Majoritatea lucrurilor dintr-un computer sunt relativ ușor de înțeles: memoria RAM, stocarea, perifericele și software-ul lucrează împreună pentru a face o funcție de computer. Dar inima sistemului dvs., CPU, pare magie chiar și pentru mulți oameni de tehnologie. Aici vom face tot posibilul să o descompunem.
Majoritatea cercetărilor pentru acest articol provin din „Dar cum se știe?” de J. Clark Scott. Este o lectură fantastică, intră în profunzime mult mai mult decât va face acest articol și merită câțiva dolari pe Amazon.
O notă înainte de a începe: procesoarele moderne sunt ordine de mărime mai complexe decât ceea ce prezentăm aici. Este aproape imposibil pentru o persoană să înțeleagă fiecare nuanță a unui cip cu peste un miliard de tranzistori. Cu toate acestea, principiile de bază ale modului în care totul se potrivește rămân aceleași, iar înțelegerea elementelor de bază vă va oferi o mai bună înțelegere a sistemelor moderne.
Începând cu Mic
Calculatoarele operează în binar . Ei înțeleg doar două stări: activat și oprit. Pentru a efectua calcule în binar, ei folosesc ceea ce se numește tranzistor. Tranzistorul permite curentului sursă să curgă prin el către dren numai dacă există curent peste poartă. În esență, acesta formează un comutator binar, care taie firul în funcție de un al doilea semnal de intrare.
LEGATE DE: Ce este binar și de ce îl folosesc computerele?
Calculatoarele moderne folosesc miliarde de tranzistoare pentru a efectua calcule, dar la cele mai mici niveluri, aveți nevoie doar de o mână pentru a forma cele mai elementare componente, cunoscute sub numele de porți.
Logic Gates
Stivați câțiva tranzistori în mod corespunzător și aveți ceea ce este cunoscut ca o poartă logică. Porțile logice iau două intrări binare, le efectuează o operație și returnează o ieșire. Poarta SAU, de exemplu, returnează adevărat dacă oricare dintre intrări este adevărată. Poarta AND verifică dacă ambele intrări sunt adevărate, XOR verifică dacă doar una dintre intrări este adevărată, iar variantele N (NOR, NAND și XNOR) sunt versiuni inversate ale porților lor de bază.
Făcând matematică cu porți
Cu doar două porți puteți face adăugarea binară de bază. Această diagramă de mai sus arată o jumătate de sumator, creată folosind Logic , un loc de joacă online gratuit pentru porțile logice. Poarta XOR de aici se va activa dacă doar una dintre intrări este activată, dar nu ambele. Poarta AND se va activa dacă ambele intrări sunt activate, dar rămâne oprită dacă nu există intrări. Deci, dacă ambele sunt activate, XOR rămâne oprit și poarta ȘI se aprinde, ajungând la răspunsul corect al două:
Acest lucru ne oferă o configurare simplă cu trei ieșiri distincte: zero, una și două. Dar un bit nu poate stoca nimic mai mare de 1 și această mașină nu este prea utilă, deoarece rezolvă doar una dintre cele mai simple probleme de matematică posibile. Dar acesta este doar o jumătate de sumator și, dacă conectați două dintre ele cu o altă intrare, veți obține un sumator complet:
Sumatorul complet are trei intrări - cele două numere de adăugat și un „carry”. Transportul este utilizat atunci când numărul final depășește ceea ce poate fi stocat într-un singur bit. Sumatoarele complete vor fi legate într-un lanț, iar transportul este trecut de la o sumă la alta. Transportul se adaugă la rezultatul porții XOR din prima jumătate a sumatorului și există o poartă SAU suplimentară pentru a gestiona ambele cazuri atunci când ar trebui să fie activată.
Când ambele intrări sunt activate, reportul se activează și îl trimite către următorul sumator complet din lanț:
Și acest lucru este la fel de complex pe cât devine adăugarea. Trecerea la mai mulți biți înseamnă, în esență, mai mulți adăugători plini într-un lanț mai lung.
Majoritatea celorlalte operații matematice se pot face cu adaos; înmulțirea este doar adunarea repetată, scăderea se poate face cu o inversiune de biți fantezie și divizarea este doar scăderea repetată. Și, deși toate computerele moderne au soluții bazate pe hardware pentru a accelera operațiunile mai complicate, puteți face totul din punct de vedere tehnic cu suma completă.
Autobuzul și memoria
În acest moment, computerul nostru nu este altceva decât un calculator prost. Acest lucru se datorează faptului că nu își poate aminti nimic și nu face nimic cu rezultatele sale. Arătat mai sus este o celulă de memorie, care poate face toate acestea. Sub capotă, folosește o mulțime de porți NAND, iar în viața reală poate fi destul de diferită în funcție de tehnica de depozitare, dar funcția sa este aceeași. Îi dai niște intrări, activezi bitul ‘write’ și va stoca intrările în interiorul celulei. Aceasta nu este doar o celulă de memorie, deoarece avem nevoie și de o modalitate de a citi informații din ea. Acest lucru se face cu un activator, care este o colecție de porți ȘI pentru fiecare bit din memorie, toate legate de o altă intrare, bitul „citit”. Biții de scriere și citire sunt deseori numiți „set” și „enable”.
Întregul pachet este înfășurat în ceea ce este cunoscut sub numele de registru. Aceste registre sunt conectate la magistrală, care este un pachet de fire care rulează în jurul întregului sistem, conectat la fiecare componentă. Chiar și computerele moderne au un autobuz, deși pot avea mai multe autobuze pentru a îmbunătăți performanța multitasking.
Fiecare registru are încă un bit de scriere și citire, dar în această configurare, intrarea și ieșirea sunt același lucru. Acest lucru este de fapt bun. De exemplu. Dacă doriți să copiați conținutul lui R1 în R2, ați porni bitul de citire pentru R1, care ar împinge conținutul lui R1 pe magistrală. În timp ce bitul de citire este activat, ați porni bitul de scriere pentru R2, care ar copia conținutul magistralei în R2.
Registrele sunt folosite și pentru a face RAM. RAM-ul este adesea așezat într-o rețea, firele mergând în două direcții:
Decodificatoarele iau o intrare binară și pornesc firul numerotat corespunzător. De exemplu, „11” este 3 în binar, cel mai mare număr de 2 biți, deci decodorul ar porni cel mai mare fir. La fiecare intersecție, există un registru. Toate acestea sunt conectate la magistrala centrală și la o intrare centrală de scriere și citire. Atât intrarea de citire, cât și cea de scriere se vor activa numai dacă cele două fire care traversează registrul sunt activate, permițându-vă efectiv să selectați registrul din care să scrieți și să citiți. Din nou, memoria RAM modernă este mult mai complicată, dar această configurare funcționează în continuare.
Ceasul, Stepper-ul și Decodorul
Registrele sunt folosite peste tot și sunt instrumentul de bază pentru deplasarea datelor și stocarea informațiilor în CPU. Deci, ce le spune să mute lucrurile?
Ceasul este prima componentă din nucleul procesorului și se va opri și porni la un interval stabilit, măsurat în hertz sau cicluri pe secundă. Aceasta este viteza pe care o vedeți promovată alături de procesoare; un cip de 5 GHz poate efectua 5 miliarde de cicluri pe secundă. Viteza de ceas este adesea o valoare foarte bună pentru cât de rapid este un procesor.
Ceasul are trei stări diferite: ceasul de bază, ceasul de activare și ceasul setat. Ceasul de bază va fi pornit pentru o jumătate de ciclu și oprit pentru cealaltă jumătate. Ceasul de activare este utilizat pentru a activa registrele și va trebui să fie activat mai mult timp pentru a vă asigura că datele sunt activate. Ceasul setat trebuie întotdeauna să fie pornit în același timp cu ceasul de activare, altfel ar putea fi scrise date incorecte.
Ceasul este conectat la stepper, care va conta de la unul la pasul maxim și se va reseta înapoi la unul după ce a terminat. Ceasul este, de asemenea, conectat la porțile ȘI pentru fiecare registru pe care CPU îl poate scrie:
Aceste porți ȘI sunt, de asemenea, conectate la ieșirea unei alte componente, decodorul de instrucțiuni. Decodorul de instrucțiuni ia o instrucțiune precum „SET R2 TO R1” și o decodifică în ceva pe care CPU îl poate înțelege. Are propriul registru intern, numit „Registrul de instrucțiuni”, care este locul unde este stocată operațiunea curentă. Cât de exact face acest lucru se reduce la sistemul pe care îl folosiți, dar odată ce este decodat, acesta va porni setul corect și va activa biții pentru registrele corecte, care se vor declanșa în conformitate cu ceasul.
Instrucțiunile de program sunt stocate în memoria RAM (sau cache L1 pe sistemele moderne, mai aproape de CPU). Deoarece datele programului sunt stocate în registre, la fel ca orice altă variabilă, pot fi manipulate din mers pentru a sări în jurul programului. Acesta este modul în care programele își obțin structura, cu bucle și declarații if. O instrucțiune de salt setează locația curentă în memorie pe care decodorul de instrucțiuni o citește într-o altă locație.
Cum vine totul împreună
Acum, simplificarea excesivă a modului în care funcționează un procesor este completă. Autobuzul principal acoperă întregul sistem și se conectează la toate registrele. Sumatoarele complete, împreună cu o grămadă de alte operațiuni, sunt ambalate în Unitatea Logică Aritmetică sau ALU. Acest ALU va avea conexiuni la autobuz și va avea, de asemenea, propriile sale registre pentru stocarea celui de-al doilea număr pe care operează.
Pentru a efectua un calcul, datele programului sunt încărcate din memoria RAM a sistemului în secțiunea de control. Secțiunea de control citește două numere din RAM, îl încarcă pe primul în registrul de instrucțiuni al ALU și apoi îl încarcă pe al doilea pe magistrală. Între timp, trimite ALU un cod de instrucțiuni care îi spune ce să facă. ALU efectuează apoi toate calculele și stochează rezultatul într-un registru diferit, din care CPU poate citi și apoi poate continua procesul.
Credit de imagine: Rost9 / Shutterstock
