Компьютер

ЛЕКЦИЯ 1

1. Что такое компьютер 

Слово «компьютер»  означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Принципиальное отличие компьютеров от арифмометров и других счетных устройств (счет, логарифмических линеек и т.д.) состояло в том, что арифмометры выполняли лишь отдельные вычислительные операции (сложение, вычитание, умножение, деление и др.), а компьютеры позволяют проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных  операций по заранее заданной инструкции – программе. Для хранения данных, промежуточных и итоговых результатов вычислений компьютеры содержат память.

С помощью  компьютеров не только проводятся числовые расчеты, но и подготавливаются к печати книги, создаются рисунки, кинофильмы, музыка, осуществляется управление заводами и космическими кораблями и т.д. Компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.

 

2. Представление информации в компьютере

Числовая форма. Компьютер обрабатывает информацию, представленную только в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую Форму. Скажем, чтобы перевести в цифровую форму звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.

Кодировки символов. Для обработки на компьютере текстовой информАции обычно при вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Двоичная система счисления. Как правило, все числа внутри компьютера представляются с помощью нулей и единиц, а не десяти цифр, как это привычно для людей. Компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, т.к. их устройство получается значительно более простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной для людей десятичной форме - все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.

 Биты и байты. Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 2⁸ ). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2¹⁰ ), мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам =2²⁰ байтов, гигабайт (Гбайт), равный 1024 Мбайтам. = 2³⁰ байт, терабайт 1024=2⁴⁰ байт.

Н-р, на странице текста помещается в среднем 2500 знаков, то 1 Мбайт - это примерно 400 страниц, а 1 Гбайт - 400 тыс. страниц.

 Шестнадцатеричная система счисления. Шестнадцатеричная система счисления удобна тем, что очень просто соотносится с двоичной системой, в которой работает компьютер: одна шестнадцатеричная цифра соответствует четырем двоичным разрядам. Для шестнадцатеричных цифр, больших девяти, используются обозначения: А - десять, В - одиннадцать, С - двенадцать, D –тринадцать, Е - четырнадцать, и F - пятнадцать. Для указания того, что число записано в шестнадцатеричной системе счисления, в конце его добавляют символ «h» или «Н» (h - первая буква слова hexadecimal, то есть шестнадцатеричный). Например, B9h = 11 16+9=185; 4A9Fh = 4 163+10 16~+ 9 16+15=19103.

 

3. Как работает компьютер

В 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер - чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.

Устройства компьютера. Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:

• арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

• устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

• запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

• внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

Вот каковы должны быть связи между  устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).

 

рис. 1

 

Принципы работы компьютера. В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа.

Устройство  управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной  команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в пporpaммe может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет  инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Особенности современных компьютеров. Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

4. Программы для компьютеров 

Компьютер - это универсальный прибор для переработки информации. Но сам по себе компьютер является просто ящиком с набором электронных схем. Он не обладает знаниями ни в одной области своего применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Это аналогично тому, как для воспроизведения музыки недостаточно одного магнитофона, нужны еще и кассеты с записями.

Для того, чтобы компьютер мог осуществить  определенные действия, необходимо составить для компьютера программу, то есть точную и подробную последовательность инструкций на понятном компьютеру языке, как надо обРабатывать информацию. Часто употребляемое выражение «компьютер сделал» (подсчитал, нарисовал) означает ровно то, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила совершить соответствующее действие. Меняя программы для компьютера, можно превратить его в рабочее место бухгалтера или конструктора, статистика или агронома, редактировать на нем документы или играть в какую-нибудь игру. Поэтому для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ.

Виды программ. Программы, работающие на компьютере, можно разде- лить на три категории:

• прикладные программы, - обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисование картинок, обработку информационных массивов и т.д.;

• системные программы, выполняют различные вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, проверку Работоспособности устройств компьютера и т.д. Особую роль среди всех системных программ играет операционная система - программа, управляющая компьютером, запускающая все другие программы и выполняющая для них различные сервисные функции;

• инструментальные системы (системы программирования), обеспечи- вающие создание новых программ для компьютера.

Большинство программ является коммерчески распространяемыми  - они продаются в магазинах, по почте и другими способам. Имеются и бесплатно распространяемые программы, а также так называемые условно-бесплатные программы .

 

5. IBM РС-совместимые компьютеры 

Большинство (более 90%) современных компьютеров  является IBM РС-совместимыми персональными компьютерами.

Слово «совместимость»  здесь означает:

• программную совместимость - все программы, разработанные для IBM PC, будут работать и на всех IBM PC- совместимых  компьютерах;

• аппаратную совместимость: подавляющее большинство устройств для компьютеров IBM PC и более новых версий (IBM PC ХТ, IBM PC АТ и т.д.) годятся и для современных компьютеров.

Открытость архитектуры. Фирма 1ВМ сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору.

 

6. Основные типы других компьютеров:

Мэйнфреймы, или большие ЭВМ - это компьютеры, созданные для обра- ботки больших объемов информации. Наиболее крупный их производитель –фирма IBM. Отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью каналов ввода-вывода. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для работы пользователей. Большинство крупных корпораций, банков, зарубежных правительственных учреждений обрабатывают свои данные именно на больших ЭВМ. Хотя они могут стоить миллионы долларов, спрос на них не падает.

Супер-ЭВМ - это компьютеры, предназначенные для решения задач, тре- бующих громадных объемов вычислений. Основные потребители супер-ЭВМ – военные, метеорологи, геологи и многие прочие ученые. Н-р, качественный прогноз погоды или моделирование ядерного взрыва требуют колоссальных расчетов, так что применение супер- ЭВМ здесь полностью оправдано. Супер-ЭВМ стоят десятки миллионов долларов (если не дороже), их производят всего несколько фирм - Cray Research (ныне это подразделение фирмы Silicon Graphics), Hitachi и др.;

мини-ЭВМ - это компьютеры, занимающие промежуточное положение между персональными компьютерами и мэйнфреймами. За рубежом они используются в большинстве сколько-либо крупных фирм, в университетах, правительственных учреждениях, центрах обработки данных и т.д. - как для тех задач, для которых производительности персональных компьютеров неДОСтаточно, так и для обеспечения централизованного хранения и обработки данных. Обычно к мини-ЭВМ подключаются десятки или сотни терминалов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для работы пользователей. Основные производители мини-ЭВМ - DEC (Digital Equipment Corp.), Sun, Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics и др. Компьютеры фирмы Silicon Graphics снабжаются специальными аппаратными средствами для ускорения процессов трехмерного моделирования и анимации, поэтому на этих компьютерах создается большинство спецэффектов в выпускаемых сейчас кинофильмах;

рабочие станции — как правило, это младшие модели мини-ЭВМ, предназначенные для работы с одним пользователем. Обычно они имеют производительность как у самых мощных персональных компьютеров или даже несколько больше;

компьютеры типа Macintosh — это единственный сколько-либо распро- страненный вид персональных компьютеров, не совместимый с IВМ PC. В середине и конце 80-х годов компьютеры Macintosh, разработанные и производимые фирмой Apple, составляли, несмотря на свою дороговизну, достойную альтернативу IBM PC-совместимым компьютерам, так они обеспечивали наглядный графический интерфейс для работы с пользователем и были значительно проще в эксплуатации. Однако в 90-х годах для IBM PC-совместимых компьютеров были разработаны ОС с графическим интерфейсом - Windows, Windows NT, Windows 95, OS/2, а также многочисленные рассчитанные на них программы. И преимущества Macintosh в значительной мере исчезли.

Многие  производители программ для Macintosh стали  выпускать вер- сии своих программ также и для 1ВМ PC, а доля Macintosh в общем выпуске персональных компьютеров стала снижаться (сейчас она составляет около 7 -8%). Тем не менее, компьютеры Macintosh удерживают прочные позиции в издательском деле, образовании, создании мультимедиа-программ и во многих других областях;

Карманные компьютеры, или личные электронные помощники, - это небольшие компьютеры весом около 300 - 500 грамм, помещающиеся на кисти одной руки. Как правило, они работают на обычных батарейках и одного комплекта батареек им хватает на несколько десятков часов. Большинство карманных компьютеров не совместимо с настольными компьютерами типа IBM PC, но ЕСть и IВМ PC- совместимые. В карманных компьютерах нет ни жесткого диска, ни дисковода для дискет, ни дисковода CD-ROM (из-за их большого энергопотребления). Некоторые карманные компьютеры имеют ми- ниатюрную клавиатуру, но есть и модели без клавиатуры - в них ввод данных осуществляется нажатиями или рисованием специальным пером по экрану. Наиболее распространены карманные компьютеры фирм Apple, Hewlett-Packard, Sony, Psion и др.