Protsessor ichida - Kompyuter arxitekturasi

8-bo'limda sumator qurdik. Endi uni protsessor ichiga joylashtiramiz.

Protsessorda uchta asosiy qism bor:

Qism	Vazifasi
Registrlar	Ish qiymatlarini ushlab turadi
ALU	Amal bajaradi va bayroq qo'yadi
Boshqaruv qurilmasi	Komandani o'qib, nima qilishni aytadi

Nima uchun registr kerak? #

Avval protsessorning umumiy tuzilishiga qaraymiz:

Uchta asosiy qism va ular orasidagi yo'llar - bu 10-bo'limdagi komanda siklining asosi

Endi eng muhim savolga javob beramiz: nima uchun registr kerak?

a = b + c amalini ikki xil bajarish mumkin:

Qadam	Hammasi xotirada	Qiymatlar registrda
`b` ni o'qish	100 takt	1 takt
`c` ni o'qish	100 takt	1 takt
Qo'shish	1 takt	1 takt
Natijani yozish	100 takt	1 takt
Jami	301 takt	4 takt

Farq - 75 barobar.

Raqamlar shartli, lekin nisbat haqiqiy

Yuqoridagi 100 va 1 - o'qish uchun tanlangan sonlar.

Haqiqiy nisbat 14-bo'limda aniq ko'rsatiladi, lekin tartib shunga yaqin: registrga murojaat bir taktda, asosiy xotiraga esa yuzlab taktda bajariladi.

Aynan shu farq butun xotira ierarxiyasining (kesh, sahifalash, oldindan o'qish) sababi.

Registrlarning ikkita xossasi bor va ular bir-biriga qarama- qarshi:

Xossa	Oqibati
Juda tez	Bir taktda o'qiladi
Juda kam	Odatda atigi 16-32 ta

Shuning uchun kompilyatorning eng muhim vazifalaridan biri - qaysi qiymat registrda turishini hal qilish.

Raqamlar shartli, lekin nisbat haqiqiy

Yuqoridagi 100 va 1 - o'qish uchun tanlangan sonlar.

Haqiqiy nisbat 14-bo'limda aniq o'lchanadi, lekin tartib shunga yaqin: registrga murojaat bir taktda, asosiy xotiraga esa yuzlab taktda bajariladi.

Aynan shu farq butun xotira ierarxiyasining (kesh, sahifalash, oldindan o'qish) sababi.

Registrlar nomlari arxitekturaga qarab turlicha:

Arxitektura	Registrlar
x86-64	`rax`, `rbx`, `rcx`, `rdx`, `rsi`, `rdi`, `r8`-`r15`
ARM64	`x0`-`x30`
RISC-V	`x0`-`x31`

Maxsus vazifali registrlar ham bor: komanda ko'rsatkichi (1-bo'limdagi korsatkich), stek ko'rsatkichi va bayroqlar registri.

ALU va bayroqlar #

ALU amal bajaribgina qolmaydi - u natija haqida qo'shimcha ma'lumot ham beradi:

Amal	a	b	Natija	Nol	Tashish	Ishora	Oshish
Qo'shish	12	5	17	0	0	0	0
Qo'shish	200	100	44	0	1	0	0
Ayirish	7	7	0	1	1	0	0
Ayirish	5	12	249	0	0	1	0
Qo'shish	100	100	200	0	0	1	1
VA	240	15	0	1	0	0	0
XOR	170	255	85	0	0	0	0

To'rtta bayroqning ma'nosi:

Bayroq	Qachon 1 bo'ladi
Nol	natija aynan nol
Tashish	ishorasiz talqinda razryaddan oshdi
Ishora	natijaning eng chap biti 1
Oshish	ishorali talqinda razryaddan oshdi

Uchinchi qatorga e'tibor bering: 7 − 7 = 0 da nol bayrog'i yondi. Aynan shu tufayli protsessor ikkita sonni taqqoslay oladi - u ularni ayiradi va nol bayrog'iga qaraydi.

Tashish va oshish - bir xil narsa emas

Ikkita qatorni solishtiring:

Amal	Tashish	Oshish	Nima bo'ldi
`200 + 100`	1	0	Ishorasiz talqinda sig'madi
`100 + 100`	0	1	Ishorali talqinda sig'madi

Sabab 3-bo'limdan ma'lum: bir xil bitlar ikki xil o'qiladi.

Tashish - ishorasiz son sifatida toshib ketdi.
Oshish - ishorali son sifatida toshib ketdi.

100 + 100 = 200 ishorasiz uchun mutlaqo normal. Lekin ishorali 8 bitda eng katta son 127, shuning uchun natija -56 bo'lib chiqadi - bu xato.

Protsessor ikkala bayroqni ham qo'yadi va qaysi biri muhimligini dastur hal qiladi. Aynan shuning uchun protsessorda ikki xil shartli o'tish komandalari bor: biri ishorasiz, ikkinchisi ishorali taqqoslash uchun.

Bu C dagi klassik xatolar manbai: int va unsigned ni taqqoslaganda kompilyator ishorasiz variantni tanlaydi va manfiy son juda katta bo'lib qoladi.

Bayroqlar nimaga kerak? #

Bayroqlar shartli o'tish uchun ishlatiladi. if a == b degan kod ikki komandaga aylanadi:

Qadam	Komanda	Nima bo'ladi
1	`AYIR a, b`	Natija tashlanadi, faqat bayroq qoladi
2	`AGAR_NOL o'tish`	Nol bayrog'i 1 bo'lsa - sakraydi

Shuning uchun assemblerda taqqoslash uchun maxsus CMP komandasi bor: u ayirishni bajaradi, lekin natijani saqlamaydi - faqat bayroqlarni qo'yadi.

Registr - ALU - registr: protsessorning asosiy aylanishi

Registrlar nima uchun shunchalik kam?

Zamonaviy protsessorda o'n minglab tranzistor bor. Nega 1000 ta registr qilinmaydi?

Uchta sabab:

Sabab	Izoh
Komanda hajmi	Har registr nomi komandada bit talab qiladi
Tezlik	Katta registr fayli sekinroq ishlaydi
Kontekst almashinuvi	Har registr saqlanishi kerak

Birinchisi eng qattiq: 32 ta registr uchun 5 bit kerak. Uch operandli komandada bu 15 bit - komanda 32 bitli bo'lsa, yarmidan ko'pi faqat registr nomlariga ketadi.

Amalda 16-32 ta registr eng yaxshi muvozanat bo'lib chiqqan.

Amaliy topshiriq

ALU misolini ishga tushiring.
KOPAYTIR amalini qo'shing va bayroqlarni to'g'ri qo'ying.
127 + 1 ni sinang - qaysi bayroq yoqildi?
255 + 1 ni sinang va farqni tushuntiring.
Tashish va oshish farqini uch qatorda yozing.
CMP amalini qo'shing: natijani qaytarmasin, faqat bayroq qo'ysin.
Registr misolini ishga tushiring va nisbatni o'zgartiring.
x86-64 da nechta umumiy registr borligini toping.
Nima uchun r0 ko'pincha doimiy nol bo'lishini o'rganing.
Bayroqlar if ni qanday amalga oshirishini tushuntiring.

Xulosa #

Protsessorda uch asosiy qism: registrlar, ALU, boshqaruv qurilmasi.
Registr - eng tez xotira, lekin juda kam: odatda 16-32 ta.
Registrga murojaat bir taktda, asosiy xotiraga esa yuzlab taktda.
Registrlar kam, chunki ularning nomi komanda ichida bit talab qiladi.
ALU amal bajaradi va natija haqida bayroq qo'yadi.
Asosiy bayroqlar: nol, tashish, ishora, oshish.
Tashish ishorasiz, oshish esa ishorali toshishni bildiradi - bu ikki xil narsa.
Protsessor ikkala bayroqni qo'yadi, qaysi biri kerakligini dastur hal qiladi.
CMP - ayirishni bajaradi, lekin natijani saqlamaydi, faqat bayroq qo'yadi.
Shartli o'tish aynan shu bayroqlarga qaraydi - if shunday ishlaydi.

Keyingi bo'limda protsessor komandani qanday olib, tushunib, bajarishini ko'ramiz.