Какая бывает память
Если хотите понимать, как работают компьютеры, полезно понимать, как устроена их память. Когда вам будут говорить, что «не хватает памяти», вы будете точно знать, какой именно памяти не хватает и что с этим делать.
Компьютер, телефон или любое умное устройство работает за счёт программ. Программы — это команды для процессора. Чтобы процессор знал, какую команду выполнить следующей, он должен иметь под рукой всю программу. Для этого программы сидят в оперативной памяти.
Оперативной память называется потому, что доступ к ней должен происходить очень быстро и в любом порядке. Представьте, что это ваш рабочий стол: вы на него сложите все приборы и бумаги, которые нужны для работы прямо сейчас.
Технически оперативная память — это микросхема или, по-другому, чип. Для пользователей она выглядит как чёрный прямоугольник, хотя сам этот прямоугольник — это лишь защитный корпус. Внутри под корпусом массивы из миллионов транзисторов.
Модуль оперативной памяти, которые вставляют в компьютеры. Чёрные прямоугольники (в том числе под наклейкой) — те самые чипы памяти. В каждом чипе — 512 МБ оперативной памяти.
Чем больше объём оперативной памяти, тем проще компьютеру запускать одновременно несколько программ. Если компьютеру не хватает оперативы, он либо об этом сообщает, либо начинает складировать часть оперативной памяти на диск, и тогда общая скорость работы снижается.
Особенность оперативной памяти в том, что данные в ней зависят от внешнего электричества. Если компьютер выключить, то всё содержимое оперативной памяти исчезнет. Поэтому компьютеру при включении требуется некоторое время, чтобы всё загрузить обратно и запустить все нужные программы.
Коротко о главном
С помощью компьютера можно создавать текстовые документы и хранить их на носителях внешней памяти в виде файлов.
Преимущества файлового хранения текстов: возможность редактирования, быстрого копирования на другие носители; возможность передачи текста по линиям компьютерной связи.
Каждый символ текста кодируется восьмиразрядным двоичным кодом. Для представления текстов в компьютере используется алфавит мощностью 256 символов.
В таблице кодировки каждому символу алфавита поставлен в соответствие порядковый номер и восьмиразрядный двоичный код. Международным стандартом является код АSСII — американский стандартный код для информационного обмена.
Иерархическая пирамида компьютерной памяти
С технической точки зрения, компьютерной памятью считается любой электронный накопитель. Быстрые накопители данных используются для временного хранения информации, которой следует быть «под рукой» у процессора. Если бы процессор вашего компьютера за любой нужной ему информацией обращался бы к жесткому диску, компьютер работал бы крайне медленно. Поэтому часть информации временно хранится в памяти, к которой процессор может получить доступ с более высокой скоростью.
Существует определенная иерархия компьютерной памяти. Место определенного вида памяти в ней означает ее «удаленность» от процессора. Чем «ближе» та или иная память к процессору, тем она, как правило, быстрее. Перед нами иерархическая пирамида компьютерной памяти, которая заслуживает подробного рассмотрения.
Вершиной пирамиды является регистр процессора.
За ним следует кеш-память первого (L1)
и второго уровня (L2)
Оперативная память делится на:
физическую и виртуальную
И кеш, и оперативная память являются временными хранилищами информации
Далее идут постоянные хранилища информации:
ПЗУ/BIOS; съемные диски; удаленные накопители (в локальной сети); жесткий диск
Подножие пирамиды образуют устройства ввода, к которым относятся:
клавиатура; мышь; подключаемые медиаустройства; сканер/камера/микрофон/видео; удаленные источники; другие источники
Процессор обращается к памяти в соответствии с ее местом в иерархии. Информация поступает с жесткого диска или устройства ввода (например, с клавиатуры) в оперативную память. Процессор сохраняет сегменты данных, к которой нужен быстрый доступ, в кеш-памяти. В регистре процессора содержатся специальные инструкции. К рассмотрению кеш-памяти и регистра процессора мы еще вернемся.
Алгоритм получения дополнительного кода отрицательного числа
Модуль отрицательного числа представить прямым кодом.
Значение всех бит инвертировать: все $ заменить на $1$, а $1$ на $ (кроме значения знакового разряда).
К младшему разряду полученного обратного кода прибавить единицу.
Получим $8$-разрядный дополнительный код числа $-30$:
$00011110 — число mid -30mid =30$ в прямом коде
$11100001 — число -30$ в обратном коде
$11100010 — число -30$ в дополнительном коде
Целые отрицательные числа при вводе в компьютер преобразуются в обратный или дополнительный двоичный код и в таком виде хранятся и принимают участие в операциях. При выводе их из компьютера происходит обратное преобразование в отрицательные десятичные числа.
Вопрос 20
Данный способов подключения к сети «Интернет» обеспечивает наибольшие возможности для доступа к информационным ресурсам:
Какой уровень иерархической модели сети, как правило, содержит сетевой трафик между компьютером и принтером, находящимися в одной сети?
Представление чисел в компьютере
Существует несколько вариантов для отображения чисел в ЭВМ, и зависят они от формата числа.
Представление целых чисел в ЭВМ
Для представления целых чисел, в вычислительных машинах существует несколько способов, которые используют 8,16, 24 или 32 разряда памяти (1, 2, 3 и 4 байта).
Первым способом является беззнаковое представление. С его помощью представляются только целые положительные величины, которые не участвуют в арифметических операциях и выступают в роли констант (дата, время и т.д.).
Чтобы представить число в беззнаковой форме необходимо перевести его в двоичную систему счисления и дополнить с начала нулями до нужной разрядности (дополняем до 1,2,3 или 4 байт).
Также следует отметить, что есть ограничения на количество чисел, которые можно представить в n разрядной ячейке. Для беззнаковых величин оно составляет ( 2^n ).
Пример: Перевести 54 в беззнаковый формат.
Находим представление 54 в бинарной системе счисления:
( 1) 54:2 = 27 | Остаток 0 )
( 2) 27:2 = 13 | Остаток 1 )
( 3) 13:2 = 6 | Остаток 1 )
( 4) 6:2 = 3 | Остаток 0 )
( 5) 3:2 = 1 | Остаток 1 )
Итого ( 54_ ) равняется ( 110110_ ).
Дополняем результат до одной из стандартных разрядностей (8 бит) = 00110110.
Ответ: 00110110.
Для представления чисел, которые участвуют в вычислительных операциях, используется представление со знаком. В такой форме записи старший разряд всегда отводится под знак (0 для положительных чисел и 1 для отрицательных).
В случае со знаковым представлением также существуют ограничения. Так как один разряд отводится под знак, то в n-разрядную ячейку можно записать ( (2^ -1) ) положительных и ( 2^ ) отрицательных значений.
Также следует отметить следующую особенность — все отрицательные значения в компьютере хранятся в обратном или дополнительном коде, а положительные в прямом.
Для того чтобы перевести число в обратный и дополнительный код вам надо:
- Взять его значение по модулю и перевести в двоичную систему счисления (получим прямой код).
- Все нули заменить на 1, а единицы на нули (получаем обратный код).
- Для получения дополнительного кода прибавляем к нулевому разряду единицу.
Пример: Перевести -54 в дополнительный код.
- Из предыдущего примера — 54 в бинарной системе и беззнаковой форме равняется 00110110.
- Для получения обратного кода меняем 0 на 1, а 1 на 0 — 11001001.
- Чтобы получить дополнительный код прибавляем в конец единицу — 11001001 + 00000001 = 11001010.
Почему же для хранения отрицательных чисел используют обратный или дополнительный код? Это позволяет изменить операцию вычитания на операцию сложения. В противном случае компьютеру бы каждый раз приходилось выяснять, где положительная величина, а где отрицательная и после этого сравнивать их модули, для определения конечного знака, что очень сильно усложняло бы весь алгоритм.
Представление вещественных чисел
Всего существует два способа для представления множества вещественных значений – естественная или экспоненциальная форма.
В жизни мы пользуемся естественной формой. Так число 42,6 мы можем записать несколькими способами. Например:
- ( 426*10^ ) ;
- ( 4,26*10^1 ) ;
- ( 42,6*10^0 ) .
В компьютере же используется экспоненциальная форма записи. Выглядит она так:
Здесь m – мантисса, которая представляет собой правильную дробь (в правильных дробях числитель меньше знаменателя).
q – система счисления, в которой представлено число.
P – порядок.
В ЭВМ отводится один разряд под знак мантиссы, один под знак порядка и различное число бит под саму мантиссу и порядок. Данный формат записи называется «С плавающей запятой».
Чем больше бит отводится под мантиссу, тем точнее представляемая величина, чем больше ячеек отводится под порядок, тем шире диапазон от наименьшего числа, до наибольшего числа, представляемого в компьютере при заданном формате.
Так как компьютерная память величина дискретная и конечная, то и множество вещественных чисел, с которым работает ЭВМ также конечно.
реклама
Итак, представим, что у нас есть первый компьютер, и мы хотим грамотно организовать хранение нашей информации. Первое, о чём следует позаботиться, это хранение паролей. Поскольку форумы, социальные сети, сетевые игры, электронная почта и Ютуб (если вы хотите сохранять историю просмотров и оставлять комментарии), требуют регистрации. Рассмотрим специальные программы для защиты Ваших паролей, причём они защищают их как от взлома, так и от случайной утери.
Например, есть приложения для смартфонов вроде программы «Сейф+» и ей подобных, которые надёжно зашифруют ваши логины и пароли. Можно также воспользоваться более простым способом, создать архив с паролем и хранить его на флешке в укромном месте. Пароли нужно хранить как минимум в двух экземплярах!
Также нам регулярно требуются сканы документов, их лучше хранить также в двух экземплярах, первый на смартфоне, в формате PDF или Jpeg (на карте памяти, на случай поломки смартфона или сдачи его в ремонт). Второй экземпляр на флешке или в облачном хранилище.
Понять
Информацию человек хранит в своей памяти. Обычно он помнит обо всём, что видел, слышал, чувствовал или испытывал.
Если бы у человека не было памяти, он не смог бы найти свой дом после прогулки, свои вещи в доме, приготовить пищу. Он не знал бы имён своих родителей и друзей и не помнил бы, что огонь не только греет, но и обжигает.
Хранение информации в памяти человека необходимо для обеспечения его жизнедеятельности и безопасности.
Уже в далёкой древности люди старались хранить информацию не только в своей памяти. Об этом свидетельствуют многочисленные археологические находки.
Эти древние документы говорят о том, что в далёком прошлом люди представляли и хранили закодированную информацию на носителе в основном в виде рисунков — рисуночного письма. Затем люди научились писать с помощью букв. Всё это создавалось для того, чтобы хранить полученную информацию.
Когда информация представлена в закодированном виде на носителе в виде записей, то говорят: на носителе хранятся текстовые данные.
Хранить информацию можно не только в виде текстовых данных, но и виде рисунков, картин, фотографий.
Рисунки и картины человек создает вручную — красками с помощью специальных кисточек и карандашами. В 19 веке был создан фотоаппарат.
Люди составляют фотоальбомы, в которых хранятся любимые фотографии.
Важную для себя информацию люди сохраняют в записных книжках, дневниках в виде текстовых данных.
В книгах, журналах, учебниках, справочниках информация хранится в виде текстовых и графических данных.
Про журнал, записную книжку, дневник или книгу можно сказать: это хранилища закодированной информации — данных.
Книги предназначены для длительного хранения данных. Книги хранятся в библиотеке. Разного вида данные (текстовые, числовые, графические, звуковые) хранятся на CD- и DVD-дисках в медиатеке.
Медиатека — это хранилище электронных книг, справочников, энциклопедий, компьютерных игр, обучающих программ.
Данные — закодированную информацию — люди хранят на разных носителях.
Для хранения данных используется память компьютера. Память компьютера бывает внутренняя и внешняя. Рассмотрим схему, на которой представлены разные виды компьютерной памяти.
ОЗУ — это оперативное запоминающее устройство. ПЗУ — это постоянное запоминающее устройство.
В оперативном запоминающем устройстве данные и программы пропадают при выключении компьютера. Это происходит потому, что ОЗУ — энергозависимая память. Это значит, что для работы ОЗУ требуется электричество от сети, аккумулятора или батарейки.
В постоянном запоминающем устройстве данные и программы не пропадают при выключении компьютера.
Внешний вид устройств внутренней памяти:
Во время работы компьютера программы и данные находятся в оперативной памяти, где данные обрабатываются. Программы и данные, которые находятся в ПЗУ, не меняются до тех пор, пока не попадут в ОЗУ.
Внешняя память — это специальные устройства: жёсткие диски, CD- и DVD-диски, флэш-память и другие, на которых программы и данные могут храниться, когда компьютер выключен.
Внешний вид устройств внешней памяти первых ЭВМ (в настоящее время они вышли из употребления):
Внешний вид устройств внешней памяти современных компьютеров:
Данные и программы в памяти компьютера хранятся в закодированном виде. Для этого используется двоичное кодирование. Принято говорить, что данные в памяти компьютера закодированы нулями и единицами.
Пример данных
Код в памяти компьютера
Процессор обрабатывает данные (нули и единицы) с помощью программ.
Компьютерные программы автоматически — без участия человека — обрабатывают те данные, которые хранятся в памяти компьютера.
С помощью специальных устройств (микрофона, сканера, фото- и видеокамеры, графического планшета и других) при наличии нужных программ можно ввести и хранить в памяти компьютера разные данные. Рассмотрим таблицу.
Устройства ввода данных
Устройства вывода данных
Мышь, сканер, графический планшет
Монитор, принтер, графопостроитель
Звуковые колонки, монитор (графическая визуализация)
В памяти современных компьютеров можно хранить и числа, и тексты, и изображения, и звуковые данные, и видеофильмы.
В компьютерной памяти информация хранится в закодированном виде — в виде данных.
Двойная точность
Поскольку все вычисления были расписаны и объяснены в предыдущем пункте, здесь мы расскажем всё очень коротко. Для чисел с двойной точностью обычно выделяется 11 разрядов для порядка и его знака, а также 53 разряда для мантиссы.
П = 1111111111 2 = 1023 10 .
М = 2 52 -1 = 2 (10*5.2) = 1000 5.2 = 10 15.6 . Округляем в большую сторону и получаем максимальное число Х = 2 1023 с точностью до «м».
Надеемся, информация про представление целых и вещественных чисел в компьютере, которую мы предоставили, пригодится вам в обучении и будет хоть немного понятнее, чем то, что обычно пишут в учебниках.
