1-qism: CPU nima va u qanday ishlaydi?
Bu mavzu sal kattaroq shuning uchun mavzuni ikki qismga bo'ldim. Birinchi qismda CPU asoslari va asosiy yuzaki ma'lumotlar bilan tushuntiriladi. Ikkinchi qismda esa mavzu chuqurlashtirilgan holda tushuntiriladi.
Bu ma'lumotlardan to'liq foydalanish uchun ba'zi tavsiyalar!
- Etibor bilan o'qib chiqing va jumlalarga e'tibor bering!
- Rasmlarni kuzatib boring!
- Olgan ma'lumotlarimgizni mustahkamlash uchun animatsion videolarni ham ko'ring!
- Animatsion videorolikni ko'rish yanada yaxshiroq tushunishingizga yordam beradi!
Mikroprotsessor sifatida ham tanilgan CPU - bu kompyuterning yuragi yoki miyasi. Bu maqola kompyuter dasturlarini samarali yozishga yordam berish uchun kompyuterning yadrosiga chuqur kirib borishga imkon beradi.
Bazi termin atamalar ma'nosi:
- Central Processing Unit (CPU) - Markaziy jarayonlar bo'limi
- input/output - kirish/chiqish
- Control Unit CU - Boshqaruv bloki
- instruction - ko'rsatmalar
- Clock cycle - Soat aylanishi
- Memory, Storage - Xotira (Memory - Kompyuter ma'lumotlarni saqlashda foydalanadigan vaqtinchalik xotira | Storage - Ma'lumotlar saqlanuvchi doimiy xotra )
- ALU - Arifmetic-logic Unit (Mantiqiy arifmetik bo'lim)
- GPU Graphics Processing Unit - Grafik jarayonlar bo'limi
1-qism: CPU asoslari
Central Processing Unit (CPU) , asosiy protsessor yoki oddiy protsessor deb ham ataladigan central processor unit (CPU) kompyuter dasturini o'z ichiga olgan ko'rsatmalarni bajaradigan elektron sxemadir . Protsessor dasturdagi ko'rsatmalarda ko'rsatilgan asosiy arifmetik amallar, mantiqiy amallar, nazorat va input/output (I/O ) jarayonlarini bajaradi. Bu main memory va I/O sxemasi kabi tashqi komponentlar va GPU kabi maxsus protsessorlardan farq qiladi.
CPU - bu kompyuterning yuragi va yoki miyasi. U o'ziga berilgan ko'rsatmalarni bajaradi. Uning asosiy vazifasi arifmetik va mantiqiy amallarni bajarish va ko'rsatmalarni tartibga solishdir. Mavzuning asosiy qismiga o'tishdan avval, CPU ning asosiy komponentlari va vazifasi nima ekanligini ko'rib chiqaylik:
Protsessorning ikki asosiy komponenti
- Control unit CU (Boshqarish bo'limi)
- Arifmetic-logic unit - ALU
Control Unit — CU (Boshqaruv bo'limi)
Control Unit - protsessorning ko'rsatmalarning bajarilishini tartibga solishga yordam beradigan qismdir. Nima qilish kerakligini aytadi. Ko'rsatmaga ko'ra, u protsessorni kompyuterning boshqa qismlariga, shu jumladan ALU ga ulaydigan simlarni faollashtirishga yordam beradi. CPUning qayta ishlash bo'yicha ko'rsatmalarini oladigan birinchi komponentidir.
Control Unitning ikki turi mavjud:
- Hardwired control units.
- Microprogrammable (mikrodasturlashtirilgan) control units.
Hardwired control unit hardware bo'lib, u ishlayotganini o'zgartirish uchun hardwareni o'zgartirishni talab qiladi, bu erda mikroprogramlanadigan control unit uning xatti-harakatlarini o'zgartirish uchun dasturlashtirilishi mumkin. Hardwired CU instructionlarni qayta ishlashda tezroq, mikroprogramlansa, moslashuvchanroq.
Arifmetik-logic unit — ALU
Arithmetic Logic Unit ALU nomidan ko'rinib turibdiki, barcha arifmetik va mantiqiy hisob-kitoblarni amalga oshiradi. ALU qo'shish, ayirish kabi amallarni bajaradi. ALU bu operatsiyalarni bajaradigan mantiqiy sxema yoki logic gatelardan iborat.
Ko'pgina logic gatelar ikkita kirishni qabul qiladi va bitta chiqishni ishlab chiqaradi
Quyida ikkita kirishni qabul qiladigan va natijani chiqaradigan yarim qo'shimcha sxemasiga misol keltirilgan. Bu erda A va B - kirish, S - chiqish va C - tashish.
Quyidagi 2-rasmda logic gate haqida ma'lumot berilgan
Storage - Registerlar va Memory
CPU ning asosiy vazifasi unga berilgan instructionalarni bajarishdir. Ko'pincha ushbu instructionlarni qayta ishlash uchun unga ma'lumotlar kerak bo'ladi. Ba'zi ma'lumotlar intermediate data, ularning ba'zilari input va boshqalari outputdir. Ushbu ma'lumotlar instructionlar bilan birga quyidagi xotirada saqlanadi:
Registrlar
Registr - bu ma'lumotlar saqlanishi mumkin bo'lgan kichik joylar to'plami. Registr latchesning birikmasidir . Flip-floplar deb ham ataladigan latchelar 1 bit ma'lumotni saqlaydigan logic gate birikmasidir .
Latchda ikkita input simi, write va input simi va bitta output simi mavjud. Saqlangan ma'lumotlarga o'zgartirish kiritish uchun write simini yoqishimiz mumkin. Write simi o'chirilgan bo'lsa, output har doim bir xil bo'lib qoladi.
Rasmda bir juft o'zaro bog'langan NOR gatedan qurilgan SR latch
CPU output ma'lumotlarini saqlash uchun registrlarga ega. Asosiy xotiraga (RAM) yuborish sekin bo'ladi, chunki u intermediate data. Bu ma'lumotlar BUS orqali ulangan boshqa registrga yuboriladi . Registr instructionlarni, output ma'lumotlarini, storage addressni yoki har qanday ma'lumotlarni saqlashi mumkin.
Memory(RAM)
RAM - bu ko'proq ma'lumotlarni saqlashi uchun optimallashtirilgan tarzda tartibga solingan va ixchamlashtirilgan registrlar to'plami. RAM(Random Access Memory) o'zgaruvchan bo'lib, quvvatni o'chirib qo'yganimizda ma'lumotlar yo'qoladi. RAM ma'lumotlarni read/write (o'qish/yozish) uchun registrlar to'plami bo'lganligi sababli, RAM 8 bitli addressni, saqlanishi kerak bo'lgan actual data uchun ma'lumotlarni kiritishni va nihoyat latchlar uchun bo'lgani kabi ishlaydigan o'qish va yozishni faollashtiradi.
Instructionlar nima
Instruction - bu kompyuter amalga oshirishi mumkin bo'lgan granular darajadagi hisoblash. CPU ishlov berishi mumkin bo'lgan turli xil instructionlar mavjud.
Instructionlarga quyidagilar kiradi:
- Qo'shish va ayirish kabi arifmetik amallar
- and, or, va not kabi mantiqiy instructionlar
- move, input, output, load, va store kabi ma'lumotlar instructionlari
- goto, if … goto, call, va return kabi flowlarni boshqarish instructionlari
- Protsessorga dastur to'xtatilganligi haqida xabar berishi
Instructionlar kompyuterga assembler tilidan foydalangan holda taqdim etiladi yoki kompilyator tomonidan ishlab chiqariladi yoki ba'zi high level dasturlash tillarida talqin qilinadi.
Ushbu instructionlar protsessor ichida hardwired. ALU arifmetik va mantiqiy ma'lumotlarni o'z ichiga oladi, chunki control flow CU tomonidan boshqariladi.
Bir soat siklida kompyuterlar bitta buyruqni bajarishi mumkin, ammo zamonaviy kompyuterlar bir nechta buyruqlarni bajarishi mumkin.
Kompyuter bajarishi mumkin bo'lgan instructionlar guruhiga instruction set deyiladi .
CPU clock - Clock cycle
Kompyuterning tezligi uning clock cycle(soat aylanishi) bilan belgilanadi. Bu kompyuterning sekundiga ishlayotgan clock period(soat davri) soni . Bitta soat sikllari juda kichik, taxminan 250 * 10 *-12 sec. Clock cycle qanchalik baland bo'lsa, protsessor tezroq bo'ladi.
CPU clock cycle gHz(Gigahertz) da o'lchanadi. 1gHz 10⁹ Hz(gerts) ga teng. Gerts soniyani bildiradi. Shunday qilib, 1 Gigahertz soniyada 10⁹ cycleni bildiradi.
Clock cycle qanchalik tez bo'lsa, protsessor shunchalik ko'p instructionlarni bajarishi mumkin. Clock cycle = 1/soat tezligi CPU Time = clock cycle soni / clock rate
Bu protsessor vaqtini yaxshilash uchun biz protsessorga taqdim etgan instructionni optimallashtirish orqali clock cycleni oshirishimiz yoki clock cycle sonini kamaytirishimiz mumkinligini anglatadi. Ba'zi protsessorlar clock cycleni oshirish qobiliyatini ta'minlaydi, ammo bu jismoniy o'zgarishlar bo'lgani uchun haddan tashqari issiqlik va hatto tutun/yong'in bo'lishi mumkin.
Instructio qanday bajariladi
Instructiolar operativ xotirada ketma-ket tartibda saqlanadi. Gipotetik protsessor uchun ko'rsatma OP kodi (operatsion kod) va memory yoki register addressdan iborat .
Control Unit instructionlari registrida (IR) ikkita registr mavjud bo'lib, ular instructioning OP kodini yuklaydi va joriy bajaruvchi instructionning addresini yuklaydigan instruction address registrlari . Protsessor ichida buyruqning oxirgi 4 biti addresida saqlangan qiymatni saqlaydigan boshqa registrlar mavjud.
Namuna, ikkita raqamni qo'shadigan instruction setiga misol keltiraylik. Quyida tavsif bilan birga instructionlar keltirilgan:
- 1-QADAM — LOAD_A 8:
Instruction dastlab RAMda saqlanadi, deylik <1100 1000>. Birinchi 4 bit op kodidir. Bu instructionni belgilaydi. Ushbu instruction control unitning IR- ga kiritiladi . Instruction load_A bo'lishi uchun dekodlanadi, ya'ni u A ni ro'yxatdan o'tkazish uchun instructionning oxirgi 4 biti bo'lgan 1000 addressiga ma'lumotlarni yuklash kerakligini anglatadi.
- 2-QADAM — LOAD_B 2
Yuqoridagi kabi, bu memory address 2 (0010) ma'lumotlarini CPU registr B ga yuklaydi.
- 3-QADAM - BA qo'shish
Endi keyingi instruction bu ikki raqamni qo'shishdir. Bu erda CU ALUga qo'shish operatsiyasini bajarishni va natijani A registriga saqlashni buyuradi.
- 4-QADAM — STORE_A 23
Bu ikkita raqamni qo'shishga yordam beradigan juda oddiy instruction set.
Binary sonlarni Deciminalga convert qilib beradigan sayt
Biz ikkita raqamni muvaffaqiyatli qo'shdik!
Sizga nandgame.com saytini tavsiya qilaman kompyuter arxitekturasini tushinish va amaliyot qilish uchun saytda o'zingiz kompyuter qurasiz
BUS
CPU, register, memory va IO qurilmasi o'rtasidagi barcha ma'lumotlar bus orqali uzatiladi. Ma'lumotni o'zi qo'shgan xotiraga yuklash uchun protsessor memory addressni address busga va yig'indining natijasini data busga qo'yadi va control busda to'g'ri signalni yoqadi. Shu tarzda ma'lumotlar bus yordamida xotiraga yuklanadi.
Cache
CPU shuningdek, instructionlarni keshga oldindan yuklash mexanizmiga ega. Ma'lumki, protsessor bir soniya ichida bajarishi mumkin bo'lgan millionlab instructionlar mavjud. Bu shuni anglatadiki, instructionlarni RAMdan olish uchun ularni bajarishdan ko'ra ko'proq vaqt sarflanadi. Shunday qilib, protsessor keshi ba'zi instructionlar va ma'lumotlarni oldindan oladi, shunda bajarilishi tezlashadi.
CPU cache haqida to'liqroq ma'lumot berilgan maqola bor. Ushbu maqoladan CPU cache haqida to'liqroq bilib olishingiz mumkin
CPU cache nima va u qanday ishlaydi?
Cache va operatsion xotiradagi ma'lumotlar boshqacha bo'lsa, ma'lumotlar dirty bit sifatida belgilanadi .
Instruction pipelining
Zamonaviy protsessor instructionni bajarishda parallellashtirish uchun instruction pipeliningdan foydalanadi. Fetch, Decode, Execute. Agar bitta instruction dekodlash bosqichida bo'lsa, protsessor fetch bosqichi uchun boshqa instructionni qayta ishlashi mumkin.
Bir instruction boshqasiga bog'liq bo'lsa, bu bitta muammoga ega. Shunday qilib, protsessorlar bog'liq bo'lmagan va har xil tartibda buyruqni bajaradilar.
Ko'p yadroli kompyuter
Bu asosan boshqa CPU, lekin cache kabi ba'zi umumiy resourcega ega.
Performance
Protsessor unumdorligi uning ishlash vaqti bilan belgilanadi. Performance = 1/execution time
deylik, dasturni bajarish uchun 20ms vaqt ketadi. CPU unumdorligi 1/20 = 0,05 ms nisbiy ishlash = bajarish vaqti 1/ bajarilish vaqti 2
Protsessor ishlashi uchun ko'rib chiqiladigan omil - bu buyruqni bajarish vaqti va protsessorning soat tezligi. Shunday qilib, dasturning ishlashini oshirish uchun biz clock speedni oshirishimiz yoki dasturdagi instructionlar sonini kamaytirishimiz kerak. Protsessor tezligi cheklangan va multi core zamonaviy kompyuterlar soniyada millionlab instructionlarni qo'llab-quvvatlaydi. Ammo biz yozgan dasturda ko'plab instructionlar mavjud bo'lsa, bu umumiy samaradorlikni pasaytiradi.
Protsessor tezroq ishlashi uchun va imkon qadar ko'proq ishlashi uchun ko'plab optimallashtirishlar amalga oshirildi. Har qanday dasturni yozishda biz protsessorga beradigan instructionlar sonini kamaytirish kompyuter dasturining ishlashini qanday oshirishini hisobga olishimiz kerak.
CPU qanday ishlashi va qanday tuzulishi haqida ko'proq bilib olish uchun animatsion videorolik
2-qism: CPU qanday ishlaydi va qanday tuzilgan (chuqurlashtirilgan)
Xato va kamchiliklar bo'lsa uzur so'rayman )
Foydanilgan Manbalar