Компьютер

Компьютеры и вычислительные устройства разных эпох - по часовой стрелке сверху слева:
Ранний вакуумный компьютер ( ENIAC )
Мэйнфрейм ( IBM System 360 )
Настольный компьютер (IBM ThinkCentre S50 с монитором)
Суперкомпьютер (IBM Summit )
Игровая консоль (Nintendo GameCube )
Смартфон ( LYF Вода 2)

Компьютер является машиной , которая может быть запрограммирована для выполнения последовательности из арифметических или логических операций автоматически. Современные компьютеры могут выполнять общие наборы операций, известные как программы . Эти программы позволяют компьютерам выполнять широкий спектр задач. Компьютерная система является «полным» Компьютером , который включает в себя аппаратные средства , операционная систему (главное программного обеспечения ), а также периферийное оборудование , необходимые и используемый для «полной» операции. Этот термин может также относиться к группе компьютеров, которые связаны и работают вместе, например, компьютерная сеть.или компьютерный кластер .

В широком спектре промышленных и потребительских товаров компьютеры используются в качестве систем управления . Включены простые устройства специального назначения, такие как микроволновые печи и пульты дистанционного управления , а также заводские устройства, такие как промышленные роботы и системы автоматизированного проектирования , а также устройства общего назначения, такие как персональные компьютеры и мобильные устройства, такие как смартфоны . Компьютеры питают Интернет , который связывает сотни миллионов других компьютеров и пользователей.

Ранние компьютеры предназначались только для вычислений. Простые ручные инструменты, такие как счеты , с древних времен помогали людям в вычислениях. В начале промышленной революции были созданы некоторые механические устройства для автоматизации длительных утомительных задач, таких как создание направляющих для ткацких станков . Более сложные электрические машины выполняли специализированные аналоговые вычисления в начале 20 века. Первые цифровые электронные вычислительные машины были разработаны во время Второй мировой войны . Первые полупроводниковые транзисторы в конце 1940 - х были затем кремний основанного МОП - транзистор(МОП-транзистор) и технологии монолитных интегральных схем (ИС) в конце 1950-х годов, что привело к революции микропроцессоров и микрокомпьютеров в 1970-х. С тех пор скорость, мощность и универсальность компьютеров резко возросли, при этом количество транзисторов увеличивалось быстрыми темпами (как предсказывается законом Мура ), что привело к цифровой революции в конце 20-го - начале 21-го веков.

Обычно современный компьютер состоит из, по меньшей мере, одного обрабатывающего элемента , обычно центрального процессора (ЦП) в виде микропроцессора , а также некоторого типа компьютерной памяти , обычно полупроводниковых микросхем памяти . Элемент обработки выполняет арифметические и логические операции, а блок упорядочивания и управления может изменять порядок операций в ответ на сохраненную информацию . Периферийные устройства включают устройства ввода (клавиатуры, мыши, джойстик и т. Д.), Устройства вывода (экраны мониторов, принтеры и т. Д.) И устройства ввода / вывода, которые выполняют обе функции (например, в эпоху 2000-х гг.сенсорный экран ). Периферийные устройства позволяют получать информацию из внешнего источника, а также позволяют сохранять и извлекать результаты операций.

Этимология

Согласно Оксфордскому словарю английского языка , первое известное употребление слова «компьютер» было в 1613 году в книге английского писателя Ричарда Брейтуэйта под названием The Yong Mans Gleanings : «Я [sic] читал самый настоящий компьютер Times и лучший Арифметик, который вдохнул [sic], и он сокращает дни твои в короткое число ». Это использование термина относится к человеческому компьютеру , человеку, который выполняет вычисления или вычисления. Слово сохраняло то же значение до середины 20 века. Во второй половине этого периода женщин часто нанимали в качестве компьютеров, потому что им могли платить меньше, чем их коллегам-мужчинам. ^[1] К 1943 году большинство компьютеров человека были женщинами. ^[2]

Интернет Этимология словарь дает первое засвидетельствовано использование «компьютер» в 1640 - х годах, что означает «тот , кто рассчитывает»; это «агент существительное из вычислений (v.)». В онлайн-словаре этимологии говорится, что этот термин используется для обозначения « вычислительная машина (любого типа) с 1897 года». Интернет Этимология словарь указывает , что «современное использование» термина, означает «программируемый цифровой электронный компьютер» даты с «1945 под этим названием, [в] теоретическом [смысле] с 1937, так как машина Тьюринга ». ^[3]

История

До 20 века

Устройства использовались для помощи в вычислениях на протяжении тысяч лет, в основном с использованием взаимно однозначного соответствия с пальцами . Самое раннее устройство для подсчета, вероятно, было формой счетной палочки . Более поздние средства ведения учета по всему Плодородному полумесяцу включали в себя камни (глиняные сферы, конусы и т. Д.), Которые представляли собой количество предметов, вероятно, домашнего скота или зерна, запечатанных в полых необожженных глиняных контейнерах. ^{[4] [5]} Использование счетных стержней является одним из примеров.

Счеты первоначально использовались для арифметических задач. Роман абак был разработан с устройств , используемых в Вавилонии еще в 2400 году до нашей эры. С тех пор было изобретено множество других форм счетных досок или столов. В средневековой европейской счетной палате клетчатая ткань помещалась на стол, и маркеры перемещались по ней в соответствии с определенными правилами для помощи при подсчете денежных сумм. ^[6]

По словам Дерека Дж. Де Соллы Прайса, механизм Antikythera считается первым механическим аналоговым компьютером . ^[7] Он был разработан для расчета астрономических координат. Он был обнаружен в 1901 году на затонувшем корабле Antikythera у греческого острова Antikythera , между Китерой и Критом , и датируется ок.  100 г. до н . Э. Устройства уровня сложности, сравнимого с антикиферским механизмом, появятся снова только тысячу лет спустя.

Многие механические средства для расчетов и измерений были созданы для использования в астрономии и навигации. Планисфера была звездная карта , изобретенный Abū Райхан аль-Бируни в начале 11 - го века. ^[8] астролябия была изобретена в мире эллинизма либо в 1 - й или 2 - й века до н.э. и часто приписывается Гиппарха . Комбинация планисферы и диоптры , астролябия фактически представляла собой аналоговый компьютер, способный решать несколько различных задач сферической астрономии . Астролябия, включающая в себя компьютер с механическим календарем ^{[9] [10]}и зубчатые колеса были изобретены Аби Бакром из Исфахана , Персия, в 1235 году. ^[11] Абу Райхан аль-Бируни изобрел первую механическую астролябию лунно-солнечного календаря с зубчатой ​​передачей ^[12] , раннюю машину для обработки знаний с фиксированной проводкой ^[13] с зубчатым колесом. поезд и шестерни, ^[14] c.  1000 AD .

Сектор , вычислительный инструмент , используемый для решения задач в пропорции, тригонометрия, умножения и деления, а также для различных функций, таких как квадраты и кубические корни, был разработан в конце 16 - го века и нашли применение в артиллерийском, геодезии и навигации.

Планиметр был ручным инструментом для вычисления площади замкнутой фигуры путем отслеживания над ним с механической связью.

Правило слайда было изобретено около 1620-1630, вскоре после публикации концепции логарифма . Это аналоговый компьютер с ручным управлением для умножения и деления. По мере развития логарифмической линейки добавленные шкалы обеспечивали обратные, квадраты и квадратные корни, кубы и кубические корни, а также трансцендентные функции, такие как логарифмы и экспоненты, круговая и гиперболическая тригонометрия и другие функции . Скользящие линейки со специальными шкалами до сих пор используются для быстрого выполнения рутинных вычислений, например круговая логарифмическая линейка E6B, используемая для расчета времени и расстояния на легких самолетах.

В 1770-х годах швейцарский часовщик Пьер Жаке-Дро построил механическую куклу ( автомат ), которая могла писать, держа гусиное перо. Изменяя количество и порядок его внутренних колес, можно было создавать разные буквы и, следовательно, разные сообщения. Фактически, его можно было механически «запрограммировать» на чтение инструкций. Наряду с двумя другими сложными машинами, кукла находится в Музее искусства и истории в Невшателе , Швейцария , и работает до сих пор. ^[15]

В 1831–1835 годах математик и инженер Джованни Плана изобрел машину с вечным календарем , которая, несмотря на систему шкивов, цилиндров и более, могла предсказывать вечный календарь на каждый год от 0 г. до н.э. (то есть 1 г. до н.э.) до 4000 г. отслеживание високосных лет и различной продолжительности светового дня. Машина для прогнозирования приливов, изобретенная сэром Уильямом Томсоном в 1872 году, очень пригодилась для навигации на мелководье. Он использовал систему шкивов и тросов для автоматического расчета прогнозируемых уровней приливов за заданный период в определенном месте.

Дифференциальный анализатор , механический аналоговый компьютер , предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования , используемые механизмы колеса и дисковые для выполнения интеграции. В 1876 году лорд Кельвин уже обсуждал возможную конструкцию таких вычислителей, но он был загнан в тупик из-за ограниченного выходного крутящего момента шаровых интеграторов . ^[16] В дифференциальном анализаторе выход одного интегратора управлял входом следующего интегратора или выводом графика. Усилитель крутящего момента был заранее , что позволило эти машины к работе. Начиная с 1920-х годов Ванневар Буш и другие разработали механические дифференциальные анализаторы.

Первое вычислительное устройство

Чарльз Бэббидж , английский инженер-механик и эрудит , создал концепцию программируемого компьютера. Считающийся « отцом компьютера » ^[17], он концептуализировал и изобрел первый механический компьютер в начале 19 века. После работы над своей революционной разностной машиной , предназначенной для помощи в навигационных расчетах, в 1833 году он понял, что возможна гораздо более общая конструкция - аналитическая машина . Ввод программ и данных должен был осуществляться в машину через перфокарты , метод, который в то время использовался для управления механическими ткацкими станками, такими как жаккардовый.. Для вывода машина будет иметь принтер, плоттер кривых и звонок. Машина также сможет вводить числа на карточки, чтобы их можно было прочитать позже. Движок включал в себя арифметико-логический блок , поток управления в форме условного ветвления и циклов и интегрированную память , что делало его первым проектом универсального компьютера, который в современных терминах можно описать как полный по Тьюрингу . ^{[18] [19]}

Машина опередила свое время примерно на столетие. Все детали для его станка приходилось изготавливать вручную - это была серьезная проблема для устройства, состоящего из тысяч деталей. В конце концов, проект был ликвидирован решением правительства Великобритании прекратить финансирование. Неспособность Бэббиджа завершить работу над аналитической машиной в основном объясняется политическими и финансовыми трудностями, а также его желанием разработать все более совершенный компьютер и двигаться вперед быстрее, чем кто-либо другой мог бы последовать. Тем не менее его сын, Генри Бэббидж, завершил упрощенную версию вычислительного блока ( мельницы ) аналитического механизма в 1888 году. Он успешно продемонстрировал его использование в вычислительных таблицах в 1906 году.

Аналоговые компьютеры

В течение первой половины 20-го века многие потребности в научных вычислениях были удовлетворены с помощью все более сложных аналоговых компьютеров , которые использовали прямую механическую или электрическую модель проблемы в качестве основы для вычислений . Однако они не были программируемыми и, как правило, не обладали универсальностью и точностью современных цифровых компьютеров. ^[20] Первым современным аналоговым компьютером была машина для предсказания приливов , изобретенная сэром Уильямом Томсоном в 1872 году. Дифференциальный анализатор , механический аналоговый компьютер, предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования с использованием дисковых механизмов, был разработан в 1876 году. от Джеймса Томсона, брат более известного лорда Кельвина. ^[16]

Искусство механических аналоговых вычислений достигло своего апогея с дифференциальным анализатором , созданным Х.Л. Хазеном и Ванневаром Бушем в Массачусетском технологическом институте, начиная с 1927 года. Он построен на механических интеграторах Джеймса Томсона и усилителях крутящего момента, изобретенных Х.В. Ниманом. Десяток таких устройств были построены до того, как их устаревание стало очевидным. К 1950-м годам успех цифровых электронных компьютеров положил конец большинству аналоговых вычислительных машин, но аналоговые компьютеры продолжали использоваться в течение 1950-х годов в некоторых специализированных приложениях, таких как образование ( логарифмическая линейка ) и авиация ( системы управления ).

Цифровые компьютеры

Электромеханический

К 1938 году ВМС США разработали электромеханический аналоговый компьютер, достаточно компактный, чтобы его можно было использовать на борту подводной лодки . Это был компьютер данных торпеды , который использовал тригонометрию для решения задачи обстрела торпедой движущейся цели. Во время Второй мировой войны подобные устройства разрабатывались и в других странах.

Ранние цифровые компьютеры были электромеханическими ; электрические переключатели приводили в движение механические реле для выполнения расчетов. Эти устройства имели низкую скорость работы и в конечном итоге были заменены гораздо более быстрыми полностью электрическими компьютерами, первоначально использовавшими электронные лампы . Z2 , созданный немецким инженером Конрадом Цузе в 1939 году, был одним из самых ранних примеров электромеханического реле компьютера. ^[21]

В 1941 году Цузе последовал за своей более ранней машиной с Z3 , первым в мире работающим электромеханическим программируемым полностью автоматическим цифровым компьютером. ^{[22] [23]} Z3 был построен с 2000 реле с длиной слова 22  бита, которые работали с тактовой частотой около 5–10  Гц . ^[24] Программный код поставлялся на перфорированной пленке, в то время как данные могли храниться в памяти на 64 слова или передаваться с клавиатуры. В некоторых отношениях он был очень похож на современные машины, являясь пионером многочисленных достижений, таких как числа с плавающей точкой.. Вместо более сложной в реализации десятичной системы (использовавшейся в более ранней конструкции Чарльза Бэббиджа ) использование двоичной системы означало, что машины Цузе были проще в сборке и потенциально более надежны, учитывая технологии, доступные в то время. ^[25] Z3 сам по себе не был универсальным компьютером, но мог быть расширен, чтобы быть полным по Тьюрингу . ^{[26] [27]}

Электронные лампы и цифровые электронные схемы

Элементы чисто электронных схем вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты, в то время как цифровые вычисления заменили аналоговые. Инженер Томми Флауэрс , работавший на исследовательской станции почтового отделения в Лондоне в 1930-х годах, начал исследовать возможное использование электроники для телефонной станции . Экспериментальное оборудование, которое он построил в 1934 году, было введено в эксплуатацию пятью годами позже, преобразовав часть телефонной сети в систему электронной обработки данных с использованием тысяч электронных ламп . ^[20] В США Джон Винсент Атанасов иКлиффорд Э. Берри из Университета штата Айова разработал и испытал компьютер Атанасова – Берри (ABC) в 1942 году ^[28], первый «автоматический электронный цифровой компьютер». ^[29] Эта конструкция также была полностью электронной и использовала около 300 электронных ламп с конденсаторами, закрепленными в механически вращающемся барабане для памяти. ^[30]

Во время Второй мировой войны британцы в Блетчли-парке добились ряда успехов в взломе зашифрованных немецких военных сообщений. Немецкая шифровальная машина Enigma впервые подверглась атаке с помощью электромеханических бомб, которыми часто управляли женщины. ^{[31] [32]} Чтобы взломать более сложную немецкую машину Lorenz SZ 40/42 , используемую для армейской связи высокого уровня, Макс Ньюман и его коллеги поручили Флауэрсу построить Колосс . ^[30] С начала февраля 1943 года он провел одиннадцать месяцев, проектируя и создавая первый Колосс. ^[33]После функциональных испытаний в декабре 1943 года «Колосс» был отправлен в Блетчли-Парк, где он был доставлен 18 января 1944 года ^[34] и атаковал свое первое сообщение 5 февраля. ^[30]

Colossus был первым в мире электронным цифровым программируемым компьютером. ^[20] Используется большое количество вентилей (вакуумных трубок). Он имел ввод на бумажной ленте и мог быть сконфигурирован для выполнения множества логических операций над своими данными, но не был полным по Тьюрингу . Было построено девять Mk II Colossi (Mk I был преобразован в Mk II, всего было выпущено десять машин). Colossus Mark I содержал 1500 термоэмиссионных клапанов (трубок), но Mark II с 2400 клапанами был в 5 раз быстрее и проще в эксплуатации, чем Mark I, что значительно ускорило процесс декодирования. ^{[35] [36]}

ENIAC ^[37] (электронный цифровой интегратор и компьютер) был первым электронным программируемым компьютером построен в США Хотя ENIAC был похож на колосса, он был намного быстрее, более гибкой, и это было Тьюрингу . Как и на Colossus, «программа» на ENIAC определялась состоянием его коммутационных кабелей и переключателей, в отличие от электронных машин с сохраненными программами , появившихся позже. После того, как программа была написана, ее нужно было механически ввести в машину с ручной переустановкой вилок и переключателей. Программистами ENIAC были шесть женщин, часто известных под общим названием «девушки ENIAC». ^{[38] [39]}

Он сочетал в себе высокую скорость электроники с возможностью программирования для решения многих сложных задач. Он мог складывать или вычитать 5000 раз в секунду, в тысячу раз быстрее, чем любая другая машина. В нем также были модули для умножения, деления и извлечения квадратного корня. Высокоскоростная память была ограничена 20 словами (около 80 байт). Построенный под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта в Университете Пенсильвании, ENIAC продолжался с 1943 года до полной эксплуатации в конце 1945 года. Машина была огромной, весила 30 тонн, потребляла 200 киловатт электроэнергии и содержал более 18000 электронных ламп, 1500 реле и сотни тысяч резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. ^[40]

Современные компьютеры

Концепция современного компьютера

Принцип современного компьютера был предложен Аланом Тьюрингом в его основополагающей статье 1936 года ^[41] О вычислимых числах . Тьюринг предложил простое устройство, которое он назвал «Универсальной вычислительной машиной», а теперь известно как универсальная машина Тьюринга . Он доказал, что такая машина способна вычислять все, что можно вычислить, путем выполнения инструкций (программы), хранящихся на ленте, что позволяет программировать машину. Фундаментальная концепция дизайна Тьюринга - это хранимая программа , где все инструкции для вычислений хранятся в памяти. Фон Нейман признал, что основная концепция современного компьютера возникла благодаря этой статье. ^[42]Машины Тьюринга по сей день являются центральным объектом изучения теории вычислений . За исключением ограничений, накладываемых их ограниченным объемом памяти, современные компьютеры считаются полными по Тьюрингу , то есть они обладают возможностями выполнения алгоритмов , эквивалентными универсальной машине Тьюринга.

Сохраненные программы

Ранние вычислительные машины имели фиксированные программы. Изменение его функции потребовало переоборудования и реструктуризации машины. ^[30] С предложением компьютера с хранимой программой это изменилось. Компьютер с хранимой программой включает в себя набор инструкций и может хранить в памяти набор инструкций ( программу ), детализирующий вычисления . Теоретическая основа компьютера с хранимой программой была заложена Аланом Тьюрингом в его статье 1936 года. В 1945 году Тьюринг присоединился к Национальной физической лаборатории.и начал работу по разработке электронного цифрового компьютера с хранимой программой. Его отчет 1945 года «Предлагаемый электронный калькулятор» был первой спецификацией такого устройства. Джон фон Нейман из Пенсильванского университета также распространил свой первый проект отчета о EDVAC в 1945 году ^[20].

Манчестер Ребенок был первой в мире запасенной компьютерной программы . Он был построен в Университете Виктории в Манчестере по Фредерик С. Уильямс , Том Килберне и Джефф Тутилл и побежал свою первую программу на 21 июня 1948 г. ^[43] Он был разработан в качестве испытательного полигона для трубы Williams , первый с произвольным доступом цифровое запоминающее устройство. ^[44] Хотя компьютер считался «маленьким и примитивным» по стандартам того времени, это была первая рабочая машина, которая содержала все элементы, необходимые для современного электронного компьютера. ^[45]Как только Baby продемонстрировал осуществимость своей конструкции, в университете был инициирован проект по превращению его в более удобный компьютер Manchester Mark 1 . Грейс Хоппер была первым, кто разработал компилятор для языка программирования. ^[2]

Mark 1, в свою очередь, быстро стал прототипом Ferranti Mark 1 , первого в мире коммерчески доступного компьютера общего назначения. ^[46] Построенный Ферранти , он был доставлен в Манчестерский университет в феврале 1951 года. По крайней мере, семь из этих более поздних машин были доставлены между 1953 и 1957 годами, одна из них была доставлена ​​в лаборатории Shell в Амстердаме . ^[47] В октябре 1947 года директора британской компании по организации питания J. Lyons & Company решили принять активное участие в коммерческом развитии компьютеров. LEO I компьютер был введен в эксплуатацию в апреле 1951 года ^[48]и выполнила первую в мире обычную рутинную работу за компьютером .

Транзисторы

Концепция полевого транзистора была предложена Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году. Джон Бардин и Уолтер Браттейн , работая под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs , построили первый рабочий транзистор , точечный транзистор , в 1947 году, за которым последовали биполярным переходным транзистором Шокли в 1948 году. ^{[49] [50]} С 1955 года транзисторы заменили электронные лампыв компьютерных конструкциях, что привело к появлению компьютеров «второго поколения». По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют много преимуществ: они меньше по размеру и потребляют меньше энергии, чем электронные лампы, поэтому выделяют меньше тепла. Переходные транзисторы были намного надежнее электронных ламп и имели более длительный неограниченный срок службы. Транзисторные компьютеры могут содержать десятки тысяч двоичных логических схем в относительно компактном пространстве. Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало их ряд специализированных приложений. ^[51]

В Университете Манчестера команда под руководством Тома Килберна спроектировала и построила машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо клапанов. ^[52] Их первый и первый в мире транзисторный компьютер был введен в действие к 1953 году , а вторая версия была завершена там в апреле 1955 года. Тем не менее, машина действительно использовала лампы для генерации тактовых сигналов 125 кГц и в схемах. чтобы читать и писать на своем магнитном барабане памяти , поэтому это был не первый полностью транзисторный компьютер. Это различие принадлежит Harwell CADET 1955 года ^[53], построенному подразделением электроникиИсследовательский центр по атомной энергии в Харвелле . ^{[53] [54]}

Металл-оксид-кремний полевой транзистор (MOSFET), также известный как МОП - транзистор, был изобретен Mohamed М. Atalla и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 г. ^[55] Это был первым действительно компактный транзистор , который может быть миниатюрные и серийно выпускаемые для широкого спектра применений. ^[51] Благодаря высокой масштабируемости , ^[56] и гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, ^[57] MOSFET позволил создавать интегральные схемы с высокой плотностью . ^{[58] [59]} Помимо обработки данных, это также позволило практическое использование МОП-транзисторов в качествеэлементы памяти ячейки памяти, что привело к развитию полупроводниковой памяти MOS , которая заменила более раннюю память на магнитных сердечниках в компьютерах. МОП - транзистор привел к революции микрокомпьютера , ^[60] и стал движущей силой компьютерной революции . ^{[61] [62]} МОП-транзистор является наиболее широко используемым транзистором в компьютерах, ^{[63] [64]} и является фундаментальным строительным блоком цифровой электроники . ^[65]

Интегральные схемы

Следующим крупным достижением в области вычислительной мощности стало появление интегральной схемы (ИС). Идея интегральной схемы был первый задуман радиолокационного ученый , работающий в Royal Radar создании в Министерстве обороны , Джеффри Даммер WA . Даммер представил первое публичное описание интегральной схемы на Симпозиуме по прогрессу в области качества электронных компонентов в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 г. ^[66]

Первые рабочие ИС были изобретены Джеком Килби из Texas Instruments и Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor . ^[67] Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый работающий интегрированный пример 12 сентября 1958 года. ^[68] В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как «совокупность из полупроводниковый материал ... в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы ". ^{[69] [70]} Однако изобретением Килби была гибридная интегральная схема (гибридная ИС), а не монолитная интегральная схема.(IC) чип. ^[71] ИС Килби имела внешние проводные соединения, что затрудняло серийное производство. ^[72]

Нойс также выступил с собственной идеей интегральной схемы на полгода позже Килби. ^[73] Изобретение Нойса было первым по-настоящему монолитным ИС. ^{[74] [72]} Его чип решал многие практические проблемы, которых не было у Килби. Изготовленный в Fairchild Semiconductor, он был сделан из кремния , тогда как чип Килби был сделан из германия . Монолитная ИС Нойса была изготовлена с использованием планарного процесса , разработанного его коллегой Жаном Хорни в начале 1959 года. Планарный процесс, в свою очередь, был основан на работе Аталлы по пассивации поверхности полупроводников диоксидом кремния в конце 1950-х годов. ^{[75] [76] [77]}

Современные монолитные ИС представляют собой преимущественно МОП ( металл-оксид-полупроводник ) интегральные схемы, построенные на МОП-транзисторах (МОП-транзисторы). ^[78] Самой ранней экспериментальной МОП-микросхемой, которая была изготовлена, была микросхема с 16 транзисторами, построенная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. ^[79] General Microelectronics позже представила первую коммерческую МОП-микросхему в 1964 году ^[80], разработанную Робертом. Норман. ^[79] После разработки Робертом Кервином, Дональдом Кляйном и Джоном Сарасом МОП-транзистора с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором) в Bell Labs в 1967 году была создана первая МОП-ИС с кремниевым затворомСамовыравнивающиеся вентили были разработаны Федерико Фаггин в Fairchild Semiconductor в 1968 году. ^[81] MOSFET с тех пор стал наиболее важным компонентом современных ИС. ^[82]

Развитие МОПА интегральной схему привела к изобретению микропроцессора , ^{[83] [84]} и возвестил взрыв в коммерческом и личном использовании компьютеров. Хотя вопрос о том, какое именно устройство было первым микропроцессором, является спорным, отчасти из-за отсутствия согласия относительно точного определения термина «микропроцессор», в значительной степени бесспорно, что первым однокристальным микропроцессором был Intel 4004 , ^[85] спроектирован и реализован Федерико Фаггиным с его технологией МОП-микросхемы с кремниевым затвором ^[83] вместе с Тедом Хоффом , Масатоши Шима и Стэнли Мазором из Intel .^{[86] [87]} В начале 1970-х годов технология MOS IC позволила объединить более 10 000 транзисторов на одном кристалле. ^[59]

Система на чипе (SoC) - это законченные компьютеры на микрочипе (или чипе) размером с монету. ^[88] Они могут иметь или не иметь встроенную оперативную память и флэш-память . Если не интегрировано, ОЗУ обычно размещается непосредственно над (известный как пакет на упаковке ) или ниже (на противоположной стороне печатной платы.) SoC, а флеш-память обычно размещается рядом с SoC, все это делается для повышения скорости передачи данных, поскольку сигналы данных не должны перемещаться на большие расстояния. Со времени ENIAC в 1945 году компьютеры сильно продвинулись вперед: современные SoC (такие как Snapdragon 865) размером с монету, а также в сотни тысяч раз мощнее ENIAC, объединяют миллиарды транзисторов и потребляют всего несколько ватт. власти.

Мобильные компьютеры

Первые мобильные компьютеры были тяжелыми и работали от сети. 50-фунтовый IBM 5100 был ранним примером. Более поздние портативные компьютеры, такие как Osborne 1 и Compaq Portable, были значительно легче, но их все же нужно было подключать к электросети . Первые ноутбуки , такие как Grid Compass , устранили это требование за счет включения батарей - и с продолжающейся миниатюризацией вычислительных ресурсов и усовершенствованием портативных устройств. время автономной работы, портативные компьютеры стали популярны в 2000-х годах. ^[89] Те же разработки позволили производителям интегрировать вычислительные ресурсы в сотовые мобильные телефоны к началу 2000-х годов.

Эти смартфоны и планшеты работают под управлением различных операционных систем и недавно стали доминирующими вычислительными устройствами на рынке. ^[90] Они питаются от системы на кристалле (SoC), которые представляют собой законченные компьютеры на микрочипе размером с монету. ^[88]

Типы

Компьютеры можно классифицировать по-разному, в том числе:

По архитектуре

• Аналоговый компьютер
• Цифровой компьютер
• Гибридный компьютер
• Гарвардская архитектура
• Архитектура фон Неймана
• Компьютер со сложной системой команд
• Компьютер с сокращенным набором команд

По размеру, форм-фактору и назначению

• Суперкомпьютер
• Мэйнфрейм компьютер
• Миникомпьютер (термин больше не используется)
• Сервер
  • Стоечный сервер
  • Блейд-сервер
  • Сервер башни
• Персональный компьютер
  • Рабочая станция
  • Микрокомпьютер (термин больше не используется)
    • Домашний компьютер
  • Настольный компьютер
    • Рабочий стол в корпусе Tower
    • Тонкий рабочий стол
      • Мультимедийный компьютер ( компьютеры с системами нелинейного монтажа , ПК для редактирования видео и т. Д.)
      • Игровой компьютер
    • Моноблочный ПК
    • Неттоп ( ПК в малом форм-факторе , мини-ПК)
    • Домашний кинотеатр ПК
    • Клавиатура компьютера
    • Портативный компьютер
    • Тонкий клиент
    • Интернет-устройство
  • Ноутбук
    • Замена настольного компьютера
    • Игровой ноутбук
    • Прочный ноутбук
    • 2-в-1 ПК
    • Ультрабук
    • Chromebook
    • Субноутбук
    • Нетбук
• Мобильные компьютеры :
  • Планшетный компьютер
  • Смартфон
  • Ультрамобильный ПК
  • Карманные ПК
  • Карманный ПК
  • Портативный ПК
• Носимый компьютер
  • Умные часы
  • Умные очки
• Одноплатный компьютер
• Подключите компьютер
• Stick PC
• Программируемый логический контроллер
• Компьютер на модуле
• Система на модуле
• Система в пакете
• Система на кристалле (также известная как прикладной процессор или точка доступа, если в ней отсутствуют схемы, например радиосхемы)
• Микроконтроллер

Аппаратное обеспечение

Термин « оборудование» охватывает все те части компьютера, которые являются материальными физическими объектами. Схемы, компьютерные микросхемы, графические карты, звуковые карты, память (RAM), материнская плата, дисплеи, блоки питания, кабели, клавиатуры, принтеры и устройства ввода «мыши» - все это аппаратное обеспечение.

История вычислительной техники

Другие темы об оборудовании

Универсальный компьютер состоит из четырех основных компонентов: арифметико-логического блока (ALU), блока управления , памяти и устройств ввода и вывода (вместе называемых I / O). Эти части соединены между собой шинами , часто состоящими из групп проводов . Внутри каждой из этих частей находятся от тысяч до триллионов небольших электрических цепей, которые можно выключить или включить с помощью электронного переключателя . Каждая схема представляет собой бит (двоичную цифру) информации, так что, когда схема включена, она представляет собой «1», а в выключенном состоянии - «0» (в представлении положительной логики). Схемы расположены влогические вентили, так что одна или несколько схем могут управлять состоянием одной или нескольких других схем.

Устройства ввода

Когда необработанные данные отправляются на компьютер с помощью устройств ввода, данные обрабатываются и отправляются на устройства вывода. Устройства ввода могут быть ручными или автоматизированными. Процесс обработки в основном регулируется ЦП. Вот некоторые примеры устройств ввода:

• Компьютерная клавиатура
• Цифровая камера
• Цифровое видео
• Графический планшет
• Сканер изображений
• Джойстик
• Микрофон
• Мышь
• Оверлейная клавиатура
• Часы реального времени
• Трекбол
• Сенсорный экран

Устройства вывода

Средства, с помощью которых компьютер выдает выходные данные, известны как устройства вывода. Некоторые примеры устройств вывода:

• Компьютерный монитор
• Принтер
• Динамик ПК
• Проектор
• Звуковая карта
• Видеокарта

Устройство управления

Блок управления (часто называемый системой управления или центральным контроллером) управляет различными компонентами компьютера; он считывает и интерпретирует (декодирует) инструкции программы, преобразовывая их в управляющие сигналы, которые активируют другие части компьютера. ^[92] Системы управления в современных компьютерах могут изменять порядок выполнения некоторых инструкций для повышения производительности.

Ключевым компонентом, общим для всех ЦП, является счетчик программ , специальная ячейка памяти ( регистр ), которая отслеживает, из какого места в памяти должна быть прочитана следующая инструкция. ^[93]

Система управления выполняет следующие функции - обратите внимание, что это упрощенное описание, и некоторые из этих шагов могут выполняться одновременно или в другом порядке в зависимости от типа ЦП:

1. Считайте код следующей инструкции из ячейки, указанной программным счетчиком.
2. Расшифруйте числовой код инструкции в набор команд или сигналов для каждой из других систем.
3. Увеличьте программный счетчик, чтобы он указывал на следующую инструкцию.
4. Прочтите любые данные, которые требуются инструкции, из ячеек в памяти (или, возможно, с устройства ввода). Расположение этих требуемых данных обычно хранится в коде инструкции.
5. Введите необходимые данные в ALU или зарегистрируйтесь.
6. Если для выполнения инструкции требуется ALU или специализированное оборудование, дайте указание оборудованию выполнить запрошенную операцию.
7. Запишите результат из ALU обратно в ячейку памяти, в регистр или, возможно, на устройство вывода.
8. Вернитесь к шагу (1).

Поскольку программный счетчик (концептуально) представляет собой просто еще один набор ячеек памяти, его можно изменить с помощью вычислений, выполняемых в ALU. Добавление 100 к счетчику программы приведет к тому, что следующая инструкция будет считана из места на 100 позиций дальше по программе. Команды, которые изменяют счетчик программ, часто называются «переходами» и допускают циклы (инструкции, которые повторяются компьютером) и часто условное выполнение команд (оба примера потока управления ).

Последовательность операций, которые выполняет блок управления для обработки инструкции, сама по себе подобна короткой компьютерной программе, и действительно, в некоторых более сложных конструкциях ЦП есть еще один компьютер меньшего размера, называемый микропоследовательностью , который запускает программу микрокода , все эти события должны произойти.

Центральный процессор (ЦП)

Блок управления, ALU и регистры вместе известны как центральный процессор (ЦП). Ранние процессоры состояли из множества отдельных компонентов. С 1970-х годов процессоры обычно строились на одной микросхеме интегральной схемы МОП , называемой микропроцессором .

Арифметико-логический блок (АЛУ)

ALU может выполнять два класса операций: арифметические и логические. ^[94] Набор арифметических операций, которые поддерживает конкретный ALU, может быть ограничен сложением и вычитанием или может включать в себя функции умножения, деления, тригонометрии, такие как синус, косинус и т. Д., И квадратные корни . Некоторые могут работать только с целыми числами ( целыми числами ), в то время как другие используют числа с плавающей запятой для представления действительных чисел., хотя и с ограниченной точностью. Однако любой компьютер, способный выполнять только простейшие операции, можно запрограммировать так, чтобы разбивать более сложные операции на простые шаги, которые он может выполнять. Следовательно, любой компьютер можно запрограммировать на выполнение любых арифметических операций, хотя это займет больше времени, если его ALU не поддерживает эту операцию напрямую. ALU может также сравнивать числа и возвращать логические значения истинности (истина или ложь) в зависимости от того, равно ли одно другому, больше или меньше («64 больше 65?»). Логические операции включают в себя булеву логику : И , ИЛИ , ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и НЕ . Это может быть полезно для создания сложныхусловные операторы и логическая логика обработки .

Суперскалярные компьютеры могут содержать несколько ALU, что позволяет им обрабатывать несколько инструкций одновременно. ^[95] Графические процессоры и компьютеры с функциями SIMD и MIMD часто содержат ALU, которые могут выполнять арифметические операции с векторами и матрицами .

объем памяти

Память компьютера можно рассматривать как список ячеек, в которые можно помещать или считывать числа. Каждая ячейка имеет пронумерованный «адрес» и может хранить один номер. Компьютер может быть проинструктирован «поместить число 123 в ячейку с номером 1357» или «добавить число в ячейке 1357 к числу в ячейке 2468 и поместить ответ в ячейку 1595». Информация, хранящаяся в памяти, может представлять практически что угодно. Буквы, числа и даже компьютерные инструкции могут быть с такой же легкостью помещены в память. Поскольку ЦП не различает разные типы информации, программное обеспечение обязано придавать значение тому, что память видит не чем иным, как серией чисел.

Почти во всех современных компьютерах каждая ячейка памяти настроена для хранения двоичных чисел в группах по восемь бит (называемых байтами ). Каждый байт может представлять 256 различных чисел (2 ⁸ = 256); либо от 0 до 255, либо от −128 до +127. Для хранения больших чисел можно использовать несколько последовательных байтов (обычно два, четыре или восемь). Когда требуются отрицательные числа, они обычно хранятся в виде дополнения до двух . Возможны и другие варианты, но обычно их нельзя увидеть за пределами специализированных приложений или исторического контекста. Компьютер может хранить в памяти любую информацию, если она может быть представлена ​​в числовом виде. Современные компьютеры имеют миллиарды или даже триллионы байтов памяти.

ЦП содержит специальный набор ячеек памяти, называемых регистрами, которые можно читать и записывать гораздо быстрее, чем в область основной памяти. Обычно имеется от двух до ста регистров в зависимости от типа процессора. Регистры используются для наиболее часто используемых элементов данных, чтобы избежать необходимости обращаться к основной памяти каждый раз, когда требуются данные. Поскольку данные постоянно обрабатываются, уменьшение потребности в доступе к основной памяти (которая часто является медленной по сравнению с ALU и блоками управления) значительно увеличивает скорость компьютера.

Основная память компьютера бывает двух основных типов:

• оперативная память или ОЗУ
• постоянная память или ПЗУ

Оперативная память может быть прочитана и записана в любое время по команде ЦП, но в ПЗУ предварительно загружены данные и программное обеспечение, которые никогда не меняются, поэтому ЦП может только читать из нее. ПЗУ обычно используется для хранения начальных инструкций по запуску компьютера. Как правило, содержимое ОЗУ стирается при выключении питания компьютера, но ПЗУ сохраняет свои данные на неопределенный срок. В ПК ПЗУ содержит специализированную программу, называемую BIOS, которая организует загрузку операционной системы компьютера с жесткого диска в оперативную память всякий раз, когда компьютер включается или перезагружается. Во встроенных компьютерах , которые часто не имеют дисководов, все необходимое программное обеспечение может храниться в ПЗУ. Программное обеспечение, хранящееся в ПЗУ, часто называют прошивкой., потому что теоретически это больше похоже на оборудование, чем на программное обеспечение. Флэш-память стирает различие между ПЗУ и ОЗУ, поскольку она сохраняет свои данные при выключении, но также может перезаписываться. Однако он обычно намного медленнее, чем обычные ПЗУ и ОЗУ, поэтому его использование ограничено приложениями, в которых высокая скорость не нужна. ^[96]

В более сложных компьютерах может быть одна или несколько кэш-памяти RAM , которые медленнее, чем регистры, но быстрее, чем основная память. Обычно компьютеры с таким типом кэша предназначены для автоматического перемещения часто необходимых данных в кэш, часто без необходимости какого-либо вмешательства со стороны программиста.

Ввод / вывод (I / O)

Ввод-вывод - это средство, с помощью которого компьютер обменивается информацией с внешним миром. ^[97] Устройства, обеспечивающие ввод или вывод на компьютер, называются периферийными устройствами . ^[98] На типичном персональном компьютере периферийные устройства включают устройства ввода, такие как клавиатура и мышь , и устройства вывода, такие как дисплей и принтер . Жесткие диски , дисководы гибких дисков и дисководы оптических дисков служат как устройствами ввода, так и вывода. Компьютерные сети - еще одна форма ввода-вывода. Устройства ввода-вывода часто представляют собой сложные компьютеры со своими собственными процессорами и памятью. Аграфический процессор может содержать пятьдесят или более крошечных компьютеров, которые выполняют вычисления, необходимые для отображения трехмерной графики . ^{[ необходима цитата ]} Современные настольные компьютеры содержат множество компьютеров меньшего размера, которые помогают главному процессору выполнять операции ввода-вывода. Плоскоэкранный дисплей эпохи 2016 года содержит собственную компьютерную схему.

Многозадачность

В то время как компьютер можно рассматривать как выполняющий одну гигантскую программу, хранящуюся в его основной памяти, в некоторых системах необходимо создать впечатление одновременного запуска нескольких программ. Это достигается за счет многозадачности, т.е. быстрого переключения компьютера между запуском каждой программы по очереди. ^[99] Одним из способов, с помощью которого это делается, является специальный сигнал, называемый прерыванием., что может периодически приводить к тому, что компьютер перестает выполнять инструкции там, где он был, и вместо этого делает что-то другое. Запомнив, где он выполнялся до прерывания, компьютер может вернуться к этой задаче позже. Если несколько программ работают «одновременно». тогда генератор прерываний может вызывать несколько сотен прерываний в секунду, вызывая каждый раз переключение программы. Поскольку современные компьютеры обычно выполняют инструкции на несколько порядков быстрее, чем человеческое восприятие, может показаться, что многие программы выполняются одновременно, даже если в любой момент времени выполняется только одна. Этот метод многозадачности иногда называют «разделением времени», поскольку каждой программе по очереди выделяется «отрезок времени». ^[100]

До эры недорогих компьютеров многозадачность использовалась главным образом для того, чтобы позволить множеству людей использовать один и тот же компьютер. Казалось бы, многозадачность заставит компьютер, который переключается между несколькими программами, работать медленнее, прямо пропорционально количеству запущенных программ, но большинство программ тратят большую часть своего времени на ожидание, пока медленные устройства ввода / вывода завершат свои задачи. Если программа ожидает, пока пользователь щелкнет мышью или нажмет клавишу на клавиатуре, она не займет «временной интервал», пока не произойдет событие, которого она ожидает. Это освобождает время для выполнения других программ, так что многие программы могут выполняться одновременно без неприемлемой потери скорости.

Многопроцессорность

Некоторые компьютеры предназначены для распределения своей работы между несколькими процессорами в многопроцессорной конфигурации, метод, который когда-то применялся только на больших и мощных машинах, таких как суперкомпьютеры , мэйнфреймы и серверы . Многопроцессорные и многоядерные (несколько процессоров на одной интегральной схеме) персональные и портативные компьютеры теперь широко доступны и, как следствие, все чаще используются на рынках нижнего уровня.

В частности, суперкомпьютеры часто имеют очень уникальную архитектуру, которая значительно отличается от базовой архитектуры хранимых программ и от компьютеров общего назначения. ^[101] Они часто включают тысячи процессоров, настраиваемые высокоскоростные межкомпонентные соединения и специализированное вычислительное оборудование. Такие конструкции, как правило, полезны только для специализированных задач из-за большого масштаба программной организации, необходимой для успешного использования большей части доступных ресурсов сразу. Суперкомпьютеры обычно используются в крупномасштабных приложениях для моделирования , рендеринга графики и криптографии , а также в других так называемых « досадно параллельных » задачах.

Программное обеспечение

Программное обеспечение относится к частям компьютера, не имеющим материальной формы, таким как программы, данные, протоколы и т. Д. Программное обеспечение - это та часть компьютерной системы, которая состоит из закодированной информации или компьютерных инструкций, в отличие от физического оборудования, из которого система построена. Компьютерное программное обеспечение включает компьютерные программы , библиотеки и связанные с ними неисполняемые данные , такие как онлайн-документация или цифровые носители . Его часто делят на системное и прикладное.Компьютерное оборудование и программное обеспечение требуют друг друга, и ни одно из них не может реально использоваться по отдельности. Когда программное обеспечение хранится в аппаратном обеспечении, которое не может быть легко изменено, например, с помощью ПЗУ BIOS на компьютере, совместимом с IBM PC , его иногда называют «микропрограммой».

Языки

Существуют тысячи различных языков программирования - одни предназначены для общего назначения, другие полезны только для узкоспециализированных приложений.

Программ

Отличительная черта современных компьютеров, которая отличает их от всех других машин, заключается в том, что их можно программировать . То есть компьютеру могут быть даны какие-то инструкции ( программа ), и он будет их обрабатывать. Современные компьютеры, основанные на архитектуре фон Неймана, часто имеют машинный код в форме императивного языка программирования . На практике компьютерная программа может состоять всего из нескольких инструкций или расширяться до многих миллионов инструкций, как, например, программы для текстовых процессоров и веб-браузеров . Типичный современный компьютер может выполнять миллиарды инструкций в секунду ( гигафлопс) и редко ошибается за долгие годы эксплуатации. Для написания больших компьютерных программ, состоящих из нескольких миллионов инструкций, командам программистов могут потребоваться годы, и из-за сложности задачи почти наверняка будут содержаться ошибки.

Архитектура хранимой программы

Этот раздел относится к наиболее распространенным компьютерам с оперативной памятью .

В большинстве случаев компьютерные инструкции просты: добавить одно число к другому, переместить некоторые данные из одного места в другое, отправить сообщение на какое-то внешнее устройство и т. Д. Эти инструкции считываются из памяти компьютера и обычно выполняются ( выполняются ) в том порядке, в котором они были даны. Однако обычно есть специальные инструкции, которые говорят компьютеру перейти вперед или назад в какое-то другое место в программе и продолжить выполнение оттуда. Они называются инструкциями «перехода» (или ветвями ). Кроме того, инструкции перехода могут выполняться условно.так что могут использоваться разные последовательности инструкций в зависимости от результата некоторого предыдущего вычисления или некоторого внешнего события. Многие компьютеры напрямую поддерживают подпрограммы , предоставляя тип перехода, который «запоминает» место, из которого он совершил прыжок, и другую инструкцию для возврата к инструкции, следующей за этой инструкцией перехода.

Выполнение программы можно сравнить с чтением книги. В то время как человек обычно читает каждое слово и строку по порядку, он может время от времени возвращаться к более раннему месту в тексте или пропускать разделы, которые не представляют интереса. Точно так же компьютер может иногда возвращаться и повторять инструкции в каком-то разделе программы снова и снова, пока не будет выполнено какое-то внутреннее условие. Это называется потоком управления в программе, и это то, что позволяет компьютеру многократно выполнять задачи без вмешательства человека.

Для сравнения: человек, использующий карманный калькулятор, может выполнить базовую арифметическую операцию, например сложить два числа всего несколькими нажатиями кнопок. Но для того, чтобы сложить вместе все числа от 1 до 1000, потребуются тысячи нажатий кнопок и много времени с почти полной вероятностью ошибки. С другой стороны, компьютер можно запрограммировать на это с помощью всего нескольких простых инструкций. Следующий пример написан на языке ассемблера MIPS :

 begin:  addi  $ 8 ,  $ 0 ,  0  # инициализируем сумму до 0  addi  $ 9 ,  $ 0 ,  1  # устанавливаем первое число для добавления = 1  loop:  slti  $ 10 ,  $ 9 ,  1000  # проверяем, меньше ли число 1000  beq  $ 10 ,  $ 0 ,  завершаем  # если нечетное число больше n, тогда выходим  add  $ 8 ,  $ 8 ,  $ 9  # обновляем сумму  addi  $ 9 ,  $ 9 ,  1  # получаем следующий номер  j  loop # повторить завершение процесса суммирования  :  добавить  $ 2 ,  $ 8 ,  $ 0  # поместить сумму в выходной регистр

Получив команду запустить эту программу, компьютер будет выполнять повторяющуюся задачу добавления без дальнейшего вмешательства человека. Он почти никогда не ошибется, а современный компьютер справится с этой задачей за доли секунды.

Машинный код

В большинстве компьютеров отдельные инструкции хранятся в виде машинного кода, причем каждой инструкции присваивается уникальный номер (код операции или код операции).коротко). Команда сложения двух чисел будет иметь один код операции; команда их умножения будет иметь другой код операции и так далее. Самые простые компьютеры могут выполнять любую из нескольких различных инструкций; более сложные компьютеры могут выбирать из нескольких сотен, каждый из которых имеет уникальный числовой код. Поскольку память компьютера может хранить числа, она также может хранить коды команд. Это приводит к тому важному факту, что целые программы (которые представляют собой просто списки этих инструкций) могут быть представлены в виде списков чисел и ими можно манипулировать внутри компьютера так же, как числовыми данными. Фундаментальная концепция хранения программ в памяти компьютера вместе с данными, с которыми они работают, является сутью фон Неймана, или хранимой программы ^{[цитирование ]}, архитектура. В некоторых случаях компьютер может хранить часть или всю свою программу в памяти, которая хранится отдельно от данных, с которыми он работает. Это называетсягарвардской архитектурой вчестькомпьютераHarvard Mark I.Современные компьютеры фон Неймана демонстрируют некоторые черты гарвардской архитектуры в своих конструкциях, например, вкэш-памятиЦП.

Хотя можно писать компьютерные программы в виде длинных списков чисел ( машинный язык ) и хотя этот метод использовался на многих ранних компьютерах, ^[102] это чрезвычайно утомительно и потенциально подвержено ошибкам делать это на практике, особенно для сложных программ. . Вместо этого каждой базовой инструкции можно дать короткое имя, которое указывает на ее функцию и легко запоминается - мнемоническое слово, такое как ADD, SUB, MULT или JUMP. Эти мнемоники известны как компьютерный ассемблер . Преобразование программ, написанных на языке ассемблера, в то, что компьютер действительно может понять (машинный язык), обычно выполняется компьютерной программой, называемой ассемблером.

Язык программирования

Языки программирования предоставляют различные способы задания программ для запуска на компьютере. В отличие от естественных языков , языки программирования разработаны таким образом, чтобы не допускать двусмысленности и быть краткими. Это чисто письменные языки, и их часто трудно читать вслух. Они , как правило , либо переводится в машинный код с помощью компилятора или ассемблера , прежде чем запустить, или переводить непосредственно во время выполнения с помощью переводчика . Иногда программы выполняются гибридным методом из двух техник.

Языки низкого уровня

Машинные языки и языки ассемблера, которые их представляют (вместе называемые низкоуровневыми языками программирования ), как правило, уникальны для конкретной архитектуры центрального процессора ( ЦП ) компьютера. Например, процессор с архитектурой ARM (такой, который можно найти в смартфоне или портативной видеоигре ) не может понимать машинный язык процессора x86, который может быть в ПК . ^[103] Исторически сложилось так, что было создано и широко использовалось значительное количество других архитектур ЦП, в частности, MOS Technology 6502 и 6510 в дополнение к Zilog Z80.

Языки высокого уровня

Хотя это значительно проще, чем на машинном языке, написание длинных программ на ассемблере часто затруднено и также подвержено ошибкам. Поэтому большинство практических программ написано на более абстрактных языках программирования высокого уровня , которые могут более удобно выражать потребности программиста (и тем самым помогают уменьшить количество ошибок программиста). Языки высокого уровня обычно «компилируются» в машинный язык (или иногда в язык ассемблера, а затем в машинный язык) с помощью другой компьютерной программы, называемой компилятором . ^[104]Языки высокого уровня меньше связаны с работой целевого компьютера, чем язык ассемблера, и больше связаны с языком и структурой проблем, которые должны быть решены окончательной программой. Поэтому часто можно использовать разные компиляторы для перевода одной и той же программы на языке высокого уровня на машинный язык многих различных типов компьютеров. Это часть средств, с помощью которых программное обеспечение, такое как видеоигры, может быть доступно для различных компьютерных архитектур, таких как персональные компьютеры и различные игровые консоли .

Дизайн программы

Разработка небольших программ относительно проста и включает в себя анализ проблемы, сбор входных данных, использование программных конструкций в языках, разработку или использование установленных процедур и алгоритмов, предоставление данных для устройств вывода и решения проблемы, если это применимо. По мере того как проблемы становятся более крупными и сложными, встречаются такие функции, как подпрограммы, модули, формальная документация и новые парадигмы, такие как объектно-ориентированное программирование. Большие программы, включающие тысячи строк кода и более, требуют формальных программных методологий. Задача разработки большого программного обеспечениясистемы представляет собой значительную интеллектуальную проблему. Исторически сложилось так, что создание программного обеспечения с приемлемо высокой надежностью в рамках предсказуемого графика и бюджета; академическая и профессиональная дисциплина программной инженерии сосредоточена именно на этой задаче.

Ошибки

Ошибки в компьютерных программах называются « багами ». Они могут быть доброкачественными и не влиять на полезность программы или иметь лишь незначительные эффекты. Но в некоторых случаях они могут вызвать « зависание » программы или всей системы , отсутствие реакции на ввод, например щелчки мыши или нажатия клавиш, полный отказ или сбой . В противном случае доброкачественные ошибки могут иногда использоваться со злым умыслом недобросовестным пользователем, написавшим эксплойт., код, предназначенный для использования ошибки и нарушения нормальной работы компьютера. Ошибки обычно возникают не по вине компьютера. Поскольку компьютеры просто выполняют данные им инструкции, ошибки почти всегда являются результатом ошибки программиста или недосмотра при разработке программы. ^[105] Адмирал Грейс Хоппер , американский ученый-компьютерщик и разработчик первого компилятора , впервые применил термин «ошибки» в вычислениях после того, как в сентябре 1947 года была обнаружена мертвая бабочка, замыкающая реле в компьютере Harvard Mark II . ^[106]

Сеть и Интернет

Компьютеры использовались для координации информации между несколькими местами с 1950-х годов. Система SAGE США была первым крупномасштабным примером такой системы, которая привела к появлению ряда коммерческих систем специального назначения, таких как Sabre . ^[107] В 1970-х годах компьютерные инженеры исследовательских институтов США начали соединять свои компьютеры вместе с помощью телекоммуникационных технологий. Проект финансировался ARPA (ныне DARPA ), и образовавшаяся компьютерная сеть получила название ARPANET . ^[108] Технологии, которые сделали возможным распространение и развитие Arpanet.

Со временем сеть распространилась за пределы академических и военных институтов и стала известна как Интернет. Появление сетей повлекло за собой переопределение природы и границ компьютера. Компьютерные операционные системы и приложения были изменены, чтобы включить возможность определять и получать доступ к ресурсам других компьютеров в сети, таким как периферийные устройства, хранимая информация и т.п., как расширения ресурсов отдельного компьютера. Первоначально эти возможности были доступны в основном людям, работающим в высокотехнологичных средах, но в 1990-х годах распространение таких приложений, как электронная почта и всемирная паутина , в сочетании с разработкой дешевых и быстрых сетевых технологий, таких как Ethernet и ADSL.увидел, что компьютерные сети стали почти повсеместными. Фактически, количество компьютеров, объединенных в сеть, феноменально растет. Очень большая часть персональных компьютеров регулярно подключается к Интернету для связи и получения информации. «Беспроводные» сети, часто использующие сети мобильных телефонов, означают, что сети становятся все более распространенными даже в мобильных вычислительных средах.

Нетрадиционные компьютеры

Компьютер не обязательно должен быть электронным и даже иметь процессор , оперативную память или даже жесткий диск . В то время как популярное использование слова «компьютер» является синонимом персонального электронного компьютера, современное ^[109] определение компьютера буквально: « Устройство, которое вычисляет , особенно программируемая [обычно] электронная машина, которая выполняет высокоскоростные математические или математические вычисления. логические операции или которые собирают, хранят, коррелируют или иным образом обрабатывают информацию ». ^[110] Любое устройство, обрабатывающее информацию, квалифицируется как компьютер, особенно если обработка носит целенаправленный характер. ^{[ необходима цитата ]}

Будущее

Ведутся активные исследования по созданию компьютеров из многих многообещающих новых типов технологий, таких как оптические компьютеры , ДНК-компьютеры , нейронные компьютеры и квантовые компьютеры . Большинство компьютеров универсальны, способны вычислять любую вычислимую функцию и ограничены только объемом памяти и скоростью работы. Однако разные конструкции компьютеров могут дать очень разную производительность для конкретных задач; например, квантовые компьютеры потенциально могут очень быстро взломать некоторые современные алгоритмы шифрования ( квантовым факторингом ).

Парадигмы компьютерной архитектуры

Существует много типов компьютерных архитектур :

• Квантовый компьютер против химического компьютера
• Скалярный процессор против векторного процессора
• Компьютеры с неоднородным доступом к памяти (NUMA)
• Регистрационная машина и штабелеукладчик
• Гарвардская архитектура против архитектуры фон Неймана
• Сотовая архитектура

Из всех этих абстрактных машин квантовый компьютер обещает произвести революцию в вычислениях. ^[111] Логические вентили - это общая абстракция, которая может применяться к большинству вышеперечисленных цифровых или аналоговых парадигм. Возможность хранить и выполнять списки инструкций, называемых программами, делает компьютеры чрезвычайно универсальными, что отличает их от калькуляторов . Тезис Черча-Тьюринг является математическим утверждением этой многосторонности: любой компьютер с минимальной способностью (будучи Тьюринг) , в принципе, способен выполнять те же задачи , что любой другой компьютер может выполнять. Поэтому любой тип компьютера (нетбук , суперкомпьютер , клеточный автомат и т. д.) может выполнять те же вычислительные задачи при наличии достаточного времени и емкости памяти.

Искусственный интеллект

Компьютер будет решать проблемы точно так, как он запрограммирован, без учета эффективности, альтернативных решений, возможных сокращений или возможных ошибок в коде. Компьютерные программы, которые обучаются и адаптируются, являются частью развивающейся области искусственного интеллекта и машинного обучения . Продукты на основе искусственного интеллекта обычно делятся на две основные категории: системы на основе правил и системы распознавания образов . Системы, основанные на правилах, пытаются представить правила, используемые человеческими экспертами, и, как правило, требуют больших затрат на разработку. Системы на основе шаблонов используют данные о проблеме для создания выводов. Примеры систем на основе шаблонов включают распознавание голоса, распознавание шрифтов, перевод и развивающаяся область интернет-маркетинга.

Профессии и организации

Поскольку использование компьютеров распространилось по всему обществу, растет число профессий, связанных с компьютерами.

Потребность в том, чтобы компьютеры хорошо работали вместе и могли обмениваться информацией, породила потребность во многих организациях по стандартизации, клубах и обществах как формального, так и неформального характера.

Смотрите также

Рекомендации

Заметки

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с компьютерами, на Викискладе?
• В Викиверситете есть тест по этой статье
• Уорхол и компьютер