Владстон Феррейра Фило - Теоретический минимум по Computer Science [Все что нужно программисту и разработчику]

Бесчисленные и разнообразные машины были изобретены для решения задач. Существует много типов компьютеров: от встроенных в роботов, которые бродят по Марсу, до тех, что управляют навигационными системами атомных подводных лодок. Почти все компьютеры, включая наши ноутбуки и телефоны, имеют тот же самый принцип работы, что и первая вычислительная машина, изобретенная фон Нейманом в 1945 году. А вы знаете, как устроены компьютеры? В этой главе вы научитесь:

понимать основы компьютерной архитектуры ;

выбирать компилятор для трансляции вашего исходного кода на язык компьютеров;

разменивать память на быстродействие при помощи иерархии памяти .

В конце концов, программирование должно выглядеть как волшебство только для непрограммистов — но не для нас с вами.

Компьютер — машина, которая подчиняется командам, управляющим данными. Он имеет два главных компонента: процессор и память. Память, она же ОЗУ [67] Оперативное запоминающее устройство (англ. RAM, random access memory). Более точное наименование на русском — запоминающее устройство (память) с произвольным доступом, сокращенно ЗУПД (ППД). , — это то место, где мы пишем команды. Она также хранит данные, которыми компьютер оперирует. Процессор, или ЦП [68] Центральный процессор (англ. CPU, central processing unit). , получает команды и данные из памяти и выполняет соответствующие вычисления. Давайте разберемся, как работают эти два компонента.

Память поделена на множество ячеек. Каждая хранит крошечный объем данных и имеет числовой адрес. Чтение или запись данных в памяти выполняется посредством операций, которые воздействуют на одну ячейку за раз. Чтобы прочитать ячейку памяти или произвести запись в нее, мы должны передать ее числовой адрес (рис. 7.1).

Рис. 7.1.Сообщение для ОЗУ выполнить операцию в ячейке № 210 (11010010)

Поскольку память является электрической схемой, мы передаем адреса ячеек по проводам в виде двоичных чисел [69] Двоичные числа выражены в системе счисления с основанием 2. Приложение I объясняет, как это следует понимать. . Каждый провод передает двоичную цифру. Высокое напряжение соответствует сигналу «единица», низкое — сигналу «ноль».

Рис. 7.2.Память может работать в режиме чтения или записи

Память способна выполнить с адресом ячейки две операции: получить хранящееся в ней значение или записать новое. Память имеет специальный входной контакт для установки ее рабочего режима (рис. 7.2).

Каждая ячейка памяти хранит 8-разрядное двоичное число, которое называется байтом . В режиме чтения память получает хранящийся в ячейке байт и выводит его по восьми проводам, которые передают данные (рис. 7.3).

Когда память находится в режиме записи, она получает байт по этим проводам и записывает его в указанную ячейку (рис. 7.4).

Группа проводов, используемых для передачи одинаковых данных, называется шиной . Восемь проводов для передачи адресов формируют адресную шину . Другие восемь, используемых для передачи информации в ячейки памяти и обратно, формируют шину данных . Адресная шина является однонаправленной (используется только для получения данных), а шина данных — двунаправленной (используется для отправки и для получения данных).

Рис. 7.3.Чтение числа 32 из ячейки с адресом 211

Рис. 7.4.Запись числа 33 в ячейку с адресом 212

В любом компьютере ЦП и ОЗУ постоянно обмениваются данными: процессор выбирает команды и данные из памяти и иногда сохраняет туда данные для вывода и промежуточные результаты вычислений (рис. 7.5).

Рис. 7.5.ЦП подключен проводами к ОЗУ