Apa yang dikerjakan CPU

Prosesor 3 GHz berdetak 3 miliar kali per detik, satu detak setiap sepertiga nanodetik.

Bayangkan sebuah kelas komputer. (Ini adegan rekaan.) Enam belas kotak bernomor digambar di papan, masing-masing berisi delapan bit. Tiga siswa memerankan CPU. Satu memegang kartu bertulisan PC, satu kartu IR, satu kartu ACC. Kartu PC bertulisan 0. Siswa IR berjalan ke kotak 0 dan menyalin isinya, 0001 1110, dan siswa PC mengubah kartunya menjadi 1. Kelas mencari empat bit pertama di tabel yang tertempel di dinding: 0001 berarti LOAD. Empat bit terakhir, 1110, adalah 14. Jadi siswa ACC pergi ke kotak 14 dan menyalin angka 7 yang ia temukan di sana. Lalu semuanya dimulai lagi dari kotak 1.

Kotak 1 berbunyi ADD 15, jadi ACC menjadi 7 + 5 = 12. Kotak 2 berbunyi STORE 13, dan siswa ACC menulis 12 ke kotak 13. Kotak 3 berbunyi HALT, dan semua orang duduk. Seluruhnya dua belas langkah. Tak seorang pun dari ketiganya perlu tahu bahwa program itu "menjumlahkan 7 dan 5". Masing-masing mengikuti satu aturan kecil. Kotak-kotak itu adalah memori, kartu-kartu itu register, dan tabel di dinding adalah dekoder. CPU sungguhan bekerja dengan cara yang sama, miliaran kali per detik, dan tidak ada apa pun di dalamnya yang memahami program itu juga.

Putaran pendek yang sama, miliaran kali per detik

Gerbang bisa menjumlah, membandingkan, dan memilih, tetapi harus ada yang memberi tahu apa yang dikerjakan, dalam urutan apa, dan dengan bilangan mana. Itulah tugas unit pemrosesan pusat, CPU. CPU mengulang satu putaran pendek. Program counter (PC, pencacah program) menyimpan alamat instruksi berikutnya. Fetch (ambil): CPU membaca sel yang ditunjuk PC ke instruction register (IR, register instruksi) dan memajukan PC satu langkah. Decode (urai): rangkaian kendali melihat bit opcode dan menyiapkan jalur yang tepat, misalnya menyambungkan penjumlah untuk ADD. Execute (jalankan): pekerjaannya dilakukan. Sebuah bilangan dimuat, dijumlahkan, atau disimpan, atau PC diubah sehingga program melompat ke tempat lain. Lalu putarannya dimulai lagi. Satu instruksi, JZ, melompat hanya jika akumulator bernilai nol, dan satu jenis lompatan inilah yang membuat program bisa memutuskan dan mengulang.

Adegan menjalankan program yang sama dengan yang diperagakan kelas. Tekan Langkah, dan PC, IR, serta ACC berubah persis seperti kartu-kartu tadi: LOAD 14, lalu ADD 15, STORE 13, dan HALT, empat instruksi yang masing-masing tiga fase, seluruhnya dua belas fase. Program perkalian memakai beberapa instruksi yang sama, tetapi JZ dan JUMP-nya mengirim PC kembali ke 0 dua kali sebelum pencacah di sel 15 mencapai nol, jadi program itu menjalankan 24 instruksi dalam 72 fase. Enam kali jumlah instruksi penjumlahan tadi.

Program berada di memori yang sama dengan bilangan

Di papan, instruksi dan bilangan 7 serta 5 berada di deretan kotak yang sama. Itu bukan kebetulan. Pada Juni 1945 John von Neumann menulis "First Draft of a Report on the EDVAC", yang menggambarkan komputer yang menyimpan instruksinya di memori yang sama dengan datanya, dan hampir semua komputer sejak itu bekerja dengan cara tersebut. Instruksi hanyalah bilangan yang bit-bitnya dibagi menjadi beberapa bagian. Di komputer mainan ini setiap sel menampung 8 bit. Empat bit pertama menyatakan apa yang dikerjakan, yaitu opcode, dan empat bit terakhir menyatakan sel mana yang dipakai, yaitu alamat. 0001 adalah LOAD, jadi 0001 1110 berarti "LOAD 14": salin bilangan di sel 14 ke akumulator, register kerja CPU.

Seberapa cepat putarannya

Langkah-langkah itu mengikuti sinyal clock (detak), tegangan yang menyala dan mati dengan laju tetap. Clock 3 GHz berdetak 3 000 000 000 kali per detik, jadi satu detak berlangsung 1 ÷ 3 000 000 000 detik, sekitar 0.333 nanodetik. Cahaya hanya menempuh sekitar 10 sentimeter dalam waktu itu. Dengan satu fase per detak, detaknya cukup untuk menjalankan program 7 + 5 milik mainan ini 250 juta kali per detik. Prosesor sungguhan tidak menyelesaikan satu instruksi utuh per detak dengan cara sederhana seperti mainan kita. Prosesor menumpangtindihkan fase beberapa instruksi seperti ban berjalan, yang disebut pipelining, dan chip masa kini memuat beberapa prosesor lengkap, yang disebut core (inti), berdampingan. Mainan ini tidak punya semua itu, dan justru karena itu kamu bisa mengikutinya dengan tangan.