Компьютеры знают, что делать с 1 и 0: как так?

Вот как компьютеры узнают, что делать с 1 и 0:

Современный компьютер — это невероятно сложное устройство, которое на самом деле работает по нескольким простым принципам.

Данные хранятся в виде двоичных сигналов, которые обычно представляют собой наличие или отсутствие электрического тока.

Затем эти сигналы проходят через бесчисленное множество логических вентилей.

Этот процесс и есть то, как работают компьютеры.

Итак, если вы хотите узнать все о том, как компьютер точно обрабатывает единицы и нули, то эта статья для вас.

Давайте начнем!

Что такое 1 и 0 в компьютерах? (3 концепции)

Чтобы узнать, как компьютер управляет единицами и нулями, нам, вероятно, следует начать с более простого.

Что такое 1 и 0?

Вы, наверное, понимаете, что значит быть двоичным, но как компьютер вообще работает с 1 и 0?

Как он хранит или считывает эту информацию в первую очередь?

Мы должны осветить это, прежде чем механика обработки действительно будет иметь какой-то смысл.

№1 Магниты

Позвольте мне начать с того, что магнитное хранение и вычисления стали гораздо менее распространенными, чем раньше.

Вы все еще можете найти магнитные жесткие диски, в которых используются эти концепции, но они скоро исчезнут.

Тем не менее, магнитные вычисления обычно намного легче понять.

Сначала изучив эти концепции, мы можем построить основу для понимания.

Позже, когда я проведу вас по современным системам, вы поймете бинарные аспекты; он просто будет применяться через различные технологические механизмы.

Имея это в виду, давайте углубимся.

# 2 Как работает магнитная память

Надеюсь, вы знаете, что магниты имеют два полюса: северный и южный.

Если вы поднесете два магнита близко друг к другу, одинаковые полюса будут отталкиваться, а противоположные притягиваться.

Итак, если вы попытаетесь столкнуть северную сторону двух разных магнитов вместе, усилие будет накапливаться, и один из магнитов перевернется.

Магнитные единицы и нули используют это соотношение.

Я должен упростить это, чтобы уместить это в таком коротком объяснении, но вот суть того, как это работает.

Хранилище данных представляет собой ряд магнитов, расположенных по порядку.

Либо северная сторона будет обращена наружу (представляя 1), либо южная сторона будет обращена наружу (представляя 0).

Технически, вы можете поменять местами и сделать юг 1 и север 0.

Это не имеет большого значения, если вы последовательны.

Итак, чтобы хранить данные, вы просто ставите кучу магнитов в ряд.

Расположение 1 и 0 может представлять все, что вы хотите.

Вот как двоичная информация хранится в магнитной системе, и если вы хотите глубже понять, как работает двоичная система, это хорошее место для начала (но все становится очень сложно, когда вы копаетесь глубже).

# 3 Чтение и запись головок

Мы только на полпути к первой концепции.

Понятно, что магниты могут представлять единицы и нули, но как на самом деле хранить или считывать информацию с магнитного диска?

Это сводится к голове чтения и записи.

Любители физики уже знают, что магнитное поле может индуцировать ток в проводнике.

Если вы не знакомы с этим, вы можете поверить мне на слово, или вы можете пойти в обход, чтобы узнать больше о магнитная индукция.

Поскольку магниты могут индуцировать ток (и наоборот), в магнитном накопителе используется электрическая головка чтения и записи.

По сути, это петля-проводник, проходящая над каждым магнитом в накопителе (у современных накопителей эти компоненты имеют нанометровый размер).

Таким образом, если считывающая головка проходит над обращенным на север магнитом (1), то это индуцирует ток в считывающей головке, и система может распознать этот ток как 1.

Если голова проходит над обращенным на юг магнитом (0), она индуцирует ток в противоположном направлении, поэтому система может распознать 0.

Но как заставить магниты отражать 1 или 0?

Для этого есть головка записи (которая в современных системах совмещена с головкой чтения).

Пишущая головка приближается к одному из магнитов в системе.

Затем он будет проталкивать ток, чтобы индуцировать магнитное поле.

Направление тока определяет, направлено ли магнитное поле на север или юг.

Используя это, записывающая головка может переворачивать магниты в запоминающем устройстве по мере необходимости, располагая их в соответствующей конфигурации 1 и 0 в соответствии с инструкциями компьютера.

А как насчет твердотельных накопителей в компьютерах?

Мы уже довольно глубоко, и осталось несколько больших концепций.

Сделайте вдох, если вам нужно.

Возьмите немного воды.

Когда вы вернетесь к этому, мы возьмем концепцию магнитного накопителя и посмотрим, что изменится в современных твердотельных системах.

По сути, твердотельные устройства заменяют магниты электронными схемами.

Вместо того, чтобы хранить северное или южное магнитное поле, устройство накапливает заряд внутри цепи.

Это стало возможным благодаря удивительной технологии транзисторов (подробнее о них здесь).

Транзисторы хранения присоединены к разным типам транзисторов, которые затем проверяют ток.

Если проверяющий транзистор (транзистор чтения/записи) видит валюту, это 1.

Если он не видит ток, это 0.

По сути, философия конструкции точно такая же, как у магнитного привода.

Достаточно сложные строки из 1 и 0 могут представлять все, что вы хотите.

Как хранятся 1 и 0?

Это все еще не объясняет, как на самом деле хранятся 1 и 0.

Этот механизм стал возможен благодаря тому, что называется транзистором с плавающим затвором.

Это другой тип транзистора, и он особенный.

Вы можете подать ток на один из этих транзисторов, и он создаст заряд.

Затем можно закрыть затвор транзистора (отсечь ток), а заряд останется.

Итак, твердотельные накопители заменяют магниты транзисторами, которые могут бесконечно хранить заряд.

Когда затвор открыт, заряд этого транзистора может индуцировать ток в системе чтения/записи (которая состоит из различных типов транзисторов).

Таким образом, если на накопительном транзисторе есть заряд, при проверке системой наличие этого заряда создаст ток, который считывается как 1.

Если в транзисторе нет накопленного заряда, то он не будет создавать ток, и это читается как 0.

Как компьютер обрабатывает 1 и 0? (3 темы)

Ты все еще со мной?

Это хорошо, потому что вы изучили основы того, как компьютеры хранят и считывают информацию.

Это все в единицах и нулях, но теперь вы знаете физическую механику, стоящую за всем этим.

Следующая задача по-прежнему сложная и глубокая.

Теперь нам нужно понять, как компьютер на самом деле использует 1 и 0.

Замечательно, что мы можем связать их кучу вместе, но вещи, которые делает компьютер, действительно сложны.

Как он сортирует всю эту информацию, а тем более вычисляет что-то полезное?

Чтобы понять это, мы должны рассмотреть две темы.

Во-первых, нам нужно больше поговорить о транзисторах и о том, как они делают все возможное.

Затем мы перейдем к логическим элементам и тому, как они на самом деле управляют компьютером.

#1 Транзисторы

Мы снова возвращаемся к транзисторам.

Как вы знаете, твердотельные накопители используют их для хранения сигналов, но на самом деле они крадут концепции из компьютерной памяти и центрального процессора.

Правда в том, что транзисторы произвели революцию в этих устройствах задолго до того, как они стали использоваться для хранения фотографий, которые вы делаете на своем смартфоне.

Вам действительно не нужно знать, как работает транзистор, чтобы понять это.

Вместо этого вам нужно знать, что транзистор можно использовать в качестве привратника.

Вы можете построить транзисторы, которые будут блокировать ток или пропускать его в зависимости от условий (которые будут объяснены в следующем разделе).

Вы также можете сделать транзисторы очень и очень маленькими.

Современные процессорные транзисторы имеют размер нанометров.

Таким образом, вы можете поместить тонну транзисторов в цепь, каждый из которых блокирует или пропускает ток в соответствии с предписаниями, чтобы создать невероятно сложную компьютерную систему.

Еще немного о транзисторах.

Они также регулируются, поэтому вы можете изменить работу некоторых транзисторов в системе, не удаляя и не вставляя их физически.

Это ключ к тому, что делает компьютер программируемым.

#2 Логические ворота

Я сказал, что транзисторы можно использовать в качестве привратников, но что действительно важно, так это применение логических вентилей.

Итак, логические вентили — это физические вещи в вашем компьютере, но на самом деле мы сосредоточимся на них больше как на нематериальной концепции.

Это звучит странно.

Я хочу сосредоточиться на теории, лежащей в основе логических вентилей, прежде чем углубляться в механику их физического действия.

Суть в том, что вы можете организовать цепь так, что путь тока через нее будет меняться в зависимости от условий.

Чтобы не усложнять задачу, вы задаете условия для схемы, и независимо от того, проходит ли сигнал через эту точку, создается новая 1 или 0, а новая 1 или 0 несет в себе значение, отличное от того, что было раньше. это.

Это трансформационный процесс, который мы называем «вычислениями».

И именно логические элементы определяют условия.

Например, у вас может быть ворота «и».

Это схема с двумя входами и одним выходом.

Ворота будут закрыты, блокируя поток цепи к выходу.

Единственный способ опустить затвор — подать ток на оба входа одновременно.

Возвращаясь к тому, как работают единицы и нули, этим воротам потребуется две единицы, чтобы открыться.

Вам нужно 1 в каждой точке ввода.

Если вы выполняете это условие, ворота открываются, и через них проходит ток.

Итак, следующая часть компьютерной схемы будет знать, что у вас было две единицы вместе, если она получит какой-либо сигнал от этого «и» вентиля.

Это очень конкретный пример, и существует множество различных типов ворот.

Основные ворота охватывают идеи, известные как и, или, xor, не, nand, ни и xnor.

Я бегу через эту часть, потому что на самом деле вам не нужно знать всю логику в компьютере, чтобы понять предпосылку.

Что вам действительно нужно знать, так это то, что вы можете расположить столько вентилей, сколько хотите, в любой конфигурации, и именно здесь происходит «мышление» компьютера.

В конечном счете, каждые ворота дают 1 или 0, но в зависимости от того, сколько ворот было до них, эти 1 или 0 на самом деле могут содержать много информации.

Если собрать достаточное количество ворот вместе, можно получить нечто столь же сложное и мощное, как компьютер.

Опять же, это зависит от впечатляющей технологии транзисторов.

Поскольку они такие маленькие, вы можете собрать миллиарды их вместе, создав машину, способную обрабатывать очень сложные наборы инструкций.

# 3 Финальная часть

Вы помните, когда я сказал, что вы можете изменить то, как транзистор реагирует на вещи, не добавляя его физически или не удаляя из компьютера?

Это называется быть программируемым.

Это концептуально глубоко и механически просто, поэтому давайте сосредоточимся на более простой части.

А программируемый транзистор внутри есть ворота.

Этот затвор может быть перевернут в одну или другую сторону, в зависимости от тока, протекающего через него.

Итак, компьютер может намеренно переключать затворы в определенных транзисторах.

Это позволяет установленным транзисторам фактически переключаться с одного типа логического элемента на другой.

Многие транзисторы в компьютере имеют эту функцию, так что это фактически позволяет вам изменять внутреннюю логику компьютера на лету.

Это последний компонент того, как программирование работает на компьютере.

Как компьютер понимает 1 и 0?

Попробуем собрать все это воедино.

Компьютер работает, пропуская 1 и 0 (которые либо присутствуют, либо отсутствуют электрические сигналы) через множество логических вентилей.

Выход этих ворот имеет какое-то значение.

Это делается миллиарды раз в секунду, и именно поэтому у вас могут быть очень сложные компьютеры.

Помещая это в контекст, давайте подумаем о том, как компьютер позволил мне написать все это.

Когда я печатаю эти буквы на своем экране, мой компьютер получает набор цифровых сигналов с моей клавиатуры (это будут группы из 1 и 0).

Вывод с моей клавиатуры затем обрабатывается через бесчисленное количество логических вентилей в сочетании с еще большим числом вентилей, которые запускают программное обеспечение, которое в конечном итоге управляет моим компьютером.

Компьютер знает, как распечатать буквы на моем экране, а также сохранить их в файле, который упорядочивает эту информацию.

Многое происходит одновременно, но все сводится к этим двум основным понятиям.

Компьютер сохраняет двоичные сигналы и пропускает их через серию логических вентилей.