На самом деле, это интересный вопрос, и я попробую ответить на него как можно проще.
Компьютер, а говоря простым языком – вычислительная машина, на самом деле является сложным кремниевым устройством, которое может принимать и обрабатывать информацию, предоставленную людьми или любым другим кремниевым устройством, с помощью заранее введенных алгоритмов (например, сложение, умножение, вычитание, а также вычисление орбитальной траектории спутников и планет), и выводить результаты на экран, монитор, принтер, или другое кремниевое устройство.
Компьютер в целом – это закрытая система, которая обычно лежит у вас на столе, коленях, вы держите ее в руках, и она снабжает вас всеми необходимыми инструментами для выполнения работы. В любом компьютере есть процессор, и это то, что нас интересует. Процессор несет ответственность за все вычисления и расчеты. И чтобы понять, как он это делает, нам нужно углубиться в самые азы.
Транзистор
Основным компонентом любого процессора является транзистор.
Транзистор обычно имеет 3 контакта, которые могут иметь разные конфигурации, но выполняют в основном одну и ту же функцию.
Когда вы подаете напряжение на базу транзистор переходит в состояние ВКЛ и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Если напряжение на базу не поступает, транзистор ВЫКЛючается и перестает пропускать ток. По сути транзистор напоминает вентиль в водопроводной трубе. Только в трубе вентиль приходится открывать механически (круть-верть), а в транзисторе этим занимаются электроны, которые могут как контролировать поток, так и управлять этим потоком.
Это обстоятельство породило огромные возможности… Наиболее важным из которых является цифровые логические вентили.
Логические вентили
До внедрения транзисторов ученым приходилось придумывать разные схемы, которые должны были выполнять простые математические операции. В 1847 году Джордж Буль ввел новую область алгебры, названную Булевой алгеброй. В отличие от традиционной алгебры, она имела дело только с истинными и ложными логическими значениями (0 и 1) и обеспечивала простые логические операции И, НЕ, ИЛИ. Клод Шеннон, «отец информационного века», увидел, что булеву алгебру можно использовать для создания различных электронных схем, которые могли бы представлять булевы функции, что оказалось очень важным для выполнения математических операций над двоичными числами с помощью комбинаций логических вентилей.
Работа электронных логических вентилей очень проста, если взять в качестве примера вентиль И, то его можно представить в электронной схеме, поместив два транзистора последовательно. Так что, по сути, схема выполняет операцию И , пропуская ток через эмиттер второго транзистора только в том случае, если оба входа (базы A и B транзисторов) имеют напряжение, а коллектор первого транзистора в последовательности имеет ток. Таким образом, фактически выводя логическую 1 согласно своей таблице истинности.
Память, и все остальное
Итак, у нас появились схемы, которые могут работать в двоичном коде дискретно. Как мне заставить их решить мою домашнюю работу?! Ответ прост — надо сделать некоторые составные схемы, которые будут работать и хранить данные длиной в несколько двоичных цифр. Таким образом у нас появляются Сумматор и Субстраттор, которые могут складывать и вычитать (как в математике), Счетчик (Counter), который считает, Comparator, который сравнивает, и Триггер, который может хранить двоичные данные.
Предположим, мы хотим умножить два десятичных числа. Сначала мы вводим числа, переключая механические ключи, которые, в свою очередь, подают напряжение на триггеры, и данные сохраняются в серии триггеров в двоичной форме. Триггеры, которые хранят одно из двух чисел, то есть множимое, каждый подключен к сумматору, и на них подается тактовый сигнал. Этот тактовый сигнал также подается на счетчик.
Итак, в основном, когда поступает тактовый импульс сумматоры запускаются, прибавляют множимое к себе и устанавливают триггеры с новым числом, в то время как счетчик увеличивается на 1. Опять же, в следующем импульсе происходит то же самое, пока компаратор (который подключен к триггерам множителя и счетчика ), не замечает (через цепь логических вентилей), что счетчик достиг значения множимого, и сообщает всей схеме об остановке и активирует экран, который подключен к триггерам произведения (ранее триггерам множимого) через цепь двоично-десятичного преобразователя, который, наконец, показывает результат.
То, что вы прочитали, было примером небольшой части АЛУ (Арифметико-Логическое Устройство), выполняющей операцию умножения (естественно, очень примитивной по конструкции). Память, Сумматоры и т. д. и т. п., совместно работающих для выполнения операции, которая на самом деле приносит нам пользу.
Современные компьютеры очень сложны, они включают в себя миллионы логических вентилей, которые соединены в разных комбинациях для более оптимального выполнения различных функций. Но на базовом уровне все они работают по одному и тому же принципу включения и выключения (подача напряжения или отсутствие подачи напряжения), замаскированному под 1 и 0. Ничего эзотерического не происходит, кроме этого, нет никакого злого колдовства или магии! Это не алхимия… Это чистая логика.
