В следующих трех главах рассказывается об аппаратных средствах компьютеров, причем наибольшее внимание уделяется логической архитектуре вычислительных систем, а не подробностям их физического конструирования. Архитектура практически не менялась за последние десятилетия, тогда как оборудование преобразилось просто ошеломительно. В первой главе приводится обзор структуры и компонентов компьютера. Во второй главе показывается, как компьютеры представляют информацию в виде битов, байтов и двоичных чисел. В третьей главе объясняется, как вычислительные машины проводят расчеты – как они обрабатывают биты и байты, чтобы достичь результата.

1. Что такое компьютер?

Поскольку готовое устройство будет представлять собой вычислительную машину общего назначения, оно должно включать в себя главные блоки, относящиеся к арифметическим операциям, хранению в памяти, управлению и связи с человеком-оператором.

Артур У. Бёркс, Герман Х. Голдстайн, Джон фон Нейман.Предварительное рассмотрение логического устройства электронного вычислительного прибора19, 1946

Давайте начнем обсуждение аппаратного обеспечения с обзора того, что представляет собой вычислительная машина. Мы рассмотрим ее по крайней мере с двух позиций: логической или функциональной организации (какие у нее части, что они делают и как соединены) и физической структуры (как выглядят части и как они сконструированы). Цель этой главы – разобраться, что такое компьютер и что у него внутри, узнать, что выполняет каждая его часть, и получить представление о том, что значат все эти бесчисленные сокращения и циферки.

Подумайте о ваших вычислительных устройствах. У многих читателей наверняка есть ПК, то есть или ноутбук, или настольный компьютер, произошедший от тех самых PC (Personal Computer, персональный компьютер), которые продавала компания IBM в 1981 году. Если у вас такой ПК, он работает на какой-нибудь версии операционной системы Windows от Microsoft. У других имеется Apple Macintosh под управлением той или иной версии macOS20. У третьих – хромбук (Chromebook) на операционной системе ChromeOS, которая задействует интернет для большей части вычислений и хранения данных. Более специализированные устройства вроде смартфонов, планшетов и электронных книг тоже представляют собой мощные вычислительные машины. Они все выглядят по-разному, и при использовании каждое из них ощущается по-своему, но внутри они устроены в принципе одинаково. Мы поговорим о причинах этого.

Можно провести небольшую аналогию с машинами. Функционально автомобили не меняются уже больше ста лет. В каждом из них есть двигатель, который работает на каком-либо топливе и приводит машину в движение. Есть руль, с помощью которого водитель управляет автомобилем. Есть место, где содержится топливо, а также пространство для пассажиров и их вещей. Однако физически машины сильно преобразились за столетие: их изготавливают из других материалов, они стали быстрее, безопаснее, надежнее и удобнее. Есть огромная разница между моей первой машиной (подержанным Volkswagen Beetle^[10] 1959 года выпуска) и Ferrari, но любая из них доставит меня и мои продукты домой из магазина или провезет через всю страну, и в этом смысле они функционально одинаковы. (Отмечу для ясности, что я никогда даже не садился в Ferrari, не говоря уже о том, чтобы владеть ею, поэтому лишь предполагаю, что там хватит места для продуктов. Правда, однажды я припарковался рядом с одной из них: см. рис. 1.1.)

Рис. 1.1. Самое близкое расстояние, на которое я когда-либо подходил к Ferrari

С вычислительными машинами все то же самое. По логической организации современные компьютеры очень похожи на своих предшественников 1950-х годов, но их физические различия выходят далеко за пределы тех изменений, которые претерпели автомобили. Сегодня компьютеры намного меньше, дешевле, быстрее и надежнее, чем 60 или 70 лет назад, и буквально в миллион раз лучше по некоторым показателям. Такие усовершенствования послужили главной причиной повсеместного распространения компьютеров.

Различия между функциями и физическими свойствами – то есть между тем, что делает объект, и тем, как он устроен или работает внутри, – имеют большое значение. Для компьютеров часть «как это устроено» меняется удивительными темпами, как и их быстродействие, но вот часть «что делает» довольно стабильна. Такое различие между абстрактным описанием и конкретным воплощением будет неоднократно обсуждаться в дальнейшем.

На первой лекции я иногда провожу опрос среди студентов: у скольких из вас есть ПК, у скольких из вас есть Мас? В начале 2000-х годов соотношение уверенно держалось в области 10 к 1 в пользу ПК, но за несколько лет быстро изменилось, и теперь на долю Mac приходится более 75 % компьютеров. Впрочем, это нетипично для мира в целом, где ПК доминируют с большим отрывом.

Вызвано ли подобное неравенство тем, что один тип компьютеров превосходит другой? Если да, то что так резко изменилось за столь короткое время? Я спрашиваю студентов, какой компьютер лучше, и прошу назвать объективные критерии их выбора. На основании чего вы решаете купить тот или иной компьютер?

Естественно, один из ответов – цена. ПК обычно дешевле из-за жесткой конкуренции на рынке. Более широкий спектр дополнительных компонентов «железа», больше программного обеспечения и возможностей посоветоваться со специалистами, к тому же все это легко доступно. Яркий пример того, что экономисты называют эффектом сетевой выгоды: чем больше других людей применяют что-то, тем полезнее оно окажется для вас, примерно пропорционально количеству других пользователей.

На стороне Mac стоят надежность, качество, эстетическая привлекательность и ощущение, что «все просто работает», а за такое многие потребители готовы приплачивать.

Дебаты продолжаются, и, хотя ни одна из сторон не убеждает другую, в головах у спорящих возникают полезные вопросы, что помогает им задуматься о том, какие есть различия между разными видами вычислительных машин и что в них работает одинаково.

Аналогичные дебаты ведутся и о телефонах. Почти у каждого есть смартфон («умный телефон»), который может запускать программы («приложения»), загруженные из Apple App Store, Google Play Store или иных магазинов приложений. Телефон служит браузером, почтой, часами, камерой, проигрывателем музыки и видео, диктофоном, картой, навигатором, средством для сравнения цен в магазинах, а иногда по нему даже звонят и общаются. Обычно примерно три четверти моих студентов владеют iPhone, и почти все остальные – смартфоном на ОС Android от разных поставщиков. iPhone стоят дороже, но они обеспечивают более плавную интеграцию с экосистемой компьютеров, планшетов, часов, музыкальных плееров и облачных сервисов от Apple: вот вам и еще один пример эффекта сетевой выгоды. Лишь изредка кто-то признаётся, что пользуется только «кнопочным телефоном», у которого нет дополнительных функций, кроме возможности совершать звонки. Я проводил исследование в США среди сравнительно обеспеченных людей, а в других странах и группах населения смартфоны на Android будут распространены гораздо шире.

И снова у людей есть веские причины для выбора: функциональность, экономичность, эстетическая привлекательность, – но за всем этим, как и в случае с ПК и Мас, скрывается весьма схожая аппаратура для вычислений. Давайте посмотрим, почему так.

1.1. Логическое построение

Если бы нарисовали абстрактное изображение простого стандартного компьютера, его логическую и функциональную архитектуру, то оно выглядело бы как схема на рисунке 1.2, причем как для Мас, так и для ПК. Процессор, какая-нибудь оперативная память, внешняя память и многие другие компоненты, соединенные набором проводов – шиной, которая передает информацию между ними.

Если мы представим в такой форме телефон или планшет, то рисунки будут похожи, но мышь, клавиатура и дисплей объединятся в один компонент, появятся экран и многие другие скрытые компоненты, такие как компас, датчик поворота экрана, GPS-приемник для определения вашего физического местоположения.

Базовая организация – процессор, память и хранилище для инструкций и данных, а также устройства ввода и вывода – была стандартной с 1940-х годов. Ее часто называют архитектурой фон Неймана в честь Джона фон Неймана, который описал ее в цитируемой выше статье 1946 года. Хотя и сейчас порой возникают дискуссии о том, не получает ли фон Нейман слишком много славы за работу, проделанную другими, его статья написана столь ясно и познавательно, что ее стоит прочесть даже сегодня. Например, цитата в начале текущей главы – это первое предложение его статьи. В переводе на современную терминологию, процессор обеспечивает арифметические операции и управление, оперативная и внешняя память – хранение в памяти, а клавиатура, мышь и дисплей взаимодействуют с человеком-оператором.

Рис. 1.2. Архитектурная схема простого идеализированного компьютера

Примечание по терминологии: процессор исторически назывался ЦПУ, или центральное процессорное устройство, но сейчас его часто именуют просто «процессор». Оперативную память часто называют ОЗУ, или оперативное запоминающее устройство, а внешнюю память – диск или накопитель, что отражает разницу в их материальных воплощениях. В основном я буду использовать слова «процессор», «память» и «хранилище», но иногда вы встретите старые термины.

1.1.1. Процессор

Процессор – это мозг компьютера, если такое слово можно здесь применить. Он выполняет арифметические вычисления, перемещает данные, управляет работой других элементов. Процессору доступен лишь ограниченный набор базовых операций, но он проводит их с невероятной быстротой, совершая миллиарды действий в секунду. На основе результатов предыдущих вычислений ЦПУ может решать, какие операции проводить дальше, поэтому он сравнительно независим от своих пользователей-людей. В главе 3 мы уделим этому компоненту больше времени, потому что он играет важную роль.

Если вы зайдете в магазин онлайн или офлайн, чтобы купить компьютер, то наткнетесь на описание всех компонентов, где обычно указываются загадочные аббревиатуры и не менее загадочные цифры. Например, вам может встретиться такое описание процессора – «2.2 GHz двухъядерный Intel Core 17», как в одном из моих компьютеров. Что это такое? Данный процессор произведен компанией Intel, a Core i7 – это название их обширной линейки. Он имеет два процессорных блока в одном корпусе: в этом контексте «ядро» синонимично «процессору». Любое ядро – само по себе процессор, однако в ЦПУ может входить несколько ядер, которые работают либо вместе, либо раздельно, но вычисления ускоряются в любом случае. Чаще всего приемлемо определять такую конструкцию как «процессор» независимо от того, сколько в ней ядер.