Почему размер байта 8 бит. Машина Тьюринга. Принцип выполнения программы

• Автор делится своими вопросами о программировании, которые возникли у него много лет назад.  

• Он не получал вразумительных ответов на свои вопросы, что привело его к решению разобраться в этом самостоятельно.  

• Автор надеется, что его видео поможет зрителям понять основы работы компьютеров.  

• Автор долго работал над созданием видео, переписывая его множество раз.  

• Он надеется, что видео будет интересным и полным, и просит зрителей оставить комментарии, если что-то упущено.  

• Работа компьютера делится на два уровня: железный и модельный.  

• Видео будет рассматривать только модельный уровень, не затрагивая железный.  

• В начале 1940-х годов возникла необходимость в точных расчетах для артиллерии.  

• Первые двоичные компьютеры были созданы в середине 1940-х годов.  

• Эти компьютеры стали основой для современных машин.  

• Первые двоичные компьютеры, такие как EDVAC и ENIAC, были созданы в 1940-х годах.  

• Эти машины были идентичны современным компьютерам и заложили основы их работы.  

• Инструкция — это простейшее действие, которое может выполнить процессор.  

• Программа — это набор данных и инструкций, которые процессор выполняет.  

• Программа и данные измеряются количеством разрядов в их двоичном представлении.  

• Программа попадает в регистры процессора для выполнения.  

• Регистры — это самая быстрая и маленькая память в процессоре.  

• Размер регистров фиксирован и зависит от создателей процессора.  

• Разрядность процессора — это максимальное количество разрядов, над которыми процессор выполняет одну инструкцию.  

• Пример: процессор с регистрами на 5, 7 и 13 разрядов имеет разрядность 7.  

• Слово — это максимальное количество разрядов, над которыми процессор выполняет одну инструкцию.  

• Термин "слово" был введен в 1946 году при проектировании двоичного компьютера EDVAC.  

• Слово равно разрядности процессора и максимальному размеру регистра.  

• В каждой ячейке регистра хранится двоичная цифра.  

• Термин "бит" был предложен Джоном Тьюки в 1947 году.  

• Бит обозначает один разряд в двоичных данных.  

• Слово - это максимальное количество разрядов, обрабатываемых процессором за одну инструкцию.  

• Бит - это обозначение одного разряда в двоичных данных.  

• Размер слов и регистров теперь обозначается в битах.  

• Массив - это набор значений с уникальным индексом.  

• Доступ к элементам массива осуществляется по индексу.  

• Массив используется для организации данных в памяти компьютера.  

• Программа - это длинное двоичное число, хранящееся на внешнем источнике.  

• Процессор обрабатывает инструкции по одной за раз.  

• Программа начинается с инструкции, например, сложения.  

• Программа содержит инструкции для сложения и сохранения.  

• Процессор читает инструкции с ленты и выполняет действия.  

• Программа завершается инструкцией "стоп".  

• Процессор начинает с состояния ожидания и читает инструкцию с ленты.  

• Инструкция "сложить" включает действия по сложению чисел.  

• Процессор записывает результат в регистр и возвращается к инструкции "сложить".  

• Процессор выполняет инструкцию "сохранить" для записи результата на ленту.  

• Инструкция "сохранить" включает переход в состояние "сохранить" и запись результата.  

• Процесс повторяется для каждой инструкции программы.  

• Процессор записывает данные из регистра в пустую ячейку ленты.  

• Важно, чтобы следующая ячейка была пустой, иначе процессор перетрет инструкцию.  

• Процессор возвращается на шаг назад после выполнения инструкции.  

• Инструкция "стоп" переводит процессор в состояние остановки.  

• Программа не умеет складывать большие числа, но это можно исправить.  

• Программа работает аналогично современному компьютеру, но имеет ограничения.  

• Для создания полноценного компьютера нужна инструкция перехода "джамп".  

• Инструкция условного перехода "и" позволяет выполнять инструкции в зависимости от условия.  

• Циклы и вызовы функций реализуются через "джамп".  

• Пример цикла, выполняющегося до тех пор, пока число в регистре не станет равным нулю.  

• Код повторяется до тех пор, пока условие не станет истинным.  

• Важно правильно написать код для завершения цикла и перехода к другому коду.  

• Вызов функции использует "джамп" для перехода к другой части ленты.  

• Передача аргументов и возврат значений реализуются через "джамп".  

• Функции упрощают работу с кодом, используя несколько "джамп".  

• Абстрактный компьютер является реализацией машины Тьюринга.  

• Машина Тьюринга формализует понятие алгоритма.  

• Тьюринг создал машину для решения проблемы разрешимости математики.  

• Улучшение ленты для более удобного использования.  

• Программа и результаты работы хранятся в разных частях ленты.  

• Оптимизация позволяет создать устройство, называемое оперативной памятью.  

• Память компьютера делится на регистры и оперативную память.  

• Оперативная память является сложной многоуровневой системой.  

• Программисты работают с модельной абстракцией оперативной памяти.  

• Оперативная память работает как массив двоичных данных.  

• Каждая ячейка хранит одно слово данных.  

• Словесная адресация позволяет быстро получать данные из ячеек.  

• При словесной адресации каждая ячейка отдает все слово, а не отдельный бит.  

• Хранение одного бита требует 35 лишних бит при слове в 36 бит.  

• В прошлом использовалась словесно-битовая адресация, но это было дорого.  

• Размер оперативной памяти кратен степени двойки.  

• Процессор обращается к ячейкам по их адресу, который задается в регистре.  

• Регистры имеют размер, кратный степени двойки, что влияет на количество ячеек в памяти.  

• В сороковые годы был создан процессор с регистрами и маленькой быстрой памятью.  

• Появились термины "слово" и "бит".  

• Компьютеры были несовместимы и использовали разные размеры регистров.  

• В пятидесятые годы компьютеры начали решать гражданские задачи.  

• Появился термин "байт" для преобразования двоичных данных в читаемые символы.  

• Двоично-десятичный код использовался для задания десятичных чисел.  

• Двоично-десятичный код использует четыре бита на десятичную цифру.  

• Пример: число 247 в двоично-десятичном коде.  

• Преимущества и недостатки двоично-десятичного кода.  

• Набор символов сопоставляет двоичные числа с символами.  

• В 1950-х годах использовался набор символов ASCII.  

• Пример использования таблицы символов для буквы "с".  

• В 1956 году Вернер Бухгольц начал проектирование компьютера IBM 704.  

• Символ задавался частью слова, поэтому шесть бит назвали "байтом".  

• Проблемы использования шести бит для символа и десятичной цифры.  

• Вернер расширил байт до восьми бит для удобства и возможности задания 256 уникальных символов.  

• Размер байта мог быть любым от одного до восьми бит и задавался в коде.  

• Это упрощало работу с набором бит и позволяло группировать десятичные цифры.  

• В 1956 году Бухгольц предложил термин "байт" для компьютера IBM 7030.  

• Байт не был железной частью компьютера, а лишь термином для упрощения работы с битами.  

• Размер байта был выбран для хранения одной десятичной цифры и возможности расширения до 256 символов.  

• В 1960 году компьютеры стоили миллионы долларов и были несовместимы.  

• IBM решила создать совместимые машины, разделив их на слабые, средние и мощные.  

• Возникли проблемы с набором символов, который состоял из шести бит и не поддерживал строчные буквы.  

• В 1961 году Боб Бимер предложил стандарт ASCII для 256 символов, но он не был внедрен.  

• В 1963 году был утвержден стандарт ASCII для 128 символов, использующий семь из восьми бит.  

• IBM не смогла внедрить ASCII до 1981 года из-за неготовности своих машин.  

• IBM выбрала размер регистра для целых чисел равным 32 битам для работы с 4 миллиардами уникальных чисел.  

• Регистр на 64 бита был слишком большим для коммерческих вычислений.  

• Это решение сыграло роль в выборе размера байта.  

• Для быстрой обработки символов была создана новая оперативная память с байтовой адресацией.  

• Одна ячейка памяти хранила один символ, что упрощало работу процессора.  

• Это решение позволило избежать пустот в памяти и сделало одну ячейку равной одному байту.  

• Оперативная память стала хранить ячейки по одному байту, что упростило работу с данными.  

• Теперь можно было выяснить, сколько бит хранить в одном байте.  

• Это стало основой для дальнейшего развития компьютеров и стандартов символов.  

• IBM должна была учесть ограничения совместимости символов и регистров.  

• Бухгольц предложил использовать байт на восемь бит для совместимости с ASCII.  

• Размер байта не мог превышать 32 бита из-за ограничений регистров.  

• Размер ячейки мог быть от восьми до тридцати двух бит.  

• Для ячейки на восемь бит можно хранить 256 уникальных символов.  

• Для ячейки на тридцать два бита можно хранить 2 в 32 уникальных числа.  

• Ячейка на 32 бита требует в 3.75 раза больше памяти для одного символа.  

• Хранение чисел на 32 бита требует лишних действий процессора.  

• Процессор отбрасывает данные при чтении чисел на 32 бита.  

• Ячейки на 16 и 32 бита не подходят из-за проблем с хранением символов и чисел.  

• Ячейка на 8 бит требует четыре чтения для чисел на 32 бита, что неприемлемо.  

• IBM выбрала ячейку на 8 бит для символов и 32 бита для чисел.  

• Шестнадцатеричная система использует буквы от A до F для представления чисел.  

• Для процессора шестнадцатеричные числа и десятичные числа равны.  

• Шестнадцатеричная система удобна для описания байтов, так как каждый символ представляет 16 чисел.  

• Шестнадцатеричная система используется для упрощения записи и чтения двоичных чисел.  

• Двоичные числа с нулями в старших или младших битах легко запоминаются в шестнадцатеричной системе.  

• Шестнадцатеричная система помогает упростить восприятие двоичных чисел, но не десятичных.  

• Оперативная память имеет размер, кратный степени двойки, и использует байтовую адресацию.  

• Визуальное отображение оперативной памяти в виде таблицы упрощает восприятие.  

• Каждая строка таблицы представляет сегмент памяти, а каждая колонка — смещение ячейки.  

• Таблица позволяет легко находить ячейки и их реальные адреса.  

• Пример: ячейка 236 находится в 23-й строке 6-й колонки.  

• Мозгу не нужно выполнять сложные преобразования, достаточно игнорировать двоеточие.  

• Таблица не может отобразить все ячейки оперативной памяти, так как их количество не кратно десяти.  

• Для процессоров с разрядностью 8, 16, 32 и т.д. бит количество ячеек кратно 16.  

• Новая таблица использует 16 колонок для отображения всех ячеек.  

• Для упрощения восприятия адресов в новой таблице используются символы шестнадцатеричной системы.  

• Это позволяет легко преобразовывать десятичные числа в шестнадцатеричные и наоборот.  

• Основание шестнадцатеричной системы равно шестнадцати.  

• Числа, кратные шестнадцати, записываются в шестнадцатеричной системе.  

• Пример: 0 в десятичной системе равен 0 в шестнадцатеричной, 16 - 10, 32 - 20, и т.д.  

• Младший разряд всегда содержит ноль, так как сегменты расположены со смещением, равным шестнадцати.  

• Таблица представления оперативной памяти в шестнадцатеричной системе.  

• Пример поиска адреса ячейки в строке F и колонке A.  

• Адрес ячейки записывается в формате F0A, где F0 - сегмент, а A - смещение.  

• Шестнадцатеричное представление памяти позволяет мгновенно вычислить адрес ячейки.  

• Это облегчает программирование, так как не нужно переводить адрес в десятичную систему.  

• Каждая ячейка оперативной памяти содержит восемь бит, что хорошо записывается в шестнадцатеричной системе.  

• IBM 360 - семейство компьютеров, задавшее тон развитию вычислительной техники.  

• Характеристики: размер регистров 32 бита, размер ячейки оперативной памяти 8 бит, набор символов ASCII.  

• Совместимость слабых, средних и мощных машин.  

• В начале 1960-х компьютеры стоили миллионы долларов и были несовместимы.  

• IBM выпустила совместимые машины, ориентированные на работу с текстом.  

• Одна ячейка оперативной памяти равна одному символу, что стало минимальной единицей данных.  

• В 1970-х появились микропроцессоры, такие как Intel 8080 и 8086.  

• Микропроцессоры стали основой для современных процессоров.  

• Архитектура x86 стала стандартом для микропроцессоров.  

• В 1940-х годах компьютеры были созданы для военных целей.  

• В 1950-х IBM 7030 использовал термин байт в пределах от одного до восьми бит.  

• В 1960-х и 1970-х компьютеры стали маленькими и доступными для обычных людей.  

• Появилась совместимость между машинами IBM.  

• Размер байта стал равен восьми битам.  

• Оперативная память использует байтовую адресацию.  

• Регистры становятся кратными степени двойки.  

• Популярность шестнадцатеричной системы исчисления.  

• В 1970-х годах создаются машины, совместимые с System/360.  

• Один символ равен одному байту и восьми битам.  

• Появляется микропроцессор Intel с архитектурой x86.  

• В 1981 году IBM выпускает компьютер BPC с использованием ASCII.  

• Начинается стандартизация наборов символов в компьютерах.  

• Производители расширяют стандарт ASCII под свои нужды.  

• В 1985 году Intel выпускает процессор 80386 с разрядностью 32 бита.  

• В 2003 году AMD выпускает процессор Athlon с разрядностью 64 бита.  

• Разрядность процессора — это максимальное количество разрядов, над которыми процессор выполняет одну инструкцию.  

• Регистр — это самая быстрая и маленькая память в процессоре.  

• Разрядность процессора равна максимальному размеру регистра.  

• Термины бит, байт и слово обозначают количество разрядов в двоичном числе.  

• Бит содержит один разряд и является абстракцией наличия тока.  

• Байт содержит восемь разрядов и является минимальной единицей данных.  

• Слово содержит n разрядов и показывает количество бит, обрабатываемых процессором за одну инструкцию.  

• Размер оперативной памяти определяется разрядностью процессора.  

• При разрядности n бит максимальное количество байт в оперативной памяти равно 2^n.  

• При размере регистра, кратном степени двойки, арифметические операции выполняются быстрее.  

• Оперативная память имеет байтовую адресацию, где одна ячейка хранит один байт, равный восьми битам.  

• В 1970-х годах появились микропроцессоры, которые были в тысячу раз меньше обычных процессоров.  

• Размер регистров и разрядность микропроцессоров увеличивались: 8 бит в 1972 году, 16 бит в 1978 году, 32 бита в 1985 году и 64 бита в 2003 году.  

• Завершение модуля с разбором размеров данных для байта и оперативной памяти.  

• Переход к рассмотрению современных языков и процессоров.