Как процессор понимает команды

# факты | Как работает процессор компьютера?

Вы читаете эти строки со смартфона, планшета или компьютера. Любое из этих устройств основано на микропроцессоре. Микропроцессор является «сердцем» любого компьютерного устройства. Существует много типов микропроцессоров, но все они решают одни и те же задачи. Сегодня мы поговорим о том, как процессор работает и какие задачи он выполняет. На первый взгляд все это представляется очевидным. Но очень многим пользователям было бы интересно углубить свои знания о важнейшем компоненте, обеспечивающем работу компьютера. Мы узнаем о том, как технология, основанная на простой цифровой логике, позволяет вашему компьютеру не только решать математические задачи, но и быть развлекательным центром. Как всего две цифры — единица и ноль — преобразуются в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие неоднократно задавали себе и будут рады получить на него ответ. Ведь даже в основе недавно рассмотренного нами процессора AMD Jaguar, на котором базируются новейшие игровые приставки, лежит та же древняя логика.

В англоязычной литературе микропроцессор часто называют CPU (central processing unit, [единым] модулем центрального процессора). Причина такого названия кроется в том, что современный процессор представляет собою единый чип. Первый микропроцессор в истории человечества был создан корпорацией Intel в далеком 1971 году.

Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии

Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал представленный в 1974 году Intel 8080. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера помещалась в одном чипе. Но по-настоящему большое значение имел анонс процессора Intel 8088. Он появился в 1979 году и с 1981 года стал использоваться в первых массовых персональных компьютерах IBM PC.

Далее процессоры начали развиваться и обрастать мощью. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной индустрии, помнит, что на смену 8088 пришли 80286. Затем настал черед 80386, за которым следовали 80486. Потом были несколько поколений «Пентиумов»: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все это «интеловские» процессоры, основанные на базовой конструкции 8088. Они обладали обратной совместимостью. Это значит, что Pentium 4 мог обработать любой фрагмент кода для 8088, но делал это со скоростью, возросшей примерно в пять тысяч раз. С тех пор прошло не так много лет, но успели смениться еще несколько поколений микропроцессоров.

• Name (Название). Модель процессора
• Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
• Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
• Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
• Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
• Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
• MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные микропроцессоры выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)

Существует непосредственная связь между тактовой частотой, а также количеством транзисторов и числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Например, тактовая частота процессора 8088 достигала 5 МГЦ, а производительность: всего 0,33 миллиона операций в секунду. То есть на выполнение одной инструкции требовалось порядка 15 тактов процессора. В 2004 году процессоры уже могли выполнять по две инструкции за один такт. Это улучшение было обеспечено увеличением количества процессоров в чипе.

Чип также называют интегральной микросхемой (или просто микросхемой). Чаще всего это маленькая и тонкая кремниевая пластинка, в которую «впечатаны» транзисторы. Чип, сторона которого достигает двух с половиной сантиметров, может содержать десятки миллионов транзисторов. Простейшие процессоры могут быть квадратиками со стороной всего в несколько миллиметров. И этого размера достаточно для нескольких тысяч транзисторов.

Логика микропроцессора

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Память микропроцессора

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 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

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

• 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

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 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

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

• В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
• В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
• В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

64-битные процессоры

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

Но далеко не все пользователи ощутят преимущества 64-битной архитектуры. Она необходима, прежде всего, тем, кто занимается редактированием видео и фотографий, а также работает с различными большими картинками. 64-битные компьютеры по достоинству оценены ценителями компьютерных игр. Но те пользователи, которые с помощью компьютера просто общаются в социальных сетях и бродят по веб-просторам да редактируют текстовые файлы никаких преимуществ этих процессоров, скорее всего, просто не почувствуют.

Из чего состоит центральный процессор?

Центральный процессор часто называют «мозгом» компьютера, ведь он, как и человеческий мозг, состоит из нескольких частей, собранных воедино для работы над информацией. Среди них есть те, что отвечают за прием информации, ее хранение, обработку и вывод. В этой статье портал TechSpot разбирает все ключевые элементы процессора, за счет которых и работают ваши компьютеры.

Этот текст входит в серию статей, в которых тщательно разбирается работа ключевых компонентов компьютера. Кроме того, если вы заинтересовались темой, рекомендуем ознакомиться с переводами статей серии «Как разрабатываются и создаются процессоры?».

В этой статье будут затронуты как основы работы процессоров, так и более сложные понятия. К сожалению, без некоторой абстрактности не обойтись, но на это есть свои причины. К примеру, если взглянуть на блок питания, можно легко рассмотреть все его части — от конденсаторов до транзисторов, однако в случае с процессорами все не так просто, ведь мы физически не можем разглядеть все микросхемы, а Intel и AMD не спешат делиться подробностями работы своей продукции с широкой публикой. Тем не менее, информация, представленная в статье, применима к подавляющему большинству современных процессоров.

Итак, приступим. Любому вычислительному устройству нужно нечто наподобие центрального процессора. По сути, программист пишет код для выполнения собственных целей, а затем процессор выполняет его для получения необходимого результата. Процессор также подключен к другим частям системы, вроде памяти и устройств ввода/вывода, чтобы обеспечить загрузку необходимых данных, но в этой статье мы не будем акцентировать на них внимание.

Фундамент любого процессора: архитектура набора команд

Первое, на что натыкаешься при разборе любого процессора — это на архитектуру набора команд (ISA). Архитектура является чем-то вроде фундамента работы процессора и именно от нее зависит то, как он работает и как все внутренние системы взаимодействуют друг с другом. Существует огромное количество архитектур, но самыми распространенными являются x86 (преимущественно в стационарных компьютерах и ноутбуках) и ARM (в мобильных устройствах и встроенных системах).

Чуть менее распространенными и более нишевыми являются MIPS, RISC-V и PowerPC. Архитектура набора отвечает за ряд основных вещей: какие инструкции процессор может обрабатывать, как он взаимодействует с памятью и кэшем, как задача распределяется по нескольким этапам обработки и др.

Чтобы лучше понять устройство процессора, разберем его элементы в том порядке, по которому выполняются команды. Различные типы инструкций могут следовать разными путями и использовать разные компоненты ЦП, поэтому здесь они будут обобщены, чтобы охватить максимум. Начнем с базового дизайна одноядерных процессоров и постепенно будем переходить к более продвинутым и сложным экземплярам.

Блок управления и исполнительный тракт

Элементы процессора можно разделить на два основных: блок управления (он же — управляющий автомат) и исполнительный тракт (он же — операционный автомат). Говоря простым языком, процессор — это поезд, в котором машинист (управляющий автомат) управляет различными элементами двигателя (операционного автомата).

Исполнительный тракт подобен двигателю и, как следует из названия, это путь, по которому данные передаются при их обработке. Он получает входные данные, обрабатывает их и отправляет в нужное место после завершения операции. Блок управления, в свою очередь, направляет этот поток данных. В зависимости от инструкции, исполнительный тракт будет направлять сигналы к различным компонентам процессора, включать и выключать различные части пути, а также отслеживать состояние всего процессора.

Блок-схема работы базового процессора. Черными линиями отображен поток данных, а красными — поток команд.

Цикл выполнения команд — Выборка

Первое, что должен сделать процессор — определить, какие команды необходимо выполнить следующими, а затем переместить их из памяти в блок управления. Команды создаются компилятором и зависят от архитектуры набора (ISA). Наиболее распространенные типы базовых инструкций (например, «загрузка», «хранение», «сложение», «вычитание» и др.) общие для всех ISA, но существует множество дополнительных, специальных типов команд, уникальных для конкретной архитектуры набора. Блок управления знает, какие сигналы и куда нужно направить для выполнения определенного типа команды.

К примеру, при запуске .exe файла в Windows, код этой программы отправляется в память и процессор получает адрес, с которого начинается первая команда. Процессор всегда поддерживает внутренний реестр, отслеживающий откуда должна будет выполняться следующая команда. Этот реестр называется счетчиком команд.

После того, как процессор определил точку, с которой нужно начинать цикл, происходит перемещение команды из памяти в вышеупомянутый реестр — этот процесс называется выборкой команды. По-хорошему, команда, скорее всего, уже находится в кэше процессора, но этот вопрос будет рассмотрен чуть позже.

Цикл выполнения команд — Декодирование

Когда процессор получает команду, ему нужно точно определить тип этой команды. Данный процесс называется декодированием. Каждая команда обладает особым набором битов, опкодом, который дает возможность процессору распознать ее тип. Примерно по тому же принципу работает распознавание компьютером различных расширений файлов. К примеру, .jpg и .png — форматы изображений, но каждый из них обрабатывает данные по-разному, поэтому компьютеру и нужно точно распознавать их тип.

Стоит отметить, что сложность декодирования может зависеть от того, насколько продвинутой является архитектура набора команд процессора. У архитектуры RISC-V, к примеру, несколько десятков команд, а у x86 — несколько тысяч. У типичного процессора Intel x86 процесс декодирования является одним из сложнейших и занимает огромное количество памяти. Чаще всего процессоры декодируют команды, связанные с памятью, арифметическими вычислениями и переходом.

3 основных типа команд

Команда памяти может представлять собой нечто вроде «прочтите значение из адреса памяти 1234 вместо значения А» или «запишите значение Б в адрес памяти 5678». Арифметические команды имеют вид в духе «добавьте значение А к значению Б и сохраните результат в значении В». Инструкции перехода, в свою очередь, похожи на «выполните этот код, если значение В положительное, или выполните другой код, если значение В отрицательное». Зачастую в программах используется цепочка сразу из нескольких вышеупомянутых примеров, из-за чего конечный результат выглядит примерно так: «добавьте значение адреса памяти 1234 к значению адреса памяти 5678 и сохраните его в адресе памяти 4321, если результат положительный, либо в адрес 8765, если результат отрицательный».

Перед тем, как перейти к выполнению декодированной команды, давайте уделим немного внимания регистрам.

Регистрами называются немногочисленные, но крайне быстрые фрагменты памяти процессора. У 64-битных процессоров каждый из них вмещает 64 бита, а всего их может быть несколько десятков на одно ядро. Регистры используются для хранения используемых в данный момент значений и их можно считать чем-то вроде кэша нулевого уровня. В приведенных выше примерах команд значения А, Б и В будут сохранены именно в регистре.

Арифметико-логическое устройство

Вернемся к этапу выполнения команд. Сразу отметим, что он отличается для всех трех вышеупомянутых типов команд, поэтому давайте рассмотрим каждый их них.

Самыми простыми для понимания являются арифметические команды. Эти команды отправляются в арифметическо-логическое устройство (ALU) для последующей обработки. Устройство представляет собой цепь, которая чаще всего работает с двумя значениями, отмеченными сигналом, и выдает результат.

Представьте себе обычный калькулятор. Для любого вычисления вы вводите значения, выбираете необходимую арифметическую операцию и получаете результат. Арифметическо-логическое устройство (ALU) работает по похожему принципу. Тип операции зависит от опкода команды, который управляющий автомат отправляет в ALU и которое в дополнение к базовой арифметике может производить со значениями такие битовые операции, как AND, OR, NOT и XOR. Кроме того, арифметическо-логическое устройство выводит информацию о проведенном вычислении для управляющего автомата (например, оказалось ли оно положительным, отрицательным, равным нулю или вызвало переполнение).

Несмотря на то, что арифметическо-логическое устройство чаще всего связано именно с арифметическими операциями, оно находит свое применение и в инструкциях памяти или перехода. Например, если процессору нужно вычислить адрес памяти, заданный в результате прошлого вычисления, либо в случае необходимости вычислить переход для добавления в счетчик программ, если инструкция того требует (пример: «если предыдущий результат отрицателен, перейти на 20 команд вперед»).

Команды и иерархия памяти

Чтобы лучше понять принцип работы команд, связанных с памятью, стоит обратить внимание на концепцию иерархии памяти — связь между кэшем, оперативной памятью и главным запоминающим устройством. Когда процессор работает с командой памяти, данных о которой у него еще нет в регистре, он будет продвигаться по иерархии памяти, пока не найдет нужную информацию. Большинство современных процессоров имеют три уровня кэша: первый, второй и третий. Сначала процессор проверит наличие необходимых команд в кэше первого уровня — самом маленьком и быстром из всех. Зачастую этот кэш разделен на две части: первая отведена под данные, а вторая — под команды. Помните, команды извлекаются процессором из памяти так же, как и любые другие данные.

Типичный кэш первого уровня может состоять из нескольких сотен килобайт. Если процессор не найдет в нем то, что нужно, то перейдет к проверке кэша второго уровня (размером в несколько мегабайт), а затем — третьего (уже занимающего десятки мегабайт). В случае, если необходимых данных не будет и в кэше третьего уровня, то поиск будет производиться в оперативной памяти, а затем в накопителях. С каждым подобным «шагом», увеличивается не только объем доступных данных, но и задержка.

После того, как процессор нашел необходимые данные, он отправляет их вверх по иерархии памяти для сокращения время поиска, на случай, если они понадобятся в дальнейшем. Для справки: процессор может считывать данные во внутреннем регистре всего за один-два цикла, в кэше первого уровня понадобится немногим больше, в кэше второго уровня уже около десяти, а третьего — несколько десятков циклов. Если приходится задействовать память или накопители, то процессору может понадобятся десятки тысяч, а то и миллионы циклов. В зависимости от системы, у каждого ядра процессора может быть собственный кэш первого уровня, общий с другим ядром кэш второго уровня и кэш третьего уровня у группы из четырех или более ядер. Более подробно речь о многоядерных процессорах пойдет позже.

Команды перехода и ветвления

Последняя из трех основных типов команд — это команда ветвления. Команды современных программ постоянно переходят с одного потока процессов на другой, а это значит, что процессор крайне редко выполняет более дюжины смежных команд без перехода. Команды ветвления происходят от элементов программирования, таких как код IF, FOR и RETURN. Все они используются для прерывания выполнения программы или переключения на другую часть кода. Кроме команд ветвления существуют и команды перехода, которые отличаются от первых тем, что они всегда участвуют в процессе выполнения программы.

Кроме обычных команд перехода, существуют и условные переходы, с которыми процессору работать особенно сложно, поскольку он может выполнять несколько инструкций одновременно и конечный результат всей ветки может быть нельзя определить пока не начата работа над выполнением связанных команд.

Чтобы понять, почему процессору трудно работать с условными переходами, стоит обратить внимание на такое понятие, как вычислительный конвейер. Каждый шаг в выполнении какой-либо команды может занимать несколько циклов, а это значит, что арифметико-логическое устройство могло бы простаивать без дела пока происходит выборка команды. Чтобы максимизировать эффективность вычислительной мощности процессора, каждая стадия разделяется на несколько частей — в процессе, который называется вычислительным конвейером (конвейерной обработкой).

Самой простой аналогией будет процесс стирки. Предположим, что у вас достаточно вещей на две полные загрузки стиральной машины, а стирка и сушка каждой партии занимает по часу. Вы вполне можете загрузить в стиральную машину первую партию вещей, а потом переместить на сушилку, а когда они высохнут — заняться второй партией. Это займет четыре часа. Однако, если вы разделите процесс на этапы и начнете стирку второй партии вещей, пока сушится первая, вы сможете выполнить всю работу за три часа. Сокращение времени зависит от количества загружаемых вещей и количества стиральных/сушильных машин. Для выполнения отдельной загрузки в любом случае понадобится два часа, но в приведенном примере накладывание процессов увеличивает общую пропускную способность с 0,5 загрузки/час до 0,75 загрузки в час.

Графическое представление конвейера, используемого в ядрах процессоров AMD Bobcat (2011). Обратите внимание, как много в нем различных элементов и стадий.

Процессоры используют тот же принцип для повышения пропускной способности команд. Конвейеры современных процессоров на архитектуре ARM или x86 могут использовать свыше 20 стадий вычислительного конвейера, а это значит, что ядро процессора одновременно обрабатывает свыше 20 различных команд. Процессоры могут отличаться по разделению этих стадий под различные нужды, но в одном из примеров, принцип работы которого находится в открытом доступе, имеется 4 цикла для выборки, 6 циклов для декодирования, 3 цикла для выполнения команд и 7 циклов для отправки результатов в память.

Возвращаясь к теме, теперь вы можете понять в чем проблема. Если процессор не определил тип команды до десятого цикла, то он начнет работу уже над 9 новыми командами, которые могут оказаться ненужными, если ветка команд уже не работает. Чтобы этого не происходило, процессоры оборудованы сложным механизмом, который называется модулем предсказателем переходов. По принципу работы этот механизм схож с машинным обучением. Детальное описание работы модуля предсказателя переходов — это тема для отдельной статьи, поэтому придется обойтись довольно простым объяснением: данный механизм отслеживает статус предыдущих переходов, чтобы определить, будет ли задействован следующий переход или нет. Современные предсказатели переходов могут обеспечить точность в 95% и выше.

После того, как точно станет известен результат перехода (т.е. завершился конкретный этап на конвейере), счетчик команд обновится и процессор приступит к выполнению следующей операции. Если же результат не совпал с тем, который предугадал предсказатель команд, процессор сбросит все команды, которые начал выполнять по ошибке, и запустит работу с правильной точки.

Внеочередное исполнение

Теперь, когда вы знаете принцип работы трех наиболее распространенных типов команд, давайте уделим внимание более продвинутыми функциям процессоров. Практически все современные модели ЦП фактически исполняют команды не в порядке их получения. Существует такая функция, как внеочередное исполнение, призванная сократить время простоя процессора во время ожидания завершения остальных команд.

Если процессор понимает, что следующей команде необходимы данные, для поиска которых понадобится больше времени, он может изменить порядок команд, начав работу над не связанной командой, пока происходит поиск. Внеочередное исполнение команд — необычайно полезная, но далеко не единственная вспомогательная функция процессора.

Еще одной крайне полезной особенностью процессора является предвыборка. Если засечь время, необходимое для выполнения случайной инструкции от начала и до конца, то можно обнаружить, что большую часть времени занимает доступ к памяти. Блок предварительной выборки — элемент в ЦП, который рассматривает команды, находящиеся в очереди, и определяет, какие данные им потребуются. Если он замечает, что для операции нужны данные, которые еще не находятся в кэше процессора, то он извлечет их из оперативной памяти и в кэш. Отсюда и его название.

Ускорители и будущее процессоров

Еще одна важная функция, которая все чаще появляется в процессорах — ускорители для конкретных задач. Эти ускорители представляют собой небольшие схемы, главная цель которых — как можно быстрее выполнить определенную задачу. Этой задачей может быть шифрование, кодирование данных или машинное обучение.

Конечно, процессор может делать все это самостоятельно, но созданный конкретно для этой цели блок будет намного более эффективен. Наглядным показателем мощностей ускорителей будет сравнение встроенного графического процессора с дискретной видеокартой. Разумеется, процессор может выполнять вычисления, необходимые для обработки графики, но наличие отдельного блока обеспечивает намного более высокую производительность. С ростом числа ускорителей фактическое ядро центрального процессора может занимать всего лишь небольшую часть чипа.

На первом рисунке снизу изображено устройство процессора Intel, выпущенного более десяти лет назад, где большая часть занята ядрами и кешем, а на втором показан гораздо более современный чип от AMD. Как мы видим, во втором случае большая часть кристалла отведена не под ядра, а под другие компоненты.

Кристалл процессора Intel первого поколения архитектуры Nehalem. Обратите внимание: ядра и кэш занимают подавляющее часть площади.

Кристалл системы на чипе от AMD. Много места отведено под ускорители и внешние интерфейсы.

Многоядерность

Последняя особенность процессоров, которая будет рассмотрена в этой статье — то, как можно объединить несколько отдельных процессоров для получения многоядерного. Это не просто объединение нескольких копий одного ядра, ведь как нельзя просто превратить однопоточную программу в многопоточную, так нельзя и провернуть подобное с процессором. Проблема возникает из-за зависимости ядер.

В случае с четырьмя ядрами процессору необходимо отправлять команды в 4 раза быстрее. Также нужно четыре раздельных интерфейса для памяти. Именно из-за наличия нескольких ядер на одном чипе, потенциально работающих с одними и теми же частями данных, возникает проблема слаженности и согласованности их работы. Предположим, если два ядра обрабатывали команду, использующую одни и те же данные, то как процессор определяет, у которого из них правильное значение? А что, если одно ядро модифицировало данные, но они не успели вовремя дойти до второго ядра? Поскольку у них есть отдельные кэши, в которых могут храниться пересекающиеся данные, для устранения возможных конфликтов необходимо использовать сложные алгоритмы и контроллеры.

Чрезвычайно важную роль в многоядерных процессорах играет и точность прогнозирования переходов. Чем больше в процессоре ядер, тем выше вероятность того, что одной из исполняемых команд будет именно команда перехода, способная в любое время изменить общий поток задач.

Как правило, отдельные ядра обрабатывают команды из разных потоков, тем самым снижая зависимость между ядрами. Поэтому, открыв диспетчер задач, вы чаще всего видите, что загружено лишь одно ядро процессора, а другие едва работают — многие программы попросту изначально не предназначены для многопоточности. Кроме того, могут быть определенные случаи, в которых эффективнее использовать только одно ядро процессора, а не тратить ресурсы на попытки разделить команды.

Физическая оболочка процессора

Несмотря на то, что большая часть этой статьи была посвящена сложным механизмам работы архитектуры процессора, не стоит забывать и о том, что все это должно быть создано и работать в виде реального, физического объекта.

Для того, чтобы синхронизировать работу всех компонентов процессора, используется тактовый сигнал. Современные процессоры обычно работают на частотах от 3.0 ГГц до 5.0 ГГц, и за последнее десятилетие ситуация особо не изменилась. При каждом цикле внутри чипа включаются и выключаются миллиарды транзисторов.

Такты важны для того, чтобы обеспечить идеальную работу каждой стадии вычислительного конвейера. Количество команд, обрабатываемых процессором за каждую секунду, зависит именно от них. Частоту можно увеличить путем разгона, сделав чип быстрее, но это в свою очередь повысит энергопотребление и тепловыделение.

Фото: Michael Dziedzic

Тепловыделение — главный враг процессоров. Когда цифровая электроника нагревается, может начаться разрушение микроскопических транзисторов. Это в свою очередь может привести к повреждению чипа, если тепло не отвести. Чтобы этого не произошло, каждый процессор оборудован термораспределителями. Сам кристалл может занимать всего 20% площади процессора, ведь увеличение площади позволяет более равномерно распределять тепло по радиатору. Кроме того, дополнительно увеличивается количество имеющихся ножек процессора (контактов), предназначенных для взаимодействия с другими компонентами компьютера.

На современных процессорах может располагаться свыше тысячи входных и выходных контактов на задней панели. Мобильный чип может быть оснащен всего несколькими сотнями, поскольку большинство вычислительных элементов расположены уже внутри чипа. Независимо от дизайна, около половины из них предназначены для распределения питания, а остальные — для передачи данных с оперативной памяти, чипсета, накопителей, устройств PCIe и др. Высокопроизводительным процессорам, потребляющим сто и более ампер при полной нагрузке, нужны сотни ножек для равномерного распределения тока. Обычно они покрываются золотом для улучшения проводимости. Стоит отметить, что разные производители располагают ножки по-разному во всей своей многочисленной продукции.

Подытожим на примере

Чтобы подвести итоги, кратко рассмотрим архитектуру процессора Intel Core 2. Это было еще в 2006 году, поэтому некоторые детали могут быть устаревшими, но информации о новых разработках отсутствуют в публичном доступе.

На самом верху располагается кэш команд и буфер ассоциативной трансляции. Буфер помогает процессору определить, где в памяти располагаются необходимые команды. Эти инструкции хранятся в кэше команд первого уровня, а после этого отправляются в предекодер, так как из-за сложностей архитектуры x86 декодирование происходит во множество этапов. Сразу же за ними идет предсказатель переходов и предвыборщик кода, которые снижают вероятность возникновения потенциальных проблем со следующими командами.

Далее команды отправляются в очередь команд. Вспомните, как внеочередное исполнение позволяет процессору выбрать именно ту команду, которую практичнее всего выполнить в конкретный момент из очереди текущих инструкций. После того, как процессор определил нужную команду, та декодируется во множество микроопераций. В то время как команда может содержать сложную для ЦП задачу, микрооперации представляют собой детализированные задачи, которые процессору легче интерпретировать.

Затем эти инструкции попадают в таблицу псевдонимов регистров, переупорядочивающий буфер и станцию резервации. Подробно расписать их принцип работы в одном абзаце, увы, не получится, так как это — информация, которую обычно подают на последних курсах технических вузов. Если в двух словах, то все они используются в процессе внеочередного исполнения для управления зависимостями между командами.

На самом деле, у каждого ядра процессора множество арифметическо-логических устройств и портов памяти. Команды отправляются в станцию резервации, пока не освободится устройство или порт. Затем команда обрабатывается с помощью кэша данных первого уровня, а полученный результат сохраняется для дальнейшего использования, после чего процессор может приступать к следующей задаче. На этом все!

Пусть эта статья и не предназначалась для того, чтобы служить исчерпывающим руководством по тому, как работает каждый из процессоров, она должна дать вам базовое представление об их внутренней работе и сложности. К сожалению, о том, как действительно работают современные процессоры, знают лишь работники Intel и AMD, поэтому информация, описанная в этой статье — лишь вершина айсберга, ведь каждый пункт, описанный в тексте — это результат огромного количества исследований и разработок.

Другие материалы по теме

Если вам хочется узнать больше о том, как создаются различные компоненты, описанные в этом тексте, то настоятельно советуем обратить внимание на вторую часть серии статей «Как разрабатываются и создаются процессоры?». Если же вы больше заинтересованы в том, как производятся физические оболочки процессоров, то вам стоит ознакомиться с третьей статьей той же серии.

Как работает процессор?

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

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).

Схема арифметического полусумматора

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.

Принцип действия RS-триггера

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 чем 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 может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000> . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Закон Мура устарел, а Apple совершила революцию. Вот как работает процессор в вашем компьютере

Процессор — основной элемент любого компьютера, планшета, смартфона, «умного» пылесоса или даже холодильника. При этом история «процессоростроения» пока относительно короткая. По сути, первые коммерческие микропроцессоры появились в 1970-х, когда драматически уменьшились в размерах. Но как в принципе работают современные процессоры? Каким образом они собираются, почему в последнее время компанию Apple связывают с революцией в этой области и по какой причине все говорят про превосходство какого-то ARM?

Что вообще такое микропроцессор и при чем тут транзисторы

Понятным языком можно сказать так: процессор представляет собой чип внутри устройства, который производит практически все вычисления. А эти вычисления основываются на применении транзисторов. Если упростить, то чем больше транзисторов на одной плате, тем лучше (то есть производительнее) весь CPU.

Для сравнения: первым микропроцессором считается Intel 4004 (1971 года выпуска). В нем установлено 2300 транзисторов. В этом году Apple представила систему на чипе A15 Bionic — на нем основывается последнее поколение iPhone. В A15 транзисторов уже 15 млрд.

При этом еще 50 лет назад (до появления процессора Intel 4004) транзисторы были в разы массивнее. Их продавали в специализированных радиотехнических лавках, а их «ножки» предлагалось спаивать самостоятельно. Но сейчас транзисторы уменьшились настолько, что их величина составляет всего несколько нанометров (это мера длины, равная одной миллиардной части метра). Их как бы «печатают» на кремниевых пластинах. Благодаря этому миллиарды транзисторов получается помещать на платах размером в несколько сантиметров.

В сети любят приводить такое описание работы транзисторов (оно также упрощенное, но показательное): транзисторы чем-то похожи на систему кранов и труб, которые выполняют только две базовые операции — либо пропускают через себя электрический ток, либо не пропускают. Если такие «краны и трубы» соединить (есть несколько способов), то устройство получится научить производить вычисления, то есть закодировать их на чтение и преобразование операций с нулями (нет тока) и единицами (есть ток).

По сути, таким образом процессор заставляют производить суммирование, умножение, сравнивание и другие, более сложные операции. И чем сложнее комбинации подобных операций, тем сложнее получается и результат — числами можно закодировать (если хотите, зашифровать) хоть текст, хоть нейронные сети.

Какие именно операции нужно производить в данный момент времени, процессор понимает, исходя из заложенных в него инструкций (то есть команд). Таких инструкций существует много. По мере развития микропроцессоров одни инструкции сменялись другими, но сегодня остались две основные архитектуры, применяемые, как правило, в персональных компьютерах и мобильных чипах: RISC и CISC. Про это подробнее поговорим ниже (во многом мнение насчет лидирующего положения Apple связано с переходом от одного набора инструкций к другому).

Почему так важен «чистый» кремний, как на него наносят транзисторы и при чем тут закон Мура

Процессоры создаются на кремниевой основе — все благодаря подходящей для подобных целей внутренней атомной структуре. Правда, процесс «добычи» кремния и уж тем более нанесения транзисторов и других компонентов еще более дорогой и сложный. По сути, поэтому сегодня «воспроизведением» микропроцессоров в основном занимаются всего несколько производств по всему миру. Среди них — Intel, Samsung, TSMC.

Источником кремния служит песок. Его долго обрабатывают химическим способом, чтобы получить так называемый «чистый» кремний (таким он считается при чистоте 99,9%) — на его основе производятся специальные кристаллы. Чтобы сделать подобное, кремний плавят и помещают внутрь маленький кристалл, формирующий вокруг себя еще один слой кристаллической решетки.

Так повторяется несколько раз, и в итоге добывается один большой монокристалл цилиндрической формы весом под сотню килограмм. Его нарезают алмазной пилой на диски диаметром порядка 30 сантиметров — такие вы наверняка видели на фотографиях, которыми иллюстрируют производство микроэлектроники, — и уже на них после тщательной шлифовки «печатают» транзисторы.

Мы уже рассказывали про тонкости этой процедуры в отдельном материале. Если вкратце, на эти диски воздействуют светом, чтобы создать мельчайшие детали будущих интегральных схем. Процесс называется фотолитографией: изначально с помощью системы линз и зеркал на поверхности светочувствительной кремниевой пластины фокусировали лучи света, которые проходили через заранее подготовленный шаблон и запечатлевали его схему на пластине.

Со временем процесс совершенствовался. Сперва источником света для литографии выступала ртутная лампа. Потом длину волны уменьшали, переходя от ртутных ламп к лазерам со смесями различных газов. Следующим поколением лазерных технологий стали устройства, излучающие свет с длиной волны 193 нанометра.

В конце концов пришли к технологии EUV — сверхжесткого ультрафиолетового излучения на длине волны 13,5 нанометра. Эта технология настолько сложная и уникальная, что сегодня в мире ей на достаточно высоком уровне занимается только одна компания — ASML. Она поставляет другим производителям электроники станки, которые и «печатают» компоненты системы на кремниевых дисках с требуемой точностью.

Уменьшение длины волны позволяет наносить на кремний больше транзисторов уменьшенных размеров, то есть увеличивать производительность чипа при сохранении его изначальных габаритов. Вы могли слышать про закон Мура, согласно которому каждые два года количество транзисторов, размещенных на одном и том же кристалле, удваивается.

Сейчас выяснилось, что это является скорее наблюдением одного из инженеров Intel, а не непреложным правилом. Однако оно дало «маркировку» понятию техпроцесса, которым сегодня производители электроники (что самих процессоров, что базирующихся на них смартфонов, компьютеров и прочей техники) любят щеголять во время презентаций.

В настоящее время «нанометровым техпроцессом» описывается условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение их количества относительно предыдущего техпроцесса.

Если объяснять еще проще, то чем меньше цифра перед словом «нанометровый», тем лучше. Процессоры, изготовленные по 5-нанометровому техпроцессу (на момент публикации материала считается передовым решением), ощутимо мощнее и в сравнении с теми, что базируются на 7-нанометровом. Через год-два производители планируют перейти на 3-нанометровый техпроцесс. Кроме того, у перехода на меньший техпроцесс есть еще одно преимущество: каждый транзистор начинает потреблять меньше электроэнергии, тем самым улучшая энергоэффективность всего устройства.

Что такое «система на чипе»

После того как на печатную плату наносят необходимые элементы, к ядру процессора добавляют контакты, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, а сверху все это прикрывают крышкой. Последняя выполняет несколько функций: во-первых, защищает дорогостоящий кристалл с миллиардами транзисторов, а во-вторых, служит средством для отвода тепла во время работы CPU— воздушные кулеры или водяное охлаждение устанавливают на крышку не просто так.

В какой-то момент стало понятно, что чипы уже стали настолько миниатюрными, что под одной такой защитной крышкой вполне может уместиться не только сам CPU, но и другие компоненты — например, графический чип (GPU), отвечающий за вывод картинки на экран, а еще модули беспроводной связи и модемы. Решение, когда все критически важные для работы компьютера компоненты находятся вместе на одной интегральной схеме совсем рядом друг с другом, называется «система на чипе», или «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).

По сути, такие «системы на кристалле» используются практически во всей современной мобильной технике: смартфонах, планшетах, смарт-часах. В первую очередь — за счет относительно небольших габаритов и меньшего энергопотребления и тепловыделения, благодаря чему технику получается сделать мобильной. Правда, производительность подобных SoC долго оставалась существенно ниже в сравнении со «взрослыми» центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами, причем не только в ПК, но и ноутбуках.

Еще несколько лет назад дело обстояло так: существуют мощные процессоры (что графические, что центральные) для настольных компьютеров, которые производят гиганты вроде AMD и Intel, а есть относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе ARM-архитектуры для мобильных переносных девайсов — и эти два мира долго практически никак не пересекались.

Но к концу 2020 года ситуация с подачи компании Apple изменилась. Выяснилось, что подобные «системы на чипе» могут быть не просто соизмеримы по мощности со «взрослыми» аналогами, но и превосходить их, при этом сохраняя преимущество в виде намного меньшего потребления энергии. По сути, Apple пошла на рискованный шаг: начала переводить ноутбуки и настольные компьютеры на процессоры, изначально использовавшиеся только в мобильных устройствах. Компания оказалась не первой, кто пришел к такому решению, но как минимум одной из первых, кому удалось сделать это удачно.

Будущее — за ARM? И при чем тут Apple

Несколько десятилетий назад еще не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня» вроде Python, так что все команды приходилось писать машинным кодом, и каждая подобная команда обозначала какую-либо инструкцию для процессора. В общем, процесс трудоемкий, а главное, громоздкий — каждая программа получалась очень большой и трудночитаемой.

Такой подход назвали RISC (Reduced Instruction Set Computing), то есть компьютер с ограниченным набором команд. С совершенствованием технологий RISC начали развивать двумя способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первая рассчитана на «взрослые» и производительные компьютеры с процессорами от тех же Intel или AMD, которые умеют исполнять инструкции на базе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть вычислительная машина со сложным набором команд), вторая — на относительно небольшие мобильные устройства с низким потреблением энергии, исполняющие усовершенствованные и более простые инструкции RISC.

Если еще немного упростить: говорим CISC — имеем в виду «классические» процессоры от компаний Intel или AMD, говорим RISC — подразумеваем варианты мобильных «систем на чипе», как у Apple или Samsung. Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, производителю необходимо самому придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и сделать свой процессор с этой архитектурой, изменив компоновку и добавив другие модули.

Сложность в том, что программы, созданные для CISC (то есть x86, больших настольных процессоров), не способны прочитаться RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени просто так запустить на компьютере программу, созданную для смартфона, не получалось.

Решение Apple перейти в компьютерах на ARM-чипы, схожие с применяющимися в iPhone и понимающие инструкции для RISC-процессоров, называют революционным благодаря тому, что компания отыскала программный способ заставить их читать софт, созданный для старых процессоров Intel под архитектуру x86. То есть компьютеры Apple последнего поколения с фирменными чипами M1 на ARM-архитектуре универсальны и берут лучшее от двух миров: производительность, энергоэффективность и возможность чтения программ, созданных для устройств обоих типов.

Пойдут ли по такому пути другие гиганты вроде Intel и AMD? Пока однозначно утверждать это нельзя. Все же их «классические» CPU показывают не меньшую, а то и бо́льшую пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте, как правило, предназначены для компьютеров под управлением операционной системы Windows, а схожую работу по оптимизации ОС таким образом, чтобы она могла читать программы для обеих архитектур, в Microsoft еще не провели.