Представление данных в памяти компьютера

Прежде, чем рассматривать конкретные особенности устройства компьютера, мы хотим предупредить, что в основном все сказанное будет относиться к персональным компьютерам, серверам, рабочим станциям – компьютерам, которые принято называть миникомпьютерами. Устройство мейнфреймов и суперкомпьютеров существенно сложнее. Однако многие принципиальные вещи будут относиться и к ним.

Вся информация в компьютере представляется в двоичном коде. Для чисел это естественно. Для нечисловой информации (например, текста) используется стандартный прием: всевозможные элементарные значения нумеруются, и вместо самих значений хранятся их номера (которые играют роль кодов). Так, при представлении текстовой информации все символы сводятся в таблицу, а текст записывается номерами символов. Для представления видеоинформации существуют различные способы кодирования цветовых точек, составляющих картинку. Для аудиоинформации звук раскладывается на гармоники, которые также кодируются. В любом случае коды нечисловых данных, хранящиеся в компьютере, не имеют содержания вне таблиц кодирования и алгоритмов кодирования и декодирования.

Количество двоичных разрядов, необходимых для записи символа или точки картинки зависит от числа вариантов для объекта кодирования. Наибольшее число, которое в двоичной системе счисления можно записать с помощью N цифр, состоит из N единиц. Это число равно 1+2+4+…+2 ^{N -1} = 2 ^N -1. Например, с помощью восьми двоичных цифр можно различать 2⁸ = 256 символов текста. Восемь двоичных разрядов (битов) составляют один байт.

Это рассуждение настолько важно для всей идеологии хранения информации в двоичном коде, что в информатике принято измерять объем не в десятичной системе счисления, а в специальных единицах измерения, использующих степени двойки. Используя то обстоятельство, что 2¹⁰ = 1024 не очень отличается от 10³ = 1000, принято 1024 байт называть килобайтом (1Кб). Аналогично мегабайт – это 1024 килобайта (1Мб), а гигабайт – 1024 мегабайта (1Гб). Количество информации в современном мире столь велико, что приходится вводить еще одну единицу – терабайт, равную 1024 гигабайта (1Тб). Если не нужна особая точность, то можно считать, что 1 тб = 10³ гб = 10⁶ мб = 10⁹ кб = 10¹² байт.

То устройство компьютера, в котором хранится информация, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью. С логической точки зрения ОЗУ представляет собой линейную последовательность байтов. Длина этой последовательности составляет в современных персональных компьютерах несколько гигабайт (на 2011г.). Еще больше (десятки и сотни гигабайт) оперативная память суперкомпьютеров. В этой памяти хранятся данные, а также программы, разбитые на машинные команды. Конкретное выделение памяти под числа и команды производится операционной системой компьютера в процессе его работы.

Порядковый номер байта в оперативной памяти называется адресом. Нумерация байтов начинается с нуля. Адрес (в руководствах или в сообщениях об ошибках) принято записывать в шестнадцатиричной системе счисления. Для задания участка оперативной памяти в машинной команде указываются адрес его начального байта и длина.

Количество байтов, выделяемых для хранения одного числа, варьируется от одного до 10 байтов и зависит от типа числа. Различают два основных формата представления числа в памяти компьютера: с фиксированной и плавающей запятой. Числа с фиксированной запятой записываются в их двоичном представлении: 1 бит = 1 двоичный разряд. Один бит выделяется для представления знака числа (0 – плюс, 1 – минус). Число с плавающей запятой должно быть представлено в так называемой нормализованной (или экспоненциальной) форме: X=M∙10ⁿ, где число М (называемое мантиссой) заключено от 1 до 10, число n (называемое порядком) - целое. В памяти записывается отдельно мантисса и отдельно порядок. Следует отметить, что поддерживаются также смешанные форматы, когда десятичные цифры числа записываются в двоичной системе.

Форматы одного класса могут различаться количественными параметрами, от которых зависит диапазон чисел, которые могут быть представлены в данном формате. Например, если переменная – число месяца, то для ее хранения достаточно одного байта. Для хранения целых величин, изменяющихся в диапазоне от -2¹⁵ = –32768 до 2¹⁵-1 = 32767, в формате с фиксированной запятой достаточно двух байтов. Если целое число не вмещается в этот диапазон, то для его хранения выделяется четыре байта (диапазон от –2³¹ до 2³¹-1). Представление с плавающей запятой используется, как правило, в научно-технических задачах, когда переменные могут изменяться в большом диапазоне значений или нужна очень большая точность.

Для кодирования текстовой информации используются таблицы кодирования символов. В настоящее время существует стандарт ASCII (American Standard Code for Informational Interchange), содержащий набор и номера 128 основных символов (коды от 0 до 127) и набор и номера 128 расширенных символов (коды от 128 до 255). Код символа ASCII занимает один байт. Поскольку в стандарт ASCII не входят символы национальных алфавитов (которых значительно больше, чем 128), в каждой стране 128 кодов расширенных символов (от 128 до 255) заменяются символами национального алфавита. Для того, чтобы корректно кодировать и изображать символы при печати и выводе на экран, для каждого языка нужна специальная программа – языковый драйвер.

В стандарте Unicode каждый символ занимает два байта. Благодаря этому в стандарте Unicode можно закодировать 2¹⁶ = 65536 различных символов, что позволяет унифицировать символы разных языков, включая иероглифы, и большое количество специальных символов и знаков.

Логическая величина – это величина, которая может принимать всего два значения – true и false («истина» и «ложь»). Для хранения значения логической переменной достаточно одного бита. Обычно значение «ноль» бита памяти ассоциируется с истиной, значение «единица» – с ложью.

Для хранения в памяти компьютера более сложных объектов, таких как видеоизображения или звуки, описания этих объектов преобразуются в числовую форму. Способов кодирования такого вида информации существует достаточно много, но следует помнить, что в конечном итоге изображение или звук всегда представлены в памяти компьютера в виде последовательности нулей и единиц, которые размещаются в битах памяти компьютера. Изображение картинки на экране или прослушивание музыки в динамиках есть результат действия программ, которые декодируют и интерпретируют информацию. Такие программы зачастую также называются драйверами.