Что делает процессор

Процессор на 3 ГГц тикает 3 миллиарда раз в секунду, один такт каждую треть наносекунды.

Представь урок информатики. (Сцена придумана.) На доске нарисованы шестнадцать пронумерованных клеток, в каждой записано восемь битов. Трое учеников играют процессор. У одного карточка с надписью PC, у другого с надписью IR, у третьей с надписью ACC. На карточке PC написано 0. Ученик с IR идёт к клетке 0 и переписывает то, что там есть, 0001 1110, а ученик с PC меняет число на карточке на 1. Класс ищет первые четыре бита в таблице на стене: 0001 означает LOAD. Последние четыре, 1110, дают 14. Тогда ученица с ACC идёт к клетке 14 и переписывает найденное там число 7. Потом всё начинается снова с клетки 1.

В клетке 1 написано ADD 15, поэтому ACC становится 7 + 5 = 12. В клетке 2 написано STORE 13, и ученица с ACC записывает 12 в клетку 13. В клетке 3 написано HALT, и все садятся. Всего двенадцать ходов. Никому из троих не нужно было знать, что программа «складывает 7 и 5». Каждый выполнял одно маленькое правило. Клетки служат памятью, карточки играют роль регистров, а таблица на стене работает как дешифратор. Настоящий процессор работает так же, миллиарды раз в секунду, и внутри него программу тоже никто не понимает.

Один и тот же короткий цикл миллиарды раз в секунду

Вентили умеют складывать, сравнивать и выбирать, но кто-то должен говорить им, что делать, в каком порядке и с какими числами. Этим занимается центральный процессор (CPU). Он повторяет один короткий цикл. Счётчик команд (PC) хранит адрес следующей команды. Выборка: процессор читает ячейку, на которую указывает PC, в регистр команд (IR) и увеличивает PC на единицу. Декодирование: управляющие схемы смотрят на биты кода операции и настраивают нужные пути, например подключают сумматор для ADD. Выполнение: работа делается. Число загружается, складывается или сохраняется, или меняется PC, чтобы программа перешла в другое место. Потом цикл начинается заново. Одна команда, JZ, делает переход, только когда аккумулятор равен нулю, и именно этот единственный вид перехода позволяет программе принимать решения и повторять действия.

Сцена выполняет ту же программу, которую разыграл класс. Нажми «Шаг», и PC, IR и ACC будут меняться точно так же, как карточки: LOAD 14, затем ADD 15, STORE 13 и HALT, четыре команды по три фазы, всего двенадцать фаз. Программа умножения использует те же несколько команд, но её JZ и JUMP дважды возвращают PC к 0, прежде чем счётчик в ячейке 15 дойдёт до нуля, поэтому она выполняет 24 команды за 72 фазы. Это в шесть раз больше команд, чем при сложении.

Программа лежит в той же памяти, что и числа

На доске команды и числа 7 и 5 стояли в одном ряду клеток. Это не случайно. В июне 1945 года Джон фон Нейман написал «Первый проект отчёта об EDVAC» (First Draft of a Report on the EDVAC), где описал компьютер, который хранит команды в той же памяти, что и данные. Почти все компьютеры с тех пор устроены так же. Команда представляет собой просто число, биты которого разделены на поля. В этом игрушечном компьютере каждая ячейка хранит 8 бит. Первые четыре говорят, что делать (код операции), а последние четыре говорят, какую ячейку использовать (адрес). 0001 означает LOAD, поэтому 0001 1110 означает «LOAD 14»: скопировать число из ячейки 14 в аккумулятор, рабочий регистр процессора.

Как быстро идёт цикл

Шаги идут в такт с тактовым сигналом, то есть напряжением, которое включается и выключается с постоянной частотой. Тактовый генератор на 3 ГГц тикает 3 000 000 000 раз в секунду, поэтому один такт длится 1 ÷ 3 000 000 000 секунды, примерно 0.333 наносекунды. Свет за это время проходит всего около 10 сантиметров. Если тратить одну фазу на такт, этого хватит, чтобы выполнять программу 7 + 5 нашей игрушки 250 миллионов раз в секунду. Настоящие процессоры не завершают по одной целой команде за такт так просто, как наша игрушка. Они совмещают фазы нескольких команд, как на конвейере, и это называется конвейерной обработкой. А современные микросхемы содержат рядом несколько полноценных процессоров, которые называются ядрами. В игрушке ничего этого нет, и именно поэтому за ней можно проследить вручную.