Компью́тер (англ. computer — «вычислитель»), вычисли́тельная маши́на (ЭВМ) — вычислительная машина, предназначенная для передачи, хранения и обработки информации. Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от латинского computāre — «вычислять»). Первоначально в английском языке это слово означало человека, производящего арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств. В дальнейшем его значение было перенесено на сами машины, однако современные компьютеры выполняют множество задач, не связанных напрямую с математикой. Физически компьютер может функционировать за счёт перемещения каких-либо механических частей, движения электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов любых других физических явлений.
Впервые трактовка слова «компьютер» появилась в 1897 году в Оксфордском словаре английского языка. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера.
Термин «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ», принятая в русскоязычной научной литературе, не являются синонимами. Поскольку существовали механические вычислительные машины, сконструированные без применения электроники, то ЭВМ являются подмножеством компьютеров вообще. В настоящее время словосочетание «электронная вычислительная машина» почти вытеснено из бытового употребления. Аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин в юридических документах, инженеры цифровой электроники, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-1980-х годов. Также «ЦВМ» — «цифровая вычислительная машина» в противовес «АВМ» — «аналоговая вычислительная машина».
Архитектура компьютеров может непосредственно моделировать решаемую проблему, максимально близко (в смысле математического описания) отражая исследуемые физические явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при моделировании дамб или плотин. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 1960-х годах, однако сегодня стали достаточно редким явлением. Описание проблемы производится при помощи программы, которая составляется человеком в соответствии с синтаксисом и парадигмой языка программирования. Затем, эта программа транслируется и переводится в двоичную форму, для дальнейшего выполнения на компьютере. Результат программы может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких как: индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.
Большинство задач по обработке информации, которые сводятся к математическим, могут вычисляться при помощи ЭВМ. Однако, было обнаружено, что компьютеры могут решить не любые математические задачи. Эти задачи были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала. К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.
Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, которую можно собирать из готовых узлов и блоков. Основными аппаратными компонентами вычислительной системы являются: память, центральный процессор и периферийные устройства, которые соединены между собой шиной или системной магистралью (Рис.3.)
| Рис. 3. Компоненты вычислительной системы
|
В качестве примера аппаратной конфигурации вычислительной машины ан рисунке 4 отображена организация вычислительной системы для процессора Pentium.
Вычислительная система имеет восемь шин (шина кэша (cache – память для временного хранения часто используемой информации), локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA). Каждая шина имеет свою скорость передачи данных и свои функции. Операционная система, которая управляет компьютером, содержит информацию и способы управления, как шинами, так и устройствами, которые к ним подключены.
Шина ISA (Industry Standard Architecture, промышленная стандартная архитектура) – впервые появилась на компьютерах IBM PC/AT. Эта шина работает на частоте 8,33 МГц и имеет разрядность 16 бит. Таким образом, пропускная способность шины составляет 16,67 Мбайт/сек. Используется в системе для обратной совместимости с ранним оборудованием.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, интерфейс периферийных устройств) – создана компанией Intel в качестве преемницы шины ISA. Тактовая частота шины составляет 66 МГц, а разрядность - 64 бита. Скорость передачи данных может достигать 528 Мбайт/с. В настоящее время стандарт шины PCI используют большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода.
Рисунок 4 – Организация вычислительной системы процессора Pentium
Локальная шина в системе Pentium используется для передачи центральным процессором данных микросхеме PCI -моста, который обращается к памяти по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц.
Шина кэша используются для подключения внешнего кэша, так как системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и большой внешний кэш второго уровня (кэш L2).
Шина IDE служит для присоединения запоминающих устройств на жестких магнитных и оптических дисках. Шина является потомком интерфейса контроллера диска на PC/AT, в настоящее время входит в стандартный комплект всех систем, основанных на процессорах Pentium.
Шина USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина) предназначена для присоединения к компьютеру различных устройств ввода-вывода (клавиатуры, мыши, дисковые накопители, модемы). Она использует четыре проводника, два провода которого поставляют электропитание к USB -устройствам, а два других организованы для ввода-вывода данных. Шина USB – это централизованная шина, которая управляется контроллером. Пропускная способность составляет 1,5 Мбайт/с (USB 2.0). Особенностью этой шины является ее функциональная организация динамического добавления драйверов на уровне операционной системы. Это позволяет подсоединять устройства без перезапуска операционной системы.
Шина SCSI (Small Computer System Interface, системный интерфейс малых компьютеров) – высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh, популярна в UNIX -системах и других системах на базе процессоров Intel.
Шина IEEE 1394 (FireWire) – является бит-последовательной шиной и поддерживает пакетную передачу данных со скоростью, достигающей 50 Мбайт/с. Это свойство позволяет подключать к компьютеру портативные цифровые видеокамеры и другие мультимедийные устройства. В отличие от шины USB шина IEEE 1394 не имеет центрального контроллера.
Операционная система должна уметь распознавать аппаратные составляющие и уметь их настраивать. Это требование привело компании Intel и Microsoft к разработке системы персонального компьютера, называемой plug and play («включи и работай»). До появления этой системы каждая плата ввода-вывода имела фиксированные адреса регистров ввода-вывода и уровень запроса прерывания. Например, клавиатура использовала прерывание 1 и адреса в диапазоне от 0x60 до 0x64; контроллер гибкого диска использовал прерывание 6 и адреса от 0x3F0 до 0x3F7; принтер пользовался прерыванием 7 и адресами от 0x378 до 0х37А. Если пользователь покупал звуковую карту и модем, случалось, что эти устройства случайно использовали одно и то же прерывание. Возникал конфликт, поэтому устройства не могли работать вместе. Возможным решением было встроить набор DIP -переключателей (джамперов, jumper – перемычка) в каждую плату и настроить каждую плату таким образом, чтобы адреса портов и номера прерываний различных устройств не конфликтовали друг с другом.
Plug and play позволяет операционной системе автоматически собирать информацию об устройствах ввода-вывода, централизованно назначать уровни прерывания и адреса ввода-вывода, а затем сообщать каждой плате эту информацию. Такая система работает на компьютерах Pentium.
Каждый компьютер с процессором Pentium содержит материнскую плату, на которой находится программа – система BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода). BIOS содержит программы ввода-вывода низкого уровня, включая процедуры: для чтения с клавиатуры, для вывода информации на экран, для ввода-вывода данных с диска и пр.
При начальной загрузке компьютера стартует система BIOS, которая проверяет количество установленной в системе оперативной памяти, подключение и корректность работы клавиатуры и других основных устройств. Далее BIOS проверяет шины ISA и PCI и все устройства, присоединенные к ним. Некоторые из этих устройств являются традиционными (созданными до выхода стандарта plug and play). Они имеют фиксированные уровни прерывания и адрес порта ввода-вывода (например, заданные с помощью переключателей или перемычек на плате ввода-вывода без возможности их изменения операционной системой). Эти устройства регистрируются, далее проходят регистрации устройства plug and play. Если присутствующие устройства отличаются от тех, что были во время последней загрузки, то производится конфигурирование новых устройств.
Затем BIOS определяет устройство, с которого будет происходить загрузка, по очереди пробуя каждое из списка, хранящегося в CMOS -памяти. Пользователь может изменить этот список, войдя в конфигурационную программу BIOS сразу после загрузки. Обычно сначала делается попытка загрузиться с гибкого диска. Если это не удается, пробуется компакт-диск. Если в компьютере отсутствуют и гибкий диск, и компакт-диск, система загружается с жесткого диска. С загрузочного устройства считывается в память и выполняется первый сектор. В этом секторе находится программа, проверяющая таблицу разделов в конце загрузочного сектора, чтобы определить, который из разделов является активным. Затем из того же раздела читается вторичный загрузчик. Он считывает из активного раздела операционную систему и запускает ее.
После этого операционная система опрашивает BIOS, чтобы получить информацию о конфигурации компьютера и проверяет наличие драйвера для каждого устройства. Если драйвер отсутствует, операционная система просит пользователя вставить гибкий диск или компакт-диск, содержащий драйвер (эти диски поставляются производителем устройства). Если же все драйверы на месте, операционная система загружает их в ядро. Затем она инициализирует таблицы драйверов, создает все необходимые фоновые процессы и запускает программу ввода пароля или графический интерфейс на каждом терминале.
2015-08-21
752
