Данные и программы

Введение

Когда началось программирование, точно не известно. Конца ему тоже не видно, поскольку человек и вынужден, и стремится перекладывать на компьютер все новые и новые виды работы. Чтобы объяснить компьютеру, что делать, нужно написать программу. Каждый год создаются тысячи новых программ, и тысячи новых «бойцов» пополняют армию программистов, но спрос на них не уменьшается, а растет.

Структура компьютера

Общий вид компьютера или вычислительной машины представлен на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Общая схема компьютера

На его материнской плате располагается центральный процессор и оперативная память (ОП). К плате могут подключаться другие платы, предназначенные для управления внешними устройствами. К ним относятся экран (терминал), клавиатура, манипулятор «мышь», дисководы и другие, например, сканер, плоттер для рисования или модем.

Компьютер «умеет» делать только одно – выполнять программы. Программы – последовательность команд, задающих обработку значений или данных. Выполняемая программа и ее данные находятся в ОП. Центральный процессор читает команды из памяти и выполняет их. Команды задают чтение значений (числовых и других) из памяти, создание новых значений и запись их в память. Данные читаются и записываются с помощью системной шины, которая входит в состав материнской платы и обеспечивает взаимодействие всех устройств компьютера (рис. 1.2 – 1.3).

Рис. 1.2. Общая структура персонального компьютера

Рис. 1.3. Команда

Основные части процессора – операционное и управляющее устройства, а также собственная память для хранения и обработки данных. Операционное устройство (арифметико-логическое устройство (АЛУ)) выполняет команды и порождает новые значения. Память образуется специальными запоминающимися элементами – регистрами. Управляющее устройство обеспечивает обмен значениями между операционными устройствами и регистрами. Этот обмен происходит быстрее, чем обмен с ОП (рис. 1.4).

3 OrL1jTRez1xue3mVJBtpdUe80OoBqxbrz8NoFczl08NHmS7Ndhj99PiWVK/3Y6XU+dlS3oKIuMS/ Y/jBZ3QomOnoRjJB9Ar4kfirnKXXG7ZHBev1NgVZ5PI/ffENAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAh ALaDOJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAU AAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAU AAYACAAAACEAdojT614OAABK7wAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwEC LQAUAAYACAAAACEANQsnX9wAAAAFAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAC4EAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1s UEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAMERAAAAAA== ">

Рис. 1.4. Выполнение команды

У процессора есть еще кэш-память. Обмен с ней происходит медленнее, чем с регистровой, но быстрее, чем с оперативной. Часть выполняемой программы и данных записывается в кэш-память. Это избавляет от необходимости обращаться к оперативной памяти за каждой командой или значением и ускоряет выполнение программы.

Кроме оперативной и кэш-памяти, в компьютере есть внешняя память – на внешних носителях, например, магнитных дисках. Носители размещаются на специальных устройствах обмена данными с «внешним миром» (внешних устройствах или устройствах ввода-вывода - УВВ). К ним относятся, например, дисководы, экран, клавиатура, мышь. У всех УВВ есть свои процессоры, которые устроены проще, чем центральный, и выполняют другие наборы команд. Процессоры УВВ могут переносить данные с внешних носителей в оперативную память (чтение из «внешнего мира») или наоборот (запись данных во «внешний мир»).

Каждому устройству обмена выделен особый участок оперативной памяти – порт. Из него устройство берет данные для внешнего носителя, записывая их на диск или экран компьютера; в порт записываются также данные, например, от клавиатуры и дисковода.

Компьютеры, как правило, имеют несколько дисководов для работы с дисками различных типов (жесткими, гибкими, компактными и другими).

Данные на внешнем носителе существуют в виде файлов. Каждый файл организован по определенным правилам, которые называются форматом файла.

Существуют сотни различных форматов файлов – одни для текстов, другие для картинок, третьи для машинных программ и т. д.

Данные и программы

Человек привык записывать числа в десятичной системе счисления (по основанию 10), используя для записи 10 знаков (цифр) от 0 до 9. Каждая цифра задает число, которое зависит от ее позиции в записи. Например, 123 означает: 1 сотня, 2 десятка и 3 единицы, в 312 – 3 сотни, 1 десяток и 2 единицы. Если справа от числа единиц записывается запятая или точка, а за ней снова цифры, то они обозначают число дробных частей единицы – десятых, сотых и т. д.

В компьютере числа представляются в двоичной записи (по основанию 2) с цифрами 0 и 1. Цифры отвечают двум различным устойчивым состояниям элемента памяти, который называется бит (от англ. bit – binary digit, т. е. двоичная цифра). Состояния двух последовательных битов отвечают четырем сочетаниям цифр 00, 01, 10, 11, задающим целые числа 0, 1, 2, 3. Аналогично 3 бит задают восемь чисел от 0 до 7, 4 бит – 16 чисел от 0 до 15 и т. д.

Восемь последовательных битов образуют байт. Он может иметь
2⁸ = 256 различных состояний и представлять, например, целые числа от 0 до 255. Эти состояния могут рассматриваться как числа от -128 до 127 (их ведь тоже 256), символы или что-нибудь еще.

Оперативная память представляет собой последовательность байтов, в которой каждый байт имеет свой номер – адрес.

Числовое значение в памяти обычно занимает несколько соседних байтов и указывается адресом первого из них. Для целых чисел обычно используют 1, 2 или 4 байт, для нецелых (вещественных или действительных) – 4, 6, 8 или 10 байт (рис. 2.1.).

Регистры процессора в зависимости от своего назначения могут состоять из 1-10 байт. В процессоре их обычно несколько десятков. Объем кэш-памяти – десятки и сотни Кбайт, оперативной – десятки и сотни Мбайт и Гбайт.

Рис. 2.1. Размещение информации в памяти компьютера

Машинные команды, как и числа, также записываются в ОП. Они представляют собой указания типа: «прочитать число по такому-то адресу памяти в такой-то регистр», «сложить два числа из таких-то регистров и запомнить сумму в таком-то адресу памяти». Действия процессора («прочитать», «сложить» и т. п.) задаются в машинных командах кодами операций.

Система команд, выполняемых процессором, называется машинными языком.

В памяти компьютера одновременно находятся, как правило, несколько программ. Среди них есть целая система программ и данных под общим названием операционная система (ОС, рис. 2.2.). Названия операционных систем хорошо известны – DOS, Windows, UNIX и многие другие. Основные задачи ОС – определять, команды какой из программы должны выполняться в тот или иной момент времени и обеспечивать обмен данными с УВВ. Программа (или система программ), с помощью которой время работы процессора распределяется между программами, называется диспетчером (супервизором, планировщиком, ядром ОС), а программы, с помощью которых ОС управляет работой УВВ, - драйверами (драйвер клавиатуры, драйвер экрана и т. д).

Рис. 2.2. Программы в памяти компьютера

Для выполнения программа переписывается в ОП с внешних носителей, как правило, с диска. Это происходит при выполнении специальной программы из состава ОС – загрузчика.

Переписывание программы с внешнего носителя в оперативную память называется загрузкой (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Загрузка программы