Většina věcí v počítači je poměrně snadno pochopitelná: RAM, úložiště, periferní zařízení a software společně fungují, aby fungovaly na počítači. Ale srdce vašeho systému, CPU, se zdá jako kouzlo i mnoha technologickým lidem. Tady se budeme snažit to rozebrat.
Většina výzkumu pro tento článek pochází z "Ale jak to ví?" J. Clark Scott. Je to fantastické čtení, jde do mnohem větší hloubky, než bude tento článek, a stojí za pár babek na Amazonu.
Jedna poznámka, než začneme: moderní CPU jsou řádově složitější než to, co zde uvádíme. Je téměř nemožné, aby jedna osoba pochopila všechny nuance čipu s více než miliardou tranzistorů. Základní principy toho, jak to do sebe zapadá, však zůstávají stejné a porozumění základům vám pomůže lépe porozumět moderním systémům.
Počínaje malým
Počítače pracují v binární . Rozumí pouze dvěma stavům: zapnuto a vypnuto. K provádění výpočtů v binárním formátu používají takzvaný tranzistor. Tranzistor umožňuje, aby skrze něj protékal zdrojový proud do odtoku, pouze pokud je přes bránu proud. V podstatě to tvoří binární spínač, který odpojí vodič v závislosti na druhém vstupním signálu.
PŘÍBUZNÝ: Co je to binární a proč jej počítače používají?
Moderní počítače používají k provádění výpočtů miliardy tranzistorů, ale na nejnižších úrovních potřebujete jen hrst k vytvoření nejzákladnějších komponent, známých jako brány.
Logické brány
Naskládejte několik tranzistorů správně a máte takzvanou logickou bránu. Logická hradla vezmou dva binární vstupy, provedou na nich operaci a vrátí výstup. Například brána OR vrací true, pokud je některý ze vstupů true. Brána AND kontroluje, zda jsou oba vstupy pravdivé, XOR kontroluje, zda je pravdivý pouze jeden ze vstupů, a N-varianty (NOR, NAND a XNOR) jsou obrácené verze jejich základních bran.
Matematika s branami
S pouhými dvěma branami můžete provést základní binární sčítání. Tento diagram výše ukazuje poloviční sčítač, vytvořený pomocí Logicky , bezplatné online hřiště pro logické brány. Brána XOR se zde zapne, pokud je zapnutý pouze jeden ze vstupů, ale ne oba. Brána AND se zapne, pokud jsou oba vstupy zapnuté, ale zůstane vypnutá, pokud není žádný vstup. Pokud jsou tedy obě zapnutá, XOR zůstane vypnutá a brána AND se zapne a dojde ke správné odpovědi dvou:
To nám dává jednoduché nastavení se třemi odlišnými výstupy: nula, jeden a dva. Ale na jeden bit nelze uložit nic vyššího než 1 a tento stroj není příliš užitečný, protože řeší pouze jeden z nejjednodušších možných matematických problémů. Ale toto je jen poloviční sčítač, a pokud spojíte dva z nich s jiným vstupem, získáte plný sčítač:
Celá sčítačka má tři vstupy - dvě čísla, která se mají přidat, a „carry“. Přenášení se používá, když konečné číslo překročí to, co lze uložit v jednom bitu. Plné přidávače budou propojeny v řetězci a přenos je přenášen z jedné sčítačky na druhou. Přenášení je přidáno k výsledku brány XOR v první polovině sčítače a je zde další brána OR, která zvládne oba případy, když by to muselo být zapnuto.
Když jsou oba vstupy zapnuté, carry se zapne a odešle jej do dalšího úplného sčítače v řetězci:
A to je asi tak složité, jak sčítání dostane. Přechod na více bitů v podstatě znamená jen více plných doplňků v delším řetězci.
Většinu ostatních matematických operací lze provést sčítáním; násobení je jen opakované sčítání, odčítání lze provádět s nějakou efektní bitovou inverzí a dělení je jen opakované odčítání. A zatímco všechny moderní počítače mají hardwarová řešení pro zrychlení složitějších operací, můžete to technicky zvládnout s plnou výbavou.
Sběrnice a paměť
Právě teď náš počítač není nic jiného než špatná kalkulačka. Je to proto, že si nic nepamatuje a se svými výstupy nedělá nic. Nahoře je zobrazena paměťová buňka, která dokáže všechno. Pod kapotou používá spoustu bran NAND a ve skutečném životě se může v závislosti na skladovací technice zcela lišit, ale jeho funkce je stejná. Dáte mu nějaké vstupy, zapnete bit „write“ a uloží vstupy do buňky. Není to jen paměťová buňka, protože potřebujeme také způsob, jak z ní číst informace. To se provádí pomocí aktivátoru, což je kolekce bran AND pro každý bit v paměti, všechny vázané na jiný vstup, bit „čtení“. Bity pro zápis a čtení se také často nazývají „set“ a „enable“.
Celý tento balíček je zabalen do takzvaného registru. Tyto registry jsou připojeny ke sběrnici, což je svazek vodičů vedoucích kolem celého systému, připojený ke každé součásti. I moderní počítače mají sběrnici, i když mohou mít více sběrnic, aby zlepšily výkon multitaskingu.
Každý registr má stále bit pro zápis a čtení, ale v tomto nastavení jsou vstup a výstup stejné. To je ve skutečnosti dobré. Například. Pokud byste chtěli zkopírovat obsah R1 do R2, zapnuli byste čtecí bit pro R1, který by vytlačil obsah R1 na sběrnici. Když je čtecí bit zapnutý, zapnuli byste zápisový bit pro R2, který by zkopíroval obsah sběrnice do R2.
Registry se používají také k výrobě paměti RAM. RAM je často rozložena do mřížky, přičemž vodiče jdou ve dvou směrech:
Dekodéry převezmou binární vstup a zapnou odpovídající očíslovaný vodič. Například „11“ je 3 v binárním formátu, což je nejvyšší 2bitové číslo, takže dekodér by zapnul nejvyšší vodič. Na každé křižovatce je registr. Všechny jsou připojeny k centrální sběrnici a k centrálnímu vstupu pro zápis a čtení. Vstup pro čtení i zápis se zapne pouze v případě, že jsou také zapnuté dva vodiče překračující registr, což vám umožní vybrat registr, ze kterého se bude psát a číst. Moderní RAM je opět mnohem komplikovanější, ale toto nastavení stále funguje.
Hodiny, krokovač a dekodér
Registry se používají všude a jsou základním nástrojem pro přesun dat a ukládání informací v CPU. Co jim tedy říká, aby věci hýbali?
Hodiny jsou první komponentou v jádru CPU a budou se vypínat a zapínat v nastaveném intervalu, měřeno v hertzích nebo cyklech za sekundu. To je rychlost, kterou vidíte inzerovanou vedle CPU; čip 5 GHz může provádět 5 miliard cyklů za sekundu. Rychlost hodin je často velmi dobrou metrikou toho, jak rychlý je procesor.
Hodiny mají tři různé stavy: základní hodiny, aktivační hodiny a nastavené hodiny. Základní hodiny budou zapnuty půl cyklu a pro druhou polovinu vypnuté. Hodiny povolení se používají k zapnutí registrů a budou muset být zapnuté déle, aby se zajistilo, že jsou data povolena. Nastavené hodiny musí být vždy zapnuty současně s aktivačními hodinami, jinak by mohla být zapsána nesprávná data.
Hodiny jsou připojeny k krokovému motoru, který bude počítat od jednoho do maximálního kroku, a po dokončení se resetuje zpět na jeden. Hodiny jsou také připojeny k branám AND pro každý registr, do kterého může CPU zapisovat:
Tyto brány AND jsou také připojeny k výstupu jiné komponenty, dekodéru instrukcí. Dekodér instrukcí převezme instrukci jako „SET R2 TO R1“ a dekóduje ji do něčeho, čemu CPU rozumí. Má svůj vlastní vnitřní registr, který se nazývá „Registr instrukcí“ a je tam uložena aktuální operace. Jak přesně to dělá, jde do systému, ve kterém běžíte, ale jakmile je dekódován, zapne správnou sadu a povolí bity pro správné registry, které se vypálí podle hodin.
Programové instrukce jsou uloženy v RAM (nebo L1 cache na moderních systémech, blíže k CPU). Vzhledem k tomu, že programová data jsou uložena v registrech, stejně jako všechny ostatní proměnné, lze s nimi za běhu manipulovat a skákat po programu. Takto programy získají svou strukturu se smyčkami a příkazy if. Instrukce skoku nastaví aktuální umístění v paměti, ze které dekodér instrukce čte, do jiného umístění.
Jak to všechno jde dohromady
Nyní je naše hrubé zjednodušení fungování CPU hotové. Hlavní sběrnice pokrývá celý systém a připojuje se ke všem registrům. Úplné doplňky spolu s řadou dalších operací jsou zabaleny do aritmetické logické jednotky nebo ALU. Tato ALU bude mít připojení k sběrnici a bude mít také vlastní registry pro ukládání druhého čísla, na kterém pracuje.
Pro provedení výpočtu se programová data načtou ze systémové paměti RAM do řídicí sekce. Řídicí část čte dvě čísla z RAM, načte první do registru instrukcí ALU a poté načte druhé na sběrnici. Mezitím odešle ALU instrukční kód, který mu řekne, co má dělat. ALU poté provede všechny výpočty a uloží výsledek do jiného registru, ze kterého může CPU číst, a poté pokračovat v procesu.
Kredit obrázku: Rost9 / Shutterstock
