prompter: Как работает процессор в подробностях?

assistant: Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.
Два основных компонента процессора
Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

    УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
    УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.
Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).
Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.
Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

    RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
    JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
    T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
    D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.
Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

    Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
    Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
    Информационные: move, input, outptut, load и store.
    Команды перехода: goto, if ... goto, call и return.
    Команда останова: halt.

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чемпионкой больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор выполняет одну инструкцию

assistant: Процессор - это как мозг компьютера. Он указывает компьютеру, что и как делать.

Он работает, следуя набору инструкций, называемых программой. Эти инструкции указывают процессору, что делать, шаг за шагом, как в рецепте.

Процессор имеет различные части, называемые "регистрами", которые могут временно хранить информацию, как полка в кладовке. В нем также есть "математические блоки", которые могут выполнять вычисления, как в калькуляторе.

Когда процессор получает инструкцию, он читает ее и решает, что ему нужно сделать. Возможно, ему нужно сложить два числа или сравнить два предмета, чтобы узнать, одинаковые ли они.

Процессор использует свои регистры и математические блоки для выполнения инструкции. Затем он переходит к следующей инструкции в программе и делает то же самое снова.

Это происходит очень быстро, миллионы раз в секунду! Вот почему компьютер может делать так много вещей одновременно, например, играть в игру, просматривать Интернет или писать документ.

Надеюсь, это поможет! Дайте мне знать, если у вас есть еще вопросы.

assistant: Что на самом деле делает процессор?

Процессор, иначе называемый ЦП или CPU (Central Processing Unit), — основа любого оборудования, без которого ничего не работает. CPU обрабатывает процессы на двоичном машинном языке: проще говоря, «0» означает «нет», а «1» — «да». Любая команда отправляется процессору в комбинации из двух чисел 0 и 1. ЦП обрабатывает их одну за другой, по очереди.

Помимо рабочих команд, процессор также реагирует на непредвиденные события. Они отправляются ему с помощью прерываний (Interrupts). CPU прерывает свою сиюминутную работу, сохраняет значения и сначала обрабатывает непредвиденное событие. После этого он снова продолжает работу над первоначальной командой.

Как работает процессор

Процессор обрабатывает команды в четыре этапа, описанные Джоном фон Нейманом еще в 1945 году: Fetch, Decode, Fetch Operands и Execute.

1)    Fetch: сначала из регистра командной строки в оперативной памяти считывается адрес следующей команды и загружается в накопитель команд.
2)    Decode: декодер команд расшифровывает команду и активирует все схемы, необходимые для ее выполнения.
3)    Fetch Operands: теперь все значения и параметры команды загружаются в регистры, которые необходимо изменить. Процессор находит эти значения на жестком диске, в кэш-памяти или оперативной памяти.
4)    Execute: процесс выполняется. Это может быть, например, управление периферийным устройством, таким как принтер, или вычислительная операция в устройстве обработки информации. После завершения Execute цикл может начаться снова, то есть процессор приступает к обработке следующей команды.