1. Устройства ввода/вывода

Программа должна каким-то образом попасть в компьютер. Кроме самой программы, в компьютер должны попасть данные для программы, то есть некоторая информация, с которой должна работать программа. Если программа интерактивная, то необходимо передавать ей команды пользователя. Иначе говоря, необходимо, чтобы компьютер обладал устройством ввода информации. Можно сказать, что устройства ввода – это органы чувств компьютера. Так как информация может быть представлена различным образом, существует огромное множество различных видов устройств ввода. Наиболее распространенными являются клавиатура, мышь, сканер, микрофон.

Если была запущена программа, решающая математическую задачу, то вполне логично, что полученный ей результат должен быть сообщен пользователю. Интерактивная программа должна постоянно сообщать пользователю свое текущее состояние и в некоторых случаях задавать вопросы, например: «Вы действительно хотите удалить этот файл? (Да/Нет)». Таким образом, необходимо устройство вывода информации. Наиболее распространенными устройствами вывода являются монитор и принтер.

2. Память

Если Вам дали задание перемножить два числа «столбиком» вы запишите их на бумаге. В процессе умножения у вас часто будет возникать ситуация: «пять пишем, три в уме», то есть будет появляться новая информация, которую необходимо помнить.

Точно также и вводимая в компьютер информация должна быть куда-то записана. Кроме того, в процессе работы программы будет создаваться новая информация, которую тоже необходимо хранить. Следовательно, компьютер должен обладать памятью. Существует множество способов хранить информацию. Для человека наиболее привычными способами являются запись на бумаге и собственная память. Для компьютеров было придумано множество других способов: магнитные диски, оптические диски, специальные микросхемы и т.д. Каждый способ обладает своими достоинствами и недостатками. Важнейшими характеристиками запоминающего устройства является объем хранимой информации и скорость доступа к ней. Чем больше объем и чем выше скорость запоминающего устройства, тем оно дороже стоит. Кроме того, чем больше объем, тем сложнее получить быстрый доступ к информации, так как усложняется процесс поиска. Для того, чтобы решить эту проблему, компьютер имеет сразу несколько запоминающих устройств: одни обладают большим объемом, другие – высокой скоростью. Информация, которая нужна вообще, хранится в медленной объемной памяти, а информация, необходимая в данный момент, загружается в более быструю память.

Тут можно привести следующую аналогию из жизни. В библиотеке хранится огромное множество книг, в которых содержится море информации, но для того, чтобы найти нужную книгу, необходимо потратить много времени. Однако если нужно написать сочинение по роману «Война и мир», то все эти книги не нужны, достаточно взять домой сам роман, и тогда он будет всегда под рукой. Но сам роман тоже состоит из нескольких томов. В руках, вероятнее всего, Вы будете держать только один том, остальные будут лежать на книжной полке или на столе. Читая роман, вы будете видеть только две страницы. Таким образом, выстраивается иерархия памяти, состоящая из нескольких уровней (табл. 1.3.2.1), причем, чем доступнее информация на данном уровне, тем ее меньше.

Табл. 1.3.2.1  Пример иерархии памяти

Уровень	Объем	Доступ к информации
Библиотека	Тысячи книг	Отстоять в очереди, найти книгу, зарегистрировать книгу
Книжная полка	Десятки книг	Подойти и протянуть руку
Книга в руке	Сотни страниц	Открыть на нужной странице
Открытые страницы	Две страницы	Перевести взгляд

Подобным образом устроена и память компьютера. Внешняя память, которая, как библиотека, большая и медленная, содержит много полезной информации, которая может когда-нибудь понадобиться. Оперативная память, подобно книжной полке, содержит информацию, необходимую для выполнения текущих задач. Кэш второго уровня – содержит копию той части оперативной памяти, которая используется наиболее часто (наиболее нужный том). Кэш первого уровня – наиболее быстрое устройство памяти, которое содержит ту информацию, с которой происходит работа прямо сейчас.

Память любого типа состоит из множества ячеек – минимальных блоков информации, с которыми можно работать. Например, в библиотеке ячейкой можно считать одну книгу, так как Вы можете взять только книгу целиком, отдельные страницы Вам взять не разрешат. В книге ячейкой можно считать страницу. Каждая ячейка в памяти должна иметь свой адрес, иначе говоря, некоторое обозначение, которое отличает эту ячейку от другой. Например, номер страницы в книге – это и есть ее адрес.

Кроме деления по скорости и по объему, память можно разделить по следующим свойствам:

• порядок доступа: последовательный или произвольный (прямой);

• вид доступа: существует возможность изменения информации или доступно только чтение записанной информации;

• зависимость от электропитания: энергозависимая или энергонезависимая память.

Память произвольного (прямого) доступа позволяет сразу обратиться к любой своей ячейке.

Память последовательного доступа позволяет обращаться к ячейкам только по очереди, для доступа к очередной ячейке необходимо прочитать, записать или пропустить предыдущую ячейку.

Примером памяти последовательного доступа из повседневной жизни является аудиокассета: для того, чтобы послушать определенную песню, необходимо либо прослушать, либо перемотать все стоящие перед ней. Примером памяти прямого доступа является журнал – его можно последовательно листать, а можно сразу открыть на любой странице.

Раньше для компьютеров широко использовались различные ленточные запоминающие устройства: сначала для этого применялась перфолента, затем ее заменила магнитная лента. Еще лет десять назад широко применялись стримеры – устройства для работы с магнитной лентой. Ввиду низкой стоимости магнитной ленты и крайне низкой скорости работы с ней, ее использовали для резервного копирования информации. На сегодняшний день для этого проще и дешевле использовать компакт-диски.

Произвольный доступ к памяти предоставляют почти все запоминающие устройства, созданные на базе микросхем. Магнитные и оптические диски скорей относятся к запоминающим устройствам последовательного доступа.

Память с доступом «чтение и запись» позволяет и читать данные, и записывать или изменять их.

Память с доступом «только чтение» позволяет записать информацию только один раз, а затем возможно только чтение этой информации.

Иногда информацию нужно хранить недолго, в других случаях, наоборот, информация должна храниться как можно дольше. Например, учебный материал или задание, написанные мелом на доске, будут вскоре стерты, чтобы освободить место другой информации. Таким образом, доска может использоваться много лет. Тот же материал, записанный в тетрадь, может храниться десятки лет, но в полностью исписанную тетрадь уже нельзя записать что-то еще, и придется писать в новую тетрадь. В первом случае, носитель (доска) используется для кратковременного хранения различной информации и позволяет ее легко изменять, а во втором случае, носитель (тетрадь) используется для долговременного хранения одной и той же информации, изменить которую сложнее.

Точно так же обстоит дело и в компьютере. Информация в оперативной памяти постоянно меняется: загружаются новые программы и данные, сами программы что-то меняют в процессе обработки информации. Разумеется, необходима возможность изменять информацию, хранящуюся в оперативной памяти, иначе придется постоянно менять саму оперативную память так же, как вы меняете исписанную тетрадь на новую.

Приобретенное коммерческое программное обеспечение, напротив, должно хранится достаточно долго и не должно изменяться, поэтому оно распространяется на компакт-дисках, которые так и называются: CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory – память «только чтение» на компакт диске). Память, содержимое которой нельзя менять, называют ПЗУ: постоянное запоминающее устройство. Широко используются микросхемы ПЗУ – информация в них заносится один раз с помощью специального устройства, называемого программатором ПЗУ и после этого изменить ее уже невозможно. Микросхемы ПЗУ используются, в частности, в картриджах для игровых приставок.

Энергозависимая память работает только при включенном питании компьютера, а при отключении питания ее содержимое теряется.

Энергонезависимая память может хранить информацию в течение длительного времени без каких-либо источников питания.

Оперативная память компьютера является энергозависимой, поэтому отключение энергии приведет к потере всех хранимых в ней данных. Энергонезависимой памятью являются магнитные диски, компакт-диски, микросхемы ПЗУ.