Компьютер и информация: как машина хранит данные

Ты сфотографировал кота — телефон мгновенно сохранил снимок и предложил отправить его бабушке в другой город. Стоп: почему железный кирпичик «понял», что делать с картинкой, и куда она вообще записалась? Внутри любого устройства нет ни картинок, ни слов — только электрические сигналы «ток есть» и «тока нет». Как из двух простых состояний получается всё богатство игр, фильмов и сообщений — разберёмся в этом уроке.

Компьютер думает числами

У электричества в проводе два надёжных состояния: сигнал есть или сигнала нет. Поэтому компьютеры «разговаривают» двоичным кодом: каждое состояние записывают цифрой — нулём или единицей. Один такой разряд называется битом — это самая маленькая порция информации, что-то вроде «включено» или «выключено». Из цепочек бит собирается всё: буква «а» в памяти занимает восемь бит, один пиксель на экране — больше тридцати, а песня — миллиарды. Компьютер не «понимает» кота: он просто очень быстро перекладывает нули и единицы по правилам, которые записали люди.

• клавиатура, мышь, микрофон, камера — устройства ввода: переводят твои действия в данные;
• экран, колонки, принтер — устройства вывода: показывают данные в понятном тебе виде;
• процессор — вычислитель, который обрабатывает данные миллиарды операций в секунду;
• память — хранилище, где данные лежат, пока они нужны.

Информация и её хранение

Всё, что ты записываешь, занимает место в памяти, и место это измеряют байтами. Фото с телефона весит 3-5 МБ, минута песни — около 10 МБ, страница текста — пара килобайт. Лестница единиц простая: 1 байт — это 8 бит, 1 КБ — 1024 байта, 1 МБ — 1024 КБ, 1 ГБ — 1024 МБ. Данные живут не «где-то в воздухе», а на носителях: жёсткий диск и твердотельный накопитель внутри системного блока, флешка в кармане, карта памяти в фотоаппарате. А ещё данные лежат на серверах в интернете — мощных компьютерах, до которых сигнал добирается по кабелям и радиоканалам за доли секунды.

Проверь себя на живом примере. Видео на минуту в хорошем качестве весит около 100 МБ, значит, на флешку в 8 ГБ влезет примерно восемьдесят таких роликов, а на карту памяти в 128 ГБ — больше тысячи. Когда в игре написано «требуется 40 ГБ», ты уже можешь прикинуть: на старом ноутбуке с диском на 256 ГБ вместе с системой и другими играми места может не хватить. Информация — это тоже «вещь», у неё есть объём, как у воды в ведре.

Что происходит, когда ты нажимаешь «Сохранить»

Фотография с камеры проходит короткий, но удивительный маршрут. Камера превращает свет в пиксели, процессор переводит каждый пиксель и каждый символ текста в нули и единицы, память на секунду держит данные, а потом они оседают на носителе — карте памяти или встроенном накопителе. Буква «а» в этой записи выглядит как 01100001: восемь нулей и единиц, один байт. Когда ты жмёшь «Сохранить», данные переписываются с быстрой временной памяти на постоянную — теперь они переживут выключение питания. Вот почему документ, который сохранён, откроется завтра, а тот, что просто набран и не сохранён, исчезнет при отключении света.

Память бывает двух сортов, и оба тебе встречались. Оперативная память — быстрая, но забывчивая: в ней данные живут только пока устройство включено, и при выключении она пустеет. Постоянная память медленнее, зато помнит всё годами: на ней лежат файлы, программы и сама система. Это как парта и шкаф в классе: на парте всё под рукой, но вечером её убирают, а в шкаф сдают то, что понадобится завтра. Поэтому загруженность оперативной памяти влияет на скорость работы, а свободное место на носителе — на то, влезет ли новая игра.

Гигабайты вокруг нас: считаем дома

Прикинем, сколько данных создаёт обычный день. Двадцать фотографий по 4 МБ — это 80 МБ. Пара минутных роликов — ещё 200 МБ. Музыка в наушниках по дороге в школу — десяток мегабайт. За месяц набираются десятки гигабайт, и всё это надо куда-то положить: в телефон на 64 ГБ, в облако или на внешний диск. Отсюда простое правило: прежде чем что-то скачивать, смотри на вес файла и сравнивай со свободным местом — так же, как ты сравниваешь оставшиеся карманные деньги с ценой мороженого.

А если место кончилось: облако

Когда телефон пишет «память заполнена», данные можно переложить в облако — на диски специальных серверов, до которых сигнал добирается по сети. С твоей стороны это выглядит как фокус: снимок пропал с телефона, но открывается из приложения на планшете. На самом деле файл просто переехал на чужой мощный носитель, а по сети ходит копия по запросу. Облако — тот же шкаф, только стоит он не у тебя дома, а в дата-центре, и ключи от него лежат в твоём аккаунте.

Выбирая между флешкой и облаком, помни: флешку можно забыть дома, а облако недоступно без сети. Ценные данные хранят в двух местах сразу: например, на диске и в облаке — тогда поломка одного носителя не съест фотографии за десять лет. Это правило резервной копии, и оно работает в любом возрасте.

Разбор типовой задачи

Словарь урока

Бит#

минимальная порция информации: 0 или 1, «включено» или «выключено»

Байт#

восемь бит; столько занимает один символ текста

Килобайт#

1024 байта; примерно столько весит страница обычного текста

Память#

место в устройстве, где данные лежат, пока они нужны

Носитель#

физическая вещь, на которой хранятся данные: диск, флешка, карта памяти

Сервер#

мощный компьютер, который хранит данные и отдаёт их по сети

Как это спрашивают на контрольной

• Перечисли устройства ввода и вывода и объясни, чем они отличаются.
• Назови всю лестницу единиц: сколько бит в байте, байт в килобайте, килобайт в мегабайте.
• Чем память отличается от носителя? Приведи пример носителя.
• Файл весит 5 МБ: поместятся ли четыре таких файла на флешку в 30 МБ? Посчитай.
• Зачем компьютеру серверы, если данные можно хранить на своей флешке?

На контрольной чаще всего просят перевести единицы и сравнить объёмы — записывай лестницу 8, потом три раза по 1024 рядом с решением: за неё ставят отдельный балл. Второй частый вопрос — определить тип устройства. Спроси себя, в какую сторону по нему идёт информация: в машину или из машины, и ответ окажется очевидным. Проверяй и обратный ход: к любой единице памяти подставь знакомый предмет — страницу, снимок, ролик — и задача на сравнение станет простой арифметикой.

Что дальше: раз данные занимают память, их надо как-то раскладывать и быстро находить. Следующий урок — про файлы и папки: как устроен «шкаф» твоего компьютера.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема