К статье КОМПЬЮТЕР
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 10?15 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 8- и 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 аудио- и 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.
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 .
Оптический 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 640?480 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 .