A digitális számítógépet numerikus formában történő adatfeldolgozásra tervezték (lásd digitális áramkör); áramkörei közvetlenül végzik az összeadás, kivonás, szorzás és osztás matematikai műveleteit. A digitális számítógép által kezelt számok bináris rendszerben vannak kifejezve; a bináris számjegyek vagy bitek 0 és 1, így a 0, 1, 10, 11, 100, 101 stb. megfelel a 0, 1, 2, 3, 4, 5 stb. számoknak. A bináris számjegyek könnyen kifejezhetők a számítógépes áramkörökben egy áram vagy feszültség jelenlétével (1) vagy hiányával (0). A nyolc egymást követő bitből álló sorozatot bájtnak nevezzük; a nyolc bites bájt 256 különböző be- és kikapcsolási kombinációt tesz lehetővé. Minden egyes bájt így legfeljebb 256 alfanumerikus karakter egyikét reprezentálhatja, és az ilyen elrendezést egybájtos karakterkészletnek (SBCS) nevezik; ennek az ábrázolásnak a de facto szabványa a kiterjesztett ASCII-karakterkészlet. Egyes nyelvek, például a japán, a kínai és a koreai, 256-nál több egyedi szimbólumot igényelnek. A két bájt, azaz 16 bit használata minden egyes szimbólumhoz azonban akár 65 536 karakter vagy ideogram megjelenítését is lehetővé teszi. Az ilyen elrendezést kétbájtos karakterkészletnek (DBCS) nevezik; az Unicode az ilyen karakterkészlet nemzetközi szabványa. A számítógép architektúrájától függően egy vagy több bájtot néha digitális szónak neveznek; ez nemcsak az adott szám nagyságát, hanem előjelét (pozitív vagy negatív) is megadhatja, és tartalmazhat redundáns biteket is, amelyek lehetővé teszik bizonyos hibák automatikus felismerését és bizonyos esetekben javítását (lásd kód; információelmélet). A digitális számítógép a számítások eredményeit későbbi felhasználás céljából tárolni tudja, az eredményeket össze tudja hasonlítani más adatokkal, és az ilyen összehasonlítások alapján megváltoztathatja az általa végrehajtott műveletsorozatot. A digitális számítógépeket ma már a legkülönbözőbb személyes, üzleti, tudományos és kormányzati célokra használják, az elektronikus játékoktól, az e-mail-től, a közösségi hálózatoktól, az adat- és szövegszerkesztő alkalmazásoktól kezdve az asztali publikáláson, a videokonferenciákon, az időjárás-előrejelzésen, a szimulált nukleáris fegyverek tesztelésén, a kriptográfián és sok más célon át.
A digitális számítógép műveleteit logikai áramkörök végzik, amelyek olyan digitális áramkörök, amelyek egyetlen kimenetét a bemenetek – általában kettő vagy több – feltételei határozzák meg. A számítógép belsejében az adatokat feldolgozó különböző áramköröknek nagymértékben szinkronizáltan kell működniük; ezt úgy érik el, hogy egy nagyon stabil oszcillátorral vezérlik őket, amely a számítógép órájaként működik. A személyi számítógépek tipikus órajele ma már másodpercenként több százmillió és több milliárd ciklus között mozog. Ilyen sebességgel működve a digitális számítógépes áramkörök másodpercenként több százmilliárd számtani vagy logikai művelet elvégzésére képesek, de a szuperszámítógépek több mint egymilliószor gyorsabbak; az ilyen sebesség lehetővé teszi olyan problémák gyors megoldását, amelyeket ember kézzel képtelen lenne megoldani. Az aritmetikai és logikai áramkörök és számos regiszter (a főtárolónál, azaz a memóriánál gyorsabban elérhető tárolóhelyek, amelyek a számítások közbenső eredményeinek tárolására szolgálnak) mellett a számítógép szíve, a központi feldolgozó egység (CPU) is megtalálható.tartalmazza azt az áramkört, amely dekódolja az utasításkészletet vagy programot, és végrehajtja azt.
A CPU-hoz kapcsolódik a főtároló vagy memória, ahol az eredményeket vagy más adatokat a másodperc töredékétől a napokig vagy hetekig terjedő ideig tárolják, mielőtt további feldolgozás céljából előhívják őket. Az egykor vákuumcsövekből, később pedig drótmátrixra felfűzött kis fánk alakú ferromágneses magokból álló főtároló ma már integrált áramkörökből áll, amelyek mindegyike több milliárd félvezető eszközt tartalmazhat. Míg minden egyes vákuumcső vagy mag egy bitet jelentett, és a számítógép teljes memóriáját ezer bájtban (vagy kilobájtban, KB) mérték, a modern számítógépes memóriachipek több százmillió bájtot (vagy megabájtot, MB) képviselnek, és mind a személyi, mind a nagyszámítógépek teljes memóriáját több milliárd bájtban (gigabájtban, GB) vagy annál is többben mérik. A csak olvasható memória (ROM), amelybe nem lehet írni, mindig megőrzi a tartalmát, és a számítógép vezérlőinformációinak tárolására szolgál. A véletlen hozzáférésű memória (RAM), amelyből olvasni és írni is lehet, minden egyes alkalommal elvész, amikor a számítógépet kikapcsolják. A modern számítógépek ma már tartalmaznak gyorsítótárat, amelyhez a CPU gyorsabban fér hozzá, mint a RAM-hoz, de lassabban, mint a regiszterekhez; a gyorsítótárban lévő adatok szintén elvesznek, amikor a számítógépet kikapcsolják.
A fő tárolóban éppen nem használt programokat és adatokat a kiegészítő vagy másodlagos tárolóra lehet menteni. Bár egykor a lyukszalag és a lyukkártyák szolgáltak erre a célra, napjainkban a legfontosabb anyagok a mágnesszalagok és -lemezek, valamint a flashmemória-eszközök, amelyekről olvasni és írni lehet, továbbá az optikai lemezek két típusa, a kompaktlemez (CD) és utódja, a digitális sokoldalú lemez (DVD). A RAM-mal összehasonlítva ezek olcsóbbak (bár a flashmemória drágább, mint a másik kettő), nem illékonyak (azaz az adatok nem vesznek el, ha a számítógépet kikapcsolják), és kényelmes módot biztosíthatnak az adatok egyik számítógépről a másikra történő átvitelére. Így az egyik számítógép által kiadott működési utasítások vagy adatok tárolhatók és később felhasználhatók akár ugyanazon a számítógépen, akár egy másik számítógépen.
A mágnesszalagot használó rendszerben az információt egy speciálisan erre a célra tervezett szalagos magnó tárolja, amely némileg hasonlít a hangrögzítéshez használt magnóhoz. A mágnesszalagot ma már nagyrészt nagy mennyiségű adat külső tárolására vagy nagyobb rendszerek biztonsági mentésére használják. A mágneses és az optikai lemezrendszerekben az elv ugyanaz; a mágneses vagy optikai adathordozó a lemez felületén egy pályán vagy sávban helyezkedik el. A lemezmeghajtó tartalmaz egy motort is a lemez forgatásához, valamint egy vagy több mágneses vagy optikai fejet az adatoknak a lemezre történő olvasásához és írásához. A meghajtóknak többféle formája van, a legjelentősebb különbség az, hogy a lemez kivehető-e a meghajtóegységből. A flashmemóriás eszközök, például az USB flash meghajtók, a flashmemóriás kártyák és a szilárdtest-meghajtók nem illékony memóriát használnak, amely blokkokban törölhető és újraprogramozható.
A műanyag tartóba zárt mylarból készült eltávolítható mágneslemezek (a régebbi változatoknak papírtartójuk volt) ma már nagyrészt elavultak. Ezek a floppylemezek különböző kapacitásúak, a nagyon nagy sűrűségű lemezek 250 MB-ot tartalmaznak?több mint elég egy tucat Tolsztoj Anna Karenina méretű könyv tárolására. A belső és külső mágneses merevlemezek vagy merevlemezek fémből készülnek, és egymástól távol eső rétegekbe rendeződnek. Sokkal több adatot tudnak tárolni, mint a floppyk vagy az optikai lemezek, és sokkal gyorsabban olvasnak és írnak adatokat, mint a floppyk. Ahogy a merevlemezek ára csökkent, egyre inkább a személyi számítógépek részévé váltak, és felváltották a floppylemezeket, mint az operációs rendszerek, programok és adatok tárolásának szabványos adathordozóit.
A kompakt lemezek több száz megabájtot is képesek tárolni, és például egy egész többkötetes enciklopédia vagy szakkönyvkészlet információinak tárolására használták őket. A DVD egy továbbfejlesztett optikai tárolási technológia, amely akár tízszer annyi adat tárolására képes, mint a CD technológia. A CD?Read-Only Memory (CD-ROM) és a DVD?Read-Only Memory (DVD-ROM) lemezeket csak olvasni lehet?a lemezekre gyárilag rányomják az adatokat, de miután megírták őket, nem lehet törölni és új adatokkal újraírni. Az 1990-es évek második felében új optikai tárolási technológiák jelentek meg: CD-R-re írható (CD-R) és DVD-re írható (DVD-R, DVD+R) optikai lemezek, amelyekre a számítógép CD-ROM vagy DVD-ROM létrehozásához írható, de csak egyszer írható; valamint CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW és DVD+RW) és DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), olyan lemezek, amelyekre többször is lehet írni.
A még újabb fejlesztésnek számító flashmemória-eszközök az elektromosan törölhető, programozható, csak olvasható memóriából fejlődtek ki. Bár drágábbak, mint a mágneses és optikai tárolási technológiák, a flashmemória sokkal gyorsabban olvasható és írható, ami rövidebb indítási időt és gyorsabb adatelérést és tárolást tesz lehetővé. Mivel a flashmemória a mechanikai ütéseknek is ellenáll, és egyre kompaktabbá vált, az USB flash meghajtó lehetővé teszi nagy mennyiségű adat egyszerű, hordozható külső tárolását. A szilárdtest-meghajtók könnyebben elérhetők és írhatók, mint a mágneses merevlemezek, és kevesebb energiát fogyasztanak, ezért elterjedtek a csúcskategóriás, könnyű noteszgépekben és a nagy teljesítményű számítógépekben. A flashmemóriát számítógépes táblagépekben és okostelefonokban is használják. A hibrid meghajtók, amelyek kisebb mennyiségű flashmemóriát és nagyméretű mágneses merevlemezt kombinálnak, lehetővé teszik nagy mennyiségű adat gazdaságos tárolását, miközben a gyakran használt, de csak alkalmanként módosított operációs rendszer- és programfájlokhoz való gyorsabb hozzáférés előnyeit élvezhetik.
Az adatok bevitele a számítógépbe és a feldolgozott adatok hozzáférhetővé tétele a be- és kimeneti eszközökön, más néven perifériákon keresztül történik. Minden segédtároló eszköz bemeneti/kimeneti eszközként használatos. Sokáig a legnépszerűbb be- és kimeneti eszköz a lyukkártya volt. A legnépszerűbb bemeneti eszközök a számítógépes terminál és a belső mágneses merevlemezek, a legnépszerűbb kimeneti eszközök pedig a terminálhoz kapcsolódó számítógépes képernyő (amely jellemzően egy grafikus feldolgozóegység által feldolgozott kimenetet jelenít meg) és a nyomtató. Az emberek közvetlenül kommunikálhatnak a számítógéppel a számítógépes terminálokon keresztül, utasításokat és adatokat írógépekhez hasonló billentyűzetek segítségével, mutatóeszköz, például egér, trackball vagy touchpad használatával, vagy egy hangfelismerő szoftvert futtató számítógéphez csatlakoztatott mikrofonba beszélve. A bevitel eredménye megjeleníthető folyadékkristályos, fénykibocsátó diódás vagy katódsugárcsöves képernyőn vagy nyomtató kimeneten. A modern számítógépek másik fontos be- és kimeneti eszköze a hálózati kártya, amely lehetővé teszi, hogy a számítógép vezetékes vagy rádiós (vezeték nélküli) kapcsolat segítségével csatlakozzon egy számítógépes hálózathoz és az internethez. A CPU, a főtároló, a segédtároló és a be- és kimeneti eszközök együttesen alkotják a számítógépes rendszert.
A számítógépnek általában a leglassabb műveletek, amelyeket el kell végeznie, az adatátvitel, különösen akkor, ha az adatokat egy embertől kapja vagy neki adja át. A számítógép központi processzora ezen időszak nagy részében üresjáratban van, ezért két hasonló technikát alkalmaznak a teljesítményének teljesebb kihasználására.
A nagy számítógépeken alkalmazott időmegosztás lehetővé teszi, hogy egy számítógépet egyszerre több, különböző terminálokon lévő felhasználó használhasson. A számítógép egy feladat egy részét elvégzi az egyik felhasználó számára, majd felfüggeszti ezt a feladatot, hogy egy másik felhasználó számára egy másik feladat egy részét elvégezze, és így tovább. Minden felhasználó csak az idő töredékére használja a számítógépet, de a feladatváltás olyan gyors, hogy a legtöbb felhasználó nem veszi észre. A világ több tízmillió számítógépeinek többsége önálló, egyfelhasználós eszköz, amelyet különbözőképpen személyi számítógépnek vagy munkaállomásnak neveznek. Számukra a többfeladatos munkavégzés ugyanilyen típusú váltást jelent, de egyetlen felhasználó számára. Ez lehetővé teszi például, hogy egy felhasználó egy fájlt kinyomtasson, egy másikat pedig feltöltsön egy internetes webhelyre, miközben egy harmadikat szövegszerkesztésben szerkeszt, és egy interneten keresztül sugárzott felvételt hallgat. A személyi számítógépek hálózatba is kapcsolhatók, ahol minden egyes számítógép – általában hálózati, koaxiális vagy üvegszálas kábellel, illetve rádiójelekkel (vezeték nélküli) – kapcsolódik a többi számítógéphez, lehetővé téve az erőforrások, például a nyomtatók, a merevlemezes tárolóeszközök és az internetkapcsolat megosztását. A felhőalapú számítástechnika az erőforrások megosztásának egy másik formája. A hardverhez és szoftverhez való hozzáférést egy hálózaton, leggyakrabban az interneten keresztül biztosítva a felhőalapú számítástechnika célja, hogy sokféle eszközt használó magánszemély és szervezet számára lehetővé tegye a számítástechnikai erőforrásokhoz való könnyű hozzáférést és az erőforrások típusának és mennyiségének rugalmas megváltoztatását.
Mielőtt egy számítógépet egy adott célra használni lehetne, először be kell programozni, azaz egy utasításkészlet, azaz program betöltésével fel kell készíteni a használatra. A különböző programokat, amelyekkel a számítógép működésének egyes aspektusait vezérli, például az adatok egyik formából a másikba történő átváltását, szoftverként ismerjük, szemben a hardverrel, amely a berendezést alkotó fizikai berendezéseket jelenti. A legtöbb számítógépben a gép pillanatnyi vezérlése egy speciális szoftverprogramban, az úgynevezett operációs rendszerben vagy felügyelőben található. A szoftverek egyéb formái közé tartoznak a programozási nyelvek asszemblerei és fordítói, valamint az üzleti és otthoni használatra szánt alkalmazások (lásd számítógépes program). A szoftver nagy jelentőséggel bír; egy rendkívül kifinomult hardverkészlet hasznosságát korlátozhatja a megfelelő szoftver hiánya.
A program minden egyes utasítása lehet egyszerű, egyetlen lépés, amely utasítja a számítógépet valamilyen aritmetikai művelet elvégzésére, az adatok beolvasására a memória valamely adott helyéről, két szám összehasonlítására vagy valamilyen más művelet elvégzésére. A program pontosan úgy kerül a számítógép memóriájába, mintha adat lenne, és az aktiváláskor a gépet arra utasítják, hogy ezt a memóriában lévő anyagot utasításként kezelje. Ezután más adatok is beolvashatók, és a számítógép végre tudja hajtani a programot az adott feladat elvégzésére.
Mivel a számítógépek bináris számokkal való működésre vannak tervezve, minden adatot és utasítást ebben a formában kell ábrázolni; a gépi nyelv, amelyen a számítógép belsőleg működik, az utasításokat meghatározó különböző bináris kódokból és az utasítások írásának formátumaiból áll. Mivel a programozó számára időigényes és fárasztó a tényleges gépi nyelven dolgozni, a legtöbb program megírására egy, a programozó kényelmét szolgáló programozási nyelvet vagy magas szintű nyelvet használnak. A számítógépet úgy programozzák, hogy ezt a magas szintű nyelvet lefordítsa gépi nyelvre, majd megoldja azt az eredeti problémát, amelyre a programot írták. Sok magas szintű programozási nyelv ma már univerzális, gépenként alig különbözik.
- Bevezetés
- Analóg számítógépek
- Digitális számítógépek
- A számítógépek fejlődése
- Irodalomjegyzék