Какие бывают компьютеры - это извечный вопрос молодого поколения.
Существуют два основных типа компьютеров: аналоговые и цифровые.
Они различаются принципом построения, способом внутреннего представления информации и реакцией на команды.
Аналоговый компьютер - машина, которая выполняет арифметические расчеты с числами, представленными физическими единицами.
Например, в механических аналоговых компьютерах числа представляются количеством поворотов шестеренок механизма.
В электрических аналоговых машинах для представления числа используются различия в напряжении.
Существенной характеристикой аналоговых компьютеров является то, что количества, представляющие цифровые данные, в течение времени постоянно меняются.
Следовательно, аналоговые компьютеры отличаются от более распространенных цифровых компьютеров, которые оперируют только с цифрами, или количествами, по шаговым изменениям.
Аналоговые компьютеры в большинстве своем являются механическими или электрическими машинами, которые могут выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления.
Результат работы таких компьютеров может быть выражен в виде графиков, рисуемых на экране осциллографа или на бумаге, или электрического сигнала, используемого для контролирования процесса или работы механизма.
Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля за производственными процессами, так как они мгновенно реагируют на всякие изменения во вводимой информации.
Кроме того, они применяются в научных исследованиях, особенно в тех областях науки, где дешевые электрические или механические приборы способны имитировать изучаемые ситуации.
В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой компьютера.
Например, для электронных аналоговых компьютеров без проблем реализуются задачи, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования.
Автомобильная трансмиссия является примером программы работы аналогового компьютера, которая меняется при перемещении ручки переключения передач, заставляя жидкость в гидроприводе изменять направление течения, что позволяет получить необходимый результат.
Помимо технических применений (автоматические трансмиссии, музыкальные синтезаторы) аналоговые компьютеры используют для решения специфических вычислительных задач практического характера.
Существуют четыре основных вида цифровых компьютеров:
Это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп - миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими.
Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств.
Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.
В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.
Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки.
Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдает сразу векторные команды.
Суперкомпьютеры используют для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике.
Суперкомпьютеры нашли свое применение и в финансовой сфере при обработке больших объемов сделок на биржах.
Мейнфреймы - это универсальные, большие компьютеры общего назначения.
Они занимали господствующие позиции на компьютерном рынке до 1980 годов.
Изначально мейнфреймы были предназначены для обработки огромных объемов информации.
Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 - 300 рабочих мест.
Наиболее крупный производитель мейнфреймов - фирма Ай-Би-Эм (IBM).
Мейнфреймы отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью устройств ввода и вывода информации. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов или микрокомпьютеров пользователей.
Мейнфреймы используются крупнейшими корпорациями, правительственными учреждениями, банками.
Миникомпьютеры занимают промежуточное положение между большими вычислительными машинами и микрокомпьютерами.
В большинстве случаев в миникомпьютерах используется архитектура RISC и UNIX и они играют роль серверов, к которым подключаются десятки и сотни терминалов или микрокомпьютеров.
Миникомпьютеры используются в крупных фирмах, государственных и научных учреждениях, учебных заведениях, компьютерных центрах для решения задач, с которыми не способны справиться микрокомпьютеры, и для централизованного хранения и переработки больших объемов информации.
Основными производителями миникомпьютеров являются фирмы Ай-Ти-энд-Ти (AT&T), Интел (Intel), Хьюлетт-Паккард (Hewlett-Packard), Digital Equipment.
Микрокомпьютеры - это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.
Микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком - персональные компьютеры или сокращенное употребление ПК .
Персональные компьютеры выпускают в стационарном (настольном) и в портативном исполнении.
Настольные микрокомпьютеры в большинстве случаев состоят из отдельного системного блока, в котором размещаются внутренние устройства и узлы, а также из отдельных внешних устройств (монитор, клавиатура, манипулятор-мышь), без которых немыслимо использование современных компьютеров.
При необходимости к системному блоку микрокомпьютера могут подсоединяться дополнительные внешние устройства (принтер, сканер, акустические системы, джойстик).
Портативные персональные компьютеры известны прежде всего в блокнотном (ноутбук) исполнении.
В ноутбуке все внешние и внутренние устройства соединены в одном корпусе.
Так же как и к стационарному микрокомпьютеру, к ноутбуку могут быть подсоединены дополнительные внешние устройства.
Отдельным видом микрокомпьютера считаются карманные компьютеры (PDA , электронные органайзеры , или палмтопы ), небольшие устройства весом до 500 граммов и умещающиеся на кисти одной руки.
Управление ими, как правило, происходит с помощью небольшого по размерам и разрешению экрана, чувствительного к нажатию пальца или специального пера (стилуса), а клавиатура и мышь отсутствуют. Некоторые модели, впрочем, содержат миниатюрную фиксированную или выдвигающуюся из корпуса клавиатуру.
В таких устройствах используются сверхэкономичные процессоры и Flash накопители небольшого объема, поэтому их вычислительная мощь не сопоставима с настольными персональными компьютерами.
Тем не менее, они содержат все признаки персонального компьютера: процессор, накопитель, оперативную память, монитор, операционную систему, прикладное программное обеспечение и даже игры.
Все более популярными становятся карманные персональные компьютеры, содержащие функции мобильного телефона (коммуникаторы). Встроенный коммуникационный модуль позволяет не только совершать звонки, но и подключаться к интернету в любой точке, где есть сотовая связь совместимого формата (GSM/GPRS, CDMA).
Для обозначения всего класса карманных компьютеров в английском языке используется словосочетание Personal Digital Assistant, PDA, что на русский можно перевести как «личный цифровой секретарь».
Различают также IBM PC совместимые микрокомпьютеры (читается Ай-Би-Эм Пи-Си) и IBM PC несовместимые микрокомпьютеры.
В конце 1990 годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка. IBM PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981; при его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.
Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой занялось множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции смогли снизить в несколько раз цену на микрокомпьютеры, энергично внедряли в производство новейшие технические достижения. Пользователи, в свою очередь, получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен производителей.
Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, - компьютер Макинтош (Macintosh ) фирмы Apple. Работает под управлением операционной системы Mac OS (в настоящее время - Mac OS X).
Компьютеры Macintosh могут использоваться как полноценные рабочие станции, специализированные компьютеры, а так же в качестве офисных.
Имеется богатый выбор программного обеспечения - системного и прикладного, в том числе и совместимого по форматам файлов с распространенными программами PC (например, Microsoft Word, Adobe Photoshop).
Исторически сложилось, что компьютеры Macintosh широко используются в сфере компьютерной графики и полиграфии.
Во второй половине 1990 годов в связи с бурным развитием глобальных компьютерных сетей появляется новый тип персонального компьютера - сетевой компьютер, который предназначен только для работы в компьютерной сети.
Сетевому компьютеру не нужны собственная дисковая память, дисководы.
Операционную систему, программы и информацию он будет черпать в сети.
Предполагается, что сетевые компьютеры будут значительно дешевле настольных персональных компьютеров и постепенно заменят их в фирмах, работающих со специализированными приложениями (телефонная связь, бронирование билетов), и в образовательных учреждениях.
Принципы работы компьютера
Важнейшей функцией компьютера является преобразование данных (информации), кроме того, компьютер должен иметь возможность принимать, хранить и выводить данные. В связи с особенностями технической реализации внутреннее представление данных в компьютере отличается от представления для пользователя. Данные, с которыми работает компьютер, могут быть дискретными (т.е. составленными из отдельных частей) или непрерывными. Преобразованием непрерывных данных занимаются так называемые аналоговые компьютеры, а с дискретными данными работают цифровые компьютеры, которые получили в настоящее время наибольшее распространение. Существуют также комбинированные (аналого-цифровые) компьютеры. Непрерывные данные могут быть преобразованы в дискретные (процесс дискретизации) с определенной точностью (т.е. шагом или частотой дискретизации). Таким образом, данные любого рода могут быть представлены в унифицированном дискретном виде, например, в виде последовательности знаков некоторого алфавита. Наиболее простым и удобным с точки зрения технической реализации является алфавит, состоящий всего из двух знаков с противоположными значениями, - двоичный код, который принято записывать в виде цифр «1» и «0». В двоичной системе счисления знаки «1» и «0» называются битами. В электронных машинах значением одного знака будет наличие электрического сигнала, а другого - отсутствие сигнала.
Поскольку в современном цифровом компьютере любые данные (будь то текст, рисунок, звук, видеозапись и т.д.) представлены в виде последовательности цифр, их преобразование сводится к математическим и логическим операциям (вычислениям). Этим и объясняется название «вычислительная машина». С 1990-х в русском языке прочно укоренился термин «компьютер», который по целому ряду причин (интеграция России в мировое сообщество, повсеместное внедрение «персональных компьютеров» (‛Personal Computer‛ является торговой маркой фирмы IBM), увеличение разнородности выполняемых электронными машинами задач и др.) вытесняет термин «электронная вычислительная машина».
В отличие от многих других вычислительных устройств (логарифмической линейки, счет или простых калькуляторов) компьютеры обеспечивают возможность частичной или полной автоматизации процесса решения сложных (состоящих из множества шагов) задач. Автоматизация достигается за счет того, что любая задача, связанная с преобразованием информации и управлением машиной, формулируется в виде компьютерной программы. Компьютерная программа представляет собой алгоритм решения задачи, записанный на одном из языков программирования и переводимый в машинный код, т.е. последовательность «1» и «0».
Устройство компьютера
Функционирование компьютера обеспечивается двумя взаимосвязанными и равно необходимыми компонентами: техническим обеспечением (hardware - «хард», «железо»), т.е. комплексом технических устройств, и программным обеспечением, ПО (software - «софт»), включающим системные и прикладные программы.
Наиболее общие принципы построения и функционирования компьютеров принято называть архитектурой. Впервые такие принципы были сформулированы в 1946 американским ученым Джоном фон Нейманом. В соответствии с архитектурой фон Неймана в состав компьютера должны входить: устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ); устройство управления; запоминающее устройство (ЗУ) и внешние устройства для ввода-вывода данных. Большинство современных компьютеров в целом соответствует принципам фон Неймана, однако, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор - вычислительный мозг машины. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах (многопроцессорные системы) или ядрах внутри одного процессора (многоядерные процессоры). Пользовательские данные и программы хранятся различных запоминающих устройствах, которые обобщенно называют памятью. Для долговременного хранения данных используют энергонезависимые и емкие устройства внешней памяти (жесткие диски, оптические компакт-диски и т.д.). Для хранения данных, непосредственно используемых процессором в текущем сеансе работы, применяются устройства внутренней памяти, многие из которых (оперативная память, кэш-память) выполняют роль буфера между процессором и более медленными устройствами (внешней) памяти. Ввод и вывод данных в компьютер осуществляется с помощью целого ряда устройств (клавиатуры, мыши, сканера, монитора, принтера и т.д.).
Современный персональный компьютер (ПК), построенный на базе открытой архитектуры, как правило, состоит из системного блока, в котором с помощью системы шин материнской (системной) платы объединены все важнейшие устройства, в том микропроцессор, модули оперативной памяти, жесткий диск, дисководы, а также карты расширения (для создания изображения служит видеокарта, для создания звука - звуковая карта, для подключения компьютера к сети - сетевая карта и т.д.). К системному блоку подключаются внешние устройства, в т.ч. устройства ввода и вывода информации. В некоторых компьютерах одни устройства могут интегрироваться с другими. Так, в корпусе портативных компьютеров (ноутбуки, КПК и т.д.) системный блок часто бывает совмещен с устройствами ввода-вывода информации. В бюджетных настольных компьютерах устройства преобразования аудио и видеосигнала, обеспечения сетевой коммуникации и т.д. могут быть интегрированы в чипсет материнской платы.
Типы компьютеров
Существующие компьютеры могут классифицироваться по разным основаниям.
По вычислительной мощности и габаритам все компьютеры делят на несколько классов. Наиболее мощные компьютеры своего времени называют суперкомпьютерами. Они стоят миллионы долларов, выпускаются партиями в десятки штук и используются только для самых сложных и важных расчетов. Менее производительны, но более доступны так называемые большие компьютеры, которые, как и суперкомпьютеры, требуют специального помещения и высокопрофессионального обслуживания. Промежуточное положение занимают компьютеры средней производительности и миникомпьютеры. Создание микропроцессоров привело к появлению класса микрокомпьютеров, к которому относятся в частности персональные компьютеры и ноутбуки. Мини- и микрокомпьютеры имеют шинную организацию, стандартизированное аппаратное и программное обеспечение. Определенная разница в габаритах между представителями вышеперечисленных классов достаточно очевидна, но различия в производительности зависят от времени выпуска: некоторые современные микрокомпьютеры не уступают в производительности устаревшим машинам более высокого класса.
По назначению компьютеры подразделяют на универсальные (предназначенные для решения широкого круга задач), специализированные (предназначенные для решения узкого класса определенных задач), управляющие (предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени), бытовые (см. Домашний ПК) и др.
По функциям, выполняемым в многомашинных комплексах, разделяют хост и сервер.
По степени развития компьютеры (с началом их серийного производства) условно подразделяются на несколько поколений. Каждое поколение отличается от других архитектурой, элементной базой (в особенности процессора), степенью развитости программных средств и средств взаимодействия с пользователем, производительностью и другими показателями. Временные рамки поколений компьютерной техники достаточно размыты, т.к. в одно и то же время выпускались машины разных поколений.
История вычислительной техники
История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.
Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 английским математиком Чарлзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем.
Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.
В 1896 Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.
Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. В феврале 1944 на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». Это был монстр весом около 35 тонн. «Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо четыре секунды.
Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. Поэтому уже в 1943 американцы начали разработку альтернативного варианта - вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила пять тысяч операций сложения или триста операций умножения в секунду.
Машина на электронных лампах работала существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы - транзисторы.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.
С активным внедрением транзисторов в 1950-х годах связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации.
В 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются и габариты машин. Появление чипа знаменовало собой рождение третьего поколения компьютеров.
К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме Digital Equipment выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний.
В 1970 сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессом появляются микрокомпьютеры - компьютеры четвертого поколения, способные разместиться на письменном столе пользователя.
В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера - вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя. Во второй половине 1970-х годов появляются наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Apple, но широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в августе 1981 фирмой IBM модели микрокомпьютера IBM PC. Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM PC, широкому распространению микрокомпьютеров во всем мире.
За последние десятилетия 20 века микрокомпьютеры проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытеснить миникомпьютеры и большие вычислительные системы - мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера - суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.
Компьютер в переводе с английского языка (computer) переводится, как «вычислитель». Представляет собой устройство, выполняющее определённую, заранее заданную последовательность операций. Заданная последовательность операций называется программным обеспечением. Компьютеры имеют очень широкий спектр применения. Их используют для любых, сложных вычислений, для накопления, обработки, хранения, приёма и передачи информации, управление станками и механизмами на производстве, для создания графических и видеоизображений с возможностью их обработки и т. п.
Строго говоря, термин «компьютер» очень объёмный, так как принцип его работы может быть основан на использовании самой разной рабочей среды и компонентов. Компьютер может быть электронным, механическим, квантовым, оптическим и т. п., работая за счёт движения фотонов, квантов, механических частей и прочее. Кроме этого, функционально, компьютеры делятся на два типа – электронные и аналоговые (механические).
Кстати сказать, слово компьютер было впервые введено в 1887 году в оксфордский словарь английского языка. Составители этого учебника понимали слово «компьютер», как механическое устройство для вычислений. Лишь значительно позже, в 1946 году, словарь дополнили терминами, чётко описывающими механический, аналоговый и цифровой компьютер.
Сегодня понятие компьютер значительно сузилось, так как многие устройства устарели и больше не используются в работе, уменьшив тем самым существующую номенклатуру этих устройств.
Быстродействие компьютера напрямую зависит от его вычислительной мощности, то есть скорости выполнения определённых операций за единицу времени. Называется эта величина – «флопс ».
На практике, скорость сильно зависит от многих дополнительных условий: типа задачи, которая выполняется на компьютере, частого обмена данными между составляющими системы и т. п. Поэтому в качестве этого параметра принимают пиковую скорость вычислений – некое гипотетическое число, которое характеризует максимально возможную скорость выполнения операций.
Например, к суперкомпьютерам относят устройства, способные выполнять вычисления со скорость более 10 терафлопсов (это десять триллионов флопсов). Для сравнения, средний бытовой, персональный компьютер работает со скоростью приблизительно 0.1 терафлопса.
Для того чтобы оценить практическое быстродействие компьютерных устройств разработаны специальные тесты (на компьютерном сленге их часто называют «бенчмарки ») в основу которых положены специальные математические вычисления. Производительность персональных компьютеров , оценивают, как правило, с точки зрения всех составляющих его компонентов для получения итоговой, усреднённой оценки его быстродействия.
Как уже было отмечено выше, в зависимости от своей конструкции, технических параметров, применения, все компьютеры можно условно разделить на несколько типов:
По сути, это устройство представляет собой совокупность целого комплекса средств, где все составляющие его элементы выполнены при помощи электронных элементов. Основным назначением такого устройства является выполнение различных расчётов и решение задач вычислительного или информационного плана.
На сегодняшний день этот термин используется для обозначения конкретной аппаратной реализации устройства и как правовой термин в юридических документах. Кроме этого, это понятие применяют, как для обозначений компьютерной техники, выпускавшейся в 1950–1990 годах, так и для современных больших электронно-вычислительных устройств, чтобы отграничить их от компьютеров персонального типа.
Недорогое, универсальное, достаточно компактное устройство, предназначенное для работы на нём одиночного пользователя дома или в офисе и выполнения различных, индивидуальных задач – вычислений, набора текстов, просмотра видео, прослушивания музыки и прочее. Именно благодаря такой универсальности и ценовой доступности, персональные компьютеры и получили такое широкое распространение.
Наибольшую известность получили компьютеры фирмы Apple и так называемые IBM-совместимые устройства , которые на сегодняшний день занимают львиную долю всего рынка ПК. Широкую популярность IBM обеспечила более низкая цена при почти равных возможностях.
До последнего времени, эти устройства не имели никакой совместимости между собой – ни аппаратной, ни программной. На сегодняшний день существует специальное программное обеспечение («эмуляторы»), делающее возможным запуск программ (с ограничением) от Apple на IBM-совместимых компьютерах и наоборот.
Все персональные компьютеры, в свою очередь, можно разделить на несколько типов:
Настольные ПК .
Главная > ЛекцияЛекция 4.
Устройство ПК
Классификация компьютеров.
Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на три больших класса: мини-ЭВМ (включая персональные компьютеры), мейнфреймы, суперкомпьютеры. В настоящее время эти классы разнятся не столько по внешнему виду, сколько по функциональным возможностям.Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому приведенное ниже деление очень условно.ПК.
Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и мини-ЭВМ восьмидесятых годов: 32- и 64-разрядную архитектуру и шинную организацию системы. В настоящее время класс мини-ЭВМ чрезвычайно разнообразен: от ноутбуков и палмтопов до мощных серверов для систем масштаба предприятия. Генетическими признаками этого класса машин является шинная организация системы, при которой все устройства «нанизываются» на общую магистраль, и стандартизация аппаратных и программных средств. Мейнфреймы
- универсальные электронно-вычислительные машины общего назначения. Мейнфреймы активно используются в финансовой сфере, оборонном комплексе и занимают от 10 до 15% компьютерного рынка.Суперкомпьютеры
-- специальный тип компьютеров, создающихся для решения предельно сложных вычислительных задач (составления прогнозов, моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации). Принцип работы суперкомпьютера заключается в том, что он способен выполнять несколько операций параллельно.Одной из ведущих компаний мира в производстве суперкомпьютеров является компания Cray Research. Ее основатель, человек-легенда Сеймур Крей, уже в середине 70-х годов построил компьютер Cray-1
, который поражал мир своим быстродействием: десятки и даже сотни миллионов арифметических операций в секунду.Как известно, скорость распространения любого сигнала не превышает скорости света в вакууме -- 300 тысяч километров в секунду, или 300 миллионов метров в секунду. Если компьютер выполняет 300 миллионов операций в секунду, то за время выполнения одной операции сигнал успевает пройти не более одного метра. Отсюда следует, что расстояние между частями суперкомпьютера, выполняющими одну операцию, не может превосходить нескольких десятков сантиметров. И действительно, суперкомпьютеры компании Cray были очень компактны и выглядели как "бублик" диаметром менее двух метров. Этот "бублик" занимался только вычислениями. Для общения с человеком и доставки данных для вычислений к "бублику" были подключены несколько достаточно производительных обычных компьютеров.Кроме этого следует выделить еще два типа компьютеров: специализированные компьютеры-серверы; встроенные компьютеры-невидимки (микропроцессоры). Кроме привычных компьютеров с клавиатурами, мониторами, дисководами, сегодняшний мир вещей наполнен компьютерами-невидимками. Микропроцессор
представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем -- обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. -- немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника -- применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.Настольные ПК,
поддерживающие одно рабочее место, составляют наиболее многочисленную группу персональных компьютеров, или микро-ЭВМ. До появления портативных ПК слова «настольный» и «персональный» были синонимами. Настольные ПК еще называют компьютерами для рабочего места или офисными компьютерами (хотя в настоящее время офисные ПК чаще называют рабочими станциями). Подавляющее большинство домашних компьютеров также являются настольными. И те, и другие имеют практически одинаковые характеристики: 32- и 64-разрядную архитектуру и шинную организацию системы, применяют стандартизованные аппаратные и программные средства. Большинство настольных ПК относятся к двум большим группам: IBM-совместимые ПК и ПК Apple Macintosh. Компьютеры из этих групп не совместимы друг с другом, т. е. полностью или частично не способны использовать аппаратные средства и программные продукты друг друга. 
Настольные ПК имеют системный блок, содержащий источник питания, материнскую плату с процессором, жесткий диск, дисководы, монитор, клавиатуру, мышь. К ним могут подключаться факс, модем и другие внешние устройства, например аудиоколонки. В некоторых моделях домашних ПК системный блок с монитором собраны в едином корпусе (Apple iMac, Acer Aspire, Compaq Presario). В 1981 году американская фирма IBM развернула производство персональных компьютеров IBM PC, работающих под управлением операционной системы DOS, разработанной специалистами фирмы Microsoft. Компьютеры IBM PC пользовались коммерческим успехом, и многие фирмы-производители электронной техники наладили выпуск клонов IBM PC. Так появился класс IBM-совместимых компьютеров, которые могли использовать большинство внешних устройств и программ, предназначенных для IBM PC. Принцип совместимости обеспечил значительную экономию средств и времени при модернизации старых и создании новых компьютеров. Все IBM-совместимые компьютеры могут использовать операционную систему Microsoft DOS (PS-DOS у IBM, MS-DOS у ПК других производителей) или Windows и процессоры Intel (или совместимые с ними). Альтернативой IBM-совместимым персональным компьютерам являются компьютеры Apple Macintosh. К
омпьютеры принимают, перерабатывают, хранят и выдают информацию. Действиями компьютера управляет оператор. Длинные последовательности инструкций заранее фиксируются в программах. Вычислительные операции совершает центральный процессор. Согласно принципам работы ЭВМ, сформулированным в 1945 году американским математиком Джоном фон Нейманом, центральный процессор состоит из двух частей. Устройство управления воспринимает команды программ и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство выполняет вычисления. Данные хранятся в различных запоминающих устройствах. Для долговременного хранения информации используются постоянные носители, которые служат для ввода данных и вывода результатов работы. Для хранения выполняемых в данный момент программ и промежуточных данных используется оперативная память, которая работает значительно быстрее постоянных носителей. Аппаратным обеспечением являются все внутренние компоненты и внешние устройства компьютера - интегральные микросхемы (в том числе микропроцессоры), дисководы, системные и интерфейсные платы, мониторы, принтеры, манипуляторы, модемы и т.д. Программное обеспечение представляет собой наборы инструкций для ЭВМ, необходимые для управления работой компьютера и выполнения с его помощью полезных задач.Главной особенностью конструкции компьютера является программный принцип
работы.Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи заключается в том, что 1) программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами; 2) команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ничем не отличающемся от чисел.
Внутренние и внешние устройства.
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе . Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина -- это набор электронных линий, связывающих воедино передачу данных и служебных сигналов в процессор, память и периферийные устройства. Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, -- шине данных, шине адресов и шине управления . Разрядность шины данных задается разрядностью процессора , т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ -- код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине , причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса . Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры .
Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts) . Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой -- необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
В состав ЭВМ входят следующие компоненты:
Динамическая память.
Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM. В памяти динамического типа биты представляются в виде отсутствия и наличия заряда на конденсаторе в структуре полупроводникового кристалла. Конструктивно она выполняется в виде модуля SIMM (Single in line memory module). Каждый бит информации записывается в отдельной ячейке памяти, состоящей из конденсатора и транзистора. Наличие заряда на конденсаторе соответствует 1 в двоичном коде, отсутствие - 0. Транзистор при переключении дает возможность считывать бит информации или записывать новый бит в пустую ячейку памяти. Поиск ячейки по адресу осуществляется специальными дешифрующими схемами, которые образуют матрицу, то есть пересекают кристалл памяти двумя полосами - по горизонтали и вертикали. Когда центральный процессор сообщает адрес ячейки, горизонтальные дешифраторы указывают нужный столбец, а вертикальные - строку. На пересечении находится искомая ячейка. После нахождения ячейки происходит выборка их нее байта данных. Кэш-память
(cache memory) - запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Вообще кэшированием данных называется размещение данных в области памяти с более быстрым доступом. В качестве житейской аналогии можно привести библиотеку студента, у которого нужные каждый день учебники лежат на рабочем столе, изредка читаемые классики стоят на книжной полке, а старые ненужные тетради сложены в ящиках. В случае необходимости время доступа к этим источникам будет разным, однако и вероятность того, что потребуется учебник или старая тетрадь, тоже разная. В
Накопители.
Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.Ниже перечислены наиболее распространенные устройства хранения информации.Винчестеры (hard discs) Жесткие диски -- наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск -- устройство с произвольным доступом).Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки гигабайт. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров.Оптические диски (cdroms) Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость до 750 мегабайт и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск (cdrom drive).Магнито-оптические диски В отличие от оптических дисков магнито-оптические диски позволяют не только читать, но и записывать информацию.Флоппи диски (floppy discs) В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод (floppy disc drive) компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 мегабайта. По способу доступа дискета подобна винчестеру.Zip and Jaz Iomega discs Это относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Их можно рассматривать, как быстрые и большие по емкости (100 мегабайт -- Zip, 1 гигабайт -- Jaz) дискеты.Магнитные ленты (magnetic tapes) Современные магнитные ленты, хранящие большие объемы информации (до нескольких гигабайт), внешне напоминают обычные магнитофонные кассеты и характеризуются строго последовательным доступом к содержащейся на них информации
Жесткий диск.
Жесткий диск (винчестер), устройство для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером. Свое название «жесткий» получил в отличие от носителей информации на гибких магнитных лентах и дисках. Принципы современной технологии изготовления жесткого диска были разработаны в 1973 американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM). Новое устройство, которое могло хранить до 16 килобайт информации, имело 30 цилиндров (дорожек) для записи, каждый из которых был разбит на 30 секторов. Поэтому оно получило название 30/30. Известные винтовки винчестер имеют калибр 30/30, поэтому жесткие диски тоже стали называться «винчестерами». Кроме того, разрабатывался жесткий диск в американском городе Винчестере. Как правило, жесткий диск несъемный, но существуют модели съемных (removable) винчестеров. Жесткий диск смонтирован на оси-шпинделе, который приводится в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 12000 об/мин. Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины с магнитным покрытием - тонким слоем окиси железа (в более ранних моделях) или окиси хрома (в более поздних моделях). Каждый диск (platter) разбит на последовательно расположенные дорожки-секторы, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками. Объем памяти сектора равен 512 байтам. 
Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух. В современных винчестерах пакет дисков уже постоянно крепится на дисководе, система не герметична, а принудительная вентиляция отсутствует. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса. Важнейшей частью винчестера являются головки чтения и записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типа voice coil - «звуковая катушка»). В винчестерах применяется несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с сильным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive). Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 1990-х годов, представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона. Внутри любого винчестера обязательно находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения. Под пакетом дисков со шпинделем размещается двигатель. В более ранних моделях винчестеров для привода позиционеров применялся шаговый двигатель, поэтому расстояние между дорожками определялось величиной его шага. В современных моделях используется линейный двигатель, который не имеет дискретности, характерной для шагового двигателя. Поэтому наведение магнитных головок на дорожку производится точнее, что обеспечивает большую плотность записи на дисках. В ходе выполнения процедуры так называемого низкоуровневого форматирования (low-level formatting) на жесткий диск записывается информация, которая определяет разметку винчестера на цилиндры и секторы. Структура формата включает в себя различную служебную информацию: байты синхронизации, идентификационные заголовки, байты контроля четности. В современных винчестерах такая информация записывается однократно при изготовлении винчестера. Повреждение этой информации при самостоятельном низкоуровневом форматировании чревато полной неработоспособностью диска и необходимостью восстановления этой информации в заводских условиях. Емкость винчестера измеряется в мегабайтах. К концу 1990-х годов средняя емкость жестких дисков для настольных систем достигла 15 гигабайт, а в серверах и рабочих станциях с интерфейсом SCSI применяются винчестеры емкостью свыше 50 гигабайт. В большинстве современных персональных компьютеров применяются жесткие диски емкостью от 10 до 100 гигабайт. Фирма IBM освоила выпуск самого маленького в мире жесткого диска, предназначенного для ручных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. Его диаметр 25 мм, а объем памяти 340 Мбайт.
Гибкий диск.
В приводе флоппи-диска (гибкого диска, или просто дискеты) имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не «парят» над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее. Работой всех узлов привода управляет соответствующий контроллер. 
С
тандартным интерфейсом для всех приводов в IBM-совместимых компьютерах является SA-400 (Shugart Associates), контроллер которого соединен с накопителями посредством 34-контактного кабеля. На приводе дисков с форм-фактором 5,25 дюйма используется «ножевой» (печатный) разъем, а на приводе дисков 3,5 дюйма - обычный штырьковый разъем-вилка. Для подключения разных типов дисководов предназначены обычно комбинированные кабели с четырьмя разъемами, включенными попарно. На обычном интерфейсном кабеле для крайнего разъема проводники на контактах с 10-го по 16-й перекручены. При использовании «прямого» кабеля надо обязательно изменить установку перемычек на приводе, определяющих его номер (DS1-DS4). Некоторые BIOS компьютеров позволяют программно изменять назначение физического адреса: «первый» (A:) и «второй» (B:) привод. В отличие от винчестеров, для флоппи-дисководов порядок накопителя (A: или B:) определяется именно положением устройства на кабеле. Для каждого из типоразмеров дискет (5,25 или 3,5 дюйма) существуют свои специальные приводы соответствующего форм-фактора. Первый образец дискеты был создан IBM в 1967 году. Она была диаметром 8 дюймов, имела емкость 100 Кбайт и получила название Flexible disk, то есть гибкий диск. Название флоппи-диск она получила позднее от английского слова flop, что означает «хлопать крыльями». Первый образец дискеты представлял собой круглую пластину с центральным, усиленным по краям отверстием. Конверт дискеты имел отверстия для шпинделя, который вращал носитель, прорезь для головок и оптопары для считывания индекса. В 1976 году размер гибкого диска уменьшили до 5,25 дюйма и тогда появилось название уменьшительное название diskette - дискета. Сначала ее объем составлял 180 Кбайт, затем он вырос до 360 Кбайт и 1,2 Мбайт. Недостатком гибкого диска была слабая защита от механических повреждений. В 1980 году Sony разработала дискету и дисковод на 3,5 дюйма. Носитель в ней был помещен в сплошной корпус из твердого пластика. Единственное отверстие для доступа головок к носителю было прикрыто металлической шторкой с возвратной пружиной. С этого времени дискета перестала быть гибкой. В настоящее время дискеты используются как самое дешевое средство резервного копирования (объемом информации не более 10 Мбайт), а также для переноса данных с одного ПК на другие, в том числе с портативных на стационарные ПК. Дискеты каждого типоразмера (5,25 и 3,5 дюйма) бывают обычно двусторонними (Double Sided, DS), односторонние давно стали анахронизмом. Плотность записи может быть различной: одинарной (Single Density, SD), двойной (Double Density, DD) и высокой (High Density, HD). Поскольку об одинарной плотности уже мало кто вспоминает, такую классификацию обычно упрощают, говоря только о двусторонних дискетах двойной плотности (DS/DD, емкость 360 или 720 Кбайт) и двусторонних дискетах высокой плотности (DS/HD, емкость 1,2, 1,44 или 2,88 Мбайта). Дискеты бывают форматированные и неформатированные. Хотя форматированные в заводских условиях дискеты немного дороже неформатированных, пользователю не придется тратить время на их форматирование, а кроме того, они прошли дополнительное тестирование. Наиболее распространены 3,5-дюймовые дискеты. Их магнитный диск помещен в прочный пластмассовый корпус. Зона контакта магнитных головок с поверхностью диска закрыта специальной шторкой (задвижкой), отодвигаемой только внутри накопителя. Скорость чтения/записи для 3,5-дюймового дисковода составляет около 63 Кбайт/с, среднее время поиска - порядка 80 мс. На диске располагается 80 дорожек (хотя некоторые программы форматирования позволяют использовать технологические дорожки 80, 81 и 82 для повышения емкости диска). В конце 1980-х годов фирма Toshiba за счет улучшения технологии производства и способов записи сумела повысить емкость дискеты до 2,88 Мбайт. Однако этот формат не прижился, и вплоть до конца 20 века, подавляющее большинство дискет имели емкомсть 1,44 Мбайт. Как и любой другой магнитный дисковый носитель, гибкий диск дискеты разбит на концетрически расположенные дорожки, которые, в свою очередь, разьиты на секторы. Перемещение головки для доступа к различным дорожкам осуществляется при помощи специального привода позиционирования головки, который перемещает в радиальном направлении блок магнитных головок от одной дорожки к другой. Нумерация дорожек начинается с 0, а секторов с 1. Эта система впоследствии перешла на жесткие диски. Принцип записи информации на дискету - такой же, как и в магнитофоне, при непосредственном механическом контакте головки с магнитным слоем, нанесенным на искусственную пленку. Однако в отличие от магнитофона запись здесь осуществляется без высокочастотного подмагничивания, а путем перемагничивания материала носителя до насыщения. Общие принципы принципы конструкции блока головок для считывания и записи информации с течением времени почти не изменились. Их особенность заключается в наличии двух головок стирания, расположенных по бокам сзади от головки записи/воспроизведения (так называемое туннельное стирание).
Компакт диск.
Компакт-диск - носитель информации в числовом виде, записанной на оптический (лазерный) диск. Наибольшее распространение получили компакт-диски для записи звука (аудиодиски) и компьютерные компакт-диски (CD-ROM, Compact Disk Read Only Memory - память на компакт-диске только для чтения). Технология оптического диска была разработана и продемонстрирована фирмой Philips в 1979 году. Оптический компакт-диск состоит из прочной, прозрачной основы (поликарбонатной или полихлорвиниловой), отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется слой напыленного алюминия. Цифровая информация представляется на отражающей поверхности чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет участков. 
Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет участок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий сигнал как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, не отражается и фотодетектор фиксирует двоичный ноль. Компьтерные компакт-диски содержат до 640 мегабайт информации, что достаточно для записи больших программных комплексов, игр, мультимедиа-программ. Большинство компьютерных компакт-дисков, как и все аудио-диски предназначены только для чтения информации. Запись данных на компакт-диски осуществляется при их изготовлении в заводских условиях. Но существуют специальные компакт-диски на которых можно записать (CD-R) и перезаписать информацию (CD-RW). Информацию с компьютерных компакт-дисков считывает дисковод компакт-дисков. Современные персональные компьютеры непременно имеют привод компакт-дисков и при наличии звуковой карты могут проигрывать аудиодиски. Материнские платы нового поколения поддерживают загрузку компьютера с CD-ROM, что бывает удобно при установке новой операционной системы или при проверке компьютера на наличие вирусов. В конце 1990-х годов появились компакт-диски нового поколения - DVD (Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск) с большой емкостью, которые применяются для записи полнометражных фильмов, звука сверхвысокого качества и мультимедийных компьютерных программ. Существуют несколько вариантов DVD, отличающихся по емкости: односторонние, двусторонние, однослойные и двухслойные. Односторонние однослойные DVD-диски имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные - 8,5 Гбайт, двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухсторонние двухслойные - 17 Гбайт. Луч лазера в обычном приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в устройствах DVD - от 635-до 650 нм, благодаря чему плотность записи существенно возросла.
Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные
Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика".
По мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем его совместимости и обеспечения безопасности.
Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки зрения конечного пользователя, уже в ближайшие годы должны произойти серьезные изменения в стиле его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод - сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.
Огромное значение в будущем будут иметь работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.
Одним из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:
Применение открытых стандартов;
Объединение разнородных систем;
Совместное использование данных;
Динамическое выделение ресурсов;
Объединение вычислительных сетей множества предприятий и организаций.
Развитие ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.
Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций развития мировой экономической системы.
Лекция № 6 История развития вычислительной техники
Лекция № 3 Поколения и классификация ЭВМ
Выделяют пять поколений ЭВМ.
Первое поколение (1945-1954) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.
Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до настоящего времени лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика - наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.
Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны - прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.
Но главные достижения этой эпохи относятся к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.
При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризировать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.
В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В то же время появилась полупроводниковая память, которая и до настоящего времени используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
В те годы производство компьютеров приняло промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 1960-х гг. появились первые миникомпьютеры - маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Мини-компьютеры были первым шагом на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 1970-х гг.
Между тем количество элементов и соединений, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 1970-е гг. интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.
В 1971 г. фирма Intel выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только появившихся настольных калькуляторов. Это изобретение произвело в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.
На рубеже 1960 -70-х гг. (1969) появилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современной сети Интернет. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое главенствующее положение.
Четвертое поколение (1975 -1985) характеризуется небольшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс шел в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Самая главная новация четвертого поколения - это появление в начале 1980-х гг. персональных компьютеров. Благодаря им вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и мини-компьютеры по-прежнему по вычислительной мощности отстают от солидных машин, большая часть новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана с появлением и развитием именно этой техники.
Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют в компьютерном мире, как было раньше.
Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в
|
Характеристика |
Положение |
|||
|
первое |
второе |
третье |
четвёртое |
|
|
Основной элемент |
Электронная лампа |
Транзистор |
Интегральная схема |
Большая интегральная схема |
|
Количество ЭВМ в мире, шт. |
Десятки тысяч |
Миллионы |
||
|
Размер ЭВМ |
Значительно меньший |
Десятки тысяч |
Микро ЭВМ |
|
|
Быстродействие (условное) операций/ с |
Несколько единиц |
Несколько десятков единиц |
Несколько тысяч единиц |
Несколько десятков тысяч единиц |
|
Носитель информации |
Перфокарта, перфолента |
Магнитная лента |
Гибкий диск |
|
Пятое поколение (1986 г. до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;
обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;
упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;
улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;
обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков:
По принципу действия.
По назначению ЭВМ.
По размерам и функциональным возможностям.
По принципу действия ЭВМ :
АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);
ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;
ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
По назначению ЭВМ :
универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных;
проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами;
специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.
По размерам и функциональным :
сверхмалые (микро ЭВМ ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого первоначально служило определяющим признаком микро ЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ;
малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами;
большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (mainframe). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами;
сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины быстродействием десятки миллиардов операций в секунду и объемом оперативной памяти десятки Гбайт.
Большинство современных ЭВМ функционирует на основе принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.
1. Принцип двоичного кодирования . Согласно этому, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).
2. Принцип программного управления . Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых доступна процессору в любой момент времени.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
1) устройство ввода/вывода информации;
2) память ЭВМ;
3) процессор, включающее устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).
В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.
Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренней (оперативной ) и внешней (долговременной ).
Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.
За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.
Как указывалось выше, персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную однопользовательскую микро ЭВМ.
Персональный компьютер в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.
Для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:
иметь относительно небольшую стоимость, быть доступным для индивидуального покупателя;
обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;
операционная система и программное обеспечение должны быть достаточно простыми, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;
иметь высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).
В соответствии с международным стандартом-спецификацией РС99 ПК по назначению делятся на следующие категории:
массовый ПК (Consumer);
деловой ПК (Office PC);
портативный ПК (Mobile PC);
рабочая станция (Workstation PC);
развлекательный ПК (Entertainment PC).
Большинство ПК, имеющихся в настоящее время на рынке, являются массовыми. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.
По поколениям ПК делятся:
на ПК 1-го поколения, используют 8-битные микропроцессоры;
ПК 2-го поколения, используют 16-битные микропроцессоры;
ПК 3-го поколения, используют 32-битные микропроцессоры;
ПК 4-го поколения, используют 64-битные микропроцессоры.
ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.
