Язык программирования C [Лекции и упражнения, 6-е изд.] - [22]

Особенности функционирования компьютеров

Прежде чем приступать к изучению программирования в языке С, вероятно, следует иметь хотя бы самое общее представление о том, как работает компьютер. Эти знания помогут понять, какова связь между написанием программы на С и тем, что на самом деле происходит при ее выполнении.

Современные компьютеры состоят из нескольких компонентов. Центральный процессор (ЦП) выполняет основную вычислительную работу. Память с произвольным доступом. или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), представляет собой рабочую область, в которой содержатся программы и файлы. Постоянное запоминающее устройство (в прошлом им, как правило, был жесткий диск, но теперь все чаще и чаще его роль исполняет твердотельный диск) хранит все эти программы и файлы, даже когда компьютер выключен. Периферийные устройства различного назначения, такие как клавиатура, мышь, сенсорный экран и монитор, обеспечивают обмен данными между пользователем и компьютером. ЦП обрабатывает программы, поэтому рассмотрим его роль подробнее.

Функции ЦП, по крайней мере, в таком упрощенном представлении архитек туры компьютера, достаточно просты. Процессор извлекает команду из памяти и выполняет ее. Затем он извлекает следующую команду и выполняет ее, и т.д. (ЦП с тактовой частотой 1 ГГц выполняет порядка одного миллиарда таких операций в секунду, так что ЦП ведет монотонную жизнь, но в бешеном темпе.) ЦП имеет собственную

Предварительные сведения 31

рабочую область, состоящую из нескольких регистров, каждый из которых может запоминать какое-то число. Один регистр содержит адрес памяти следующей команды, и ЦП использует эту информацию для извлечения следующей команды. После извлечения следующей команды ЦП запоминает ее в другом регистре и обновляет первый регистр адресом очередной команды. Центральный процессор выполняет ограниченный набор команд (получивший название набора инструкции). Наряду с этим, его команды достаточно специфичны; многие из них требуют от ЦП перемещения числа из одного места в другое — например, из ячейки памяти в регистр.

Здесь следует отметить два интересных обстоятельства. Во-первых, все, что хранится в компьютере, хранится в виде чисел. Числа сохраняются как числа. Символы, такие как буквы алфавита, используемые в текстовых документах, сохраняются как числа, при этом каждый символ обладает своим числовым кодом. Команды, которые компьютер загружает в свои регистры, сохраняются как числа, и каждая команда из набора инструкций имеет числовой код. Во-вторых, компьютерная программа в конечном итоге должна быть выражена в этом числовом коде, или, другими словами, с помощью машинного языка.

Одним из последствий такого принципа работы компьютера является то, что если вы хотите, чтобы компьютер выполнил какую-то работу, то должны ввести конкретный список инструкций (программу), подробно расписывающий, что и как нужно сделать. Вы должны создать программу на языке, который понятен непосредственно компьютеру (на машинном языке). Это кропотливая и утомительная работа, требующая большой точности. Простая операция вроде сложения двух чисел должна быть разбита на несколько шагов, примерно так, как описано ниже.

1.  Скопировать число из ячейки памяти 2000 в регистр 1.

2.   Скопировать число из ячейки памяти 2004 в регистр 2.

3.  Сложить содержимое регистра 2 с содержимым регистра 1 и оставить результат сложения в регистре 1.

4.   Скопировать содержимое регистра 1 в ячейку памяти 2008.

И каждую из этих инструкций придется представить в числовом коде!

Если написание программ в таком стиле вам нравится, то вы огорчитесь, узнав, что золотой век программирования в машинных кодах давно канул в прошлое. Однако если вы предпочитаете что-то более интересное, откройте свое сердце языкам программирования высокого уровня.

Языки программирования высокого уровня и компиляторы

Языки программирования высокого уровня, такие как С, существенно упрощают вашу жизнь как программиста несколькими способами. Во-первых, вы не должны представлять команды в числовом коде. Во-вторых, команды, которые вы используете, намного ближе к тому, каким образом вы думаете о задаче, нежели к тому, как она представлена в рамках детализированного подхода, применяемого компьютером. Вместо того чтобы обременять себя мыслями о том, какие действия конкретный ЦП должен предпринять, чтобы решить конкретную задачу, вы можете выразить свои пожелания на более абстрактном уровне. Чтобы сложить два числа, вы можете, например, написать код следующего вида:

total = mine + yours;

32 Глава 1

Видя код, подобный этому, вы сразу же догадываетесь, что он делает, в то же время, просматривая эквивалентный код на машинном языке, который содержит несколько команд, выраженных в числовой форме, трудно сходу понять, о чем идет речь.

К сожалению, для компьютера все происходит с точностью до наоборот: для него команда на языке высокого уровня — непонятная бессмыслица. Именно в этот момент в игру выступают компиляторы. Компилятор — это программа, которая переводит программу, представленную на языке высокого уровня, в детальный набор команд на машинном языке, понимаемых компьютером. Вы формулируете задачу на высоком уровне, а компилятор берет на себя заботу об остальных скучных деталях.