A legtöbb dolgot egy számítógépen viszonylag egyszerűen meg lehet érteni: a RAM, a tárhely, a perifériák és a szoftver együtt működnek a számítógép működéséhez. De a rendszer szíve, a CPU, sok technikus számára is varázslatnak tűnik. Itt mindent megteszünk annak lebontása érdekében.
A cikk kutatásának nagy része származik - De honnan tudhatja? írta: J. Clark Scott. Fantasztikus olvasmány, sokkal mélyebbre megy, mint ez a cikk, és megéri a pár dollárt az Amazon-on.
Egy megjegyzés, mielőtt nekilátnánk: a modern CPU-k nagyságrendekkel összetettebbek, mint amit itt felvázolunk. Szinte lehetetlen, hogy egy ember megértse a több mint egymilliárd tranzisztorral rendelkező chip minden árnyalatát. Azonban, hogy miként illeszkedik össze, az alapelvek változatlanok maradnak, és az alapok megértése jobban megérti a modern rendszereket.
Kezdve Kicsi
A számítógépek működnek bináris . Csak két állapotot értenek: be és ki. A bináris számítások elvégzéséhez az úgynevezett tranzisztort használják. A tranzisztor csak akkor engedi át a forrás áramát a lefolyóba, ha áram van a kapun. Lényegében ez egy bináris kapcsolót képez, amely a második bemeneti jel függvényében levágja a vezetéket.
ÖSSZEFÜGGŐ: Mi a bináris, és miért használják a számítógépek?
A modern számítógépek több milliárd tranzisztort használnak a számítások elvégzéséhez, de a legalacsonyabb szinteken csak néhányra van szükség a legalapvetőbb alkatrészek, kapuk néven.
Logikai kapuk
Helyezzen el néhány tranzisztort megfelelően, és megvan az úgynevezett logikai kapu. A logikai kapuk két bináris bemenetet vesznek fel, műveletet hajtanak végre rajtuk, és kimenetet adnak vissza. Például az OR kapu true-val tér vissza, ha az egyik bemenet igaz. Az AND gate ellenőrzi, hogy mindkét bemenet igaz-e, az XOR azt ellenőrzi, hogy csak az egyik bemenet igaz-e, és az N-variánsok (NOR, NAND és XNOR) az alapkapuk fordított verziói.
Matematika a kapukkal
Csak két kapuval elvégezheti az alapvető bináris kiegészítéseket. Ez a fenti ábra egy félösszeadót mutat be, amely a következővel készült: Logikusan , egy ingyenes online játszótér a logikai kapuk számára. Az XOR kapu itt kapcsol be, ha csak az egyik bemenet van bekapcsolva, de nem mindkettő. Az AND kapu bekapcsol, ha mindkét bemenet be van kapcsolva, de maradjon kikapcsolva, ha nincs bemenet. Tehát, ha mindkettő be van kapcsolva, az XOR kikapcsol, és az AND kapu bekapcsol, és kettő helyes válaszára jut:
Ez egyszerű beállítást ad három különféle kimenettel: nulla, egy és kettő. De egy bit nem képes többet tárolni, mint 1, és ez a gép nem túl hasznos, mivel csak a lehető legegyszerűbb matematikai problémákat oldja meg. De ez csak egy fél összeadó, és ha kettőt összekapcsol egy másik bemenettel, akkor teljes összeadót kap:
A teljes összegzőnek három bemenete van - a két hozzáadandó szám és egy „hordozó”. A hordozást akkor használjuk, ha a végső szám meghaladja az egyetlen bitben tárolható számot. A teljes összeadók összekapcsolódnak egy láncban, és a továbbítás egyik adóról a másikra kerül. A hordozást hozzáadjuk az XOR kapu eredményéhez az első félidőben, és van egy extra VAGY kapu mindkét eset kezelésére, amikor az így kell lennie.
Ha mindkét bemenet be van kapcsolva, a hordozhatóság bekapcsol és elküldi a lánc következő teljes összegzőjének:
És ez körülbelül olyan összetett, amennyire az összeadás történik. A több bitre való feljutás lényegében csak azt jelenti, hogy egy teljes láncban több teljes adalék van.
A legtöbb egyéb matematikai művelet kiegészítéssel elvégezhető; a szorzás csak ismételt összeadás, a kivonás elvégezhető némi képzeletbeli bit inverzióval, az osztás pedig csak ismételt kivonás. És bár minden modern számítógép rendelkezik hardveralapú megoldásokkal a bonyolultabb műveletek felgyorsítására, technikailag mindezt a teljes kiegészítéssel végezheti el.
A busz és a memória
Jelenleg számítógépünk nem más, mint egy rossz számológép. Ez azért van, mert nem emlékszik semmire, és semmit sem tesz a kimeneteivel. A fent látható egy memóriacella, amely képes minderre. A motorháztető alatt sok NAND kaput használ, és a való életben a tárolási technikától függően egészen más lehet, de a funkciója ugyanaz. Adsz neki néhány bemenetet, bekapcsolod az ‘írási’ bitet, és ez tárolja a bemeneteket a cellában. Ez nem csak memóriacella, mivel szükségünk van arra is, hogy információt olvassunk belőle. Ez egy enablerrel történik, amely a memória minden egyes bitjének ÉS kapujának a gyűjteménye, amelyek mind egy másik bemenethez, az „olvas” bithez vannak kötve. Az írási és olvasási biteket gyakran hívják „beállítottnak” és „engedélyezésnek” is.
Ez az egész csomag az úgynevezett regiszterbe van csomagolva. Ezek a regiszterek csatlakoznak a buszhoz, amely az egész rendszeren futó, minden alkatrészhez csatlakoztatott vezetékköteg. Még a modern számítógépeknek is van buszja, bár több buszuk is lehet a többfeladatos teljesítmény javítása érdekében.
Minden regiszternek van írási és olvasási bitje, de ebben a beállításban a bemenet és a kimenet ugyanaz. Ez tulajdonképpen jó. Például. Ha az R1 tartalmát R2-be akarja másolni, bekapcsolja az R1 olvasóbitjét, amely az R1 tartalmát a buszra tolja. Amíg az olvasóbit be van kapcsolva, bekapcsolja az R2 íróbitjét, amely a busz tartalmát R2-be másolja.
A regiszterekkel RAM-ot is készítenek. A RAM-ot gyakran egy rácsban helyezik el, a vezetékek két irányba mennek:
A dekóderek bináris bemenetet vesznek fel, és bekapcsolják a megfelelő számozott vezetéket. Például a „11” 3 bináris, a legnagyobb 2-bites szám, így a dekóder bekapcsolja a legmagasabb vezetéket. Minden kereszteződésben van egy regiszter. Mindezek csatlakoznak a központi buszhoz, valamint egy központi írási és olvasási bemenethez. Az olvasási és az írási bemenet is csak akkor kapcsol be, ha a regiszter fölött keresztező két vezeték is be van kapcsolva, így lehetővé teszi, hogy kiválassza a regisztert, amelyből írni és olvasni szeretne. Ismét a modern RAM sokkal bonyolultabb, de ez a beállítás még mindig működik.
Az Óra, a Léptető és a Dekóder
A regisztereket mindenhol használják, és ezek az alapvető eszközök az adatok mozgatásához és az információk tárolásához a CPU-ban. Tehát mi mondja nekik, hogy mozgassák a dolgokat?
Az óra az első komponens a CPU magjában, és meghatározott időközönként ki- és bekapcsol, hertzben vagy ciklus / másodpercben mérve. Ez az a sebesség, amelyet a CPU-k mellett hirdetnek; egy 5 GHz-es chip másodpercenként 5 milliárd ciklust képes végrehajtani. Az óra sebessége gyakran nagyon jó mutató a CPU gyorsaságára.
Az órának három különböző állapota van: az alapóra, az engedélyező és a beállított óra. Az alapóra fél cikluson át, a másik felénél pedig kikapcsol. Az engedélyező órát a regiszterek bekapcsolására használják, és hosszabb ideig kell bekapcsolnia, hogy megbizonyosodjon az adatok engedélyezéséről. A beállított órának mindig be kell kapcsolnia az engedélyező órával, különben hibás adatokat írhat.
Az óra csatlakozik a léptetőhöz, amely egytől a maximálisig számol, és ha elkészült, visszaállítja magát egyre. Az óra csatlakozik az egyes kapuk AND kapuihoz is, amelyekhez a CPU írhat:
Ezek az AND kapuk egy másik komponens, az utasításdekóder kimenetéhez is kapcsolódnak. Az utasításdekóder vesz egy olyan utasítást, mint a „SET R2 TO R1”, és dekódolja valamire, amelyet a CPU megérthet. Saját belső nyilvántartással rendelkezik, az úgynevezett „utasításregiszterrel”, ahol az aktuális művelet tárolódik. Hogy pontosan hogyan teszi ezt, az a rendszeren fut, amelyen futtat, de miután dekódolta, bekapcsolja a megfelelő készletet és engedélyezi a megfelelő regiszterekhez tartozó biteket, amelyek az órának megfelelően lángra kapnak.
A program utasításai a RAM-ban vannak tárolva (vagy L1 gyorsítótárban a modern rendszereken, közelebb a CPU-hoz). Mivel a programadatokat nyilvántartásokban tárolják, csakúgy, mint minden más változót, menet közben is manipulálható a program körüli ugráshoz. Így kapják meg a programok a struktúrájukat, ciklusokkal és if utasításokkal. Az ugrási utasítás beállítja a memória aktuális helyét, ahonnan az utasításdekóder egy másik helyre olvas.
Hogyan jön össze az egész
Most befejeződött a CPU működésének bruttó egyszerűsítése. A fő busz átíveli az egész rendszert és csatlakozik az összes regiszterhez. A teljes összeadókat és egy csomó egyéb műveletet az Aritmetikai Logikai Egységbe vagy az ALU-ba csomagolják. Ennek az ALU-nak kapcsolatai lesznek a buszhoz, és saját regiszterekkel is rendelkezik a második szám tárolásához, amelyen működik.
A számítás elvégzéséhez a programadatokat a rendszer RAM-járól töltjük be a vezérlő szakaszba. A vezérlő szakasz két számot olvas le a RAM-ból, betölti az elsőt az ALU utasításregiszterébe, majd a másodikat a buszra. Eközben az ALU-nak utasításkódot küld, amelyben megmondja, mit kell tennie. Ezután az ALU elvégzi az összes számítást, és az eredményt egy másik regiszterben tárolja, amelyet a CPU kiolvashat, majd folytathatja a folyamatot.
Kép jóváírása: Rost9 / Shutterstock
