Bitová vrstva: procesor

Procesor je hodně zjednodušeně elektronický čip, který umí přijmout nějakou kombinaci bitů na vstupu a na základě této kombinace vyprodukovat jinou kombinaci bitů na výstupu. Na obrázku jsou vstupy/výstupy reálně fyzické dráty/obvody vedoucí do/z procesoru. Instrukce procesoru Na obrázku níže je příklad 6 bitové instrukce 010011 vstupující do 6 bitového procesoru. Instrukce procesoru ⚠️ Důležité k zapamatování: Instrukcím v bitové podobě se říká česky strojový kód (z anglického machine code). ...

Šířka instrukce je počet bitů v instrukci. Každý procesor je vyrobený na pevnou šířku instrukce. 1 Instrukce nemůže obsahovat více ani méně bitů, než kolik je šířka instrukce. Toto je jednoduše odraz fyzické reality. 6-bitový procesor je 6-bitový, protože na vstupu do něj reálně vede 6 fyzických drátů. Vstupní instrukce procesoru Realita je trochu složitější. Moderní procesory umí zpracovávat zanořené instrukce, které mají variabilní (=libovolnou) délku, to ale není pro běžného ajťáka podstatné. ↩︎ ...

⚠️ Důležité k zapamatování: Procesory zpracovávají instrukce sériově tedy jednu za druhou. Procesor 1 neumí zpracovávat instrukce paralelně. 2 Sériové zpracování instrukcí Obrázek výše je doufám dostatečně názorný. Právě se zpracovává nějaká instrukce 110011 Po zpracování této instrukce se začne zpracovávat instrukce 2. v pořadí tedy 111100 Následuje instrukce 000111 Pak 010001 Pak 101100 Atd. Respektive procesorové jádro, o tom budu mluvit později. ↩︎ U moderních procesorů to není 100% pravda ale to není pro běžného ajťáka podstatné. O moderních procesorech pojednává samostatný článek později. ↩︎ ...

Moderní procesory mají frekvence mezi 2 až 5 GHz (gigahertz). 1 GHz znamená jedna miliarda cyklů za vteřinu. Jeden cyklus procesoru nebo také v angličtině jeden tick si můžete představit jako jeden krok potřebný pro splnění nějaké instrukce. Na obrázku níže je příklad instrukce, která potřebuje 5 cyklů pro zpracování. Cyklus procesoru Různé instrukce vyžadují různý počet cyklů. Nejjednodušší logické instrukce odpovídají jednomu cyklu, složitější instrukce mohou zabrat i desítky/stovky cyklů. ...

Program (software/aplikace/atd. 1) není nic jiného než seznam instrukcí který má nějaký začátek a konec a putuje do procesoru. Instrukční tok jsou instrukce které právě putují do procesoru. Program = seznam instrukcí ⚠️ Pamatuj: zapnutý procesor = aktivní instrukční tok. Chybějící instrukční tok = procesor je vypnutý. ⚠️ Z pohledu procesoru neexistuje žádný začátek či konec instrukcí. Podstatná je pouze přítomnost instrukčního toku. Běžný počítač je většinou možné vždy zapnout (zapne se základní deska) ale bez instrukčního toku pro procesor bude počítač pro běžné užití nepoužitelný. ...

⚠️ Jakýkoliv program běžící v procesoru se v běžných počítačích musí vždy spouštět z RAM paměti. Program v RAM paměti ⚠️ RAM paměť při vypnutí počítače ztrácí veškerý obsah a při zapnutí počítače je vždy prázdná. Program se do RAM paměti musí při zapnutí počítače připravit. Jak se to dělá je popsáno v jedné z následujících kapitol.

V předchozí kapitolách Program jsem vysvětlil, jak se na počítačích spouští programy z RAM paměti. ⚠️ Důležité pro zapamatování: Tímto způsobem, stejně jako před 70 lety, je možné spustit nad procesorem pouze jeden jediný program. Takto lze definovat běžný počítač. Jeden počítač = jedna RAM paměť = jeden procesor = jeden program Běžný uživatel a běžný ajťák v mém pojetí pracují až na úrovni operačního systému. Operační systém je ten jediný program, který na běžných počítačích tímto způsobem běží. ...

Procesor zpracovává instrukce v sérii za sebou, jednu po druhé. Technologický vývoj a s ním spojené neustálé zmenšování obvodů a tranzistorů v procesoru však umožnil, že procesory mají více jader. Jinými slovy, jeden fyzický procesor je ve skutečnosti několik procesorů najednou a každý tento procesor dokáže běžet nezávisle na ostatních. Vícejádrový procesor Instrukce u vícejádrových procesorů U moderních vícejádrových procesorů se jakýkoliv program spouští vždy v prvním jádře. Pokud chce program využít i ostatní jádra, musí k tomu využít specializované instrukce. ...

Procesory a RAM paměti moderních počítačů jsou vždy umístěné na základní desce. Toto platí pro všechny běžné počítače: stolní počítače, servery, telefony i tablety. Procesor a RAM na základní desce Při zapnutí moderního počítače se okamžitě zapne základní deska na které se nachází napevno zabudovaný miniaturní počítač — miniaturní pamět s miniaturním procesorem — s jediným spustitelným programem kterému se říká bootloader. Ten provede následující 3 operace: Vyhledá v celém počítači nějaký spustitelný program. Toto může být napevno přednastavené (např. v telefonech) nebo konfigurovatelné (v běžných počítačích prostřednictvím UEFI, viz. níže). Nalezený program přesune do RAM paměti Spustí procesor a předá plnou kontrolu nad počítačem procesoru Bootloader ⚠️ Hlavním účelem bootloaderu je nalézt v počítači instrukce pro procesor, načíst je do RAM paměti a procesor pustit. ...

Výstupní bity jsou instrukce prováděné procesorem na zbytku systému v počítači. Nemají žádnou pevnou šířku, dokonce ani žádný společný kanál, kterým by společně putovaly všechny výstupní instrukce, jako je to u vstupních bitů. ⚠️ Důležité k zapamatování: Výstupní bity nejsou důležité. Toto “zadrátování” se liší podle patice procesoru což je fyzická zásuvka, do které se na základní desce procesor umisťuje. Tyto specificky detaily jsou pro běžného ajťáka nepodstatné. Komplexita výstupních bitů Procesor komunikuje se zbytkem počítače prostřednictvím sběrnic na základní desce. O těch píšu v pozdější kapitole. ...