Автоматический ткацкий станок Жаккара

В 1801 г. Жозеф Жаккар (Joseph Jacquard) создал автоматический ткацкий станок. Имевшаяся в нём система крючков и иголок позволяла создавать индивидуальную нитяную основу, а картонные карточки с перфорированными отверстиями – «запоминать» узор. «Машина Жаккара» позволяла создавать замысловатые тканые узоры, почти невозможные при ручной работе. Карточки с отверстиями были сменными, что позволяло изготавливать на одном и том же станке ткани разного узора.

Изобретение Жаккара не только позволило быстро производить интересные и сложные ткани. Эта технология легла в основу компьютера. В станке Жаккара иголка проходила сквозь перфорированную карту, только если отверстие в ней с совпадало с отверстием в рамной доске. Если отверстия не было, игла останавливалась и передвигалась к следующему отверстию. Тот же принцип действия и системы «да или нет», которая легла в основу двоичного компьютерного кода.

Жаккар представил свое изобретение на всемирной выставке в Париже в 1804 г. Первоначально изобретение Жаккара вызвало протесты со стороны ткачей, возникло так называемое луддистское движение, однако через полтора десятилетия использование изобретения Жаккара становится повсеместным.

Разностно-аналитическая машина Чарльза Бэббиджа

В 1823 г. английский математик Чарлз Бэббидж начал создавать большую «разностную машину» ‑ предшественницу современных компьютеров. Устройство должно было выполнять математические операции, программироваться подобно ткацкому станку Жаккара и печатать текст на бумаге. Весь комплекс вычислений основывался на операции сложения. В 1833 г. Бэббидж приступил к созданию нового устройства – «аналитической машины». Для этой несуществующей машины Ада Левайс, дочь лорда Байрона, начала создавать первые программы.

Memex Ванневера Буша

В 1945 г. В. Буш. опубликована статью 2As We May Think»[2], в которой было описано устройство, названное «memex». Назначение memex состояло в том, чтобы приблизить способы организации информации любого вида: от книг до деловой переписки к ассоциативному мышлению человека, расширив тем самым возможности его памяти. Для описания мыслительного процесса Буш использовал слово «web (паутина)», которое легло в основу названия самого популярного сервиса Интернета – World Wide Web. Memex в представлении Буша, должен был стать элементом делового интерьера с возможностью дистанционного управления. В его состав должны были входить экран для отображения информации и клавиатура для организации доступа к ней. Буш до тонкостей описал, по сути дела, работу современных браузеров: организация закладок на представляющей персональный интерес информацию, способы организации связей между документами и даже возможность пользователю самому определять внешний вид указателей из одного документа в другой. Однако концепция memex находилась за пределами технологических возможностей того времени и была реализована только спустя несколько десятилетий. Само же понятие «гипертекст» ввел Т. Нельсон[3] в 1965 году. Гипертекст является системой представления информации, которая создает семантическую сеть сложной топологии, позволяющую организовывать информацию на разных уровнях обобщения. Пользователь таких систем может и должен сам выбирать наиболее приемлемый уровень представления информации.

Компоненты современного компьютера

Современный персональный компьютер включает следующие компоненты:

- центральный процессор;

- математический сопроцессор;

- внутренняя память;

- периферийные устройства.

- внешняя память.

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) (Central Process Unit, CPU) - это логическое устройство для принятия решений и выполнения арифметических действий. Процессор включает в себя устройство управления(УУ) (Control Unit, CU), арифметико-логическое устройство(АЛУ) (Arithmetic and Logic Unit, ALU ), регистрыи память, называемую кэш память. АЛУ– часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции. Современные центральные процессоры выполняются с использованием микроэлектронной технологии, и является микропроцессорами.

Процессорперсонального компьютера это функциональная часть компьютера, выполненная на микросхеме и предназначенная для выполнения основных операций по обработке данных и управлению работой других устройств. Процессор персонального компьютера размещается на материнской или системной плате.

Регистры являются главными носителями информации внутри процессора. Управление компьютером осуществляется по заранее подготовленной программе, представляющей собой последовательность инструкций, команд, расположенный линейно друг за другом в основной памяти. Программа выполняется покомандно, в порядке их записи.

Основными параметрами процессоров являются: разрядность, тактовая частотаили быстродействие, размер кэш памяти.

Разрядностьпроцессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за одни раз (один такт). Разрядность - это количество проводников, по которым информация в виде двоичного кода параллельно, то есть одновременно, поступает в процессор (каждый разряд по отдельному проводнику). Первые процессоры персональных компьютеров были 8-разрядными, а современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными.

Главными носителями информации внутри процессора являются регистры. Каждый регистр можно рассматривать как высокоскоростную память внутри процессора размером 8, 16 или 2 бита.

В основе работы процессора лежит такой же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы в механических часах задает пружинный маятник, а в компьютере - микросхема. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Тактовая частотаизмеряется в МегаГерцах(МГц). 1 МГц=1 млн. тактов в секунду. Первые процессоры персональных компьютеров могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а современные процессоры работают с частотой превосходящей более 1000 МГц (более 1 ГигаГц) и 32-х разрядную архитектуру. Единица измерения «герц» названа в честь великого немецкого физика Генриха Герца. Слова «Генрих Герц» были первыми словами знаменитой первой радиограммы, переданной изобретателем радио Александром Степановичем Поповым в 1896 году.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с основной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращения к основной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в основную память. Принимая данные и основной памяти, процессор заносит его одновременно в кэш память. «Удачные» обращения в кэш-память называет попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтом высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом памяти. Таким образом, кэш память обеспечивает самую быструю передачу информации процессору. Наличие кэш памяти увеличивает производительность микропроцессора и сокращает время доступа к используемым командам и данным.

Слово «кэш» в компьютерных науках впервые использовалось в 1968 г. в статье, посвящённой усовершенствованию памяти ЭВМ IBM System/360. Первоначально использовался термин «высокоскоростной буфер», но для большей образности был предложен термин «кэш». С тех пор данный термин вошёл в научных лексикон специалистов в области компьютерной техники.

Уровни кэш памяти

В настоящее время кэш-память разделяется на несколько уровней, а количество уровней может достигать 3. Как правило, при переходе с меньшего уровня на больший уровень увеличивается объём памяти и уменьшается скорость доступа и передачи данных.

Таким образом, кэш-память уровня N+1 больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N. Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле. Кэш L1 обычно разделен на два КЭШа: кэш команд (инструкций) и кэш данных (так называемая гарвардская архитектура). L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Объём L1 обычно не превосходит 128 Кбайт.

L2-cache — кэш второго уровня, обычно расположен на кристалле, как и L1. В старых Объём L2 находится в диапазоне 128 Кбайт - 1−12 Мбайт. В многоядерных процессорах L2 является памятью раздельного пользования.

L3-cache, кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но самая большая и может превышать 24 Мбайт. Хотя L3 кэш медленнее кэшей L1 и L2, но значительно быстрее, чем оперативная память.

Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.

Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (Intel).

Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (AMD).

В неэксклюзивной кэши могут вести произвольным образом.

Математический сопроцессор

Математический сопроцессор ‑это специализированная интегральная микросхема, работающая во взаимодействии с центральным процессором для выполнения операций с плавающей точкой. Современные микропроцессоры могут обрабатывать целые числа разрядностью 8, 16 и 32 бита и с плавающей точкой разрядностью 32 и 64 бита.

Математический сопроцессор это дополнительный специальный процессор, позволяющий нарастить производительность центрального процессора. Работа математического сопроцессора определяется центральным процессором, который посылает ему на выполнение команды.

В персональных компьютерах первых поколений (i80386, i80486) математический сопроцессор устанавливался на материнскую плату в виде отдельной микросхемы. В настоящее время математический сопроцессор встроен в центральный процессор.

Математический сопроцессор не является обязательным элементом персонального компьютера

Внутренняя память

Внутренняя памятьвключает постоянное запоминающее устройство(ПЗУ) (ROM– Read Only Memory) и основную память(оперативная, RAM- Random Access Memory) или оперативное запоминающее устройство(ОЗУ);

Постоянное запоминающее устройство(ПЗУ) (англ.ROM, Read Only Memory) – энергонезависимое запоминающее устройство, реализованное в виде микросхемы и используемое для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения: содержимое памяти «зашивается» в устройство при его изготовлении для постоянного хранения. Из ROMможно только считывать данные, однако, выборка информации из ячеек может осуществляться в любом порядке. Программы и данные, хранящиеся в ROM,предназначены для постоянного использования процессором.

Оперативное запоминающее устройство(ОЗУ) (RAM, Random Access Memory) ‑ энергозависимое запоминающее устройство с произвольным доступом. «Произвольный» в компьютерной технике означает наличие множества путей для доступа к данным как противоположность строго установленному порядку. При обработке информации процессором может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти, поэтому ее называют памятью с произвольным методом доступа. ОЗУпостроено на модулях памяти SIMMили DIMMили DDR, различающихся по быстродействию и информационному объёму.

SIMM(small inline memory module) – одноразрядный модуль памяти, который использует 72 контакта для соединения с системной платой, рассчитанный на работу с 32-разрядными данными.

DIMM(dual inline memory module) – двухразрядный модуль памяти, который имеет 168 выходных контактов для соединения с системной платой, рассчитанный на работу с 64-разрядными данными.

DDR (Double Data Rate) емкость одного такого модуля может варьироваться в диапазоне от 64 Mb до 1 Gb.

В основнойили оперативной памятихранятся исполняемые программы и обрабатываемые данные. Содержимое основной памятитеряется при отключении питания, перезагрузки операционной системы. Вследствие этого возникает необходимость в средствах длительного хранения информации. В современных компьютерах чаще всего для длительного хранения информации использует магнитные диски различных типов и емкости. Содержимое внешней памятиможет быть перенесено в основную память для выполнения конкретного задания. Когда одно задание выполнено, основная памятьможет быть загружена новой порцией информации.

Внешняя память

Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами – запись информации и считывание информации. Наиболее важными характеристиками памяти являются емкостьи время доступа. Основная и внешняя память обладают противоположными свойствами. Основная память является быстрой, непостоянной и ограниченной, в то время как внешняя память медленная, постоянная и неограниченная. Для того чтобы пользоваться внешней памятью необходимы специальные носители информации и соответствующие устройства чтения/записи.

Вследствие большого разнообразия внешних запоминающих устройств, они сильно отличаются по времени доступа к хранимой информации, ее объему, который может храниться в данном устройстве, удельной стоимости хранения одинакового объема информации. Все запоминающие устройства хранят данные как последовательности битов, мельчайших элементов информации, распознаваемых компьютером. Бит[4] подобен электрической лампочке: он либо включен, либо выключен. Когда битвключен (установлен) его величина равна 1. Когда битвыключен (сброшен) его величина равна 0. Последовательность из восьми битов составляет байт[5].

Запоминающие устройства

В персональном компьютере, как правило, используется несколько видов запоминающих устройств, различающихся по способу хранения информации, т.е. битов и байтов. Важнейшими из них являются магнитные и оптические.

Магнитными устройствами являются накопители на гибких магнитных дисках, накопители на жестких магнитных дисках, накопители на магнитной ленте.

Накопитель (дисковод) на гибких магнитных дисках(НГМД) - устройство для чтения и записи гибких магнитных дисков (флоппи-дисков, дискета). Дискетыявляются съемными носителями, т.е. один дисковод может множество дискет. Дискетавводится в механизм через цель, которая обычно закрыта откидной заслонкой. Позиционирования и фиксация дискеты производится автоматически, после чего она раскручивается. Контактирование головок чтения/записи с дискетой производится через прорезь в конверте. Накопитель на дискетах был впервые разработан корпорацией IBM как устройство загрузки диагностического программного обеспечения.

Накопитель на жестких магнитных дисках(винчестер) (НЖМД) - устройство для чтения/записи несъемных жестких дисков (речь идет о современном варианте). Таким образом запоминающее устройство и носитель информации представляют собой неделимое целое. Понятие "несъемный" вовсе не означает, что такой накопитель нельзя вынуть из компьютера, просто сами диски не вынимается из накопителя. Накопители на жестких магнитных дисках получили такое наименование благодаря жесткости дисковых пластин. Накопители на жестких магнитных дисках являются наиболее быстрым типом накопителей персонального компьютера.

Накопитель на магнитной ленте(стример) - это устройство для быстрой перезаписи и воспроизведения данных с жесткого диска, т.е. цифровой информации, на кассету с магнитной лентой. Стримеры работают со съемными носителями. Недостаток стримеров связан с последовательным доступом к магнитным лентам, что влечет большое время доступа к данным и недостаточную надежность, порождаемую повышенными механическими нагрузками.

Оптическим устройствам является оптическое запоминающее устройство для чтения CD ROM. Накопители любой природы также называются дисководами. Приводы CD ROMявляются разновидностью устройств, используемых для проигрывания компакт-дисков. К сожалению, их механизм позволяет только читать данные, но не записывать их. (ROM означает память, предназначенную только для чтения). Однако уже существует технология записи на компакт-диски. Благодаря большой емкости компакт-диска (свыше 600 MB), приводы CD ROMявляются превосходными носителями для больших программных продуктов, особенно мультимедийных. Главным отличием CD ROMот накопителей на магнитных дисках является то, что для чтения информации они используют свет, а не магнитные поля.

Носители информации

Гибкий магнитный диск(флоппи-диск, дискета) заключены в специальный конверт с отодвигаемой шторкой и имеют размер три дюйма. Стандартная емкость дискетысоставляет 1,44 Mб (мегабайт).

Жесткий магнитный диск(винчестр) -сам носитель информации представляет собой несколько пластин, нанизанных на стержень, называемый шпинделем и приводимый во вращение мотором. Мотор вращает дисковые пластины с постоянной скоростью, которая составляет обычно 3600, 4500, 5400, 7400 до 15000 оборотов в минуту. Во время работы диска головки никогда не касаются поверхности пластины. Они "летят" над поверхностью на воздушной подушке тоньше волоса. Жесткий диск герметически запечатан, потому что даже мельчайшие частицы пыли, попавшие между головкой и поверхностью диска, могут повредить его и привести к потере данных, соскоблив магнитные частицы. Жесткие диски называют "винчестер" из-за особенностей маркировки его емкости, подобно калибру охотничьего ружья "Винчестер". Стандартная емкость современного винчестера достигла 400-500 Гб (гигабайт).

Магнитная лентанаматывается на бобины (катушки) или находится в кассете. Магнитная лента стала использоваться в работе на компьютерах в 50-х годах, когда она была уже широко распространена в звукозаписи и измерительной технике.

CD-R, CD-RW (оптический, лазерный диски, компакт-диск) - поверхность компакт-диска (тонкая алюминиевая пленка или фольга, защищенная пластиковым покрытием) содержит последовательность микроскопических площадок и углублений. Площадка отражает лазерный луч, обозначая высокое состояние (1) бита, а углубление рассеивает свет, обозначая низкое состояние (0) бита. CD-R позволяют однократную запись информации, а CD-RW позволяют многократную перезапись.

Периферийные устройства

Периферийные устройства это устройства, с помощью которых компьютер принимает и передает информацию. По назначению периферийные устройства можно разделить на:

- устройства ввода данных;

- устройства вывода данных;

- устройства хранения данных;

- устройства обмена информацией.

Устройства ввода данных

Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода.

Клавиатура

Клавиатура реализует диалоговое или интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером для достижения следующих целей:

v ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам компьютера;

v создание, редактирование и отладку программного обеспечения;

v взаимодействие с выполняемой программой, когда требуется ввод данных и команд, для управления этой программой.

Клавиатурасовременных компьютеров является настраиваемой на пользовательском уровне. Настраиваемыми параметрами являются:

v интервал времени после нажатия клавиши перед началом повтора символа;

v скорость повтора автоматически вводимых символов;

v скорость мерцания курсора;

v установленные языки и раскладки клавиатуры.

Функция настройки клавиатуры относятся к системной, и может быть недоступной для пользователей корпоративных компьютеров.

Клавиатурасостоит их нескольких множеств клавиш:

v базовую центральную часть клавиатуры образуют клавиши, используемые для ввода символов алфавитов, применяемых для записи различных языков, например английского и русского; служебные символы (% ^ ? * ( ) ~ \ / | и др.) и цифровые клавиши;

v навигационная клавиатура, с помощью которой осуществляется перемещение курсора по экрану:

Ø ß à â á - перемещение курсора соответственно на одну позицию влево, вправо, вниз, вверх;

Ø Insert - в программах и работающих под управлением операционной системы MS DOS действие этой клавиши состоит в переключении режима ввода символов вставка/замена, в программах;

Ø Delete - удаление текущего символа, помеченного фрагмента текста или графического образа;

Ø Home - перемещение курсора на первую позицию в текущей строке;

Ø End - перемещение курсора на последнюю позицию в текущей строке;

Ø PgUp - перемещение курсора на страницу назад;

Ø PgDn - перемещение курсора на страницу вперед;

Ø BackSpace (BS или ç) - удаление символа перед текущим символом;

Ø Tab - перемещение по полям, например при загрузке операционной системы WindowsNT когда заполняется ряд полей, таких как "Имя пользователя", "Пароль", "Домен";

v в большинстве моделей клавиатур имеется дополнительная клавиатура, допускающая два режима работы, как навигационной и как цифровой, переключение между которыми происходит по нажатии клавиши Num Lock.

v функциональные клавиши F1-F12, действие которых может изменяться, т.е. программироваться по-разному в различных программах. Однако существует ряд правил по их использованию, например клавиша F1, как правило, используется для получения справки по используемой программе.

v функциональные клавиши, инициирующие и прерывающие выполнение команд и программ:

Ø Enter - активизация некоторого программы или команды;

Ø Esc - отмена, прерывание какого либо программы или команды;

Ø Pause Break - приостановка/прерывание текущего процесса.

v функциональные клавиши Shift, Alt, Ctrl, действующие при одновременном нажатии других клавиш, что позволяет связать с ними несколько различных действий, например одновременное нажатие клавиш Ctrl и PgUp вызывает перемещение курсора в начало файла.

v клавиша Caps Lock - фиксирование верхнего регистра, по аналогии с печатной машинкой.

Для отслеживания режимов работы клавиатуры используется несколько датчиков, среди которых Num Lock и Caps Lock, указывающие соответственно, что дополнительная клавиатура работает в режиме цифровой, а основная клавиатура работает на верхнем регистре. Датчик Screen Lock указывает на то, как происходит заполнение экрана, т.е. в страничном режиме или режиме прокрутки выводимой информации, когда при заполнении последней строки экрана вытесняется первая строка.