Вадим Поспелов Профессионал

Как устроен компьютер? Нулевой уровень - энергия

Компьютер — сложная система, состоящая из совокупности электронных компонентов, управляемых многоуровневым комплексом программ. Для лучшего понимания устройства компьютера предлагаю разобраться с тем, какие уровни в нем представлены.

Andrey Savin Shutterstock.com

Мало кто догадывается, что первые вычислительные устройства были придуманы задолго до древнего Египта, еще в каменном веке. Разумеется, они работали не на электричестве и использовали совсем другие принципы работы и типы используемой информации.

Не верите? Тогда прочитайте книгу под названием «Считающие чертежи» и узнаете, что современные инженерные расчеты вполне можно производить с помощью листа бумаги, карандаша, циркуля и линейки без делений. Архимед и Аристотель для этих целей успешно использовали палку и прибрежный песочек. Археолог Н. Злобин предположил и доказал принципиальную возможность подобных построений-расчетов в пределах мегалитических построек, типа Стоунхенджа. Для этого он руководил 20−30 добровольцами с «шаманского места». Внешне это выглядело как танец дикого племени, но в итоге определенный человек занимал определенное место, соответствующее, например, фазе Луны на заранее заданную дату.

Также доказана возможность использования для вычислений специальных каналов с перегородками-шиберами. Первые вычислители времен Паскаля, Ньютона и Лейбница были механическими, а в конце 19 века использовался пар. Современные ученые пытаются использовать пучки света и квантовые состояния элементарных частиц. А есть чудаки, которые доказали принципиальную возможность использования для вычислений игры «Жизнь», моделирующей поведение колонии микроорганизмов.

Как видите, существует множество принципов выполнения расчетов, и современные компьютеры реализуют всего лишь только один из них.

Энергия не существует сама по себе, обязательно должен быть носитель. Будь то папуас в юбке из пальмовых листьев, линия на песке, шестеренка, электрический импульс, фотон в оптоволоконном кабеле, группа колебаний в радиосигнале или микрочастица в квантовом микромире.

Элементарный уровень отвечает за то, что означает тот или иной сигнал, причем система исчисления не всегда ограничивается «0» и «1». Механические арифмометры были десятеричными, а графические коды (линии и дуги на земле или бумаге) вообще трудно отнести к какой-либо системе исчисления.

Минимальная единица информации — это бит. В компьютерах это двоичная система исчисления — «0» и «1». Но в других системах это не так. В привычной десятичной системе — это одна цифра, в устной речи — звук, в письменной — буква, в танцах на Стоунхедже — положение человека на воображаемой линии. Бит — это минимальная неделимая единица информации. Попробуйте написать половину буквы или цифры и ответьте, что это означает?

На битовом уровне компьютер работает с отдельными битами двоичной системы, как самой простой. Вы удивитесь, но все многообразие компьютерных действий состоит из семи однобитных операций: И, ИЛИ, НЕ, ДА (пустая операция), XOR (исключающее ИЛИ, сравнение), 0 (сброс) и 1 (выставление бита). Причем каждая операция выполняется одним элементом из 2−4 транзисторов.

Подобно тому, как числа складываются из цифр, а слова — из букв, биты складываются в байты. IBM-совместимые компьютеры оперируют 8-битными байтами, но это было не всегда так. Например, байты в калькуляторах состоят из 4 бит, а компьютеры начала и середины прошлого века использовали от 6 до 14 бит. Многие сети до сих пор используют пакеты по 7 бит, но большинство — 9 (8 бит информации + 1 бит четности для проверки правильности переданной информации).

Для современных компьютеров 8 бит — это мало. Они оперируют сразу 32 или 64 битами. Фактически это и есть их байт. Но ячейки памяти все равно 8-битные, да и внешние устройства работают с 8-битными байтами. Поэтому размерность байта менять не стали, а для обозначения сборок из нескольких байтов используют термин «компьютерное слово».

Мы рассмотрели логический уровень, который присутствует в компьютере в качестве идеи — объекта метафизического мира. В продолжении мы рассмотрим физическое воплощение компьютера.

Обновлено 28.04.2016
Статья размещена на сайте 14.10.2013

Комментарии (30):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети:

  • Статья по мне так бессмысленная. Если хотите понять как работает современный компьютер - читайте Танненбаума например.
    Только чтобы что то понять - нужно знать математику (системы исчисления, булева логика) и основы электроники. Чтобы понять их - знать физику. И так далее. В статье ничего вы не раскроете.
    И если уж упомянули оптические компы - то у кубитов совсем не 2 состояния. Да и троичные компы вполне можно сделать. И гидравлические.

    • Тимур Шакиров, почему же, так уж бессмысленная? У многих(таких как я) пользователей самое поверхностное представление о "механике" работы компа и автор в меру способностей приоткрывает глаза на эти чудеса реальной фантастики, которой я тихо восторгаюсь и ценю её закопёрщиков и обслугу.
      С удивлением узнал то ли из статьи, то ли из комента кого-то, что базой 10-й системы счёта был счёт на пальцАх.

      Автор терпеливо объёясняет непонятки и якобы нестыковки в примерах.

      • Сергей Дмитриев,
        В статье об этом как раз не было....
        По настоящему 10-чная система заблистала и покорила мир, после изобретения арабами цифры НОЛЬ! И возможности "СДВИГА регистров" (условно конечно).

        У Римлян например такой цифры не было...поэтому перемножение у них было очень трудным делом.

        Оценка статьи: 5

        • Сергей Дмитриев Сергей Дмитриев Мастер 18 октября 2013 в 00:00 отредактирован 18 октября 2013 в 00:01

          Андрей Владимиров, видите, как интересно узнать о происхождении нуля. Это на уровне изобретения колеса. Но мне симпатит и 6-ричная система, она кажется естественней и наглядно проявлятся в "мире вокруг нас". ...А ещё меня очаровывают числа Фибоначчи, они тоже проступают в природе.

          Автор в теме вне сомнений, а остальное - "Не стреляйте в пианиста..,"

          • Сергей Дмитриев, в 199х годах (когда операции с плавающей запятой производились отдельным сопроцессором) были попытки использования логарифмов с основанием "золотого сечения" для представления чисел. Это позволило бы сильно упростить операцию умножения. Но попытки не увенчались успехом, т.к. преобразование из систему в систему было более трудоемко чем операция умножения.

  • Андрей Владимиров Читатель 17 октября 2013 в 12:17 отредактирован 17 октября 2013 в 12:18

    " Причем каждая операция выполняется одним элементом из 2-4 транзисторов."

    1 транзистор - это и есть элемент. Несколько транзисторов образуют - Схему. Либо блок. ( а раньше были лампы или реле)

    читать дальше →

    Оценка статьи: 5

    • Вадим Поспелов Вадим Поспелов Профессионал 17 октября 2013 в 13:15 отредактирован 17 октября 2013 в 13:17

      Андрей Владимиров, элемент (по Ожегову) -
      1. Составная часть чего-н., компонент.
      2. Доля, часть в составе чего-нибудь...

      Таким образом транзисторная сборка = 1 ЛОГИЧЕСКИЙ элемент, как элементарная часть в логической системе компьютера. А транзистор 1 элемент электронной схемы. Давайте на будем путать что где.

      Владимир Морозов хочет статью по понятней, а Вы требуете углубленного разбора понятийного аппарата. Ребята, давайте комментарии по сути, а не занимайтесь буквоедством. Я и так сократил статью с первоначальных 12700 знаков до 3000.

      • Вадим Поспелов,
        Ну я "Полупроводниковую схемотехнику" в МЭИ не по Ожегову изучал, а по . У. Титце и К. Шенк ..... так что извиняйте.

        Ещё застал программирование в машинных кодах. Ну не поняли что я Вам по дружески сказал, обиды устроили....

        Перечитайте "Путешествия Гулливера" про учёных Летающего острова Лапуту.... На досуге конечно... после изучения работы процессора...

        Если вы привязываетесь к энергии, т.е. к материальному техническому носителю информации, то соответственно должны
        были отталкиваться от аппаратной составляющей.. Вы начали про папуасов, перешли на энергию, потом полезли без всякого пояснения в Булеву алгебру , причём без всякого пояснения, что это в первую очередь ЛОГИКА, не информация сама по себе, а способ анализа информации.. Хранилищем информации , может быть только материальный носитель, аппаратный комплекс.... Главной мыслью могло стать то, что математический аппарат, в том числе Логика является переводчиком на машинный язык того, что надо делать ЖЕЛЕЗУ.... Причём можно было всё в крупную клетку описать... Без размазывания мысли по древу, г.... по лопате....

        Извините, но я далёк от мысли , что вы не компетентны, Вы понимаете о чём говорите, однако у Вас получился ВИНЕГРЕТ!

        Оценка статьи: 5

        • Андрей Владимиров, я не обижаюсь. просто мы с вами как эскимос и папуас из из песенки граппы "На-На".

          >> Хранилищем информации , может быть только материальный носитель, аппаратный комплекс...

          А почему только аппаратный? Архитектурный, биологический, химический... я призываю вас посмотреть на мир шире. Да, подобные системы не реализованы в НАШЕМ мире, но это не повод считать их невозможными. Вот о чем эта статья.

  • Хорошая солянка. Есть все.... кроме вкуса Вот "в гуманитарном,популярном журнале для домохозяек" и надо писать, что бы аудитория, для которой написано, хоть что то поняла. Ну никак не смог связать Стоунхендж с папуасом и битом

    • Александр Петров, Стоунхедж - всего лишь сетка для построений "считающих чертежей", папуас - точка пересечения воображаемых линий. Просто, когда Вы чертите на песке, и линии, и их пересечения видны явно. В Стоунхедже и других мегалитических постройках, при их размерах линии чертить затруднительно. По этому ограничиваются только точками пересечения, на которые встают "папуасы". Представляете какой должен быть глазомер у шамана?

  • Хорошая статья, понятная правда не всем. Еще проще нужно
    Тут будет такая присказка: Если ученый не может объяснить восьмилетнему ребенку простыми словами чем он занимается, то он шарлатан

  • Задолго до ЭВМ в Союзе был сделан и успешно использовался для сложных расчётов гидравлический компьютер (ВМ). Можно было бы упомянуть.

    С коментом и оценкой статьи ФФ согласен: очень бегло обо всём понемногу и не связанного одного с другим.

    • Вадим Поспелов Вадим Поспелов Профессионал 17 октября 2013 в 10:07 отредактирован 17 октября 2013 в 10:08

      Сергей Дмитриев, не знал, где можно почитать?

      Про аналоговые компы хотел написать (видел как работают и знаю принципы их работы) но статья получалась запредельно большой.

      • Вадим Поспелов, я читал об этом в "НиЖ". Там была статья об авторе "гидрокомпа". Там приводились интересные параллели с ЗВМ.Как популяризатору знаний о компах, Вам надо отдать должное. Мастером такого жанра был "ещё тот" Перельман. Мне запомнился эпиграф к одной статье из популярной книжечки о компьютерах.

        "Матушка ! писать кратко не имею времени" (из письма А.В.Суворова императрице)

  • Комментарий скрыт
  • Можно было бы и про Д.Буля чего то написать.

    Оценка статьи: 5

  • Андрей Владимиров Читатель 17 октября 2013 в 01:26 отредактирован 17 октября 2013 в 01:27

    "Мы рассмотрели логический уровень, который присутствует в компьютере в качестве идеи – объекта метафизического мира. В продолжении мы рассмотрим "

    Скромно и со вкусом...
    Вы не рассмотрели вообще ничего.
    Цель Вашей статьи. И какую мысль Вы хотели донести до читателя?
    Что единица информации Бит? И что 8 бит составляют байт?

    Дык об это можно было 1 строкой написать...
    А не городить огород.

    А почему кстати именно 8 бит в байте знаете???
    2 в 8 степени = 256.. Стандарный Аски код компьютеров включал в себя 256 символов (букв /цифр т.е. то что можно набрать на стандартной QWERTY клавиатуре) и был вполне достаточен для первых ЭВМ.



    Если уж стали говорить о системах счислениях , то надо было хоть как то пояснить откуда они взялись.... и для чего применяются...
    про ту же 10 тиричную, о том, что она родилась из пальцового счёта

    Двоичная, так как электронные системы понимают только Вкл/выкл. сиречь - 0/1. А ЭВМ может выполнять только одну операцию - сложение.. Все остальные за счёт сдвига регистров ( если упрощённо).

    А ВЫ сами поняли чего написали?
    Такую тему загубили.

    Оценка статьи: 5

    • Вадим Поспелов Вадим Поспелов Профессионал 17 октября 2013 в 10:05 отредактирован 17 октября 2013 в 10:23

      Андрей Владимиров, Стандартный ASCII насчитывает 32 управляющих кода, и 96 символов: латинский алфавит + цифры + знаки препинания. Всего 128 = 7 бит двоичной системы. Псевдо графика и стрелки появились позже, когда стандартом стали 8-битные IBM-совместимые компы. В последствии псевдографику стали заменять символами национальных алфавитов. Но это уже не стандартный а расширенный ASCII.

      В двоичной системе можно выполнить 16 действий (читайте Булеву алгебру), но все их можно расписать тремя основными: логическое сложение (или), логическое умножение (И) и отрицание (не). Так что про одно действие вы сильно загнули. А сдвиг регистра - это не битовая операция а байтовая, соответствует делению и умножению на 2. Разберитесь в вопросе сами, чтобы не путать других.

      Да, кстати, не путайте причину со следствием. Это 256 результат 2^8, а не наоборот. Восемь бит хорошо адресовать 3 реальными каналами внутри процессора 2^3=8. Почитайте литературу о комьютерах до IBM-овской эпохи. Очень захватывающее чтиво. Особенно 1920-1940 годы.

      • Вадим Поспелов,
        Для тех кто читает первые буквы.

        Я не говорил, что в двоичной системе можно выполнять 1 действие. Я сказал дословно" А ЭВМ может выполнять только одну операцию - сложение.. Все остальные за счёт сдвига регистров ( если упрощённо). "

        Булева алгебра это математика, я про электронику, прошу не путать.

        Далее в ASCII код всё таки содержит 256 (2^8) символов (с псевдографикой) - так? И с чем вы спорите?

        Но дело не в этом, а в том что статья НИ О ЧЁМ, написана НИКАК.

        Думаю, ч то на досуге перечитаете - поймёте, что кроме Вас никто не понял - что сказать хотели.

        Оценка статьи: 5

        • Вадим Поспелов Вадим Поспелов Профессионал 27 ноября 2013 в 14:28 отредактирован 27 ноября 2013 в 15:03

          Андрей Владимиров, вот случайно наткнулся на одном сайте, как специально для вас написано про ASCII. Текст длинный, но познавательный.читать дальше →



          (с)Антиквар

        • Андрей Владимиров, Статья не об электронике, а о принципе работы, о логике, о математике. Об электронике будет следующая статья.

          Чистое ASCII - 128 символов. Читайте спецификацию разработчика.

          Расширенное ASCII - это уже национальные извращения, разработчиком в спецификации не описанные и принимаемые де-факто.