Компилятор C транслирует (т.е. переводит) этот код в набор команд языка ассемблера. В процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (включая язык ассемблера) начинается с адреса 0. В результате, на языке этого процессора программа выглядит следующим образом
# факты | Как работает процессор компьютера?
Эти строки читаются со смартфона, планшета или компьютера. Все эти устройства основаны на микропроцессорах. Микропроцессор — это «сердце» каждого вычислительного устройства. Существует множество различных типов микропроцессоров, но все они делают одно и то же: они являются «сердцем» устройства. Сегодня мы обсудим, как работают микропроцессоры и какие задачи они выполняют. На первый взгляд, это кажется очевидным. Однако многим пользователям интересно узнать больше о самых важных компонентах, обеспечивающих работу компьютеров. Основываясь на простой арифметической логике, они узнают, что компьютеры могут не только решать математические задачи — их можно использовать в качестве развлекательных центров. Как два числа (один и ноль) превращаются в красочную игру или фильм? Этот вопрос многие задают себе снова и снова, и они рады узнать ответ на него. Более того, даже недавно исследованные процессоры AMD Jaguar, новейшие игровые консоли основаны на той же древней логике.
В англоязычной литературе микропроцессоры часто называют CPU (central processing units). Причина такого названия кроется в том, что современные процессоры представляют собой отдельные чипы. Первый в истории человечества микропроцессор был создан корпорацией Intel в 1971 году.
Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии
Речь идет об Intel 4004. Он был не очень прочным и мог выполнять только добавления и удаления. Одновременно он мог обрабатывать только четыре бита информации (т.е. это были четыре бита). Однако его появление стало важным событием для своего времени. Все процессоры помещаются на чипе. До появления Intel 4004 компьютеры основывались на наборе микросхем или различных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 послужил основой для одного из первых портативных калькуляторов.
Первым микропроцессором для домашних компьютеров был Intel 8080, представленный в 1974 году. Вся мощь 8-битного компьютера была сосредоточена на одном чипе. Но действительно большим анонсом стал процессор Intel 8088, представленный в 1979 году и использовавшийся в первом основном компьютере IBM с 1981 года.
С тех пор процессоры развивались и становились все мощнее. По крайней мере, любой, кто знаком с историей микропроцессорной промышленности, помнит, как 80286 сменил 80886. За 80486 последовал 80386. Затем были поколения Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все они были процессорами. Intel» на основе базового плана 8088. Они были совместимы с задней частью. Это означало, что Pentium 4 мог обрабатывать любой код от 8088, но делал это со скоростью примерно в 5000 раз. С тех пор сменилось несколько поколений микропроцессоров, хотя и не в течение многих лет.
Intel начала предлагать многоядерные процессоры в 2004 году. Количество транзисторов, используемых в них, увеличилось на миллионы. Однако процессоры по-прежнему следуют общим правилам, созданным для первых чипов. В этой таблице представлена история развития микропроцессоров Intel до 2004 года.
- 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)
Логика микропроцессора
Чтобы понять, как работает микропроцессор, необходимо изучить логику, на которой он основан, и познакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессоров.
Микропроцессоры могут выполнять определенный набор команд (команд). Во время работы этих команд микропроцессор 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 очень сложная, предполагается, что каналы адреса и данных имеют ширину всего 8 бит. Затем мы можем кратко рассмотреть компоненты этого относительно 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
Ниже приведен простейший пример транзисторного компьютера. Он складывает два числа от 0 до 15 и состоит только из транзисторов, резисторов (которые не горят) и вспомогательных компонентов, таких как батарейки, переключатели и лампы. Вы можете быстро увидеть конец того, как это работает:.
Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах
В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) соучредитель Intel Гордон Мур заметил закономерность во время подготовки речи. Новые модели чипов появлялись через год после предыдущей, каждая из которых содержала в два раза больше транзисторов. время каждый раз.
К 1975 году он предсказал, что количество данных в микросхеме увеличится с 2 6 (64) в 1965 году до 2 16 (65536). Мур пришел к выводу, что если это напряжение будет продолжаться, то мощность вычислительных устройств может увеличиться экспоненциально за относительно короткий период времени времени. Это наблюдение было названо законом Мура.
В 1975 году Гордон Мур внес поправки в закон. В нем говорилось, что количество транзисторов будет удваиваться каждые два года (24 месяца).
Существует множество подобных утверждений, описывающих экспоненциальный процесс развития, также известный как «закон Мура». Например, малоизвестный «второй закон Мура», введенный Юджином Мианом в 1998 году, гласит, что стоимость заводов по производству чипов растет экспоненциально с увеличением сложности производимых чипов.
Завод, на котором Intel производила свои микросхемы динамической памяти 1K, стоил 3,5 миллиарда долларов, а производство чипов pentium размером 0,6 метра и 5,5 миллиона транзисторов — 4 миллиона долларов. Для сравнения, стоимость производителя 45 нм процессоров FAB32 составляет 3 миллиарда долларов США.
Что касается влияния закона Мура, то в журнале «В мире науки» было приведено интересное сравнение. Чтобы перевернуть мир за 20 минут, требуется 20 литров топлива. Эти цифры точно отражают снижение затрат, повышение скорости и экономичности компьютеров».
Увеличение количества транзисторов на микропроцессорном чипе (1970-2016 гг.). Точки представляют наблюдаемые данные, а линии — 24-месячный период удвоения.
На графике представлены данные о количестве транзисторов, производительности, энергопотреблении и разумном количестве ядер в процессоре.
Однако во время пресс-конференции на выставке CES 2019 генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг объявил, что закон Мура больше невозможен. Об этом сообщает CNET. Дженсен Хуанг заявил, что закон Мура больше невозможен.
Как отметил генеральный директор Nvidia во время сессии вопросов перед небольшой группой журналистов, согласно закону Мура, каждый год производительность увеличивается на несколько процентов, и можно ждать удвоения только каждые десять лет.
Очень интересно отметить, что в 2010 году вице-президент Nvidia Билл Дэлли опубликовал колонку в журнале Forbes, в которой указал, что так называемый закон Мура мертв и будущее за параллельными компьютерами.
Закон масштабирования Деннарда и его исполнение
Закон был сформулирован в 1974 году разработчиком DRAM Робертом Деннардом и его коллегами из IBM.
‘Мы знаем, что уменьшение размера транзисторов и увеличение тактовой частоты процессора повышает производительность’.
Правила гарантировали уменьшение ширины конвейера (по сути, сокращение технологического процесса) как основной показатель прогресса в микропроцессорной технологии. Однако в 2006 году метод эскалации Денарда начал пробуксовывать. Хотя количество транзисторов на чипах продолжает расти, этот рост не привел к значительному увеличению требуемой производительности. Компания TSMC (производитель полупроводников) утверждает, что переход с технологического процесса 7 НМ на 5 НМ приведет к увеличению тактовой частоты процессоров на 15%.
Известно, что основной причиной замедления является поток утечки, который Денард не учел в своих планах. Даже современные студенты знают, что уменьшение размера транзистора и увеличение частоты приводит к большему нагреву чипа, чем ток. В результате производителям приходится балансировать между производительностью и мощностью, выделяемой процессором. В результате с 2006 года частота серийно выпускаемых чипов стабильно держится на уровне около 4-5 ГГц.
Да, инженеры работают над новыми технологиями, чтобы решить эту проблему и улучшить производительность чипов в ближайшем будущем. Например, австралийские исследователи разрабатывают транзистор «металл в металле», который может работать на частоте в сотни гигагерц. Чип состоит из двух металлических электродов, выполняющих функции дренажа и источника. Главное в этой схеме — разводка (35 нм). Благодаря явлению автоматической эмиссии электронов, они обмениваются электронами друг с другом. Это устройство позволяет остановить подталкивание технологического процесса и сосредоточиться на производстве высокопроизводительных 3D-структур с большим количеством транзисторов в чипе.
Закон Куми и его исполнение
Закон был основан в 2011 году профессором Джонатаном Куми из Стэнфордского университета. Он и другие сотрудники Microsoft, Intel и Университета Карнеги-Меллон пришли к следующим выводам на основе данных о потреблении вычислительной мощности ENIAC (1946).
‘Можно утверждать, что количество вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждый год’. Это утверждение ясно показывает, что энергопотребление компьютеров также увеличилось с годами.
Через десять лет после формулировки этого закона средний выход чипов на киловатт удваивался каждые три года. Это изменилось из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как упоминалось выше, транзисторы меньшего размера затрудняют выделение тепла).
