Вся IT-база в ОДНОМ видео: Память, Процессор, Код

• Рекомендованные книги для начинающих IT-специалистов: «Код: тайный язык информатики» Чарльза и «Как на самом деле работает компьютер» Мэттью Джастиса.  

• Видео основано на этих книгах и дополнительных источниках.  

• Цель видео — расширить кругозор начинающих IT-специалистов и интересующихся устройством компьютеров.  

• Тим тайно влюблён в Веру и хочет общаться с ней после отбоя.  

• Он пытается использовать лазерную указку и фонарик для передачи сообщений, но безуспешно.  

• Вдохновившись фильмом про моряков, Тим узнаёт об азбуке Морзе.  

• Азбука Морзе использует точки и тире для кодирования информации.  

• Тим адаптирует азбуку Морзе для передачи сообщений с помощью фонарика.  

• Для упрощения декодирования Тим группирует коды букв по количеству символов.  

• Код Морзе является двоичным, так как каждый элемент включает один из двух компонентов: точку или тире.  

• Тим строит древовидную структуру для упрощения декодирования.  

• Луи Брайль разработал шрифт Брайля для слабовидящих людей.  

• В шрифте Брайля каждый символ кодируется выпуклыми точками в прямоугольнике.  

• Шрифт Брайля также относится к двоичной системе.  

• Тим использует лампу на стене кабинета для передачи информации Вере.  

• Принцип работы лампы аналогичен карманному фонарику.  

• Тим планирует использовать выключатель для отправки сообщений.  

• Телеграф использует электромагниты для передачи сигналов.  

• На стороне отправителя находится ключ, а на стороне получателя — электромагнит.  

• Для передачи сигналов на длинные расстояния используются повторители или реле.  

• В первой половине XIX века реле было изобретено несколькими учёными.  

• Реле использовалось как переключатель и усилитель электрического сигнала.  

• Джозеф Генри демонстрировал работу реле на эксперименте с двумя электрическими цепями.  

• Слабый электромагнит управлял сильным, замыкая и размыкая цепь.  

• Реле усиливало слабый сигнал, преобразуя его в сильный.  

• Это позволило передавать телеграфные сообщения на большие расстояния.  

• Числа были придуманы для бухгалтерского учёта.  

• Римские цифры основаны на счёте на пальцах.  

• Десятичная система счисления связана с количеством пальцев на руках.  

• Десятичная система основана на основании 10.  

• Система с основанием 8 имеет другие значения для одинаковых записей.  

• Двоичная система использует только два символа: 0 и 1.  

• Двоичная система — основа работы компьютеров.  

• Бит — минимальная единица информации в двоичной системе.  

• Один бит может принимать значения 0 или 1.  

• Штрих-коды состоят из 13 цифр и 30 полосок.  

• Сканер делит штрих-код на 95 участков и присваивает единицы закрашенным участкам, а нули — незакрашенным.  

• Первые и последние три бита настраивают сканер, а пятибитный разделитель делит штрих-код на левую и правую части.  

• Каждое значение кодируется семью битами.  

• Кодировка L-типа имеет нечётное количество единиц, а кодировка типа P — чётное.  

• Программа сама определяет чётность/нечётность и сторону сканирования штрих-кода.  

• Пример штрих-кода начинается с цифры 9.  

• Левая часть штрих-кода шифруется по схеме L-типа.  

• Правая часть закодирована согласно кодировке типа P.  

• Алгоритм поиска контрольной цифры: умножение значений на коэффициенты, суммирование, нахождение остатка от деления на 10.  

• Если остаток отличен от нуля, контрольная цифра равна разнице между 10 и остатком.  

• Если остаток равен нулю, контрольная цифра равна нулю.  

• Переписывание кодов Морзе с использованием единиц и нулей: точка — 1, тире — 3 единицы, паузы — 0.  

• Преобразование азбуки Морзе в биты для шифрования.  

• Байт — группа из восьми битов, может принимать 256 различных значений.  

• Использование восьмеричной системы для упрощения работы с байтами.  

• Проблема при использовании нескольких байтов в восьмеричной системе.  

• Шестнадцатеричная система использует четыре бита для представления чисел.  

• Представление чисел в шестнадцатеричной системе с помощью букв латинского алфавита.  

• Перевод чисел из шестнадцатеричной в десятичную систему.  

• Текст для компьютера — набор закодированных символов.  

• Американский стандартный код для обмена информацией ASCII определяет 128 символов.  

• Расширенные таблицы ASCII используют весь диапазон восьми бит.  

• Цель стандарта — охватить символы всех письменностей мира.  

• Кодовые пункты, глифы и имена символов в стандарте.  

• Отказ от привязки символов к конкретному набору битов, каждый символ получает уникальный номер.  

• UTF-8 использует переменное количество байт от 1 до 4 для кодирования символов.  

• UTF-16 оперирует ячейками по 16 бит, большинство символов помещаются в одну ячейку.  

• Некоторые символы занимают две ячейки.  

• Изображение состоит из пикселей, каждый из которых имеет координаты и цвет.  

• Для кодирования цвета используется набор нулей и единиц.  

• Один бит позволяет закодировать два цвета, два бита — четыре цвета, три бита — восемь цветов.  

• Пять бит позволяют закодировать 32 уровня серого.  

• Оптимальное кодирование оттенков серого — один байт на пиксель, что даёт 256 оттенков.  

• Человеческий глаз не способен различить более 256 градаций серого.  

• Модель RGB использует три компонента: красный, зелёный и синий.  

• Каждый компонент кодируется одним байтом, что даёт более 16 миллионов цветов.  

• Для кодирования одного цветного пикселя требуется три байта.  

• Булева алгебра работает с логическими значениями истина и ложь.  

• Основные операции: логическое И, логическое ИЛИ и отрицание.  

• Коммутативность, ассоциативность и дистрибутивность применимы к логическим операциям.  

• Инопланетяне выбирают кандидатов по логическим условиям: холостые женщины, работающие учителями или полицейскими; холостые мужчины, не работающие в правоохранительных органах; программисты.  

• Условия записываются в виде булевых выражений с использованием логических операций.  

• Пример с геологом показывает, как логические операции влияют на результат.  

• Предлагается автоматизировать процесс отбора с помощью электрической схемы.  

• Логическое И реализуется последовательным подключением выключателей, логическое ИЛИ — параллельным подключением.  

• Схема позволяет кандидату самостоятельно отвечать на вопросы, перемещая переключатели.  

• Схема упрощается с помощью дистрибутивности.  

• Количество переключателей сокращается до четырёх, что снижает вероятность ошибки.  

• Переключатели K1, K2, K3 и K4 представляют собой биты, каждый из которых имеет два состояния: включён или выключен.  

• Переключатель K1 отвечает за пол кандидата: включён — мужчина, выключен — женщина.  

• Переключатель K2 отвечает за статус кандидата: включён — холост, выключен — не холост.  

• Профессии учителя, полицейского и программиста определяются двумя переключателями K3 и K4.  

• Четыре возможных комбинации состояний переключателей: 00 — прочая деятельность, 11 — программист, 10 — учитель, 01 — полицейский.  

• Количество переключателей сокращено с восьми до четырёх.  

• Логический вентиль принимает один или несколько логических входов и выдаёт один логический выход.  

• Реле используется для управления переключателями с помощью электричества.  

• Буфер передаёт сигнал без изменения: если на входе единица, то и на выходе единица, если ноль, то и на выходе ноль.  

• Инвертор инвертирует логический сигнал: если на входе ноль, то на выходе будет единица, и наоборот.  

• Последовательное соединение реле реализует логическую операцию «И» и называется вентилем «И».  

• Вентиль «И» имеет два входа и один выход, его поведение описывается таблицей истинности.  

• Параллельное соединение реле реализует логическую операцию «ИЛИ» и называется вентилем «ИЛИ».  

• Вентиль «ИЛИ» имеет закруглённую форму со стороны входов и может находиться в четырёх логических состояниях.  

• Первый переключатель определяет пол кандидата: включён — мужчина, выключен — женщина.  

• Для определения статуса используется инвертор.  

• Профессии определяются двумя переключателями, состояния которых однозначно определяют каждую группу.  

• Пример проверки: выключен ключ K3, включён ключ K4.  

• Инвертор преобразует сигнал в единицу, и на вход логических вентилей поступают два сигнала.  

• Только у вентиля, связанного с полицейским, оба сигнала равны единице, поэтому на выходе будет единица.  

• Схема, формирующая один активный выход из четырёх возможных, называется дешифратором двух линий на четыре.  

• У дешифратора два входа и четыре выхода, и в каждый момент времени активен только один выход — тот, который соответствует входной комбинации.  

• Схема использует четыре переключателя для генерации выходных сигналов.  

• Перерисовываем схему на семь ключей с входными сигналами, принимающими два значения: ноль или единица.  

• Соединяем входные сигналы схемы с выходными сигналами пульта.  

• Вентиль «и» выдаёт единицу, если на входе две единицы.  

• Вентиль «или» выдаёт единицу, если на входе хотя бы одна единица.  

• Лампочка загорается, если на выходе всех вентилей получается единица.  

• Вентиль «или не» работает наоборот: лампочка горит, если оба электромагнита не активны.  

• Вентиль «и не» работает наоборот: лампочка горит, пока хотя бы один электромагнит не активен.  

• Сложение чисел — основа работы компьютера.  

• Цель — построить суматор — устройство, которое принимает два числа и выдаёт их сумму.  

• Используем простые элементы: выключатели, реле и лампочки.  

• Двоичная система проще для электрических схем, так как переключатели и лампочки могут принимать только два состояния.  

• Переключатели вводят числа, а лампочки выводят результат сложения.  

• Начинаем с таблицы сложения для двоичных чисел.  

• Выделяем таблицы суммы и переноса.  

• Используем логические вентили для реализации схемы.  

• Полусуматор использует вентили «исключающее или» и «и».  

• Разряд суммы задаётся выходом «исключающего или», а разряд переноса — выходом «и».  

• Для сложения трёхзначных чисел используем два полусуматора.  

• Третий полусуматор можно заменить на вентиль «или».  

• Полный суматор имеет три входа, один из которых — вход переноса.  

• Для сложения четырёхбитных чисел используем четыре суматора.  

• Подключаем переключатели ко входам, а лампочки к выходам сумм.  

• Проверяем работоспособность, складывая два четырёхзначных числа.  

• Можно создать восьмибитный суматор, копируя схему.  

• Далее можно создать шестнадцатибитный суматор.  

• Останавливаемся на восьмибитном суматоре для дальнейшей работы.  

• Электромагнит реле и переключатель контакта имеют разные источники питания.  

• Объединим их в одну цепь с двумя переключателями: один управляется внешним воздействием, другой — электромагнитом.  

• При включении первого переключателя цепь замыкается, лампочка загорается, электромагнит размыкает цепь.  

• Устройство без лампочки используется как электромеханический зуммер.  

• С молоточком и чашей получается аналог школьного звонка.  

• Вибратор замыкает и размыкает цепь без внешнего воздействия, напоминая работу инвертора.  

• Сигнал, пройдя реле, возвращается на вход с противоположным значением из-за задержки в срабатывании реле.  

• График зависимости выходного сигнала от времени имеет периодическую форму.  

• Цикл колебаний — это интервал, в течение которого выход вибратора изменяется, а затем возвращается в исходное состояние.  

• Вибратор важен для синхронной работы компонентов компьютера.  

• Схема с двумя реле, соединёнными перекрестно, образует обратную связь, закрепляющую текущее состояние.  

• R-S триггер можно собрать на двух вентилях «или-не».  

• Четыре возможные комбинации входов: единица, ноль, единица, ноль.  

• При обоих входах, равных нулю, выход зависит от предыдущего значения.  

• Запрещённое состояние при одновременной подаче сигналов на оба входа.  

• Реакция на изменение входа всё время, пока подаётся сигнал.  

• Установка двух вентилей «и» перед входами R и S для управления моментом записи.  

• Сигнал разрешения записи управляет моментом записи данных.  

• Замена входов R и S на один вход D для устранения недопустимого состояния.  

• Вход Clock синхронизирует работу схемы.  

• Защёлка запирает один бит информации и хранит его для дальнейшего использования.  

• D-триггер используется для изменения значения выхода только в момент перехода сигнала clock из одного состояния в другое.  

• Состоит из двух защёлок: ведущей и ведомой.  

• Ведущая защёлка обозначается как Q1 и Q1'h, ведомая — как Q2 и Q2'h.  

• Сигнал от ведущей защёлки поступает на вход ведомой напрямую и через инвертор.  

• Схема упрощается путём соединения выхода Q1'h с входом верхнего вентиля ведомой защёлки.  

• Сигнал clock управляет обеими защёлками, но перед входом в ведущую защёлку проходит через инвертор.  

• Ведущая защёлка открыта при clock = 0, ведомая — при clock = 1.  

• На выходе фиксируется только одно значение d в момент фронта сигнала clock.  

• При clock = 0 ведущая защёлка прозрачна, в неё записывается текущее значение d.  

• При изменении clock от 0 к 1 ведущая защёлка закрывается, а ведомая открывается и принимает значение с выхода ведущей защёлки.  

• Изменение сигнала d при clock = 1 не влияет на выходы 1 и 2.  

• D-триггер обозначается треугольной стрелкой на входе clock: просто треугольник — срабатывание по положительному фронту, треугольник с кружком — по отрицательному фронту.  

• Превращается в управляемую ячейку памяти, обновляя бит только в нужный момент.  

• Переименование входов и выходов: выход — вывод данных, вход — ввод данных, сигнал записи — v.  

• При v = 1 значение от входа передаётся на выход, при v = 0 защелка закрыта.  

• Объединение четырёх защёлок создаёт четырёхбитную группу памяти.  

• Задача: записать и прочитать четыре отдельных однобитовых значения.  

• Использование однобитовых защёлок в роли ячеек записи и хранения данных.  

• Моделирование двух логических блоков: один управляет записью данных, другой — чтением.  

• Первый блок управляет сигналом записи каждой из ячеек.  

• Для записи сигнала во вторую защёлку на вход записи второй защёлки подаётся единица, на все остальные — ноль.  

• Применение дешифратора двух линий на четыре для выбора нужной ячейки.  

• Переключатели s1 и s2 управляют записью данных в разные защёлки.  

• Запись в первую защёлку происходит при выключенных переключателях, во вторую — при нуле на s1 и единице на s2.  

• Логика записи продолжается с учётом состояния переключателей.  

• Запись данных происходит только при значении сигнала, равном единице.  

• Для записи в третью защёлку переключатель должен быть включён, а сигнал записи — равен единице.  

• После записи данных вход отключается для их сохранности.  

• Задача блока считывания — выбрать сигнал от нужной защёлки и вывести его на общий выход схемы.  

• Используется селектор четырёх линий на одну для выбора сигнала.  

• Переключатели S3 и S4 определяют, какой вентиль И будет открыт.  

• Комбинация переключателей S3 и S4 определяет, какой вентиль И будет активен.  

• Выход вентиля И зависит от значения на его третьем входе, которое хранится на выходе соответствующей защёлки.  

• Выходы остальных вентилей И равны нулю и не влияют на общий выход.  

• Для выбора нужной защёлки достаточно двух переключателей, которые называются адресом.  

• Двухбитный адрес однозначно определяет, к какой защёлке обращаться.  

• Конфигурация защёлок представляет собой память с произвольным доступом.  

• Для хранения четырёх битов используется массив RAM 4x1.  

• Увеличение количества защёлок и переключателей позволяет хранить больше бит.  

• Реле громоздкие, имеют ограниченную скорость срабатывания и изнашиваются.  

• Вакуумные электронные лампы стали следующим шагом в развитии электроники.  

• Лампы переключаются в тысячи раз быстрее реле и работают бесшумно.  

• Они стали основой первых электронных компьютеров.  

• Недостатки ламп: высокое энергопотребление, тепловыделение, частые перегорания.  

• Транзисторы управляют электрическим током с помощью полупроводников.  

• Биполярный транзистор типа NPN имеет три вывода: базу, коллектор и эмиттер.  

• Управление транзистором осуществляется подачей слабого тока на базу.  

• Транзисторы миниатюрны, надёжны, энергоэффективны и имеют высокую скорость переключения.  

• Последовательное подключение двух транзисторов реализует логическую операцию «И», а параллельное — «ИЛИ».  

• Интегральные схемы объединяют несколько транзисторов, резисторов и проводников на одной кремниевой пластинке.  

• Это позволяет изготавливать схемы целиком на кристалле, что делает их меньше, быстрее, дешевле и надёжнее.  

• Микропроцессор — это мозг современного компьютера, объединяющий миллионы или миллиарды транзисторов на одном кристалле.  

• Интегральные схемы стали основой для создания микропроцессоров.  

• Процессор выполняет инструкции, хранящиеся в памяти.  

• Инструкции выполняют фундаментальные операции: доступ к памяти, арифметические и логические операции, отслеживание хода программы.  

• Основные компоненты процессора: арифметико-логическое устройство, устройство управления и регистры.  

• Регистры — это сверхбыстрая внутренняя память процессора, хранящая данные и адреса для текущей команды.  

• АЛУ выполняет математические и логические операции, получая значения и код операции.  

• Устройство управления управляет работой процессора.  

• Работа процессора состоит из цикла выборки, декодирования и исполнения инструкций.  

• Устройство управления считывает инструкцию из памяти и помещает её в регистр команд.  

• Декодер инструкций определяет тип операции: арифметическая, логическая, передача данных или переход.  

• CISC — архитектура со сложным набором инструкций, где каждая команда может выполнять несколько действий.  

• RISC — архитектура с упрощённым набором инструкций, где команды максимально простые и выполняют одно элементарное действие.  

• Обе архитектуры служат одной цели: быстрое и эффективное выполнение команд программы.  

• Конвейерная обработка позволяет процессору выполнять шаги цикла для разных инструкций одновременно.  

• Это значительно увеличивает общую производительность процессора.  

• Многоядерный процессор содержит несколько ядер, работающих параллельно.  

• Каждое ядро имеет свои АЛУ и регистры, что позволяет выполнять несколько задач одновременно.  

• Кэш-память — это быстрая память на кристалле процессора, хранящая копии данных из оперативной памяти.  

• Кэш-память разделена на иерархию уровней: первый уровень — самый быстрый, второй уровень — больше по объёму, но медленнее, третий уровень — самый большой и медленный, общий для всех ядер.  

• Инструкции процессора записаны в виде машинного кода — длинных последовательностей нулей и единиц.  

• Каждая комбинация имеет строго определённый смысл.  

• Пример 32-битной инструкции для процессоров ARM: поле условия позволяет процессору принимать решение о выполнении команды в зависимости от флагов состояния.  

• Определяет категорию команды: арифметика, работа с памятью, переход.  

• Код 001 указывает на команду обработки данных с непосредственным числом.  

• Биты с 24 по 21 определяют код операции, а биты с 11 по 0 — закодированное числовое значение.  

• Код 1101 означает операцию перемещения данных.  

• Бит 20 S-бит управляет обновлением флагов состояния процессора.  

• В нашей инструкции S-бит равен нулю, так как простое перемещение числа не меняет состояние флагов.  

• Биты с 19 по 16 указывают регистр источника, а биты с 15 по 12 — регистр назначения.  

• В инструкции регистр источника игнорируется, так как перемещаем число, а не содержимое регистра.  

• Операнд — число 4, которое будет перемещено в регистр R7.  

• Ассемблер упрощает написание программ на машинном коде, используя мемокоды.  

• Программа ассемблер переводит код ассемблера в машинный код.  

• Высокоуровневые языки программирования устраняют недостатки ассемблера.  

• Процессор и оперативная память энергозависимы, поэтому требуется вторичное хранилище.  

• Основные виды вторичного хранилища: жёсткие диски и твердотельные накопители.  

• Данные записываются и считываются с вращающихся магнитных пластин.  

• Плюсы: низкая цена за гигабайт, высокая ёмкость.  

• Минусы: низкая скорость, чувствительность к ударам, шум.  

• Данные хранятся в полупроводниковых ячейках памяти.  

• Плюсы: высокая скорость, бесшумность, устойчивость к вибрациям и ударам, низкое энергопотребление.  

• Минусы: более высокая цена за гигабайт, ограниченный ресурс ячеек.  

• Устройства ввода: мышь, клавиатура, микрофон.  

• Устройства вывода: монитор, динамики, принтер.  

• Вторичное хранилище также считается устройством ввода-вывода для процессора.  

• Шина — совокупность проводников для передачи сигналов между компонентами компьютера.  

• Три типа шин: шина данных, шина адреса, шина управления.  

• Системная шина обеспечивает взаимодействие процессора, памяти и устройств ввода-вывода.