99. Персональный компьютер

Компьютер в наши дни занял такое же место, как телефон, автомобиль и телевизор. Но, по‑видимому, это только первые предвестники тотальной эры компьютеризации, которая грядет в ближайшие десятилетия. Во всех отношениях компьютер представляет собой явление совершенно неординарное. Пожалуй, ни одно другое технологическое изобретение до него не проявляло себя так бурно, не развивалось так стремительно и не пронизывало так многогранно все сферы нашей жизни. Компьютеры уже стали незаменимы в делопроизводстве, в бизнесе, в военном деле, в науке, технике и в сотнях других видах профессиональной деятельности. Они стремительно прививаются в сферах искусства, политики и спорта. Огромно значение, которое компьютеры успели занять в частной жизни людей, в их отдыхе и взаимном общении. Но все это, быть может, служит только подготовкой или первым предвестником грандиозной информационной революции, которая грядет в ближайшие десятилетия. Потому что именно компьютер должен будет сыграть роль того магического ключика, того волшебного окошка, с помощью которого каждый отдельный индивид через глобальные компьютерные сети сможет получить доступ ко всем богатствам накопленной человечеством информации.

Хотя в наше время вычислительные операции далеко не главная и уж во всяком случае не единственная сфера применения компьютера, исторически он обязан своим возникновением именно развитию вычислительной техники. ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Как мы помним, они довольно быстро сошли со сцены, так и не найдя широкого коммерческого применения из‑за ненадежности, высокой стоимости и трудного программирования. Им на смену пришли ЭВМ второго поколения. Элементной базой этих машин стали полупроводники. Скорости переключения уже у первых несовершенных транзисторов были в сотни раз выше, чем у вакуумных ламп, надежность и экономичность — также на несколько порядков выше. Это сразу расширило сферу применения ЭВМ. Появилась возможность устанавливать их на кораблях и самолетах. Спрос на ЭВМ быстро рос. Первые серийные ЭВМ на транзисторах появились в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В 1962 году начался массовый выпуск интегральных микросхем, но уже в 1961 году была создана экспериментальная ЭВМ на 587 микросхемах. В 1964 году фирма IBM наладила выпуск машин IBM‑360 — первой массовой серии ЭВМ на интегральных элементах. Впервые тогда сделалось возможным связывать машины в комплексы и без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Так была осуществлена стандартизация аппаратного и программного обеспечения ЭВМ. Всего в серию входило 9 машин разного уровня сложности с временем выполнения операции сложения от 206 до 0, 18 микросекунды. За несколько лет было реализовано 19 тысяч компьютеров этой серии разных классов. Из этого можно заключить, что с появлением машин третьего поколения спрос на ЭВМ вырос еще больше. Их стали приобретать многие промышленные и торговые фирмы. Созданные в 1971 году микропроцессоры фирмы «Интел» имели чрезвычайный коммерческий успех, так как при небольшой стоимости обеспечивали решение достаточно большого круга оперативных задач. В 1976 году появились первые машины четвертого поколения на больших интегральных схемах — американские «Крэй‑1» и «Крэй‑2» с быстродействием 100 миллионов операций в секунду. Они содержали около 300 тысяч чипов (микросхем).

Так в двух словах выглядела предыстория персонального компьютера. Возникновения этого типа машин никто не планировал. Он свалился, образно говоря, как снег на голову. Все началось в том же 1976 году, когда два предприимчивых двадцатилетних американских техника, не имевшие специального образования, Стефан Возняк и Стив Джобс, создали в примитивной мастерской, расположенной в обыкновенном гараже, первый маленький, но многообещающий персональный компьютер. Он получил название «Эппл» («Яблоко») и первоначально предназначался для видеоигр, хотя имел также возможности для программирования. Позднее Джобс основал фирму «Эппл компьютер», которая впервые наладила массовое производства персональных компьютеров. Спрос на них превысил всякие ожидания. В короткое время фирма Джобса превратилась в крупное и процветающее предприятие. Это заставило и другие фирмы обратить внимание на рынок персональных компьютеров. В продаже появилось множество моделей «персоналок» самых разных концепций. В 1981 году свой первый персональный компьютер IBM PC выпустила фирма IBM. Успех его во всем мире был огромным, чему в немалой степени способствовал очень хороший 16‑разрядный микропроцессор Intel‑8088 и великолепно разработанное программное обеспечение фирмы «Microsoft». Следующая модель PC/XT, выпущенная в 1983 году, имела оперативную память 640 Кб, жесткий диск и высокое быстродействие. В 1986 году появилась еще более совершенная модель PC/AT на базе микропроцессора Intel‑80286. К концу десятилетия компьютеры фирмы IBM стали самыми массовыми и популярными.

Что же представляет собой персональный компьютер? Независимо от сложности компьютера его структурная схема может быть разделена на три больших отдела: память, процессор и периферийное оборудование. Память служит для запоминания чисел и логических команд (которые тоже хранятся в ней в числовом коде) и работает в постоянной связи с процессором, а когда надо — подключается к периферийным устройствам. Физически память делится на отдельные условные ячейки, в каждой из которых размещается ровно одно число фиксированной длины. Машинная ячейка характеризуется некой микроструктурой, определяющей, сколько двоичных единиц информации (битов) можно в нее записать. Биту соответствует один двоичный разряд ячейки. Эта часть ячейки, как уже говорилось, может находиться в одном из двух состояний — им соответствуют условные значения «нуль» и «единица». Восемь бит образуют более крупную единицу информации — байт, с помощью которой можно представить в памяти одну букву алфавита, цифру десятичной системы, а также любой знак препинания или какой‑нибудь другой символ. Каждой ячейке присваивается адрес, зная который можно добраться до нее, занести в нее число или считать его из ячейки. В ячейках памяти также хранится программа, состоящая из совокупности команд — элементарных предписаний того, что должна делать машина во время каждого рабочего такта. Наконец, память используется для хранения промежуточных результатов решения задачи. Работу памяти характеризуют два показателя: емкость (то есть сколько в ней можно разместить закодированных в двоичной форме чисел) и быстродействие (то есть как быстро можно эти числа записать в память и вновь извлечь оттуда). Быстродействие памяти зависит от скорости переключения каждой ячейки из одного состояния в другое.

Объем памяти и ее быстродействие, вообще говоря, находятся в противоречии друг к другу. При прочих равных условиях — чем больше память, тем меньше ее быстродействие, а чем больше быстродействие — тем меньше память. Поэтому в современных компьютерах память организуется в виде многоярусной структуры. Обычно различают память основную и внешнюю. Основная память в свою очередь состоит из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Первый, самый высший уровень, образуется оперативной памятью, непосредственно связанной с процессором. В оперативном запоминающем устройстве достигается минимальное время доступа к хранящимся в памяти данным. Второй эшелон памяти — постоянное запоминающее устройство — подключается к ОЗУ в случае его перегрузки. Оно служит как бы «быстрым справочником», к которому микропроцессор время от времени обращается за нужной информацией, или прикладными программами. Скорость его на несколько порядков ниже, чем в ОЗУ, но зато оно обладает гораздо большим объемом. Кроме того, при выключении компьютера информация из него не стирается.

К внешней памяти относят различные устройства, способные хранить большие объемы информации. Это накопители на магнитных дисках, магнитные ленты и т.п. Их быстродействие может быть еще на несколько порядков ниже, чем в устройствах основной памяти, но зато они могут обладать огромной емкостью — в несколько миллионов или миллиардов байт. Первоначально устройством внешней памяти компьютера служил обычный кассетный магнитофон. Сейчас чаще употребляются дискеты (мягкие магнитные диски, напоминающие небольшую пластинку, заключенную в специальный конверт; их емкость около 1‑1, 4 Мбайт). Информация из памяти компьютера на дискету и с дискеты в память компьютера списывается с помощью дисковода — специального устройства ввода‑вывода данных. На одной магнитофонной кассете можно записать примерно столько же информации, сколько на дискете, однако время обращения к какой‑нибудь программе или элементу данных для накопителей на магнитных лентах значительно дольше, чем для накопителя на магнитных дисках. Это и понятно, поскольку информация на ленте записывается в виде одной длинной последовательности битов и для считывания нужной информации нужно перематывать всю ленту. Сейчас в качестве устройства внешней памяти широкое распространение получили винчестеры (или жесткие диски). Их емкость очень велика (один диск может сохранять миллионы страниц печатного текста), но при этом они обладают большим быстродействием. Большая скорость достигается за счет того, что винчестер заключен в вакуум и вращается на маленьких подшипниках. В основе его — жесткая алюминиевая пластина с магнитным покрытием.

Важнейшим блоком любой ЭВМ является процессор. Его роль играет в компьютере микропроцессор — интегральная схема на кристалле кремния. В микропроцессоре реализована сложнейшая логическая схема, которую можно считать «сердцем и мозгом» машины. Само название блока говорит о его активных функциях. И действительно, процессор занимается переработкой в соответствии с программой той информации, которая содержится в памяти. В каждый рабочий такт процессор выполняет одну логическую или вычислительную операцию. Основу процессора составляют логические схемы: устройство управления, арифметическо‑логическое устройство и регистры. Устройство управления руководит работой всех компонентов компьютера; на вход этой схемы поступают из памяти коды команд, которые преобразуются в набор управляющих импульсов, рассылаемых в нужные точки схемы компьютера. Работу управляющего устройства можно уподобить действиям дирижера в оркестре, который, руководствуясь нотами музыкального произведения, с помощью дирижерской палочки указывает группам музыкантов и отдельным музыкантам моменты начала и окончания частей исполняемого музыкального произведения. Арифметико‑логическое устройство предназначено для исполнения арифметических и логических операций. Регистры — это электронные цифровые устройства для временного запоминания информации в форме двоичного числа. Если регистр может одновременно хранить 8 битов (восемь двоичных знаков) его называют восьмиразрядным. Если их 16 шестнадцатиразрядным и т.д. Регистры специализированы по своим функциям. Одни предназначены только для хранения информации, другие выступают как счетчики выполняемых команд, третьи служат для запоминания адресов выполняемых команд и т.д.

Периферийное оборудование компьютера — это большое семейство простых и сложных устройств, основное значение которых сводится к обеспечению связи компьютера с внешним миром. Прежде всего, компьютер должен быть наделен возможностями восприятия информации. Этим занимаются устройства ввода данных. Главным устройством ввода информации является клавиатура. Она содержит алфавитно‑цифровые клавиши для ввода чисел и текстов, а также клавиши для управления курсором, переключения режимов и регистров и для других целей. Клавиши на клавиатуре расположены почти так же, как на пишущей машинке.

Основным устройством для отображения информации служит дисплей, или монитор. Большинство современных дисплеев имеет в основе своей конструкции электронно‑лучевую трубку и по устройству похожи на телевизор. В современных компьютерах очень большое значение в диалоге пользователя с компьютером отводиться мыши. Мышь представляет собой небольшое устройство, скользящее по плоской поверхности. Относительные координаты ее перемещения передаются в компьютер и обрабатываются таким образом, чтобы управлять движениями на экране дисплея специально выделенного маркера, который называется курсором. Этот способ выбора позиции и указания объектов на экране очень удобен. При такой организации диалога на экране отображается несколько заранее составленных версий команд. Указывая курсором на одну из них, пользователь дает команду. Таким образом, на компьютере может успешно работать человек, не имеющий даже отдаленного понятия о программировании.

Наиболее широко встречающимся устройством вывода данных является печатающее устройство, или принтер. Но им может быть также и графопостроитель (плоттер) для вывода графиков и чертежей. Наиболее широко до недавнего времени были распространены матричные принтеры. В них изображение отдельных знаков строится на матрице размером 9 на 9 точек и формируется ударами через красящую ленту тончайших стержней. Число стержней обычно равно 9, так что точки в пределах их матрицы соприкасаются, образуя непрерывные линии. На этих принтерах легко создавать произвольные шрифты, а также выводить любые графические изображения. Более высокое качество печати дают струйные принтеры, которые допускают несколько уровней яркости и цветную печать. Принцип действия таких принтеров основан на том, что управлением программы из перемещающегося по горизонтали сопла на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил, формируя необходимое изображение.

Как и для любой ЭВМ необходимой и составной частью компьютера является его программное обеспечение. Без соответствующей программы на нем практически невозможно работать. Важнейшим классом программ каждого компьютера следует считать его операционную систему, которая осуществляет поддержку работы всех остальных программ, обеспечивает их взаимодействие с аппаратурой и предоставляет пользователю возможность общего управления компьютером. Эта система преобразует команды и действия, выполняемые человеком за компьютером, в длинные наборы коротких и простых команд, понятных компьютеру. Операционных систем не так много. В 1974 году была разработана система CP/M, положившая начало созданию операционных систем для персональных 8‑разрядных компьютеров.

Успех этой системы объяснялся ее предельной простотой и компактностью, а также тем, что она требовала очень мало памяти. В 1981 году одновременно с компьютерами IBM PC появилась операционная система MS‑DOS — дисковая операционная система фирмы «Microsoft», которая стала главной операционной системой для 16‑разрядных компьютеров. В настоящее время для этой системы создано колоссальное количество прикладных программ.

Машинная программа как бы определяет профессию компьютера в данный момент. А поскольку память компьютера можно в считанные секунды очистить от старой информации и программы и так же быстро заменить их новой программой и данными, то компьютер, как в сказке, превращается на наших глазах из феноменального вычислителя в шахматиста, бухгалтера или секретаря‑машинистку. Прикладные программы обычно обращены к человеку, который сам не разрабатывает программ (и часто даже не имеет понятия о том, как это делается), а только использует их для решения своих конкретных задач. Так, например, различные редакторы создают максимальные удобства для работы с текстами. При этом пользователь может вызывать на экран дисплея различные документы и работать с ними как на печатной машинке. Но при этом возможности и удобства работы несравненно возрастают. Пользователь, например, может произвольно задавать размер листа, размеры полей и отступов, выбирать самый разнообразный шрифт, выделять, переставлять и убирать части текста, править и вносить изменения, автоматически проверять орфографию и пунктуацию, обращаться к различным словарям (которые находятся в памяти компьютера), вставлять иллюстрации и т.д. и т.п. Он может вызвать сразу несколько документов и работать с ними одновременно, перенося данные из одного в другой. Наряду с редактором есть множество прикладных программ, ориентированных на узких специалистов. Они позволяют делать экономические и математические расчеты, писать музыку, рисовать, играть и т.д.