Как работает компьютер: компоненты, запуск программы и языки программирования

В этом уроке#

Урок состоит из нескольких коротких глав — в том же порядке, что и в презентации:

1. Глава 1 — компоненты компьютера: CPU, RAM, накопитель и регистры
2. Глава 2 — что происходит с момента запуска программы до её выполнения
3. Глава 3 — виды языков программирования: от машинного кода до Python

Глава 1: Компоненты компьютера: CPU, RAM, накопитель и регистры#

Что мы изучим?#

Мы откроем «крышку» компьютера и познакомимся с четырьмя компонентами, которые должен понимать каждый программист:

Зачем это нужно?#

Каждая строка кода, которую вы напишете на курсе, проходит через эти компоненты. Поняв их, вы поймёте и то, что сейчас кажется «магией»:

• Почему переменная исчезает, когда программа завершается, а файл остаётся?
• Почему программа, читающая с диска, медленнее программы, работающей только в памяти?
• Почему компьютер «зависает», когда открыто слишком много программ?
• Почему в темах бэкенда и баз данных мы храним информацию в базе данных (на накопителе), а не просто в переменной?

На собеседованиях часто спрашивают «в чём разница между RAM и накопителем» — этот вопрос проверяет, понимаете ли вы основы.

Объяснение с основ#

CPU — центральный процессор#

CPU (Central Processing Unit, «процессор») — компонент, который выполняет инструкции. Он умеет делать только очень простые операции: сложить два числа, сравнить, скопировать значение из одного места в другое, перейти к другой инструкции. Его сила — скорость: миллиарды инструкций в секунду.

• Тактовая частота, измеряется в ГГц: 3 GHz ≈ три миллиарда «тактов» в секунду.
• Ядро: у современного процессора несколько ядер, и каждое ядро — как маленький отдельный процессор. 8 ядер = 8 дел параллельно.

Связь с запуском программы: каждая строка Python, которую вы пишете, в итоге превращается во множество маленьких инструкций, и CPU выполняет их одну за другой.

Регистры#

Регистры — крошечные ячейки памяти (каждая хранит одно число) внутри самого CPU. Это самая быстрая память в компьютере. Чтобы сложить два числа, CPU сначала приносит их из RAM в регистры, вычисляет и сохраняет результат в регистре.

Регистров у процессора очень мало (несколько десятков), поэтому в них хранится только то, с чем CPU работает в данный момент. В Python вы никогда не обращаетесь к регистрам напрямую — этим занимаются интерпретатор и операционная система, — но важно знать, что они существуют.

RAM — оперативная память#

RAM (Random Access Memory) — память, в которой хранятся программы, работающие прямо сейчас, и их данные. Когда вы пишете name = "Dana", значение "Dana" хранится в RAM.

Два важных свойства:

1. Быстрая — намного быстрее накопителя (в тысячи раз).
2. Временная (volatile) — когда программа завершается или компьютер выключается, содержимое стирается.

Накопитель — постоянное хранилище#

Накопитель (storage) — это диск: SSD (быстрый, без движущихся частей) или HDD (вращающийся диск, старее и медленнее). Здесь хранятся операционная система, установленные программы и все ваши файлы, включая hello.py.

1. Постоянный (non-volatile) — информация остаётся даже при выключенном компьютере.
2. Большой и дешёвый — от сотен ГБ до ТБ, по сравнению с 8–32 ГБ RAM.
3. Медленный по сравнению с RAM.

Почему не обойтись одним компонентом?#

Ни один компонент не бывает одновременно очень быстрым, огромным, дешёвым и постоянным. Поэтому компьютер сочетает их все: то, что нужно сейчас, держится рядом с CPU, а то, что нужно надолго, — на диске.

Как читать характеристики компьютера#

Всё, что мы изучили, указано в характеристиках любого компьютера — в магазине, на сайте производителя или в диспетчере задач. Типичные характеристики ноутбука:

CPU       8 cores, 3.2 GHz
RAM       16 GB       (temporary)
Storage   512 GB SSD  (permanent)
OS        Windows 11, 64-bit (x64)

Те же данные можно увидеть на самом компьютере: в Windows — в диспетчере задач (Ctrl + Shift + Esc) → Производительность, на Mac — в Мониторинге системы. Там же в реальном времени видно, сколько RAM занято и как это число растёт, когда открываешь всё больше программ.

RAM и накопитель на практике#

Связь с программированием: каждая переменная, которую вы пишете в программе, живёт в RAM. При каждом запуске программа получает новую, пустую память, а когда она завершается — память освобождается, и значения исчезают. Поэтому счётчик внутри программы при каждом новом запуске «начинает с нуля».

То, что должно остаться — список студентов, заказы, оценки, — нужно записать на накопитель: в файл или в базу данных. Оба способа мы изучим позже на курсе.

Типичная ошибка#

Ошибка — «я добавил RAM, значит, компьютер будет хранить больше файлов», или наоборот: «у меня диск на 1 ТБ, значит, памяти мне хватает».

Это два разных ресурса:

• Мало RAM → компьютер тормозит, когда открыто много программ. Операционная система начинает переносить части RAM на диск (это называется swap / файл подкачки), а диск медленный.
• Мало места на накопителе → негде сохранять файлы и устанавливать программы.

Вторая ошибка — «я сохранил», но только в RAM. Программа показывает сообщение «Сохранено!», но на самом деле информация лежит только в переменной, то есть в RAM. Пока программа работает — всё выглядит хорошо. Когда она закрывается или компьютер выключается — данные исчезают. Настоящее сохранение — это всегда запись на накопитель.

Итоги#

• CPU выполняет инструкции. Ядра позволяют параллельное выполнение, а ГГц измеряет частоту тактов.
• Регистры — самая крошечная и быстрая память, внутри CPU, хранят то, что вычисляется прямо сейчас.
• RAM — быстрая и временная: в ней живут переменные, и они исчезают в конце программы.
• Накопитель (SSD/HDD) медленнее, но постоянный: файлы остаются даже после выключения.
• Чтобы сохранённое пережило выключение, нужно записать его на накопитель (в файл / в базу данных).

Официальная документация#

• Windows — Memory Management
• Windows — About Memory Management

Глава 2: Что происходит с момента запуска программы до её выполнения#

Что мы изучим?#

В предыдущей главе мы познакомились с компонентами по отдельности. Теперь соединим их в одну историю: что происходит с момента запуска программы до её выполнения. Пройдём общий путь любой программы, а затем — особый путь файла на Python.

Зачем это нужно?#

• Когда программа «не запускается», вы будете знать, что спросить: на каком шаге произошёл сбой? Файл не найден? Нет прав? Не хватает памяти?
• Когда в теме Python пойдёт речь об ошибке выполнения и синтаксической ошибке, разница между ними вытекает именно из шагов, которые мы здесь изучим.
• В темах бэкенда и баз данных мы будем запускать сервер — программу, которая не завершается, а продолжает работать и ждать запросов. Чтобы понять это, сначала нужно понять, что такое работающая программа.

Объяснение с основ#

Сохранённая программа и работающая программа#

Программа, которая не запущена, — это просто файл на диске, последовательность байтов на накопителе. Чтобы она что-то «делала», её нужно загрузить в RAM, и CPU должен выполнять её инструкции. Программа во время работы называется процессом. Это различие очень важно, и мы углубимся в него в следующем уроке.

Общий путь — 6 шагов#

1. Запрос — пользователь дважды щёлкает по значку или набирает команду в терминале.
2. Поиск — операционная система ищет файл программы на накопителе.
3. Проверка прав — операционная система проверяет, разрешено ли этому пользователю запускать файл.
4. Создание процесса — операционная система регистрирует новый процесс, даёт ему идентификационный номер (PID — process ID) и выделяет ему собственную область памяти в RAM.
5. Загрузка в RAM — операционная система копирует инструкции программы с диска в область памяти процесса и ставит его в очередь CPU.
6. Выполнение — CPU начинает выполнять инструкции одну за другой в цикле, который называется Fetch → Decode → Execute.

Цикл Fetch → Decode → Execute#

Это «сердцебиение» любого компьютера. CPU повторяет его миллиарды раз в секунду:

А что происходит с Python?#

CPU не понимает Python. Он понимает только машинный код своей архитектуры. Так что же происходит, когда вы набираете python hello.py?

1. Операционная система находит программу python (файл python.exe в Windows), создаёт процесс и загружает в него программу. На CPU работает интерпретатор, который сам является программой в машинном коде.
2. Интерпретатор читает hello.py с диска.
3. Он проверяет синтаксис и переводит (компилирует) весь файл в простой промежуточный язык, который называется байт-код (bytecode). Если есть синтаксическая ошибка, процесс останавливается здесь, до того как выполнится хоть одна строка.
4. PVM (Python Virtual Machine) — часть интерпретатора, выполняющая байт-код, — проходит по инструкциям одну за другой и выполняет их. Если какая-то строка падает (например, деление на ноль), ошибка возникает во время выполнения, а строки, которые уже выполнились, — выполнились.
5. Когда код заканчивается, процесс завершается, и операционная система освобождает его RAM.

hello.py (Storage)
   │  python reads the file
   ▼
Syntax check + compile  ──►  Bytecode  (in RAM)
   │
   ▼
PVM executes bytecode instruction by instruction
   │  each instruction = many machine instructions
   ▼
CPU: Fetch → Decode → Execute (billions per second)

Каждый запуск — новый процесс#

Когда вы запускаете один и тот же файл три раза, операционная система создаёт три разных процесса — у каждого свой PID (process ID) и новая область памяти:

python hello.py   ->  new Process, PID 14872
python hello.py   ->  new Process, PID 9316
python hello.py   ->  new Process, PID 20480

Программа (файл hello.py) не изменилась. Каждый процесс — отдельный её запуск, который рождается, работает и исчезает. Это можно увидеть своими глазами в диспетчере задач: процесс с именем python появляется, пока программа работает, и исчезает, когда она завершается.

Типичная ошибка#

Ошибка: думать, что все ошибки возникают в один и тот же момент. Есть два совершенно разных момента:

print("Line 1 runs?")
print("Line 3"
→ SyntaxError: '(' was never closed
  (nothing runs at all)

print("Line 1 runs")
print(10 / 0)
→ Line 1 runs
→ ZeroDivisionError: division by zero

• SyntaxError обнаруживается на шаге проверки синтаксиса, до создания байт-кода, — поэтому не выполняется ни одна строка, даже первая.
• ZeroDivisionError — ошибка времени выполнения: PVM уже выполнила строки перед ней и останавливается только тогда, когда доходит до проблемной строки.

Так определяют, на каком шаге пути проблема: если ничего не напечаталось — вероятно, синтаксис. Если часть напечаталась — проблема в строке, на которой программа остановилась.

Итоги#

• Программа на диске — просто файл. Когда она работает, это процесс со своим PID и областью в RAM.
• Операционная система находит файл, проверяет права, создаёт процесс и загружает программу в его память в RAM.
• CPU выполняет инструкции в цикле Fetch → Decode → Execute с помощью регистров.
• В Python: код проверяется и переводится в байт-код, а затем его выполняет PVM.
• Синтаксическая ошибка останавливает всё до первой строки. Ошибка выполнения останавливает на середине, после того как предыдущие строки уже выполнились.

Официальная документация#

• Windows — About Processes and Threads
• Python Glossary — bytecode

Глава 3: Виды языков программирования: от машинного кода до Python#

Что мы изучим?#

В предыдущей главе мы увидели, что CPU выполняет инструкции в цикле Fetch → Decode → Execute. Теперь спросим: откуда берутся эти инструкции? Мы изучим:

• Что такое машинный код и почему на нём никто не пишет.
• Разницу между низкоуровневыми и высокоуровневыми языками.
• Два способа перевести код в инструкции: компилятор и интерпретатор.
• Где находится Python и почему мы выбрали его для курса.

Зачем это нужно?#

Когда начинаешь программировать, постоянно слышишь фразы вроде «C быстрый», «Python медленный», «JavaScript работает в браузере» или «это нужно скомпилировать». Без понимания того, как код превращается в инструкции, которые выполняет CPU, эти фразы звучат как магия.

Это понимание помогает и на практике:

• Понять, почему Python находит синтаксическую ошибку ещё до запуска кода, а другие ошибки — только посреди выполнения.
• Выбрать правильный инструмент для задачи — и понять, почему компании используют несколько языков одновременно.
• Ответить на классический вопрос собеседования: «В чём разница между компилируемым и интерпретируемым языком?»

Объяснение с основ#

Что на самом деле понимает CPU#

Процессор понимает только двоичные инструкции — последовательности нулей и единиц. Каждая инструкция — очень маленькое действие: «скопировать число в эту ячейку», «сложить два числа», «перейти по другому адресу». Это называется машинным кодом.

Написать целую программу нулями и единицами людям почти невозможно: это трудно читать, трудно находить ошибки, а у каждого типа процессора свой машинный код.

Язык программирования — это мост: мы пишем на удобном для нас языке, а специальная программа переводит его в инструкции, понятные CPU.

Низкий уровень и высокий уровень#

Одно и то же действие — сохранить букву a — на нескольких уровнях:

Machine Code   10110000 01100001
Assembly       MOV AL, 61h
C              char c = 'a';
Python         c = "a"

• Низкоуровневые — близко к машине. Вы управляете каждой деталью: памятью, регистрами, каждой инструкцией. Очень быстро, но трудно писать и легко ошибиться. Примеры: ассемблер и в значительной степени C.
• Высокоуровневые — близко к человеческому языку. Язык заботится о деталях за нас: управление памятью, типы данных, готовые списки и словари. Легко писать и читать, и обычно медленнее при выполнении. Примеры: Python, JavaScript, Java.

Компилируемые — перевести всё заранее#

В компилируемом языке программа, которая называется компилятором, читает весь код до запуска, проверяет его и переводит в исполняемый файл в машинном коде. Затем вы запускаете этот файл — сколько угодно раз, не переводя заново.

Compiled (C, Go, Rust):
  source code -> compiler -> program.exe -> run
  translate once, run many times

• Преимущество: очень быстрое выполнение — перевод уже сделан.
• Недостаток: после каждого изменения нужно компилировать заново, а исполняемый файл подходит только для определённой операционной системы и процессора.

Интерпретируемые — перевод во время выполнения#

В интерпретируемом языке программа, которая называется интерпретатором, читает код во время его выполнения и выполняет его по мере перевода.

Interpreted (Python, JavaScript):
  source code -> interpreter -> run, line by line
  translate every time you run

• Преимущество: очень удобно для разработки — изменил строку и сразу запустил. Один и тот же код работает на любом компьютере, где установлен интерпретатор.
• Недостаток: медленнее при выполнении, потому что перевод происходит каждый раз заново.

Известные языки и для чего они используются#

А где же Python?#

Python — высокоуровневый, интерпретируемый язык. Но за кулисами есть промежуточный шаг, как мы видели в предыдущей главе:

1. Python читает весь файл и проверяет синтаксис — поэтому SyntaxError останавливает всё до первой строки.
2. Он переводит код в байт-код — простые промежуточные инструкции.
3. PVM (Python Virtual Machine) выполняет байт-код инструкция за инструкцией — и ошибки вроде ZeroDivisionError обнаруживаются только при достижении этой строки.

Ещё одно важное свойство: Python — динамический язык: тип переменной не объявляется заранее. Одна и та же переменная может хранить число, а потом текст.

Типичная ошибка#

«Какой язык лучший?» — вопрос, на который нет ответа.

• Лучшего языка нет — есть язык, который подходит для задачи. 3D-игре нужна скорость C++, анализу данных — библиотеки Python, сайту — JavaScript.
• Язык, быстрый при выполнении, обычно медленнее в написании, и наоборот.
• Идеи переносятся между языками: переменные, условия, циклы, функции и объекты есть почти в каждом языке. Тот, кто хорошо выучил один язык, следующий осваивает гораздо быстрее.

Ещё одна ошибка: думать, что «интерпретируемый» значит «ничего не проверяет заранее». Python проверяет синтаксис всего файла перед запуском — он просто не создаёт отдельный исполняемый файл.

Итоги#

• CPU понимает только машинный код — нули и единицы. Язык программирования — мост между нами и им.
• Низкоуровневые — близко к машине, быстрые и сложные. Высокоуровневые — близко к людям, читаемые и удобные.
• Компилятор переводит всё заранее в исполняемый файл — быстрое выполнение. Интерпретатор переводит во время выполнения — удобная разработка.
• Python — высокоуровневый, интерпретируемый и динамический, с шагом байт-кода, который выполняет PVM.
• Лучшего языка нет — есть язык, подходящий для задачи, и идеи переносятся между языками.

Официальная документация#

• Python FAQ — What is Python?
• Python Glossary — interpreted

Практика#

Вопросы на понимание материала урока — без кода.

Упражнение 1: Какой компонент?#

Для каждого описания — какой компонент подходит: CPU, регистры, RAM или накопитель?

1. Стирается, когда компьютер выключается, и хранит переменные работающей программы.
2. Выполняет миллиарды инструкций в секунду.
3. Хранит файлы, даже когда нет питания.
4. Крошечные, чрезвычайно быстрые ячейки памяти внутри процессора.

Упражнение 2: Читаем характеристики#

Вот характеристики ноутбука:

CPU       8 cores, 3.2 GHz
RAM       16 GB
Storage   512 GB SSD

1. Что означает 8 cores?
2. Дани говорит: «У меня 512 ГБ, значит, я могу открыть сколько угодно программ, и компьютер не будет тормозить». В чём ошибка?

Упражнение 3: От файла к процессу#

Дана дважды щёлкает по значку программы, установленной на компьютере. Расставьте четыре шага в порядке, в котором они происходят, — с момента, когда программа сохранена на диске, до её выполнения. Запишите порядок букв.

• (а) Операционная система создаёт новый процесс с PID и собственной областью памяти
• (б) Операционная система находит файл программы на диске (накопителе)
• (в) CPU выполняет инструкции программы одну за другой (fetch, decode, execute)
• (г) Операционная система загружает инструкции программы с диска в область памяти процесса в RAM

Упражнение 4: Ошибка — на каком шаге?#

В каждом из следующих случаев: это синтаксическая ошибка (SyntaxError) или ошибка выполнения? И была ли напечатана первая строка?

# Program A
print("Start")
print("End"

# Program B
print("Start")
print(10 / 0)

Упражнение 5: Компилируемый и интерпретируемый#

1. В чём разница между компилятором и интерпретатором?
2. Назовите одно преимущество каждого подхода.
3. Где в этой картине находится Python и какова роль байт-кода и PVM?