Устройства ввода/вывода

Уроки 3–5 показывают, из каких основных частей состоит компьютер (процессор и память) и какие устройства к нему можно подключить (устройства ввода и вывода).

Главные части компьютера — процессор и память. Они расположены в системном блоке. Процессор выполняет алгоритмы, а память хранит информацию. Все другие устройства обеспечивают или ввод информации в память компьютера (мышь, клавиатура), или вывод из неё (монитор).

Заметим, что к компьютеру можно подключить любое устройство, снабдив его соответствующим контроллером, хоть мухобойку! Но более привычны такие устройства как: монитор, мышь, клавиатура, принтер, флешка…

Когда говорится, что принтер есть устройство вывода компьютера, а сканер — устройство ввода, никто не возражает. Когда же говорится, что флешка есть устройство ввода/вывода, никто в это не верит («неправда, флешка — запоминающее устройство»).

Хотя на самом деле флешка и МФУ (принтер+сканер) функционально друг от друга не отличаются — они являются для компьютера устройствами ввода/вывода.

Текст, предлагаемый ниже, объясняет авторскую позицию.

Вы можете опустить все предварительные рассуждения и сразу перейти к причине неверного толкования, которая кроится в неверной схеме компьютера, популярной в школьных учебниках информатики.

Но если вы располагаете временем, можете добраться до этого раздела, последовательно прочитав ниже расположенный материал.

Что есть компьютер

Компьютер не всегда выглядит как системный блок, монитор, мышь и клавиатура. Ноутбук, например, представляет собой единое устройство, в которое интегрированы и монитор, и клавиатура, и тачпад (вместо мыши).

Компьютер в стиральной машине и вовсе не такой, у него нет привычной клавиатуры, мыши и монитора (только переключатели, кнопки и маленький ЖК-индикатор в некоторых моделях).

Получается, монитор, клавиатура и мышь для компьютера необязательны (сразу заметим, что жесткий диск, дисковод, флешка тоже факультативны).

А что же есть компьютер?

Чтобы это узнать, давайте убирать устройства, пока не получим минимальный набор без которого компьютера точно не бывает.

Убираем принтеры, сканеры, модемы, флешки, дисководы.

Убираем жесткий диск (в компьютере телефона, например, его нет).

Убираем клавиатуру, монитор и мышку (их не имеет компьютер стиральной машины, компьютер, внутри робота).

Что же остается? Остаётся процессор (обработчик) и внутренняя память (хранилище).

Их убрать нельзя.

Компьютер — это устройство для обработки информации с помощью программ. Программы выполняет процессор. Обрабатываемая информация, как и сама программа, располагаются во внутренней памяти.

Итак, компьютер — это процессор и внутренняя память.

Процессор объединяет в себе два устройства — исполнительное (АЛУ, арифметико-логическое устройство) и управляющее (УУ, устройство управления). Процессор выполняет команды программы. Управление (выбор команды, её анализ, загрузка операндов) возлагается на УУ, выполнение — на АЛУ.

Внутренняя память это: ОЗУ + ПЗУ + регистры процессора + кэш процессора.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — эта память доступна процессору непосредственно, кроме того, в ней хранятся программы, по которым процессор работает. Содержимое ОЗУ при отключении питания пропадает.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) хранит программу первоначальной загрузки компьютера вместе с данными, необходимыми для работы этой программы. Понятно, что эта память не стирается при выключении питания.

Кроме того, в компьютере есть регистры и кэш — дополнительная к ОЗУ память, встроенная прямо в микросхему процессора.

Регистры — это сверхбыстрая небольшая память. Команды, в которых операнды расположены в регистрах, выполняются гораздо быстрее команд, операнды которых расположены в ОЗУ.

Кэш — это также сверхбыстрая память, в которую предварительно загружаются операнды команд и команды программы из ОЗУ. В дальнейшем, если операнд (или команда) находится в кэше, он (она) читается из кэша, а не из ОЗУ, что ускоряет выполнение программы.

Отметим, что внедрение регистров и кеш-памяти в микросхему процессора, не делает их функционально частью процессора. Процессор — обработчик, а не хранилище информации. Как, например, раcположение кнопки сигнала на руле, не делает руль устройством подачи звукового сигнала, руль — это устройство для поворота и удержания на курсе транспортного средства.

Что есть устройства ввода/вывода

Что есть клавиатура, мышь, монитор? Принтер, сканер? Винчестер, флешка? Что есть исполнительные устройства (мотор, вращающий барабан стиральной машины, серводвигатель, управляющий рукой робота)?	Итак, компьютер — это процессор и внутренняя память (ОЗУ, ПЗУ, регистры и кэш процессора). А что же тогда есть всё остальное, то что мы подключаем к компьютеру? Для компьютера всё остальное — устройства ввода и вывода.
Позвольте не согласиться! Флешка — это запоминающее устройство, а не устройство ввода/вывода!	Когда принтер называют устройством вывода, никто не возражает. Когда говорят, что флешка является устройством ввода/вывода, возникают вопросы. Вы можете сразу перейти в раздел причины неверного толкования, и станет понятно, откуда «растут» подобные вопросы!

Флешка, действительно, запоминающее устройство! В корпусе флешки есть микросхема флеш-памяти.

Но флешка, как и жёсткий диск, совмещает в одном корпусе информационный носитель (микросхема памяти) и устройство чтения/записи данных (контроллер, фактически маленький компьютер, с программой чтения/записи, расположенной в его ПЗУ).

Если нужно сохранить результаты вычислений на флешке, мы должны вывести на нее данные из ОЗУ, значит, флешка выступает устройством вывода компьютера.

Бумагу из принтера мы вынимаем, чтобы использовать, а память из флешки мы не вынимаем, мы носим её вместе с флешкой. Но суть не меняется. Можно представить себе принтер, из которого бумага бы не вынималась. Её можно было бы просматривать через окошко. Тогда принтер мы таскали бы с собой, как флешку.	Все происходит аналогично работе принтера. Принтер — это устройство, которое позволяет сохранять информацию на бумаге. Но прежде чем информация будет отпечатана, она должна быть передана в принтер из компьютера. Принтер по отношению к компьютеру выступает устройством вывода, хотя он является и устройством сохранения информации на бумаге. Флешка и принтер между собой принципиально не отличаются. Для компьютера — это устройства ввода/вывода. Хотя, конечно, они же являются и устройствами хранения информации. Процесс хранения не связан с компьютером, а процесс получения информации — связан.
	Когда мы говорим о вводе/выводе по отношению к компьютеру, то имеем в виду обмен данными между внутренней памятью компьютера и другим информационным носителем: жёстким диском, оптическим диском, флеш-памятью, бумагой. Работа с внешней памятью для компьютера — это операция ввода/вывода, которую он выполняет через контроллер внешнего запоминающего устройства.
	Дисковод оптических дисков ещё более похож на принтер и сканер, чем флешка, ибо информационный носитель (диск) является сменным (как бумага в принтере и сканере).

Итак, итог.

Компьютер — это процессор и внутренняя память. Всё остальное, что к компьютеру подключается, является для него устройствами ввода/вывода, через которые течёт информация в компьютер или из него.

Причина неверного толкования

Казалось бы всё просто! Однако вопросы возникают. Почему?

Причина в том, как изображается схема компьютера в школьных учебниках.

Вот как изображается классический вариант фон Неймана:

По этой схеме легко отнести принтер к устройству вывода, клавиатуру — к устройству ввода, а флешку, само собой, — к внешней памяти компьютера.

На этой схеме внешняя память никак не связана с устройствами ввода/вывода, а сами устройства ввода/вывода никак не связаны с внешней памятью: откуда же они вводят и куда выводят?

Получается, что для записи на диск, последний нужно просто положить на системный блок, и компьютер запишет информацию на диск при помощи волшебства.

В жизни так не получается, и внешняя память стыкуется с компьютером при помощи специального устройства (объединяющего электронную и, возможно, механические части), которое обеспечивает чтение и запись информации на информационный носитель. Было бы логично именно это устройство называть устройством ввода/вывода.

Таким устройством, например, является дисковод. Это устройство объединяет механическую часть и электронную, а сам диск является носителем информации, внешней памятью по отношению к компьютеру.

Когда внешняя память и устройство ввода/вывода собраны в одном корпусе, как флешка или винчестер, мы можем называть это объединение и внешней памятью, и устройством ввода/вывода, ибо верно и то и другое. Для того чтобы сохранить во внешней памяти информацию, её туда надо передать, а для этого необходимо выполнить операцию вывода информации из компьютера, а значит в момент передачи информации, устройство является устройством вывода. В момент чтения информации — это устройство ввода.

На схемe, показанной ниже, зелёные стрелки показывают движение информации, а красные — управляющие воздействия процессора:

Отметим, что у самого фон Неймана блока с «внешней памятью» в схеме не было (схема скопирована из Википедии):

Схему современного компьютера в школьных учебниках часто рисуют так:

Очевидно, что долговременная память, например, диск CD или бумага подключаются к общей шине только через устройство ввода/вывода. Поэтому правильная схема должна выглядеть так:

Таким образом, флешка для компьютера является устройством ввода/вывода, ибо компьютер работает с контроллером флешки. Контроллер выполняет операции чтения/записи на микросхему памяти флешки.

Продолжение темы в методических рекомендациях к уроку 4.