Цикл выборки и исполнения
Friday, July 26, 2024
Введение
Центральный процессор (ЦП) – это мозг вашего компьютера, который выполняет все команды, управляющие вашим устройством. В этой статье мы рассмотрим, как ЦП выполняет свои функции на базовом уровне. Мы разберем основные регистры, тактовые импульсы и цикл выборки и исполнения, а также посмотрим, как эти элементы взаимодействуют друг с другом.
Регистры ЦП
Регистры – это небольшие объемы очень быстрой памяти внутри ЦП, которые используются для хранения промежуточных данных и команд. Современные процессоры имеют 64-битные регистры, что позволяет им работать с большими объемами данных и выполнять более сложные операции.
Основные регистры
1. Счётчик команд (Program Counter, PC): Этот регистр содержит адрес текущей инструкции в оперативной памяти (ОЗУ). Когда инструкция выполняется, счётчик команд увеличивается, указывая на следующую инструкцию.
2. Регистр инструкций (Instruction Register, IR): Этот регистр содержит инструкцию, которая выполняется в данный момент. Инструкция загружается из памяти в этот регистр перед выполнением.
3. Регистры данных (Data Registers): Эти регистры используются для хранения результатов операций. Например, когда ЦП выполняет арифметическую операцию, результат сохраняется в одном из регистров данных.
Помимо этих основных регистров, в современных ЦП есть множество других специализированных регистров, но для упрощения мы сосредоточимся на этих трех.
Тактовые импульсы
ЦП имеет генератор тактовых импульсов, который генерирует регулярные импульсы с определенным интервалом времени. Эти импульсы используются для синхронизации различных частей процессора. Каждый раз, когда происходит тактовый импульс, миллионы маленьких цепей в процессоре меняют свое состояние и обрабатывают сигналы. Это позволяет процессору выполнять инструкции последовательно и синхронно.
Цикл выборки и исполнения
Цикл выборки и исполнения (Fetch-Execute cycle), также известный как цикл выборки, декодирования и исполнения (Fetch-Decode-Execute cycle) или цикл инструкции, представляет собой трехэтапный процесс:
1. Выборка (Fetch): ЦП считывает инструкцию из памяти. Счётчик команд указывает на адрес этой инструкции.
2. Декодирование (Decode): Инструкция интерпретируется, определяя, какие операции необходимо выполнить.
3. Исполнение (Execute): ЦП выполняет инструкцию, используя свои арифметико-логические устройства и регистры.
Этот цикл начинается сразу после включения компьютера и продолжается до его выключения. Обычно, когда компьютер запускается, счётчик команд указывает на заранее определенное место в ПЗУ (постоянной памяти), где хранится начальная инструкция загрузки операционной системы.
Пример простого ЦП
Давайте рассмотрим процесс на примере очень простого ЦП. Он имеет три регистра, 8 байт ОЗУ и поддерживает всего 4 команды. Предположим, что он обрабатывает одно состояние цикла выборки и исполнения с каждым тактовым импульсом.
Команды простого ЦП
| Команда | Операция |
|----------|----------|
| Load X | Загружает значение, хранящееся по адресу X в памяти, в регистр данных. |
| Add X | Добавляет значение, хранящееся по адресу X в памяти, к регистру данных. Результат сохраняется в регистре данных. |
| Store X | Сохраняет значение из регистра данных по адресу X в памяти. |
| Jump C | Устанавливает счётчик команд на значение C. |
В реальном ЦП эти команды будут представлены двоичными числами. Например, команда Load X в двоичном виде может быть 0001 XXXX. Первые 4 бита, 0001, указывают на то, что это команда загрузки, а последние 4 бита используются для адреса памяти. 4 бита позволяют использовать 16 адресов памяти от 0 до 15. Этого достаточно для нашего простого ЦП, так как у нас есть только 8 байт памяти.
Пример работы
Предположим, что в начальном состоянии ОЗУ уже содержит программу, а счётчик команд установлен на 0. Рассмотрим процесс работы этого простого ЦП.
1. Счётчик команд (PC): 0
2. Регистр инструкций (IR): Пусто
3. Регистр данных (Data): Пусто
Цикл 1: Выборка и исполнение команды Load 5
- Выборка: Счётчик команд указывает на адрес 0, где хранится команда Load 5. Инструкция загружается в регистр инструкций.
- Декодирование: Инструкция интерпретируется как команда загрузки значения из адреса 5 в регистр данных.
- Исполнение: Значение по адресу 5 (например, 10) загружается в регистр данных.
1. Счётчик команд (PC): 1
2. Регистр инструкций (IR): Load 5
3. Регистр данных (Data): 10
Цикл 2: Выборка и исполнение команды Add 2
- Выборка: Счётчик команд указывает на адрес 1, где хранится команда Add 2. Инструкция загружается в регистр инструкций.
- Декодирование: Инструкция интерпретируется как команда добавления значения из адреса 2 к регистру данных.
- Исполнение: Значение по адресу 2 (например, 5) добавляется к регистру данных, и результат (15) сохраняется в регистре данных.
1. Счётчик команд (PC): 2
2. Регистр инструкций (IR): Add 2
3. Регистр данных (Data): 15
Цикл 3: Выборка и исполнение команды Store 4
- Выборка: Счётчик команд указывает на адрес 2, где хранится команда Store 4. Инструкция загружается в регистр инструкций.
- Декодирование: Инструкция интерпретируется как команда сохранения значения из регистра данных по адресу 4.
- Исполнение: Значение из регистра данных (15) сохраняется по адресу 4 в памяти.
1. Счётчик команд (PC): 3
2. Регистр инструкций (IR): Store 4
3. Регистр данных (Data): 15
Цикл 4: Выборка и исполнение команды Jump 0
- Выборка: Счётчик команд указывает на адрес 3, где хранится команда Jump 0. Инструкция загружается в регистр инструкций.
- Декодирование: Инструкция интерпретируется как команда перехода на адрес 0.
- Исполнение: Счётчик команд устанавливается на 0.
1. Счётчик команд (PC): 0
2. Регистр инструкций (IR): Jump 0
3. Регистр данных (Data): 15
Цикл продолжается повторяться снова и снова. С каждым циклом значение в регистре данных увеличивается на значение по адресу памяти 2, и результат сохраняется по адресу памяти 4.
Усложнение команд
В реальных ЦП есть команды для сравнения двух регистров и перехода на основе результата этого сравнения. Если бы мы расширили наш набор команд командой "Compare X, Y" для сравнения регистров X и Y и хранения результата сравнения как бита в регистре флагов (флаговый регистр по сути является только для чтения и указывает статус некоторых команд) и командой "JumpGreater C" для установки счётчика команд на C только в том случае, если флаг сравнения установлен в значение, соответствующее результату "X больше чем Y", мы могли бы изменить нашу программу так, чтобы она переходила к другой части кода, когда значение в регистре данных превысит, например, 16.
Машинные инструкции, которые выполняются на основе условия, называются инструкциями управления потоком (control flow instructions). Они позволяют создавать более сложные и эффективные программы, управляя выполнением команд на основе текущего состояния регистров и флагов.
Заключение
Цикл выборки и исполнения является основой работы любого ЦП. Понимание этого процесса помогает лучше понять, как работают компьютеры и как они выполняют сложные операции. Современные процессоры значительно сложнее, чем наш примерный ЦП, но основные принципы остаются теми же. Знание работы ЦП на базовом уровне полезно как для начинающих, так и для опытных программистов и инженеров.