Любые данные в компьютере — это нули и единички. Текст, который вы читаете прямо сейчас, передался с нашего сервера прямо на ваш компьютер и записался в памяти — он представляет собой последовательность нулей и единичек. Прямо сейчас вы смотрите на ваш монитор, который состоит из пикселей и отображает наш сайт. Изображение — это тоже нули и единицы. Видео — это нули и единицы. Музыка — нули и единицы. Любой контент, доступный на вашем компьютере можно представить в виде нулей и единиц. Но как?
Оперативная память — это сложное устройство, и знать его работу будет полезно каждому
Стоит начать с того, что компьютер понимает только двоичную систему счисления. В жизни мы используем десятичную, так как у нас 10 пальцев и нам она попросту удобнее, но у компьютера нет 10 пальцев — он может работать только с логическими устройствами, которые работают только в двух состояниях — включен или выключен, есть подача тока или нет подачи тока. Если логическое устройство активно, значит подача тока есть и бит равен единице, если подачи тока нет, значит бит равен нулю. Бит — это самая маленькая единица измерения. 1 бит может иметь всего два состояния 1 и 0. 1 байт — это 8 бит. Таким образом, если перебрать все возможные комбинации нулей и единиц, получим, что в 1 байте может храниться 256 комбинаций битов или 2 в степени 8. Например, «0000001», «0000010» или «10110010» — любую букву английского алфавита можно представить в виде 8 битов (1 байта).
Двоичный код выглядит именно так!
Благодаря различным кодировкам мы можем представить любую информацию в двоичном виде. То же касается и наших программ, написанных на различных языках программирования. Чтобы запустить какую-либо программу, её необходимо скомпилировать в двоичный код. Таким образом, в двоичном виде можно представлять как данные, так и инструкции (код) для работы с этими данными. Существуют еще и интерпретируемые языки (JavaScript, Python), в этом случае интерпретатор по ходу выполнения программы анализирует код и компилирует его в язык, понятный нашему компьютеру, то есть в последовательность нулей и единиц, и в этом случае нет необходимости компилировать программу каждый раз при желании запустить её.
Как работает процессор?
Нельзя говорить о памяти, не сказав пару слов о процессоре. Процессор и оперативной память довольно похожи, так как в обоих случаях используются логические устройства, которые могут принимать лишь два состояния. Однако процессор выполняет задачи, связанные с вычислениями. Для этого у него имеется устройство управления — именно на него поступают наши инструкции, арифметико-логическое устройство — оно отвечает за все арифметические операции (сложение, вычитание и так далее) и регистры.
Так как инструкции, поступающие на процессор, работают с данными из памяти, эти данные нужно где-то хранить. Брать их постоянно из оперативной памяти — слишком долго, поэтому в процессоре имеется своя память, представленная в виде нескольких регистров — она является самой быстрой памятью в компьютере.
Что такое регистр? Регистр в процессоре представлен в виде триггера, который может хранить 1 бит информации. Триггер — это один из множества логических элементов в микрочипах. Благодаря своей логике он способен хранить информацию. Вот так выглядит D-триггер:
Это D-триггер и он способен хранить информацию. Каждое простейшее логическое устройство, включая D-триггер, состоит из логических операций. На фото выше можно заметить знак «&» — это логическое И
Таблица истинности для логического «И»
Верхний переключатель «D» в D-триггере меняет значение бита, а нижний «C» включает или отключает его хранение. Вам наверняка интересно, как устроен этот «D-триггер». Подробнее работу триггеров вы можете изучить по видеоролику ниже:
Помимо D-триггера, существуют также RS-триггер, JK-триггер и другие. Этой теме посвящена не одна книга, можете изучить логические устройства микрочипов самостоятельно. Было бы неплохо углубиться еще и в тему квантовых процессоров, потому что очевидно, что будущее именно за ними.
Из чего состоит оперативная память?
Теперь вернемся к нашей памяти, она представляет собой большую группу регистров, которые хранят данные. Существует SRAM (статическая память) и DRAM (динамическая память). В статической памяти регистры представлены в виде триггеров, а в динамический в виде конденсаторов, которые со временем могут терять заряд. Сегодня в ОЗУ используется именно DRAM, где каждая ячейка — это транзистор и конденсатор, который при отсутствии питания теряет все данные. Именно поэтому, когда мы отключаем компьютер, оперативная память очищается. Все драйвера и другие важные программы компьютер в выключенном состоянии хранит на SSD, а уже при включении он заносит необходимые данные в оперативную память.
Ячейка динамической оперативной памяти, как уже было сказано выше, состоит из конденсатора и транзистора, хранит она 1 бит информации. Точнее, саму информацию хранит конденсатор, а за переключения состояния отвечает транзистор. Конденсатор мы можем представить в виде небольшого ведерка, который наполняется электронами при подаче тока. Подробнее работу динамической оперативной памяти мы рассмотрели еще 7 лет назад. С тех пор мало что изменилось в принципах её работы. Если конденсатор заполнен электронами, его состояние равно единице, то есть на выходе имеем 1 бит информации. Если же нет, то нулю.
Как компьютер запоминает данные в ОЗУ?
Последовательность битов или 1 байт «01000001», записанный в ОЗУ, может означать что угодно — это может быть число «65», буква «А» или цвет картинки. Чтобы операционная система могла понимать, что означают эти биты, были придуманы различные кодировки для разных типов данных: MP3, WAV, MPEG4, ASCII, Unicode, BMP, Jpeg. Например, давайте попытаемся записать кириллическую букву «р» в нашу память. Для этого сначала необходимо перевести её в формат Unicode-символа (шестнадцатеричное число). «р» в Unicode-таблице это «0440». Далее мы должны выбрать, в какой кодировке будем сохранять число, пусть это будет UTF-16. Тогда в двоичной системе Unicode-символ примет вид «00000100 01000000». И уже это значение мы можем записывать в ОЗУ. Оно состоит из двух байт. А вот если бы мы взяли английскую «s», в двоичном виде она бы выглядела вот так «01110011».
Дело в том, что английский алфавит занимает лишь 1 байт, так как в UTF-кодировке он умещается в диапазон чисел от 0 до 255. В 256 комбинаций спокойно вмещаются числа от 0 до 9 и английский алфавит, а вот остальные символы уже нет, поэтому, например, для русских символов нужно 2 байта, а для японских или китайских символов нам понадобится уже 3 и даже 4 байта.
