Цифровой компьютер

26 августа 2024

цифровой компьютер, любое из класса устройств, способных решать проблемы путем обработки информации в дискретной форме. Он работает с данными, включая величины, буквы и символы, выраженные в двоичном коде, то есть с использованием только двух цифр 0 и 1. Подсчитывая, сравнивая и манипулируя этими цифрами или их комбинациями в соответствии с набором инструкций, хранящихся в его памяти, цифровой компьютер может выполнять такие задачи, как управление промышленными; анализировать и организовывать огромные объемы бизнес-данных; и моделировать поведение динамических систем (например, глобальные погодные условия и химические реакции) в научных исследованиях.

Функциональные элементы
Типичная цифровая компьютерная система имеет четыре основных функциональных элемента: (1) оборудование ввода-вывода, (2) основная память, (3) блок управления и (4) арифметико-логическое устройство. Любое из ряда устройств используется для ввода данных и программных инструкций в компьютер и для доступа к результатам обработки. Обычные вводные устройства включают клавиатуры и оптические сканеры; устройства вывода включают принтеры и мониторы. Информация, полученная от устройства ввода, хранится в основной памяти или, если не для немедленного использования, во вспомогательном устройстве хранения. Блок управления выбирает и вызывает инструкции в соответствующей последовательности и передает соответствующие команды соответствующему устройству. Он также синхронизирует разные скорости работы устройств ввода и вывода с арифметико-логическим устройством (АЛП), чтобы обеспечить правильное перемещение данных по всей компьютерной системе. АЛУ выполняет арифметические и логические алгоритмы, выбранные для обработки входных данных на очень высоких скоростях – во многих случаях при наносекундах (миллиардные доли секунды). Основная память, блок управления и АЛП вместе составляют центральный процессор (ЦП) большинства цифровых компьютерных систем, в то время как устройства ввода-вывода и вспомогательные устройства составляют периферийное оборудование.

Развитие цифрового компьютера
Блез Паскаль из Франции и Готфрид Вильгельм Лейбниц из Германии изобрели механические цифровые компьютеры в 17 веке. Однако обычно считается, что английский изобретатель Чарльз Бэббидж задумал первый автоматический цифровой компьютер. В 1830-х годах Бэббидж разработал так называемую аналитическую машину – механическое устройство, предназначенное для объединения основных арифметических операций с решениями, основанными на его собственных вычислениях. Планы Бэбиджа олицетворяли большинство основных элементов современного цифрового компьютера. Например, они призывали к последовательному управлению, то есть программному управлению, включавшему разветвления, циклы и как арифметические, так и запоминающие устройства с автоматической распечаткой. Однако устройство Бэббиджа так и не было завершено и было забыто, пока его труды не были вновь открыты более века.

Большое значение в развитии цифрового компьютера имела работа английского математика и логики Джорджа Буля. В разных эссе, написанных в середине 1800-х годов, Буль обсуждал аналогию между алгебраическими символами и символами логики, используемыми для представления логических форм и силлогизмов. Его формализм, работающий только с 0 и 1, стал основой того, что сейчас называется булевой алгеброй, на которой базируются теория и процедуры переключения компьютеров.

Клиффорд Э. Берри и компьютер Атанасова-Берри, или ABC, около 1942 года. ABC, возможно, являлся первым цифровым электронным компьютером.

Джон У. Атанасов, американский математик и физик, считается создателем первого электронного цифрового компьютера, который он конструировал с 1939 по 1942 год с помощью своего аспиранта Клиффорда Е. Берри. Конрад Цузе, немецкий инженер, действовавший фактически в изоляции от других разработок, завершил в 1941 году создание первой рабочей программно управляемой вычислительной машины (Z3). В 1944 году Говард Эйкен и группа инженеров из корпорации International Business Machines (IBM) завершили работу над Harvard Mark I, машиной, операции по обработке данных которой контролировались в основном электрическими реле (коммутационными устройствами).

С момента разработки Harvard Mark I, цифровые компьютеры развивались быстрыми темпами. Последовательность достижений в области компьютерного оборудования, преимущественно в сфере логических схем, часто делится на поколения, каждое из которых включает в себя группу машин, использующих общую технологию.

В 1946 году Дж. Пресспер Эккерт и Джон В. Мочли, оба из университета Пенсильвании, сконструировали ENIAC (абревиатура от electronic numeric integrator and computer), цифровую машину и первый универсальный электронный компьютер. Его вычислительные возможности были получены из машины Атанасова; оба компьютера включали электронные лампы вместо реле в качестве активных логических элементов, что привело к значительному увеличению скорости работы. Концепция компьютера с сохраненной программой была введена в середине 1940-х годов, а идея хранения кодов инструкций и данных в электрически меняющейся памяти была реализована в EDVAC (электронный дискретно-сменный автоматический компьютер).

Второе поколение компьютеров началось в конце 1950-х годов, когда цифровые машины, использующие транзисторы, стали доступны коммерчески. Хотя этот тип полупроводникового устройства был изобретен в 1948 году, потребовалось более 10 лет опытно-конструкторских работ, чтобы сделать его жизнеспособной альтернативой вакуумной лампе. Небольшой размер транзистора, его большая надежность и относительно низкое энергопотребление сделали его значительно превосходящей лампу. Его использование в компьютерных схемах позволило производить цифровые системы, которые были значительно эффективнее, меньше и быстрее, чем их предшественники первого поколения.

Конец 1960-х и 1970-х годов стали свидетелями дальнейших драматических достижений в области компьютерного оборудования. Первым было создание интегральной схемы – твердотельного устройства, содержащего сотни транзисторов, диодов и резисторов на крошечном кремниевом кристалле. Эта микросхема сделала возможным производство мейнфреймовых (крупномасштабных) компьютеров с более высокой скоростью работы, производительностью и надежностью по значительно более низкой стоимости. Другим типом компьютера третьего поколения, появившегося в результате микроэлектроники, был мини-компьютер — машина значительно меньше размера, чем стандартный мейнфрейм, но достаточно мощная, чтобы управлять приборами целой научной лаборатории.

Развитие крупномасштабной интеграции (БИС) позволило производителям оборудования разместить тысячи транзисторов и других связанных компонентов на одном кремниевом чипе размером с ноготь младенца. Такая микросхема дала два устройства, совершивших революцию в компьютерной технологии. Первым из них был микропроцессор, являющийся интегральной схемой, содержащий все арифметические, логические и управляющие схемы центрального процессора. Его производство привело к разработке микрокомпьютеров, систем в пределах портативных телевизоров, но с существенной вычислительной мощностью. Другим важным устройством, появившимся из схемы БИС, стала полупроводниковая память. Это компактное устройство, состоящее всего из нескольких чипов, хорошо подходит для использования в мини-компьютерах и микрокомпьютерах. Более того, оно нашло применение во все большем количестве мейнфреймов, особенно тех, которые предназначены для высокоскоростных приложений из-за своей высокой скорости доступа и большой емкости хранения. Такая компактная электроника привела к концу 1970-х годов к разработке персонального компьютера, цифрового компьютера, достаточно маленького и недорогого, чтобы его могли использовать обычные потребители.

В начале 1980-х годов интегральные схемы достигли сверхбольшой интеграции (VLSI). Эта технология проектирования и производства значительно увеличила плотность микросхем микропроцессоров, памяти и вспомогательных микросхем, то есть служащих для сочетания микропроцессоров с устройствами ввода-вывода. К 1990-м годам некоторые схемы VLSI содержали более 3 миллионов транзисторов на кремниевом кристалле площадью менее 0,3 квадратного дюйма (2 квадратных см).

Цифровые компьютеры 1980-х и 90-х годов, использующие технологии LSI и VLSI, часто называют системами четвертого поколения. Многие микрокомпьютеры, изготовленные в 1980-х годах, оснащены одним кристаллом, на котором были интегрированы схемы для процессора, памяти и функций интерфейса. (См. также суперкомпьютер.)

Использование персональных компьютеров росло в 1980-х и 1990-х годах. Распространение Всемирной паутины в 1990-х годах привело миллионы пользователей в Интернет, всемирную компьютерную сеть, и к 2019 году около 4,5 миллиарда человек, более половины населения мира, имели доступ в Интернет. Компьютеры стали меньше и быстрее и были повсеместны в начале 21-го века в смартфонах и позже в планшетных компьютерах.

Как связаться с нами?