Энергетика. Это центральный процессор, память, шина, блок электропитания и бессчетные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) Самый обычный, самый универсальный

«ЖЕЛЕЗО» Бессчетные элементы (устройства) компьютера, размещаемые в его системном блоке, можно подразделить всего на 5 основных групп. Это центральный процессор, память, шина, блок электропитания и бессчетные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Процессор напрямую соединён с элементами стремительной (оперативной) памяти. Её ещё называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) либо памятью случайного доступа (RAM; от англ. Random Access Memory). При выключении электропитания компьютера она очищается, и все данные, находящиеся в ней, теряются. В долговременной памяти данные сохраняются и опосля выключения компьютера. Почаще всего она больше по объёму, чем ОЗУ, хотя и не такая стремительная. Это твёрдые и гибкие диски, CD-ROM, магнитная лента и т. д. По шине данные передаются между устройствами системного блока. АЦП и ПАП преобразуют информацию из аналоговой формы (непрерывно изменяющихся значений электрического напряжения) в цифровую, компьютерную (в наборы чисел, традиционно двоичных), и обратно. АЦП и ЦАП называют контроллерами (контроллер твёрдого диска, графический контроллер, контроллеры портов и т. д.). Любой контроллер содержит микропроцессор, а означает, является компьютером, однако лишь не универсальным, в каком сам установлен, а специализированным. В микросхемах BIOS «запаяны» программы, которые выполняются при включении компьютера и как бы оживляют его, превращая множество соединённых проводками деталей в единое целое — в готовый к работе универсальный преобразователь инфы. Наружные, периферийные устройства, или просто периферия (клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер и т. д.), подсоединяются к компьютеру через порты. КАК УСТРОЕНА КОМПЬЮТЕРНАЯ ПАМЯТЬ Память компьютеров, вне зависимости от того, как она физически устроена, можно представлять себе в виде ленты с ячейками, как в машине Тьюринга. Лишь это совсем длинная лента — даже в настольных компьютерах таковых ячеек сейчас от 4 до 32 млн. Все ячейки памяти последовательно пронумерованы, начиная с нуля. Номер ячейки принято именовать ее адресом, а размер, от которого зависит, насколько огромные числа могут в неё поместиться, — размерам машинного слова. Размер машинного слова — совсем важная черта компьютера. Помните про знаки машины Тьюринга, которые обозначают и команды процессору, и данные? В компьютере все они — числа. Отсюда, а именно, следует, что от размера машинного слова зависит наибольший размер памяти. Предположим, к примеру, что размер машинного слова таков, что в него можно уместить любое число от 0 до 255. Понятно, что нам не удастся записать в это слово адресок случайной ячейки, если ячеек больше 256. А коли ячейка не пронумерована, не имеет адреса, то для процессора ее просто нет. Неуж-то нам придётся каждое вводимое в память число сначала разбивать на «куски», помещающиеся в ячейку, а позже, при чтении, собирать его из этих «кусочков»? Для обеспечения быстродействия необходимо, чтобы число было записано и прочитано за одно обращение к памяти. Иными словами, хоть какое число должно целиком умещаться в одной ячейке. К примеру, в массивных компьютерах длина машинного слова составляет 64 разряда (8 б) более. Длина машинного слова памяти сегодняшних персональных компьютеров — 32 разряда. КАК ПРОЦЕССОР РАБОТАЕТ С ПАМЯТЬЮ Итак, всё, что хранится в памяти компьютера, представлено в форме чисел. И процессор всякий раз, когда читает содержимое очередной ячейки памяти, должен заблаговременно «знать», что именно там находится — команда, адресок либо данные (и какие именно). По другому он не сумеет верно воспользоваться числом, прочитанным в ячейке. Это, с одной стороны, огромное неудобство: сбившись со счёта, комп перестанет верно работать — будет воспринимать команды за данные, а адреса ячеек за команды. И тогда ничего не останется, как вынудить его начать всё поновой, т. е. выключить комп и включить (перезагрузить). При включении запускаются процедуры инициализации. Это специальные программы нулевого уровня, «зашитые» в «железо» компьютера, в его постоянную память — BIOS. Их назначение, образно говоря, состоит в том, чтоб поновой объяснить компьютеру, что он такое, как и что он должен делать, где и что у него находится. С иной стороны, если данные в памяти компьютера — числа, то и работать с ними можно как с числами, т. е. с тем, что поддаётся обработке и преобразованию. Другими словами, компьютер способен изменять сам себя (помните про программно-аппаратную сущность компьютера?). Ведь что такое программа? Набор ячеек в памяти, в которых лежат (записанные в форме чисел) команды процессору и данные. Ну и почему нельзя поменять значения чисел в этих ячейках? Можно поменять. Однако это будет означать изменение команд и последовательности их выполнения, изменение данных, к которым команды используются. Словом, изменится программа, т. е. некоторая часть (может быть, очень принципиальная) компьютера. ПОЧЕМУ ЧИСЛА В КОМПЬЮТЕРЕ ДВОИЧНЫЕ? Все знают либо слышали, что числа хранятся в компьютере в двоичной форме. Ещё употребляется термин «бинарные числа». Кто-то полагает, что двоичные числа совершенно особые числа, принципиально хорошие от десятеричных, которые мы привыкли записывать арабскими цифрами. Это не так. Число, записано ли оно в двоичной, десятеричной, шестнадцатеричной или какой-нибудь другой системе, остаётся одним и тем же. Изменяется только форма его записи, внешний облик. В двоичной системе счисления числа записываются помощью лишь 2-ух цифр — 0 и 1. Эти числа можно использовать для интерпретации 2-ух противоположных состояний (к примеру, «да-нет», «истина-ложь», «включено-выключено»). Последние легко представить в электронном устройстве 2-мя уровнями напряжения. Потому-то двоичная система счисления и стала основой современной вычислительной техники. Если б в компьютерах применялись десятичные числа, то электронные устройства имели бы десять уровней напряжения — один для каждой числа. Компьютеры были бы существенно более сложными, а означает, менее надёжными более дорогими. Слово бит (bit) значит двоичную цифру (0 либо 1). В байт входят восемь бит — двоичных цифр, восемь разрядов. В компьютерном мире всё принято измерять в б. В б «помещается» 256 различных значений (к примеру, числа от -127 до 128 либо от 0 до 255). Буквы европейских языков, знаки препинания и знаки десятичных цифр занимают в памяти также по одному байту. АЦП И ПАП Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает информацию — превращает сигналы из наружного мира в наборы чисел, которые способен различать и читать комп. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) решает обратную задачу: преобразует наборы чисел в аналоговый, т. е. непрерывно изменяющийся, сигнал. Нецифровые приборы и устройства тем либо другим образом способны его воспринять и использовать. Строго говоря, АЦП и ЦАП имеют дело лишь с электрическими аналоговыми сигналами — непрерывно изменяющимися значениями напряжения либо силы тока. Потому если мы, например, желаем оцифровать звук (звуковые колебания), то его поначалу нужно перевоплотить в электрический ток (скажем, при помощи микрофона). АЦП замерит аналоговый сигнал через очень короткие, по человечьим меркам, промежутки времени и преобразует итог каждого замера в соответственное числовое значение. Правда, вместо плавной кривой получится набор ступенек. Однако чем почаще делаются замеры, тем ближе набор ступенек к исходной кривой, тем лучше запишется в память компьютера оцифрованный (дискретизированный) звук. Например, на компакт-дисках записан звук, оцифрованный с частотой 44 сто замеров в секунду, а высота ступенек меняется от 0 до 65 536. Поэтому для хранения 1-го замера необходимо 2 б, а чтобы уяснить фрагмент какого-нибудь музыкального произведения продолжительностью 1с — 2x44100 = 88 200 б. Сейчас понятно, почему звуковые файлы занимают так много места на жестком диске? Зато, превратив их при помощи ЦАП в аналоговый электрический сигнал и подав его через усилитель на громкоговоритель, можно наслаждаться любимыми мелодиями. Чтоб оцифровать картину, нужно разбить ее на точки и найти яркость (цвет) каждой из них, а получившиеся числа, характеризующие яркость (цвет) соответственных точек, — последовательно, точка за точкой записать в память компьютера. Оцифровывают не только звуковые и световые колебания, однако и показания любых измерительных устройств: сейсмографов, радаров, датчиков давления, температуры, влажности, загазованности и т. д. Напротив, числа из компьютера, преобразованные при помощи ЦАП в значения управляющих напряжений больших и малых движителей, принуждают в конечном итоге раскрываться и закрываться заслонки и клапаны в двигателях внутреннего сгорания, поворачиваться элероны на крыльях самолётов и т. д.

Машинка фон Неймана — схема универсального компьютера, предложенная выдающимся южноамериканским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г. По этой схеме действует хоть какой комп. Как, впрочем, и каждый универсальный преобразователь инфы, не обязательно электронный. Процессор, выполняя ту либо иную программу, расположенную в памяти, заведует вводом в память и выводом из неё данных. Попавшие в память данные процессор обрабатывает. Вот два простейших варианта. Если вы работаете с текстовым редактором, то, нажав на клавиатуре (устройстве ввода) кнопку «пробел», увидите на экране монитора (устройстве вывода), что курсор сдвинулся вправо. Если же вы нажали на «пробел», играя в DOOM, то, к примеру, раскроется тайник — при условии, что он «перед вами» и вы это «заслужили». Спорить о том, что «главнее» — процессор, выполняющий программу, или программа, управляющая работой процессора, можно так же долго, как и о том, что возникло ранее — яйцо или курица. Самый обычный комп — машинка Тьюринга, придуманная английским математиком Аланом М. Тьюрингом в 1936— 1937 гг. Как и машина фон Неймана, это теоретическая модель. Однако если машинка фон Неймана позволяет уяснить, как устроен комп, то машинка Тьюринга — как работают цифровые компьютеры. Почти все современные ЭВМ — прямые, хотя и сильно изменившиеся потомки машинки Тьюринга. Ввод, вывод и память в машине Тьюринга представляют собой ленту, разделённую на квадратики, либо ячейки. Любая ячейка содержит некий знак либо пуста. Процессор машины Тьюринга способен за один раз (такт) разглядеть лишь одну из ячеек. В зависимости от того, что за символ помещён в данной ячейке, процессор может стереть этот знак, записать в ячейке иной знак, перемотать ленту вперёд-назад на некоторое число ячеек, окончить работу, выполнить комбинацию перечисленных действий. К примеру, символ «+», помещённый в одну из ячеек, может означать таковой набор инструкций (команд) процессору: «Передвинься на ячейку вправо, там будет число, прочти и запомни его. Передвинься ещё на ячейку вправо, там тоже будет число, прочти его и прибавь к первому числу, полученную сумму запомни. Сотри 2-ое число, на его место запиши результат сложения. Передвинься ещё на ячейку вправо и прочти в ней последующую команду». Знаками чисел могут быть в данном случае сами числа. Либо другая команда — обозначенная эмблемой «=»: «В 2-ух ячейках справа лежит по числу. Сравни их значения. Если числа равны между собой, то запиши в третью ячейку единицу, а если нет — то нуль». На самом деле и в этом случае аннотации процессору следовало бы излагать так же тщательно, как и в первом. Однако нам, к счастью, нет надобности точно воспроизводить все слишком маленькие детали аннотации, которую должен получать любой процессор, чтоб его можно было выстроить не только мысленно, но и на практике. Тьюринг строго математически доказал: придуманное им примитивное устройство способно решать очень сложные арифметические и логические задачки даже при совсем небольшом числе знаков, используемых для обозначения команд и обрабатываемых данных. Однако ленты с записанными на них командами и данными просто поменять, а потому комп (и в виде машинки Тьюринга) может совладать с любыми задачками обработки инфы, если только... Если лишь нам удастся выложить способ решения этих задач на языке знаков, понятных машине. В общем, ясно: полезность конкретной машинки Тьюринга прямо зависит от того, как богат набор символов, которые способен распознавать ее процессор. И естественно, от того, как быстро процессор распознаёт и обрабатывает знаки на ленте, записывает их, переходит от ячейки к ячейке (двигает ленту). А то и жизни может не хватить, чтоб дождаться решения какой-нибудь большой задачки. Несложно додуматься, что процессор довольно сложное устройство. Как минимум, он должен уметь: 1) читать, писать и стирать знаки, переходить от ячейки к ячейке; 2) оперировать с знаками (сравнивать, преобразовывать), для чего ему, а именно, нужно место для их временного хранения-запоминания. Действительно, обычная схема всякого процессора включает в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) с своей памятью (называемой регистрами, внутренним кэшем и т. д.). Внимательный читатель, возможно, отметил, что процессор, являющийся лишь частью (хотя и самой принципиальной) компьютера, представляет собой машинку фон Неймана. Сейчас, когда компьютеры стали привычной деталью нашего обихода, трудно представить себе, как потрясло изобретение Тьюринга его современников. Машинка может решать арифметические и логические задачки, которые и большинству-то людей не по зубам! И мало кто из нас осознаёт, сколь огромно число элементарных операций, которые делает комп, когда мы, одним движением пальца нажимая на кнопок мыши или клавиатуры, «перелистываем» электронную книжку с картинами.