Предыдущий урок: Как работает компьютер? Часть 37. Регистры — несколько триггеров вместе
В предыдущем уроке мы познакомились с регистрами как с объединением нескольких триггеров. Мы выяснили, что регистр хранит несколько бит информации, обычно 8, 16 или 32, и это делает его гораздо более полезным, чем отдельный триггер. Теперь пришло время поговорить о том, какие именно регистры находятся внутри процессора и какую роль они играют. Ведь регистры — это не просто абстрактные коробочки для чисел. У каждого из них есть своё предназначение. Некоторые используются для хранения промежуточных данных, другие — для хранения адресов в памяти, третьи управляют самим процессором. Чтобы понять работу CPU, нужно разобраться в этих регистрах.
Когда мы говорим «процессор выполняет программу», на самом деле мы имеем в виду, что процессор перемещает данные между регистрами, выполняет над ними операции и управляет тем, какие регистры задействованы в данный момент. Регистры можно назвать сердцем процессора, потому что без них он не смог бы обрабатывать команды. Все действия, которые мы обсуждали в разделе про АЛУ и блок управления, были бы невозможны, если бы не существовало быстрых хранилищ внутри процессора.
Представьте, что вы решаете задачу на листке бумаги. У вас есть несколько «карманов памяти»: один для чисел, которые вы складываете, другой для результата, третий для хранения текущей формулы. Так и процессор имеет разные регистры: одни называются общими, их можно использовать для любых данных, другие — специальные, которые нужны для работы самого процессора.
Начнём с самых простых и понятных — это общие регистры. Они обычно обозначаются как R1, R2, R3 и так далее. Эти регистры процессор использует как рабочие места. Например, если нужно сложить два числа, одно число загрузится в R1, другое в R2, а потом результат можно положить в R3. В разных архитектурах количество таких регистров различно. В старых простых процессорах их могло быть всего несколько, в современных — десятки. Но принцип всегда одинаковый: общие регистры — это универсальные карманы, в которых процессор держит данные для текущих вычислений.
Теперь перейдём к аккумулятору. Это особый регистр, который исторически был в первых процессорах. В нём хранился результат всех операций. Например, чтобы сложить два числа, первое записывалось в аккумулятор, потом к нему прибавлялось второе, и результат оставался снова в аккумуляторе. В более современных процессорах роль аккумулятора не всегда выделяется отдельно, но идея та же — нужен регистр, который хранит итог работы АЛУ. В некоторых учебных моделях процессоров аккумулятор вообще единственный регистр для хранения данных.
Очень важен счётчик команд (Program Counter, PC). Он тоже является регистром, но выполняет совершенно особую роль. Его задача — хранить адрес текущей инструкции в памяти. После того как команда выполнена, процессор увеличивает содержимое счётчика команд, чтобы перейти к следующей инструкции. Если встречается команда перехода, то в счётчик команд записывается новый адрес. Таким образом, счётчик команд управляет тем, какой именно участок программы выполняется в данный момент. Адрес памяти (адрес текущей инструкции) — это просто номер конкретной ячейки. Нумерация начинается с 0 и до максимально доступного объема памяти. Поэтому логично, что счетчик команд хранит этот номер в виде обычного двоичного числа. Если следующая команда находится в ячейке памяти номер 2048, то в счетчике команд будет храниться двоичное значение 100000000000 (что и является 2048 в двоичной системе).
Рядом со счётчиком команд почти всегда работает ещё один важный регистр — регистр инструкций. Его задача — хранить ту команду, которую процессор выполняет прямо сейчас. Например, из памяти загрузили инструкцию ADD R1, R2 → R3, она попала в регистр инструкций, а затем дешифратор блока управления перевёл её в набор управляющих сигналов для всех остальных блоков. Без регистра инструкций процессор не знал бы, что именно ему нужно делать в данный момент. Команда не "хранится" в регистре инструкций постоянно, как данные в обычном регистре. Она туда временно помещается (защелкивается) на этапе декодирования и исполнения. Команда — это просто двоичное число. Оно имеет определенную структуру (формат), которую "понимает" блок декодирования процессора.
Существует ещё один интересный регистр — счётчик состояния или регистр флагов. Этот регистр хранит специальные биты, которые описывают результат работы АЛУ. Например, там может быть бит «результат равен нулю», бит «произошло переполнение», бит «число отрицательное» и так далее. Эти флаги нужны для условных переходов. Например, если результат равен нулю, программа может прыгнуть в другой участок кода. Таким образом, регистр флагов помогает процессору принимать решения.
Ещё одна группа регистров — адресные регистры. Они используются для того, чтобы указывать, где именно в памяти хранится нужное число. Например, команда LOAD R1, [100] означает: возьми данные из ячейки памяти с адресом 100 и положи их в регистр R1. Для этого процессор использует адресный регистр, в который записывается число 100, а затем память возвращает содержимое этой ячейки. В простых моделях процессора адресные регистры могут быть объединены с общими, в более сложных — это отдельные специальные регистры.
Итак, у нас получается, что внутри процессора есть несколько типов регистров. Общие — для данных, аккумулятор — для результатов, счётчик команд — для текущего адреса инструкции, регистр инструкций — для команды, флаги — для состояния, адресные — для работы с памятью. Вместе они обеспечивают работу процессора как единого механизма.
Можно представить, что регистры — это «органы» процессора. Общие регистры — руки, которые держат предметы. Аккумулятор — это как левая ладонь, куда всегда кладут результат. Счётчик команд — глаза, которые смотрят, где находится следующая задача. Регистр инструкций — это мозг, который помнит, что именно сейчас нужно делать. Флаги — это чувства, которые говорят, получилось или не получилось. Адресные регистры — это ноги, которые указывают, куда идти в памяти за данными.
Важно понимать, что регистры работают на логических схемах. Каждый регистр — это всего лишь набор триггеров с управляющими сигналами «Запись» и «Чтение». Но когда эти регистры соединяются вместе и получают свои роли, процессор превращается в настоящий вычислительный автомат. Он может исполнять последовательность команд, принимать решения, взаимодействовать с памятью и выдавать результаты.
Таким образом, регистры процессора — это его фундаментальные элементы. Именно они делают возможным выполнение инструкций и хранение промежуточных данных. В следующем уроке мы выйдем за пределы процессора и посмотрим на то, как устроена внешняя оперативная память, где хранится сама программа и большие массивы данных. Но прежде чем уйти во «внешнюю» память, нужно помнить: всё, что делает процессор, он делает через свои регистры. Именно они соединяют команды, данные и управление в единое целое.
Спасибо за внимание!
Следующий урок: Как работает компьютер? Часть 39. Оперативная память (RAM)
👍 Ставьте лайки если хотите разбор других интересных тем.
👉 Подписывайся на IT Extra на Дзен чтобы не пропустить следующие статьи
________________________________________________________________________
👇
Понравилась статья? В нашем Telegram-канале ITextra мы каждый день делимся такими же понятными объяснениями, а также свежими новостями и полезными инструментами. Подписывайтесь, чтобы прокачивать свои IT-знания всего за 2 минуты в день!