Bitová vrstva: procesor

Jak už víte z předchozích kapitol, procesor zpracovává instrukce sériově, tedy za sebou, jednu po druhé. Procesor v rámci pipeline je sice schopný zpracovávat instrukce v různých krocích, může v rámci této pipeline přeskakovat zbytečné instrukce či predikovat jejich výsledek, každopádně pořád platí to, že procesor v každém tomto kroce zpracovává právě pouze jednu instrukci. Kdyby však toto bylo vše, co procesor umí, tak bychom s počítači zůstávali někde v dávné historii. Stále bychom používali počítače tím způsobem, že bychom jim museli nejdřív zadat seznam instrukcí, pak je spustit a počkat na výsledek. ...

Softwarové přerušení je situace kdy nějaká instrukce, záměrně či nezáměrně, vyvolá přerušení obdobně, jako u hardwarového přerušení. Záměrné vyvolání přerušení je mechanismus běžně používaný operačními systémy a ve vývoji softwaru. K tomu se ještě vrátíme později v kapitolách o operačních systémech a tvorbě softwaru. Nezáměrné vyvolání přerušení může způsobit chybné použití instrukce. Typický příklad je dělení nulou u instrukce pro dělení čísel. Nebo se snažíte zapsat na adresu v paměti, která neexistuje A podobně. Vyvolání přerušení Funguje to velmi podobně, jako hardwarové přerušení. ...

Jak víte z předchozích dílů, procesor zpracovává instrukce v sérii za sebou, jednu po druhé. Přestože moderní procesory obsahují více krokové pipeliny které jsou schopné v každém kroku zpracovávat jednu instrukci tak není možné, aby v rámci jednoho kroku pipeliny bylo zpracováváno více, než jedna instrukce. 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. ...

Sběrnice (anglicky “bus”) je bitový kanál sloužící pro komunikaci mezi procesorem, RAM pamětí, chipsetem základní desky a všemi ostatními komponentami (vstupy a výstupy) v počítači. Sběrnice 3 tradiční typy sběrnic Tradičně se v IT učebnicích a zdrojích mluví o 3 typech sběrnic které propojují všechny komponenty napříč celým počítačem. Uvádí se tyto 3 typy sběrnic. Adresová sběrnice: Toto je sběrnice která posílá informace o adresách tzn. odkud a kam se mají bity v datové sběrnici posílat. Datová sběrnice: Toto je sběrnice která posílá samotná data na adresy určené adresovou sběrnicí. Řídící sběrnice: Tato sběrnice určuje, jaká datová operace právě probíhá tzn.: zápis či čtení. Realita v moderních počítačích Spousta různých sběrnic V počítačích je spousta různých sběrnic, které moderní procesory dokáží obsluhovat nezávisle na sobě. Tyto sběrnice slouží různým účelům, nemusí být striktně rozděleny na adresovou, datovou a řídící, a fungují na různých rychlostech. ...

RAM paměť je extrémně rychlá, dokáže fungovat na vysokých frekvencích avšak za cenu toho, že po odpojení z elektřiny - tedy po vypnutí počítače - jakékoliv informace z RAM paměti zmizí (viz. Flip-flop). Procesor za běžného provozu čte svoje instrukce z RAM paměti. Tok instrukcí

U běžných počítačů můžete předpokládat, že procesor dokáže komunikovat s každou komponentou - tzn. s každým vstupem a výstupem - napřímo. Tzn. procesor je schopný na základě dané instrukce přečíst nebo zapsat data do jakékoliv jiné komponenty v systému. Sybchronní komunikace Nevýhoda tohoto způsobu spočívá v tom, že instrukce plýtvá obrovské množství cyklů protože jakékoliv I/O zařízení je řádově pomalejší, než samotný procesor. Zatímco procesor pracuje v rychlostech miliardy cyklů za vteřinu tak ostatní komponenty jsou vždy pomalejší. Procesor tak čekáním může vyplýtvat klidně celé miliardy cyklů. U běžného použití to znamená, že se počítač může reálně “kousnout” protože čeká na nějaké zařízení. ...

Asynchronní I/O instrukce fungují oproti synchronním instrukcím tak, že procesor těmito instrukcemi instruuje chipset základní desky aby: pro čtení: připravil data která potřebuje do RAM paměti pro zápis: data z RAM paměti vzal a zapsal je do dané I/O komponenty. Tímto způsobem procesor komanduje základní desku co má dělat, nemusí se zdržovat čekáním na ostatní komponenty a může pokračovat ve zpracovávání běžného toku instrukcí. Jakmile je operace čtení/zápisu hotová tak chipset základní desky pošle do procesoru přerušení na které procesor může navázat. ...

Základní desky u moderních počítačů obsahují přímo v sobě zabudovaný miniaturní a velmi primitivní “operační systém”. Nedá se ale ještě mluvit o plnohodnotném operačním systému. Běžně v něm nelze instalovat a spouštět jiné programy. Tento systém slouží pro diagnostiku a konfiguraci počítače a jednotlivých komponent na úplně základní úrovni která nemusí být možná v rámci plnohodnotného operačního systému. Pro běžného ajťáka je důležité vědět, že tento systém se běžně stará o nalezení instrukcí, které má procesor spustit. Ze zapojených dostupných komponent (zpravidla z persistentního uložiště jako SSD, HDD, Flash) se snaží najít tzv. boot record což jsou instrukce identifikující začátek nějakého programu. ...

Všechny moderní procesory fungují na stejném principu jako před 70 lety. Krok 1: Nějakým způsobem 1 jsou odněkud 2 zkopírovány instrukce do RAM paměti. Krok 2: Procesor čte připravené instrukce jednu po druhé až do konce. Co je program? Program (nebo software, nebo aplikace, ať už to nazveme jakkoliv 3, z pohledu bitové vrstvy není nic jiného než nějaký seznam instrukcí. Program = seznam instrukcí Běžný uživatel - a v mém pojetí i běžný ajťák - má ve svém počítači na disku připravený operační systém a nikdy nepřipravuje programy napřímo pro procesor. 4 ...

V předchozí kapitole Program jsem ve dvou krocích vysvětlit jak se na počítačích spouští programy napřímo. ⚠️ Důležité pro zapamatování: Tímto způsobem, stejně jako před 70 lety, je možné spustit pouze jeden jediný program respektive jeden program pro každé procesorové jádro. Běžný uživatel a běžný ajťák v mém pojetí tímto způsobem s počítačem nepracují. Pracují až na úrovni operačního systému. K tomu se dostanu v pozdějších kapitolách.