Как это работает: микропроцессор

Вы используете компьютер или мобильное устройство, чтобы читать данный топик в настоящее время. Компьютер или мобильное устройство для выполнения этих действий использует микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого устройства, сервера или ноутбука. Существует много марок микропроцессоров от самых разных производителей, но все они делают примерно то же самое и примерно таким же образом.

Микропроцессор — также известный как процессор или центральный блок обработки — это вычислительный двигатель, который изготовлен на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, он появился в 1971 году и был не столь мощным. Он мог складывать и вычитать, и это только 4 бита за один раз. Удивительным процессор был потому, что был выполнен на одном чипе. Вы спросите почему? А я отвечу: инженеры в то время производили процессоры либо из нескольких чипов или из дискретных компонентов (транзисторы использовались в отдельных корпусах).

Если вы когда-либо задавались вопросом, что микропроцессор делает в компьютере, как внешне выглядит или каковы его различия по сравнению с другими типами микропроцессоров, то ступайте под кат — там всё самое интересное, и подробности.

Прогресс в производстве микропроцессоров: Intel

Первым микропроцессором, ставшим впоследствии сердцем простого домашнего компьютера, был Intel 8080 — полный 8-разрядный компьютер на одном чипе, появившийся в 1974 году. Первый микропроцессор стал причиной реального всплеска на рынке. Позже в 1979 году была выпущена новая модель — Intel 8088. Если вы знакомы с рынком ПК и его историей, то знаете, что рынок ПК переехал от Intel 8088 к Intel 80286, а тот к Intel 80386 и Intel 80486, а после к Pentium, Pentium II, Pentium III и Pentium 4. Все эти микропроцессоры сделаны Intel, и все они являются улучшениями базовой конструкции Intel 8088. Pentium 4 может выполнить любой код, но делает он это в 5000 раз быстрее.

В 2004 году Intel представила микропроцессоры с несколькими ядрами и миллионным количеством транзисторов, но даже эти микропроцессоры следовали общим правилам, что и ранее изготовленные чипы. Дополнительная информация в таблице:

• Дата: является годом, когда процессор был впервые представлен. Многие процессоры были выпущены вновь, но уже с более высокими тактовыми частотами, и это продолжалось в течение многих лет после оригинальной даты выпуска
• Транзисторы: это количество транзисторов на кристалле. Вы можете видеть, что число транзисторов на одном кристалле неуклонно растёт на протяжении многих лет
• Микрон: ширина в микронах наименьшей проволоки на чипе. Для сравнения могу привести человеческий волос, имеющий толщину около 100 мкм. Поскольку размеры были всё меньше и меньше, число транзисторов возрастало
• Тактовая частота: максимальная скорость, которую чип может развить. О тактовой частоте я расскажу чуточку позже
• Ширина (шина) данных: является шириной АЛУ (арифметико-логическое устройство). 8-битное АЛУ может добавить, вычесть, умножить и т. д. Во многих случаях шина данных имеет ту же ширину, как АЛУ, но не всегда. Intel 8088 был 16-битным и имел 8-битную шину, в то время как современные модели Pentium 64-битные.
• MIPS: данная колонка в таблице выступает за отображение количества операций в секунду. Является единицей измерения для микропроцессоров. Современные процессоры могут сделать столько всяких штук, что сегодняшние рейтинги, представленные в таблице, потеряют всякий смысл. Зато вы можете ощутить относительную мощность микропроцессоров тех времён

Из этой таблицы видно, что, в общем, существует связь между тактовой частотой и MIPS (количеством совершаемых операций в секунду). Максимальная тактовая частота является функцией производственного процессора. Существует также зависимость между количеством транзисторов и количеством операций в секунду. Например, Intel 8088 с тактовой частотой 5 МГц (а сейчас 2.5-3 ГГц) выполняет только 0.33 MIPS (около одной инструкции для каждого 15 такта). Современные процессоры могут часто выполнять две инструкции за такт. Это повышение напрямую связано с числом транзисторов на чипе и я расскажу об этом тоже далее.

Что такое чип?

Чип также называется интегральной схемой. Обычно это небольшой, тонкий кусочек кремния, на которой транзисторы, входящие в состав микропроцессора были выгравированы. Чип может быть размером в один дюйм, но при этом содержать в себе десятки миллионов транзисторов. Более простые процессоры могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе всего в несколько квадратных миллиметров.

Как это работает

Intel Pentium 4

Чтобы понять, как работает микропроцессор, было бы полезно заглянуть внутрь и узнать о его внутренностях. В процессе вы также можете узнать о языке ассемблера — родном языке микропроцессора, и многое из того, что инженеры могут сделать, чтобы увеличить скорость процессора.

Микропроцессор выполняет коллекцию машинных инструкций, которые сообщают процессору, что делать. Основываясь на инструкциях, микропроцессор делает три основные вещи:

• Используя своё АЛУ (арифметико-логическое устройство), микропроцессор может выполнять математические операции. Например, сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры способны выполнять чрезвычайно сложные операции
• Микропроцессор может перемещать данные из одного места памяти в другое
• Микропроцессор может принимать решения и перейти к новому набору инструкций, основанному на этих решениях

Говоря прямо, микропроцессор делает сложные штуки, но выше я описал три основных вида деятельности. Следующая диаграмма показывает очень простой микропроцессор, способный делать эти три вещи. Этот микропроцессор имеет:

• Шина адреса (8, 16 или 32 бита), которая посылает обращение к памяти
• Шина данных (8, 16 или 32 бита), которая передаёт данные в память или принимает данные от памяти
• RD (read, чтение) и WR (write, запись) сообщают памяти, хотят ли они произвести установку или же получить адресованное местоположение
• Линия часов, которая позволяет просмотреть последовательность тактовых импульсов процессора
• Линия сброса, которая сбрасывает счётчик команд к нулю и перезапускает выполнение

Память микропроцессора

Ранее мы говорили о шинах адреса и данных, а также о линиях чтения и записи. Всё это соединяется либо с ОЗУ (оперативная память) или с ПЗУ (постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) — как правило, с обеими. В нашем примере микропроцессора мы имеем широкую адресную шину 8 бит и такую же широкую шину данных — тоже 8 бит. Это означает, что микропроцессор может обратиться 2^8 к 256 байт памяти, и может читать и писать 8 бит памяти за один раз. Давайте предположим, что этот простой микропроцессор имеет 128 байт встроенной памяти, начиная с адреса 0 и 128 байт оперативной памяти, начиная с адреса 128.

Оперативная память выступает за память только для чтения. Микросхема постоянной памяти запрограммирована с постоянными предустановленными заданными байтами. Шинный адрес сообщает чипу оперативной памяти, который байт, добраться и поместиться на шине данных. Когда линия чтения изменяет своё состояние, микросхема постоянной памяти представляет выбранный байт на шину данных.

Оперативная память выступает за оперативную память, лол. ОЗУ содержит байт информации, и микропроцессор может читать или писать на эти байты в зависимости от того, сигнализирует ли линия чтения или записи. Одна из проблем, которую можно встретить в сегодняшних чипах — они забывают всё, как только уходит энергия. Поэтому компьютер должен обладать оперативной памятью.

RAM chip или чип постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)

Кстати, почти все компьютеры содержат некоторое количество оперативной памяти. На персональном компьютере постоянное запоминающее устройство называется BIOS (Basic Input/Output System). При запуске микропроцессор начинает выполнять инструкции, которые он находит в BIOS. Инструкции BIOS, к слову, тоже выполняют свои роли: выполняют проверку аппаратных средств, а затем вся информация поступает на жёсткий диск, чтобы создать загрузочный сектор. Загрузочный сектор — это одна небольшая программа, и BIOS хранит её в памяти после прочтения её с диска. Затем микропроцессор начинает выполнять инструкции загрузочного сектора из оперативной памяти. Программа загрузочного сектора покажет микропроцессору, что нужно ещё взять с собой с жесткого диска в оперативную память, а затем выполняет всё это и так далее. Это — то, как микропроцессор загружает и выполняет всю операционную систему.

Микропроцессорные инструкции

Даже невероятно простой микропроцессор, описанный мною только что, будет иметь довольно большой набор инструкций, которые он может выполнять. Коллекция инструкций реализована в виде битовых шаблонов, каждый из которых имеет различное значение, когда загражается в сектор команд. Люди не особенно хорошо запоминают битовые шаблоны, так как это набор коротких слов. К слову, этот набор коротких слов называется языком ассемблера процессора. Ассемблер может переводить слова в битовый шаблон очень легко, а затем старания ассемблера будут помещены в память для микропроцессора с целью выполнения.

Вот набор инструкций языка ассемблера:

• LOADA mem — загрузить в регистр с адресом памяти
• LOADB mem — загрузить в регистр B от адреса памяти
• CONB mem — загрузить постоянное значение в регистр B
• SAVEB mem — сохранить регистр B в адрес памяти
• SAVEC mem — сохранить регистр C в адрес памяти
• ADD — добавить A и B и сохранить результат в C
• SUB — вычесть A и B и сохранить результат в C
• MUL — умножить A и B и сохранить результат в C
• DIV — разделить A и B и сохранить результат в C
• COM — сравнить A и B и сохранить результат в тесте
• JUMP addr — перейти по адресу
• JEQ addr — перейти, если равно, для решения
• JNEQ addr — перейти, если не равно, для решения
• JG addr — перейти, если больше, для решения
• JGE addr — перейти, если больше или равно, для решения
• JL addr — перейти, если меньше, для решения
• JLE addr — перейти, если меньше или равно, для решения
• STOP — остановить выполнение

Язык ассемблера

Компилятор C переводит этот C-код на языке ассемблера. Если предположить, что оперативная память начинается с адреса 128 в этом процессоре, и постоянное запоминающее устройство (в котором содержится программа на языке ассемблера) начинается с адреса 0, то для нашего простого микропроцессора ассемблер может выглядеть следующим образом:

// Assume a is at address 128// Assume F is at address 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

Таким образом, теперь вопрос: «Как все эти инструкции интегрируются с постоянным запоминающим устройством?». Я поясню, конечно: каждая из этих команд на языке ассемблера должна быть представлена в виде двоичного числа. Для простоты предположим, что каждая команда на языке ассемблера присваивает себе уникальный номер. Например, это будет выглядеть так:

• LOADA — 1
• LOADB — 2
• CONB — 3
• SAVEB — 4
• SAVEC mem — 5
• ADD — 6
• SUB — 7
• MUL — 8
• DIV — 9
• COM — 10
• JUMP addr — 11
• JEQ addr — 12
• JNEQ addr — 13
• JG addr — 14
• JGE addr — 15
• JL addr — 16
• JLE addr — 17
• STOP — 18

Данные цифры будут известны как коды операций. В постоянном запоминающем устройстве наша маленькая программа будет выглядеть следующим образом:

// Assume a is at address 128// Assume F is at address 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Вы видите, что 7 линий C-кода стали 18 линиями ассемблера, и это всё стало 32 байтами в постоянном запоминающем устройстве.

Декодирование

Инструкция декодирования должна превратить каждый из кодов операций в набор сигналов, которые будут управлять различными компонентами внутри микропроцессора. Давайте возьмём инструкции ADD в качестве примера и посмотрим, что она должна будет сделать. Итак:

• 1. В первом такте необходимо загрузить саму инструкцию, поэтому декодеру нужно: активировать тремя состояниями буфер для счётчика команд, активировать линию чтения (RD), активировать данные в трёх штатах буфера в регистре команд
• 2. Во втором такте инструкция ADD декодируется. Тут нужно сделать совсем немного: установить операцию арифметико-логического устройства (АЛУ) в регистр C
• 3. Во время третьего такта программный счётчик увеличивается (в теории это может перекрываться во втором такте)

Каждая инструкция может быть разбита в виде набора секвенированных операций — таких, какие мы только что просмотрели. Они манипулируют компонентами микропроцессора в правильном порядке. Некоторые указания, как, например, инструкция ADD, может занять два-три такта. Другие могут занять пять или шесть тактов.

Подойдём к концу

Количество транзисторов имеет огромное влияние на производительность процессора. Как можно заметить выше, типичный микропроцессор Intel 8088 мог выполнять 15 циклов. Чем больше транзисторов, тем выше производительность — всё просто. Большое количество транзисторов также допускает такую технологию, как конвейерная обработка.

Конвейерная архитектура складывается из выполнения команд. Это может занять пять циклов для выполнения одной команды, но не может быть пять инструкций на разных стадиях исполнения одновременно. Таким образом, похоже, что одна команда завершает каждый тактовый цикл.

Все эти тенденции позволяют расти количеству транзисторов, что приводит к многомиллионным транзисторным тяжеловесам, которые доступны сегодня. Подобные процессоры могут выполнять около миллиарда операций в секунду — только представьте себе. Кстати, сейчас многие производители стали интересоваться выпуском 64-битных мобильных процессоров и очевидно наступает очередная волна, только на сей раз королём моды является 64-разрядная архитектура. Может и я доберусь в ближайшее время до этой темы и поведаю вам, как же на самом деле это работает. На этом, пожалуй, всё на сегодня. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали много нового.