는지 확인할 수 있습니다.

컴퓨터는 다양한 입력 장치를 통해 외부 세계의 정보를 수집합니다. 컴퓨터가 우리가 말하는 것을 듣고, 웃는 얼굴을 보고, 우리의 명령을 이해할 수 있는 것은 바로 이러한 장치 때문입니다. 그리고 이것이 컴퓨터가 우리와 통신하는 데 필요한 첫 번째 조건입니다.

//참고 1 아날로그 신호와 디지털 신호에는 큰 차이가 있습니다. 아날로그 신호는 설명할 정보를 표현하기 위해 지속적으로 변화하는 숫자 값을 사용하고, 디지털 신호는 정보의 특정 문자를 표현하기 위해 제한된 수의 "0"과 "1" 코드를 사용합니다. 표현되다.

2. 컴퓨터 호스트가 정보를 처리하는 방법

컴퓨터의 모든 데이터는 CPU에 의해 제어되고 처리됩니다. CPU는 강력한 데이터 처리 기능을 갖춘 중앙 처리 장치입니다. 컴퓨터 마더보드의 핵심 위치를 차지하고 있으며, 마더보드는 이를 구체적으로 담당한다고 할 수 있습니다. 마더보드는 다양한 표준 인터페이스를 CPU로 확장합니다. 이러한 인터페이스는 다양한 장치로 확장될 수 있어 CPU의 데이터 처리 범위가 크게 향상됩니다.

호스트 컴퓨터에서는 처리를 위해 다양한 신호를 CPU로 보내야 하며, 처리된 데이터는 출력 장치로 출력되어야 합니다. 이러한 입출력 장치는 통일적으로 관리되어야 합니다. 장치마다 데이터 버스가 다르고 데이터 전송 속도도 다르기 때문에 통합 관리 및 제어가 필요합니다. CPU와 이들 장치 사이의 통신을 위해서는 브리지가 필요한 것 같습니다. 이것이 마더보드의 주요 기능입니다. 이 브리지는 일반적으로 사우스브리지 칩과 노스브리지 칩으로 구분되는 칩셋입니다. 이 두 칩은 마더보드의 주요 구성 요소입니다. 실제로 마더보드의 주요 기능은 우리가 일반적으로 사용하는 칩셋이기도 합니다. 마더보드 카테고리를 나누는 데 사용됩니다.

마더보드에서 CPU에 더 가까운 칩이 메인 브리지라고도 불리는 노스 브리지입니다. CPU는 CPU 버스를 통해 노스브리지 칩과 연결되며, CPU와 외부 세계와의 데이터 교환은 노스브리지 칩을 통해 완료됩니다. CPU와 다른 장치 사이의 브리지로서 노스브리지 칩은 한편으로는 CPU와의 데이터 교환을 처리하는 동시에 메모리 및 AGP 장치의 관리도 완료해야 합니다.

이를 통해 CPU와 연결됩니다. CPU 버스 66M, 100M 등 CPU의 FSB 지원 여부를 결정하고, 듀얼 CPU 지원 여부도 결정하는 부분입니다.

메모리 인터페이스를 통해 메모리와 연결되는데, 메모리 컨트롤러 부분은 마더보드의 메모리 유형, 메모리 작동 주파수, 메모리 용량 등 지원 여부를 결정합니다.

AGP 인터페이스를 통한 AGP 장치 연결, 이 부분은 AGP 버전 및 AGP 주파수에 대한 지원을 결정합니다.

실제로 마더보드의 많은 성능 매개변수는 노스브리지 칩에 의해 결정됩니다.

노스브리지 칩 외에 칩셋도 사우스브리지 칩이다. 사우스브리지 칩은 주로 외부 입력 및 출력 장치와의 데이터 교환을 담당합니다. PCI 버스를 통해 노스브리지 칩에 연결되므로 노스브리지 칩과 사우스브리지 칩이 협력하여 CPU와 많은 장치 간의 데이터 교환을 완료합니다. . Southbridge 칩은 ISA, IDE, USB, 키보드, 마우스 및 기타 인터페이스를 관리하므로 UDMA66 지원 여부 및 USB 버전 지원과 같은 기능은 Southbridge 칩에 의해 결정됩니다.

그렇다면 노스 및 사우스 브리지 칩은 이러한 장치를 어떻게 관리합니까? 이 문제를 설명하기 위해 이제 Northbridge와 메모리 간의 관계를 사용하여 이 문제를 설명합니다. 우리는 메모리 읽기 및 쓰기에는 특정 타이밍이 필요하며 데이터를 유지하려면 메모리를 지속적으로 새로 고쳐야 한다는 것을 알고 있습니다. 이러한 특별한 요구 사항을 위해 Northbridge 칩에는 메모리 제어를 완료하는 특수 메모리 컨트롤러가 있습니다. 이런 방식으로 CPU가 메모리를 작동해야 할 때 그다지 걱정할 필요가 없으며 데이터를 보내고 검색하기만 하면 됩니다. 마찬가지로 다른 장치도 작동 시 타이밍, 신호 제어 등의 측면에서 몇 가지 특별한 요구 사항이 있으며, 서로 다르기 때문에 제어를 위해 고유한 특수 컨트롤러가 필요합니다. 우리는 North 및 South Bridge 칩에 대한 정보를 통해 내부에 일부 특수 컨트롤러가 있고 이를 통해 해당 장치를 제어한다는 것을 알 수 있습니다. //참고: 메모리 새로 고침: 메모리는 데이터를 읽은 후 메모리의 정보가 손실되므로 데이터를 유지하려면 즉시 다시 작성해야 합니다.

일반적으로 컴퓨터의 작업 프로세스는 다음과 같습니다. 다양한 위치의 데이터 "0"과 "1"이 CPU로 전송됩니다. 이러한 신호는 다음과 같은 외부 세계에서 수집될 수 있습니다. 사운드 카드의 사운드 입력 데이터, 키보드의 신호 등 하드 디스크의 데이터, CD의 데이터 등과 같은 저장 매체에 저장된 데이터일 수도 있습니다. 마더보드의 사우스 브리지, 노스 브리지 등의 중개자를 통해 CPU로 전송되고, CPU는 이를 처리합니다. 마지막으로 North Bridge와 South Bridge를 통해 전송되어 사운드 카드로 전송되므로 그래픽 카드로 소리를 들을 수 있고 이미지도 볼 수 있습니다. 저장.

3. 출력 장치 정보 처리 방법

뇌의 데이터 처리의 최종 결과는 다양한 출력 장치를 통해 표현됩니다. 그러나 컴퓨터가 직접 출력하는 데이터는 디지털 신호이고, 이러한 디지털 신호를 우리가 듣고 볼 수 있는 아날로그 음향 신호나 영상 신호로 변환해야 하는 경우가 많기 때문에 이 역시 디지털을 아날로그로 변환하는 과정이 필요하며, 입력 시간과는 정반대입니다.

가장 일반적인 출력 장치는 모니터입니다. 컴퓨터에서 출력되는 디지털 신호가 어떻게 표시되는지 살펴보겠습니다.

일단 데이터가 있고 이를 표시하려면 모니터를 사용해야 합니다. 그러나 CPU가 데이터를 모니터로 직접 보내면 모니터가 이를 표시할 수 없습니다. 일반 CRT 모니터가 수신할 수 있는 데이터는 아날로그지만, CPU에서 처리한 후 표시할 데이터는 디지털이기 때문에 변환이 필요하고, 이 작업을 완료하기 위해 그래픽 카드가 있기 때문이다. 그러나 현재 그래픽 카드에는 컴퓨팅 기능(예: 3D 처리)도 있으므로 여기서는 설명하지 않습니다. 그래픽 카드는 컴퓨터와 모니터를 잇는 다리라고 할 수 있다.

CPU는 표시할 데이터를 그래픽 카드의 비디오 메모리로 보낸다. 처리된 데이터를 직접 디스플레이에 사용할 수 없기 때문에 비디오 메모리에서 데이터를 처리하여 처리한 다음 직접 출력 대신 DAC로 보냅니다. 현재 우리가 일반적으로 사용하는 모니터는 아날로그 신호만 수신할 수 있고 이러한 데이터는 디지털이므로 D/A 변환기를 통해 아날로그 신호로 변환해야 합니다. D/A 변환기는 우리가 흔히 그래픽 카드의 DAC라고 부르는 것입니다. 이 칩은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 속도를 일반적으로 초당 메가바이트라고 부릅니다. 디스플레이 효과(예: 더 높은 해상도, 더 많은 색상 수, 더 높은 새로 고침 빈도)를 추구하면서 동시에 또는 더 짧은 시간에 더 많은 데이터를 표시하기 위해 디스플레이 데이터량이 급격히 증가했습니다. 많은 양의 데이터를 처리하려면 DAC에서 더 빠르게 변환해야 합니다. 변환 후 DAC는 R(빨간색), G(녹색), B(파란색)의 세 가지 색상 신호를 포함하는 일련의 아날로그 비디오 신호를 출력합니다. 이 세 가지 신호와 H(수평 동기), V(필드 동기) 및 그래픽 카드 제어 칩에서 출력되는 기타 신호는 15핀 커넥터를 통해 표시되도록 모니터로 전송됩니다.

모니터는 컴퓨터가 표현하고자 하는 정보를 우리에게 전달해 주기 때문에 컴퓨터의 가장 중요한 출력 장치입니다. 디스플레이는 텍스트 및 그래픽 정보를 우리에게 전달할 수 있습니다. 우리가 일반적으로 사용하는 디스플레이를 CRT 디스플레이라고 합니다. 그 원리는 다음과 같습니다. 전자가 화면의 형광체 코팅에 닿으면 형광체가 빛을 방출하고 즉시 꺼지지 않고 일정 시간이 지나면 사라집니다.

행과 열로 배열된 형광체 조각을 사용하여 평면을 형성한 다음 전자를 충돌시켜 발광하게 하면 발광 평면을 볼 수 있습니다. 그래픽이나 문자를 표시하려면 많은 전자를 사용해야 합니다. 그래픽이나 캐릭터를 구성하는 여러 지점을 동시에 포격합니다. 그러나 패턴을 구성하는 인광점은 여러 개일 수 있으며 서로 다른 위치에 분포되어 있습니다. 전자가 동시에 여러 지점에 충격을 가하도록 제어하는 ​​것은 불가능하므로 스캐닝 방법을 사용합니다. 전자를 사용하여 첫 번째 지점을 폭격한 후 두 번째 지점으로 이동하여 마지막 지점까지 계속합니다. 형광체는 지속적으로 빛을 방출하는 특성을 가지고 있기 때문에 충분히 빠르게 스캔하는 한 마지막 지점이 빛을 방출하게 한 후에도 첫 번째 지점은 처음부터 계속해서 이 지점들에 빛을 발사하면 됩니다. , 그래서 루프로 만들면 눈으로 보면 순차적으로 빛나는 점이 아닌 완전한 패턴이 됩니다. 예술의 색 원리를 보면 R(빨간색), G(녹색), B(파란색)의 세 가지 색상을 혼합하면 어떤 색상이든 만들 수 있으므로 빨간색, 녹색, 파란색을 방출할 수 있는 형광체 도트를 알 수 있습니다. 각각 매우 가까이 있을 때 전자빔 3개를 제어하여 충격을 가하면 서로 다른 색의 빛이 혼합되어 다채로운 이미지를 형성할 수 있습니다. 그렇다면 전자는 어디서 오는 걸까요? 디스플레이에는 전자총이라는 장치가 사용됩니다. 전자총이 활성화되면 전자가 생성됩니다. 컬러 CRT 디스플레이는 일반적으로 3개의 전자총을 사용하여 색상을 생성합니다. 그래픽 카드는 이 세 개의 전자총을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 하지만 전자가 특정 지점을 정확하게 폭격하려면 이를 제어하는 ​​부품이 필요합니다. 그래픽 카드에서 출력되는 H(수평 동기화) 및 V(필드 동기화) 신호는 전자총의 조준경과 동일합니다. 전자총에서 생성된 전자는 정확한 위치를 스캔합니다.

컴퓨터에는 모니터 외에도 다양한 출력 장치가 있습니다. 이러한 장치가 받아들이는 신호도 아날로그 신호와 디지털 신호로 구분됩니다. 주변 장치가 프린터와 같은 디지털 신호를 받아들이면 컴퓨터는 병렬 인터페이스를 통해 데이터를 직접 전송할 수 있습니다. 액티브 스피커와 같은 일부 장치는 아날로그 신호만 수용할 수 있으므로 컴퓨터에서 출력되는 디지털 오디오 신호는 사운드 카드의 D/A 변환기와 D/A 변환기를 통해 아날로그 신호로 변환되어야 합니다. 그래픽 카드의 기본 사양은 동일하지만 적용 위치에 따라 사양이 달라집니다. 시중에는 디지털 신호를 수용할 수 있는 USB 스피커가 있지만 이것이 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 필요가 없다는 의미는 아닙니다. 단지 변환 회로의 이 부분을 호스트에서 스피커로 이동할 뿐입니다.

앞서 웨이트리스가 김이 나는 커피 한 잔을 가져다 줄 수 있지만 컴퓨터는 그렇게 할 수 없다는 예를 언급했습니다. 예, 현재 컴퓨터에서는 우리의 욕구를 충족시키기 위해 모니터에 있는 커피 사진만 볼 수 있습니다. 하지만 위에서 말한 내용을 읽고 나면 컴퓨터가 커피를 제공할 수 없는 이유는 인간의 손과 발과 같은 출력 장치가 부족하기 때문이라는 것을 이해해야 합니다. 그러한 출력 장치를 사용하면 커피를 제공하는 사람은 웨이트리스가 아닙니다.