Что такое персональный компьютер? Основы простыми словами.

Определения компьютер.

Для ознакомления с темой нужно понимать значения термина компьютер, так как на сегодняшний день, в связи с развитием технологий и рекламными лозунгами оно приобрело узкое значения, и охватывает лишь часть персональных компьютеров с системным блоком, клавиатурой и экраном. Компьютер, в период с шестидесятых годов, и вплоть до девяностых, называли электронно-вычислительная машина, а еще раньше - цифровая вычислительная машина. Определение пришло к нам с английского языка - «computer» и в переводе означает вычислитель. Его понятие на английском языке, значительно шире, и указывает на любое приспособление для математических расчетов, включая простые счеты. Но обычно под ним понимают любой тип вычислительных машин, цифровых или аналоговых.

Впервые словосочетание «персональный компьютер» был употреблен в 1964 году к машине Programma 101 фирмой Olivetti из Италии. Но популярности он достиг в начале восьмидесятых, благодаря фирме IBM, которая включила в названия своей продукции аббревиатуру ПК (англ. PC). Персональным компьютером начали называть любую ЭВМ с архитектурой IBM PC.

Решающим условием в появлении и распространении ПК является микропроцессор, появившийся в 1971 году. Теперь стало возможным все функции большой ЭВМ исполнять на одной микросхеме. Первый микропроцессор был разработан компанией Intel под названием i4004, а в 1974 она выпустила микропроцессор i8080, который получил большую популярность.

В действительности, какой бы мощный и быстрый компьютер не был или выполнял удивительные вещи, он не способен сам думать или выполнять сложные действия. Он не на много "умнее" простых карманных калькуляторов. В конечном итоге все сводится к простейшим математическим операциям, но компьютер их выполняет очень быстро, ему не нужен отдых и способен работать без перерывов. Эту особенность люди и используют в своих целях, а задача разработчиков и программистов так выстроить код при написании программы, чтобы построить из набора простейших вычислений более сложные операции.

Компьютерная техника, прежде всего, создавалась обработки больших объемов информации и обширных математических вычислений, но оказалось, что в цифровом виде можно работать и с другими видами информации. Кроме того, фактически все виды информации можно преобразовывать в цифровые данные и обратно.

Ныне ПК соответствует бытовым эксплуатационным требованиям и имеет универсальные функциональные возможности, используется как средство работы с текстом и другими офисными приложениями, с его помощью можно реализовывать различные виды связи, получать доступ в информационные сети, управлять транспортом и организовывать производство. А также использовать как устройство мультимедиа для обработки изображений, видео и звука, компьютерных игр.

Принципы работы персонального компьютера.

Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах похожи, но схема их устройства все же несколько отличается в зависимости от выполняемой задачи. Если отсечь всю периферию, то останутся только две основные составные из чего состоит компьютер это сам процессор и память (в персональных компьютерах "оперативная память"). Процессор выполняет арифметико-логические расчеты, в то время как память хранит данные самых расчетов.

Современный компьютер состоит из множества согласованных между собой внутренних компонентов, и внешних устройств ввода и вывода информации. Внутренние компоненты являют собой вычислительное устройство под управлением процессора, объединённое шиной. Шина, по сути, является совокупностью проводов соединяющих отдельные компоненты в сложную систему по заранее определенным правилам.

Для организации управления, ввода и вывода информации, используют внешние устройства. К примеру, к устройствам ввода можно отнести клавиатуру, мышь, сканер, микрофон и другое периферийное оборудование, а к устройствам вывода монитор, принтер, акустическая система и др.

Для хранения информации в электронном виде, и доступа к ней на компьютере, используют различные запоминающие устройства. Основным долговременным носителем информации является жёсткий диск. Для ее транспортировки используют дискеты (гибкие магнитные диски), оптические диски, а также устройства флеш-памяти. В схеме компьютера, для повышения его скорости работы также используют оперативную память, основной отличительной чертой ее есть быстрый обмена информацией с процессором, но она не может хранить данные без электричества и они полностью удаляются при отключении ПК. Оперативная память используется для хранения выполняемых в данный момент программ и промежуточных данных.

Организация информации в цифровом виде.

В современных компьютерах хранение и обработка всей информации строится на двоичной системе счисления. Организация информации таким способом обусловлено потребностью максимально упростить устройство компьютера. Двоичная система счисления основана на двух цифрах - «0» и «1». Используя только эти две цифры можно закодировать любой тип информации в цифровой вид.

Принцип двоичного счисления описан немецким математиком Готфридом Лейбницем еще в 17 веке.

В двоичной системе счисления единицей измерения информации является бит. Термин произошел из сокращения словосочетания «двоичная цифра» на английском языке «binary digit» - bit. Числа представляет собой совокупность битов. Каждый бит может иметь только одно из двух состояний 0 или 1. В традиционной – десятичной системе счисления числа состоят из знаков от 0 до 9.

В компьютерной технике самой малой единицей хранения и обработки информации является байт (byte). Один байт состоит из 8 знаков – битов. Точнее это восьмизначное число от 00000000 до 11111111, что в переводе, в десятичное число, от 0 до 255. Этого количества комбинаций чисел из восьми битов хватает для кодирования всех цифр, заглавных и строчных букв алфавита, знаков препинания, символов и служебных кодов, которые применяются для обработки и хранения информации.

Вся работа компьютера обеспечивается, аппаратными устройствами, управление которыми осуществляется программами.

Аппаратное обеспечение.

Под аппаратной частью компьютера подразумевается его комплектующее, которые также называют железо или на английском hardware. Это электронные и механические составные части устройства. Персональный компьютер это целостная, универсальная система, с гибкой системой взаимозаменяемых комплектующих, модули которых, можно подбирать в соответствии от поставленных задач. Все отдельные части и узлы должны быть синхронизированы между собой, чтобы гарантировать безотказное функционирования всей системы в целом. Поэтому разрабатывают стандарты для аппаратных устройств - совокупность технических требований, которые должны быть соблюдены производителями. Таким образом, достигается совместимость устройств от разных производителей.

Аппаратное обеспечение состоит из внутренних и внешних устройств. Внутренние части компьютера составляют вычислительный механизм, соединенный через шину, внешние же используются для ввода вывода информации.

Внутренние компоненты обычного персонального компьютера помещены в системный блок. К ним относятся:

• процессор;
• ОЗУ;
• системная плата;
• блок питания;
• видеокарта;
• сетевая плата;
• звуковая плата;
• жесткие накопители;
• устройство чтения гибких дисков;
• устройства для считывания оптических дисков;
• система охлаждения.

Помимо этого на материнской плате распаян чипсет, это набор микросхем из северного и южного моста, отвечающих за взаимодействие основных компонентов. В части новых плат отсутствует северный мост, его функционал перенесли частично в процессор, а частично в южный мост. Для подключения комплектующих выведены слоты - PCI, PCI-E, USB, FireWire устаревшие (ISA, EISA, AGP). Контролеры для управления накопителями и прочей периферией. Также в зависимости от выполняемых задач может присутствовать интегрированная (впаянная на схеме виде чипа) видео, звуковая и сетевая карта.

Внешние устройства подключаются к системному блоку через соответственные слоты. К ним относят:

• Устройства ввода: клавиатура, мышь или тачпад, сканер, микрофон, веб-камера и пр.;
• Устройства вывода: монитор, принтер, акустическая система, проектор и пр.;
• Сетевое оборудование: модем, маршрутизатор и другие.

Часть аппаратных расчетов можно полностью или их фрагмент эмулировать программно, к примеру, реализация протоколов связи модемов или рендер 3D изображений. К такому приему прибегают для уменьшения себестоимости производства устройств, но это негативно сказывается на производительности системы, так как расчеты теперь выполняет процессор. Для повышения эффективности работы, в некоторых задачах с большой нагрузкой, часть программного алгоритма реализуют аппаратно, это уменьшает долю вычислений процессором и освобождает его для других задач.

Компьютерные программы.

Программа в компьютерной технике это четкая последовательность операций, которые выполняет процессор, включающая инструкции, операторы и логические закономерности. Она заставляет работать аппаратное обеспечение, чтобы выполнять пользовательские команды. Код программы это текст написанный человеком в соответствии правил и синтаксиса одного из языков программирования.

Процессор понимает только машинный язык, основанный на 0 и 1. Что вызывает сложности в написании программ для человека, поэтому были разработаны языки программирования, где программа пишется читаемыми словами по определенным правилам, а другая программа трансформирует этот код в машинный язык. Такие программы называют компиляторами. Также существуют интерпретаторы в отличии от предыдущих они транслируют код «на лету» во время исполнения программы.

Чисто машинные коды - это работа инженеров Intel, AMD и других производителей процессоров, потому что описание только стандартных инструкций х86 (без расширенных инструкций типа MMX, SSE, SSE и т.д) процессора занимает больше 1000 страниц текста.

В зависимости от уровня абстракции (код больше похож машинный или читаемый человеком) выделяют языки низкого и высокого уровня.

• Низкоуровневые языки, такие как ассемблер и C используют для написания драйверов, операционных систем или в частях программы с высокой нагрузкой на процессор.
• Высокоуровневые языки, такие как JavaScript и Python используют для написания прикладных программ. Их код намного легче читается человеком, написание программ проходит значительно легче и быстрее.

Исходя из поставленной задачи и требованиям к стабильности и скорости работы оборудования, выбирают подходящий язык программирования.

Компьютерные программы подразделяются на три категории – прикладные, системные и инструментальные.

Прикладные прогарами это программы, с которыми пользователь непосредственно взаимодействует каждый день. С их помощью просматривают фото и видео, слушают музыку, выходят в интернет и работают с текстом;

Системные программы это программы, работа которых скрыта от обычного пользователя. Они управляют аппаратными средствами, выполняют диагностическую функцию или создают резервные копии информации. Это драйверы подключаемых устройств, сервисные и другие программы, выполняющие вспомогательные функции. Особую роль среди них играет операционная система, это программа, с помощью которой пользователь управляет компьютером через дружелюбный интерфейс;

Инструментальные программы. С помощью них разрабатывают новые программы или редактируют код в существующих прикладных и системных программах. К ним относятся редакторы, отладчики, компоновщики и прочие.

Типы компьютеров.

Современную компьютерную технику различают, прежде всего, по функциональным возможностям. В период доминирования больших ЭВМ, компьютеры использовались в основном для вычислительных операций, их разделяли на три группы: миникомпьютеры и микрокомпьютеры (использовались в основном для решения небольших задач), мейнфреймы (для обработки больших массивов информации в крупных фирмах), суперкомпьютеры (использовались в научных и военных целях). То в нынешнем ассортименте, весь спектр современных вычислительных систем можно условно разделить на несколько классов:

• Стационарные компьютеры – одни из первых, массовых, доступных в розничной продаже для обычных пользователей. Они до сих пор занимают лидирующие позиции среди самых популярных систем.
  • Десктоп. Подвид стационарных ПК, обычно в их состав входит системный блок, где реализована вся вычислительная логика. И средства ввода/вывода информации, подсоединяющиеся к нему через стандартные порты (USB, IEEE 1394, D-Sub, DVI и пр.). Достоинством таких систем состоит в гибкости подбора комплектующих для выполнения определенных задач;
  • Моноблок. Это конструкция ПК с совмещенным системным блоком и монитором также, обычно, с вмонтированной веб-камерой, микрофоном и акустикой. Такой вид ПК занимает значительно меньше места, эргономичен, его легче транспортировать. К минусам можно отнести сложность в самостоятельном техническом обслуживании и замене или модернизации комплектующих частей.
• Сервера. Любой ПК применяющийся в качестве сервера. В состав входит только системный блок, не нуждается в мониторе или дугой периферии. Конструктивно такой компьютер может быть любого вида, и использоваться для централизованного вычисления, организации внутренней сети, в качестве фаервола, создания баз данных и удаленного хранения информации или резервного копирования, содержания вебсайтов для круглосуточного доступа.
• Мобильные ПК. Компьютерная техника предназначена для транспортировки и автономной работы на некоторое время, отличается значительно меньшими размерами, установленным аккумулятором, объединенным в едином корпусе вычислительной системы со средствами управления ею и ввода/вывода информации. В их конструкции применяются индивидуально спроектированные микросхемы, процессор, ОЗУ и накопители уменьшенных размеров с малым потреблением электроэнергии. Блок питания зачастую вынесен в отдельное устройство. Также существуют специальные устройства - док станции, значительно расширяющие возможности подключения внешних устройств.
  • Ноутбук. Компактные ПК, состоящие с двух связанных между собой частей, складывающиеся в виде книги в совмещенном корпусе. С одной стороны размещен экран, также, может устанавливаться веб-камера. А на соседней стороне вычислительное устройство, аккумулятор, клавиатура, которая часто упрощена, разъемы подсоединяемых внешних устройств, тачпад и динамики. Процессор зачастую впаян в материнскую плату, ОЗУ и накопители, возможно, также распаяны на схеме, что сильно затрудняет ремонт или модернизацию. Иногда снабжен встроенным CD/DVD-дисководом. Имеет внешний блок питания. По производительности современные ноутбуки не уступают настольным решениям.
  • Планшет. Компактные ПК с ограниченными возможностями, со специальной вшитой операционной системой. Все элементы вычислительной системы, аккумулятор и экран производятся в одном, монолитном корпусе. Имеет небольшой вес, внешний блок питания для зарядки аккумулятора. Все элементы распаяны на плате и не поддаются модернизации. Отсутствует клавиатура, ее функции выполняет сенсорный экран, который размещен с одной из сторон аппарата под стеклом с противоударными свойствами. Не имеет разъемов, но оснащен широкими беспроводными системами связи.
  • Смартфоны. Среднее между сотовым телефоном и персональным компьютером. Обладают большим запасом автономной работы от аккумулятора и небольшими габаритами. Обычно все элементы размещены в едином корпусе, и распаяны на специально разработанной плате. Работают на особой операционной системе, и поддерживают сим-карты сотовых операторов, работают в сетях (GSM, GPRS, 3G, CDMA и 4G).
  • Карманные ПК. Были популярны в двухтысячных годах. Имеют все признаки ПК, по габаритам помещались на ладони одной руки. Управления осуществлялось сенсорным экраном. Использовались в роли электронного органайзера, или как средство для обмена информацией. Со временем трансформировались в смартфоны и планшеты.

В зависимости от архитектуры аппаратной части различают IBM PC-совместимые и IBM PC-несовместимые ПК. Поскольку персональные компьютеры для широких масс начали выпускать разные фирмы на основе спецификации от IBM, которая в основном занималась крупными проектами для образовательных или больших коммерческих организаций и не лицензировала свои разработки в области персональных компьютеров. Единственный, популярный, IBM PC-несовместимый компьютер это Macintosh. Но со временем разница между двумя системами стает все меньшая.

Также можно классифицировать ПК по особенностям применение.

Barebone это платформа из корпуса, системной платы и системой охлаждения. Доукомплектовать оставшуюся часть конфигурации – процессор, ОЗУ и жесткий диск предоставлено на выбор пользователя. Из особенностей таких систем можно выделить малые габариты и, как правило, учитывая особенности корпуса, разработанная специально, уникальная материнская плата и система охлаждения. Такие устройства имеют широкие возможности подключения разнообразных внешних устройств. Обычно используют в качестве системы мультимедиа или неттопа.

Защищённый компьютер. Как правило, такие персональные компьютеры создаются для экстремальных условий и применяются на производстве, в походных, экспедиционных и военных условиях или для защиты данных от несанкционированного доступа. Имеют ряд конструкционных особенностей, что позволяет переносить агрессивные среды, сильные вибрации, удары, большую запыленность или влажность, устойчивы к вандализму или взлому. Обычно такие ПК делают мобильными, но они больше, тяжелее и дороже чем традиционные.

Офисные, компактные или сетевые ПК. Персональные компьютеры для работы в офисе, служат только для ввода/вывода данных. Работают тише обычных, имеют небольшой, эргономичный размер с урезанными характеристиками, а все данные берет от основного сервера через сеть. Преимуществом такого вида ПК состоит в простоте и доступности обустройства рабочих или образовательных мест.

Рабочая, графическая станция. Вид ПК с подобранной комплектацией для выполнения определенного вида задач, имеет высокую производительность и применяется для обработки графики, видео или работы с 3D моделями. Конструктивно любой компьютер, используемый в качестве персонального с производительным процессором, видеокартой, большим объемом ОЗУ и с подключенным одним и более широкоформатных мониторов.