Если группу компьютеров и их периферийных устройств соединить линиями связи — например, телефонными проводами или кабелями, то образуется компьютерная сеть. Включив в неё свой компьютер, можно получить информацию, хранящуюся в любом другом компьютере той же сети. Или передать информацию из своего компьютера в другой без пересылки дискеты. Удобно? Очень! Поэтому за последние 30 лет XX в. в мире создано необозримое множество разнообразных компьютерных сетей, отличающихся друг от друга способом связи, количеством и расположением включённых в них устройств. Всё это сложное техническое хозяйство сегодня стремительно развивается.
Различают локальные и глобальные компьютерные (или вычислительные) сет. Локальная вычислительная сеть (ЛВС) состоит из небольшого числа компьютеров, принтеров и других устройств, расположенных на сравнительно ограниченной территории (обычно на одном предприятии). Основным назначением ЛВС является совместное использование дорогостоящих периферийных устройств — скоростных лазерных принтеров, дисков, содержащих большой объём информации, и т. д. Кроме того, ЛВС позволяет централизованно установить и настроить
общее для всех компьютеров сети программное обеспечение. ЛВС стали для многих воротами в
Интернет.
Компьютерные сети могут использоваться и для решения более сложных задач. Например, для
распределённых вычислений, когда трудоёмкая задача разбивается на части и решается
параллельно и согласованно сразу на нескольких компьютерах сети, действующих как один
мощный компьютер.
Компьютеры ЛВС связаны кабелями (их наиболее распространённые типы — витая пара,
волоконно-оптические и коаксиальные кабели).
Кабели соединяются с компьютером через сетевые адаптеры (от лат. adaptacio —
«приспособление»).
Отдельные ЛВС объединяют друг с другом, создавая глобальные сети. Однотипные ЛВС,
действующие по одинаковым правилам (протоколам) взаимодействия между компьютерами,
соединяют с помощью специальных устройств — мостов, а разнотипные — посредством
межсетевых шлюзов. Всемирно известный Интернет, кстати сказать, является именно такой сетью сетей. Мосты и шлюзы — это обычные компьютеры, но снабжённые специальным
программным обеспечением и дополнительным оборудованием.
Компьютерные сети могут включать в себя как постоянные каналы связи (кабельные линии или
радиоканалы), так и временные (например, телефонные). Для приёма и передачи данных
компьютером по телефонным линиям требуется особое техническое устройство — модем
(модулятор/демодулятор).
В компьютерных и телефонных сетях используются принципиально разные методы передачи
информации. В телефонной связи применяется метод коммутации каналов. Это означает, что
между вызывающей и вызываемой сторонами образуется линия связи путём соединения
идущих к ним проводов на коммутаторах телефонных станций. Эта линия связи сохраняется
столько времени, сколько потребуется. Метод коммутации каналов сравнительно прост, но для
компьютерной сети неэффективен: линия полностью занята на неопределённо долгий срок, причём независимо от того, передаются по ней какие-нибудь данные или нет. Компьютеры же часто обмениваются сравнительно небольшими объёмами информации, и подготовка соединения может занять больше времени, чем передача и приём самого сообщения.
В компьютерных сетях используется метод коммутации пакетов. Отправляемое компьютером сообщение разбивается на маленькие фрагменты — пакеты. Они снабжаются специальными кодами, указывающими, куда и от кого идёт пакет, какой частью какого сообщения он является. Затем пакет отправляется в независимое от других пакетов путешествие по сети, выбирая наименее загруженные её участки. Принимающий компьютер реконструирует исходное сообщение из набора прибывших к нему пакетов. Пакетно-коммутационные сети работают быстро и эффективно, но требуют достаточно мощных компьютеров и соответствующего программного обеспечения для управления процессом приёма-передачи данных.
Поскольку локальные и глобальные сети объединяют самые разные типы компьютеров и других устройств, для организации взаимодействия между ними приходится использовать особые протоколы связи. Общепризнанный стандарт межкомпьютерной связи — комплект аппаратных и программных протоколов, известный как эталонная модель ISO/OSI, т. е. модель, утверждённая Международной организацией стандартизации (ISO) для описания взаимодействия открытых систем (OSI).
Эталонная модель ISO/OSI — это идеализированная многоуровневая схема интерфейсов и протоколов сетевого взаимодействия компьютерных систем. Каждый уровень модели обозначает программные и принимающем компьютере данные передаются с уровня на уровень снизу вверх — от проводов
до, например, программы NetMeeting вашего собеседника.
Возможно, вы удивитесь, но эталонная модель ISO/OSI описывает и то, как работает старая
добрая почта. В самом деле, написав на листе бумаги письмо, мы вкладываем его в конверт.
Надписываем конверт, наклеиваем на него марку. Опускаем конверт в почтовый ящик. Письма
из ящика попадают в сортировочный центр, там их раскладывают по контейнерам. Контейнеры
грузятся в почтовый вагон поезда или на самолёт. В месте назначения контейнеры
распаковывают, развозят корреспонденцию по почтовым отделениям. Почтальон опускает ваше
письмо в почтовый ящик адресата. А тот достаёт из ящика конверт, из конверта — листочек...
Ваш адресат, таким образом, получил в точности то сообщение, которое вы ему послали.
Для того чтобы пакетная коммутация работала эффективно, пакеты передаваемой информации
не должны быть слишком большими. И действительно, IP-пакеты, используемые в Интернете,
могут содержать не больше 1500 байт информации, а пакеты в локальных сетях — ещё меньше
(напомним, что стандартная машинописная страница текста содержит 1800 символов, т. е. 1800
байт).
СЕТЬ СЕТЕЙ
Интернет (от англ. international — «международный» и net — «сеть») — это бурно растущая и
развивающаяся всемирная сеть компьютерных сетей (или, для краткости, просто Сеть; см.
статью «Компьютерные сети»). Она объединяет десятки тысяч локальных сетей, т. е. миллионы
больших и малых компьютеров. Услугами Интернета постоянно пользуется множество людей,
и их число непрерывно растёт.
Принято считать, что история Интернета началась в 1968 г., когда в США стали создавать
экспериментальную сеть ARPAnet. Она связала друг с другом самые разнотипные компьютеры,
которые использовались тогда в военно-промышленных исследованиях и разработках. Каждый
компьютер ARPAnet при необходимости мог связаться с любым другим, как равный с равным.
В то же время сеть проектировалась так, чтобы пользователи контактировали друг с другом, ничего не зная о её конфигурации, об исчезновении или о появлении в сети других компьютеров и каналов связи. Для установления контакта между компьютерами было достаточно их сетевого адреса. Поскольку ARPAnet готовили к работе и в военное время, сеть сделали устойчивой к различным повреждениям. ARPAnet — первая сеть, в которой использовались коммутация пакетов (см. статью «Компьютерные сети») и межсетевой протокол — IP (англ. Internet Protocol). По образцу ARPAnet начали создаваться другие сети, которые присоединялись к ней через так называемые шлюзы. Сеть разрасталась, сохраняя общее адресное пространство. В 1973 г. она превратилась в международную: в неё вошли компьютеры Великобритании и Норвегии. Примерно тогда же стало популярным и её название — Internet (с прописной буквы или со строчной, набранное кириллицей или латиницей).
В 80-х гг. XX в. Сеть развивалась под эгидой Национального научного фонда США (National Science Foundation NSF) До 1988 г. включительно Интернет был некоммерческим: он объединял только академические и государственные компьютерные сети. В 1989 г. в составе Интернета появилась и первая коммерческая организация — MCI Mail.

О военной технике будущего можно судить по чертежам, уже сегодня лежащим на столах
конструкторов. Основные изменения, которые произойдут в XXI в., связаны с широким
использованием информационных технологий. На пороге III тысячелетия многие страны
работают над созданием системы «сетевого управления войсками». Каждая машина (например,
танк, корабль), даже отдельный боец будут оснащены компьютерами, которые войдут в общую
информационно-управляющую систему (ИУС).
Эта система позволит быстро получать информацию, а значит, оперативно принимать решения;
легко перенацеливать оружие; войска станут действовать более согласованно. В некоторых
государствах уже есть первые образцы таких ИУС.
Персональный компьютер станет обычной деталью снаряжения солдата. Так, в комплекс
вооружения американского пехотинца XXI в. включены: портативный компьютер; встроенные
в шлем телевизионная камера, система обработки изображения и дисплей, радиостанция,
система опознавания «свой-чужой»; кондиционер
для создания микроклимата; комплексная защита от оружия массового поражения, пуль и
лёгких осколков; цифровая система навигации и аккумулятор для питания всех электронных
систем.

Почему же ARPAnet из экспериментальной военно-промышленной разработки превратилась во всемирную Сеть?
Интернет — коммуникационная (от лат. communico — «делаю общим», «связываю», «общаюсь») система: она обеспечивает общение и взаимодействие людей. Начав пользоваться новым средством связи, люди (вначале только учёные и инженеры, которые разрабатывали сети и экспериментировали с ними) вдруг обнаружили, что раньше испытывали недостаток общения. Обширные возможности Сети, в частности быстрый доступ к самой разнообразной и свежей информации, не только повышают конкурентоспособность организаций и отдельных работников. Интернет приносит удовольствие, о чём много пишут в специальных печатных изданиях и в многочисленных текстах, хранящихся в электронной форме в Сети. Но поверить в это, не испытав самому, очень трудно.
Радость «быть в Сети» приносил не только Интернет. До сих пор функционируют развивавшиеся параллельно другие всемирные сети, технически устроенные иначе, например вузовская сеть Bitnet и сеть FIDO, использующие обычные коммутируемые (от лат. commuto — «меняю») телефонные линии. Однако Интернет победил их, хотя и не стремился к этому. Его открытость для любых типов компьютеров и компьютерных сетей облегчала подсоединение к Сети, и она росла быстрее других. И чем больше становилась, тем большими информационными богатствами обладала, тем сильнее люди стремились войти именно в Интернет, а не в какую-либо иную сеть. Важную роль сыграли, конечно, надёжность и эффективность заложенных в Интернете сетевых технологий.
WWW — «ВСЕМИРНАЯ ПАУТИНА»
С начала 90-х гг. в Интернете работает так называемая всемирная паутина {англ. World Wide
Web, или WWW, или W ). Благодаря этой системе доступ к информационным богатствам Сети
получили и люди, далёкие от науки, неспециалисты. Интернет стал привлекателен для бизнеса.
В результате и без того стремительное развитие Сети ещё ускорилось. Слово «Интернет»
замелькало не только в научных публикациях, но и на страницах газет, журналов, в радио- и
телерепортажах.
А началось всё с того, что в 1989 г. Тим Бернерс-Ли, сотрудник Европейской лаборатории
ядерной физики (Женева), занимавшийся разработкой новых способов хранения больших
объёмов информации и обменом ею между учёными разных стран, предложил использовать
для доступа к ресурсам компьютерных сетей средства гипертекста (от греч. «хипе'р» — «над»,
«сверх» и «текст»).
Гипертекст — система, позволяющая быстро найти любую информацию в Интернете.
Выделенное в тексте особым образом (цветом, например) слово оказывается связкой с другим
источником информации. Чтобы перейти к нему, достаточно щёлкнуть кнопкой мыши на
выделенном слове или фрагменте текста.
Гипермедиа — следующая ступень развития идеи гипертекста. Гипермедиа-документ включает
в себя не только текст, но и аудио- и видеоизображения. Например, щёлкнув мышью на
выделенной точке географической карты, можно увидеть фотографии, видеофильм или текст,
рассказывающие об этой местности и её достопримечательностях.
Гипермедиа-документ чаще называют Web-страницей. Для её создания используется
специальный язык программирования — HTML (англ. Hyper-Text Mark-up Language — «язык
разметки гипертекста»). Выделенные фрагменты Web-страниц именуют гиперссылками. Любая
информация в WWW имеет уникальный адрес, по которому её можно найти, — URL {англ.
Uniform Resource Locator — «унифицированный указатель ресурса»), содержащийся в каждой
гиперссылке. В 1992 г. появились первые браузеры (от англ. browser — «обозреватель») — программы, облегчающие работу с гипертекстовой информацией. Именно браузеры сделали Интернет общедоступным источником знаний. Чтобы получить через Сеть информацию, до появления браузеров нужно было использовать множество различных сложных программ. Для управления каждой из них приходилось помнить и безошибочно вводить с клавиатуры специальные наборы команд. Разных программ требовали передача сообщений электронной почты, работа с документами и информацией, поиск в базах данных Gopher, получение файлов с FTP-узлов и т.
Д.
Браузеры превратились в единую оболочку для всех программ такого типа, а доступ к
информации и её обработка пользователем стали единообразными. Кроме того, поскольку браузеры работают в графическом режиме, практически исчезла необходимость вводить
команды с клавиатуры — достаточно щелчка мыши на нужном слове.
Развитие системы WWW происходило чрезвычайно быстро. Так, в июне 1993 г. в систему Web
входило лишь 130 узлов (компьютеров, использующих для предоставления своей информации
систему WWW). Но через год, в июне 1994 г., их стало 2738, в июне 1995 г. — 23,5 тыс., а в
июне 1996 г. — уже 230 тыс.! Сегодня многие не только не мыслят Интернет без Web, но и
путают их, полагая, что World Wide Web и есть Интернет.
Стандарты для «всемирной паутины» и соответствующих программных средств создаются
всем Интернет-сообществом под руководством международной организации — консорциума
World Wide Web, или, коротко, W3C
ЧТО ЖДЁТ ИНТЕРНЕТ В БУДУЩЕМ
Принято считать, что предел, к которому стремится Интернет, — это так называемая
информационная магистраль (англ. Information Highway). Уже в 10—20-х гг. XXI столетия она
свяжет линиями компьютерной связи каждого человека в мире со всеми остальными людьми и
организациями.
Не выходя из дому, можно будет поговорить, увидеться, вместе поработать над одной задачей с
коллегой, находящимся за тысячи километров; посмотреть в любое удобное время нужный
видеофильм; заказать и оплатить покупки; послать письмо; зарегистрировать автомобиль и т. д.
Иначе говоря, «информационная магистраль», вобрав в себя и развив уже существующие
средства связи, сократит пространство и время, разделяющие людей, и расширит доступный
каждому человеку мир до пределов земного шара. Причём любой человек сможет пользоваться
«информационной магистралью», как сегодня телефоном или телевидением.
Каким бы фантастичным это ни казалось, но уже теперь, в конце XX столетия, Интернет (а ему
суждено раствориться в будущей глобальной системе) в той или иной форме располагает всем
перечисленным. Проводятся видеоконференции, теле- и радиопередачи, есть свои почта и факс,
действуют электронные магазины... Однако пребывание в Сети не всегда доступно по цене,
получение нужной информации порой требует больших затрат времени. Словом, Интернет
должен развиваться и совершенствоваться, чтобы им действительно могли пользоваться все
желающие. К тому же сейчас информационные богатства Сети открыты в основном тем, кто
знает английский — язык межнационального общения в Интернете.

ПРОГРАММЫ
Нужные нам программы (игры, электронные энциклопедии, текстовые редакторы и другие прикладные программы), ради которых, собственно, и приобретают компьютер, нельзя просто так «положить» в него. Сначала на компьютере устанавливают ту или иную операционную систему (ОС) — набор специальных программ, которые должны, в частности, позволить правильно работать одной и той же прикладной программе на компьютерах с различными клавиатурами, мониторами, быстродействием, размерами памяти и т. д. Иначе говоря, ОС обеспечивает интерфейс между прикладными программами и оборудованием, «железом». Кроме того, ОС управляет процессом совместного выполнения программ, не давая им мешать друг другу.
Операционные системы современных компьютеров многослойны, как пирог, и имеют модульное строение. Каждый модуль отвечает за определённый круг задач внутри слоя, к которому относится. Ядро ОС непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, обеспечивает получение и передачу данных из ОЗУ на диски, монитор, клавиатуру, звуковую карту и т. п. Доступ к ядру имеют обычно только служебные программы. Только через них обращается к ядру большинство программ пользовательской части ОС и прикладных программ. Лишь некоторые программы ОС (в основном из пользовательской её части) доступны непосредственно тому, кто сидит за клавиатурой компьютера (как, например, Проводник в MS Windows). ПРОГРАММЫ. ИХ ПИШУТ или выполняют? Словосочетание «программа для ЭВМ» имеет, как минимум, два смысла:
1) план некой деятельности, неких работ компьютера, записанный на каком-либо языке программирования;
2) двоичный код в памяти компьютера, анализируя который компьютер и будет выполнять эти работы. Программа в первом смысле слова превращается в программу во втором смысле слова с помощью компилятора. Компилятор — опять-таки программа, предназначенная для перевода программы, написанной на понятном для людей языке, в программу, понятную компьютеру. Путь от замысла и схемы программы (называемой алгоритмом) к её точному описанию — текстам программы и, наконец, к правильно работающей программе — исполняемому модулю — называется программированием.

Примерно до середины XX в., до появления кибернетики (науки об управлении, информации, компьютерах), господствовало убеждение, что знание о любом объекте или явлении неполноценно и как бы вообще не знание, если мы досконально не выяснили, как объект устроен, откуда он произошёл, как получился и т. д. В общем, с этим трудно спорить, особенно когда в вашем распоряжении неограниченные ресурсы и возможности (люди, время, деньги). Но если требуется быстро спроектировать и построить очень сложную систему, а людей и денег гораздо меньше, чем хотелось бы, так работать нельзя в принципе.
И было введено понятие «чёрный ящик». Оно обозначает любой объект, о внутренней структуре которого ничего не известно, но чьи внешние функции и проявления точно и подробно описаны. Например, никто, кроме разработчиков и производителей, не знает досконально, как именно устроены микросхемы памяти, жёсткие диски и т. п. Однако для того
чтобы использовать эти «чёрные ящики», такого знания, к счастью, и не требуется.
Идея «чёрного ящика» оказалась чрезвычайно плодотворной. С ней связаны понятия «модуль»,
«модульное проектирование», «интерфейс».
Представьте, что вы изобрели и научились производить микропроцессоры (жёсткие диски,
микросхемы памяти — любой из известных компьютерных модулей), которые гораздо лучше
ныне действующих. Если ваш процессор (модуль) пригоден, например, для нынешних
персональных компьютеров (старый вынимаем, новый вставляем, и единственная трудность —
чтобы электростатический разряд с руки не соскочил и не испортил процессор), то считайте —
вы победили. Если же ваша новинка никаким существующим интерфейсам не соответствует,
приготовьтесь к дополнительным усилиям и затратам. Вокруг вашего процессора (модуля) придется, прежде всего, построить компьютер (ведь сам по
себе ваш модуль никому не нужен), а затем уговорить людей его покупать. Но начните с
увольнения вашего главного конструктора: так уже давно никто не работает. Ведь первый
принцип модульного проектирования в том и заключается, чтобы в проекте, разбитом на
независимые блоки-модули, всё было видно заранее, до его реализации: вот модули, которые
мы сделаем сами, эти — купим у того производителя, а другие — у этого.
Следование таким правилам даёт потребителям возможность обновлять свои вычислительные
системы по частям, а не целиком. Разработчикам же позволяет сосредоточиться на том, что у
них лучше всего получается. Они знают, каким должен быть их продукт «снаружи», в какой
среде и как он будет работать, чего можно ожидать от комплектующих, которые придётся
использовать в производстве. Как сделать этот продукт дешевле, надёжнее и быстрее, чем
получается у признанных в данной области авторитетов.
Во всяком компьютере реализуется множество интерфейсов. Во-первых, это интерфейсы
пользователя, различающиеся не только от компьютера к компьютеру, но и от программы к программе. Во-вторых, программные интерфейсы — правила взаимодействия программ и их частей друг с другом. В-третьих, аппаратные и программно-аппаратные интерфейсы. Пользовательский интерфейс программы определяет, как вы будете ею управлять и передавать ей данные для обработки, в какой форме получите результаты её работы. Иначе говоря, пользовательский интерфейс представляет собой аналог панелей управления материальных приборов и устройств. Простейший его вид — интерфейс командной строки, или символьный интерфейс. Пользуясь им, необходимо помнить все «ручки управления» программы, с которой в данный момент приходится работать, и команды, эти «ручки» обозначающие. Захотели какую-нибудь «ручку» повернуть — вводите через клавиатуру её название (т. е. соответствующую команду) и ещё несколько параметров, разъясняющих компьютеру, как именно вы данную «ручку» желаете повернуть. Совсем другое дело — графический интерфейс. Хорошо продуманный, или, как говорят, дружественный, графический интерфейс позволяет сосредоточиться на сути задачи, которую решают с помощью компьютера: не пишут и не читают названия своих действий, а именно выполняют их и видят, как выполняют. Если нужно повернуть какую-нибудь «ручку» на 60° по часовой стрелке, то именно так её и поворачивают (обычно с помощью мыши), наблюдая на экране монитора, как она поворачивается. В принципе можно даже не помнить, как эта «ручка» в точности называется, необходимо лишь знать, как ею пользоваться.

«ЖЕЛЕЗО»
Многочисленные элементы (устройства) компьютера, размещаемые в его системном блоке,
можно подразделить всего на пять основных групп. Это центральный процессор, память, шина,
блок электропитания и многочисленные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
(АЦП и ЦАП).
Процессор напрямую соединён с элементами быстрой (оперативной) памяти. Её ещё называют
оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или памятью произвольного доступа (RAM; от англ. Random Access Memory). При отключении электропитания компьютера она очищается, и все данные, находящиеся в ней, теряются.
В долговременной памяти данные сохраняются и после выключения компьютера. Чаще всего она больше по объёму, чем ОЗУ, хотя и не такая быстрая. Это жёсткие и гибкие диски, CD-ROM, магнитная лента и т. д. По шине данные передаются между устройствами системного блока. АЦП и ПАП преобразуют информацию из аналоговой формы (непрерывно изменяющихся значений электрического напряжения) в цифровую, компьютерную (в наборы чисел, обычно двоичных), и обратно. АЦП и ЦАП называют контроллерами (контроллер жёсткого диска, графический контроллер, контроллеры портов и т. д.). Любой контроллер содержит микропроцессор, а значит, является компьютером, но только не универсальным, в каком сам установлен, а специализированным.
В микросхемах BIOS «запаяны» программы, которые выполняются при включении компьютера и как бы оживляют его, превращая множество соединённых проводками деталей в единое целое — в готовый к работе универсальный преобразователь информации. Внешние, периферийные устройства, или просто периферия (клавиатура, мышь, монитор,
принтер, сканер и т. д.), подсоединяются к компьютеру через порты.
КАК УСТРОЕНА КОМПЬЮТЕРНАЯ ПАМЯТЬ
Память компьютеров, вне зависимости от того, как она физически устроена, можно представлять
себе в виде ленты с ячейками, как в машине Тьюринга. Только это очень длинная лента — даже в
настольных компьютерах таких ячеек сейчас от 4 до 32 млн. Все ячейки памяти последовательно
пронумерованы, начиная с нуля. Номер ячейки принято называть её адресом, а размер, от которого зависит, насколько большие числа могут в неё поместиться, — размерам машинного слова.
Размер машинного слова — очень важная характеристика компьютера. Помните про символы машины Тьюринга, которые обозначают и команды процессору, и данные? В компьютере все они — числа. Отсюда, в частности, следует, что от размера машинного слова зависит максимальный размер памяти. Предположим, например, что размер машинного слова таков, что в него можно уместить любое число от 0 до 255. Понятно, что нам не удастся записать в это слово адрес произвольной ячейки, если ячеек больше 256. А коли ячейка не пронумерована, не имеет адреса, то для процессора её просто нет.
Неужели нам придётся каждое вводимое в память число сначала разбивать на «кусочки», помещающиеся в ячейку, а потом, при чтении, собирать его из этих «кусочков»? Для обеспечения быстродействия нужно, чтобы число было записано и прочитано за одно обращение к памяти. Другими словами, любое число должно целиком умещаться в одной ячейке. Например, в мощных компьютерах длина машинного слова составляет 64 разряда (8 байт) и более. Длина машинного слова памяти нынешних персональных компьютеров — 32 разряда. КАК ПРОЦЕССОР РАБОТАЕТ С ПАМЯТЬЮ
Итак, всё, что хранится в памяти компьютера, представлено в форме чисел. И процессор всякий раз, когда читает содержимое очередной ячейки памяти, должен заранее «знать», что именно там находится — команда, адрес или данные (и какие именно). Иначе он не сможет правильно воспользоваться числом, прочитанным в ячейке.
Это, с одной стороны, большое неудобство: сбившись со счёта, компьютер перестанет правильно работать — будет принимать команды за данные, а адреса ячеек за команды. И тогда ничего не останется, как заставить его начать всё заново, т. е. выключить компьютер и включить (перезагрузить). При включении запускаются процедуры инициализации. Это специальные программы нулевого уровня, «зашитые» в «железо» компьютера, в его постоянную память — BIOS. Их назначение, образно говоря, состоит в том, чтобы заново объяснить компьютеру, что он такое, как и что он должен делать, где и что у него находится.
С другой стороны, если данные в памяти компьютера — числа, то и работать с ними можно как с числами, т. е. с тем, что поддаётся обработке и преобразованию. Иными словами, компьютер способен изменять сам себя (помните про программно-аппаратную сущность компьютера?). Ведь что такое программа? Набор ячеек в памяти, в которых лежат (записанные в форме чисел) команды процессору и данные. Ну и почему нельзя поменять значения чисел в этих ячейках? Можно поменять. Но это будет означать изменение команд и последовательности их исполнения, изменение данных, к которым команды применяются. Словом, изменится программа, т. е. некая часть (возможно, очень важная) компьютера. ПОЧЕМУ ЧИСЛА В КОМПЬЮТЕРЕ ДВОИЧНЫЕ?
Все знают или слышали, что числа хранятся в компьютере в двоичной форме. Ещё употребляется термин «бинарные числа». Кто-то полагает, что двоичные числа совсем особенные числа, принципиально отличные от десятеричных, которые мы привыкли записывать арабскими цифрами. Это не так. Число, записано ли оно в двоичной, десятеричной, шестнадцатеричной или какой-либо иной системе, остаётся одним и тем же. Изменяется лишь форма его записи, внешний вид.
В двоичной системе счисления числа записываются с помощью только двух цифр — 0 и 1. Эти цифры можно использовать для интерпретации двух противоположных состояний (например, «да-нет», «истина-ложь», «включено-выключено»). Последние легко представить в электронном устройстве двумя уровнями напряжения. Потому-то двоичная система счисления и стала основой современной вычислительной техники. Если бы в компьютерах применялись десятичные числа, то электронные устройства имели бы десять уровней напряжения — один для каждой цифры. Компьютеры были бы значительно более сложными, а значит, менее надёжными и более дорогими.
Слово бит (bit) означает двоичную цифру (0 или 1). В байт входят восемь бит — двоичных цифр, восемь разрядов. В компьютерном мире всё принято измерять в байтах. В байте «помещается» 256 различных значений (например, числа от -127 до 128 или от 0 до 255). Буквы европейских языков, знаки препинания и символы десятичных цифр занимают в памяти также по одному байту. АЦП И ПАП
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает информацию — превращает сигналы из внешнего мира в наборы чисел, которые способен различать и читать компьютер. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) решает обратную задачу: преобразует наборы чисел в аналоговый, т. е. непрерывно изменяющийся, сигнал. Нецифровые приборы и устройства тем или иным образом способны его воспринять и использовать. Строго говоря, АЦП и ЦАП имеют дело только с электрическими аналоговыми сигналами — непрерывно изменяющимися значениями напряжения или силы тока. Поэтому если мы, например, хотим оцифровать звук (звуковые колебания), то его сначала нужно превратить в электрический ток (скажем, с помощью микрофона). АЦП замерит аналоговый сигнал через очень короткие, по человеческим меркам, промежутки времени и преобразует результат каждого замера в соответствующее числовое значение. Правда, вместо плавной кривой получится набор ступенек. Но чем чаще делаются замеры, тем ближе набор ступенек к исходной кривой, тем лучше запишется в память компьютера оцифрованный (дискретизированный) звук. Например, на компакт-дисках записан звук, оцифрованный с частотой 44 100 замеров в секунду, а высота ступенек изменяется от 0 до 65 536. Поэтому для хранения одного замера нужно 2 байта, а чтобы запомнить фрагмент какого-либо музыкального произведения продолжительностью 1с — 2x44100 = 88 200 байт. Теперь понятно, почему звуковые файлы занимают так много места на жестком диске? Зато, превратив их с помощью ЦАП в аналоговый электрический сигнал и подав его через усилитель на громкоговоритель, можно наслаждаться любимыми мелодиями.
Чтобы оцифровать картинку, нужно разбить её на точки и определить яркость (цвет) каждой из них, а получившиеся числа, характеризующие яркость (цвет) соответствующих точек, — последовательно, точка за точкой записать в память компьютера.
Оцифровывают не только звуковые и световые колебания, но и показания любых измерительных приборов: сейсмографов, радаров, датчиков давления, температуры, влажности, загазованности и т. д. Наоборот, числа из компьютера, преобразованные с помощью ЦАП в значения управляющих напряжений больших и малых движителей, заставляют в конечном итоге открываться и закрываться заслонки и клапаны в двигателях внутреннего сгорания, поворачиваться элероны на крыльях самолётов и т. д.

Машина фон Неймана — схема универсального компьютера, предложенная выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г. По этой схеме действует любой компьютер. Как, впрочем, и каждый универсальный преобразователь информации, не обязательно электронный. Процессор, выполняя ту или иную программу, расположенную в памяти, управляет вводом в память и выводом из неё данных. Попавшие в память данные процессор обрабатывает.
Вот два простейших случая. Если вы работаете с текстовым редактором, то, нажав на клавиатуре (устройстве ввода) клавишу «пробел», увидите на экране монитора (устройстве вывода), что курсор сдвинулся вправо. Если же вы нажали на «пробел», играя в DOOM, то, например, откроется тайник — при условии, что он «перед вами» и вы это «заслужили». Спорить о том, что «главнее» — процессор, выполняющий программу, или программа, управляющая работой процессора, можно так же долго, как и о том, что появилось раньше — яйцо или курица.
Самый простой компьютер — машина Тьюринга, придуманная английским математиком Аланом М. Тьюрингом в 1936— 1937 гг. Как и машина фон Неймана, это теоретическая модель. Но если машина фон Неймана позволяет уяснить, как устроен компьютер, то машина Тьюринга — как работают цифровые компьютеры. Почти все современные ЭВМ — прямые, хотя и сильно изменившиеся потомки машины Тьюринга.
Ввод, вывод и память в машине Тьюринга представляют собой ленту, разделённую на квадратики, или ячейки. Каждая ячейка содержит некий символ или пуста. Процессор машины Тьюринга способен за один раз (такт) рассмотреть только одну из ячеек. В зависимости от того, что за символ помещён в данной ячейке, процессор может стереть этот символ, записать в ячейке другой символ, перемотать ленту вперёд-назад на некоторое число ячеек, закончить работу, выполнить комбинацию перечисленных действий. Например, символ «+», помещённый в одну из ячеек, может означать такой набор инструкций (команд) процессору: «Передвинься на ячейку вправо, там будет число, прочти и запомни его. Передвинься ещё на ячейку вправо, там тоже будет число, прочти его и прибавь к первому числу, полученную сумму запомни. Сотри второе число, на его место запиши результат сложения. Передвинься ещё на ячейку вправо и прочти в ней следующую команду». Символами чисел могут быть в данном случае сами числа.
Или другая команда — обозначенная символом «=»: «В двух ячейках справа лежит по числу. Сравни их значения. Если числа равны между собой, то запиши в третью ячейку единицу, а если нет — то нуль». На самом деле и в этом случае инструкции процессору следовало бы излагать так же подробно, как и в первом. Но нам, к счастью, нет надобности точно воспроизводить все слишком мелкие детали инструкции, которую должен получать любой процессор, чтобы его можно было построить не только мысленно, но и на практике.
Тьюринг строго математически доказал: придуманное им примитивное устройство способно решать весьма сложные арифметические и логические задачи даже при очень небольшом числе символов, используемых для обозначения команд и обрабатываемых данных. Но ленты с записанными на них командами и данными легко менять, а потому компьютер (и в виде машины Тьюринга) может справиться с любыми задачами обработки информации, если только... Если только нам удастся изложить способ решения этих задач на языке символов, понятных машине. В общем, ясно: полезность конкретной машины Тьюринга прямо зависит от того, насколько богат набор символов, которые способен распознавать её процессор.
И конечно, от того, как быстро процессор распознаёт и обрабатывает символы на ленте,
записывает их, переходит от ячейки к ячейке (двигает ленту). А то и жизни может не хватить,
чтобы дождаться решения какой-нибудь большой задачи.
Нетрудно догадаться, что процессор довольно сложное устройство. Как минимум, он должен
уметь: 1) читать, писать и стирать символы, переходить от ячейки к ячейке; 2) оперировать с
символами (сравнивать, преобразовывать), для чего ему, в частности, необходимо место для их
временного хранения-запоминания.
Действительно, стандартная схема всякого процессора включает в себя устройство управления
(УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) с собственной памятью (называемой
регистрами, внутренним кэшем и т. д.). Внимательный читатель, вероятно, отметил, что
процессор, являющийся лишь частью (хотя и самой важной) компьютера, представляет собой
машину фон Неймана.
Сейчас, когда компьютеры стали привычной деталью нашего обихода,
трудно представить себе, как потрясло изобретение Тьюринга его современников. Машина
может решать арифметические и логические задачи, которые и большинству-то людей не по
зубам! И мало кто из нас осознаёт, сколь огромно число элементарных операций, которые
проделывает компьютер, когда мы, одним движением пальца нажимая на клавиш мыши или
клавиатуры, «перелистываем» электронную книгу с картинками.

На рубеже XX—XXI вв. для большинства людей слово «компьютер» означает персональный
компьютер — настольный или переносной. И это естественно. Десятки миллионов компьютеров, работающих сейчас по всему миру, — именно персональные, или, как их ещё называют, микрокомпьютеры. Более мощные (и, несомненно, более дорогие) именуются, в порядке возрастания мощности, рабочими станциями, мини-компьютерами, мейнфреймами и, наконец, суперкомпьютерами. Но классификация эта условна. Она имеет смысл только в отношении техники, выпущенной в одно время, да и то не всегда: старшие модели персональных компьютеров часто мощнее младших моделей рабочих станций и т. д. И если на вашем самом недорогом персональном компьютере без проблем работает
операционная система Windows 95, то можете быть уверены: у вас в распоряжении больше
ресурсов, чем было лет десять назад у неплохого вычислительного центра, гордившегося своим
мейнфреймом.
КАК ВЫГЛЯДИТ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
Когда говорят «компьютер», обычно имеют в виду сразу три устройства — системный блок,
монитор и клавиатуру. Плюс, может быть, маленькую мышь. Это настольный персональный
компьютер. У переносного аппаратура целиком находится в одном корпусе. Только вместо
мышки там трекбол или другое указательное устройство. В системном блоке размещены и мозг
компьютера (процессор), и память, и сердце (блок питания). Всё остальное называется
периферией и предназначено для связи компьютера с внешним миром — с пользователями,
другими компьютерами и устройствами.
Но эти видимые, осязаемые, весомые предметы составляют только часть компьютера — так
называемое железо, аппаратное обеспечение, или хард (искажённое, но общеупотребительное от
англ. hardware). А есть ещё и другая часть — невидимая, неосязаемая и невесомая: программное
обеспечение (ПО), или софт (англ. software). Ни один компьютер не способен работать без
программ. Именно двуединая, программно-аппаратная сущность компьютеров и делает их столь
многообразно полезными, многоликими.
Одинаковые компьютеры с различным программным обеспечением по сути разные компьютеры.
Почти на любой современный домашний компьютер нетрудно установить программы, которые
сделают его файл-сервером, т. е. компьютерным хранилищем информации, центром целой сети
компьютеров-клиентов. И тогда верный помощник и незаменимый партнёр в играх превратится в
нечто, возможно, и нужное в каком-нибудь офисе, но странное и абсолютно бесполезное дома.

Дальнейшее развитие и миниатюризация полупроводниковых приборов привели в скором
времени к созданию интегральных схем. В них объединены полупроводниковые диоды, конденсаторы, резисторы (сопротивления) и соединительные элементы микроскопических
размеров. Все они располагаются на одном полупроводниковом кристалле.
Основным полупроводниковым материалом в настоящее время служит кристаллический
кремний. Находят применение арсенид галлия, фосфид индия и другие полупроводниковые
материалы. Полупроводниковые приборы и интегральные схемы широко применяются в современных
компьютерах, системах автоматизированного управления и телемеханики, производственном
оборудовании, средствах транспорта, бытовой электронике и т. д.
В мире ежегодно выпускается около 50 млрд. полупроводниковых приборов и примерно такое
же количество интегральных схем.