Теоретический минимум по Computer Science

• Принципы систем распределенных баз данных (Principles of Distributed Database Systems, Özsu, см. https://code.energy/ozsu)

Глава 7. Компьютеры

Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.

Артур Кларк

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.

7.1. Архитектура

Компьютер — машина, которая подчиняется командам, управляющим данными. Он имеет два главных компонента: процессор и память. Память, она же ОЗУ[67], — это то место, где мы пишем команды. Она также хранит данные, которыми компьютер оперирует. Процессор, или ЦП[68], получает команды и данные из памяти и выполняет соответствующие вычисления. Давайте разберемся, как работают эти два компонента.

Память

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]. 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

Процессор

Центральный процессор имеет несколько ячеек внутренней памяти, которые называются регистрами. Он может выполнять простые математические операции с числами, хранящимися в этих регистрах. Он также может перемещать данные между регистрами и ОЗУ. Вот примеры типичных операций, которые приходится исполнять центральному процессору:

• скопировать данные из ячейки памяти № 220 в регистр № 3;

• сложить число в регистре № 3 с числом в регистре № 1.

Набор всех операций, которые может выполнять ЦП, называется его набором команд. Каждой операции в наборе команд присвоено число. Машинный код по существу — последовательность чисел, представляющих операции центрального процессора. Они хранятся в виде чисел в ОЗУ. Мы сохраняем входные/выходные данные, промежуточные результаты и машинный код — все вперемешку — в ОЗУ[70].

Рис. 7.6 показывает, как некоторым процессорным командам ставятся в соответствие числа в том виде, в котором они приводятся в руководствах по ЦП. По мере совершенствования технологии производства процессоры стали поддерживать дополнительные операции. Набор команд современных ЦП огромен. Однако самые важные операции существовали уже несколько десятилетий назад.