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.

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.