Компьютер

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Персональный компьютер 774

Компьютер (от англ. computer или персональный компьютер — «вычислитель»), электронная вычислительная машина (ЭВМ), вычислительмашина или техническое средство, комплекс электо-механических составляющих в виде отдельных частей соединённых между собой воедино и обеспечивающих совместную работу при помощи математической логической программы записанной в микросхему или на диск; предназначен для проведения различных вычислений условно логического характера, а также ввода, вывода, хранения и передачи информации.[1]

При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Кроме того, компьютер при помощи программного обеспечения способен принимать, хранить и осуществлять поиск информации, выводить информацию на различные виды устройств вывода. Своё название компьютеры получили по своей основной функции — проведению вычислений. В настоящее время функция вычислений для компьютеров становится второстепенной, и большинство компьютеров используются для обработки и управления информацией, а также игр.

Выполнение поставленных перед ним задач компьютер может обеспечивать при помощи перемещения каких-либо механических частей, движения потоков электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов от любых других хорошо изученных физических явлений.

Термин «компьютер» является условным синонимом аббревиатуры «ЭВМ» (электронной вычислительной машины). В других же случаях под компьютерами понимается вообще все категории вычислительных устройств, а не только ЭВМ, то есть в данном понимании ЭВМ - это подкласс компьютеров. После появления персональных компьютеров, термин ЭВМ в последствие уступил место более удобному термину «компьютер».

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.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде, при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме (в виде единиц и нулей, представленных соответствующими сигналами), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку значительная часть математики может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач (а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть легко сведены к математическим).

Было доказано, что компьютеры всё-таки не могут решить любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.

Неграмотные начинающие пользователи и особенно дети зачастую с трудом воспринимают идею того, что компьютер — просто машина, которая не может самостоятельно «думать» или «понимать» те слова, которые он показывает. Компьютер лишь механически отображает заданные программой линии и цвета при помощи устройств ввода-вывода. Человеческий мозг сам признаёт в изображённом на экране образы, числа или слова и придаёт им те или иные значения.

Этимология[править]

Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от латинского computo — «вычисляю»). 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.

Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском английском словаре. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера.

История[править]

Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.

  • 3000 лет до н. э. — в Древнем Вавилоне были изобретены первые счёты — абак.
  • 500 лет до н. э. — в Китае появился более «современный» вариант абака с косточками на соломинках — суаньпань.
  • 87 год до н. э. — в Греции был изготовлен «антикитерский механизм» — механическое устройство на базе зубчатых передач, представляющее собой специализированный астрономический вычислитель.
  • XVI век — в России появились счёты, в которых было 10 деревянных шариков на проволоке.
  • 1492 год — Леонардо да Винчи в одном из своих дневников приводит эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубцовыми кольцами. Хотя работающее устройство на базе этих чертежей было построено только в XX веке, всё же реальность проекта Леонардо да Винчи подтвердилась.
Суммирующая машина Паскаля
Компьютер МЭСМ

Современный этап[править]

  • В 1948 году под руководством С.А. Лебедева, разработавшего независимо от западных учёных (в частности, фон Неймана) принципы построения универсальных ЭВМ, в Киеве началось создание первой отечественной универсальной ЭВМ - МЭСМ. Работа окончена в 1950-м году.
  • В том же, 1948 году, по приказу Сталина создан ИТМиВТ, впоследствии получивший имя Лебедева.
  • В 1952 году группой Лебедева создана первая машина серии БЭСМ.
  • В последующую пятилетку (1951-1955) в разработке вычислительной техники особенно следует отметить таких товарищей, как С.А. Лебедев, М.В. Келдыш, М.А. Лаврентьев, И.С. Брук, М.А. Карцев, Б.И. Рамеев, В.С. Антонов, А.Н. Невский, Б.И. Бурков и другие.
  • В 1955-1959 гг. А.А. Ляпунов, С.С. Камынин, Э.З. Любимский, А.П. Ершов, Л.Н. Королев, В.М. Курочкин, М.Р. Шура-Бура и другие создали «программирующие программы» — прообразы трансляторов. В.В. Мартынюк создал систему символьного кодирования — средство ускорения разработки и отладки программ.
  • В 1958 году Н. П. Брусенцов с группой единомышленников построили первую троичную ЭВМ с позиционной симметричной троичной системой счисления «Сетунь».
  • В 1955-1959 гг. заложен фундамент теории программирования (товарищами А.А. Ляпуновым, Ю.И. Яновым, А.А. Марковым, Л.А. Калужиным) и численных методов (товарищами В.М. Глушковым, А.А. Самарским, А.Н. Тихоновым). Моделируются схемы механизма мышления и процессов генетики, алгоритмы диагностики медицинских заболеваний (товарищами А.А. Ляпуновым, Б.В. Гнеденком, Н.М. Амосовым, А.Г. Ивахненком, В.А. Ковалевским и др.).
  • В 1959 году создана М-20, одна из самых быстродействующих машин своего времени. Её развитие - М-40, впоследствии была включена в состав вычислительного комплекса московской системы ПРО, которая, будучи собранной на испытательном полигоне, смогла впервые в мире поразить реальную ракету (на Западе это смогли повторить только через 23 года).
  • В 1967 году под руководством Лебедева создан один из шедевров отечественного компьютеростроения - суперЭВМ БЭСМ-6. Впоследствии эти машины верой и правдой служили стране не один десяток лет.
  • В 1979 году создан компьютер Эльбрус.
  • 15 ноября 1988 году в автоматическом режиме совершил полёт орбитальный корабль Буран.
  • В 1989 году введена в эксплуатацию суперЭВМ Эльбрус СС БИС.
  • С конца 1980-х начинается массовое распространение персональных компьютеров.
  • В 1991 году уничтожен Советский Союз, вместе с ним и отечественное компьютеростроение. Нынешние государственные образования на его территории не могут производить даже калькуляторы и мобильные телефоны.
  • Отдельно от нас компьютеростроение развивалось и на Западе, также достигшее значительных успехов и развивающееся по сей день.

Экспоненциальное развитие компьютерной техники[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Закон Мура
Диаграмма Закона Мура. Количество транзисторов удваивается каждые 2 года

После изобретения интегральной схемы развитие компьютерной техники резко ускорилось. Этот эмпирический факт, замеченный в 1965 году соучредителем компании Intel Гордоном Е. Муром, назвали по его имени Законом Мура. Столь же стремительно развивается и процесс миниатюризации компьютеров. Первые электронно-вычислительные машины (например, такие, как созданный в 1946 году Эниак) были огромными устройствами, весящими тонны, занимавшими целые комнаты и требовавшими большого количества обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько экзотическими, что, казалось, небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры — гораздо более мощные и компактные и гораздо менее дорогие — стали воистину вездесущими.

Некоторыми исследователями считается, что экспоненциальное развитие компьютерной техники в будущем может привести к технологической сингулярности. Однако, в контексте современной геополитической ситуации и грядущего кризиса конца ресурсов, когда Западная цивилизация с целью оттянуть свой крах, всячески тормозит прогресс, а также в контексте неизбежности этого краха многими исследователями указывается на то, что если Запад и дальше будет доминирующей цивилизацией, то в дальнейшем развитие будет только тормозиться, и чем дальше, тем быстрее.

Классификация[править]

Типизация по назначению[править]

Ошибка создания миниатюры: Файл не найден
Суперкомпьютер БЭСМ-6

По системам счисления[править]

По элементной основе[править]

  • релейные
  • ламповые
  • ферритдиодные
  • транзисторные дискретные
  • транзисторные интегральные

Первая троичная ЭВМ «Сетунь» на ферритдиодных ячейках была построена Брусенцовым в МГУ.

Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.

Физическая реализация[править]

Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Не секрет, что самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 1940-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. В 195060-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 1960-х — начале 1970-х годов — используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы).

Одним из первых полупроводников были точечные диоды на основе сульфида свинца (Pb) и окиси олова (Sn) в детекторных радиоприёмниках. Позже были разработаны полупроводники на основе германия (Ge). Ещё позже были разработаны полупроводники на основе кремния (Si). Если посмотреть на положение этих элементов в периодической таблице Д. И. Менделеева, то можно заметить, что все они находятся в одной колонке и движение происходит вверх по колонке в таблице, поэтому можно предположить, что следующие полупроводники будут разработаны на основе углерода (C). На планете Земля белковые живые существа в своих «думателях» (мозгах) используют белковые образования (нейроны), построенные из белковых молекул, которые в основном являются длинными углеводородными молекулами, то есть некоторые белки являются полупроводниками на основе углерода (C). Наиболее совершенным мозгом из белковых существ на планете Земля обладает человек.

Приведённый перечень технологий не является исчерпывающим; он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов (переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек).

В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.

Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.

Конструктивные особенности[править]

Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё время развития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализации компьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:

Цифровой или аналоговый[править]

Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются: логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.

Двоичный, троичный, четверичный или десятичный[править]

Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.

Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме[3]. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.

Тем не менее переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым).

В компьютерах (процессорах), созданных Хитогуровым в МИФИ, применялась четверичная система счисления с передачей одного четверичного значения по четырём сигнальным проводам (на одном — высокое напряжение, на трёх — низкое)[4].

Наибольшей плотностью записи данных обладает система счисления с основанием равным основанию натуральных логарифмов, то есть равным числу е = 2,71… Из целочисленных систем счисления наибольшей плотностью записи данных обладает троичная система счисления, двоичная и четверичная системы счисления делят второе место.

Поэтому, при одинаковой технологии (число инверторов на 1 мм²), троичные компьютеры имеют значительно большую ёмкость оперативной памяти и большую производительность процессора. Троичная логика целиком включает в себя двоичную логику, как центральное подмножество, поэтому троичные компьютеры могут всё, что могут двоичные, плюс возможности троичной логики. Например, операции умножения и деления на 3 и на 3n в двоичных компьютерах выполняются микропрограммами, а в троичных компьютерах выполняются аппаратно одной командой сдвига на 1 или n разрядов вправо или влево. Троичные алгоритмы работают быстрее двоичных алгоритмов, но на двоичных компьютерах это преимущество теряется.

Ещё больший объём памяти и производительность имеют компьютеры с нецелочисленной системой счисления с нецелочисленным основанием равным числу е = 2,71…

В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера — любой компьютер может эмулировать любой другой.

Программируемый[править]

Сергей Алексеевич Лебедев - отец-основатель отечественного компьютеростроения и один из основоположников создания архитектуры современных компьютеров

Способность машины к выполнению определённого изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости физической переконфигурации является фундаментальной особенностью компьютеров. Дальнейшее развитие эта особенность получила, когда машины приобрели способность динамически управлять процессом выполнения программы. Это позволяет компьютерам самостоятельно изменять порядок выполнения инструкций программы в зависимости от состояния данных.

Хранящий программы и данные[править]

Во время выполнения вычислений часто бывает необходимо сохранить промежуточные данные для их дальнейшего использования. Производительность многих компьютеров в значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из) памяти и её общей ёмкости. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять код программы в той же самой памяти (см.: Архитектура фон Неймана-Лебедева), что и данные. Это удачное решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющих контроллеров (микро-ЭВМ) более удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).

Классификация по способностям[править]

Одним из наиболее простых способов классифицировать различные типы вычислительных устройств является определение их способностей. Все вычислители могут, таким образом, быть отнесены к одному из трёх типов:

Современный компьютер общего назначения[править]

При рассмотрении современных компьютеров наиболее важной особенностью, отличающей их от ранних вычислительных устройств, является то, что при соответствующем программировании любой компьютер может подражать поведению любого другого (хоть эта возможность и ограничена, к примеру, вместимостью средств хранения данных или различием в скорости). Таким образом, предполагается, что современные машины могут эмулировать любое вычислительное устройство будущего, которое когда-либо может быть создано. В некотором смысле эта пороговая способность полезна для различия компьютеров общего назначения и устройств специального назначения. Определение «компьютер общего назначения» может быть формализовано в требовании, чтобы конкретный компьютер был способен подражать поведению универсальной машины Тьюринга. Первым компьютером, удовлетворяющим такому условию, считается машина Z3, созданная немецким инженером Конрадом Цузе в 1941 году (доказательство этого факта было проведено в 1998 году).

Применение компьютеров[править]

Трёхмерная карта поверхности участка земной суши, построенная при помощи компьютерной программы

Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов.

Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.

Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё бо́льшая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.

Файл:TATA-BP association with TATA.png
моделирование структуры молекулы при помощи компьютерной программы

Наконец, компьютеры развились настолько, что компьютер стал главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. То есть теперь почти любая работа с информацией осуществляется через компьютер — будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи.

Современные суперкомпьютеры используются для моделирования сложных физических и биологических процессов. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.

Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект — применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач — игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

Математические модели[править]

Архитектура компьютеров[править]

Примечания[править]

  1. Из пояснений этимологии в названии компьютера.
  2. http://potan.livejournal.com/91399.html Системы счисления (продолжение).
  3. http://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/3972/5/bab6286.0001.001.pdf Раздел 5.2 Choice of binary system (Выбор двоичной системы)
  4. http://potan.livejournal.com/91399.html Системы счисления (продолжение).

См. также[править]

См. также[править]

Ссылки[править]

Навигация[править]