9.01. Знакомимся с компьютером
Как появились компьютеры и зачем они нужны
Где и как люди работают с компьютерами
Консоли, ноутбуки, телефоны - всё это компьютеры
Добавить mermaid схему
Добавить задачи
Представьте себе: вы хотите посчитать, сколько будет 17 × 23. Можно взять листок, вспомнить таблицу умножения, аккуратно записать столбиком — и через минуту получить ответ: 391. А если нужно умножить не два числа, а миллион пар чисел? Или смоделировать, как будет двигаться самолёт в шторм? Или найти самый короткий маршрут из дома в школу, учитывая пробки на всех улицах города? Человеку на всё это уйдут дни, недели, а то и годы. А компьютер — сделает за секунды.
Но… что вообще такое компьютер?
Компьютер — это машина, которая умеет выполнять инструкции очень быстро, точно и много раз подряд.
Он не «думает», как человек. Он не «понимает» задачу. Он просто исполняет. Как швейная машинка — не шьёт платье сама по себе, а делает стежки тогда, когда вы нажимаете на педаль и направляете ткань. Компьютер — это инструмент. И как молоток или кисточка, он становится могущественным только в руках того, кто умеет им пользоваться.
Мы знаем, к примеру, что есть монитор - экран, дисплей, есть клавиатура с мышью, и системный блок. Всё подключается к системному блоку, позволяет вводить и выводить информацию.
Компьютеры нужны не для того, чтобы заменить человека — а чтобы расширить его возможности.
Как микроскоп позволяет увидеть то, что невидимо глазу, как телескоп — заглянуть в далёкие галактики, так и компьютер позволяет обрабатывать информацию в объёмах и скорости, недоступных нашему мозгу напрямую.
Где и как люди работают с компьютерами?
1. Наука и исследование
Учёные запускают на суперкомпьютерах симуляции: как взрываются звёзды, как складываются белки в клетке, как меняется климат за 100 лет. Без компьютеров мы бы до сих пор не знали, как устроена ДНК или как работает чёрная дыра.
2. Медицина
Врачи используют компьютеры для анализа томограмм — ищут опухоли, планируют операции. Есть роботизированные хирургические системы (например, Da Vinci), которыми управляет хирург, а машина делает движения точнее, чем человеческая рука.
3. Искусство и творчество
Аниматоры создают целые вселенные — от «Холодного сердца» до «Аватара» — на компьютерных станциях. Композиторы пишут музыку в программах вроде Ableton Live или FL Studio. Художники рисуют в Photoshop или Krita. Даже писатели (как, например, вы, читатель этой книги!) печатают тексты, проверяют орфографию и публикуют книги — всё через компьютер.
4. Образование
Онлайн-курсы, виртуальные лаборатории, интерактивные учебники — всё это работает на серверах (это тоже компьютеры, только очень мощные и «тихие»). Ученик в Якутии может слушать лекцию профессора из Кембриджа — благодаря компьютерным сетям.
5. Промышленность и транспорт
На заводах работают роботы-манипуляторы — их контролируют промышленные компьютеры. Поезда, самолёты, корабли управляются бортовыми компьютерами, которые следят за скоростью, высотой, курсом — и подсказывают пилоту, что делать. Даже лифт в вашем доме имеет свой маленький компьютер внутри.
6. Повседневная жизнь
Вы просыпаетесь — будильник в телефоне (компьютер!) звонит. Завтракаете — кофемашина с программой помнит, как вы любите кофе. Идёте в школу — проездной в метро — это карточка с микросхемой (мини-компьютер!). Возвращаетесь домой — включаете свет голосом: «Алиса, включи свет» — и умная колонка (ещё один компьютер!) выполняет команду.
Часть 2. Один мозг — много тел: почему телефон и ноутбук — родственники
Вы, наверное, слышали фразу: «Компьютер — это системный блок». Или: «Я сижу за компом» — и подразумевают монитор с клавиатурой. Но это лишь одна из форм, в которых живёт компьютер. Как вода бывает льдом, паром и жидкостью — так и компьютер может выглядеть по-разному, но оставаться одним и тем же по сути.
Давайте проведём эксперимент. Возьмём три предмета:
| Предмет | Что он делает? | Есть ли у него «мозг»? |
|---|---|---|
| Настольный компьютер (системный блок + монитор) | Пишет тексты, рисует, играет в игры, считает | Да — процессор внутри системного блока |
| Игровая приставка (например, PlayStation или Xbox) | Запускает игры, показывает видео, выходит в интернет | Да — у неё есть свой процессор и память |
| Смартфон | Звонит, фотографирует, показывает карты, принимает голосовые команды | Да — в нём тоже процессор (часто даже мощнее, чем в старых ноутбуках!) |
Все они — компьютеры, потому что обладают четырьмя главными компонентами, без которых компьютером не бывает:
-
Процессор (CPU — Central Processing Unit, «центральный вычислитель») — главный исполнитель. Он читает инструкции и выполняет их: складывает числа, решает, что делать дальше, управляет остальными частями.
→ Представьте дирижёра в оркестре: он не играет сам на всех инструментах, но задаёт темп и говорит: «скрипки — тише», «трубы — громче». Процессор — такой же дирижёр для данных. -
Память (RAM — Random Access Memory, «оперативная память») — рабочий стол. Сюда процессор складывает то, с чем работает прямо сейчас: открытую игру, текст документа, видео в браузере.
→ Как если бы вы решали задачу по математике и разложили на столе условие, черновик и калькулятор. Выключите компьютер — содержимое RAM исчезает (стол убирают). -
Хранилище (жёсткий диск HDD, твердотельный накопитель SSD, флеш-память) — шкаф с папками. Здесь лежат файлы, которые нужно сохранить надолго: фотографии, школьные проекты, операционная система.
→ Даже когда компьютер выключен, данные остаются — как книги в библиотеке. -
Устройства ввода и вывода — органы чувств.
- Ввод: клавиатура, мышь, микрофон, камера, сенсорный экран — через них вы говорите компьютеру, что делать.
- Вывод: монитор, динамики, принтер, вибрация в телефоне — через них компьютер отвечает вам.
Если у устройства есть все четыре — это компьютер. Даже если он размером с часы (умные часы), спрятан в стиральной машине (чтобы знать, сколько воды лить и когда отжимать) или летит на спутнике (чтобы передавать данные о погоде).
Почему они такие разные по размеру и виду?
Потому что разные задачи требуют разного «тела» — как у лошади и у кита разный скелет, хотя оба — млекопитающие.
- Настольный компьютер — как грузовик: большой, мощный, может таскать тяжести (рендерить видео, собирать 3D-модели), но неудобен в дороге.
- Ноутбук — как гибридный автомобиль: и мощный, и мобильный, но батарея садится быстрее, если много работать.
- Смартфон — как велосипед: лёгкий, всегда с собой, отлично для коротких поездок (соцсети, звонки, фото), но не потянет прицеп.
- Сервер — как электростанция: стоит в специальном здании (дата-центре), работает 24/7, обслуживает тысячи пользователей одновременно (например, когда вы смотрите видео на YouTube).
- Микроконтроллер (в умной лампочке, термометре) — как муравей: крошечный, делает одну-две задачи (включить свет, измерить температуру), но их миллионы — и вместе они управляют «умным домом».
Как устроен компьютер изнутри? Схема для понимания
Вот упрощённая схема. Не пугайтесь — это карта, чтобы видеть, кто с кем дружит.
Как читать схему:
- Стрелки показывают, куда идёт информация.
- Процессор (синий) — центр. К нему обращаются все.
- RAM (зелёный) и хранилище (розовый) — разные типы памяти: быстрая, но временная и медленнее, но постоянная.
- Устройства ввода и вывода (фиолетовые) — «двери» между человеком и машиной.
💡 Интересный факт: когда вы нажимаете клавишу «А» на клавиатуре, происходит цепочка:
клавиша → сигнал в процессор → процессор спрашивает: «Какая программа сейчас активна?» → если это, скажем, текстовый редактор, процессор берёт из RAM данные о документе → добавляет букву «А» → отсылает обновлённую картинку на монитор.
Всё это — за десятитысячные доли секунды.
Практические задачи (начало)
Теперь — время проверить, как вы усвоили материал. Задачи здесь на мышление. Ответы не всегда однозначны — главное — объяснить почему вы так думаете.
Задача 1. «Кто это?»
Вот описание устройства. Определите: это компьютер или нет? Обоснуйте по четырём компонентам (процессор, RAM, хранилище, ввод/вывод).
| Устройство | Описание | Компьютер? Почему? |
|---|---|---|
| Калькулятор «Электроника Б3-34» (1980-е) | Имеет процессор (микросхема КР1801ВЕ1), 16 байт оперативной памяти, 98 байт программной памяти. Ввод — клавиши. Вывод — светодиодный дисплей. | ? |
| Механические часы с боем | Заводятся ключом, показывают время, бьют каждые 15 минут. Никакой электроники. | ? |
| Современные наушники с шумоподавлением | Есть маленький чип, который анализирует звук вокруг и генерирует «противофазу». Есть память под настройки, микрофон (ввод), динамики (вывод). | ? |
| Карманный фонарик на батарейках | Включается кнопкой. Светит, пока не сядет батарейка. | ? |
Подсказка: не путайте электронное устройство и компьютер. Микроволновка — электронная, но большинство моделей не компьютеры (если только не умная с Wi-Fi и сенсорным экраном).
Задача 2. «Где живёт операционная система?»
Когда вы включаете компьютер, первым делом загружается Windows, macOS или Android.
— Где эта система хранится до включения?
— Куда она попадает после включения?
— Что случится, если отключить питание во время работы? Почему?
Задача 3. «Эксперимент в голове»
Представьте, что вы проектируете компьютер для робота-помощника в школе: он должен отвечать на вопросы, показывать карты, проверять домашку по математике и напоминать о звонке.
— Какие компоненты ему обязательно нужны?
— Можно ли обойтись без монитора? А без микрофона?
— Как сделать его мобильным и тихим?
Разбор задач
Задача 1. «Кто это?»
| Устройство | Компьютер? | Обоснование |
|---|---|---|
| Калькулятор «Электроника Б3-34» | ✅ Да | У него есть: • Процессор — микросхема, исполняющая машинные команды; • RAM — 16 байт для текущих вычислений (например, хранения промежуточных результатов); • Хранилище — 98 байт ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), где лежит прошивка — программа, управляющая калькулятором; • Ввод/вывод — клавиатура и индикатор. Это полноценный (пусть и очень специализированный) компьютер. Такие устройства называли программируемыми микрокалькуляторами: на них писали программы для инженерных расчётов, даже игры делали. |
| Механические часы с боем | ❌ Нет | Нет ни процессора, ни памяти в электронном смысле. Всё работает за счёт пружины, шестерёнок и кулачков — это механическая система с фиксированным поведением. Она не может «перепрограммироваться», не может запомнить новую команду, не реагирует на внешние сигналы (кроме завода). Это аналоговая машина, но не цифровой компьютер. |
| Наушники с активным шумоподавлением | ✅ Да (в большинстве современных моделей) | В них стоит цифровой сигнальный процессор (DSP) — это специализированный микрокомпьютер, заточенный под обработку звука. Он: • принимает звук с микрофонов (ввод); • вычисляет противофазу в реальном времени (процессор + RAM); • хранит настройки (например, профиль пользователя — в небольшой флеш-памяти); • выдаёт скорректированный сигнал на динамики (вывод). Если наушники просто «заглушают» шум за счёт плотных амбушюр — это пассивное подавление, и тогда компьютера нет. Но активное шумоподавление без вычислений невозможно. |
| Карманный фонарик | ❌ Нет | Это простая электрическая цепь: батарейка → кнопка-выключатель → светодиод. Нет процессора, нет памяти, нет программ. Включил — загорелось. Выключил — погасло. Поведение неизменно. Даже если есть «режим моргалки» — это реализовано через аналоговую схему (например, мигающий светодиод с встроенным генератором), а не через программное управление. |
🔍 Важный вывод: граница между «компьютером» и «устройством с чипом» размыта. Но критерий надёжен: может ли устройство выполнять разные алгоритмы без изменения своей физической структуры? Если да — это компьютер.
Задача 2. «Где живёт операционная система?»
- До включения — операционная система (ОС) хранится в постоянном хранилище: на SSD/HDD в компьютере, во встроенной флеш-памяти в телефоне или планшете. Это как книга, лежащая на полке.
- После включения — BIOS/UEFI (маленькая встроенная программа в материнской плате) загружает ОС: читает её части с диска и копирует в оперативную память (RAM). Там ОС «оживает» и начинает работать. Процессор теперь выполняет её команды, а не «просто включён».
- Если отключить питание во время работы — содержимое RAM стирается мгновенно (это энергозависимая память). Всё, что не было сохранено на диск, пропадает: несохранённый текст, открытые вкладки без автосохранения, временные файлы.
→ Именно поэтому программы просят: «Сохраните документ перед закрытием».
→ Именно поэтому серверы имеют ИБП (источники бесперебойного питания) — чтобы при отключении света успеть сохранить состояние и выключиться корректно.
Задача 3. «Эксперимент в голове: школьный робот-помощник»
Обязательные компоненты (минимум для функциональности):
- Процессор — для расчётов и принятия решений;
- RAM — чтобы держать в памяти текущий вопрос, карту, формулу;
- Хранилище — база знаний (например, таблица умножения, карта школы, расписание);
- Микрофон (ввод звука) и динамики (вывод речи) — для голосового общения;
- Датчики (камера, датчик расстояния) — чтобы «видеть» и не врезаться в стены.
Можно ли обойтись без монитора?
✅ Да — если взаимодействие только голосовое. Многие умные колонки (типа «Алисы») работают без экрана. Но если робот должен показывать карту, график или решение задачи — монитор (или проектор) желателен.
Можно ли обойтись без микрофона?
❌ Нет — если мы хотим, чтобы он понимал устные вопросы. Без микрофона ему нужно вводить команды кнопками или через планшет — это уже не «помощник в коридоре», а «робот у стойки».
Как сделать его мобильным и тихим?
- Мобильность:
— использовать аккумулятор большой ёмкости (литий-ионный);
— выбрать энергоэффективный процессор (например, ARM-архитектуру, как в телефонах);
— применить лёгкие материалы (пластик, композиты);
— уменьшить размер хранилища (хранить часть данных в облаке, а не локально). - Тишина:
— отказаться от вентиляторов (использовать пассивное охлаждение — металлический корпус как радиатор);
— использовать SSD вместо HDD (нет вращающихся дисков и звуков щёлчков);
— подобрать тихие сервоприводы для колёс.
💡 Заметим: ограничения рождают изобретательность. Чем строже условия (мало места, мало энергии, нельзя шуметь), тем интереснее инженерные решения.
Мини-лаборатория: «Собери схему из коробки»
Представьте: у вас на столе лежит коробка с шестью пронумерованными модулями. Каждый — часть компьютера, но подписей нет. Ваша задача — собрать работающую систему, используя только логику.
Модули:
- Маленькая плата с кнопками и сенсорным экраном
- Плата с радиатором и надписью “Snapdragon 8 Gen 3”
- Чёрный прямоугольник 2,5 дюйма с надписью “512 GB NVMe”
- Полоска зелёных микросхем на тонкой плате, без вентилятора
- Маленькая коробочка с USB, HDMI и разъёмом для наушников
- Круглая батарейка-таблетка с надписью “CR2032”
Вопросы для размышления:
- Какой модуль — процессор? Почему? (Подсказка: поищите известные названия чипов.)
- Какой — оперативная память (RAM)? Чем она отличается от хранилища внешне?
- Где тут постоянное хранилище? А где — энергонезависимая память для настроек (например, времени)?
- Как соединить их в цепочку, чтобы получился работоспособный компьютер?
📌 Ответ (после размышлений):
2 — процессор (Snapdragon — это семейство SoC, систем на кристалле, включающих CPU, GPU, модем);
4 — RAM (часто выглядит как ряд одинаковых микросхем, без корпуса-коробки);
3 — SSD (NVMe — стандарт для быстрых накопителей);
1 — ввод/вывод (сенсорный экран = ввод и вывод одновременно);
5 — интерфейсная плата (распределяет сигналы: USB для клавиатуры, HDMI для внешнего монитора и т.д.);
6 — батарейка для CMOS-памяти — хранит время и настройки BIOS, когда основной аккумулятор снят.
Соединение: 2 (CPU) ↔ 4 (RAM), 2 ↔ 3 (SSD), 2 ↔ 5 (интерфейсы), 5 ↔ 1 (экран/кнопки), 2 или 5 ↔ 6 (питание CMOS).
Почему всё — 0 и 1? Или: как из двух цифр рождается YouTube
Вы, наверное, слышали: «Компьютер понимает только нули и единицы». Это правда — но не в том смысле, что он «глупый». Это как сказать: «Человек говорит только 33 буквами» — да, но из них получаются «Война и мир» и стихи Бродского.
Почему именно 0 и 1?
Потому что их легко физически представить:
- Есть напряжение / нет напряжения;
- Ток идёт / не идёт;
- Транзистор открыт / закрыт;
- Магнитное поле в одну сторону / в другую;
- Ямка на диске / ровное место.
Эти состояния надёжны, устойчивы к шуму и легко воспроизводимы миллиарды раз в секунду.
Как из 0 и 1 получаются буквы, картинки, звук?
— Буквы кодируются числами. Например, в стандарте ASCII:
A = 65 (в двоичной: 01000001),
B = 66 (01000010),
0 = 48 (00110000).
Современные стандарты (Unicode) позволяют писать и на русском, и на китайском, и даже эмодзи: 🌍 = U+1F30D = 00011111 00110000 1101 в двоичной.
— Картинки — это сетка пикселей. Каждый пиксель — три числа: красный, зелёный, синий (от 0 до 255).
Чёрный = (0, 0, 0) → 00000000 00000000 00000000
Белый = (255, 255, 255) → 11111111 11111111 11111111
Красный = (255, 0, 0) → 11111111 00000000 00000000
— Звук — это изменения давления воздуха. Микрофон превращает их в электрический сигнал. Компьютер дискретизирует его: каждую 1/44100 секунды (для CD-качества) измеряет уровень и записывает число от –32768 до +32767 → 16 бит (1000000000000000 и т.д.). Из тысяч таких чисел в секунду складывается музыка.
→ То есть компьютер не «понимает» смысл. Он просто точно повторяет действия, заданные программой. Но если программа написана правильно — из потока 0 и 1 возникает иллюзия понимания: голосовой помощник отвечает на вопрос, навигатор строит маршрут, игра реагирует на ваш ход.
Это как киноплёнка: 24 кадра в секунду — и мозг видит движение, хотя это просто смена статичных картинок.