Компютър

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Суперкомпютърът Колумбия в изследователски център на НАСА

Компютърът е устройство с общо предназначение, което може да бъде програмирано да извършва набор от аритметични или логически операции. Възможността поредицата такива операции да бъде променяна позволява компютърът да се използва за решаването на различни задачи. Обикновено целта на тези операции е обработката на въведена информация (данни), представена в цифров (дигитален) вид, резултатът от която може да се изведе в използваема форма.

От функционална гледна точка всички компютри са съставени от четири основни елемента: аритметично-логическо устройство, което изпълнява аритметичните или логически операции; управляващо устройство, което може да променя реда на изпълнение на операциите въз основа на записана информация; памет, в която се съхраняват входните, изходните и евентуални междинни данни; и входно-изходни устройства, чрез които данните постъпват и напускат компютъра. На практика в повечето съвременни компютри аритметично-логическото устройство, управляващото устройство и част от паметта са обединени в общ компонент, наричан централен процесор.

Компютрите могат да имат различно устройство, като чисто механични конструкции са известни още от древността, но почти всички съвременни компютри са електронни. Първите изцяло електронни компютри са създадени в средата на XX век, като най-ранните от тях са с размерите на голямо помещение и с електрическа мощност над 150 киловата. Съвременните машини, базирани на интегрални схеми, имат милиони до милиарди пъти по-висока производителност при мощност от няколко десетки до няколко стотици вата.[1][2] Днес някои по-прости компютри са достатъчно компактни, за да се поберат в различни мобилни устройства, и достатъчно икономични, за да се захранват от малка батерия.

В ежедневната реч под „компютър“ най-често се разбират персоналните компютри в техните разнообразни форми, които в наши дни са се превърнали в символ на Информационната епоха. В същото време далеч по-многобройни са вградените компютри, част от различни устройства – от MP3 плейъри до изтребители и от играчки до промишлени роботи.

Наименование[редактиране | edit source]

В българския език, някога компютрите са наричани също електронноизчислителна машина.

В английски, най-ранното известно използване на думата „компютър“ (на английски: computer, буквално „изчислител“) е в книгата от 1613 година „The yong mans gleanings“ на английския писател Ричарт Брейтуейт. Там с нея е наричан човек, извършващ изчисления, като това остава основното значение на тази дума до средата на 20 век. От края на 19 век тя започва да се използва и в значение, близко до съвременното - машина, която извършва изчисления.[3]

В българския език, особено в специализираната техническа литература, компютрите първоначално се наричат „електронноизчислителни машини“ или „цифрови електронноизчислителни машини“ (често съкращавано на ЕИМ и ЦЕИМ). Впоследствие се разпространява и заемката от английски „компютър“.

История[редактиране | edit source]

Предшественици на електронния компютър[редактиране | edit source]

Съвременните компютри възникват в резултат на съчетаването на две технологии, които се развиват самостоятелно в продължение на столетия - автоматизираните изчисления и програмируемостта. Първите устройства за автоматизирани изчисления - сметала - се появяват още през Древността, като са известни още от Шумер в средата на III хилядолетие пр.н.е.[4] През II-I век пр.н.е. са създадени механични устройства, предназначени за астрономически и навигационни изчисления - широко използваната астролабия и по-редкият и сложен механизъм от Антикитера.[5] В началото на XVII век е изобретена сметачната линия, която остава широко използвана до масовото навлизане на електронните калкулатори през XX век.[6]

През 1642 година французинът Блез Паскал създава механичен калкулатор,[7] който задълго остава единственото подобно устройство. През 1851 година французинът Шарл Ксавие Тома дьо Колмар за пръв път показва своя опростен аритмометър, който става първият серийно произвеждан калкулатор, тъй като е достатъчно здрав и надежден за ежедневна канцеларска употреба. Появата на пазар за механични калкулатори и стремежът към създаване на по-мощни и гъвкави устройства изиграва важна роля за появата на първите компютри, стимулирайки изследванията на англичанина Чарлз Бабидж. Развитието на калкулаторите и компютрите остава свързано и по-късно, когато в средата на XX век разработката на по-евтини електронни калкулатори довежда до създаването на микропроцесора, станал основа на компютърната техника през следващите десетилетия.

Преди появата на компютрите съществуват различни програмируеми механични устройства, като механични играчки и музикални кутии. Още през I век египетският инженер Херон конструира цял механичен театър, задвижван със сложна система от въжета, който изпълнява продължаващо 10 минути представление.[8] През 1801 година французинът Жозеф Мари Жакар прави подобрения в тъкачния стан, създавайки система от перфокарти, чрез които могат да се програмират сложни шарки, автоматично втъкавани в плата.

Първи електронни компютри[редактиране | edit source]

Първите компютри, от типа на ENIAC, имат нужда от физическа промяна на свързването на компонентите, за да извършват различни действия, поради което се наричат компютри с фиксирана програма. Тъй като понятието централен процесор обикновено се свързва с възможността за изпълнение на различни компютърни програми (виж архитектура на фон Нойман), най-ранните устройства, които могат да бъдат наречени така, са първите компютри със съхранявана програма.

Концепцията за програмируем компютър съществува още в проекта на Джон Преспър Екърт и Джон Мокли за ENIAC, но е изоставена, за да може машината да бъде завършена по-бързо. На 30 юни 1945 година, преди завършването на ENIAC, математикът Джон фон Нойман публикува изследване, озаглавено „Първа чернова на доклад за EDVAC“ („First Draft of a Report on the EDVAC“), в което описва принципите на компютър със съхранявана програма, който трябва да бъде завършен през август 1949 година.[9] EDVAC е проектиран за изпълнението на известен брой различни инструкции, които могат да бъдат съчетавани, така че да образуват полезни програми.

Най-важното нововъведение при EDVAC е, че програмите се съхраняват във високоскоростна памет, вместо да се определят чрез начина на физическо свързване на компонентите на компютъра. По този начин е преодоляно най-тежкото ограничение на ENIAC – значителното време и усилия, необходими за преконфигуриране на компютъра за изпълнение на нова задача. В компютъра на Фон Нойман програмата може да бъде променена само с промяната на съдържанието на паметта на компютъра. Още преди завършването на EDVAC, ENIAC е реконструиран по начин, позволяващ му също да съхранява програми.

Макар че обикновено заслугата за създаването на компютъра със съхранявана програма е приписвана на Джон фон Нойман, и други преди него, като Конрад Цузе, са предлагали и прилагали подобни идеи. Системата Mark I, завършена преди EDVAC, също използва съхранявани програми, но записвани на хартиена перфолента, вместо в електронна памет. Основната разлика между EDVAC и Mark I в това, че при Mark I съхранението и обработката на данните и инструкциите е разделено, докато в системата на Фон Нойман, както и в повечето съвременни процесори, те използват една и съща памет.

Като цифрово устройство процесорът е ограничен до определено множество дискретни състояния и има нужда от някакъв вид превключващи елементи, за да разграничава и променя тези състояния. Преди широкото разпространение на транзисторите за тази цел обикновено се използват релета и електронни лампи. Въпреки че тези устройства са значително по-бързи от по-ранните механични превключватели, по различни причини те не са много надеждни. Така например изграждането на правотокови схеми с последователна логика от релета изисква допълнителен хардуер за елиминиране на проблема с контактните скокове. При електронните лампи този проблем не съществува, но те трябва да се нагреят, преди да станат напълно годни за използване, а с времето спират да работят, заради замърсяването на катодите им, което се получава в резултат на нормалния им начин на работа, а при разхерметизиране на лампата бързо се ускорява. При проблем с дадена лампа целият процесор трябва да се диагностицира, за да се локализира и да се подмени повредената лампа.

По изброените причини ранните електронни (лампови) компютри са като цяло по-бързи, но по-ненадеждни от електромеханичните (използващи релета) машини. Ламповите компютри, като EDVAC, работят средно около 8 часа между отделните повреди, докато релейни системи, като като Mark I, се повреждат много рядко.[10] В крайна сметка ламповите процесори стават по-широко разпространени, тъй като значително по-голямата скорост се оказва по-важна от проблемите с надеждността.

Повечето от тези ранни синхронни процесори работят с ниска тактова честота, в сравнение със съвременните микроелектронни устройства. През този период обичайните честоти на системния часовник са от 100 kHz до 4 MHz, като основният ограничаващ фактор е скоростта на превключващите устройства.

Дискретни транзистори и интегрални схеми[редактиране | edit source]

Централен процесор, памет и външна шина на DEC PDP-8/I., изградени с интегрални схеми

Устройството на компютрите се усложнява, след като различни нови технологии улесняват създаването на по-малки и по-надеждни електронни устройства. Първото такова изобретение е транзисторът. През 50-те и 60-те години базираните на транзистори процесори вече не разчитат на обемисти, ненадеждни и нетрайни превключващи елементи, като електронните лампи и релетата. Това дава възможност за изграждането на по-сложни и надеждни процесори, съставени от една или повече печатни платки, съдържащи отделни компоненти.

През този период се разпространява един нов метод за производство на голям брой транзистори в ограничено пространство. Интегралната схема позволява множество транзистори да се включат в един общ полупроводников цокъл, наричан чип. Първоначално интегралните схеми се използват само за много прости неспециализирани схеми, например за отделни логически елементи. Процесорите, базирани на такива елементарни интегрални схеми, обикновено се наричат устройства със слаба интеграция (SSI). SSI интегралните схеми, използвани в компютри като Apollo Guidance Computer, обикновено съдържат по няколко десетки транзистори. Изграждането на цял процесор от SSI интегрални схеми изисква хиляди отделни чипове, но все пак отнема много по-малко пространство и има по-нисък разход на енергия от дотогавашните устройства с дискретни транзистори. С напредъка на микроелектрониката, интегралните схеми започват да включват все повече транзистори, намалявайки броя на отделните схеми, необходими за създаване на пълен процесор. Интегралните схеми със средна (MSI) и силна интеграция (LSI) вече имат стотици, а след това и хиляди транзистори. Така първият компютър на DEC с LSI устройство, вариант на модела PDP-11, има процесор с едва четири интегрални схеми.[11]

През 1964 година IBM въвеждат компютърната архитектура System/360, в която за пръв път е въведена идеята за микрокод и стандартизиране на програмите изпълнявани от процесорите. Дотогава повечето електронни компютри, включително такива от един и същ производител, са несъвместими и не могат да изпълняват едни и същи програми.[12] Архитектурата System/360 става толкова популярна, че в продължение на десетилетия доминира на пазара на мейнфрейм компютри.

Базираните на транзистори компютри имат няколко отчетливи предимства пред своите предшественици. Освен подобрената надеждност и по-ниската консумация на енергия, те имат и много по-висока скорост, поради по-краткото време на превключване на транзистора в сравнение с електронната лампа или релето. Благодарение на увеличената надеждност и значително по-високата скорост на превключващите елементи, през 60-те години процесорите достигат тактови честоти от десетки мегахерци. През този период се появяват и първите високоефективни векторни процесори, ранни предшественици на по-късните специализирани суперкомпютри.

Персонални компютри[редактиране | edit source]

Появата на микропроцесорите през 70-те години значително променя устройството и приложението на компютрите. След появата на пазара на първия микропроцесор (Intel 4004) през 1970 година и на първия модел, получил широко разпространение (Intel 8080) през 1974 година, тази група процесори измества почти напълно останалите видове. Основните производители на мейнфрейм компютри и миникомпютри започват собствени разработки, за да подобрят дотогавашните си компютърни архитектури, и създават микропроцесори с набори от инструкции, съвместими с използваните в по-старите им системи хардуер и софтуер. Този процес е съчетан с появата и масовия успех на персоналните компютри.

Докато по-старите модели процесори са съставени от отделни компоненти и множество малки интегрални схеми, разположени върху една или повече платки, микропроцесорите се състоят от много малък брой интегрални схеми, обикновено само една. По-малкият общ размер на процесора, представляващ самостоятелен чип, позволява още по-голямо съкращаване на времето за превключване. Това дава възможност синхронните микропроцесори да достигат тактови честоти от десетки мегахерци до няколко гигахерца. Освен това с нарастването за възможността за конструиране на все по-малки транзистори в интегралните схеми се увеличават силно сложността и броят на транзисторите в отделния процесор. Тази емпирична закономерност е формулирана в наблюдавания от 60-те години до днес закон на Мур, според който технически постижимата плътност на транзисторите в интегралните схеми се удвоява за 18 до 24 месеца.

Въпреки че сложността, размерът, устройството и общият вид на процесорите се променят значително от тяхната поява насам, основните принципи на тяхното функциониране остават приблизително същите. Почти всички съвременни процесори могат да бъдат точно описани като машини на Фон Нойман със съхранявана програма. Въпреки че законът на Мур продължава да е в сила, през последните години се поставя въпроса за ограниченията в технологията на интегралните схеми. Крайната миниатюризация на логическите елементи увеличава въздействието на физични явления, като електромиграцията, които могат да попречат на този процес. Това е една от причините да се търсят нови конструкции на процесорите, като квантовия компютър, както и да се разширяват приложенията на паралелизма и на други методи, разширяващи класическия модел на Фон Нойман.

Класификация на компютрите[редактиране | edit source]

Класификация според предназначението[редактиране | edit source]

Тази класификация е доста неопределена по характер. Това е така, защото непрекъснато се откриват нови приложения на компютрите. Това, което допреди няколко десетилетия е било непосилно за персоналния компютър, днес може да е част от ежедневието на домашния потребител. Затова границите между горните термини е неясна и се променя с времето.

Класификация според технологичното изпълнение[редактиране | edit source]

Технологиите за изработка на компютри са се променили много от първоначалното им създаване. Първите компютри са били изцяло механични. През 30-те години на XX век се въвежда използването на релета, а през 40-те Джон Атанасов и Клифърд Бери създават първия електронен компютър (ABC). От 60-те досега компютрите са изцяло транзисторни. Освен тези основни технологии, в развитието на компютрите е имало опити и с други доста екзотични такива. Например, за икономическо моделиране са били използвани канали с различни стеснявания, през които тече вода.

Днес се разработват нови технологии, които да увеличат производителността на компютрите. Ето основните от тях:

За класифицирането не е толкова важна технологията на изработка, колкото са например функциите, които изпълнява компютърът. Изключение правят единствено квантовите компютри, тъй като тяхната технология би позволила дотолкова да се увеличи скоростта на обработка на информация, че това ще доведе до качествено нови функции на компютъра.

Приложения[редактиране | edit source]

Първите електронни компютри са били много скъпи и големи – с размерите на стая.

Това ограничавало тяхната употреба само до научни изчисления, често за военни цели. ENIAC например е бил създаден за балистични изчисления, но по-късно е използван за проверка на конструкцията на водородната бомба. Това изчисление, проведено от 15 декември 1945 г. до януари 1946 г., включило над един милион перфокарти с данни, и показало, че водородната им бомба не би работила както трябва. (Много от съвременните суперкомпютри също се използват за симулации, включващи ядрени оръжия.) Британският Colossus е използван от Алън Тюринг за разбиване на вражеските шифри през Втората световна война.

С развитието на универсалните компютри приложенията им стават практически неизчерпаеми. Основната им функция си остава обработката на данни, но тя придобива много мащабни размери – особено след създаването на глобалната мрежа Интернет. Информацията става все по-важна част от живота на хората, а с това и самите компютри. Развитието на комуникациите и натрупването на огромни количества информация довежда до необходимостта тя да се систематизира. Проектът Уикипедия например има за цел да систематизира знанията на човечеството на едно място и да представи информацията максимално ясно за читателя.

Устройство на компютъра[редактиране | edit source]

Компютърна архитектура[редактиране | edit source]

Почти всички съвременни компютри са изградени съгласно архитектурата, описана от Джон фон Нойман. Според нея компютърът се състои от три основни компонента: процесор, памет и входно-изходни устройства.

Следва кратко описание на основни съставни части на един съвременен персонален компютър:

Процесор[редактиране | edit source]

Сърцето на компютъра е процесорът, наричан още Централен процесор, (ЦПУ) (Central Processing Unit, CPU). Той управлява работата на всички останали устройства и изпълнява самата програма (намираща се в паметта на компютъра). Състои се от аритметично-логическо устройство (АЛУ), управляващо устройство (УУ) и регистров блок (РБ).

АЛУ изпълнява целочислените (събиране, изваждане и т.н.), логическите (И, ИЛИ, НЕ) и сравнителните операции.

Управляващото устройство следи къде се намира следващата за изпълнение инструкция в паметта и се грижи резултатът от изпълнението на инструкцията да бъде записан в паметта, ако това е посочено в програмата.

Регистровият блок се използва за служебни цели на УУ и АЛУ и като свръх бърза памет за съхраняване на получаваните резултати.

Дънна платка[редактиране | edit source]

Дънната платка (MotherBoard) е една от основните хардуерни части на персоналния компютър. Чрез нея се свързват всички останали части — процесор, памет, входно-изходни устройства. Като цяло архитектурата на всяка дънна платка се състои от два основни елемента — северен и южен мост.

Оперативна памет[редактиране | edit source]

Оперативната памет е последователност от номерирани клетки с еднаква големина, съдържащи информация. Тази информация може да е инструкция, която процесорът трябва да изпълни, или данни, които трябва да се обработят. Всяка клетка има адрес, чрез който програмата се обръща към необходимото място в паметта. Оперативната памет също така бива наричана памет от 1-во ниво, според отдалечеността от процесора. По принцип тя се дели на ROM (Read Only Memory) и RAM (Random Access Memory).

Най-близка до процесора и най-често вградена в него е малка по-размер памет, наречена кеш памет (процесорен кеш). Времето за достъп до тази памет е най-малко. Кешът най-често е разделен на две части – за данни и за инструкции. Процесорът зарежда в кеша си (на база евристични алгоритми) части от оперативната памет, наречени линии, за да ускори изчислителния процес. Поради факта, че оперативната памет работи със скорост, която е в пъти по-малка от тази на процесора, когато последният трябва да ползва ОП, се налага да изчака, което е продиктувало създаването на процесорния кеш. Процесорният кеш за разлика от ОП не може да бъде директно адресиран от програмиста.

Оперативната памет се различава от външната памет по това, че в нея се съхраняват активните програми, т.е. тези, които се изпълняват в момента от процесора. Чрез техника, наречена суопинг (swapping), външната памет (обикновено твърд диск) може да се използва като оперативна. Външната памет под формата на твърд диск се нарича обикновено памет от 2-ро ниво.

Съществува и понятието памет от 3-то ниво, която се използва при компютри с големи изисквания за количеството на съхранените данни. Такива системи са библиотеките от ленти, които могат да съхранят огромно количество информация, но времето за достъп до нея е огромно, защото самата лента трябва да бъде поставена в четящото устройство от автомат, като бъде физически преместена от мястото на съхранение.

Дънната платка, процесорът, оперативната памет и захранващият блок се намират монтирани в т.нар. системен блок или компютърна кутия, към която се свързват входно-изходните устройства – обикновено твърд диск, флопидисково устройство, монитор, клавиатура, мишка и др.

Видео карта[редактиране | edit source]

Съставена е от много елементи, но най-важното при съвременните персонални компютри е, че техните видео карти са съставени от множество профилирани процесори, които в определени изчисления (най-вече при обработка на видео-информация, но не само) вече сериозно изместват централния процесор и ускоряват работата на цялата машина значително.

Периферни устройства[редактиране | edit source]

Периферните устройства увеличават функционалността на компютъра. Повечето от тях улесняват и разширяват връзката им с околния свят, в частност с човека.

Пълен списък на съществуващите периферни устройства е посочен в статията за периферни устройства. Основните от тях са:

И други на базата на Universal Serial Bus (USB)

Виж още[редактиране | edit source]

Бележки[редактиране | edit source]

  1. Intel Corporation 2009.
  2. University of Pennsylvania 2009.
  3. Oxford University Press 1989.
  4. Ifrah 2001, с. 11.
  5. The New York Times 2008.
  6. University of Delaware 2013.
  7. Felt 1916, с. 10.
  8. Lahanas 2013.
  9. von Neumann 1945.
  10. Weik 2010.
  11. Digital Equipment Corporation 1975, с. 3-4.
  12. Amdahl 1964.
Цитирани източници