§ 2.1. Основные компоненты компьютера и их функции

Слово «компьютер» пришло из английского языка и означает «вычислитель». Первые такие машины и правда только считали, отсюда и название. Сегодня компьютер делает гораздо больше: показывает фильмы, переводит тексты, управляет станками и самолётами. В этом параграфе разберёмся, что такое компьютер, какими бывают компьютеры, из каких устройств они состоят и как они менялись за свою историю.

Что такое компьютер

Учебник описывает современный компьютер четырьмя признаками: это устройство для обработки данных — универсальное, электронное и программно управляемое. Разберём каждый признак по отдельности.

Универсальное — значит пригодное для самых разных целей. Одна и та же машина утром помогает бухгалтеру вести расчёты, днём художнику рисовать, а вечером школьнику смотреть учебный фильм. Компьютер умеет и обрабатывать информацию, и хранить её, и передавать; им пользуются почти во всех видах человеческой деятельности.

Такая всеядность возможна потому, что любая информация — числа, тексты, картинки, звуки — хранится внутри компьютера в одном и том же виде: двоичным кодом, цепочками нулей и единиц. Информацию, которая подготовлена для обработки на компьютере и записана двоичным кодом, называют двоичными данными, или коротко данными. Их главное удобство в том, что копировать, хранить и пересылать данные можно одними и теми же способами, какой бы ни была исходная информация: фотография и стихотворение для машины — одинаковые цепочки битов. Способы записать двоичным кодом тексты, голос и музыку, фотографии, кино и даже объёмные предметы придумали в 80-х годах XX века; с некоторыми из них ты познакомишься в следующих параграфах.

Электронное — потому что компьютер собран из огромного количества электронных деталей. Нули и единицы двоичного кода для них — это электрические сигналы: сигнал есть («включено») или сигнала нет («выключено»). Именно такие сигналы детали компьютера принимают, хранят и преобразуют.

Программно управляемое — потому что компьютер ничего не делает сам по себе. Он выполняет программу — последовательность команд, в которой расписано, что и в каком порядке сделать с данными, чтобы решить задачу. Программа, как и данные, тоже хранится двоичным кодом. Машина действует по командам тех программ, которые на неё установлены, — в этом и состоит программный принцип её работы. Сменили программу — и та же машина решает уже другую задачу.

Какими бывают компьютеры

Компьютеры окружают нас повсюду, хотя мы не всегда их замечаем. Маленькие специализированные вычислители встроены в автомобили и самолёты, в телевизоры и музыкальные колонки, в кассы магазинов и турникеты метро, в стиральные машины, холодильники, микроволновки, кондиционеры и пылесосы. Такой встроенный компьютер обычно занят одним делом: следит за температурой, считает обороты барабана, проверяет проездной билет. Всё больше становится и носимых устройств: умные часы, фитнес-браслеты, умные кольца и очки, шлемы виртуальной реальности. Кнопочные телефоны почти вытеснены смартфонами — мобильными телефонами с сенсорным экраном, которые умеют многое из того, что умеет компьютер.

Весь этот мир удобно представить пирамидой (рис. 1). В её основании — самые многочисленные устройства: встроенные компьютеры, носимые устройства и смартфоны. Середину занимают персональные компьютеры, сокращённо ПК: каждый из них рассчитан на одного человека и годится для широкого круга задач. Выше стоят серверы. Сервер — это мощный компьютер, постоянно подключённый к Интернету; он принимает запросы своих клиентов, в том числе от персональных компьютеров, и выполняет их. Когда ты открываешь сайт, страницу тебе отдаёт сервер.

На вершине пирамиды — суперкомпьютеры. По своим характеристикам и скорости вычислений они намного превосходят почти все остальные компьютеры мира. Суперкомпьютер занимает целое здание, и построить его — примерно как построить завод: нужны собственные системы охлаждения, запасное электропитание и многое другое. В учебнике показан российский суперкомпьютер «Ломоносов».

Зачем нужны такие дорогие гиганты? Есть задачи, с которыми обычная машина не справится и за годы. Это точные долгосрочные прогнозы климата, землетрясений, извержений вулканов и столкновений тектонических плит, цунами и ураганов; экологические прогнозы; расшифровка генома человека и изучение того, как отдельные гены влияют на здоровье и продолжительность жизни. Суперкомпьютеры нужны в разведке нефти и газа, в конструировании автомобилей и электронных устройств, при создании лекарств и новых материалов. Такие задачи решают на вычислительных системах, где множество вычислений идёт одновременно, параллельно, а не одно за другим.

Из каких устройств состоит компьютер

Каким бы ни был компьютер, огромным или крошечным, в нём всегда есть четыре части: процессор, память, устройства ввода и устройства вывода информации. Их работу удобно сравнить с тем, как обращается с информацией человек (рис. 2). Человек принимает информацию органами чувств — компьютер принимает её устройствами ввода. Человек обдумывает услышанное — компьютер обрабатывает данные процессором. Человек запоминает — компьютер записывает данные в память. Человек сообщает результат голосом или жестом — компьютер выдаёт его устройствами вывода.

Но сходство не делает машину человеком. Главное различие в том, что человек сам решает, как ему поступить, а компьютер выполняет то, что предписывает заложенная в него программа.

Процессор

Процессор — центральное устройство компьютера, его «мозг» и «руководитель» одновременно. Он получает данные, достаёт из оперативной памяти очередную команду программы, разбирает, что она требует, выполняет её и отправляет результат туда, куда нужно: в память, на экран, на принтер. Процессоры сравнивают по трём главным характеристикам: количеству ядер, тактовой частоте и разрядности.

Ядро — это вычислительный блок процессора. Если ядер несколько, процессор может одновременно заниматься несколькими задачами. Учебник приводит такие ориентиры: для работы с документами, сайтами и видео в Интернете компьютеру ставят четырёхъядерный процессор, а если на нём ещё и играют, лучше, чтобы ядер было от шести до восьми.

Процессор работает с электрическими импульсами, которые следуют один за другим. Промежуток времени между двумя соседними импульсами называют тактом. Тактовая частота показывает, сколько тактов процессор совершает за одну секунду. Её измеряют в гигагерцах: 1 ГГц — это миллиард тактов в секунду. Каждой операции процессор отводит определённое число тактов, поэтому чем выше частота, тем быстрее компьютер справляется с работой. По учебнику тактовая частота современных процессоров — от 1 до 4 ГГц.

Посмотрим, как из этих величин получается скорость работы. Дано: тактовая частота процессора 2 ГГц, на одну операцию уходит 5 тактов. Найти, сколько операций процессор выполнит за секунду. Решение. 2 ГГц — это 2 миллиарда, то есть 2000 миллионов тактов в секунду.