Способы двоичного кодирования текстов, звуков (голоса, музыки), изображений (фотографий, иллюстраций), последовательностей изображений (кино и видео), а также трёхмерных объектов были придуманы в 80-х годах прошлого века. Позже мы рассмотрим некоторые из них более подробно. Теперь же главное — знать, что последовательностям 1 и 0 в компьютерном представлении соответствуют электрические сигналы — «включено» и «выключено». Компьютер называется электронным устройством, потому что он состоит из множества электронных компонентов, обрабатывающих эти сигналы.

Обработку данных компьютер проводит в соответствии с программой — последовательностью команд, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи. Как и данные, программы представляются в компьютере в виде двоичного кода. Программно-управляемым устройством компьютер называется потому, что его работа осуществляется под управлением установленных на нём программ. В этом суть программного принципа работы компьютера.

Разнообразие компьютеров

В настоящее время компьютеры являются очень важной, практически незаменимой частью нашей повседневной жизни. Они используются на производстве, дома, в сфере обслуживания, школах, больницах, государственных учреждениях и организациях. Специализированные компьютеры (вычислительные устройства) встраивают в самолёты и автомобили, телевизоры и акустические системы, кассовые аппараты и турникеты метро, микроволновые печи, холодильники, кондиционеры, плиты, стиральные машины, пылесосы и другую бытовую технику. Многие пользуются смарт-часами, фитнес-трекерами и смарт-кольцами; всё более доступными становятся «умные» очки, электронные ткани, шлемы виртуальной реальности и другие так называемые носимые устройства. На смену кнопочным телефонам пришли смартфоны — мобильные телефоны с сенсорным экраном, дополненные рядом функций компьютера.

Всё разнообразие объектов компьютерного мира представлено на рисунке, центральная часть которого отведена персональным компьютерам (ПК) — широко распространённым компьютерам, предназначенным для работы одного человека и решения достаточно широкого класса задач.

Пирамида объектов компьютерного мира

Серверы — это постоянно подключённые к Интернету мощные компьютеры, выполняющие запросы от своих клиентов (пользователей), в том числе персональных компьютеров.

Есть очень большие компьютеры, значительно превосходящие по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров, — суперкомпьютеры. Они занимают целые здания. Создать подобную вычислительную систему — всё равно, что построить целый завод со своими системами охлаждения, бесперебойного питания и т. д. Какие же задачи важны и сложны настолько, что для их решения требуются такие сложные и дорогостоящие вычислительные машины? Прежде всего это задачи получения точных прогнозов долгосрочных климатических изменений и геологических катаклизмов (землетрясений, извержений вулканов, столкновений тектонических плит), прогнозов цунами и разрушительных ураганов, экологических прогнозов и т. п. Это задачи расшифровки генома человека, определения роли каждого гена в организме, влияния генов на здоровье и продолжительность жизни человека. Не обойтись без суперкомпьютеров в сейсморазведке, нефте- и газодобывающей промышленности, автомобилестроении, проектировании электронных устройств, фармакологии, синтезе новых материалов и многих других отраслях. Решение этих и подобных им задач связано с использованием современных вычислительных систем, в которых предусмотрена одновременная (параллельная) реализация нескольких вычислительных процессов.

Суперкомпьютер «Ломоносов»

Устройства компьютера и их функции

Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека. Но даже столь очевидное сходство не позволяет нам отождествлять человека с машиной хотя бы потому, что человек управляет своими действиями сам, а работа компьютера подчинена заложенной в него программе.

Центральным устройством компьютера является процессор. Он организует приём данных, считывание из оперативной памяти очередной команды, её анализ и выполнение, а также отправку результатов работы на требуемое устройство.

Аналогия между человеком и компьютером

Основными характеристиками процессора являются количество ядер, тактовая частота и разрядность.

Ядро процессора — это его вычислительный блок. Таких блоков (ядер) может быть несколько, тогда процессор может одновременно справляться с несколькими задачами. Современные компьютеры, предназначенные для работы с документами, просмотра сайтов и видео в Интернете, комплектуются четырёхъядерными процессорами; если же ПК планируется использовать в том числе и для игр, то предпочтительно наличие 6−8 ядер.

Процессор обрабатывает поступающие к нему электрические сигналы (импульсы). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом. Тактовая частота процессора равна количеству тактов, которые процессор производит за 1 секунду. Тактовая частота измеряется в гигагерцах (ГГц) — миллиардах тактов в секунду. На выполнение процессором каждой операции выделяется определённое количество тактов. Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. Тактовая частота современных процессоров составляет 1−4 ГГц.

Разрядность процессора — это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность процессоров современных компьютеров достигает 64.

Обязательной частью любого компьютера является память, предназначенная для записи (приёма), хранения и выдачи данных. Представим её в виде листа в клетку. Каждая клетка этого листа будет изображать бит памяти — наименьший элемент памяти компьютера. В каждой такой «клетке» может храниться одно из двух значений: 0 или 1. Один символ двух символьного алфавита, как известно, несёт один бит информации. Таким образом, в одном бите памяти содержится один бит информации.

Различают внутреннюю и внешнюю память.

К внутренней памяти компьютера относится постоянная память, оперативная память и кеш-память.

Постоянная память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) предназначена для хранения информации, необходимой для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. После выключения компьютера информация в ПЗУ сохраняется.

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — быстрое запоминающее устройство, непосредственно управляемое процессором. В ОЗУ хранятся исполняемые в данный момент программы и необходимые для этого данные. Электрические импульсы, в форме которых информация сохраняется в оперативной памяти, существуют только тогда, когда компьютер включён. После выключения компьютера вся информация, содержащаяся в оперативной памяти, теряется. Объём оперативной памяти современных компьютеров измеряется в гигабайтах (Гбайт).

Кеш-память, или сверхоперативная память, — очень быстрое запоминающее устройство небольшого размера, используемое для увеличения быстродействия компьютера. В кеш-памяти хранится содержимое наиболее часто используемых ячеек оперативной памяти, а также части программы, к которым процессор может обратиться с наибольшей вероятностью.

Когда процессору требуются данные, он сначала обращается к кеш-памяти. Если требуемых данных в кеш-памяти нет, то процессор обращается к оперативной памяти, поиск в которой занимает больше времени.

Для долговременного хранения программ и данных предназначена внешняя (долговременная) память. Внешняя память позволяет сохранять огромные объёмы информации. Содержимое внешней памяти не зависит от того, включён или выключен компьютер. При запуске пользователем некоторой программы, хранящейся во внешней памяти, эта программа сначала загружается в оперативную память, после чего начинает выполняться.

Устройства ввода и вывода информации

Человек, приложив определённые усилия, может представить текстовую, графическую, звуковую информацию в двоичном коде. Значительно труднее человеку понять двоичный код. И совсем уже невозможно человеку понять информацию, представленную последовательностью электрических импульсов. Входящие в состав компьютера устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на язык компьютера; устройства вывода «переводят» электрические импульсы в форму, доступную для человеческого восприятия. Примеры устройств ввода: клавиатура, мышь, микрофон. Примеры устройств вывода: монитор, принтер, акустические колонки.

Всё более широкое распространение в настоящее время получают такие устройства ввода и вывода информации, как 3D-сканеры и 3D-принтеры.

3D-сканер представляет собой устройство для получения данных о внешнем виде (форма, цвет) объекта, на основании которых создаётся цифровая трёхмерная модель этого объекта. 3D-принтер — это устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по его цифровой трёхмерной модели. 3D-печать находит широкое применение в медицине, машиностроении, образовании, мелкосерийном производстве и многих других сферах жизни современного человека.

Персональный компьютер

Персональный компьютер (ПК) — компьютер многоцелевого назначения, предназначенный для работы одного человека (пользователя), достаточно простой в использовании и обслуживании, имеющий небольшие размеры и доступную стоимость.

Различают стационарные и мобильные персональные компьютеры.

Стационарные ПК состоят из отдельных конструктивно завершённых частей, которые должны быть размещены в специально отведённом месте. Среди стационарных ПК выделяют компьютеры с раздельной схемой и моноблоки. Раздельная схема предполагает, что ПК состоит из системного блока и подключаемых к нему внешних устройств — монитора, клавиатуры, мыши, микрофона, звуковых колонок, веб-камеры и т. д. Моноблок — стационарный ПК, в котором системный блок, монитор, микрофон, звуковые колонки и веб-камера конструктивно объединены в одно устройство.

Мобильные (переносные) ПК приспособлены для работы в дороге, на небольшом свободном пространстве. Прежде всего это ноутбуки — компактные компьютеры, содержащие все необходимые компоненты в одном небольшом корпусе, складывающемся в виде книжки.

В последнее время большое распространение получили планшетные компьютеры. Они имеют сенсорный (чувствительный к нажатию) экран и позволяют работать без использования клавиатуры и мыши. Кроме того, планшетные компьютеры, а также смартфоны оснащены множеством датчиков («дающих» информацию) — устройств, которые воспринимают определённые внешние воздействия, преобразуют их в электрические сигналы и передают на обработку микропроцессору. В современных планшетах и смартфонах имеются акселерометр (измеряет ускорение тела в пространстве и отвечает за автоматическую смену ориентации крана при повороте устройства), гироскоп (определяет скорость углового вращения, благодаря чему, например, пользователь может поворотом гаджета управлять игрой), датчик освещённости (осуществляет замер освещённости, на основании чего автоматически устанавливается комфортная для пользователя яркость экрана), сканер отпечатка пальца (сканирует отпечаток пальца и сравнивает его с ранее введённым отпечатком пальца владельца устройства; при совпадении отпечатков открывает доступ к устройству или отдельным приложениям).

Все устройства, входящие в состав стационарного ПК с раздельной конструктивной схемой, можно разделить на две группы:
1. устройства, входящие в системный блок;
2. внешние устройства.

Основной частью ПК с раздельной конструктивной схемой является системный блок. В системном блоке находятся:
* материнская плата — к ней подключены все остальные устройства системного блока; через материнскую плату происходит обмен данными между устройствами, их питание электроэнергией;
* центральный процессор (CPU);
* оперативная память (RAM);
* жёсткий диск (HDD) или твёрдотельный накопитель (SSD), служащие для длительного хранения информации; на них размещают программы, управляющие работой компьютера, и файлы пользователя;
* устройство для чтения/записи оптических дисков (дисковод и накопитель);
* карты расширений:
* видеокарта (Video Card) — предназначена для связи системного блока и монитора; передаёт изображение на монитор и производит часть вычислений по подготовке изображения для монитора;
* звуковая карта (Sound Card) — предназначена для подготовки звуков, воспроизводимых колонками, в том числе для записи звука с микрофона;
* сетевая карта — служит для соединения компьютера с другими компьютерами по компьютерной сети;
* блок питания — преобразует ток электрической сети в ток, подходящий для внутренних компонентов компьютера;
* порты компьютера — разъёмы на системном блоке, предназначенные для подключения внешних устройств.

Устройства системного блока

Внешние устройства. Все устройства компьютера, которые не входят в состав системного блока, будем называть внешними. К основным внешним устройствам принято относить клавиатуру, мышь и монитор.

Клавиатура. Клавиатура является устройством ввода информации в компьютер. Стандартная клавиатура имеет 104 клавиши, которые можно условно разделить на несколько групп.

Функциональные клавиши F1−F12, расположенные в верхней части клавиатуры, предназначены для выполнения ряда команд при работе с некоторыми программами.

Символьные (алфавитно-цифровые) клавиши — клавиши с цифрами, русскими и латинскими буквами и другими символами, а также клавиша «пробел»; используются для ввода информации в компьютер.

Клавиши управления курсором — чёрточкой, отмечающей на экране монитора место ввода очередного символа. К ним относятся четыре клавиши со стрелками, перемещающие курсор на одну позицию в заданном направлении, а также клавиши Home, End, PageUp, PageDown, перемещающие курсор соответственно в начало строки, в конец строки, на страницу вверх и на страницу вниз.

Дополнительные клавиши, расположенные с правой стороны клавиатуры, могут работать в двух режимах, переключаемых клавишей NumLock:
* при включённом индикаторе NumLock это удобная клавишная панель с цифрами и знаками арифметических операций, расположенными так же, как на калькуляторе;
* если индикатор NumLock выключен, то работает режим управления курсором.

пециальные клавиши (Enter, Esc, Shift, Delete, Backspace, Insert и др.) — это клавиши для специальных действий; они рассредоточены по всей клавиатуре.

Клавиша Enter завершает ввод команды и вызывает её выполнение. При наборе текста служит для завершения ввода абзаца.

Клавиша Esc, расположенная в левом верхнем углу клавиатуры, обычно служит для отказа от только что выполненного действия.

Мышь. Манипулятор «мышь» — одно из основных указательных устройств ввода, обеспечивающих взаимодействие пользователя с компьютером.

Манипулятор «мышь» был изобретён более пятидесяти лет тому назад. У первых моделей манипулятора сигнальный провод выходил из задней части устройства. Схожесть сигнального провода с хвостом одноимённого грызуна и дала название новому устройству.

За дополнительной информацией об истории, разновидностях и принципах действия компьютерной мыши рекомендуем обратиться к «Википедии» — крупному энциклопедическому справочнику, функционирующему в сети Интернет.

Для ввода в компьютер всевозможных графических изображений и текстов непосредственно с бумажного оригинала используется сканер.

Ввод звуковой информации в компьютер осуществляется через микрофон, подключённый к звуковой карте.

Монитор — основное устройство персонального компьютера, предназначенное для вывода информации. На экран монитора выводится вся информация о работе компьютера; монитор позволяет отслеживать, что происходит в компьютере в данное время, каким вычислительным процессом он занят.

Для вывода информации на бумагу предназначены принтеры. Принтеры бывают чёрно-белыми и цветными. Также они различаются по способу действия. Принтеры ударного действия наносят удар по красящей ленте, соприкасающейся с бумагой. В матричном принтере удар по красящей ленте наносит группа иголок, установленных в печатающей головке. Принтеры безударного действия распыляют на бумагу чернила (струйные принтеры) или сухой тонер (лазерные принтеры). Чернила и тонер находятся в сменных картриджах.

Для вывода звуковой информации используются акустические колонки или наушники, которые подключаются к звуковой плате.

Системный блок, клавиатура, мышь и монитор образуют минимальный комплект устройств, обеспечивающих работу стационарного компьютера.

Характеристики процессора и памяти персонального компьютера, его комплектация другими устройствами определяют круг задач, для решения которых компьютер может быть использован.

Урок 7.01. Компьютер – универсальное вычислительное устройство, работающее по программе

Компьютер

Разнообразие компьютеров

Устройства компьютера и их функции

Персональный компьютер