if x = 0
····compute_this()····# вычислить это
else
····compute_that()····# вычислить то
Вот и все, что вам надо знать. Открываете ли вы сайт, играете ли в компьютерную игру или редактируете электронную таблицу, вычисления всегда одинаковы: это серия простых операций, которые могут лишь суммировать, сравнивать или перемещать данные в памяти.
При помощи множества этих простых операций можно выражать запутанные процедуры. Например, код классической игры Space Invaders (рис. 7.7) включает порядка 3000 машинных команд.
Рис. 7.7. Игру Space Invaders, выпущенную в 1978 году, многие называют самой влиятельной за всю историю
Тактовая частота ЦП. В 1980-х годах чрезвычайно популярной стала игра Space Invaders. Люди играли в нее на игровых автоматах, оборудованных процессорами с тактовой частотой 2 МГц. Этот показатель — число базовых операций, которые процессор выполняет в секунду. Процессор с тактовой частотой 2 МГц выполняет примерно 2 млн базовых операций в секунду. Для выполнения машинной команды требуется от пяти до десяти базовых операций. Следовательно, винтажные игровые автоматы выполняли сотни тысяч машинных команд каждую секунду.
В условиях современного технологического прогресса обычные настольные компьютеры и смартфоны обычно имеют процессоры с тактовой частотой 2 ГГц. Они способны выполнять сотни миллионов машинных команд каждую секунду. А с недавних пор массовое применение получили многоядерные ЦП. Четырехъядерный процессор с тактовой частотой 2 ГГц может выполнять почти миллиард машинных команд в секунду. И, похоже, в перспективе у наших процессоров будет все больше ядер
[73].
Архитектуры ЦП. Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему нельзя вставить компакт-диск для Sony PlayStation в настольный компьютер и начать играть? Или почему приложения для iPhone не запускаются на Mac? Причина проста: разные архитектуры ЦП.
В наше время архитектура x86 является довольно стандартной, и потому одинаковый код может выполняться на большинстве персональных компьютеров. Однако сотовые телефоны, например, имеют процессоры с другой, более энергоэффективной архитектурой. Разные архитектуры означают разные наборы процессорных команд и, следовательно, разные способы их кодирования числами. Числа, которые транслируются как команды для ЦП вашего настольного компьютера, не являются допустимыми командами для ЦП в вашем сотовом телефоне, и наоборот.
32-разрядная архитектура против 64-разрядной. Первый ЦП под названием Intel 4004 был основан на 4-разрядной архитектуре. Это означает, что он мог оперировать двоичными числами (суммировать, сравнивать, перемещать их) до 4 разрядов в одной машинной команде. Шина данных и шина адресов на Intel 4004 состояли всего из четырех проводов каждая.
Вскоре после этого широкое распространение получили 8-разрядные ЦП. Они использовались в ранних персональных компьютерах, работавших под DOS
[74]. Game Boy, популярный в 1980–1990-х годах переносной игровой компьютер, тоже имел 8-разрядный процессор. Одиночная команда в таких ЦП может оперировать 8-разрядными двоичными числами.
Быстрый технологический прогресс позволил занять доминирующее положение 16-разрядной, а затем — 32-разрядной архитектуре. Емкость регистров ЦП была увеличена до 32 разрядов. Для более емких регистров естественно потребовалось расширить шины данных и адресов. Адресная шина с 32 проводами позволяет адресовать 232 байт (4 Гб) памяти.
А затем наша жажда вычислительной мощи стала просто неудержимой. Компьютерные программы быстро усложнялись и использовали все больше памяти. 4Гб ОЗУ оказалось слишком мало. И обращение к памяти большего объема с числовыми адресами, которые укладываются в 32-разрядные регистры, превратилась в непростой процесс. Это ознаменовало появление доминирующей сегодня 64-разрядной архитектуры. 64-разрядные процессоры могут оперировать в одной команде чрезвычайно большими числами. При этом 64-разрядные регистры хранят адреса в огромном пространстве памяти — 264 байт, что составляет более 17 млрд гигабайт.
Прямой порядок байтов против обратного. Некоторые разработчики компьютеров посчитали, что в ОЗУ и ЦП целесообразно хранить числа слева направо (от младших разрядов к старшим), способом, известным как обратный порядок байтов. Другие предпочли записывать данные справа налево, способом, который называется прямым порядком байтов. Двоичная последовательность 1-0-0-0-0-0-1-1 может представлять разные числа в зависимости от порядка байтов:
• прямой порядок байтов: 27 + 21 + 20 = 131;
• обратный порядок байтов: 20 + 26 + 27 = 193.
Большинство ЦП сегодня имеют обратный порядок байтов, вместе с тем существует много компьютеров с прямым порядком. Если данные, сгенерированные ЦП с обратным порядком байтов, должны интерпретироваться процессором с прямым порядком, то необходимо принять меры, чтобы избежать несоответствия порядка байтов. Программисты, манипулирующие двоичными числами напрямую, в особенности во время разбора данных, выходящих из сетевых коммутаторов, должны об этом помнить. Несмотря на то что большинство компьютеров сегодня имеет обратный порядок байтов, интернет-трафик стандартизировал прямой порядок, потому что большинство ранних сетевых маршрутизаторов имели соответствующие ЦП. Данные с прямым порядком окажутся искажены, если их прочитать так, как если бы порядок в них был обратным, и наоборот.
Эмуляторы. Иногда бывает полезно на своем компьютере выполнить некоторый программный код, разработанный для другого ЦП. Это позволяет протестировать приложение для iPhone без iPhone или сыграть в вашу любимую старинную игру для Super Nintendo. Для этих задач существуют компоненты программного обеспечения, которые называются эмуляторами.
Эмулятор имитирует целевую машину: компьютер притворяется, что имеет тот же ЦП, ОЗУ и другие аппаратные средства. Команды декодируются программой эмулятора и выполняются в эмулированной машине. Как вы понимаете, очень сложно эмулировать одну машину внутри другой, когда у них разная архитектура. Но поскольку наши компьютеры намного быстрее старых, это стало возможным. Если вы раздобудете эмулятор Game Boy и позволите своему компьютеру создать виртуальную игровую приставку, то сможете играть в игры точно так же, как если бы вы играли на настоящем Game Boy.
