Как работает процессор и языки программирования

как работает процессор и языки программирования

Эта статья будет полезна всем, кто по каким-либо причинам не знает, как работает процессор, как и зачем появились языки программирования и принцип их работы.

Все описанное ниже как всегда упрощено для лучшего понимания.

Процессор и оперативная память

Все вы знаете, что процессор в компьютере — это мозг. Он управляет всеми процессами, происходящими внутри этой консервной банки. Но знаете ли вы, как он работает?

процессор управляет всеми устройствами и процессами в компьютере

Начнем вот с чего. Процессор не понимает русский, английский и другие языки. Он понимает числа, которые являются для него простыми командами, например: взять из памяти какие-то данные, добавить какие-то данные, сложить и т.д.

Процессор знает много команд и у каждой из них есть свой числовой код, например:

  • 35 — скопировать данные из одной ячейки памяти в другую
  • 48 — сложить 2 числа
  • 12 — выполнить логическую операцию OR (или)

Совокупность всех команд и их числовых кодов, заложенных инженерами в процессор, называется архитектурой процессора. Это не аппаратная архитектура, а программная. Каждый производитель процессоров закладывает свою архитектуру. Это значит, что у одной и той же команды будут разные числовые коды на разных процессорах.

Понимаете прикол? Это значит, что вам нужно писать код для каждой архитектуры процессора. Жуть.

Так. Понятно. Процессор может выполнять маленькие числовые команды. Но откуда он их берет? Из оперативной памяти. Думайте об оперативке, как о большом количестве маленьких ячеек. Каждая ячейка имеет свой адрес — это обычное число, например 2001. По адресу ячейки процессор может запросить данные и оперативная память вернет их ему. Также в эту ячейку процессор может записать новые данные.

Как я уже сказал, в ячейках оперативной памяти хранятся команды для процессора. Но также в них могут храниться любые другие данные, которые можно представить в числовом виде, например: буквы, изображения, музыка или видео.

Получается такая картина: процессор обращается к оперативной памяти по адресу ячейки, оперативка возвращает ему команду из этой ячейки, процессор выполняет команду. А что дальше? А дальше процессор опять обращается к памяти (уже в другую ячейку), получает команду, выполняет ее и этот цикл повторяется снова и снова. То есть процессор все время выполняет какую-то заданную последовательность команд (числовых кодов). Эта последовательность команд называется машинным кодом.

как работает процессор и оперативная память

Ассемблер

Как мы помним, процессор спроектирован таким образом, чтобы выполнять простые команды, загруженные из оперативной памяти.

Для того, чтобы заставить процессор выполнить какую-то программу, например решить уравнение 2 + 2 * 2, нам нужно написать цепочку простых числовых команд.

процессор выполняет цепочка команд из числовых кодов команд

Согласитесь, что писать такой код очень сложно и легко запутаться. И это мы всего лишь написали код для решения простого уравнения. А теперь представьте, как написать ВКонтактик или Инстаграм.

Для упрощения жизни люди придумали инструмент Ассемблер и язык программирования на ассемблере.

Теперь все числовые коды команд процессора заменили на буквенные аббревиатуры, которые стало легче запоминать и читать.

Помните примеры кодов команд, которые были указаны выше? Теперь они выглядят так:

  • MOV (числовой код 35) — скопировать данные из одной ячейки памяти в другую
  • ADD (числовой код 48) — сложить 2 числа
  • ORL (числовой код 12) — выполнить логическую операцию OR (или)

Также к названию команд были добавлены операнды (один или более), которые дают дополнительную информацию для выполнения команды.

пример кода на языке assembler

Рассмотрим еще один пример программы на ассемблере, которая выводит фразу «Hello, World!«. Пример ассемблированного кода:

section	.text
   global_start
	
_start:
   mov	edx,len
   mov	ecx,msg
   mov	ebx,1
   mov	eax,4
   int	0x80
	
   mov	eax,1
   int	0x80

section	.data
msg db 'Hello, world!', 0xa
len equ $ - msg

Что-то слишком много непонятного кода для такой пустяковой задачи, не правда ли?

Языки программирования высшего уровня

Помните в самом начале я писал, что каждый производитель процессоров делает свою архитектуру? И что у каждой архитектуры свои числовые коды команд?

Так вот одну и ту же программу на ассемблере вам придется «пересобирать» под каждую из архитектур процессора. Для каждой архитектуры нужно скачивать отдельный инструмент Ассемблер и прогонять через него свой код.

Это усложняет портативность. Добавим сюда сложность в написании больших программ и получим необходимость в создании новых инструментов.

Так стали появляться языки программирования высокого уровня.

Их суть заключается в том, что цепочки команд на ассемблере были объединены в отдельные функции. Теперь вам достаточно написать одну команду, чтобы показать сообщение «Hello, World!».

Компилируемые языки

Первыми появились компилируемые языки программирования. К ним относится С, С++, Java и другие.

Компилируемый язык программирования означает, что есть инструмент компилятор, который преобразует код высшего порядка в код, понятный процессору.

Рассмотрим чуть подробнее. Например на языке С вывод фразы «Hello, World!» будет выглядеть так: printf(«Hello, World!»). Просто и понятно.

процессор не понимает код высшего порядка напрямую

Но процессор не поймет этой команды. Как мы помним, он знает и понимает только маленькие числовые команды. Поэтому компилятор языка C преобразует команду в ассемблированный код, а затем в машинный код, понятный процессору.

как работает компилятор

Программа, написанная на компилируемом языке программирования, перед запуском всегда проходит процесс компиляции. То есть весь написанный код высшего порядка преобразуется в машинный код, понятный процессору.

Затем компилятор делает исполняемый файл, который можно скинуть другу, чтобы он запустил вашу программу на своем компьютере.

компилятор языка C собрал исполняемый файл

Но у некоторых компиляторов есть свой прикол: чтобы ваша программа работала на всех операционных системах и всех архитектурах процессоров, вам нужно скомпилировать ее для этих вещей. И это может быть не так удобно.

Интерпретируемые языки

Компилируемые языки намного упростили задачу написания кода. Но что, если я скажу, что можно написать программу, которая будет работать на всех архитектурах процессоров и любой операционной системе?

Вот тут в ход идут интерпретируемые языки программирования такие как: Python, PHP, Perl, Pascal и другие.

Это тоже языки высшего порядка, которые также упрощают написание кода. Но у них есть как минимум два преимущества перед компилируемыми языками:

  • программы на интерпретируемых языках работают везде, где установлен соответствующий интерпретатор
  • вам не нужно каждый раз компилировать написанный код, чтобы проверить работу программы. Этот код выполняется «налету«, что значительно ускоряет разработку программ

Интерпретатор работает почти так же, как и компилятор, но с одной маленькой, но значительной особенностью: он преобразует код высшего порядка не в машинный код, а еще ниже — в байткод.

как работает интерпретатор

Байткод — это код, который понимают все процессоры не зависимо от архитектуры.

Конечно, в этом решении есть свой недостаток. В силу своей гибкости интерпретируемые языки подвержены низкой скорости работы из-за большего числа инструкций, которые генерирует интерпретатор. Но это напрямую зависит от того, насколько круто написан интерпретатор.

Подытожим

Байткод — саааамый низкий язык, который понимает процессор.

Машинный код — цепочка числовых команд. Все числовые команды процессора создают архитектуру процессора, заложенную инженерами при проектировании. У разных производителей процессоров могут отличаться номера одних и тех же команд.

Ассемблер — инструмент, который преобразует ассемблированный код в машинный. Программы на ассемблированном языке писать проще, чем машинный код, но все равно гемор.

Компилятор и Интерпретатор — инструменты, преобразующие код высшего уровня в код, понятный процессору.

Язык высшего уровня — это сказка, позволяющая создавать большие программы с помощью простых и понятных функций.

Я надеюсь, что теперь вы лучше представляете, как работает ваш компьютер или смартфон и будете терпеливее относится к их затупам 🙂 Ведь железка не виновата, что тупит, а виноват горе-программист, который написал плохой код.

Если вы с чем-то не согласны, у вас есть вопросы или просто хотите сказать спасибо — прошу в комментарии. Пообщаемся 🙂

Спасибо за внимание

Телеграм-канал Bor64.com кнопка подписаться

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *