Сколько будет занимать слово supercomputer хранящееся в памяти компьютера

Организация памяти

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

push operand
помещает операнд в стек

pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

Логический адрес —> Линейный (виртуальный)—> Физический

Все линейное адресное пространство разбито на сегменты. Адресное пространство каждого процесса имеет по крайней мере три сегмента:
Сегмент кода. (содержит команды из нашей программы, которые будут исполнятся.)
Сегмент данных. (Содержит данные, то бишь переменные)
Сегмент стека, про который я писал выше.

Линейный адрес вычисляется по формуле:

линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение

Сегмент кода

Базовый адрес сегмента кода берется из регистра CS. Значение смещения для сегмента кода берется из регистра EIP, в котором хранится адрес инструкции, после исполнения которой, значение EIP увеличивается на размер этой команды. Если команда занимает 4 байта, то значение EIP увеличивается на 4 байта и будет указывать уже на следующую инструкцию. Все это делается автоматически без участия программиста.
Сегментов кода может быть несколько в нашей памяти. В нашем случае он один.

Сегмент данных

Данные загружаются в регистры DS, ES, FS, GS
Это значит что сегментов данных может быть до 4х. На нашей картинке он один.
Смещение внутри сегмента данных задается как операнд команды. По дефолту используется сегмент на который указывает регистр DS. Для того чтобы войти в другой сегмент надо это непосредственно указать в команде префикса замены сегмента.

Сегмент стека

Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.

Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение

С помощью такой нехитрой операции процессор может обращаться по нужному адресу линейной памяти.
Рассмотрим другие биты дескриптора, очень важным является Segment Limit или предел, он имеет 20битное значение от 0-15 и 48-51 бит. Предел задает размер сегмента. Для сегментов данных и кода доступными являются все адреса, расположенные в интервале:

[база; база+предел)

В зависимости от 55 G-бита(гранулярити), предел может измеряться в байтах при нулевом значении бита и тогда максимальный предел составит 1 мб, или в значении 1, предел измеряется страницами, каждая из которых равна 4кб. и максимальный размер такого сегмента будет 4Гб.
Для сегмента стека предел будет в интервале:

(база+предел; вершина]

Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 — сегмент данных, только считывание
001 — сегмент данных, считывание и запись
010 — сегмент стека, только считывание
011 — сегмент стека, считывание и запись
100 — сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 — подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 — подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

Жёсткий магнитный диск

В оперативной памяти программы не могут храниться постоянно, потому что она энергозависимая. Для долгого хранения программ и данных используют жёсткие диски. Если оперативная память — это «рабочий стол», то жёсткий диск — «книжный шкаф».

Жёсткий диск хранит данные хоть во включённом, хоть в выключенном состоянии. Принцип действия простой: внутри корпуса установлены металлические диски, которые при работе очень быстро вращаются, а специальная магнитная головка считывает или записывает на них данные. Для этого она намагничивает всё содержимое диска по кругу, разделяя всё на мелкие радиусы, секторы и ячейки. Намагниченная область — это 1, а ненамагниченная — 0.

Принцип работы очень похож на то, как устроен виниловый проигрыватель с пластинками, только тут вместо иглы — маленький магнит, который может не только читать, но и записывать данные. Чтобы объём хранимых данных и скорость работы с ними была больше, в жёсткие диски ставят одновременно несколько пластин:

Жёсткий диск со снятой крышкой

Жёсткий диск со снятой крышкой. Видны 4 пластины, считывающая головка и большой мощный магнит в левом нижнем углу — он помогает намагничивать нужные участки.

Жёсткие диски считаются довольно долговечным способом хранения: однажды намагнитившись, диск может хранить заряд 5—10 лет. Но со временем из-за квантовых эффектов заряд теряется, поэтому для долговечности архивные жёсткие диски намагничивают заново каждые 3—5 лет.

Память

Как вам должно быть уже известно, минимальная единица измерения информации составляет 1 бит. Как мы уже выяснили, представление чисел в компьютере происходит в двоичном формате. Таким образом, каждый бит памяти будет занят одним значением – 1 или 0.

Для хранения больших чисел используются ячейки. Каждая такая единица содержит до 8 бит информации. Поэтому можно сделать вывод, что минимальное значение в каждом отрезке памяти может составлять 1 байт или быть восьмизначным двоичным числом.

Вопросы и задания

1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Используйте эти материалы при подготовке ответов на вопросы и выполнении заданий.

2. Как в памяти компьютера представляются целые положительные и отрицательные числа?

3. Любое целое число можно рассматривать как вещественное, но с нулевой дробной частью. Обоснуйте целесообразность наличия особых способов компьютерного представления целых чисел.

4. Представьте число 63₁₀ в беззнаковом 8-разрядном формате.

5. Найдите десятичные эквиваленты чисел по их прямым кодам, записанным в 8-разрядном формате со знаком:

а) 01001100;
б) 00010101.

6. Какие из чисел 443₈, 101010₂, 256₁₀ можно сохранить в 8-разрядном формате?

7. Запишите следующие числа в естественной форме:

а) 0,3800456 • 10 2 ;
б) 0,245 • 10 -3 ;
в) 1,256900Е+5;
г) 9,569120Е-3.

8. Запишите число 2010,0102₁₀ пятью различными способами в экспоненциальной форме.

9. Запишите следующие числа в экспоненциальной форме с нормализованной мантиссой — правильной дробью, имеющей после запятой цифру, отличную от нуля:

10. Изобразите схему, связывающую основные понятия, рассмотренные в данном параграфе.

Вопросы к тесту по информатике

Тест по информатике 7 класс

1. Paint. Чтобы «размножить» фрагмент, его необходимо перетащить. кнопкой мыши, удерживая нажатой клавишу…:
а) Правой, Ctrl
б) Правой, Shift
в) Левой, Alt
г) Левой, Ctrl
д) Левой, Shift

2. Paint. С помощью Палитры выбираются:
а) Основной цвет — левой кнопкой мыши. Дополнительный цвет — правой кнопкой мыши.
б) Дополнительный цвет — левой кнопкой мыши. Основной цвет — правой кнопкой мыши.

3. В графическом редакторе Paint можно отменить:
а) Три последних действия.
б) Одно последнее действие.
в) Любое действие.
г) сколько угодно действий.
д) Пять последних действий.

4. Какая клавиша включает числовую клавиатуру?
а) NumLock.
б) CapsLock.
в) Enter.
г) Insert.
д) Shift.

5. Электронное устройство для сопряжения различных компонентов компьютера:
а) Шина
б) Модем
в) Драйвер.
г) Системный блок.
д) ОЗУ.

6. «Папка содержит информацию о …хранящихся в…». Вместо многоточия вставьте соответствующие слова:
а) Программах, оперативной памяти.
б) Файлах, оперативной памяти.
в) Программах, внешней памяти.
г) Файлах, внешней памяти.
д) Программах, процессоре.

7. При работе в среде Microsoft Windows команда СОХРАНИТЬ применяется:
а) Для сохранения файла в оперативной памяти.
б) Для удаления файлов из оперативной памяти.
в) Всегда, когда надо сохранить файл на Дискете.
г) Для записи файла после его изменения с Существующим именем.
д) Для сохранения файла под новым именем или на другом носителе.

8. При работе в среде Microsoft Windows команда СОХРАНИТЬ КАК применяется:
а) Для сохранения файла в оперативной памяти.
б) Для удаления файлов из оперативной памяти.
в) Всегда, когда надо сохранить файл на дискете.
г) Для записи файла после его изменения с существующим именем.
д) Для сохранения файла под новым именем или на другом носителе.

9. При работе в среде Microsoft Windows команда КОПИРОВАТЬ из меню ПРАВКА:
а) Копирует выделенный фрагмент в буфер.
б) Копирует выделенный фрагмент в буфер и стирает его с экрана.
в) Копирует содержимое буфера на экран туда, где стоит курсор.
г) Записывает выделенный фрагмент в новый файл.
д) Создает вторую копию этого фрагмента на экране.

10. Hardware принято называть:
а) Программное обеспечение персонального компьютера.
б) Базовую конфигурацию вычислительной системы
в) Аппаратное обеспечение персонального компьютера.
г) Внешнюю архитектуру персонального компьютера.
д) Периферийные устройства персонального компьютера

Как работает процессор?

Нельзя говорить о памяти, не сказав пару слов о процессоре. Процессор и оперативной память довольно похожи, так как в обоих случаях используются логические устройства, которые могут принимать лишь два состояния. Однако процессор выполняет задачи, связанные с вычислениями. Для этого у него имеется устройство управления — именно на него поступают наши инструкции, арифметико-логическое устройство — оно отвечает за все арифметические операции (сложение, вычитание и так далее) и регистры.

Помимо оперативной памяти, в компьютере имеется кэш-память. Если вам интересна эта тема, можете изучить наш недавний материал.

Так как инструкции, поступающие на процессор, работают с данными из памяти, эти данные нужно где-то хранить. Брать их постоянно из оперативной памяти — слишком долго, поэтому в процессоре имеется своя память, представленная в виде нескольких регистров — она является самой быстрой памятью в компьютере.

Что такое регистр? Регистр в процессоре представлен в виде триггера, который может хранить 1 бит информации. Триггер — это один из множества логических элементов в микрочипах. Благодаря своей логике он способен хранить информацию. Вот так выглядит D-триггер:

Это D-триггер и он способен хранить информацию. Каждое простейшее логическое устройство, включая D-триггер, состоит из логических операций. На фото выше можно заметить знак «&» — это логическое И

Таблица истинности для логического «И»

Верхний переключатель «D» в D-триггере меняет значение бита, а нижний «C» включает или отключает его хранение. Вам наверняка интересно, как устроен этот «D-триггер». Подробнее работу триггеров вы можете изучить по видеоролику ниже:

Помимо D-триггера, существуют также RS-триггер, JK-триггер и другие. Этой теме посвящена не одна книга, можете изучить логические устройства микрочипов самостоятельно. Было бы неплохо углубиться еще и в тему квантовых процессоров, потому что очевидно, что будущее именно за ними.