Com funciona un processador físicament?

Anthony Hedings és el enginyer de núvol resident per als mitjans de comunicació LifeSavy, un escriptor tècnic, programador, i un expert a la plataforma d'A Amazon. Ha escrit centenars d'articles per a com a Geek i CloudSavy que han estat llegint milions de vegades. Llegiu més...

La majoria de coses d'un ordinador són relativament simples d'entendre: la RAM, l'emmagatzematge, els perifèrics, i el programari tot treballa junts per a fer una funció d'ordinador. Però el cor del teu sistema, la CPU, sembla que la màgia fins i tot per a molta gent tecnològica. Aquí, us ho farem el millor per trencar-lo.

La major part de la recerca d'aquest article prové de Tuvoz Però, com ho sap? <i>Kavyru</i>. Per J. Clark Scott. Va a una lectura fantàstica, va molt més profunditat que aquest article, i val la pena la parella de dòlars d'Amazon.

Una nota abans de començar: les CPU modernes són ordres de magnituds més complexes que el que nosaltres importem aquí. És gairebé impossible per a una persona entendre cada sessió d'un xip amb més de mil milions de transistors. No obstant això, els principis bàsics de com encaixa tots junts segueixen el mateix, i entendre que els bàsics et donaran una millor comprensió dels sistemes moderns.

S' està començant una petita

Els ordinadors operen binari . Només entenen dos estats: endavant. Per a realitzar càlculs en binaris, utilitzen el que va anomenar un transistor. El transistor només permet l'origen actual circular a través d'ella fins a la drena si hi ha corrent a l'altra banda de la porta. Essencialment, això forma un interruptor binari, que talla el cable depenent d' un segon senyal d'entrada.

Els ordinadors moderns utilitzen bilions de transistors per realitzar càlculs, però en els nivells més baixos, només necessiteu un grapat per formar els components més bàsics, coneguts com a portes.

Portades lògiquesStencils

Apila uns quants transistors correctament, i tens el que els militants coneguts com una porta lògica. portes lògiques Preneu dues entrades binaris, feu una operació sobre ells, i torneu- ne una. La porta OR, per exemple, retorna cert si qualsevol de les entrades és certa. Les comprovacions d'entrada i porta si les dues entrades són certes, XOR comprovacions si només una de les entrades és certa, i les N-varis (NOR, NAND i XNOR) són versions creuades de les seves portes base.

Fent matemàtiques amb Portes

Amb només dues portes podeu fer addició binària bàsica. Aquest diagrama de sobre mostra un addador mig, creat usant lògicament Un pati lliure en línia per a portes lògiques. La porta XOR aquí s'entregarà si només hi ha una de les entrades, però no totes dues. La porta AND s'activarà si hi ha tant d'entrada, però no us quedeu si no n'hi ha cap d' entrada. Així que si els dos estan en marxa, la XOR es manté apagada, i la porta i ve a la resposta correcta de dos:

Això ens dóna una simple configuració amb tres sortides diferents: zero, u i dos. Però una mica pot emmagatzemar res més alt que 1, i aquesta màquina no és gaire útil ja que només resol un dels problemes matemàtics més simples possibles. Però això només és un addador mig, i si els connecteu dos amb una altra entrada, obtens un adder complet:

L' aperador complet disposa de tres entrades d' entrada els dos números per afegir, i d' un arc de whisky. L' opció de carregar s' usa quan el número final excedeix el que es pot desar en una sola estona. Els addidors complets es lligaran en una cadena, i l'atac es passa d'un addador al següent. La càrrega s' afegeix al resultat de la porta XOR en la primera meitat d' afegir, i allà és una porta extra OR per gestionar els dos casos quan el cas hauria d'estar actiu.

Quan s' hagin activat les dues entrades, la càrrega s' activa, i l' envia al següent sumador complet en la cadena:

I això va de la forma més complexa com a afegit. Moure's a més bits bàsicament significa més adders complets en una cadena més llarga.

La majoria d' altres operacions matemàtiques es poden fer amb addició; la multiplicació és només repetida, la resta es pot fer amb una mica de la inversió elegant, i la divisió es repeteix amb la resta. I mentre que tots els ordinadors moderns tenen solucions de maquinari per accelerar operacions més complicades, ho podeu fer tècnicament tot amb el addador complet.

El bus i la memòria

Ara mateix, el nostre ordinador no és res més que una mala calculadora. Això és perquè pot dígits no recordar res, i no fa res amb les seves sortides. L'espectacle és una cel·la de memòria, que pot fer tot això. Sota la caputxa, utilitza moltes portes NAND, i en la vida real pot ser molt diferent depenent de la tècnica d'emmagatzematge, però la seva funció és la mateixa. Doneu-li algunes dades, activeu la part de l'escriptura d'escriure, i emmagatzemarà les dades d'entrada dins de la cel· la. Això no és només una cel·la de memòria, ja que també necessitem una manera de llegir-ne informació. Això s'ha fet amb un facilitador, que és una col·lecció de portes i portes per a cada mica de memòria, tots lligats a una altra entrada, la part d'Arthondret. Les dades d'escriptura i lectura sovint s' anomenen identificador de l' write i l'STABLE també.

Tot aquest paquet està embolicat amb el que es coneix com a registre. Aquests registres estan connectats a l'autobús, que és un paquet de cables movent-se per tot el sistema, connectats a tots els components. Fins i tot els ordinadors moderns tenen un bus, tot i que poden tenir múltiples autobusos per millorar el rendiment de la negociació.

Cada registre encara té una lletra i una mica de lectura, però en aquest arranjament, l' entrada i la sortida són el mateix. Això és bo de fet. Per exemple. Si volguéssiu copiar el contingut de R1 en R2, us convertiríeu en una mica de lectura per a R1, que empènyeria el contingut de R1 al bus. Mentre la part de la lectura està encesa, tu t'has convertit en l'escriptura per R2, que copiaria el contingut de l'autobús a R2.

Els registres també s'utilitzen per a fer RAM. La RAM sovint està posada en una xarxa, amb cables que van en dues direccions:

Els descodificadors prenen una entrada binària i giren el cable numèric corresponent. Per exemple, Manveen11 és 3 en binari, el número més alt de 2 bits, per tant el descodificador activaria el cable més alt. A cada intersecció, hi ha els intersects en un registre. Tots estan connectats al bus central i a una escriptura central i una entrada de lectura. Tant la lectura com l' entrada d' escriptura només s' activaran si els dos cables creuant el registre també estan activats, permetent- vos triar el registre dels quals escriure i llegir. De nou, la RAM moderna és molt més complicada, però aquesta configuració encara funciona.

El Rellotge, el Stepper, i el Comment

Els registres s'utilitzen a tot arreu i són l'eina bàsica per moure dades i emmagatzemar informació a la CPU. Llavors, què els hi diu que canviïn les coses?

El rellotge és el primer component en el nucli de la CPU i s' apagarà i en un interval establert, mesurat en el seutz, o cicles per segon. Aquesta és la velocitat que veieu anunciada al costat de les CPU, un xip 5 GHz pot realitzar 5 mil milions de cicles per segon. La velocitat del rellotge sovint és una bona mètriques per a com de ràpid és la CPU.

El rellotge té tres estats diferents: el rellotge base, el rellotge, i el rellotge establert. El rellotge de base estarà en mig cicle, i fora per l'altra meitat. L' habilitat del rellotge s' usa per activar els registres i haurà d' estar més temps per assegurar- se que les dades estan habilitades. El rellotge sempre ha d' estar en el mateix moment que el rellotge d' habilitar, o es poden escriure dades incorrectes.

El rellotge està connectat al pas, que comptarà des d'un fins a un pas màxim, i es tornarà a connectar a un quan es Clearners fet. El rellotge també està connectat a les portes i a cada registre que la CPU pot escriure a:

Aquestes portes i les portes també estan connectades a la sortida d'un altre component, el descodificador d' instruccions. El descodificador d' instruccions pren una instrucció com ANSI R2 a R176 i la descodifica en alguna cosa que la CPU pot entendre. Té el seu propi registre intern, anomenat LIBRIInstroducció de registre, 2001, que és on es desa l' operació actual. Com es fa això exactament al sistema en el que s' està executant, però un cop s'ascot, s'activa i habilita els bits per als registres correctes, que dispararà d'acord amb el rellotge.

Les instruccions dels programes es desen a la RAM (o al cau L1 en sistemes moderns, més a prop de la CPU). Com que les dades de programa es desen als registres, com totes les altres variables, es poden manipular a la mosca per saltar al voltant del programa. Així és com els programes reben la seva estructura, amb bucles i si hi ha declaracions. Una instrucció salt estableix la localització actual en memòria que el descodificador d' instruccions es llegeix des d' una ubicació diferent.

Com és que tots són juntes

Ara, la nostra sobresimplificació de com funciona una CPU. L'autobús principal s'estén tot el sistema i connecta a tots els registres. Els addistes plens, juntament amb altres operacions, s'instal·len a la Unitat de lògica ALU, o a l'ALU. Aquesta ALU tindrà connexions amb l'autobús, i també tindrà els seus propis registres per emmagatzemar el segon número en què es treballa.

Per a realitzar un càlcul, es carregaran dades de programa des de la RAM del sistema a la secció de control. La secció de control llegeix dos números de la RAM, carrega la primera a la caixa d' instruccions de l'ALU repercussions, i després carrega la segona a l'autobús. Mentrestant, envia un codi d' instrucció ALU dient-li què fer. L'ALAU fa tots els càlculs i desa el resultat en un registre diferent, que la CPU pot llegir i continuar el procés.