Компьютер как современное техническое средство обработки информации

1.История возникновения компьютерных технологии.

Компьютер - комплекс технических средств и программного обеспечения, способный реализовать любой алгоритм, оформленный в виде программы, хранимой в памяти, и ориентированный на реализацию процессов переработки информации во взаимодействии с человеком.

На разных этапах развития техники и технологии были приняты  следующие названия для компьютеров: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), компьютер. 
 
          Создание электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX в. можно отнести к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. ЭВМ в значительной степени расширили интеллектуальные возможности человека и за сравнительно короткий срок (немногим более 50 лет) превратились в один из определяющих факторов научно-технического прогресса. Многие крупные научно-технические проекты нашего времени, как, например, атомная энергетика, космические исследования, глобальные экологические проблемы, не могли бы успешно развиваться без применения ЭВМ. Широкое применение компьютеров способствует появлению новых методов познания законов природы, их использованию в практической деятельности и, следовательно, превращению науки в производительную силу общества. На протяжении трех последних десятилетий вычислительная техника все стремительнее и шире охватывает различные сферы человеческой деятельности. Существует много причин столь бурного развития вычислительной техники. Оно стимулируется разработкой програмного обеспечения, которое требует создания более совершенной аппаратуры, что в свою очередь служит предпосылкой для возникновения высокопроизводительных программ. Существенное снижение стоимости оборудования, обусловленное не только техническим прогрессом, но и массовым характером производства, явилось предпосылкой для широкого внедрения вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности. 
 
           История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Время возникновения счетов теряется в глубине веков, а некоторые виды вычислительных устройств были созданы, по-видимому, в Древней Греции. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623-1662) сконструировал арифмометр, позволивший механически выполнять четыре арифметических действия. Впоследствии он использовался для выполнения достаточно сложных расчетов (например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб). 
 
         Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646- 1716) изобрел механическую счетную машину, умеющую не только складывать, но и умножать. Англичанин Чарльз Бэббидж( 1792-1871) впервые ясно представил себе универсальную вычислительную машину с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством.  
Алан Матисон Тьюринг (1912-1954). Машина Тьюринга была лишь теоретическим построением и никогда серьезно не рассматривалась как экономически приемлемая машина (которая работала бы недопустимо медленно), но она привлекла внимание исследователей к вопросу о возможности создания универсальной вычислительной машины. 
 
В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе уже созданных к этому времени электромеханических реле смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину, названную «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который построил вычислительную машину в 1941 г. 
 
           Существенный прогресс в создании первых вычислительных машин (ЭВМ) в XX в. был достигнут за счет применения электронных ламп. Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать машину на основе электронных ламп, которая была построена для баллистических расчетов в 1946 г. и названа ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer, т.е. электронный числовой интегратор и вычислитель). Схема работы этой машины была рассчитана на выполнение конкретной последовательности вычислений. Для другой последовательности схему нужно было практически монтировать заново, что требовало много времени. 
 
           Один из выдающихся математиков нашего столетия Джон фон Нейман (1903-1957) разработал принципы построения логической схемы вычислительной машины, способной использовать гибкую запоминаемую программу, которую можно было бы изменять, не перестраивая всей схемы машины.  
Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими - огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 г. транзисторов - миниатюрных электронных приборов, которые смогли заменить в компьютерах электронные лампы

К середине 60-х годов появились  и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к миниатюризации компьютеров - были изобретены интегральные схемы. 
 
           В 1959г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. 
 
           Успех фирмы Intel заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Появилось и несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти и многие другие программы сделали для делового мира покупку компьютеров весьма выгодным вложением денег: с их помощью стало возможно значительно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты можно было выполнять не на больших ЭВМ или мини-ЭВМ, а на персональных компьютерах, что значительно дешевле. 
 
          Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. она решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.  
В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использование помогло значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мб памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кб. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft. 
 
            В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC (читается - Ай-Би-Эм Пи-Си) был официально представлен, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Если бы IBM PC был сделан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года. Но в IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору, причем методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил небывалый успех компьютеру IBM PC. 
В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск (рис. 17), в 1985 г. - компьютер IBM PC AT на основе нового микропроцессора Intel-80286, работающий в 3-4 раза быстрее IBM PC XT. 
 
 
 
Рис. 1. Жесткий диск 

2.Устройство и  принципы действия компьютера

Один из выдающихся математиков  нашего столетия Джон фон Нейман разработал принципы построения логической системы  вычислительной машины, способной использовать гибкую запоминаемую программу, которую  можно было бы изменять, не перестраивая всей схемы машины. В соответствии с принципами фон Неймана для работы компьютера необходимы следующие устройства: 
 
1) арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ);

2) устройство управления, которое организует процесс выполнения программ (УУ); 
3) запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных (ЗУ); 
4) внешние устройства для ввода-вывода информации (УВВ); 
5) пульт управления (ПУ). 
 
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 легкодоступны для других устройств компьютера (рис. 18). 
 
 
Рис. 1.1. Схема основных устройств компьютера 
 
Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства 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. 
 
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления чаще всего объединены в единое устройство - центральный процессор.   
Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы. При выполнении программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. 
 
Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве - памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части - внутреннюю и внешнюю. 
 
Внутренняя, или основная, память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. 
 
Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. 
 
Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др.  
Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. 
Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти.  
Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-RAM, поскольку эта память обычно выполняется по технологии «CMOS», обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не изменяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контролере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. 
 
Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера -Setup. Аккумулятор снабжает электроэнергией и встроенные в компьютер часы (так называемые часы реального времени). Наличие этих часов позволяет не задавать текущее время при каждом включении компьютера. 
 
Еще один вид памяти в IBM PC-совместимых компьютерах -это видеопамять, т. е. память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Структура внутренней памяти компьютера.

Все устройства компьютера производят определенную работу с информацией (данными и программами). А как  же представляется в компьютере сама информация? Для ответа на этот вопрос "заглянем" внутрь машинной памяти. Структуру внутренней памяти компьютера можно условно изобразить так, как показано на рис.1.2.

         Наименьший элемент памяти компьютера называется битом памяти. На рис. 2.4 каждая клетка изображает бит. Вы видите, что у слова "бит" есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Покажем, как связаны между собой эти понятия.

          В каждом бите памяти может храниться в данный момент одно из двух значений: нуль или единица. Использование двух знаков для представления информации называется двоичной кодировкой.

          Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода.

         Один символ двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации.

          В одном бите памяти содержится один бит информации.

           Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера - дискретность. Дискретные объекты составлены из отдельных частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. "Песчинками" компьютерной памяти являются биты.

            Второе свойство внутренней памяти компьютера - адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Вы знаете, что это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, I одном байте памяти хранится один байт информации.

            Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля.

      Порядковый номер байта называется его адресом.

      Принцип адресуемости означает, что:

      Запись информации в память, а также чтение ее из памяти производится по адресам.

             В современных компьютерах имеется еще один вид внутренней памяти, который называется постоянным запоминающим устройством - ПЗУ. Это энергонезависимая память, информация из которой может только читаться.

 
 
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносными. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. 
 
Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств компьютера (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства (рис. 19). 
 
 
Рис. 1.3 Связи между основными устройствами компьютера 

             ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации. 
 
            Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в машину и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными, или внешними, устройствами. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы, печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры, звуковые колонки и др. 
 
          Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любой текст, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера. Мышь - средство управления курсором на экране монитора. (Все периферийные устройства ввода-вывода описаны в § 8.) 
 
          Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры. Системный интерфейс - это конструктивная часть компьютера, предназначенная для взаимодействия его устройств и обмена информацией между ними. В больших, средних и суперЭВМ в качестве системного интерфейса использовались сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами компьютера. 
 
           Программы, работающие на компьютере, можно разделить на три категории: 
 
1) прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисование картинок, обработку информационных массивов и т. д.; 
2) системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, проверку работоспособности устройств компьютера и т. д.; 
3) инструментальные системы (системы программирования), обеспечивающие создание новых программ для компьютера. 
 
           Грани между указанными тремя классами программ весьма условны, например, в состав программы системного характера может входить редактор текстов, т.е. программа прикладного характера. 
 
         Среди всех системных программ, с которыми приходится иметь дело пользователям компьютеров, особое место занимают операционные системы. Операционная система (далее - ОС) управляет компьютером, запускает программы, обеспечивает защиту данных, выполняет различные сервисные функции по запросам пользователя и программ. Каждая программа пользуется услугами ОС и может работать только под управлением той ОС, которая обеспечивает для нее эти услуги. Таким образом, выбор ОС очень важен, так как он определяет, с какими программами можно работать на компьютере. От выбора ОС зависят также производительность работы, степень защиты данных, необходимые аппаратные средства и т.д. 
 
           Важным классом системных программ являются драйверы. Они расширяют возможности ОС, например позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством, обучая ее новому протоколу обмена данными и т. д. Так, первоначально попавшие в нашу страну версии DOS, Windows и OS/2 были английскими и не поддерживали ввод русских букв с клавиатуры, поэтому программисты создали драйверы, обеспечивающие эти средства. 
 
           Весьма популярный класс системных программ составляют программы-оболочки. Они обеспечивают более удобный и наглядный способ общения с компьютером, чем штатные средства ОС. Наиболее популярной программой-оболочкой для DOS является Norton Commander. 
 
           Утилиты - это программы вспомогательного назначения. Чаще всего используются следующие типы утилит: 
 
а) антивирусные программы предназначены для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствий заражения; 
б) программы-упаковщики (архиваторы) позволяют за счет применения специальных методов «упаковки» информации сжимать информацию на дисках, т. е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл; 
в) программы-русификаторы приспосабливают другие программы (обычно ОС) для работы с русскими буквами (текстами, пользователями и т. д.); 
г) программы для диагностики компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера и работоспособность его устройств; 
д) программы для оптимизации дисков позволяют обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске; 
е) программы динамического сжатия дисков создают псевдодиски, информация которых хранится в сжатой форме в виде файлов на обычных (настоящих) дисках компьютера, что позволяет хранить на дисках больше данных; 
ж) программы ограничения доступа позволяют защитить хранящиеся на компьютере данные от нежелательных или неквалифицированных пользователей. 
 
          Для IBM PC разработаны и используются сотни тысяч различных прикладных программ. Наиболее широко применяются программы: 
- подготовки текстов (документов) на компьютере - редакторы текстов; 
- подготовки документов типографского качества - издательские системы; 
- обработки табличных данных - табличные процессоры; 
- обработки массивов информации - системы управления базами данных; 
- подготовки презентаций (слайд-шоу); 
- экономического назначения - бухгалтерские программы, программы финансового анализа, правовые базы данных и т.д.; 
- для создания рисунков, анимационных и видеофильмов; 
- системы автоматизированного проектирования (САПР) - программы черчения и конструирования различных предметов и механизмов; 
- для статистического анализа данных; 
- компьютерные игры, обучающие программы, электронные справочники т. д.