Компьютер - Computer

А компьютер это машина которым можно поручить выполнение последовательности из арифметика или же логичный операции автоматически через компьютерное программирование. Современные компьютеры обладают способностью выполнять обобщенный набор операций, называемых программы. Эти программы позволяют компьютерам выполнять чрезвычайно широкий круг задач. "Полный" компьютер, включая аппаратное обеспечение, то Операционная система (основной программного обеспечения ), и периферийный оборудование, необходимое и используемое для «полной» работы, может называться компьютерная система. Этот термин может также использоваться для группы компьютеров, которые связаны и работают вместе, в частности компьютерная сеть или же компьютерный кластер.

Компьютеры используются как Системы управления для самых разных промышленный и потребительские устройства. Сюда входят простые устройства специального назначения, такие как микроволновые печи и пульты управления, 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. В Интернет запускается на компьютерах и связывает сотни миллионов других компьютеров и их пользователей.

Ранние компьютеры задумывались только как вычислительные устройства. С давних времен простые ручные устройства, такие как счеты помогал людям в расчетах. В начале Индустриальная революция, некоторые механические устройства были созданы для автоматизации длительных утомительных задач, таких как создание шаблонов для ткацкие станки. Более сложная электрическая машины сделал специализированный аналог расчеты в начале 20 века. Первый цифровой электронные счетные машины были разработаны в Вторая Мировая Война. Первый полупроводник транзисторы в конце 1940-х гг. последовали кремний -основан МОП-транзистор (МОП-транзистор) и монолитная интегральная схема (IC) чиповые технологии в конце 1950-х годов, что привело к микропроцессор и микрокомпьютерная революция в 1970-е гг. С тех пор скорость, мощность и универсальность компьютеров резко возросли. Количество МОП-транзисторов растет быстрыми темпами (как предсказывает Закон Мура ), что приводит к Цифровая революция в конце 20 - начале 21 века.

Условно современный компьютер состоит как минимум из одного обрабатывающий элемент обычно центральное процессорное устройство (CPU) в виде металл-оксид-полупроводник (MOS) микропроцессор вместе с некоторыми типами память компьютера, обычно MOS полупроводниковая память чипсы. Элемент обработки выполняет арифметические и логические операции, а блок управления и последовательности может изменять порядок операций в ответ на сохраненные Информация. Периферийный К устройствам относятся 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 сенсорный экран ). Периферийные устройства позволяют получать информацию из внешнего источника, а также позволяют сохранять и извлекать результаты операций.

Этимология

Человек-компьютер с микроскопом и калькулятором, 1952 год.

Согласно Оксфордский словарь английского языка, первое известное употребление слова «компьютер» было в 1613 году в книге под названием Коллекции Ён Мана английского писателя Ричарда Брейтуэйта: «Я [так в оригинале] читал самый настоящий компьютер« Таймс »и лучшего арифметика, которого когда-либо дышали, и он сокращает ваши дни до короткого числа». Это использование термина относилось к человеческий компьютер, человек, проводивший 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]

В Интернет-словарь этимологии дает первое засвидетельствованное использование «компьютера» в 1640-х годах, что означает «тот, кто считает»; это «агент существительное из вычислений (v.)». В Интернет-словарь этимологии утверждает, что использование этого термина для обозначения ""вычислительная машина" (любого типа) датируется 1897 годом ". Интернет-словарь этимологии указывает на то, что «современное использование» термина, означающего «программируемый цифровой электронный компьютер», датируется «1945 годом под этим именем; [в] теоретическом [смысле] - с 1937 года, поскольку Машина Тьюринга ".^[3]

История

До 20 века

В Кость Ишанго, а костяной инструмент начиная с доисторическая африка.

Устройства использовались для помощи в вычислениях на протяжении тысяч лет, в основном с использованием индивидуальная переписка с пальцы. Самый ранний счетный прибор, вероятно, был формой подсчет. Более поздние средства ведения документации по всему Плодородный Полумесяц включали камни (глиняные сферы, конусы и т. д.), которые представляли собой количество предметов, вероятно, домашнего скота или зерна, запечатанных в полых контейнерах из необожженной глины.^[4][5] Использование счетные стержни это один из примеров.

Китайский Suanpan (算盘). Число, представленное на этом счеты составляет 6,302,715,408.

В счеты изначально использовался для арифметических задач. В Римские счеты был разработан из устройств, используемых в Вавилония еще в 2400 году до нашей эры. С тех пор было изобретено множество других форм счетных досок или столов. В средневековом европейском Счетная палата клетчатую ткань кладут на стол, и маркеры перемещают по ней в соответствии с определенными правилами для помощи при подсчете денежных сумм.^[6]

В Антикитерский механизм, начиная с древняя Греция около 150–100 гг. до н.э., это ранний аналоговые вычисления устройство.

В Антикитерский механизм считается самым ранним механическим аналоговый компьютер, в соответствии с Дерек Дж. Де Солла Прайс.^[7] Он был разработан для расчета астрономических координат. Он был открыт в 1901 году в г. Затонувший корабль Антикитера у греческого острова Антикифера, между Китера и Крит, и был датирован c. 100 г. до н.э.. Устройства уровня сложности, сравнимого с антикиферским механизмом, не появятся снова до тысячи лет спустя.

Многие механические средства для расчетов и измерений были созданы для использования в астрономии и навигации. В планисфера был карта звездного неба изобретен Абу Райханом аль-Бируни в начале 11 века.^[8] В астролябия был изобретен в Эллинистический мир в I или II веках до нашей эры и часто приписывается Гиппарх. Комбинация планисферы и диоптрия, астролябия была фактически аналоговым компьютером, способным решать несколько различных типов задач в сферическая астрономия. Астролябия с механическим календарь компьютер^[9][10] и передача -колеса были изобретены Аби Бакром из Исфахан, Персия в 1235 г.^[11] Абу Райхан аль-Бируни изобрел первый механический редуктор лунно-солнечный календарь астролябия^[12] ранний исправленныйпроводной обработка знаний машина^[13] с зубчатая передача и шестерни,^[14] c. 1000 г. н.э..

В сектор вычислительный инструмент, используемый для решения задач пропорциональности, тригонометрии, умножения и деления, а также для различных функций, таких как квадраты и кубические корни, был разработан в конце 16 века и нашел применение в артиллерийском деле, геодезии и навигации.

В планиметр был ручным инструментом для вычисления площади замкнутой фигуры путем обведения ее с помощью механической связи.

А логарифмическая линейка.

В логарифмическая линейка был изобретен около 1620–1630 годов, вскоре после публикации концепции логарифм. Это аналоговый компьютер с ручным управлением для умножения и деления. По мере развития логарифмической линейки добавлялись шкалы, обеспечивающие обратные величины, квадраты и квадратные корни, кубы и кубические корни, а также трансцендентные функции такие как логарифмы и экспоненты, круговые и гиперболический тригонометрия и другие функции. Скользящие линейки со специальными шкалами до сих пор используются для быстрого выполнения рутинных вычислений, таких как E6B круговая логарифмическая линейка, используемая для расчета времени и расстояния на легких самолетах.

В 1770-х гг. Пьер Жаке-Дро, швейцарец часовщик, построил механическую куклу (автомат ), который мог 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 г. Невшатель, Швейцария, и действует до сих пор.^[15]

В 1831–1835 гг. Математик и инженер. Джованни Плана разработал Вечный календарь, который, несмотря на систему шкивов, цилиндров и более, мог предсказать вечный календарь на каждый год от 0 г. до н.э. (то есть 1 г. до н.э.) до 4000 г. н.э., отслеживая високосные годы и переменную продолжительность дня. В машина для прогнозирования приливов и отливов изобретен Сэр Уильям Томсон в 1872 г. имел большое значение для судоходства на мелководье. Он использовал систему шкивов и тросов для автоматического расчета прогнозируемых уровней приливов за заданный период в определенном месте.

В дифференциальный анализатор, механический аналоговый компьютер, предназначенный для решения дифференциальные уравнения к интеграция, для выполнения интеграции использовались колесно-дисковые механизмы. В 1876 г. Лорд Кельвин уже обсуждал возможную конструкцию таких вычислителей, но он был загнан в тупик из-за ограниченного выходного крутящего момента шаровые интеграторы.^[16] В дифференциальном анализаторе выход одного интегратора управлял входом следующего интегратора или выводом графика. В усилитель крутящего момента был достижением, которое позволило этим машинам работать. Начиная с 1920-х годов, Ванневар Буш и другие разработали механические дифференциальные анализаторы.

Первое вычислительное устройство

Часть Бэббиджа Различный двигатель.

Чарльз Бэббидж, английский инженер-механик и эрудит, возникла концепция программируемого компьютера. Считается "отец компьютера ",^[17] он концептуализировал и изобрел первые механический компьютер в начале 19 века. После работы над своим революционным разностный двигатель, предназначенный для помощи в навигационных расчетах, в 1833 году он понял, что гораздо более общий дизайн, Аналитическая машина, было возможно. Ввод программ и данных должен был осуществляться в машину через перфокарты, метод, используемый в то время для управления механическими ткацкие станки такой как Жаккардовый ткацкий станок. Для вывода машина будет иметь принтер, плоттер кривых и звонок. Машина также сможет вводить числа на карточки, чтобы их можно было прочитать позже. Двигатель включает в себя арифметико-логическое устройство, поток управления в виде условное ветвление и петли, и интегрированный объем памяти, что сделало его первым проектом универсального компьютера, который можно описать современными терминами как Полный по Тьюрингу.^[18][19]

Машина опередила свое время примерно на столетие. Все детали для его машины приходилось делать вручную - это была серьезная проблема для устройства, состоящего из тысяч деталей. В конце концов проект был распущен по решению Британское правительство 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 аналитической машины ( мельница) в 1888 г. Он успешно продемонстрировал его использование в вычислительных таблицах в 1906 г.

Аналоговые компьютеры

Сэр Уильям Томсон Третья конструкция машины для предсказания приливов, 1879–1881 гг.

В первой половине ХХ века многие научные вычисление потребности были удовлетворены все более изощренными аналоговые компьютеры, который использовал прямую механическую или электрическую модель проблемы в качестве основы для вычисление. Однако они не были программируемыми и, как правило, не обладали универсальностью и точностью современных цифровых компьютеров.^[20] Первый современный аналоговый компьютер был машина для прогнозирования приливов и отливов, изобретенный Сэр Уильям Томсон в 1872 г. дифференциальный анализатор, механический аналоговый компьютер, предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования с использованием колесно-дисковых механизмов, был концептуализирован в 1876 г. Джеймс Томсон, брат более известного лорда Кельвина.^[16]

Искусство механических аналоговых вычислений достигло своего апогея с появлением дифференциальный анализатор, построенный Х. Л. Хазеном и Ванневар Буш в Массачусетский технологический институт начиная с 1927 года. Он построен на механических интеграторах Джеймс Томсон и усилители крутящего момента, изобретенные 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 самолет (Системы управления ).

Цифровые компьютеры

Электромеханический

К 1938 г. ВМС США разработал электромеханический аналоговый компьютер, достаточно маленький, чтобы его можно было использовать на борту подводная лодка. Это был Компьютер данных торпеды, в котором использовалась тригонометрия для решения задачи о стрельбе торпедой по движущейся цели. В течение Вторая Мировая Война аналогичные устройства были разработаны и в других странах.

Реплика Цузе с Z3, первый полностью автоматический цифровой (электромеханический) компьютер.

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 вакуумные трубки. В Z2, созданный немецким инженером Конрад Зузе в 1939 году был одним из первых образцов электромеханического релейного компьютера.^[21]

В 1941 году Цузе последовал за своей более ранней машиной, выпустив Z3, первая в мире рабочая электромеханический программируемый, полностью автоматический цифровой компьютер.^[22][23] Z3 выпускался с 2000 г. реле, реализуя 22кусочек длина слова который работал в тактовая частота примерно 5–10Гц.^[24] Программный код поставлялся на перфорированном фильм в то время как данные могут храниться в памяти на 64 слова или передаваться с клавиатуры. В некоторых отношениях он был очень похож на современные машины, в нем были реализованы многочисленные достижения, такие как числа с плавающей запятой. Вместо более сложной для реализации десятичной системы (используемой в Чарльз Бэббидж более ранний дизайн), используя двоичный Система означала, что машины Цузе были проще в сборке и потенциально более надежны с учетом технологий, доступных в то время.^[25] Z3 сам по себе не был универсальным компьютером, но его можно было расширить до Тьюринг завершен.^[26][27]

Электронные лампы и цифровые электронные схемы

Чисто Электронная схема элементы вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты, в то время как цифровые вычисления заменили аналоговые. Инженер Томми Флауэрс, работая в Почтовое отделение Научно-исследовательская станция в Лондон в 1930-х годах начали исследовать возможности использования электроники для обмен телефонами. Экспериментальное оборудование, которое он построил в 1934 году, было введено в эксплуатацию пятью годами позже, преобразовав часть обмен телефонами сети в систему электронной обработки данных, используя тысячи вакуумные трубки.^[20] В США, Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Э. Берри Университета штата Айова разработали и протестировали Атанасов – Берри Компьютер (ABC) в 1942 году,^[28] первая «автоматическая электронно-цифровая вычислительная машина».^[29] Эта конструкция также была полностью электронной и использовала около 300 электронных ламп с конденсаторами, закрепленными в механически вращающемся барабане для памяти.^[30]

Колосс, первый электронный цифровой программируемый вычислительное устройство, которое использовалось для взлома немецких шифров во время Второй мировой войны.

Во время Второй мировой войны британцы в Bletchley Park добился ряда успехов в взломе зашифрованных немецких военных сообщений. Немецкая шифровальная машина, Enigma, впервые был атакован с помощью электромеханического бомбы которыми часто руководили женщины.^[31][32] Взломать более изощренный немецкий Лоренц SZ 40/42 машина, используемая для армейской связи высокого уровня, Макс Ньюман и его коллеги поручили Флауэрсу построить Колосс.^[30] С начала февраля 1943 года он потратил одиннадцать месяцев на разработку и строительство первого Колосса.^[33] После функциональных испытаний в декабре 1943 года Colossus был отправлен в Блетчли-парк, куда он был доставлен 18 января 1944 года.^[34] и атаковал свое первое сообщение 5 февраля.^[30]

Колосс был первым в мире электронный цифровой программируемый компьютер.^[20] В нем использовано большое количество вентилей (вакуумных трубок). У него был вход для бумажной ленты, и его можно было настроить для выполнения различных логическая логика операции над его данными, но это не было Полный 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 был первым электронным устройством, полным Тьюринга, и выполнял баллистические расчеты траектории для Армия США.

В ENIAC^[37] (Электронный числовой интегратор и компьютер) был первым электронным программируемым компьютером, построенным в США. Хотя ENIAC был похож на Colossus, он был намного быстрее, гибче и удобнее. Полный по Тьюрингу. Как и в случае с Colossus, «программа» ENIAC определялась состоянием коммутационных кабелей и переключателей, в отличие от сохраненная программа электронные машины, появившиеся позже. После того, как программа была написана, ее нужно было механически установить в машину с ручным сбросом 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, что 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 байтов). Построен под руководством Джон Мочли и Дж. Преспер Эккерт в Университете Пенсильвании разработка и строительство ENIAC длились с 1943 года до полной эксплуатации в конце 1945 года. Машина была огромной, весом 30 тонн, потребляла 200 киловатт электроэнергии и содержала более 18000 электронных ламп, 1500 реле и сотни тысячи резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.^[40]

Современные компьютеры

Концепция современного компьютера

Принцип современного компьютера был предложен Алан Тьюринг в своей основополагающей статье 1936 г.^[41] О вычислимых числах. Тьюринг предложил простое устройство, которое он назвал «Универсальной вычислительной машиной» и которое 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 сохраненная программа, где все инструкции для вычислений хранятся в памяти. Фон Нейман признал, что центральная концепция современного компьютера возникла благодаря этой статье.^[42] Машины Тьюринга по сей день являются центральным объектом изучения в теория вычислений. За исключением ограничений, накладываемых их ограниченным объемом памяти, современные компьютеры, как говорят, Полный по Тьюрингу, то есть у них есть алгоритм возможность выполнения эквивалентна универсальной машине Тьюринга.

Сохраненные программы

Раздел Манчестер Бэби, первый электронный компьютер с хранимой программой

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 ( программа ), который подробно описывает вычисление. Теоретическая основа для ЭВМ с хранимой программой была заложена Алан Тьюринг в его статье 1936 года. В 1945 году Тьюринг присоединился к Национальная физическая лаборатория и начал работу по разработке электронного цифрового компьютера с хранимой программой. Его отчет 1945 г. «Предлагаемый электронный калькулятор» был первой спецификацией для такого устройства. Джон фон Нейман в Пенсильванский университет также распространил свой Первый проект отчета о EDVAC в 1945 г.^[20]

В Манчестер Бэби был первым в мире компьютер с хранимой программой. Он был построен в Университет Виктории в Манчестере к Фредерик К. Уильямс, Том Килберн и Джефф Тотилл, и запустила свою первую программу 21 июня 1948 года.^[43] Он был разработан как испытательная площадка для Трубка Вильямса, первый произвольный доступ 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, Манчестер Марк 1. Грейс Хоппер был первым человеком, который развил компилятор для языка программирования.^[2]

Mark 1, в свою очередь, быстро стал прототипом для Ферранти Марк 1, первый в мире коммерчески доступный компьютер общего назначения.^[46] Построен Ферранти, он был доставлен в Манчестерский университет в феврале 1951 года. По крайней мере семь из этих более поздних машин были поставлены в период с 1953 по 1957 год, одна из них Оболочка лаборатории в Амстердам.^[47] В октябре 1947 года директора британской кейтеринговой компании J. Lyons & Company решила принять активное участие в продвижении коммерческой разработки компьютеров. В ЛЕВ I компьютер введен в эксплуатацию в апреле 1951 г.^[48] и запустил первый в мире обычный офисный компьютер работа.

Транзисторы

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Концепция полевой транзистор был предложен Юлиус Эдгар Лилиенфельд в 1925 г. Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работая под Уильям Шокли в Bell Labs, построил первую рабочую транзистор, то точечный транзистор, в 1947 г., за которым последовал биполярный переходной транзистор в 1948 г.^[49][50] С 1955 года транзисторы заменили вакуумные трубки в 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 неопределенный 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 изготовить на массовое производство основы, что ограничило их ряд специализированных приложений.^[51]

На Манчестерский университет, команда под руководством Том Килберн спроектировал и построил машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо вентилей.^[52] Их первый транзисторный компьютер и первым в мире был к 1953 г., а вторая версия была завершена там в апреле 1955 года.Тем не менее, машина действительно использовала клапаны для генерации тактовых сигналов 125 кГц и в схеме для чтения и записи на магнитных барабанная память, так что это был не первый полностью транзисторный компьютер. Это различие идет Харвелл КАДЕТ 1955 г.,^[53] построен отделом электроники Научно-исследовательский центр по атомной энергии в Harwell.^[53][54]

МОП-транзистор (МОП-транзистор), показывающий ворота (G), корпус (B), исток (S) и сток (D). Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета).

В полевой транзистор металл – оксид – кремний (MOSFET), также известный как MOS-транзистор, был изобретен Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году.^[55] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений.^[51] С этими высокая масштабируемость,^[56] и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем у биполярных транзисторов,^[57] MOSFET позволил построить интегральные схемы высокой плотности.^[58][59] Помимо обработки данных, это также позволило практическое использование МОП-транзисторов в качестве ячейка памяти элементы хранения, что привело к развитию MOS полупроводниковая память, который заменил ранее магнитная память в компьютерах. MOSFET привел к микрокомпьютерная революция,^[60] и стал движущей силой компьютерная революция.^[61][62] MOSFET - это наиболее широко используемый транзистор в компьютерах,^[63][64] и является основным строительным блоком цифровая электроника.^[65]

Интегральные схемы

Следующим крупным достижением в области вычислительной мощности стало появление Интегральная схема (IC) .Идея интегральной схемы была впервые предложена ученым-радаром, работающим в Королевский радар из Министерство обороны, Джеффри В.А. Даммер. Даммер представил первое публичное описание интегральной схемы на симпозиуме по прогрессу в области качества электронных компонентов в г. Вашингтон, округ Колумбия. 7 мая 1952 г.^[66]

Первые рабочие ИС были изобретены Джек Килби в Инструменты Техаса и Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor.^[67] Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый работающий интегральный образец 12 сентября 1958 года.^[68] В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как «корпус из полупроводникового материала ... в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы».^[69][70] Однако изобретение Килби было 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 настоящим монолитным ИС.^[74][72] Его чип решал многие практические проблемы, которых не было у Килби. Произведенный в Fairchild Semiconductor, он был сделан из кремний, тогда как чип Килби был сделан из германий. Монолитная ИС Нойса была сфабрикованный с использованием планарный процесс, разработанный его коллегой Жан Хорни в начале 1959 года. В свою очередь, планарный процесс был основан на кремнии пассивация поверхности и термическое окисление процессы, разработанные Мохамед Аталла в Bell Labs в конце 1950-х гг.^[75][76][77]

Современные монолитные ИС - это преимущественно МОП (металл-оксид-полупроводник ) интегральные схемы, построенные из МОП-транзисторы (МОП-транзисторы).^[78] После того, как первый MOSFET был изобретен Мохамедом Аталлой и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г.,^[79] Аталла впервые предложил концепцию МОП-интегральной схемы в 1960 году, а затем Канг в 1961 году, отметив, что простота использования МОП-транзистора. изготовление сделал его полезным для интегральных схем.^[51][80] Самой ранней экспериментальной МОП-микросхемой, которая была изготовлена, была микросхема с 16 транзисторами, созданная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 г.^[81] General Microelectronics позже представил первую коммерческую MOS IC в 1964 году,^[82] разработан Робертом Норманом.^[81] После разработки самовыравнивающиеся ворота (кремниевый затвор) МОП-транзистор Роберта Кервина, Дональд Кляйн и Джон Сарас из Bell Labs в 1967 г., первый кремниевый затвор MOS IC с самовыравнивающиеся ворота был разработан Федерико Фаггин в Fairchild Semiconductor в 1968 году.^[83] С тех пор MOSFET стал наиболее важным компонентом современных ИС.^[84]

Развитие интегральной схемы МОП привело к изобретению микропроцессор,^[85][86] и возвестили взрыв в коммерческом и личном использовании компьютеров. В то время как предмет, какие именно устройство было первый микропроцессор спорный, отчасти из-за отсутствие соглашения о точном определении термина «микропроцессор», это в значительной степени бесспорные, что первый однокристальный микропроцессор был Intel 4004,^[87] спроектирован и реализован Федерико Фаггин с использованием его технологии МОП-микросхемы с кремниевым затвором^[85] вместе с Тед Хофф, Масатоши Шима и Стэнли Мазор в Intel.^[88][89] В начале 1970-х годов технология MOS IC позволила интеграция более 10 000 транзисторов на одном кристалле.^[59]

Система на чипе (SoC) - это полноценные компьютеры на микрочип (или фишку) размером с монету.^[90] Они могли или не могли интегрировать баран и флэш-память. Если не интегрировано, ОЗУ обычно размещается непосредственно над (известное как Пакет на упаковке ) или ниже (на противоположной стороне печатная плата ) 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, интегрируют миллиарды транзисторов и потребляют всего несколько ватт. власти.

Мобильные компьютеры

Первый мобильные компьютеры были тяжелыми и работали от сети. 50 фунтов IBM 5100 был ранним примером. Более поздние портативные устройства, такие как Осборн 1 и Compaq Portable были значительно легче, но их все же нужно было подключить. Первый ноутбуки, такой как Сетка Компас, устранила это требование за счет включения батарей - а с продолжающейся миниатюризацией вычислительных ресурсов и развитием портативных батарей популярность портативных компьютеров в 2000-х годах выросла.^[91] Те же разработки позволили производителям интегрировать вычислительные ресурсы в сотовые мобильные телефоны к началу 2000-х годов.

Эти смартфоны и таблетки работают на различных операционных системах и недавно стали доминирующим вычислительным устройством на рынке.^[92] Они питаются от Система на чипе (SoC), представляющие собой законченные компьютеры на микрочипе размером с монету.^[90]

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
• Базовый 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 Tower
    • Тонкий рабочий стол
      • Мультимедийный компьютер (система нелинейного монтажа компьютеры, ПК для редактирования видео и т.п.)
      • 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:
  • Планшет
  • 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 известен как прикладной процессор или AP, если в нем отсутствуют схемы, такие как радиосхемы)
• Микроконтроллер

Аппаратное обеспечение

Воспроизвести медиа

Видео, демонстрирующее стандартные компоненты "тонкого" компьютера

Период, термин аппаратное обеспечение 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 оборудование.

История вычислительной техники

Другие темы об оборудовании

Компьютер общего назначения состоит из четырех основных компонентов: арифметико-логическое устройство (ALU), устройство управления, то объем памяти, а устройства ввода и вывода (собирательно именуемые I / O). Эти части связаны между собой автобусов, часто состоящие из групп провода Внутри каждой из этих частей находятся от тысяч до триллионов мелких электрические схемы который можно выключить или включить с помощью электронный переключатель. Каждая схема представляет собой кусочек (двоичная цифра) информации, так что, когда схема включена, она представляет «1», а когда выключена, она представляет «0» (в представлении положительной логики). Схемы расположены в логические ворота 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

Диаграмма, показывающая, как Архитектура MIPS инструкция будет декодирована системой управления

Блок управления (часто называемый системой управления или центральным контроллером) управляет различными компонентами компьютера; он считывает и интерпретирует (декодирует) инструкции программы, преобразуя их в управляющие сигналы, которые активируют другие части компьютера.^[94] Системы управления в современных компьютерах могут изменять порядок выполнения некоторых инструкций для повышения производительности.

Ключевым компонентом, общим для всех процессоров, является счетчик команд, специальная ячейка памяти (a регистр ), который отслеживает, из какого места в памяти должна быть прочитана следующая инструкция.^[95]

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. Прочтите 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) является просто еще одним набором ячеек памяти, его можно изменить путем 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 известны как «переходы» и допускают циклы (инструкции, которые повторяются компьютером) и часто условное выполнение команд (оба примера поток управления ).

Последовательность операций, которые выполняет блок управления для обработки инструкции, сама по себе похожа на короткую компьютерную программу, и, действительно, в некоторых более сложных конструкциях ЦП есть еще один компьютер меньшего размера, называемый микросеквенсор, который запускает микрокод программа, которая вызывает все эти события.

Центральный процессор (ЦП)

Блок управления, ALU и регистры вместе известны как центральное процессорное устройство (ЦПУ). Ранние процессоры состояли из множества отдельных компонентов. С 1970-х годов процессоры обычно строились на одном MOS интегральная схема чип называется микропроцессор.

Арифметико-логический блок (АЛУ)

ALU может выполнять два класса операций: арифметические и логические.^[96] Набор арифметических операций, поддерживаемых конкретным ALU, может быть ограничен сложением и вычитанием или может включать в себя умножение, деление, тригонометрия такие функции, как синус, косинус и т. д., и квадратные корни. Некоторые могут работать только с целыми числами (целые числа ) в то время как другие используют плавающая точка представлять действительные числа, 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 для этого потребуется больше времени, если его ALU не поддерживает эту операцию напрямую. ALU также может 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 Логическая логика: И, ИЛИ ЖЕ, XOR, и НЕТ. Это может быть полезно для создания сложных условные утверждения и обработка логическая логика.

Суперскаляр компьютеры могут содержать несколько ALU, что позволяет им обрабатывать несколько инструкций одновременно.^[97] Графические процессоры и компьютеры с SIMD и MIMD функции часто содержат ALU, которые могут выполнять арифметические операции с векторов и матрицы.

объем памяти

Магнитная память (с помощью магнитопроводы ) был память компьютера выбора в 1960-х, пока его не заменили на полупроводниковая память (с помощью MOS ячейки памяти ).

Память компьютера можно рассматривать как список ячеек, в которые можно помещать или читать 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, которое находится 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 набором чисел.

Почти во всех современных компьютерах каждая ячейка памяти предназначена для хранения двоичные числа группами по восемь бит (называемых байт ). Каждый байт может представлять 256 различных чисел (2⁸ = 256); либо от 0 до 255, либо от −128 до +127. Для хранения больших чисел могут использоваться несколько последовательных байтов (обычно два, четыре или восемь). Когда требуются отрицательные числа, они обычно хранятся в два дополнения обозначение. Возможны и другие варианты, но их обычно не видно 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, называемый регистры которые можно читать и записывать намного быстрее, чем в основную область памяти. Обычно существует от двух до ста регистров в зависимости от типа процессора. Регистры используются для наиболее часто используемых элементов данных, чтобы избежать доступа 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 RAM
• только для чтения памяти или ROM

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 который организует загрузку компьютера Операционная система с жесткого диска в RAM при каждом включении или перезагрузке компьютера. В встроенные компьютеры, у которых часто нет дисководов, все необходимое программное обеспечение может храниться в ПЗУ. Программное обеспечение, хранящееся в ПЗУ, часто называют прошивка, потому что теоретически это больше похоже на оборудование, чем на программное обеспечение. Флэш-память стирает различие между ПЗУ и ОЗУ, так как оно сохраняет свои данные при выключении, но также может быть перезаписано. Однако он обычно намного медленнее, чем обычные ПЗУ и ОЗУ, поэтому его использование ограничено приложениями, в которых высокая скорость не нужна.^[98]

В более сложных компьютерах может быть одна или несколько RAM кэш-память, 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)

Жесткие диски распространенные устройства хранения данных, используемые с компьютерами.

Ввод-вывод - это средство, с помощью которого компьютер обменивается информацией с внешним миром.^[99] Устройства, обеспечивающие ввод или вывод на компьютер, называются периферийные устройства.^[100] На типичном персональном компьютере периферийные устройства включают устройства ввода, такие как клавиатура и мышь, и устройства вывода, такие как дисплей и принтер. Жесткие диски, дискета диски и приводы оптических дисков служат как устройства ввода, так и вывода. Компьютерная сеть - это еще одна форма ввода-вывода. Устройства ввода-вывода часто представляют собой сложные компьютеры со своими собственными процессорами и памятью. А графический процессор может содержать пятьдесят или более крошечных компьютеров, которые выполняют вычисления, необходимые для отображения 3D графика.^{[нужна цитата ]} Современное настольные компьютеры содержат много компьютеров меньшего размера, которые помогают главному процессору выполнять операции ввода-вывода. Плоский экран 2016 года выпуска 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, то есть быстрого переключения компьютера между запуском каждой программы по очереди.^[101] Одним из способов, с помощью которого это делается, является специальный сигнал, называемый прерывать, что может периодически приводить к тому, что компьютер перестает выполнять инструкции на месте 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 работают 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.^[102]

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, то ей не потребуется "временной интервал" до тех пор, пока мероприятие это ожидание произошло. Это освобождает время для выполнения других программ, так что многие программы могут выполняться одновременно без неприемлемой потери скорости.

Многопроцессорность

Cray спроектировал много суперкомпьютеров, интенсивно использующих 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. Мультипроцессор и многоядерный (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.^[103] 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 широко используются. симуляция, рендеринг графики, и криптография приложений, а также с другими так называемыми "смущающе параллельный " задачи.

Программного обеспечения

Программного обеспечения относится к частям компьютера, не имеющим материальной формы, таким как программы, данные, протоколы и т. д. Программное обеспечение - это часть компьютерной системы, которая состоит из закодированной информации или компьютерных инструкций, в отличие от физических аппаратное обеспечение из которых построена система. Компьютерное программное обеспечение включает компьютерные программы, библиотеки и связанные неисполняемые данные, Такие как онлайн-документация или же цифровые СМИ. Его часто делят на программное обеспечение и программное обеспечение Компьютерное оборудование и программное обеспечение требуют друг друга, и ни одно из них не может быть реально использовано в отдельности. Когда программное обеспечение хранится на оборудовании, которое не может быть легко изменено, например, с помощью BIOS ПЗУ в Совместимость с IBM PC компьютер, его иногда называют "прошивкой".

Языки

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

Программ

Отличительной чертой современных компьютеров, которая отличает их от всех других машин, является то, что они могут быть запрограммированный. То есть какой-то тип инструкции (в программа ) можно передать компьютеру, и он их обработает. Современные компьютеры на базе фон Неймана архитектура часто имеют машинный код в виде императивный язык программирования. На практике компьютерная программа может состоять всего из нескольких инструкций или расширяться до многих миллионов инструкций, как и программы для текстовые процессоры и веб-браузеры Например. Типичный современный компьютер может выполнять миллиарды инструкций в секунду (гигафлопс ) и редко ошибается за долгие годы эксплуатации. Большие компьютерные программы, состоящие из нескольких миллионов инструкций, могут занять команды программисты лет на написание, и из-за сложности задачи почти наверняка содержат ошибки.

Архитектура хранимой программы

Реплика Манчестер Бэби, первый в мире электронный компьютер с хранимой программой, на Музей науки и промышленности в Манчестере, Англия

Этот раздел относится к наиболее распространенным RAM машина –На базе компьютеров.

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 с компьютера. объем памяти и обычно проводятся (казнен ) в том порядке, в котором они были даны. Однако обычно существуют специальные инструкции, которые говорят компьютеру перейти вперед или назад в какое-либо другое место в программе и продолжить выполнение оттуда. Они называются инструкциями "перехода" (или ветви ). Кроме того, могут выполняться инструкции перехода. 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 иногда 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 поток управления внутри программы, и это то, что позволяет компьютеру многократно выполнять задачи без вмешательства человека.

Для сравнения, человек, использующий карман калькулятор может выполнять базовые арифметические операции, такие как сложение двух чисел 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 наверняка ошибкой. С другой стороны, компьютер можно запрограммировать на это с помощью всего нескольких простых инструкций. Следующий пример записан в Язык ассемблера MIPS:

  начинать:  добавить $8, $0, 0           # инициализировать сумму до 0  добавить $9, $0, 1           # установить первое число для добавления = 1  петля:  слти $10, $9, 1000       # проверяем, меньше ли число 1000  быть Q $10, $0, Конец      # если нечетное число больше n, то выйти  Добавить $8, $8, $9           # обновить сумму  добавить $9, $9, 1           # получить следующий номер  j петля                   # повторить процесс суммирования  Конец:  Добавить $2, $8, $0           # помещаем сумму в выходной регистр

После получения команды запустить эту программу компьютер будет выполнять повторяющуюся задачу добавления без дальнейшего вмешательства человека. Он почти никогда не ошибется, а современный компьютер может выполнить задачу за доли секунды.

Машинный код

В большинстве компьютеров отдельные инструкции хранятся как Машинный код при этом каждой инструкции присваивается уникальный номер (код операции или код операции для краткости). Команда сложения двух чисел будет иметь один код операции; команда для их умножения будет иметь другой код операции и так далее. Самые простые компьютеры способны выполнять любую из нескольких различных инструкций; у более сложных компьютеров есть несколько сотен на выбор, каждый с уникальным числовым кодом. 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.^{[нужна цитата ]}, архитектура. В некоторых случаях компьютер может хранить часть или всю свою программу в памяти, которая хранится отдельно от данных, с которыми он работает. Это называется Гарвардская архитектура после Гарвард Марк I компьютер. Современные компьютеры фон Неймана демонстрируют некоторые черты гарвардской архитектуры в своих конструкциях, например, в Кеши процессора.

Хотя можно писать компьютерные программы в виде длинных списков чисел (машинный язык ), и хотя этот метод использовался на многих ранних компьютерах,^[104] это чрезвычайно утомительно и потенциально подвержено ошибкам на практике, особенно для сложных программ. Вместо этого каждой базовой инструкции можно дать короткое имя, которое указывает на ее функцию и легко запоминается - a мнемонический такие как ДОБАВИТЬ, ПОДПИСАТЬ, НЕСКОЛЬКО или ПЕРЕРЫВАТЬ. Эти мнемоники известны как компьютерные язык ассемблера. Преобразование программ, написанных на ассемблере, в то, что компьютер действительно может понять (машинный язык), обычно выполняется компьютерной программой, называемой ассемблером.

1970-е годы перфокарта содержащий одну строку из Фортран программа. На карточке написано: «Z (1) = Y + W (1)», а для идентификации она помечена «PROJ039».

Язык программирования

Языки программирования предоставляют различные способы указания программ для запуска на компьютере. В отличие от естественные языки, языки программирования разработаны таким образом, чтобы не допускать двусмысленности и быть краткими. Это чисто письменные языки, и их часто трудно читать вслух. Обычно они переводятся на Машинный код по компилятор или ассемблер перед запуском или переведены непосредственно во время выполнения устный переводчик. Иногда программы выполняются гибридным методом из двух методов.

Языки низкого уровня

Машинные языки и языки ассемблера, которые их представляют (вместе именуемые языки программирования низкого уровня) обычно уникальны для конкретной архитектуры центрального процессора компьютера (ЦПУ ). Например, ARM архитектура ЦП (например, можно найти в смартфон или портативная видеоигра ) не понимает машинный язык x86 ЦП, который может быть в ПК.^[105] 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 языке ассемблера часто затруднено и также подвержено ошибкам. Поэтому большинство практических программ написаны более абстрактно. языки программирования высокого уровня которые способны выразить потребности программист удобнее (и тем самым поможет уменьшить ошибку 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 компилятор.^[106] 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 приставки.

Дизайн программы

Программный дизайн небольших программ относительно прост и включает в себя анализ проблемы, сбор входных данных, использование программных конструкций в пределах языков, 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, появляются 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. программного обеспечения системы представляет собой значительную интеллектуальную проблему. Производство программного обеспечения с приемлемо высокой надежностью в рамках предсказуемого графика и бюджета исторически было трудным; академическая и профессиональная дисциплина программная инженерия концентрируется именно на этой проблеме.

Ошибки

Фактически первая компьютерная ошибка, моль, найденная в ловушке реле компьютера Harvard Mark II.

Ошибки в компьютерных программах называются "ошибки ". Они могут быть доброкачественными и не влиять на полезность программы или иметь лишь незначительные эффекты. Но в некоторых случаях они могут вызвать нарушение работы программы или всей системы"повесить ", перестает отвечать на ввод, например мышь щелчков или нажатий клавиш, чтобы полностью выйти из строя или крушение. В противном случае доброкачественные ошибки могут иногда использоваться для злого умысла недобросовестным пользователем, написавшим эксплуатировать, 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.^[107]Адмирал Грейс Хоппер, американский ученый-компьютерщик и разработчик первой компилятор, считается за то, что впервые использовал термин «ошибки» в вычислениях после того, как была обнаружена мертвая бабочка, замыкающая реле в Гарвард Марк II компьютер в сентябре 1947 года.^[108]

Сеть и Интернет

Визуализация части маршруты в Интернете

Компьютеры использовались для координации информации между несколькими местами с 1950-х годов. Вооруженные силы США МУДРЕЦ Система была первым крупномасштабным примером такой системы, которая привела к появлению ряда коммерческих систем специального назначения, таких как Сабля.^[109] В 1970-е годы компьютерные инженеры исследовательских институтов США начали соединять свои компьютеры вместе с помощью телекоммуникационных технологий. Проект финансировался ARPA (сейчас DARPA ), а компьютерная сеть результат был назван ARPANET.^[110] Технологии, которые сделали возможной Arpanet, распространялись и развивались.

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 модифицированы, 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 высокотехнологичной среде, 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. На самом деле 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 должен быть электронный, ни даже не процессор, ни баран, ни даже жесткий диск. В то время как популярное использование слова «компьютер» является синонимом персонального электронного компьютера, современные^[111] дословно определение компьютера: "Устройство, которое вычисляет, особенно программируемая [обычно] электронная машина, которая выполняет высокоскоростные математические или логические операции или которая собирает, хранит, коррелирует или иным образом обрабатывает информацию ».^[112] Любое устройство, которое обрабатывает информацию квалифицируется как компьютер, особенно если обработка является целенаправленной.^{[нужна 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 и способны рассчитывать любые вычислимая функция, 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 взломать некоторые современные алгоритмы шифрования ( квантовый факторинг ) очень быстро.

Парадигмы компьютерной архитектуры

Есть много видов компьютерные архитектуры:

• Квантовый компьютер против. Химический компьютер
• Скалярный процессор против. Векторный процессор
• Неравномерный доступ к памяти (NUMA) компьютеры
• Зарегистрировать машину против. Штабелеукладчик
• Гарвардская архитектура против. фон Неймана архитектура
• Сотовая архитектура

Из всех этих абстрактные машины, квантовый компьютер является самым многообещающим для революции в вычислениях.^[113] Логические ворота являются общей абстракцией, которая может применяться к большинству из вышеперечисленных цифровой или же аналог парадигмы. Возможность хранить и выполнять списки инструкций, называемых программы делает компьютеры чрезвычайно универсальными, отличая их от калькуляторы. В Тезис Черча – Тьюринга математическое выражение этой универсальности: любой компьютер с минимальная возможность (полная по Тьюрингу) в принципе способен выполнять те же задачи, что и любой другой компьютер. Поэтому любой компьютер (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 искусственный интеллект и машинное обучение. Продукты на основе искусственного интеллекта обычно делятся на две основные категории: системы на основе правил и распознавание образов системы. 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, клубах и обществах по стандартизации как формального, так и неформального характера.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Компьютеры в Wikimedia Commons
• В Викиверситете есть тест по этой статье
• Уорхол и компьютер