Теоретический минимум по Computer Science

Рис. 7.6. Часть технического описания Intel 4004, показывающая, как операциям ставятся в соответствие числа. Это был первый в мире ЦП, выпущенный в 1971 году

ЦП работает в бесконечном цикле, постоянно выбирая и исполняя команды из памяти. В ядре цикла находится регистр PC, или счетчик команд[71]. Это специальный регистр, который хранит адрес памяти следующей исполняемой команды. Вот что делает ЦП:

1) выбирает команду в адресе памяти, заданном регистром PC;

2) увеличивает PC на 1;

3) выполняет команду;

4) возвращается к шагу 1.

Когда ЦП включается, PC присваивается значение по умолчанию, то есть адрес первой команды, выполняемой машиной. Это обычно неизменяемая встроенная программа, ответственная за загрузку основных функций компьютера[72].

После включения ЦП начинает выполнять этот бесконечный цикл выборки и исполнения, пока вы не выключите компьютер. Однако если бы ЦП мог выполнять только упорядоченный, последовательный список операций, то компьютер был бы не более чем продвинутым калькулятором. ЦП удивителен, потому что ему можно поручить записать новое значение в регистр PC, заставив процесс исполнения команд выполнить переход — «перепрыгнуть» куда-то в другое место в памяти. Такое ветвление может быть условным выражением. Например, команда ЦП может сообщить: «Записать в PC адрес № 200, если регистр № 1 хранит ноль». Это позволяет компьютерам выполнять операторы, подобные следующему:

if x = 0

····compute_this()····# вычислить это

else

····compute_that()····# вычислить то

Вот и все, что вам надо знать. Открываете ли вы сайт, играете ли в компьютерную игру или редактируете электронную таблицу, вычисления всегда одинаковы: это серия простых операций, которые могут лишь суммировать, сравнивать или перемещать данные в памяти.

При помощи множества этих простых операций можно выражать запутанные процедуры. Например, код классической игры Space Invaders (рис. 7.7) включает порядка 3000 машинных команд.

Рис. 7.7. Игру Space Invaders, выпущенную в 1978 году, многие называют самой влиятельной за всю историю

Тактовая частота ЦП. В 1980-х годах чрезвычайно популярной стала игра Space Invaders. Люди играли в нее на игровых автоматах, оборудованных процессорами с тактовой частотой 2 МГц. Этот показатель — число базовых операций, которые процессор выполняет в секунду. Процессор с тактовой частотой 2 МГц выполняет примерно 2 млн базовых операций в секунду. Для выполнения машинной команды требуется от пяти до десяти базовых операций. Следовательно, винтажные игровые автоматы выполняли сотни тысяч машинных команд каждую секунду.

В условиях современного технологического прогресса обычные настольные компьютеры и смартфоны обычно имеют процессоры с тактовой частотой 2 ГГц. Они способны выполнять сотни миллионов машинных команд каждую секунду. А с недавних пор массовое применение получили многоядерные ЦП. Четырехъядерный процессор с тактовой частотой 2 ГГц может выполнять почти миллиард машинных команд в секунду. И, похоже, в перспективе у наших процессоров будет все больше ядер[73].

Архитектуры ЦП. Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему нельзя вставить компакт-диск для Sony PlayStation в настольный компьютер и начать играть? Или почему приложения для iPhone не запускаются на Mac? Причина проста: разные архитектуры ЦП.

В наше время архитектура x86 является довольно стандартной, и потому одинаковый код может выполняться на большинстве персональных компьютеров. Однако сотовые телефоны, например, имеют процессоры с другой, более энергоэффективной архитектурой. Разные архитектуры означают разные наборы процессорных команд и, следовательно, разные способы их кодирования числами. Числа, которые транслируются как команды для ЦП вашего настольного компьютера, не являются допустимыми командами для ЦП в вашем сотовом телефоне, и наоборот.

32-разрядная архитектура против 64-разрядной. Первый ЦП под названием Intel 4004 был основан на 4-разрядной архитектуре. Это означает, что он мог оперировать двоичными числами (суммировать, сравнивать, перемещать их) до 4 разрядов в одной машинной команде. Шина данных и шина адресов на Intel 4004 состояли всего из четырех проводов каждая.

Вскоре после этого широкое распространение получили 8-разрядные ЦП. Они использовались в ранних персональных компьютерах, работавших под DOS[74]. Game Boy, популярный в 1980–1990-х годах переносной игровой компьютер, тоже имел 8-разрядный процессор. Одиночная команда в таких ЦП может оперировать 8-разрядными двоичными числами.