1.2: Комп'ютери та магія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30006

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Хоча більшість цього не визнають, люди вважають, що комп'ютери насправді підкоряються законам магії. Комп'ютери роблять такі дикі і чудодійні речі, які якось ми всі вважаємо, що комп'ютери насправді не машини взагалі, але є щось дуже дивне і магічне, яке повинно йти всередині комп'ютера. Комп'ютери, здається, роблять речі, які виходять за рамки фізичних законів природи. Зростання можливостей пристроїв, якими ми користуємося щодня, які є невеликими і простими у використанні, але настільки дивовижними у тому, що вони можуть зробити, підкріплює цю думку про те, що комп'ютери справді є магією.

Насправді ми знаємо, що комп'ютери - це просто машини. Перша коли-небудь розроблена машина, яка мала весь функціонал сучасного комп'ютера, аналітичний двигун, була спроектована Чарльзом Беббіджем в 1838 році. Аналітичний двигун повинен був бути чисто механічним і розрахований на роботу на пару. Хоча він ніколи не був реалізований, це ідеально працездатний дизайн і включає в себе всі необхідні функціональні можливості сучасного комп'ютера.

Аналітичний двигун показує, що комп'ютери можна розуміти в чисто механічному плані. Щоб допомогти зрозуміти комп'ютери, цей текст буде дивитися на серце всіх комп'ютерів, центральний процесор (CPU). Першим кроком у розумінні комп'ютера є розуміння процесора.

Процесор повністю складається з проводів та логічних компонентів, які називаються воротами. Ці ворота дуже, дуже крихітні, і дуже, дуже швидкі, але вони є лише електронними схемами, які виконують прості операції. Єдині операції, які повинні забезпечити ці ворота, - це логічні оператори AND, OR і NOT, які будуть пояснені в розділі 4. Більш дивно, що функції AND, OR і NOT - це більше, ніж потрібно. Вся логіка в комп'ютері може бути реалізована за допомогою тільки одного типу воріт, NOT-і, або NAND, воріт. Таким чином, комп'ютер - це просто сукупність цих проводів і вентилів, і може бути повністю пояснений як механічний пристрій, що використовує тільки один тип обчислювального елемента, NAND затвора. Це дійсно майже так само дивно, як комп'ютери, зроблені з магії, але набагато корисніше.

Щоб спростити процесор, колекції елементів AND, OR і NOT організовані в цифрові компоненти (звані інтегральні схеми або мікросхеми), які використовуються для побудови процесора. Ці цифрові мікросхеми називаються мультиплексорами, декодерами, тригерами (регістрами) і арифметико-логічними одиницями (ALU). Деякі з цих компонентів, такі як ALU, складаються з інших цифрових компонентів, таких як суматори, віднімання, компаратори та схеми для інших типів обчислень. Ця книга буде охоплювати ці цифрові мікросхеми, пояснюючи, як вони використовуються в процесорі, показуючи, як ці цифрові компоненти виготовляються за допомогою простих воріт, і фактично реалізуючи схеми на макетній платі за допомогою мікросхем IC.

Після завершення цієї книги читач повинен мати уявлення про те, що таке процесор, гарне розуміння частин, що складають процесор, і рудиментарну концепцію того, як процесор працює для перетворення 1s і 0s в дивовижні пристрої, які так центральні для нашого світу.