Основы информационных технологий для неспециалистов: что происходит внутри машин

Как правило, ОЗУ энергозависимо, то есть содержимое памяти исчезает при отключении электричества, и вся активная в данный момент информация теряется. Вот почему разумно сохранять свою работу почаще, особенно на настольном компьютере, чтобы не навлечь на себя истинное бедствие, случайно выдернув шнур питания.

Ваш компьютер имеет фиксированный объем оперативной памяти. Ее емкость измеряется в байтах. Один байт — это минимальный объем памяти, которого достаточно для хранения одного символа вроде W или или короткого числа, такого как 42, или фрагмента более крупного значения. В главе 2 будет показано, в какой форме информация хранится в памяти и других частях компьютера, поскольку это один из фундаментальных вопросов вычислительной техники. Но пока вы можете представить себе память как громадный набор одинаковых маленьких коробочек, пронумерованных до нескольких миллиардов. Каждая из них содержит в себе небольшое количество информации.

Что такое емкость? В ноутбуке, на котором я сейчас печатаю, емкость оперативной памяти составляет 8 миллиардов байт, или 8 гигабайт (8 Гб), чего, возможно, слишком мало. Причина в том, что для ускорения вычислений обычно требуется увеличение объема памяти, поскольку ее никогда не хватает на все программы, которые одновременно хотят ее использовать, и требуется время, чтобы извлечь из нее части неактивной программы, освобождая место для чего-то нового. Если вы хотите, чтобы ваш компьютер работал быстрее, то, скорее всего, лучший вариант – купить больше «оперативки». По крайней мере, если предусмотрена возможность расширения памяти, что бывает не всегда.

1.1.3. Внешняя память

Оперативная память обладает большой, но ограниченной емкостью для хранения информации, и ее содержимое исчезает при отключении питания. Внешняя память не теряет размещенные в ней данные, даже когда электричество отключается. Существует два основных вида внешней памяти: более старый – жесткий (магнитный) диск, или накопитель на жестком диске (HDD), и более современное устройство – твердотельный диск, или SSD. Оба вида накопителей гораздо объемнее, чем оперативная память, и они не энергозависимы, то есть информация на любом диске не сотрется, даже если пропадет электропитание. Данные, инструкции и все остальное содержатся во внешней памяти в течение длительного времени и лишь ненадолго переносятся в оперативную память.

Жесткий диск хранит информацию, задавая направление намагничивания крохотных участков магнитного материала на вращающихся металлических поверхностях. Данные содержатся на концентрических дорожках, которые записываются и считываются датчиком, перемещающимся с дорожки на дорожку. Жужжание и щелчки, которые вы слышите при работе старого компьютера, издает диск, перемещая датчик в нужные места на поверхности. Поверхность диска вращается с огромной скоростью, как минимум 5400 оборотов в минуту. На изображении стандартного диска ноутбука (рис. 1.3) показаны поверхность и датчик. Диаметр тарелки жесткого диска составляет 6,35 см (2,5 дюйма).

Хранение одного байта на диске примерно в 100 раз дешевле, чем на ОЗУ, но при этом доступ к информации происходит медленнее. Дисководу требуется примерно 10 миллисекунд, чтобы добраться до определенной дорожки на поверхности, и скорость передачи данных составляет около 100 Мб/с.

Рис. 1.3. Внутренняя структура жесткого диска

Десять лет назад почти во всех ноутбуках стояли магнитные жесткие диски. Сегодня почти все снабжены SSD-накопителями, которые используют не вращающееся оборудование, а флеш-память. Она энергонезависима, поскольку информация содержится в ее схемах в виде электрических зарядов. Даже при отключении питания они не исчезают из индивидуальных элементов схемы. Сохраненные заряды можно считывать для определения того, какое значение они отображают, а также стирать и перезаписывать с новым значением. Флеш-память работает быстрее, легче, надежнее, не выходит из строя при падении и требует меньше энергии, чем обычный дисковый накопитель, поэтому ее применяют в сотовых телефонах, камерах и других устройствах. Цена за байт пока что выше, чем у HDD, но снижается. Преимущества SSD-накопителей настолько убедительны, что они в значительной степени вытеснили механические диски в ноутбуках.

Обычный SSD для ноутбука вмещает от 250 до 500 Гб. Различные внешние диски, которые можно подключить к разъему USB, имеют емкость до нескольких терабайт (Тб), и они по-прежнему основываются на вращающихся механизмах. «Тера» означает триллион, или 10¹², и это еще одно обозначение, с которым вы будете часто сталкиваться.

Кстати, насколько велик терабайт или гигабайт? Один байт хранит один буквенный знак стандартного английского алфавита. Роман «Гордость и предубеждение» объемом около 250 бумажных страниц содержит 680 000 знаков, и тогда 1 Гб может хранить около 1500 копий этого произведения²¹. Впрочем, мне бы вполне хватило одной копии, а на свободное место я записал бы какую-нибудь музыку. Одна минута музыки в формате MP3 занимает около 1 Мб. Значит, если я запишу МР3-версию одного из моих любимых звуковых компакт-дисков The Jane Austen Songbook объемом около 60 Мб, то в одном гигабайте памяти хватит места еще для 15 часов музыки. Сериал «Гордость и предубеждение» 1995 года (производство ВВС, в главных ролях Дженнифер Эль и Колин Фёрт) на двух DVD занимает менее 10 Гб, поэтому я могу сохранить на одном терабайте его и еще сотню подобных фильмов.

На примере дискового накопителя очень удобно объяснять различия между логической структурой и физической реализацией. Программы вроде File Explorer («Проводник») для Windows или Finder для macOS отображают содержимое диска в виде иерархии папок и файлов. Но хранить сами данные можно на вращающемся оборудовании, в интегральных схемах без подвижных частей или на чем-то совершенно другом. Тип накопителя на компьютере не имеет значения. Аппаратное обеспечение в виде диска и программное обеспечение в рамках ОС, называемое файловой системой, работают вместе, создавая организационную структуру. Мы вернемся к этой теме в главе 6.

Такая логическая организация настолько хорошо подходит людям (или, возможно, мы уже так сильно к ней привыкли), что ее применяют и в других устройствах, даже если там она реализуется совершенно иными аппаратными средствами. Например, программа, которая обеспечивает доступ к информации на CD или DVD, создает впечатление, что данные хранятся в файловой иерархии, независимо от того, как они располагаются физически. То же самое относится к USB-устройствам, камерам и другим гаджетам, где используются карты памяти. И даже почтенная дискета, ныне полностью вышедшая из употребления, на логическом уровне устроена аналогично. Это хороший пример абстракции, встречающейся повсюду в компьютерных системах. Согласно этой идее, детали физической реализации нужно скрывать. В случае файловой системы, независимо от того, какие технологии задействованы, данные представляются пользователю в виде иерархии файлов и папок.

1.1.4. Другие устройства

Существует множество прочих устройств со специальными функциями. Мышки, клавиатуры, сенсорные экраны, микрофоны, камеры и сканеры дают людям возможность вводить данные. Дисплеи, принтеры и динамики выводят информацию. Сетевые компоненты вроде Wi-Fi и Bluetooth обеспечивают взаимодействие с другими вычислительными устройствами. Различные вспомогательные технологии содействуют пользователям со зрительными, слуховыми или другими ограничениями.

На схеме архитектуры (рис. 1.2) все такие устройства и системы соединены одним набором проводов, называемых шиной, – данный термин заимствован из электротехники. На самом деле внутри компьютера находится много шин, свойства которых зависят от их функций: короткие, быстрые и дорогие соединяют память с процессором, а длинные и медленные, но дешевые, ведут к разъему для наушников. Некоторые из них имеют выход наружу – например, вездесущая универсальная последовательная шина, или USB, которая используется для подключения устройств к компьютеру.

Сейчас мы не станем уделять много времени другим приспособлениям, но иногда я буду их упоминать в том или ином контексте. А пока попробуйте вспомнить все устройства, которые сопутствуют вашему вычислительному устройству или подключены к нему: мыши, клавиатуры, тачпады и сенсорные экраны, дисплеи, принтеры, сканеры, игровые контроллеры, наушники, динамики, микрофоны, камеры, телефоны, датчики отпечатков пальцев, каналы связи с другими компьютерами. Список можно продолжать. Все они эволюционировали так же, как процессор, память и дисковые накопители: быстро менялись физические свойства, обычно в сторону расширения возможностей и увеличения компактности при снижающейся стоимости.

Также стоит отметить, что все эти устройства объединяются. Сотовые телефоны теперь служат часами, калькуляторами, фото- и видеокамерами, проигрывателями музыки и видео, игровыми приставками, считывателями штрих-кодов, навигаторами и даже фонариками.

Смартфон имеет ту же абстрактную архитектуру, что и ноутбук, хотя и с существенными отличиями в реализации из-за ограничений по размеру и мощности. В телефонах нет жестких дисков, которые показаны на рис. 1.3, но у них есть флеш-память для хранения информации (списков контактов, изображений, приложений и тому подобного), когда телефон выключен. К ним можно присоединить не так много внешних устройств, но в них обычно есть гнездо для наушников и USB-разъем. Крошечные камеры настолько дешевы, что большинство телефонов имеют по одной с каждой стороны. Планшеты, такие как iPad и его конкуренты, занимают другую нишу в пространстве возможностей, но и они – вычислительные машины с такой же общей архитектурой и схожими компонентами.