Москва 2001 г тайный язык информатики Чарльз Петцольд ббк 32. 973. 26–018
жүктеу/скачать 3,29 Mb. Pdf көрінісі
|
Petcold Kod-Taynyy-yazyk-informatiki.535358
- Бұл бет үшін навигация:
- УДК 004 ББК 32.973.26–018
- ISBN 0–7356–1131–9 (Aнгл.) ISBN 5–7502–0159–7
- Глава 1 Верные друзья
| Москва 2001 г. тайный язык информатики Чарльз Петцольд
УДК 004 ББК 32.973.26–018 П33 Петцольд Ч. П33
Код. — М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001. — 512 с.: ил. ISBN 5–7502–0159–7 Эта книга — азбука компьютерных технологий. Шаг за ша- гом автор знакомит читателя с сущностью кодирования информа- ции, рассказывает об истории возникновения компьютеров, на практических примерах помогает освоить основные концепции ин- формационных технологий, подробно излагает принципы рабо- ты процессора и других устройств компьютера. Написанная живо, доступно, иногда иронично, книга богато иллюстрирована, состоит из 25 глав и предметного указателя. Издание адресовано в первую очередь студентам вузов (как гуманитарных, так и технических), а также всем, кто интересует- ся принципами создания и работы компьютеров. УДК 004 ББК 32.973.26–018 Подготовлено к печати по лицензионному договору с Microsoft Corporation, Редмонд, Вашингтон, США. Использованные в примерах и упражнениях названия компаний и продуктов, персо- нажи и события вымышлены, за исключением особо отмеченных случаев. Любые со- впадения с реальными компаниями, продуктами, людьми и событиями являются слу- чайными. Портреты Чарльза Бэббиджа, Джорджа Буля, Луи Брайля, Германа Холлерита, Сэмюэ- ля Морзе и Джона фон Неймана публикуются с разрешения Corbis Images и отредак- тированы для этой книги Джоэлем Пэнчотом (Joel Panchot). Обложка журнала Popular Electronics (январь 1975 г.) воспроизводится с разрешения Ziff-Davis и семьи Ziff. Все остальные иллюстрации подготовлены Джоэлем Пэнчотом. Macintosh является охраняемым товарным знаком корпорации Apple Computer. Microsoft, MS-DOS и Windows являются либо товарными знаками, либо охраняемыми товарными знаками корпорации Microsoft в США и/или других странах. Все другие то- варные знаки являются собственностью соответствующих фирм. ISBN 0–7356–1131–9 (Aнгл.) ISBN 5–7502–0159–7 © Оригинальное издание на английском языке Microsoft Corporation, 2000 © Перевод на русский язык, Microsoft Corporation, 2001 © Оформление и подготовка к изданию; издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001 Оглавление Предисловие ........................................................... VII Глава 1 Верные друзья ......................................... 1 Глава 2 Коды и комбинации ................................ 9 Глава 3 Брайль и двоичные коды ........................ 15 Глава 4 Анатомия фонарика .............................. 23 Глава 5 Там, за поворотом ................................. 35 Глава 6 Телеграф и реле ..................................... 45 Глава 7 Великолепная десятка ........................... 53 Глава 8 Альтернативы десяти ............................. 61 Глава 9 За битом бит ......................................... 77 Глава 10 Логика и переключатели ....................... 99 Глава 11 Вентили, которые не протекают ........... 119 Глава 12 Двоичный сумматор ............................. 153 Глава 13 А как же вычитание? .......................... 169 Глава 14 Обратная связь и триггеры ................... 185 Глава 15 Байты и шестнадцатеричные числа ....... 215 Глава 16 Сборка памяти .................................... 229 Глава 17 Автоматизация ................................... 249 Глава 18 От счетов к микросхемам .................... 289 Глава 19 Два классических микропроцессора ..... 321 Глава 20 ASCII — символы нашего времени ..... 357 Глава 21 Под шорох шин ................................... 377 Глава 22 Операционная система ........................ 403 Глава 23 Фиксированная точка, плавающая точка ................................. 423 Глава 24
Языки высокие и низкие ..................... 439 Глава 25
Графическая революция ....................... 459 Предметный указатель .......................................... 486 Предисловие Идея книги Код стучалась мне в голову в течение десятилетия, прежде чем я начал ее писать. И все то время, что я обдумывал книгу, писал и даже после того, как она была опубликована, люди спрашивали меня: «О чем эта книга?» На этот вопрос я всегда отвечал с неохотой. Мямлил что- то об «уникальном путешествии по истории цифровых тех- нологий, определивших облик нашего времени», надеясь, что этого будет достаточно. Но в конце концов мне пришлось признать: «Код — книга о том, как работают компьютеры». Как я и опасался, реакция оказалась неблагоприятной. «А-а, такая книга у меня уже есть», — говорили некоторые, а я сразу возражал: «Нет, нет, нет, вот как раз такой книги у вас и нет». И до сих пор считаю, что это верно. Код — это не просто описание действия компьютера. В ней нет больших цветных изображе- ний жестких дисков со стрелками, указывающими направление перемещения данных в компьютере. Нет рисунков, на которых локомотивы тащили бы вагоны, груженные нулями и единица- ми. Метафоры и сравнения, с одной стороны, украшают текст, а с другой — мешают постичь красоту технологии. Приходилось мне слышать и такое: «Народу нет дела до того, как работают компьютеры». И это, по-моему, тоже вер- но. Мне, например, доставляет удовольствие узнавать, как ра- ботает тот или иной прибор. Но при этом я предпочитаю вы- бирать, в чем я хочу разобраться, а в чем — нет. Мне, скажем, трудно без насилия над собой объяснить принцип действия холодильника. И все же люди часто задают вопросы, которые подтверж- дают их интерес к внутреннему устройству компьютера. Один из них: «В чем разница между оперативной и постоянной па- мятью?»
VIII Предисловие Это, без сомнения, очень важный вопрос. На подобных понятиях основан весь рынок персональных компьютеров. Предполагается, что даже новичок понимает, сколько мегов одной и гигов другой потребуется его программам. Считается также, что в самом начале знакомства с компьютером пользо- ватель постигает концепцию файла и представляет себе, как файлы загружаются из постоянной в оперативную память, а затем из оперативной записываются обратно в постоянную. На вопрос о постоянстве и оперативности часто отвечают, используя такую аналогию: «Считайте, что оперативная память — это ваш рабочий стол, а постоянная — шкаф с папками». И думают, что это прекрасное сравнение! Но я его таковым не считаю: создается впечатление, что архитектура компьютера срисована с обычной конторы. Правда же заключается в том, что различие между постоянной и оперативной памятью ис- кусственно и существует лишь потому, что нам до сих пор не удалось создать накопитель данных, который был бы одновре- менно быстрым, объемным и способным хранить информа- цию в течение долгого времени. То, что сегодня называется архитектурой Неймана — доминирующая компьютерная ар- хитектура в течение последних 50 лет, — прямое следствие этого технического несовершенства. Еще меня как-то спросили: «Почему программы для Macintosh нельзя запускать под Windows?» Я уже было открыл рот, чтобы ответить, но вдруг осознал, что ответ будет содер- жать гораздо больше технических подробностей, чем рассчи- тывает услышать спросивший. Я хочу, чтобы книга Код помогла вам разобраться в подоб- ных вещах, причем не абстрактно, а глубоко, практически на уровне инженера или программиста. Надеюсь также, что в ней компьютер предстанет перед вами как одно из наиболее выда- ющихся изобретений XX века и вы поймете, что он прекрасен сам по себе, даже без изысканных метафор и сравнений. Компьютер представляет собой иерархию, в основании которой лежат транзисторы, а на вершине — информация, отображаемая на мониторе. Переходы с одного уровня этой иерархии на следующий — а книга Код построена именно так — далеко не так тяжелы, как думает большинство. Конечно, действие современного компьютера состоит из бесчисленных IX Предисловие операций, но среди них множество простых или сходных меж- ду собой. Компьютеры наших дней сложнее тех, что появились 25 или 50 лет назад, но в основе своей они остались теми же. Вот почему изучать историю технологии так удобно: чем дальше вы уходите в прошлое, тем проще становится технология. Рано или поздно вы достигаете этапа, разобраться в котором уже не представляет особого труда. В книге Код я ушел настолько далеко в прошлое, насколько это было возможно. К своему удивлению, я обнаружил, что точка отсчета лежит в XIX столетии и я могу использовать для описания работы компьютера принципы устройства телеграф- ного оборудования. Все, что описано в первых 17-ти главах книги, можно построить, хотя бы теоретически, из простых электрических устройств, известных уже более 100 лет. Мне кажется, что обращение к античным технологиям при- дает этой книге этакий ностальгический аромат. Она не могла бы называться Быстрее и еще быстрее или, скажем, Бизнес со
лишь на 76-й странице, слово «байт» не встречается до 215-й. Транзисторы не упоминаются до 167-й страницы, да и там — лишь бегло. Вот почему читать эту книгу довольно легко, хотя работа компьютера разбирается в ней с глубочайшими подробностя- ми (много ли вы знаете книг, в которых действительно описы- валась бы суть работы процессора?). Я старался, чтобы глубина изложения не сделала путешествие менее комфортабельным. Но без локомотивов, которые тащат вагоны, груженные ну- лями и единицами.
X Предисловие code n 1. 1) кодекс, свод законов 2) законы, принципы (чести, мора- ли и т. п.) 2. 1) код; Morse ~ код /азбука/ Морзе; telegraphic ~ телеграф- ный код 2) шифр 3. биол. генетический код 4. вчт. программа (особ. прикладная) 5. ком. маркировка; шифр. индекс (продукта)… Новый большой англо-русский словарь (под общим руко- водством академика Ю.Д.Апресяна и доктора филологических наук, профессора Э.М. Медниковой). Издание 2-е, исправлен- ное. М.: «Русский язык», 1997.
Глава 1 Верные друзья Представьте себе, что вам 10 лет. Ваш лучший друг живет в доме напротив, так что окна ваших комнат смотрят друг на друга. Вечером, когда родители, как всегда, не вовремя отпра- вили вас в кровать, вам хочется посекретничать, обменяться мыслями, наблюдениями, новостями, мечтами или рассказать свежий анекдот. В этом нет ничего зазорного. В конце концов тяга к общению — одна из самых человеческих черт. Как же вам пообщаться? Может, по телефону? Но часто ли у 10-летнего ребенка в комнате стоит телефон? А если и есть, то разговор услышат в другой комнате. Компьютер, подклю- ченный к телефонной линии, позволяет обмениваться сооб- щениями бесшумно, но и он тоже стоит не в вашей комнате. Что у вас обоих есть наверняка, так это карманные фона- рики. Всем известно: фонарики изобретены для того, чтобы дети могли читать книжки под одеялом. Кроме того, это пре- красное средство для общения в темноте. Фонарик достаточ- но бесшумен, а его луч имеет определенное направление и не просачивается под дверь спальни, так что о разговоре с помо- щью фонарика ваше бдительное семейство не догадается. Но можно ли заставить фонарик говорить? Давайте попро- буем. В первом классе вы научились выводить на бумаге бук- вы и слова, теперь пришла пора поделиться этим знанием с фонариком. Все, что для этого нужно, — подойти к окну и рисовать буквы лучом света. Чтобы «написать» О, включите
2 Глава первая фонарик, обведите в воздухе круг, а затем выключите его. Буква Г рисуется так — включите фонарик и проведите им вверх и вбок. Впрочем, легко убедиться, что этот способ для общения не годится. Увидев, какие кренделя выписывает в воздухе луч фонарика вашего друга, вы поймете, что разобрать в мелька- нии света отдельные штрихи и буквы невозможно. Все эти све- товые росчерки недостаточно определенны. Вы наверняка видели в каком-нибудь фильме, как моряки на кораблях посылают друг другу сигналы с помощью мигаю- щих огней. А в другой картине шпион, покачивая зеркальцем, пускал солнечные зайчики в окно дома, где лежал связанным его коллега. Может быть, это выход? Начнем с самого просто- го, что приходит на ум. Обозначим каждую букву алфавита определенным числом вспышек: А будем обозначать одной вспышкой, Б — двумя, В — тремя и так до Я (33 вспышки). Например, чтобы передать слово «бег», нужно мигнуть фона- риком 2, 6 и 4 раза с небольшими паузами между буквами, что- бы друг не принял их за одну букву К (12 вспышек). Между словами паузы нужно еще увеличить. Это уже кое-что. По крайней мере не нужно размахивать фонариком: направляй луч в нужную сторону и щелкай кноп- кой. Правда, у этого способа есть и недостаток — чтобы пере- дать обычный для начала разговора вопрос «Как жизнь?», по- надобится целых 95 вспышек, даже если забыть о знаке вопро- са, для которого тоже нужно задать число вспышек. Но кажется, решение где-то рядом. Наверняка кто-то уже ломал голову над подобной проблемой, думаете вы, и вы аб- солютно правы. Наступает утро, вы идете в библиотеку и на- ходите там книги об удивительном изобретении, которое на- зывают азбукой Морзе. Это в точности то, что вам нужно, хотя теперь придется заново учиться писать все буквы. Вот в чем отличие азбуки Морзе от вашей системы. Вы по- ставили каждой букве в соответствие определенное число оди- наковых вспышек (от 1 для А до 33 для Я). В азбуке Морзе ис- пользуются вспышки двух типов — короткие и длинные. Это, конечно, усложняет ее, но с другой стороны делает куда более эффективной. С помощью азбуки Морзе фраза «Как жизнь?» кодируется всего 30 вспышками (как короткими, так и длин- ными), а не 95, причем с учетом знака вопроса. 3 Верные друзья Говоря об азбуке Морзе, обычно говорят не о коротких и длинных вспышках, а о точках и тире, поскольку с их помо- щью код удобно изображать на бумаге. Каждой букве алфави- та соответствует собственная последовательность точек и тире. A Б В Г Д Ж З И Й У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ,Ь К Л М Н О П Р С Т K L M N O P R S T U F H C Q X Y A B W G D E E V Z I J Ы Ю Я Хотя азбука Морзе не имеет к компьютерам абсолютно ни- какого отношения, тесное знакомство с концепцией кодирова- ния необходимо для постижения тайного языка и внутренней сути аппаратного и программного воплощений компьютера. В этой книге слово код обычно обозначает некую систему для обмена информацией между людьми и машинами. Иначе говоря, код — это средство коммуникации. И хотя коды иног- да ассоциируются с какой-то тайной, чаще их используют для других целей. В определенном смысле коды вообще составля- ют основу любого человеческого общения. В романе «Сто лет одиночества» Габриэль Гарсия Маркес вспоминает о временах, когда «мир был так юн, что вещи еще не обрели свои имена, и чтобы как-то обозначить их, нужно было указать на них пальцем». Обычно имена, которые мы даем вещам, кажутся произвольными. Непонятно, например, почему кошку не назвали собакой, а собаку — кошкой. Мож- но сказать, что обычный толковый словарь — это разновид- ность кода. Звуки, издаваемые при произнесении слова, — это код, по- нятный любому, кто способен услышать наш голос и понима- 4 Глава первая ет язык, на котором мы говорим. Мы называем этот код ре- чью. Для слов, изображаемых на бумаге (или на камне, или на дереве), существует другой код — в виде написанных или на- печатанных символов. Мы называем этот код письмом или тек- стом. Во многих языках между речью и письмом имеется стро- гое соответствие. В европейских языках, например, буквам или группам букв отвечают (в той или иной степени) определен- ные звуки. Для глухонемых разработан особый код — язык знаков, в котором движения рук обозначают буквы, целые слова и поня- тия. Для слепых письмо заменяется азбукой Брайля, в которой буквы, группы букв и целые слова закодированы наборами вы- пуклых точек. Когда устную речь нужно очень быстро перевес- ти в текст, применяют особый код — стенографию (скоропись). Для общения люди используют множество различных ко- дов, потому что одни коды иногда удобнее других. Например, устную речь нельзя сохранить на бумаге, поэтому вместо нее мы применяем письмо. Беззвучный обмен информацией на расстоянии и в темноте посредством речи или письма невозмо- жен, поэтому в ряде случаев удобной альтернативой им оказы- вается азбука Морзе. Код полезен, если выполняет задачу, с ко- торой в данных обстоятельствах не справляются другие коды. Как мы увидим ниже, в компьютерах также применяются различные типы кодов для хранения и передачи чисел, звуков, музыки, изображений и фильмов. Компьютер не может иметь дело с человеческими кодами напрямую — ведь у него нет глаз, ушей, рта и пальцев, столь необходимых людям при общении. Правда, в последнее время появилась тенденция учить персо- нальные компьютеры воспринимать, хранить, обрабатывать и воспроизводить все типы информации, применяемые в че- ловеческом общении: видимую (текст и изображения), слы- шимую (устная речь, звуки и музыка) или их сочетание (муль- типликация и кино). Каждый из этих видов информации тре- бует собственного кода подобно тому, как человеку нужны одни органы для речи (рот и уши) и другие (руки и глаза) — для письма. Даже таблица с расшифровкой азбуки Морзе сама по себе — тоже своеобразный код. Из нее видно, что каждая буква пред- ставлена набором точек и тире, однако в реальности мы не мо- жем посылать точки и тире, а потому заменяем их вспышками.
5 Верные друзья Чтобы передать точку азбуки Морзе с помощью фонари- ка, нужно очень быстро включить и выключить его (короткая вспышка). Для передачи тире фонарик остается включенным немного дольше (долгая вспышка). Например, чтобы передать букву А, надо включить фонарик и тут же выключить, а затем включить опять и выключить уже с меньшей поспешностью. Перед следующим символом нужно сделать паузу. Традици- онно тире длится примерно в три раза дольше точки. Если, скажем, для передачи точки фонарик горит секунду, то для передачи тире — три (в действительности, сообщения «мор- зянкой» передаются гораздо быстрее). Получатель, видя корот- кую вспышку, а за ней длинную, понимает, что это буква А. Паузы между точками и тире в азбуке Морзе имеют боль- шое значение. При передаче буквы А между точкой и тире фонарик следует выключить на время, примерно равное дли- тельности точки (если точка длится секунду, то промежуток между точками и тире также составляет одну секунду). Буквы одного слова разделяются более длинными паузами, равными примерно одному тире (например, трем секундам, если тако- ва длительность тире). В следующем примере показано слово «привет» с надлежащими паузами между буквами. Между словами фонарик остается выключенным на время примерно двух тире (6 секунд, если тире длится 3 секунды). Вот код для фразы «как жизнь». Продолжительность пауз между буквами и словами жест- ко не зафиксирована. Все определяется только длительностью точки, а она зависит от того, как быстро вы способны нажи- мать кнопку фонарика, а еще от того, как долго отправитель вспоминает код очередной буквы в азбуке Морзе. Тире опыт- ного «морзянщика» может длиться как точка медлительного. Это, конечно, может затруднить чтение сообщения на азбуке Морзе, однако после одной-двух букв получатель обычно при- норавливается различать точки и тире. Поначалу определение азбуки Морзе — а определением я называю соответствие между последовательностями точек и тире и буквами алфавита — кажется столь же произвольным,
6 Глава первая как расположение букв на клавиатуре пишущей машинки. Однако при ближайшем рассмотрении это оказывается совсем не так. Самые простые и короткие коды присвоены часто упот- ребляемым буквам, например, Е и Т, а у менее популярных букв, таких как Ш или Щ, коды подлиннее. Есть некий минимум азбуки Морзе, известный почти каж- дому человеку: 3 точки, 3 тире, 3 точки представляют собой международный сигнал бедствия — SOS. Это не сокращение, а просто легко запоминающаяся последовательность кодов. Еще один пример из жизни. Во время второй мировой войны радио BBC начинало некоторые передачи вступлением к Пя- той симфонии Бетховена — БА, БА, БА, БА-А-АМММ. Ком- позитор и не подозревал, что начинает симфонию кодом Морзе для буквы V (Victory, т. е. победа). Недостаток азбуки Морзе в том, что в ней не различаются прописные и строчные буквы. Зато в ней нашлось место циф- рам, зашифрованным наборами из пяти точек и тире. 1 2
4 5 6 7 8 9 0 В отличие от букв в этих кодах есть порядок. Знаки препи- нания зашифрованы пятью, шестью или даже семью точками и тире.
. , ? : ; - / " ' ( ) = + $ ¶ _ /
7 Верные друзья Есть еще специальные коды для букв с диакритическими знаками (вроде знака ударения) из некоторых европейских языков и несколько служебных последовательностей (начало передачи, готовность к приему, ошибка и пр.). К последним относится и код SOS — его передают без обычных пауз между буквами. Со временем вы обнаружите, что гораздо легче посылать «морзянку» с помощью специально приспособленного фона- рика. В нем, кроме обычного выключателя, есть кнопка с пру- жиной. Фонарик горит, пока она нажата. Немного попракти- ковавшись, можно добиться скорости передачи 5–10 слов в минуту — это, конечно, медленнее речи (мы произносим при- мерно 100 слов в минуту), но вполне приемлемо. Когда вы с другом вызубрите азбуку Морзе (а зубрежка — единственный способ стать специалистом по отправке и при- ему «морзянки»), то сможете даже говорить азбукой Морзе, произнося вместо точки то, а вместо тире — ти. Письмо сво- дится азбукой Морзе к двум символам (точке и тире), а уст- ную речь с ее помощью можно сократить до двух слогов. Ключевое слово здесь — два. Два вида вспышек, два слога, два чего угодно способны в соответствующих комбинациях передать любую информацию.
жүктеу/скачать 3,29 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|