Энциклопедия Кольера - компьютер
Компьютер
ТИПЫ КОМПЬЮТЕРОВ
Существуют два основных типа компьютеров: аналоговые и цифровые. Они различаются принципом построения, способом внутреннего представления информации и реакцией на команды. Аналоговый компьютер работает, имитируя то, что он вычисляет; он делает это, непрерывно варьируя свои характеристики. Такая реакция представляет собой аналог процесса, воплощенного в задаче, с которой он имеет дело. В универсальном аналоговом компьютере имеются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, между которыми могут устанавливаться соединения, отражающие условия той или иной задачи. Что касается цифровых компьютеров, то они изменяют величины двоичных чисел, или битов, которые представляют элементы задачи, подлежащей решению. Числа в цифровом компьютере могут быть использованы также для представления других символов, таких, как буквы, знаки "плюс" и "минус" и т.п. Цифровые компьютеры, в отличие от аналоговых, работают конечными шагами. Гибридные компьютеры, как следует из их названия, соединяют в себе характеристики упомянутых двух основных типов.
Аналоговые компьютеры. Существуют разнообразные виды таких компьютеров. Аналоговые компьютеры "программируются" заданием физических характеристик их компонентов. В некоторых компьютерах это делается обычно путем включения или исключения тех или иных компонентов из цепей, соединяющих эти компоненты проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений, емкостей и индуктивностей в цепях. Программа работы, например, автомобильной трансмиссии изменяется перемещением ручки переключения передач, что заставляет жидкость в гидроприводе менять направление течения, производя нужный результат. Кроме технических средств, таких, как автоматические трансмиссии и музыкальные синтезаторы, наблюдается тенденция поручать аналоговым компьютерам выполнение специфических вычислительных задач практического плана. Существуют большие универсальные аналоговые компьютеры.
Цифровые компьютеры. Почти все цифровые компьютеры являются электронными. Все они имеют в какой-то степени аналогичные компоненты для получения, сортировки, обработки и передачи информации и используют относительно небольшое число базовых функций для выполнения своих задач. Наиболее важными характеристиками цифровых компьютеров являются быстродействие, способность работать повторяющимися способами, воспроизводимость результатов и универсальность. Благодаря этим характеристикам цифровые компьютеры находят широчайшее применение в диапазоне от наручных часов до космических кораблей. Существуют четыре основных вида цифровых компьютеров: суперкомпьютеры, большие компьютеры, миникомпьютеры и микрокомпьютеры. (Персональный компьютер можно рассматривать как универсальный микрокомпьютер.) Все цифровые компьютеры имеют примерно одинаковое устройство, но различаются размерами и скоростью выполнения вычислений.
Персональные компьютеры. Персональные компьютеры меньше по размерам и менее разнообразны по сравнению с универсальными цифровыми. Однако персональных компьютеров больше, чем универсальных цифровых компьютеров всех других типов, вместе взятых, и их доля постоянно возрастает. Поэтому стоит более подробно остановиться на основных характеристиках персональных компьютеров.
ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕРОбычно персональный компьютер содержит одиночный микропроцессорный чип, который служит его центральным процессором (см. ниже). Современные персональные компьютеры имеют более ограниченные возможности, чем новейшие миникомпьютеры и большие компьютеры, но уже превосходят по мощности большие компьютеры 1980-х годов. Ограничения большей частью связаны со стоимостью: по мере снижения стоимости базовых компонентов выпускаются более мощные персональные компьютеры. Мощный и более дорогой тип микрокомпьютера, названный рабочей станцией, появился в середине 1980-х годов. На этих станциях применяются самые быстрые микропроцессоры и графические дисплеи высокого разрешения. Многие из них используют RISC-процессоры (см. ниже). По мере роста возможностей персональных компьютеров различие между персональным компьютером и рабочей станцией, как и между микрокомпьютером и миникомпьютером, стирается. Многое из того, что делают большие вычислительные машины, может выполняться и на персональных компьютерах, хотя, как правило, не так быстро. Большие компьютеры требуются для некоторых сложных функций обработки информации; для других, более простых функций, таких, как рутинная обработка текстов или документов, издательские процедуры и простые бухгалтерские операции, персональные компьютеры зачастую более эффективны, чем большие машины.
АРХИТЕКТУРА
Термин "архитектура" по отношению к компьютеру во многом означает то же самое, что и по отношению к сооружению. Например, цифровые компьютеры, подобно большинству зданий, имеют общую базовую архитектуру. Базовая схема для большинства цифровых компьютеров была предложена в конце 1940-х годов Дж.фон Нейманом. Компьютер, подобно зданию, является системой, т.е. логическим соединением основных блоков, каждый из которых имеет специфическое назначение. Часто эти укрупненные блоки называются подсистемами и состоят из меньших блоков, служащих какой-то конкретной цели, которые зачастую включают в себя еще меньшие блоки и компоненты. В состав цифрового компьютера входит пять основных подсистем: устройство управления, арифметико-логическое устройство, подсистемы памяти, ввода-вывода и внутренних связей.
Память. Компьютерная память бывает двух видов: основная и внешняя. Основная память устроена подобно почтовому офису: она состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер "заглядывает" в ячейку и копирует ее содержимое в свой "командный" пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16-64 бит (2-8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1, 2 или 4 байт соответственно). Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее основной, она используется, главным образом для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, "командный пункт" компьютера обычно передает нужное содержимое части внешней памяти в основную. Основная память ограничена по объему, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации.
Центральный процессор. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) "командный пункт". В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места.
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОРЦентральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Большинство компьютерных программ содержит два вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов. Компоненты типичного ЦП показаны на рисунке. Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров: один для использования ЦП, другой для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовем счетчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдает управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше.
Другие типы архитектуры. Хотя большинство компьютеров имеет архитектуру фон Неймана, используются и другие архитектуры. Есть два типа ЦП с архитектурой фон Неймана, обозначаемых CISC (для компьютеров со сложным набором команд) и RISC (для компьютеров с упрощенным набором команд). Традиционный ЦП относится к типу CISC, позволяющему выполнять огромное разнообразие команд; RISC имеет меньше команд, но работает быстрее. RISC-процессор больше подходит для решения таких задач, где имеются многочисленные операции при относительно простых вычислениях, например приложения с интенсивным использованием графики; CISC-процессоры более предпочтительны в универсальных приложениях. Для процессоров обоих этих типов приближается ситуация, когда скорость вычислений ограничивается необходимостью выполнять все на одном процессоре. Некоторые суперкомпьютеры, такие, как многопроцессорная машина, решают эту проблему путем использования параллельных матриц неймановских процессоров. Многопроцессорные машины используются там, где должны обрабатываться большие массивы сходных данных, например при прогнозировании погоды и в графике высокого разрешения. Параллельная машина распределяет данные между процессорами и выполняет расчеты одновременно. Еще один вид машины с параллельными процессорами кластерный, или нейрокомпьютер, использует очень простые микропроцессоры. Каждый из них действует подобно нейрону, отвечая на сигналы от нескольких различных входов. В нейрокомпьютере имеется сильно взаимосвязанная сеть таких микропроцессоров. Нейрокомпьютеры могут обучаться: при поступлении новых данных они настраивают реакции индивидуальных микропроцессоров и/или изменяют пути взаимосвязей. Эти компьютеры не программируются с помощью алгоритмов, используемых в других цифровых компьютерах; связи, алгоритмы отклика и законы обучения задаются программистом.
Внутренние коммуникации. Компьютер должен иметь центральный канал коммуникаций, соединяющий все основные подсистемы. Во многих компьютерах этот канал называется шиной. Многие минии микрокомпьютерные системы содержат соответствующую универсальную шину, которая может подключать к компьютеру различные специализированные функции. Компьютер с такой шиной можно модернизировать постепенно по мере увеличения требований или изменений технологии.
Ввод и вывод. Цель функции ввода в компьютере преобразование поступающей извне информации (образов, звуков, нажатий клавиш, положений указателя, напряжений термопар и т.д.) в двоичные числа. Функция вывода обратный процесс преобразует двоичные числа в визуальные изображения, печатные знаки, звуки, управляющие напряжения и т.п. По существу, все, что измеримо и может быть преобразовано в электрический аналог двоичных чисел, может быть использовано компьютером. Все, что компьютер способен вычислить, может, в свою очередь, конвертироваться в форму, понимаемую человеком или другими машинами. Один из часто используемых вводов-выводов содержит два устройства: аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый превращает напряжения, такие, как в аналоговом компьютере, в двоичные числа; другой преобразует двоичные числа в напряжения.
АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ КОМПЬЮТЕРА
В дальнейшем подразумевается, что все сказанное относится как к большим, так и к персональным компьютерам. Различия будут оговариваться специально. Электронные цифровые компьютеры состоят из схем двух основных типов: логических вентилей и схем памяти на триггерах. Конечно, компьютер содержит и другие типы схем, например приводы, буферы и генераторы. Но вентили и триггеры (см. ниже) выполняют ключевые логические функции компьютера. Вентиль не имеет памяти и генерирует нужный выход только при наличии соответствующих входных сигналов. Триггеры являются ключевыми элементами схем памяти. Выходное напряжение триггера изменяется с первоначального значения на другое, когда поступает определенный входной сигнал, и остается неизменным до тех пор, пока не поступит другой сигнал, переводящий триггер в первоначальное состояние. Наиболее знакомым примером триггера может служить электрический выключатель света. Предположим, свет выключен. Тогда при нажатии кнопки выключатель замыкается, и свет загорается. Нажмите кнопку еще раз выключатель размыкается, и свет гаснет. Это эквивалент триггера с одним входом. (Триггер с двумя входами может быть представлен сдвоенным переключателем.) Положение триггера "вкл." задается сигналом "установить", положение "выкл." сигналом "сбросить". Вычислительная техника началась с разработки электронных компьютеров; первыми были машины на электронных лампах (первое поколение ЭВМ). Лампы работают быстрее и более надежны, чем реле. Ламповые компьютеры преобладали примерно с 1944 по 1958. Второе поколение компьютеров эволюционировало в течение нескольких лет после изобретения транзистора (1947). Транзисторы миниатюрнее, надежнее и расходуют значительно меньше энергии, чем электронные лампы. Первые транзисторные компьютеры работали не намного быстрее, чем ламповые, но имели другие преимущества.
См. также Транзистор. Третье поколение компьютеров началось с введения многотранзисторной формы интегральной схемы. В интегральной схеме на кусочек подложки (как правило, кремния) помещается максимально возможное количество схемных элементов. Каждая интегральная схема начала 1960-х годов содержала четыре или пять логических вентилей. В начале 1970-х годов появились первые большие интегральные схемы (БИС). В 1980-х годах упор делался на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и сверхскоростные интегральные схемы. В 1990-х годах фирма "Интел" создала чип i860XP -высокопроизводительный микропроцессор, содержащий 2,5 млн. транзисторов; этот чип одновременно обрабатывает 64 бит со скоростью 100 млн. операций в секунду. Число компонентов на чипе в среднем удваивалось каждый год начиная с 1966, и до конца века этот темп сохранился. Интегральная схема имеет немало преимуществ перед дискретным транзистором: она работает быстрее, более надежна, потребляет меньше энергии и имеет значительно меньшие размеры. Упомянутый выше чип фирмы "Интел" представляет собой прямоугольник размером приблизительно 10ґ15 мм, а соединения на нем имеют ширину 0,8 мкм. Для прорисовки этих исключительно тонких линий применяется электронный луч. Малые размеры элементов позволяют также повысить быстродействие интегральных схем. Компьютеры на электронных лампах имели быстродействие 50 000 операций в секунду. Во втором и третьем поколениях машин схемы работали в наносекундном диапазоне. Машины четвертого поколения, называемые также суперкомпьютерами, выполняют десятки или сотни миллионов операций в секунду. В машине "Крей-2", например, проблема быстродействия решается приданием ей цилиндрической формы, что позволяет минимизировать длину проводников, соединяющих ее элементы. Следующим шагом в попытках увеличить быстродействие компьютеров становится создание оптических микроэлектронных схем. Оптические схемы, в которых данные передаются световыми импульсами, используют то преимущество, что световые волны в стеклянных волокнах распространяются с меньшими задержками и искажениями, чем электронные импульсы в проводах. Применение этих методов позволит малым компьютерам иметь быстродействие и возможности современных суперкомпьютеров.
См. также Волоконная Оптика.
Центральный процессор. ЦП типичного компьютера состоит из большого числа логических вентилей и триггеров. УУ использует много вентилей, чтобы выбрать способ обработки, которая должна быть выполнена в АЛУ, а также направить полученные результаты другим частям компьютера. Регистры, о которых мы рассказывали выше, представляют собой большей частью матрицы из триггеров. Наметился ряд тенденций в конструкции и производстве ЦП. В больших компьютерах и многих миникомпьютерах ЦП состоит из набора чипов, каждый из которых выполняет специальную функцию. В этих машинах каждый из основных блоков ЦП АЛУ, УУ, микрокоманды для УУ может находиться на одном или нескольких чипах. (Микрокоманды, по существу, сообщают УУ, какие проводники и вентили нужно соединить, чтобы выполнить команду.) Эти ЦП слишком сложны, чтобы их можно было уместить на одном чипе. Такой подход также позволяет вносить изменения в схему компьютера путем замены одного или двух чипов, а не всего ЦП. В некоторых компьютерах выполняемая задача разделяется между несколькими ЦП. Этот метод известен как параллельная обработка. Некоторые ЦП работают непосредственно в терминах языка программирования (см. ниже), а не обычной архитектуры. Ожидается увеличение разнообразия конструкций и возможностей ЦП. Вероятен также отход от традиционной архитектуры по мере роста объема и скоростей обработки. Возможно, самый большой скачок в конструировании ЦП был сделан с появлением в 1971 микропроцессора 4044 фирмы "Интел". Этот 4-разрядный микропроцессор представлял собой сравнительно медленный чип с ограниченным набором команд, но он и его наследники сделали возможным создание карманных калькуляторов и цифровых часов и привели к разработке микрокомпьютера. В 1974 появились 8-разрядные микропроцессоры, обрабатывающие по 8 бит информации одновременно. Как упоминалось раньше, микропроцессор (или другой ЦП) принимает информацию в виде "слов". Например, память компьютера по командам УУ подает в сумматор сразу 8 бит. Затем УУ добавляет, например, число 00101101 к битам в сумматоре (снова сразу все). Теперь в сумматоре находится новый набор из 8 бит. Далее УУ передает эти 8 бит в память, все сразу. На каждом из этих шагов 8 бит обрабатываются или перемещаются одновременно, но индивидуальные действия их ввод, сложение, копирование результата выполняются последовательно. В принципе, чем больший размер слова доступен для обработки ЦП, тем больше информации он может "проглотить" сразу и тем быстрее он выполняет свои задачи. Восьмиразрядные микропроцессоры дали жизнь микрокомпьютерам, сложным компьютерным терминалам и ряду "интеллектуальных" устройств; прогресс в вычислительной технике продолжается. В 1990-х годах имелись сотни миллионов 8и 16-разрядных микропроцессоров, а в большинстве новых персональных компьютеров и рабочих станций использовались 32-разрядные микропроцессоры, выполняющие миллионы операций в секунду. В 1999 фирмой "Интел" выпущен высокопроизводительный микропроцессор "Пентиум III" с тактовой частотой 500 МГц, интегрированной кэш-памятью до 2 Мб и повышенными возможностями в таких сферах, как распознавание речи и трехмерная графика. Одним из логических следствий микроэлектронной технологии была разработка всего компьютера, включая память, на чипе. Конечно, для таких малых компьютеров память довольно ограниченна, но она достаточна для разработки таких устройств, как реле-регуляторы автоматического зажигания и топливных систем автомобилей и микроволновых печей, а также полноценных "карманных" компьютеров.
Устройства памяти. Основная память. Главным устройством памяти для компьютеров второго поколения и для многих больших компьютеров третьего поколения был магнитный сердечник крохотное колечко магнитного материала размером с бусинку. С помощью тонких проводов, прошивающих колечки в вертикальном и горизонтальном направлениях, из этих сердечников вяжется сетка внутри компьютера. Каждый сердечник хранит магнитный заряд. Направление магнитного потока определяет состояние 1 или 0. Запоминающее устройство на сердечниках было изобретено в 1948 Э.Уонгом и широко использовалось в 1950-1960-х годах. Запоминающее устройство на сердечниках является энергонезависимой памятью, т.е. оно сохраняет свое содержимое даже тогда, когда электроэнергия отключается. Сердечники выполняли функции появившихся ранее ламповых триггеров и привели к появлению термина "оперативная память". Позже память на сердечниках была вытеснена микроэлектронными устройствами, однако она все еще используется в армейском оборудовании, на космических кораблях и для других специальных применений. Важным дополнением к микропроцессору является память на интегральных схемах. Существуют два основных класса этой памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10-20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. ОЗУ потребляют довольно мало энергии, если сравнивать их с другими интегральными схемами примерно тех же размеров и плотности упаковки. Некоторые ОЗУ расходуют так мало энергии, что достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или хотя бы поддерживать их память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Кроме того, свой проигрыш в скорости реакции ПЗУ компенсируют плотностью упаковки. Характеристика ОЗУ и ПЗУ, именуемая произвольным доступом, относится к способности микропроцессора или другого ЦП получать доступ к любому элементу памяти в любое время. Например, если телефонный номер хранится где-нибудь в ОЗУ или ПЗУ и ЦП (через свою программу) знает, где этот номер находится, то ЦП может набрать его почти мгновенно. Важно лишь, чтобы было известно, где он находится. Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ-подобные устройства обладают, так сказать, полупостоянной памятью, т.е. они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности (например, в стираемом ПЗУ СПЗУ) или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.
Внешняя память. К внешней, или периферийной, памяти относятся магнитные ленты, магнитные диски и память на магнитных доменах. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти. Магнитные ленты в качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудиои видеомагнитофонным кассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяются непрерывно, например, от пианиссимо скрипки до мажорного звука духового инструмента рок-группы. Для использования этих носителей в компьютерах необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровую форму, т.е. в сигналы, соответствующие двоичным цифрам 0 и 1. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель. Тем не менее в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты. Эти ленты удобны для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем (см. ниже). По виду ленточные картриджи похожи на аудиокассеты, но предназначены для цифровой записи. Плотность записи в них выше, чем у аудиокассет, а ленты подвергаются специальному тестированию. Они используются при создании резервных копий для систем на жестких дисках. Цифровые аудиоленты также используются в качестве средства резервирования. При этом в кассете меньшего размера, чем аудиокассета, может храниться до миллиарда байт данных. Все типы ленточных запоминающих устройств имеют один основной недостаток последовательный режим работы, т.е. лента должна прокручиваться до нужного элемента, что отнимает много времени. Требование экономии времени вынуждает пользователя обращаться к другому, более популярному средству хранения информации для небольших компьютеров, гибкому диску, или дискете. Гибкий магнитный диск является компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которого нанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт или оболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода. Гибкие диски "проигрываются" аналогично грампластинке, но с помощью головки магнитной записи, а не иголки. Подобно магнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных; поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено. Гибкий диск, в отличие от магнитной ленты, является средством произвольного доступа. Информация, записанная на диске, располагается концентрическими окружностями (дорожками) на его поверхности. Одна или две дорожки обычно используются для хранения оглавления. Чтобы найти конкретную запись на диске, компьютер дает указание магнитной головке переместиться к дорожке с оглавлением и найти координаты места нужной информации; при этом диск вращается под магнитной головкой. Как только нужная запись найдена в оглавлении, компьютер приказывает магнитной головке переместиться к соответствующему месту диска. Те же принципы действуют при записи информации. Чтобы изменить информацию на магнитной ленте, надо прочитать всю ленту, вставить изменения и перезаписать измененный вариант. Принцип гибкого диска позволяет исправить конкретный сегмент записей, не затрагивая остальной поверхности. Вот почему запись на диске может быть осуществлена частями, каждая из которых вставляется в любое подходящее место. Единственное дополнительное требование состоит в том, чтобы оглавление на диске изменялось в соответствии с изменениями, сделанными на этом диске. Промышленность выпускает гибкие диски в основном размера 3,5 дюйма (89 мм). Типичный гибкий диск может хранить до 1,5 млн. знаков (байтов), что эквивалентно 900 страницам машинописного текста, напечатанного через два интервала. Имеются также диски большей информационной емкости. Дисководами для гибких дисков оснащаются практически все персональные компьютеры. Жесткий диск подобен гибкому, но сделан из прочных и жестких материалов. Он может вращаться быстрее и вмещает больше информации. Типичный дисковод жесткого диска для персонального компьютера почти не отличается размерами от дисковода гибкого диска, но емкость современного жесткого диска достигает 25-50 Гб, т.е. в тысячи раз больше, чем у гибкого. Кроме того, жесткие диски гораздо быстрее связываются со своим компьютером, чем дискеты. Поиск, который длится до нескольких секунд на дискете, занимает на жестком диске лишь сотые доли секунды. Жесткий диск в большинстве компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения. Обычно жесткий диск заключается в прочный герметичный корпус. Если такой диск отказывает, то компьютер, не имеющий резервной памяти, становится бесполезным. Некоторые жесткие диски, подобно гибким, могут удаляться из дисковода. Жесткие диски дороже дискет, однако стоимость единицы емкости у них постоянно уменьшается.
СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ на компакт-диске. При записи твердотельный лазер "выжигает" информацию на диске в виде крошечных углублений. При поиске такой же лазер используется (но в режиме пониженной мощности) для "чтения" информации: отраженный свет лазера преобразуется в электрические сигналы, которые воспроизводят первоначальную информацию. Положение лазера в режиме записи и поиска задается линейными двигателем и оптическим датчиком. 1 подложка; 2 слой оксида; 3 покрытие; 4 деталь; 5 лазерный луч; 6 линейный оптический датчик положения; 7 оптическая головка; 8 диск; 9 лазерный диод; 10 фотоприемник; 11 линейный двигатель.Оптический диск имеет сходство как с магнитным диском, так и с граммофонной пластинкой. Существуют диски CD-ROM, диски с однократной записью и многократным чтением и стираемые диски. Компакт-диски и диски с однократной записью используются для хранения большого количества информации, не подлежащей изменению. Последние заполняются только один раз, и введенная информация не может быть стерта. Стираемые оптические диски могут использоваться аналогично жестким дискам. По размерам оптические диски варьируются от размеров видеодиска до диаметров 133 мм и менее, характерных для звуковых компакт-дисков.
См. также Изображений Запись И Воспроизведение.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОМПАКТ-ДИСКОптический диск, как и грампластинка, хранит информацию на спиральной дорожке. Как и в случае с магнитным диском, считывающая головка оптического плейера перемещается вдоль фиксированной направляющей радиально вперед-назад, а не на рычаге, вращающемся около некоторого центра, как в случае грампластинки. Для записи и чтения информации используется лазерный луч. Оптический компакт-диск хранит информацию в форме маленьких поверхностных углублений, соответствующих двоичным числам. Вариации интенсивности лазерного луча, отраженного от этих углублений, распознаются фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы. Стираемые оптические диски имеют покрытие, которое реагирует на магнитное поле от записывающей головки дисковода изменением оптической поляризации. Затем эти изменения могут быть превращены считывающей головкой в электрические сигналы. Информация, записанная на магнитооптическом диске, стирается путем комбинированного действия магнитного поля и лазерного луча. На диске CD-ROM диаметром 120 мм может храниться свыше 300 000 страниц печатного текста, или 650 Мб информации. Коммерческие CD-ROM используются для размещения многочисленных и разнообразных справочных материалов, клипов для компьютерной графики, анимации и комбинаций текста, звука и изображений. Они становятся незаменимыми в мультимедийных системах. Магнитооптические диски имеют такие же размеры, как и распространенные дискеты (89 и 133 мм). Технология производства запоминающих устройств постоянно совершенствуется, что приводит к повышению быстродействия и надежности и снижению стоимости, а у пользователя появляется выбор, практически удовлетворяющий поставленной вычислительной задаче.
Устройства ввода-вывода. Компьютер должен иметь возможность связываться с внешним миром. Кроме устройств внешней памяти, рассмотренных выше, компьютер снабжается связями с оператором, линиями телекоммуникаций, датчиками, исполнительными механизмами и другими машинами.
Интерфейс человек компьютер. Связь с компьютером пока не похожа на разговор с человеком. Скорее она напоминает общение с пишущей машинкой. Отчасти такая ситуация является результатом недостатков, имеющихся у аппаратных средств, но в большей степени она объясняется неадекватностью программного обеспечения -не ясно, например, как люди думают, и еще меньше известно, как программировать компьютер, чтобы имитировать мышление даже в простых случаях. Наиболее распространенным устройством интерфейса человек машина для компьютера являются дисплей, подобный телеэкрану, и клавиатура, подобная клавиатуре пишущей машинки. Дисплей представляет собой терминал на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Обычно дисплеи персональных компьютеров имеют значительно большее разрешение, чем экраны домашних телевизоров. Например, дисплей VGA (англоязычная аббревиатура для графического видеоадаптера) показывает на экране 640ґ480 точек. В течение 1980-х годов дисплеи и связанные с ними платы контроллеров на компьютерах были ориентированы в значительной степени на знаки: контроллер дисплея включал ПЗУ, содержащее точечные шаблоны для алфавитных и графических символов (до 255). Компьютер сообщал контроллеру дисплея, где на экране поместить каждый знак, а также какой знак (если таковой имеется) использовать в том или ином месте. С удешевлением памяти компьютера расширилось применение растровых дисплеев, в которых контроллер рассчитывает яркость и цвет каждой точки на экране. Растровые дисплеи требуются в графических интерфейсах пользователя (ГИП, см. ниже). Большая часть дисплеев в начале 1980-х годов была монохромной; к середине 1990-х годов они были вытеснены полноцветными. Важным дополнением к дисплею служит принтер. Он обеспечивает получение долговременной копии выхода компьютера. Диапазон возможностей компьютерных принтеров простирается от принтеров с низким разрешением до принтеров с почти типографским качеством печати. Типичные матричные принтеры имеют разрешающую способность в диапазоне 56-141 точка/см и могут затрачивать на печать страницы текста до 10 с. Лазерные принтеры и принтеры на светодиодах состоят из механизмов, аналогичных используемым в фотонаборных машинах. Движение лазерного луча (или матрицы светодиодов) формирует линейное изображение на вращающемся светочувствительном барабане, который передает это изображение через электростатический заряд и тонер листу бумаги. Самые дешевые настольные лазерные и светодиодные принтеры обеспечивают разрешение 108 точек/см и печатают до 14 страниц текста в минуту. Печать графики отнимает обычно больше времени независимо от типа принтера. Принтеры для больших компьютеров позволяют распечатывать огромные объемы бумаги за короткое время. Другими средствами интерфейса человек компьютер являются мышь для перемещения позиционной информации на дисплее с ЭЛТ или экране телевизора и указатели для выбора специфических мест на экране дисплея или чертежной доске. Некоторые дисплеи на ЭЛТ в качестве такого указателя позволяют использовать палец.
Интерфейсы для телекоммуникаций. Персональный компьютер, связанный с системой телекоммуникаций, может общаться с другими компьютерами, подсоединенными к этой системе. Приспособление, выполняющее эту функцию через обычную телефонную линию, называется модемом (сокращение от полного названия "модулятор-демодулятор"). Существуют модемы двух типов. Один представляет собой внешний блок, который подсоединяется к телефонной линии и компьютеру. Другой имеет вид платы, устанавливаемой внутри компьютера. (Все коммерческие модемы удовлетворяют требованиям на запрет использования несанкционированных устройств связи.) Преимущество такого модема состоит в том, что компьютер программируется на автоматический набор телефонного номера. Модемы имеют скорости передачи от 120 до 56 тыс. знаков в секунду. Быстродействие модемов, скорости передачи сигналов и методы сжатия данных регулируются международными стандартами. Таким образом, появляется возможность относительно легко и быстро обмениваться информацией между многими географическими пунктами земного шара. С конца 1970-х годов появился ряд других коммуникационных систем, спроектированных специально для использования со всеми видами компьютеров. Эти системы названы локальными вычислительными сетями, или ЛВС. Они образуют базовую технологию различных схем автоматизации учрежденческих работ. Автоматизация таких работ является главной областью компьютерных приложений; она нацелена на использование компьютеров (особенно микрокомпьютеров), связанных с коммуникационными системами для облегчения прохождения информации.
См. также Оргтехника И Канцелярское Оборудование. Интерфейсы датчик исполнительный механизм. На первых порах главным применением компьютеров было управление станками. Миникомпьютеры, подсоединенные к большим токарным, фрезерным станкам и другому производственному оборудованию, могут контролировать машинные операции и корректировать их с целью стабильного получения требуемых деталей. Такой компьютер оборудуется датчиками, обеспечивающими его информацией о положении рабочих элементов станка, например револьверной головки с режущим инструментом, и заготовки, подвергаемой обработке. Компьютер сравнивает показания датчика со своими предварительно запрограммированными инструкциями и выдает команды исполнительным механизмам о перемещении рабочих элементов станка так, чтобы обеспечить соответствие проектным данным. Часто компьютеры используются для замены людей при выполнении опасных заданий, таких, как обработка радиоактивных материалов.
См. также Станки Металлорежущие; Робот. Персональные компьютеры могут управлять многими домохозяйственными делами, например расходованием энергии, противопожарными системами, системами отопления и безопасности, при условии, что они снабжены нужными датчиками (температуры и освещения, влажности, охранной сигнализации и т.д.). Недостатком таких систем является их дороговизна. До тех пор пока интегральные схемы не будут встраиваться в большинство бытовых приборов и устройств, использование персональных компьютеров в сборе информации от датчиков и управлении соответствующими бытовыми устройствами останется нерентабельным. Основные производители автомобилей приступили к использованию интегральных схем и микропроцессоров в автомобильных системах управления главным образом в системах нейтрализации выхлопа и экономии топлива. Для автомобильной промышленности разрабатывается много разных датчиков; со временем аналогичные приборы будут доступны и для бытовой техники.
Компьютеры следующего поколения. Появление широко запараллеленных и нейронных компьютеров возвестило о первых результатах новой технологической революции. Одним из ее ключевых моментов является концепция обработки знаний. Обработка знаний включает разработку компьютерного "мышления", подобного интеллектуальной деятельности эксперта. Типичная машина следующего поколения будет настоящим электронным экспертом в конкретной области. Пользователь будет общаться с такими компьютерами на естественном языке, а не с помощью стилизованных кодов, используемых сегодняшними системами. Передовые позиции в разработке компьютеров следующего поколения занимают США и Япония.
См. также Интеллект Искусственный.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ
Программное обеспечение представляет собой совокупность компьютерных инструкций. Оно охватывает программы, подпрограммы (разделы программы) и данные. Таким образом, программное обеспечение указывает компьютеру, что делать, как, когда, в какой последовательности и как часто. Нередко программное обеспечение называют просто программой. Компьютерные программы состоят из перечней команд, которые заставляют компьютер выполнять нужную работу. Компьютер должен получать исчерпывающие конкретные команды. Часто компьютерные программы имеют вид стенограммы.
Концепции программирования. Существуют две большие категории программ: системные и прикладные. Системные программы имеют дело с взаимодействием между различными компонентами компьютера. Например, операционная система Windows представляет собой программу или набор программ, указывающих ЦП, как передавать данные и команды внутри процессора, между внутренней памятью компьютера, накопителем на диске и устройствами ввода-вывода, такими, как терминалы или мониторы на ЭЛТ, принтеры, модемы, датчики и т.п. Она выполняет сервисные функции, такие, как отслеживание места хранения прикладных программ на гибком диске, с которым взаимодействует компьютер. Лучшие системные программы это программы, которые позволяют компьютеру делать свою работу, не требуя от оператора, чтобы он был с ней знаком. Прикладная программа представляет собой набор команд для решения внешних задач, отличных от задач основной внутренней работы компьютера. Примером прикладной программы может служить программа обработки текстов или управления базой данных.
Языки. Единственный язык, который понятен компьютеру непосредственно, состоит из нулей и единиц (включено и выключено, да и нет, истинно и ложно), необходимым образом повторенных и упорядоченных. Например, для микропроцессоров серии "Интел" 80Х86 (где Х есть любое число от 1 до 5) приемлемо следующее утверждение: 1000011000000111. Эта двухбайтовая последовательность битов означает команду "Прибавить число 7 к тому, что находится в сумматоре". Сумматор представляет собой регистр в ЦП, который хранит самые последние результаты того, что обрабатывалось. Приведенная последовательность битов, будучи ясной для ЦП, является невыразительной и бессмысленной для обычного человека. Поэтому были изобретены языки, которые переводят утверждения, понятные людям, в биты и обратно. Следующий шаг в уровне абстрагирования создание языка ассемблера.
В ДВОИЧНОЙ СИСТЕМЕ счисления используются только два числа 0 и 1, причем каждый разряд имеет удвоенное значение разряда справа, тогда как в десятичной системе он отличается в десять раз. Если включенная ("вкл.") лампочка представляет значение 1, а выключенная ("выкл.") значение 0, то ряд лампочек в верхней части рисунка обозначает число 5 или, в двоичной записи, 0101. Некоторые из устройств с двумя состояниями, используемые для представления 0 и 1 в компьютерных системах, показаны в нижней части рисунка.На языке ассемблера микропроцессоров "Интел" 80Х86 приведенная выше 16-бит команда выглядит так: ADD 07. Это уже более понятно. Программы на языке ассемблера обеспечивают наиболее компактную форму команд для достижения нужной цели. Однако текст программы получается очень длинным. Высокоуровневые языки, такие, как Си, Паскаль, Бейсик, Кобол, Фортран, Ява и им подобные, используют больше памяти, чем язык ассемблера, но работать с ними гораздо легче. Когда в 1970-х и 1980-х годах стоимость памяти стала снижаться, а стоимость программиста повышаться, высокоуровневые языки вышли на доминирующие позиции. Си мощный язык, разработанный фирмой Bell Telephone Labs. (США), который позволяет программисту работать с конкретизацией, свойственной языку ассемблера. Он обеспечивает также высокий уровень абстрагирования. В начале 1990-х годов Си стал самым популярным языком коммерческих прикладных программ для персональных компьютеров. Первоначальным важным достоинством Бейсика было то, что он относительно легок для изучения; с тех пор он стал довольно мощным языком. Паскаль, созданный первоначально для обучения методам структурного программирования, также очень популярен среди пользователей персональных компьютеров. Вариантом Паскаля является Модула-2; оба языка разработаны Н.Виртом. Существует ряд других высокоуровневых языков, каждый из которых наиболее приспособлен для того или иного типа задач. Кобол предназначался главным образом для бизнеса; особенно хорош он для обработки больших файлов, таких, как инвентаризационные и платежные ведомости. Фортран является основным компьютерным языком ученых и инженеров; он специализируется на математических формулах и сложных вычислениях. Разработка языка Ада финансировалась Министерством обороны США. Лисп и Пролог являются основными языками исследований в области искусственного интеллекта. Лого отпочковался от Лиспа и служит для разработки методов обучения с помощью компьютеров. Все высокоуровневые языки, включая упомянутые выше, являются процедурными языками, т.е. они выдают компьютеру подробные пошаговые команды. Другая группа высокоуровневых языков относится к объектно-ориентированным. Объектно-ориентированное программирование (ООП) сосредоточивается на разбиении общих процессов на модули и объединении последних в блоки, которые могут использоваться повторно для разнообразных функций. Каждый объект программы имеет точно определенные поведение и набор характеристик. Каждый объект реагирует на сообщения от других объектов заранее заданным образом. Детали такой реакции включены в объектный код и "невидимы" остальным объектам. Например, чтобы начертить рамку на экране дисплея в процедурном языке, программист должен написать команды, подробно расписывающие процесс вычерчивания от начальной точки к каждой последующей, указывая, какие точки экрана должны высвечиваться. В объектно-ориентированном языке программист просто пишет команду, по которой вычерчивается рамка данного размера в определенном месте. Примерами языков ООП могут служить Смоллток, Эктор, Си++ и версии Турбо Паскаля. Компьютерное программирование кропотливая работа. По этой причине среди программистов приложений популярно программирование меню, или пользовательское программирование. Малоопытный программист может выбрать такой язык, как Бейсик (этот язык предпочитают непрофессиональные программисты), для подробной структуры программы, но части программы, которые видит оператор, будут появляться на естественном языке, например английском или русском. При выполнении программы оператор выбирает из меню нужный вариант. Выбранная альтернатива может вызвать изображение другого набора альтернатив, одна из которых должна быть выбрана и т.д. С повышением популярности персональных компьютеров значительное число более традиционных прикладных программ должно записываться в менюподобном или ориентированном на пользователя формате. Упор в программном обеспечении будет делаться на создании максимально ясного и дружелюбного интерфейса человек машина. Один частный аспект этого исследования заслуживает особого внимания.
Беспрограммное программное обеспечение. Расширение производства и применения персональных компьютеров существенно ускорило разработку т.н. беспрограммного программного обеспечения. В этом случае пользователь может посредством управляющих элементов компьютера взаимодействовать с дисплеем, изображающим логическую или визуальную структуру некоторого вида. Пользователь может ввести с клавиатуры в любой точке дисплея необходимую информацию, а затем перейти к следующей точке. Эта структура может использоваться многократно (если необходимо, каждый раз с другими данными). Чтобы работать в такой программе, от пользователя не требуется знать что-либо о программировании. Многие программы электронных таблиц и баз данных обладают указанными беспрограммными характеристиками. Основные средства организации запросов в больших базах данных универсальных компьютеров базируются на SQL (язык структурированных запросов, "эскьюэль"), в котором пользователь запрашивает информацию из базы данных, используя синтаксис, во многом похожий на обычный английский. Стало популярным связывать SQL с базами данных персональных компьютеров.
Графические интерфейсы пользователя (ГИП). Компьютерные дисплеи прошли эволюцию от изображения, основанного на знаках, к экстенсивной растровой графике. Это развитие облегчило разработку программ особенно операционных систем, включая графику и разнообразные изобразительные методы. Многие программы могут быть выведены на экран, а прикладные программы могут выполняться одновременно. Серия компьютеров "Макинтош", выпускаемых фирмой "Эппл" (США), положила начало широкому распространению ГИП для персональных компьютеров. Программы системы Windows (фирмы "Майкрософт", США), OS/2 Presentation Manager (фирмы ИБМ, США), New Wave (фирмы "Хьюлетт-Паккард", США) и большая часть программных средств для дисплеев рабочих станций используют ГИП и ООП.
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ
Везде, где требуется быстрая обработка больших количеств информации или выполнение рутинных, многократно повторяющихся задач, возникает и потребность в компьютерах.
Образование и распространение информации. Компьютеры становятся исключительно полезным инструментом в сфере образования. В некоторых применениях, таких, как стандартное обучение, они могут служить прекрасными помощниками преподавателя. Идеально подходят они и для самообучения, когда цели и содержание курса четко определены. В решении перечисленных задач хорошо запрограммированные компьютеры могут оказаться лучше среднего преподавателя. Современные средства массовой информации (телевидение и печать) также базируются на компьютерной технике.
Бизнес. Первые шаги компьютеров в бизнесе относятся к банковскому и страховому делу, где приходится обрабатывать ежедневно огромные массивы данных. Когда в 1950-х годах в банках ввели чеки с магнитным кодом, появилась возможность обрабатывать их на компьютерах. Компьютеры стали доступны кассирам банков и других финансовых учреждений, а с расширением использования автоматизированных кассовых машин стали вытеснять и самих кассиров. Для проведения автоматических и быстрых банковских операций через компьютер используются кредитные и дебетовые карточки. Реализация концепции "банк здесь и сейчас" зависит от распространения технологии электронного перевода денежных средств, основанной на применении компьютеров. Следующим логическим шагом является проведение банковских операций с домашних компьютеров и терминалов пользователей. В области автоматизации учрежденческих работ компьютеры, связанные телекоммуникациями, применимы к таким задачам, как обработка электронной почты, текстов и документов. С помощью офисного или настольного компьютера можно составить записку, сделать расчеты, начертить графики, проверить правописание и автоматически передать результаты электронной почтой.
См. также Факсимильная Связь.
ПРОЕКТНАЯ РАБОТА на компьютере.Компьютеры быстро завоевали ведущие позиции и на производстве. С появлением станков с числовым управлением и промышленных роботов, которые обеспечили автоматизацию специфических производственных процессов, компьютеры и телекоммуникационные сети позволили развернуть создание т.н. комплексных автоматизированных производств. На таких производствах все технологические процессы, включая обрабатывающие центры, транспортеры и конвейеры, контролируются и регулируются компьютерными сетями. Телефонная сеть почти полностью управляется компьютерами. В ближайшие годы она целиком перейдет с аналоговой передачи сигналов на цифровую. В результате появится возможность посылать прямо на дом разнообразную информацию, включая живые изображения.
Компьютер в доме. Хотя многие домашние компьютеры используются главным образом для развлечений и обучения, расширяется их применение и для решения экономических задач от управления денежными средствами и инвестициями до занятия бизнесом на дому. Сейчас уже нет необходимости знать что-либо о компьютере, чтобы успешно на нем работать. Электронные доски объявлений и коммерческие информационные системы обеспечивают информацией практически по любой теме сотни тысяч пользователей. Усиливается тенденция к созданию разнообразных "умных" приборов. Помимо микроволновых печей, многие из которых "общаются" с пользователем, имеются приборы контроля и кондиционирования окружающей среды, программируемые записывающие устройства и радиоприемники, системы защиты жилища и интеллектуальные телефоны; все они работают на микропроцессорах.
См. также
Информации Накопление И Поиск;
Библиотека;
Интернет И Другие Компьютерные Сети.
ЛИТЕРАТУРА
Нагао М., Катояма Т., Уэмура С. Структуры и базы данных. М., 1986 Пул Л. Работа на персональном компьютере. М., 1986 Трейстер Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ. М., 1986 Дейтел Г. Введение в операционные системы. М., 1987 Жигарев А.Н. и др. Основы компьютерной грамоты. Л., 1987 Компьютеры: справочное руководство. М., 1987 Лорд Н. и др. Вычислительные машины будущего. М., 1987 Мичи Д., Джонстон Р. Компьютер творец. М., 1987 Рыбаков М.А. Анатомия персонального компьютера. М., 1990 Хасемир Р., Фаненштих К. Текстовый процессор Word 6.0 для Windows. М., 1996 Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М., 1997
Вопрос-ответ:
