Как работает компьютер? Часть 43. Работа процессора шаг за шагом

Предыдущий урок: Как работает компьютер? Часть 42. Что такое процессор и зачем он нужен

Ранее мы по шагам разобрали все основные части компьютера. Мы начинали с электричества и простых логических элементов, затем научились собирать из них триггеры и регистры, потом посмотрели, как работает память, как устроен процессор и как он взаимодействует с памятью. В этом финальном уроке мы должны собрать все знания в одну общую картину.

Мы узнаем, как именно все части процессора работают синхронно, познакомимся с тактами и циклами, а также увидим большую схему, где соединены все элементы: память, процессор, его регистры, блок управления, АЛУ и шины. И наконец — выполним пример программы, проследив, как она проходит через все части компьютера.

Начнём с напоминания: процессор сам по себе не хранит большие программы или данные. Для этого у компьютера есть внешняя память:

1. Оперативная память (RAM) — быстрая, но энергозависимая. Здесь хранятся текущие программы и данные.
2. Постоянная память (SSD или жёсткий диск) — медленнее, но данные сохраняются даже без питания. Именно отсюда загружается программа в RAM.

Процессор получает команды и данные из RAM, а RAM сама заполняется информацией с SSD или других устройств.

​

​

​Стоит также упомянуть, что в процессе работы процессор, также использует и Кэш-память. Кэш-память процессора – это небольшая, но очень быстрая память, встроенная в процессор и служащая промежуточным буфером между ним и более медленной оперативной памятью. Её основная задача — хранить копии часто используемых данных и инструкций, чтобы процессор мог получать к ним доступ почти мгновенно, что значительно повышает общую производительность системы и сокращает время ожидания данных из ОЗУ. Но в этом курсе мы опустим этит элемент процессора.

Что внутри процессора

Теперь перейдем к составу процессора. Внутри можно выделить несколько ключевых блоков:

1. Блок управления (CU, Control Unit):

• Счётчик команд — хранит адрес следующей инструкции.
• Регистр инструкций — хранит текущую команду.
• Дешифратор — превращает команду в набор управляющих сигналов.
• Тактовый генератор — задаёт ритм работы.

2. Регистры процессора:

• Общие регистры (R1, R2, Accumulator и др.) для хранения промежуточных данных.
• Специальные регистры: MAR (регистр адреса памяти), MDR (регистр данных памяти).

3. АЛУ (арифметико-логическое устройство): выполняет операции: сложение, вычитание, сравнение, логические операции.

4. Мультиплексоры и внутренние линии связи: помогают направлять данные между регистрами, АЛУ и памятью.

5. Шины:

• Шина адреса (от процессора в память).
• Шина данных (двусторонняя: процессор ↔ память).
• Шина управления (сигналы: чтение, запись, выполнение).

Такты и синхронизация

До сих пор мы говорили так, будто процессор делает все шаги «одним махом». Но на самом деле работа процессора делится на тактированные шаги.

Внутри процессора есть специальный элемент — тактовый генератор. Он работает как «метроном», который задаёт ритм. Каждый такт — это как щелчок часов: раз — сделать одно действие, два — другое действие.

Обычно одна инструкция выполняется не за один такт, а за несколько:

1. Выборка (fetch): взять адрес из Счётчика команд, загрузить инструкцию из памяти в Регистр инструкций.
2. Декодирование (decode): дешифратор понимает, что за команда.
3. Выполнение (execute): АЛУ или регистры выполняют действие.
4. Сохранение (store): результат помещается обратно в регистр или память.

Эти шаги вместе образуют машинный цикл.

​

​

​Тактовая частота процессора — это количество «тактов» или циклов, которые процессор выполняет за одну секунду. Она измеряется в гигагерцах (ГГц), где 1 ГГц означает миллиард циклов в секунду. Чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор может обрабатывать задачи.

Как всё работает вместе

Давайте теперь соберём в одну картину всё, что мы обсуждали:

• SSD хранит программу. Когда компьютер запускается, программа копируется в RAM.
• RAM содержит инструкции и данные.
• Счётчик команд указывает адрес следующей инструкции в RAM.
• Адрес попадает в MAR, передаётся по шине адреса в память.
• Память возвращает инструкцию по шине данных в MDR, затем в IR.
• Дешифратор анализирует инструкцию и отправляет управляющие сигналы:в АЛУ — какую операцию выполнить,
  в регистры — откуда взять данные, куда записать,
  в память — читать или записывать.
  Если инструкция требует данные из памяти, снова используются MAR и MDR.
  
• Мультиплексоры направляют потоки данных: например, выбор между R1 и R2 для входа в АЛУ.
• АЛУ выполняет операцию (например, сложение).
• Результат сохраняется в регистр или обратно в память.
• Тактовый генератор следит, чтобы всё шло шаг за шагом в нужный момент.

Сложение двух чисел (Пример)

Теперь рассмотрим конкретный пример: сложить 2 и 3, сохранить результат в памяти.

Мы возьмём наш мини-пример программы:

Память содержит:

• Адрес 100: LOAD R1, 10
• Адрес 101: LOAD R2, 11
• Адрес 102: ADD R1, R2
• Адрес 103: STORE R1, 12
• Адрес 10: число 2
• Адрес 11: число 3

В результате выполнения мы должны получить: R1 = 5, R2 = 3 Память[12] = 5

Теперь опишем пошаговую работу процессора.

Введем обозначения:

• A — шина адреса - указывает, с какой ячейкой памяти мы работаем.
• D — шина данных - по ней передаются данные между процессором и памятью.
• C — шина управления - процессор сообщает памяти, что делать: читать, писать, инструкция это или данные, а также управляет регистрами и АЛУ.

Инструкция 1: LOAD R1, [10]

Такт 1 (выборка инструкции из памяти)

1. Счётчик команд = 100 (там адрес первой инструкции).
2. Счётчик команд MAR (загружаем в MAR).
3. A: на шину адреса отправляется 100.
4. C: Блок управления выставляет READ=1, INSTR=1 → память понимает: нужно отдать инструкцию.
5. Память по адресу 100 кладёт в шину D код LOAD R1, [10].
6. D → MDR (забираем в регистр данных памяти).
7. MDR → Регистр инструкций.
8. Счётчик команд + 1→Счётчик команд = 101 (счётчик команд увеличился).

Такт 2 (декодирование)

1. Блок управления дешифрует Регистр инструкций = LOAD R1, [10].
2. Генерируются управляющие сигналы: в MAR пойдёт адрес 10, будет операция чтения из памяти (READ), результат нужно поместить в R1.

Такт 3 (чтение данных из памяти)

1. 10 → MAR.
2. A: на шину адреса идёт 10.
3. C: READ=1, INSTR=0 (читаем данные, а не инструкцию).
4. Память выдаёт значение ячейки 10 (= 2) на шину D.
5. D  → MDR (MDR = 2).

Такт 4 (загрузка в регистр)

1. Блок управления даёт команду REG_WRITE(R1)=1.
2. MDR → R1 = 2.

После первой инструкции: R1=2.

Инструкция 2: LOAD R2, [11]

Такт 5 (выборка инструкции)

1. Счётчик команд = 101 → MAR.
2. A: адрес 101 на шину.
3. C: READ=1, INSTR=1.
4. Память по адресу 101 отдаёт код LOAD R2, [11].
5. D → MDR
6. MDR → Регистр инструкций.
7. Счётчик команд + 1→ Счётчик команд = 102 (счётчик команд увеличился).

Такт 6 (декодирование)

1. Блок управления дешифрует Регистр инструкций = LOAD R2, [11].
2. Подготавливает: MAR=11, READ данных, запись в R2.

Такт 7 (чтение данных из памяти)

1. 11 → MAR.
2. A: на шину адреса отправляется 11.
3. C: От Блока управления READ=1, INSTR=0.
4. Память выдаёт содержимое [11] = 3.
5. D → MDR = 3.

Такт 8 (загрузка в R2)

1. Блока управления даёт REG_WRITE(R2)=1.
2. MDR →  R2 = 3.

После второй инструкции: R1=2, R2=3.

Инструкция 3: ADD R1, R2

Такт 9 (выборка инструкции)

1. PC= 102 → MAR.
2. A: на шину адреса отправляется 102.
3. C: От Блока управления READ=1, INSTR=1.
4. Память возвращает код ADD R1, R2.
5. D → MDR
6. MDR → Регистр инструкций.
7. Счётчик команд + 1→ Счётчик команд = 103 (счётчик команд увеличился).

Такт 10 (декодирование)

1. Блок управления: операция ADD.
2. Устанавливает сигналы через мультиплексор: вход R1→ АЛУ, второй вход R2 → АЛУ , ALU_OP=ADD, результат пойдёт в R1.

Такт 11 (выполнение)

1. АЛУ получает 2 (R1) и 3 (R2).
2. Считает сумму: 5.
3. C: REG_WRITE(R1)=1.
4. 5 → R1.

После третьей инструкции: R1=5, R2=3.

Инструкция 4: STORE R1, [12]

Такт 12 (выборка инструкции)

1. PC = 103 → MAR.
2. A: на шину адреса отправляется 103.
3. C: От Блока управления READ=1, INSTR=1.
4. Память возвращает код STORE R1, [12].
5. D → MDR
6. MDR → Регистр инструкций.
7. Счётчик команд + 1→ Счётчик команд = 104 (счётчик команд увеличился).

Такт 13 (декодирование)

1. Блок управления понимает: надо взять R1 и записать в память по адресу 12.
2. Настраивает: MAR=12, MDR будет содержать данные из R1, потом включится сигнал записи WRITE.

Такт 14 (подготовка адреса и данных)

1. 12 → MAR.
2. R1 (=5) → MDR .

Такт 15 (запись в память)

1. A: на шину идёт адрес 12.
2. D: на шину идёт содержимое MDR = 5.
3. C: WRITE=1, INSTR=0.
4. Память по адресу 12 записывает число 5.

После четвёртой инструкции: R1=5, R2=3, память[12]=5.

Конец! Теперь давайте отразим все что мы узнали на схеме:

Стоит также упомянуть про Ядра процессора. Ядро процессора — это самостоятельный вычислительный блок внутри процессора, который выполняет арифметические и логические операции, обрабатывая команды. Каждый процессор состоит из одного или нескольких ядер, и чем их больше, тем больше задач компьютер может выполнять параллельно. Ядро является ключевым элементом, определяющим производительность процессора, а современные процессоры имеют несколько ядер для эффективной работы с множеством программ и потоков данных одновременно. Мы как раз только что собрали процессор, состоящий из одного ядра.

Мы прошли длинный путь. Сначала мы говорили о том, как электрические сигналы могут хранить ноль и единицу. Потом собрали из них логические схемы, которые умеют делать операции. На их основе построили триггеры, регистры и память. Затем мы шаг за шагом разобрали устройство процессора: блок управления, АЛУ, регистры, мультиплексоры, дешифраторы, MAR, MDR и шины. И теперь мы видим общую картину: как все эти элементы соединяются вместе и работают синхронно под управлением тактового генератора.

Так завершился наш путь: от электричества и простых лампочек до полноценного процессора, который может выполнять программы и решать задачи. Теперь у вас есть представление о том, как внутри устроен процессор и как он шаг за шагом выполняет команды.

Спасибо за внимание!

Следующий урок: Как работает компьютер? Часть 44. Архитектура фон Неймана — единая память для данных и инструкций

Если вам интересно копать глубже, разбирать реальные кейсы и получать знания, которых нет в открытом доступе — вам в IT Extra Premium.

Что внутри?
✅ Закрытые публикации: Детальные руководства, разборы сложных тем (например, архитектура высоконагруженных систем, глубокий анализ уязвимостей, оптимизация кода, полезные инструменты и объяснения сложных тем простым и понятным языком).
✅ Конкретные инструкции: Пошаговые мануалы, которые вы сможете применить на практике уже сегодня.
✅ Без рекламы и воды: Только суть, только концентрат полезной информации.
✅ Ранний доступ: Читайте новые материалы первыми.

Это — ваш личный доступ к экспертизе, упакованной в понятный формат. Не просто теория, а инструменты для роста.

👉 Переходите на Premium и начните читать то, о чем другие только догадываются.

👍 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!