Digitální počítač je určen ke zpracování dat v číselné podobě (viz digitální obvod); jeho obvody přímo provádějí matematické operace sčítání, odčítání, násobení a dělení. Čísla, s nimiž číslicový počítač pracuje, jsou vyjádřena ve dvojkové soustavě; dvojkové číslice neboli bity jsou 0 a 1, takže 0, 1, 10, 11, 100, 101 atd. odpovídají 0, 1, 2, 3, 4, 5 atd. Binární číslice se v počítačových obvodech snadno vyjadřují přítomností (1) nebo nepřítomností (0) proudu nebo napětí. Řada osmi po sobě jdoucích bitů se nazývá byte; osmibitový byte umožňuje 256 různých kombinací zapnutí a vypnutí. Každý bajt tak může reprezentovat jeden z až 256 alfanumerických znaků a takové uspořádání se nazývá jednobajtová znaková sada (SBCS); de facto standardem pro tuto reprezentaci je rozšířená znaková sada ASCII. Některé jazyky, například japonština, čínština a korejština, vyžadují více než 256 jedinečných znaků. Použití dvou bajtů neboli 16 bitů pro každý symbol však umožňuje reprezentaci až 65 536 znaků neboli ideografů. Takové uspořádání se nazývá dvoubajtová znaková sada (DBCS); Unicode je mezinárodní standard pro takovou znakovou sadu. Jeden nebo více bajtů, v závislosti na architektuře počítače, se někdy nazývá digitální slovo; může určovat nejen velikost daného čísla, ale také jeho znaménko (kladné nebo záporné) a může také obsahovat redundantní bity, které umožňují automatickou detekci a v některých případech i opravu některých chyb (viz kód; teorie informace). Digitální počítač může ukládat výsledky svých výpočtů pro pozdější použití, může porovnávat výsledky s jinými daty a na základě těchto porovnání může měnit řadu prováděných operací. Digitální počítače se dnes používají pro širokou škálu osobních, obchodních, vědeckých a vládních účelů, od elektronických her, elektronické pošty, sociálních sítí a aplikací pro zpracování dat a textů až po stolní publikování, videokonference, předpověď počasí, simulované zkoušky jaderných zbraní, kryptografii a mnoho dalších účelů.
Operace digitálního počítače provádějí logické obvody, což jsou digitální obvody, jejichž jediný výstup je určen podmínkami vstupů, obvykle dvou nebo více. Různé obvody zpracovávající data uvnitř počítače musí pracovat vysoce synchronizovaně; toho se dosahuje jejich řízením pomocí velmi stabilního oscilátoru, který funguje jako hodiny počítače. Typické taktovací frekvence osobních počítačů se dnes pohybují od několika set milionů cyklů za sekundu až po několik miliard. Při těchto rychlostech jsou digitální počítačové obvody schopny provádět stovky miliard aritmetických nebo logických operací za sekundu, ale superpočítače jsou schopny provádět více než milionkrát rychlejší operace; takové rychlosti umožňují rychlé řešení problémů, které by člověk nemohl vyřešit ručně. Kromě aritmetických a logických obvodů a řady registrů (paměťových míst, ke kterým lze přistupovat rychleji než k hlavnímu úložišti neboli paměti a které slouží k uchovávání mezivýsledků výpočtů) je srdcem počítače?nazývá se centrální procesorová jednotka neboli CPU?obsahuje obvody, které dekódují sadu instrukcí neboli program a zajišťují jeho provedení.
S procesorem je spojeno hlavní úložiště neboli paměť, kde jsou výsledky nebo jiná data uložena po dobu od malého zlomku sekundy až po dny nebo týdny, než jsou znovu vyvolána k dalšímu zpracování. Kdysi se skládala z vakuových elektronek a později z malých feromagnetických jader ve tvaru koblihy navlečených na drátěné matrici, nyní se hlavní paměť skládá z integrovaných obvodů, z nichž každý může obsahovat miliardy polovodičových součástek. Zatímco každá vakuová trubice nebo jádro představovaly jeden bit a celková paměť počítače se měřila v tisících bajtů (nebo kilobajtech, KB), paměťové čipy moderních počítačů představují stovky milionů bajtů (nebo megabajtů, MB) a celková paměť osobních i sálových počítačů se měří v miliardách bajtů (gigabajtech, GB) nebo více. Paměť pouze pro čtení (ROM), do které nelze zapisovat, si zachovává svůj obsah po celou dobu a slouží k ukládání řídicích informací počítače. Paměť s náhodným přístupem (RAM), ze které lze číst i do ní zapisovat, se ztrácí při každém vypnutí počítače. Moderní počítače nyní obsahují paměť cache, ke které má procesor přístup rychleji než k paměti RAM, ale pomaleji než k registrům; data v paměti cache se při vypnutí počítače rovněž ztratí.
Programy a data, která se v hlavní paměti právě nepoužívají, lze uložit do pomocné nebo sekundární paměti. Ačkoli kdysi k tomuto účelu sloužily děrné papírové pásky a děrné karty, dnes se používají především magnetické pásky a disky a paměťová zařízení typu flash, ze kterých lze číst a na které lze zapisovat, a dva typy optických disků, kompaktní disk (CD) a jeho nástupce digitální univerzální disk (DVD). Ve srovnání s pamětí RAM jsou tyto paměti levnější (i když paměť flash je dražší než ostatní dvě), nejsou nestálé (tj. data se neztratí, když se vypne napájení počítače) a mohou poskytnout pohodlný způsob přenosu dat z jednoho počítače do druhého. Operační instrukce nebo data vycházející z jednoho počítače tak mohou být uloženy a později použity buď stejným, nebo jiným počítačem.
V systému využívajícím magnetickou pásku se informace ukládají pomocí speciálně navrženého magnetofonu, který je do jisté míry podobný magnetofonu používanému pro záznam zvuku. Magnetická páska se nyní ve velké míře používá pro offsite ukládání velkých objemů dat nebo zálohování velkých systémů. V systémech magnetických a optických disků je princip stejný; magnetické nebo optické médium leží v dráze nebo stopě na povrchu disku. Disková jednotka obsahuje také motor, který disk roztáčí, a magnetickou nebo optickou hlavu či hlavy pro čtení a zápis dat na disk. Mechaniky mají několik podob, přičemž nejvýznamnějším rozdílem je, zda lze disk ze sestavy mechaniky vyjmout. Paměťová zařízení typu flash, jako jsou USB flash disky, flash paměťové karty a polovodičové disky, používají nevolatilní paměť, kterou lze v blocích vymazat a přeprogramovat.
Vyjímatelné magnetické disky vyrobené z mylaru uzavřeného v plastovém držáku (starší verze měly papírové držáky) jsou dnes již z velké části zastaralé. Tyto diskety mají různou kapacitu, přičemž diskety s velmi vysokou hustotou mají kapacitu 250 MB?více než dost na to, aby se na ně vešel tucet knih velikosti Tolstého Anny Kareniny. Interní a externí magnetické pevné disky neboli harddisky jsou vyrobeny z kovu a uspořádány v rozložených vrstvách. Mohou pojmout mnohem více dat než diskety nebo optické disky a mohou číst a zapisovat data mnohem rychleji než diskety. S klesající cenou se pevné disky stále častěji stávaly součástí osobních počítačů a nahradily diskety jako standardní médium pro ukládání operačních systémů, programů a dat.
Kompaktní disky mohou pojmout stovky megabajtů a byly použity například pro uložení informací obsažených v celé vícesvazkové encyklopedii nebo souboru referenčních děl. DVD je zdokonalená technologie optického ukládání dat, která dokáže uložit až desetinásobek dat, které dokáže uložit technologie CD. Disky CD?Read-Only Memory (CD-ROM) a DVD?Read-Only Memory (DVD-ROM) lze pouze číst?disky jsou z výroby opatřeny daty, ale po zápisu je nelze vymazat a znovu zapsat nová data. Ve druhé polovině 90. let 20. století byly zavedeny nové technologie optického ukládání dat: CD-Recordable (CD-R) a DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), optické disky, na které může počítač zapsat a vytvořit tak CD-ROM nebo DVD-ROM, ale lze na ně zapsat pouze jednou, a CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW a DVD+RW) a DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), disky, na které lze zapisovat vícekrát.
Paměťová zařízení typu flash, ještě novější vývoj, jsou pokračováním elektricky mazatelné programovatelné paměti pouze pro čtení. Ačkoli jsou dražší než magnetické a optické paměťové technologie, paměť flash lze číst a zapisovat mnohem rychleji, což umožňuje kratší zaváděcí časy a rychlejší přístup k datům a jejich ukládání. Protože paměť flash je také odolná vůči mechanickým nárazům a je stále kompaktnější, umožňuje USB flash disk snadné a přenosné externí ukládání velkého množství dat. Pevné disky jsou snadněji přístupné a zapisovatelné než magnetické pevné disky a spotřebovávají méně energie, a proto se staly běžnou součástí špičkových, lehkých notebooků a výkonných počítačů. Paměť typu flash se používá také v počítačových tabletech a chytrých telefonech. Hybridní disky, které kombinují menší množství paměti flash s velkým magnetickým pevným diskem, umožňují úsporné ukládání velkého množství dat a zároveň těží z pohotovějšího přístupu k často používaným, ale jen občas měněným souborům operačního systému a programů.
Data jsou do počítače vkládána a zpracovaná data zpřístupňována prostřednictvím vstupních/výstupních zařízení, nazývaných také periferie. Jako vstupní/výstupní zařízení se používají všechna pomocná paměťová zařízení. Po mnoho let byla nejoblíbenějším vstupním/výstupním médiem děrná karta. Nejoblíbenějšími vstupními zařízeními jsou počítačový terminál a interní magnetické pevné disky a nejoblíbenějšími výstupními zařízeními jsou obrazovka počítače spojená s terminálem (obvykle zobrazující výstup zpracovaný grafickým procesorem) a tiskárna. Lidé mohou přímo komunikovat s počítačem prostřednictvím počítačových terminálů, zadávat pokyny a data pomocí klávesnic podobných těm na psacích strojích, pomocí ukazovacího zařízení, jako je myš, trackball nebo touchpad, nebo mluvením do mikrofonu, který je připojen k počítači se softwarem pro rozpoznávání hlasu. Výsledek vstupu se může zobrazit na obrazovce z tekutých krystalů, světelných diod nebo katodové trubice nebo na výstupu z tiskárny. Dalším důležitým vstupním/výstupním zařízením v moderních počítačích je síťová karta, která umožňuje připojení počítače k počítačové síti a internetu pomocí kabelového nebo rádiového (bezdrátového) připojení. Procesor, hlavní paměť, pomocná paměť a vstupní/výstupní zařízení dohromady tvoří počítačový systém.
Všeobecně nejpomalejší operace, které musí počítač provádět, jsou operace přenosu dat, zejména když jsou data přijímána od člověka nebo mu doručována. Centrální procesor počítače je po většinu této doby nečinný, a proto se k plnějšímu využití jeho výkonu používají dvě podobné techniky.
Sdílení času, používané u velkých počítačů, umožňuje několika uživatelům na různých terminálech používat jeden počítač současně. Počítač provede část úlohy pro jednoho uživatele, pak tuto úlohu pozastaví, aby provedl část jiné úlohy pro jiného uživatele atd. Každý uživatel má počítač k dispozici jen na zlomek času, ale přepínání úloh je tak rychlé, že o něm většina uživatelů neví. Většina z desítek milionů počítačů na světě jsou samostatná zařízení pro jednoho uživatele, známá různě jako osobní počítače nebo pracovní stanice. U nich multitasking zahrnuje stejný typ přepínání, ale pro jednoho uživatele. Uživatel tak může například vytisknout jeden soubor a druhý nahrát na internetovou stránku, zatímco třetí upravuje v textovém editoru a poslouchá nahrávku přenášenou přes internet. Osobní počítače lze také propojit do sítě, kde je každý počítač spojen s ostatními, obvykle síťovým, koaxiálním nebo optickým kabelem nebo rádiovými signály (bezdrátově), což umožňuje všem sdílet zdroje, jako jsou tiskárny, úložná zařízení s pevným diskem a připojení k internetu. Cloud computing je další formou sdílení zdrojů. Cloud computing, který poskytuje přístup k hardwaru i softwaru prostřednictvím sítě, nejčastěji internetu, je navržen tak, aby umožnil mnoha jednotlivcům a organizacím používajícím širokou škálu zařízení jak snadný přístup k výpočetním zdrojům, tak flexibilitu při změně typu a objemu zdrojů, ke kterým mají přístup.
Předtím, než lze počítač použít k danému účelu, musí být nejprve naprogramován, tj. připraven k použití načtením souboru instrukcí neboli programu. Různé programy, kterými počítač řídí některé aspekty své činnosti, například programy pro převod dat z jedné formy do druhé, se označují jako software, na rozdíl od hardwaru, což je fyzické vybavení tvořící instalaci. Ve většině počítačů se momentální řízení stroje nachází ve speciálním softwarovém programu, který se nazývá operační systém nebo supervizor. Mezi další formy softwaru patří assemblery a kompilátory programovacích jazyků a aplikace pro obchodní a domácí použití (viz počítačový program). Software má velký význam; užitečnost vysoce sofistikované řady hardwaru může být omezena nedostatkem vhodného softwaru.
Každá instrukce v programu může být jednoduchý, jediný krok, který říká počítači, aby provedl nějakou aritmetickou operaci, přečetl data z určitého místa v paměti, porovnal dvě čísla nebo provedl nějakou jinou akci. Program je vložen do paměti počítače přesně tak, jako by to byla data, a při aktivaci je stroj naveden, aby s tímto materiálem v paměti zacházel jako s instrukcemi. Poté mohou být načtena další data a počítač může provést program tak, aby splnil konkrétní úkol.
Protože jsou počítače navrženy tak, aby pracovaly s binárními čísly, musí být všechna data a instrukce reprezentovány v této formě; strojový jazyk, ve kterém počítač interně pracuje, se skládá z různých binárních kódů, které definují instrukce, spolu s formáty, ve kterých jsou instrukce zapsány. Protože práce ve skutečném strojovém jazyce je pro programátora časově náročná a zdlouhavá, používá se pro psaní většiny programů programovací jazyk neboli jazyk vysoké úrovně, který je navržen pro pohodlí programátora. Počítač je naprogramován tak, aby tento vysokoúrovňový jazyk přeložil do strojového jazyka a poté vyřešil původní problém, pro který byl program napsán. Mnohé vysokoúrovňové programovací jazyky jsou dnes univerzální a jen málo se liší stroj od stroje.
- Úvod
- Analogové počítače
- Digitální počítače
- Vývoj počítačů
- Bibliografie
.