Komputer cyfrowy jest przeznaczony do przetwarzania danych w postaci liczbowej (zob. układ cyfrowy); jego obwody wykonują bezpośrednio operacje matematyczne dodawania, odejmowania, mnożenia i dzielenia. Liczby obsługiwane przez komputer cyfrowy są wyrażone w systemie binarnym; cyfry binarne, lub bity, są 0 i 1, tak że 0, 1, 10, 11, 100, 101, itd. odpowiadają 0, 1, 2, 3, 4, 5, itd. Cyfry binarne są łatwo wyrażane w obwodach komputerowych poprzez obecność (1) lub brak (0) prądu lub napięcia. Seria ośmiu kolejnych bitów nazywana jest bajtem; ośmiobitowy bajt pozwala na 256 różnych kombinacji włączania i wyłączania. Każdy bajt może zatem reprezentować jeden z maksymalnie 256 znaków alfanumerycznych, a taki układ nazywa się zestawem znaków jednobajtowych (SBCS); faktycznym standardem dla tej reprezentacji jest rozszerzony zestaw znaków ASCII. Niektóre języki, takie jak japoński, chiński i koreański, wymagają więcej niż 256 unikalnych symboli. Użycie dwóch bajtów, czyli 16 bitów, dla każdego symbolu pozwala na reprezentację do 65 536 znaków lub ideogramów. Taki układ nazywany jest dwubajtowym zestawem znaków (DBCS); Unicode jest międzynarodowym standardem dla takiego zestawu znaków. Jeden lub więcej bajtów, w zależności od architektury komputera, nazywa się czasem słowem cyfrowym; może ono określać nie tylko wielkość danej liczby, ale także jej znak (dodatni lub ujemny), a także może zawierać bity nadmiarowe, które pozwalają na automatyczne wykrywanie, a w niektórych przypadkach także korygowanie pewnych błędów (zob. kod; teoria informacji). Komputer cyfrowy może przechowywać wyniki swoich obliczeń do późniejszego wykorzystania, może porównywać wyniki z innymi danymi i na podstawie tych porównań może zmieniać serie wykonywanych operacji. Komputery cyfrowe są obecnie wykorzystywane do szerokiego zakresu celów osobistych, biznesowych, naukowych i rządowych, od gier elektronicznych, poczty elektronicznej, portali społecznościowych oraz aplikacji do przetwarzania danych i tekstów do publikacji na pulpicie, wideokonferencji, prognozowania pogody, symulowanych testów broni jądrowej, kryptografii i wielu innych celów.
Operacje komputera cyfrowego są wykonywane przez układy logiczne, które są układami cyfrowymi, których pojedyncze wyjście jest określone przez warunki wejść, zwykle dwóch lub więcej. Różne obwody przetwarzające dane we wnętrzu komputera muszą działać w sposób wysoce zsynchronizowany; jest to osiągane poprzez sterowanie nimi za pomocą bardzo stabilnego oscylatora, który działa jako zegar komputera. Typowe szybkości zegara komputera osobistego wynoszą obecnie od kilkuset milionów cykli na sekundę do kilku miliardów. Działając z takimi prędkościami, cyfrowe obwody komputerowe są w stanie wykonać setki miliardów operacji arytmetycznych lub logicznych na sekundę, ale superkomputery są w stanie wykonać je ponad milion razy szybciej; takie prędkości pozwalają na szybkie rozwiązywanie problemów, które byłyby niemożliwe do rozwiązania ręcznie przez człowieka. Oprócz obwodów arytmetycznych i logicznych oraz pewnej liczby rejestrów (miejsc przechowywania danych, do których dostęp jest szybszy niż do głównej pamięci i które służą do przechowywania pośrednich wyników obliczeń), serce komputera, zwane centralną jednostką obliczeniową (CPU), zawiera układy dekodujące dane, które są następnie przetwarzane na dane.zawiera układy, które dekodują zestaw instrukcji lub program i powoduje, że jest on wykonywany.
Połączone z CPU jest główna pamięć, lub pamięć, gdzie wyniki lub inne dane są przechowywane przez okresy czasu od małego ułamka sekundy do dni lub tygodni przed pobraniem do dalszego przetwarzania. Kiedyś składała się z lamp próżniowych, a później z małych rdzeni ferromagnetycznych w kształcie pączka, nawleczonych na matrycę z drutu, obecnie główna pamięć masowa składa się z układów scalonych, z których każdy może zawierać miliardy urządzeń półprzewodnikowych. Gdzie każda lampa próżniowa lub rdzeń reprezentował jeden bit i całkowita pamięć komputera była mierzona w tysiącach bajtów (lub kilobajtów, KB), nowoczesne chipy pamięci komputera reprezentują setki milionów bajtów (lub megabajtów, MB), a całkowita pamięć zarówno komputerów osobistych i komputerów typu mainframe jest mierzona w miliardach bajtów (gigabajtów, GB) lub więcej. Pamięć tylko do odczytu (ROM), do której nie można wprowadzać danych, zachowuje swoją zawartość przez cały czas i jest używana do przechowywania informacji sterujących komputerem. Pamięć o dostępie swobodnym (RAM), z której można zarówno odczytywać, jak i zapisywać dane, jest tracona po każdym wyłączeniu komputera. Nowoczesne komputery zawierają obecnie pamięć podręczną, do której procesor ma dostęp szybciej niż do pamięci RAM, ale wolniej niż do rejestrów; dane w pamięci podręcznej również są tracone po wyłączeniu komputera.
Programy i dane, które nie są aktualnie używane w głównej pamięci masowej, mogą być zapisywane w pomocniczej lub wtórnej pamięci masowej. Chociaż kiedyś służyły do tego taśma papierowa i karty dziurkowane, główne materiały używane obecnie to taśma magnetyczna i dyski oraz urządzenia pamięci flash, z których wszystkie mogą być odczytywane i zapisywane, a także dwa rodzaje dysków optycznych, dysk kompaktowy (CD) i jego następca – cyfrowy dysk uniwersalny (DVD). W porównaniu z pamięcią RAM, są one tańsze (chociaż pamięć flash jest droższa od dwóch pozostałych), nie są lotne (tzn. dane nie są tracone po wyłączeniu zasilania komputera) i mogą stanowić wygodny sposób przenoszenia danych z jednego komputera do drugiego. W ten sposób instrukcje operacyjne lub dane wyjściowe z jednego komputera mogą być przechowywane i wykorzystywane później przez ten sam komputer lub inny.
W systemie wykorzystującym taśmę magnetyczną informacje są przechowywane przez specjalnie zaprojektowany magnetofon, podobny do magnetofonu używanego do nagrywania dźwięku. Taśma magnetyczna jest obecnie w dużej mierze wykorzystywana do przechowywania poza siedzibą firmy dużych ilości danych lub głównych kopii zapasowych systemów. W systemach dysków magnetycznych i optycznych zasada jest taka sama; nośnik magnetyczny lub optyczny leży w ścieżce lub torze na powierzchni dysku. Napęd dysku zawiera również silnik do obracania dysku oraz głowicę lub głowice magnetyczne lub optyczne do odczytu i zapisu danych na dysku. Napędy przybierają różne formy, przy czym najważniejsza różnica polega na tym, czy dysk można wyjąć z zespołu napędowego. Urządzenia z pamięcią flash, takie jak pamięć flash USB, karty pamięci flash i dyski półprzewodnikowe, wykorzystują pamięć nieulotną, która może być kasowana i przeprogramowywana w blokach.
Wymienne dyski magnetyczne wykonane z mylaru zamkniętego w plastikowym uchwycie (starsze wersje miały uchwyty papierowe) są obecnie w dużej mierze przestarzałe. Te dyskietki mają różną pojemność, z dyskami o bardzo dużej gęstości mieszczącymi 250 MB, więcej niż potrzeba do zmieszczenia tuzina książek wielkości Anny Kareniny Tołstoja. Wewnętrzne i zewnętrzne magnetyczne dyski twarde, zwane też dyskami twardymi, są wykonane z metalu i ułożone w rozmieszczonych warstwach. Mogą one pomieścić znacznie więcej danych niż dyskietki lub dyski optyczne, a także mogą odczytywać i zapisywać dane znacznie szybciej niż dyskietki. Ponieważ cena dysków twardych spadła, stały się one coraz częściej elementem komputerów osobistych i zastąpiły dyskietki jako standardowe nośniki do przechowywania systemów operacyjnych, programów i danych.
Dyski kompaktowe mogą pomieścić setki megabajtów i były używane, na przykład, do przechowywania informacji zawartych w całej wielotomowej encyklopedii lub zestawie dzieł naukowych. DVD jest ulepszoną technologią optycznego przechowywania danych, która może przechowywać nawet dziesięć razy więcej danych niż technologia CD. Dyski CD z pamięcią tylko do odczytu (CD-ROM) i DVD z pamięcią tylko do odczytu (DVD-ROM) mogą być tylko odczytywane; dyski są fabrycznie wypełnione danymi, ale raz zapisane nie mogą być wymazane i ponownie zapisane nowymi danymi. W drugiej połowie lat 90. pojawiły się nowe technologie optycznych pamięci masowych: CD-Recordable (CD-R) i DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), dysków optycznych, które mogą być zapisywane przez komputer w celu utworzenia CD-ROM lub DVD-ROM, ale mogą być zapisane tylko raz; oraz CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW i DVD+RW), i DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), dyski, które mogą być zapisywane wiele razy.
Urządzenia pamięci flash, jeszcze bardziej niedawny rozwój, są wytworem elektrycznie kasowalne programowalnej pamięci tylko do odczytu. Chociaż droższe niż magnetyczne i optyczne technologie przechowywania, pamięć flash może być odczytywana i zapisywana znacznie szybciej, umożliwiając krótszy czas rozruchu oraz szybszy dostęp do danych i ich przechowywanie. Ponieważ pamięć flash jest również odporna na wstrząsy mechaniczne i staje się coraz bardziej kompaktowa, pamięć flash USB pozwala na łatwe, przenośne, zewnętrzne przechowywanie dużych ilości danych. Dyski półprzewodnikowe są łatwiejsze w dostępie i zapisie niż magnetyczne dyski twarde, zużywają mniej energii i stały się powszechne w wysokiej klasy, lekkich notebookach i komputerach o wysokiej wydajności. Pamięć flash jest również wykorzystywana w tabletach komputerowych i smartfonach. Dyski hybrydowe, które łączą mniejszą ilość pamięci flash z dużym magnetycznym dyskiem twardym, pozwalają na ekonomiczne przechowywanie dużych ilości danych przy jednoczesnym korzystaniu z bardziej szybkiego dostępu do często używanych, ale tylko sporadycznie zmienianych plików systemu operacyjnego i programów.
Dane są wprowadzane do komputera, a przetworzone dane udostępniane za pomocą urządzeń wejścia/wyjścia, zwanych również urządzeniami peryferyjnymi. Wszystkie pomocnicze urządzenia pamięci masowej są używane jako urządzenia wejścia/wyjścia. Przez wiele lat najpopularniejszym medium wejścia/wyjścia była karta dziurkowana. Najpopularniejszymi urządzeniami wejściowymi są terminal komputerowy i wewnętrzne magnetyczne dyski twarde, a najpopularniejszymi urządzeniami wyjściowymi są ekran komputera połączony z terminalem (zazwyczaj wyświetlający dane wyjściowe przetworzone przez procesor graficzny) oraz drukarka. Człowiek może bezpośrednio komunikować się z komputerem za pośrednictwem terminali komputerowych, wprowadzając instrukcje i dane za pomocą klawiatury podobnej do klawiatury maszyny do pisania, za pomocą urządzenia wskazującego, takiego jak mysz, trackball lub touchpad, lub mówiąc do mikrofonu podłączonego do komputera z oprogramowaniem do rozpoznawania głosu. Wynik wprowadzania danych może być wyświetlany na ekranie ciekłokrystalicznym, diodowym, kineskopowym lub na wydruku drukarki. Innym ważnym urządzeniem wejścia/wyjścia w nowoczesnych komputerach jest karta sieciowa, która umożliwia komputerowi podłączenie do sieci komputerowej i Internetu za pomocą połączenia przewodowego lub radiowego (bezprzewodowego). Procesor, główna pamięć masowa, pomocnicza pamięć masowa i urządzenia wejścia/wyjścia wspólnie tworzą system komputerowy.
Generalnie, najwolniejszymi operacjami, które komputer musi wykonać, są operacje przesyłania danych, szczególnie gdy dane są odbierane od lub dostarczane do człowieka. Procesor centralny komputera jest bezczynny przez znaczną część tego okresu, dlatego stosuje się dwie podobne techniki, aby pełniej wykorzystać jego moc.
Współdzielenie czasu, stosowane w dużych komputerach, pozwala kilku użytkownikom przy różnych terminalach korzystać z jednego komputera w tym samym czasie. Komputer wykonuje część zadania dla jednego użytkownika, następnie zawiesza to zadanie, aby wykonać część innego dla innego użytkownika, i tak dalej. Każdy użytkownik korzysta z komputera tylko przez ułamek czasu, ale przełączanie zadań jest tak szybkie, że większość użytkowników nie zdaje sobie z tego sprawy. Większość z dziesiątek milionów komputerów na świecie to samodzielne, jednoosobowe urządzenia znane pod różnymi nazwami: komputery osobiste lub stacje robocze. W ich przypadku wielozadaniowość polega na tym samym rodzaju przełączania, ale dla pojedynczego użytkownika. Pozwala to użytkownikowi na przykład wydrukować jeden plik, a drugi przesłać na stronę internetową, jednocześnie edytując trzeci w edytorze tekstu i słuchając nagrania przesyłanego strumieniowo przez Internet. Komputery osobiste mogą być również połączone w sieć, gdzie każdy komputer jest połączony z innymi, zwykle za pomocą kabla sieciowego, koncentrycznego lub światłowodowego albo sygnałów radiowych (bezprzewodowych), umożliwiając wszystkim współdzielenie zasobów, takich jak drukarki, urządzenia pamięci masowej z twardym dyskiem i połączenie z Internetem. Inną formą współdzielenia zasobów jest chmura obliczeniowa. Dostarczanie dostępu do sprzętu i oprogramowania przez sieć, najczęściej Internet, cloud computing ma na celu umożliwienie wielu osobom i organizacjom korzystającym z szerokiej gamy urządzeń zarówno łatwość dostępu do zasobów obliczeniowych i elastyczność w zmianie rodzaju i wielkości zasobów, do których mają dostęp.
Przed komputer może być używany do określonego celu, musi być najpierw zaprogramowany, czyli przygotowany do użycia przez załadowanie zestawu instrukcji lub programu. Różne programy, za pomocą których komputer kontroluje aspekty swojego działania, takie jak te do tłumaczenia danych z jednej formy na inną, są znane jako oprogramowanie, w przeciwieństwie do sprzętu, który jest fizycznym wyposażeniem składającym się na instalację. W większości komputerów kontrola nad maszyną z chwili na chwilę spoczywa w specjalnym programie komputerowym zwanym systemem operacyjnym lub nadzorcą. Inne formy oprogramowania obejmują asemblery i kompilatory języków programowania oraz aplikacje dla biznesu i do użytku domowego (patrz program komputerowy). Oprogramowanie ma ogromne znaczenie; użyteczność bardzo skomplikowanego układu sprzętowego może być ograniczona przez brak odpowiedniego oprogramowania.
Każda instrukcja w programie może być prostym, pojedynczym krokiem, nakazującym komputerowi wykonanie jakiejś operacji arytmetycznej, odczytanie danych z jakiegoś określonego miejsca w pamięci, porównanie dwóch liczb lub podjęcie jakiegoś innego działania. Program jest wprowadzany do pamięci komputera dokładnie tak, jakby to były dane, a po uruchomieniu maszyna jest kierowana do traktowania tego materiału w pamięci jako instrukcji. Inne dane mogą być następnie wczytane i komputer może wykonać program w celu wykonania określonego zadania.
Ponieważ komputery są zaprojektowane do pracy z liczbami binarnymi, wszystkie dane i instrukcje muszą być reprezentowane w tej formie; język maszynowy, w którym komputer działa wewnętrznie, składa się z różnych kodów binarnych, które definiują instrukcje wraz z formatami, w których instrukcje są zapisane. Ponieważ praca w rzeczywistym języku maszynowym jest czasochłonna i żmudna dla programisty, do pisania większości programów używa się języka programowania, czyli języka wysokiego poziomu, zaprojektowanego dla wygody programisty. Komputer jest zaprogramowany tak, aby przetłumaczyć ten język wysokiego poziomu na język maszynowy, a następnie rozwiązać oryginalny problem, dla którego program został napisany. Wiele języków programowania wysokiego poziomu jest obecnie uniwersalnych, różniących się niewiele w zależności od maszyny.
- Wprowadzenie
- Komputery analogowe
- Komputery cyfrowe
- Rozwój komputerów
- Bibliografia
.