Брайан Керниган – Основы информационных технологий для неспециалистов: что происходит внутри машин (страница 8)

Обычный SSD для ноутбука вмещает от 250 до 500 Гб. Различные внешние диски, которые можно подключить к разъему USB, имеют емкость до нескольких терабайт (Тб), и они по-прежнему основываются на вращающихся механизмах. «Тера» означает триллион, или 10¹², и это еще одно обозначение, с которым вы будете часто сталкиваться.

Кстати, насколько велик терабайт или гигабайт? Один байт хранит один буквенный знак стандартного английского алфавита. Роман «Гордость и предубеждение» объемом около 250 бумажных страниц содержит 680 000 знаков, и тогда 1 Гб может хранить около 1500 копий этого произведения²¹. Впрочем, мне бы вполне хватило одной копии, а на свободное место я записал бы какую-нибудь музыку. Одна минута музыки в формате MP3 занимает около 1 Мб. Значит, если я запишу МР3-версию одного из моих любимых звуковых компакт-дисков The Jane Austen Songbook объемом около 60 Мб, то в одном гигабайте памяти хватит места еще для 15 часов музыки. Сериал «Гордость и предубеждение» 1995 года (производство ВВС, в главных ролях Дженнифер Эль и Колин Фёрт) на двух DVD занимает менее 10 Гб, поэтому я могу сохранить на одном терабайте его и еще сотню подобных фильмов.

На примере дискового накопителя очень удобно объяснять различия между логической структурой и физической реализацией. Программы вроде File Explorer («Проводник») для Windows или Finder для macOS отображают содержимое диска в виде иерархии папок и файлов. Но хранить сами данные можно на вращающемся оборудовании, в интегральных схемах без подвижных частей или на чем-то совершенно другом. Тип накопителя на компьютере не имеет значения. Аппаратное обеспечение в виде диска и программное обеспечение в рамках ОС, называемое файловой системой, работают вместе, создавая организационную структуру. Мы вернемся к этой теме в главе 6.

Такая логическая организация настолько хорошо подходит людям (или, возможно, мы уже так сильно к ней привыкли), что ее применяют и в других устройствах, даже если там она реализуется совершенно иными аппаратными средствами. Например, программа, которая обеспечивает доступ к информации на CD или DVD, создает впечатление, что данные хранятся в файловой иерархии, независимо от того, как они располагаются физически. То же самое относится к USB-устройствам, камерам и другим гаджетам, где используются карты памяти. И даже почтенная дискета, ныне полностью вышедшая из употребления, на логическом уровне устроена аналогично. Это хороший пример абстракции, встречающейся повсюду в компьютерных системах. Согласно этой идее, детали физической реализации нужно скрывать. В случае файловой системы, независимо от того, какие технологии задействованы, данные представляются пользователю в виде иерархии файлов и папок.

1.1.4. Другие устройства

Существует множество прочих устройств со специальными функциями. Мышки, клавиатуры, сенсорные экраны, микрофоны, камеры и сканеры дают людям возможность вводить данные. Дисплеи, принтеры и динамики выводят информацию. Сетевые компоненты вроде Wi-Fi и Bluetooth обеспечивают взаимодействие с другими вычислительными устройствами. Различные вспомогательные технологии содействуют пользователям со зрительными, слуховыми или другими ограничениями.

На схеме архитектуры (рис. 1.2) все такие устройства и системы соединены одним набором проводов, называемых шиной, – данный термин заимствован из электротехники. На самом деле внутри компьютера находится много шин, свойства которых зависят от их функций: короткие, быстрые и дорогие соединяют память с процессором, а длинные и медленные, но дешевые, ведут к разъему для наушников. Некоторые из них имеют выход наружу – например, вездесущая универсальная последовательная шина, или USB, которая используется для подключения устройств к компьютеру.

Сейчас мы не станем уделять много времени другим приспособлениям, но иногда я буду их упоминать в том или ином контексте. А пока попробуйте вспомнить все устройства, которые сопутствуют вашему вычислительному устройству или подключены к нему: мыши, клавиатуры, тачпады и сенсорные экраны, дисплеи, принтеры, сканеры, игровые контроллеры, наушники, динамики, микрофоны, камеры, телефоны, датчики отпечатков пальцев, каналы связи с другими компьютерами. Список можно продолжать. Все они эволюционировали так же, как процессор, память и дисковые накопители: быстро менялись физические свойства, обычно в сторону расширения возможностей и увеличения компактности при снижающейся стоимости.

Также стоит отметить, что все эти устройства объединяются. Сотовые телефоны теперь служат часами, калькуляторами, фото- и видеокамерами, проигрывателями музыки и видео, игровыми приставками, считывателями штрих-кодов, навигаторами и даже фонариками.

Смартфон имеет ту же абстрактную архитектуру, что и ноутбук, хотя и с существенными отличиями в реализации из-за ограничений по размеру и мощности. В телефонах нет жестких дисков, которые показаны на рис. 1.3, но у них есть флеш-память для хранения информации (списков контактов, изображений, приложений и тому подобного), когда телефон выключен. К ним можно присоединить не так много внешних устройств, но в них обычно есть гнездо для наушников и USB-разъем. Крошечные камеры настолько дешевы, что большинство телефонов имеют по одной с каждой стороны. Планшеты, такие как iPad и его конкуренты, занимают другую нишу в пространстве возможностей, но и они – вычислительные машины с такой же общей архитектурой и схожими компонентами.

1.2. Механическая конструкция

На занятиях я раздаю всевозможные образцы «железа» (найденные за десятки лет лазания по помойкам) со снятыми кожухами. В информатике столь много абстрактного, что бывает довольно полезно увидеть и потрогать диски, чип с интегральными схемами, пластины, в которые они встроены, и т. д. Также интересно посмотреть на эволюцию некоторых устройств. Например, современный жесткий диск ноутбука внешне неотличим от своих предшественников, выпущенных десять или двадцать лет назад. Емкость более нового диска увеличилась в 10-100 раз, но эти улучшения невидимы. То же самое относится и к картам памяти (SD), которые мы используем, например, в камерах. Их современные корпуса идентичны тем, что применялись несколько лет назад (рис. 1.4), но емкость карт намного выше, а цена ниже.

Так, изображенная здесь карта на 32 Гб стоит меньше 10 долларов.

Рис. 1.4. SD-карты весьма разной емкости

С другой стороны, в печатных платах, на которых размещены компоненты компьютера, наблюдается явный прогресс. Сегодня компонентов меньше, потому что внутри находится больше микросхем, проводка тоньше, а соединительные контакты («штырьки») более многочисленны и расположены гораздо плотнее, чем 20 лет назад.

Рис. 1.5. Печатная плата для ПК, выпущена ок. 1998 года.

Размер 12 × 7,5 дюймов (30 × 19 см)

На рис. 1.5 показана печатная плата для настольного ПК конца 1990-х годов. Такие компоненты, как процессор и память, смонтированы на плате (или вставлены в нее) и соединены проводами, проложенными на другой стороне. На рис. 1.6 показана часть оборотной стороны той же печатной платы, где параллельно идущие печатные провода – это шины разного типа.

Рис. 1.6. Шины на печатной плате

Электронные схемы в компьютерах формируются из нескольких базовых элементов, представленных в большом количестве. Наиболее важный из них – логический вентиль, который вычисляет одно выходное значение на основе одного или двух входных. Он использует входные сигналы (напряжение или силу тока) для управления выходным сигналом аналогичного вида. При наличии достаточного количества таких вентилей, соединенных правильным образом, возможно производить вычисления любого типа. Чарльз Петцольд в своей книге «Код»²² удачно знакомит нас с этим процессом, а на многочисленных веб-сайтах представлены графические анимации, которые показывают, как логические схемы выполняют арифметические и другие вычисления.

Основным элементом схемы служит транзистор — устройство, изобретенное в Лабораториях Белла[12] в 1947 году учеными Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, которые в 1956 году получили за это Нобелевскую премию по физике. В компьютере транзистор играет роль переключателя, который может включать и выключать ток под воздействием напряжения. На таком простом основании можно построить сколь угодно сложные системы.

Логические вентили раньше собирались из дискретных компонентов: вакуумных (электронно-лучевых) трубок размером с электрическую лампочку в ENIAC и отдельных транзисторов величиной примерно с карандашный ластик в компьютере 1960-х годов. На рис. 1.7 показаны копия первого транзистора (слева), вакуумная трубка и процессор в корпусе. Сама схема находится в центре и занимает площадь около 1 кв. см, а электронно-лучевая трубка имеет длину около 4 дюймов (10 см). Современный процессор такого размера содержал бы в себе несколько миллиардов транзисторов.

Логические вентили создаются на интегральных схемах, или ИС, которые часто называют микросхемами или микрочипами.

Интегральная схема содержит все компоненты и проводку электронной схемы на одной плоской поверхности (тонкий лист полупроводника), которая создается путем сложной последовательности оптических и химических процессов. В итоге получается схема без дискретных элементов и проводов обычного вида. Такие ИС намного компактнее и надежнее, чем схемы с дискретными компонентами. Микросхемы массово изготавливаются на круглых кристаллических пластинах (платах) диаметром 12 дюймов (30 см): из них затем нарезаются отдельные микросхемы, каждую из которых помещают в свой корпус. Обычная микросхема (рис. 1.7, внизу справа) монтируется в больший по размеру корпус с 10-100 штырьками, соединяющими ее с остальной системой. На рис. 1.8 показана интегральная схема в корпусе, где сам процессор находится в центре, и его площадь составляет около 1 кв. см.