Владстон Феррейра Фило - Теоретический минимум по Computer Science [Все что нужно программисту и разработчику]

А затем наша жажда вычислительной мощи стала просто неудержимой. Компьютерные программы быстро усложнялись и использовали все больше памяти. 4Гб ОЗУ оказалось слишком мало. И обращение к памяти большего объема с числовыми адресами, которые укладываются в 32-разрядные регистры, превратилась в непростой процесс. Это ознаменовало появление доминирующей сегодня 64-разрядной архитектуры. 64-разрядные процессоры могут оперировать в одной команде чрезвычайно большими числами. При этом 64-разрядные регистры хранят адреса в огромном пространстве памяти — 2 64байт, что составляет более 17 млрд гигабайт.

Прямой порядок байтов против обратного.Некоторые разработчики компьютеров посчитали, что в ОЗУ и ЦП целесообразно хранить числа слева направо (от младших разрядов к старшим), способом, известным как обратный порядок байтов . Другие предпочли записывать данные справа налево, способом, который называется прямым порядком байтов . Двоичная последовательность 1-0-0-0-0-0-1-1 может представлять разные числа в зависимости от порядка байтов:

• прямой порядок байтов: 2 7+ 2 1+ 2 0= 131;

• обратный порядок байтов: 2 0+ 2 6+ 2 7= 193.

Большинство ЦП сегодня имеют обратный порядок байтов, вместе с тем существует много компьютеров с прямым порядком. Если данные, сгенерированные ЦП с обратным порядком байтов, должны интерпретироваться процессором с прямым порядком, то необходимо принять меры, чтобы избежать несоответствия порядка байтов . Программисты, манипулирующие двоичными числами напрямую, в особенности во время разбора данных, выходящих из сетевых коммутаторов, должны об этом помнить. Несмотря на то что большинство компьютеров сегодня имеет обратный порядок байтов, интернет-трафик стандартизировал прямой порядок, потому что большинство ранних сетевых маршрутизаторов имели соответствующие ЦП. Данные с прямым порядком окажутся искажены, если их прочитать так, как если бы порядок в них был обратным, и наоборот.

Эмуляторы.Иногда бывает полезно на своем компьютере выполнить некоторый программный код, разработанный для другого ЦП. Это позволяет протестировать приложение для iPhone без iPhone или сыграть в вашу любимую старинную игру для Super Nintendo. Для этих задач существуют компоненты программного обеспечения, которые называются эмуляторами.

Эмулятор имитирует целевую машину: компьютер притворяется, что имеет тот же ЦП, ОЗУ и другие аппаратные средства. Команды декодируются программой эмулятора и выполняются в эмулированной машине. Как вы понимаете, очень сложно эмулировать одну машину внутри другой, когда у них разная архитектура. Но поскольку наши компьютеры намного быстрее старых, это стало возможным. Если вы раздобудете эмулятор Game Boy и позволите своему компьютеру создать виртуальную игровую приставку, то сможете играть в игры точно так же, как если бы вы играли на настоящем Game Boy.

Мы программируем компьютеры, чтобы они могли делать МРТ, распознавать речь, исследовать далекие планеты и выполнять много других сложных задач. Удивительно, но все, на что способен компьютер, в конечном счете осуществляется посредством простых команд ЦП, которые просто суммируют и сравнивают числа. Сложные приложения, например интернет-браузер, требуют миллионов или миллиардов таких машинных команд.

Но мы редко пишем программы непосредственно как команды ЦП. Человеку не под силу написать реалистичную трехмерную компьютерную игру подобным образом. Чтобы выражать свои предписания более естественным и компактным образом, люди создали языки программирования . Мы пишем программный код на этих языках [75] О языках программирования подробнее будет рассказано в следующей главе. , а затем используем программу, которая называется компилятором , для перевода наших предписаний в машинные команды, понятные процессору.

Чтобы объяснить, что делает компилятор, давайте представим простую математическую аналогию. Если мы хотим попросить кого-то вычислить факториал числа 5, мы можем задать вопрос:

5! =?

Однако если человек, которого мы спрашиваем, не знает, что такое факториал, то вопрос не будет иметь смысла. Нам придется его перефразировать, используя более простые операции:

5 × 4 × 3 × 2 × 1 =?

А вдруг человек, которого мы спрашиваем, умеет только суммировать? Нам придется упростить наше выражение еще больше:

5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5+

5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 + 5 =?

По мере того как мы переписываем наше вычисление во все более простой форме, требуется все больше операций. Так же обстоит дело и с машинным кодом. Компилятор переводит сложные предписания на языке программирования в эквивалентные команды ЦП. Задействуя мощные возможности внешних библиотек, мы выражаем сложные программы, состоящие из миллиардов команд ЦП, посредством относительно небольшого числа строк программного кода, которые понятны и легко изменяемы.

Алан Тьюринг, основоположник компьютерных вычислений, обнаружил, что простые машины способны вычислить все , что в принципе поддается вычислению. Чтобы обладать универсальными вычислительными возможностями, машина должна уметь выполнять программу, которая содержит команды:

• чтения и записи данных в памяти;

• условного ветвления (если адрес памяти имеет заданное значение, то перейти к другой точке в программе).

Машины, обладающие универсальными вычислительными возможностями, называются полными по Тьюрингу . Не имеет значения, насколько длинным или запутанным является вычисление, оно всегда может быть выражено с точки зрения простых команд чтения/записи и перехода. При достаточном количестве времени и памяти эти команды способны вычислять что угодно.

Недавно было показано, что команда ЦП под названием MOV («перемещение») является полной по Тьюрингу. Это значит, что ЦП, который выполняет только команду MOV, способен делать все то, что может полноценный ЦП. Другими словами, любой тип программного кода вполне реально выразить исключительно с помощью команды MOV [76] Можете взглянуть на компилятор, который превращает любой код на C в двоичный код лишь с одной машинной командой MOV: https://code.energy/mov . .

Важный вывод из этой новости состоит в том, что если программу можно записать на языке программирования, то ее можно переписать для выполнения на любой полной по Тьюрингу машине, какой бы простой та ни была. Компилятор — это волшебная программа, которая автоматически транслирует код из сложного языка в более простой.

Рис. 7.8 [77] Любезно предоставлено http://geek-and-poke.com .