cpu-architecture.md

Оглавление: Принципы работы процессора

1. Основы цифровой логики

• Двоичная система и логические операции
  • Представление данных в двоичном виде (биты, байты)
  • Логические вентили: AND, OR, NOT, XOR, NAND
  • Булева алгебра и её применение в схемах процессора
• Триггеры и регистры
  • Как хранится бит информации (RS-триггер, D-триггер)
  • Роль регистров в процессоре

2. Архитектура процессора

• Цикл выполнения инструкций (Fetch-Decode-Execute)
  • Этапы: выборка, декодирование, выполнение, запись
  • Роль счетчика команд (Program Counter) и регистра команд (Instruction Register)
• Основные компоненты ЦПУ
  • АЛУ (арифметико-логическое устройство)
  • Блок управления (Control Unit)
  • Система регистров (аккумулятор, регистр флагов)
• Шины данных, адреса и управления
  • Как данные перемещаются между компонентами

3. Система команд (Instruction Set Architecture, ISA)

• Типы инструкций
  • Арифметические (ADD, SUB), логические (AND, OR), управляющие (JUMP, CALL)
  • Работа с памятью (LOAD, STORE)
• Форматы инструкций
  • RISC (фиксированная длина) vs CISC (переменная длина)
  • Примеры: x86 (CISC), ARM (RISC)
• Адресация данных
  • Непосредственная, регистровая, косвенная, индексная адресация

4. Микроархитектура

• Конвейеризация (Pipeline)
  • Разделение цикла выполнения на этапы (например, 5-ступенчатый конвейер)
  • Проблемы: конфликты данных (data hazards) и их решение
• Параллелизм на уровне инструкций
  • Суперскалярная архитектура: выполнение нескольких инструкций за такт
  • Out-of-Order Execution (переупорядочивание команд)
• Спекулятивное выполнение
  • Предсказание ветвлений (Branch Prediction)

5. Память и кэширование

• Иерархия памяти
  • Регистры → Кэш L1/L2/L3 → ОЗУ → Диск
  • Принцип локальности данных (временная и пространственная)
• Кэш-память
  • Ассоциативность кэша (прямое отображение, наборно-ассоциативный)
  • Алгоритмы замены данных (LRU, FIFO)
• Виды памяти
  • SRAM (кэш), DRAM (ОЗУ), ROM

6. Многоядерные и многопоточные процессоры

• Многоядерность
  • Как ядра делят задачи (SMP, NUMA)
  • Синхронизация: мьютексы, семафоры
• Многопоточность
  • Hyper-Threading (одно ядро выполняет несколько потоков)
• Параллельные архитектуры
  • GPU vs CPU: различия в подходах к вычислениям

7. Производительность и оптимизация

• Тактовая частота
  • Как частота влияет на скорость выполнения инструкций
• CPI (Cycles Per Instruction)
  • Метрика для оценки эффективности архитектуры
• Закон Амдала
  • Ограничения параллельных вычислений
• Тепловыделение и энергоэффективность
  • Почему современные процессоры не могут бесконечно расти в частоте

8. Современные технологии

• Векторные инструкции (SIMD)
  • SSE, AVX, NEON: ускорение обработки данных
• Квантовые процессоры (обзор)
  • Принципиальные отличия от классических ЦПУ
• RISC-V и открытые архитектуры
  • Тренды в разработке процессоров

9. Практические аспекты

• Симуляторы процессоров
  • Примеры: Logisim, MARS (MIPS), QEMU
• Ассемблер и низкоуровневое программирование
  • Написание простых программ на ассемблере (например, сложение чисел)
• Анализ производительности
  • Инструменты: perf, VTune, профилировщики

10. Исторический контекст

• Эволюция процессоров
  • От Intel 4004 (1971) до современных многоядерных CPU
• Архитектурные прорывы
  • Переход от 32-битных к 64-битным системам
  • Появление кэш-памяти и конвейеризации

---

Ресурсы для изучения

• Книги:
  • «Код: Тайный язык информатики» (Чарльз Петцольд)
  • «Архитектура компьютера» (Эндрю Таненбаум)
  • «Computer Organization and Design» (Паттерсон и Хеннесси)
• Онлайн-курсы:
  • Coursera: «Computer Architecture» (Princeton University)
  • Nand2Tetris: Построение процессора с нуля

Основы цифровой логики и архитектуры процессора

---

1. Двоичная система и логические операции

Двоичная система

• Основа: Использует две цифры — 0 и 1.
• Причина применения: Электронные компоненты (транзисторы) легко различают два состояния (напряжение есть/нет).
• Примеры:
  • Число 5 в десятичной → 101 в двоичной.
  • Буква A в ASCII → 01000001.

Логические операции

• Базовые операции:
  • AND (И): 1, только если оба входа 1.
  • OR (ИЛИ): 1, если хотя бы один вход 1.
  • NOT (НЕ): Инвертирует вход (0 → 1, 1 → 0).
  • XOR (исключающее ИЛИ): 1, если входы разные.
  • NAND (И-НЕ): Инверсия AND.

---

2. Представление данных в двоичном виде (биты, байты)

Бит (Bit)

• Минимальная единица информации: 0 или 1.
• Примеры физической реализации:
  • Заряд в конденсаторе (DRAM).
  • Намагниченная область на диске.

Байт (Byte)

• 1 байт = 8 бит.
• Диапазон значений: 00000000 (0) до 11111111 (255).
• Примеры кодировок:
  • ASCII: 7 бит на символ (128 значений).
  • UTF-8: 1–4 байта на символ (поддержка эмодзи, иероглифов).

---

3. Логические вентили: AND, OR, NOT, XOR, NAND

Основные вентили

Вентиль	Функция	Таблица истинности
AND	Y = A AND B	0,0→0; 0,1→0; 1,0→0; 1,1→1
OR	Y = A OR B	0,0→0; 0,1→1; 1,0→1; 1,1→1
NOT	Y = NOT A	0→1; 1→0
XOR	Y = A XOR B	0,0→0; 0,1→1; 1,0→1; 1,1→0
NAND	Y = NOT (A AND B)	0,0→1; 0,1→1; 1,0→1; 1,1→0

Универсальные вентили

• NAND и NOR позволяют создать любую логическую операцию.
• Пример:
  • NOT из NAND: Соедините оба входа NAND → Y = NOT (A AND A) = NOT A.
  • AND из NAND: Y = NOT (NAND(A, B)).

---

4. Булева алгебра и её применение в схемах процессора

Основы булевой алгебры

• Законы:
  • Коммутативность: A AND B = B AND A.
  • Ассоциативность: (A OR B) OR C = A OR (B OR C).
  • Дистрибутивность: A AND (B OR C) = (A AND B) OR (A AND C).
• Тождества:
  • A AND 0 = 0, A OR 1 = 1.
  • A AND NOT A = 0 (закон противоречия).

Применение в процессорах

1. Проектирование логических схем:
   • Упрощение выражений для минимизации числа транзисторов.
   • Пример: Сумматор на основе XOR и AND.
2. Оптимизация АЛУ:
   • Использование булевых выражений для арифметических операций.
3. Синтез комбинационных схем:
   • Мультиплексоры, декодеры, шифраторы строятся на базе булевых функций.

---

Пример связи тем

Задача: Создать схему для вычисления A + B (1-битный сумматор).

1. Двоичное представление: A и B — биты (0 или 1).
2. Логические вентили:
   • Сумма: A XOR B (XOR-вентиль).
   • Перенос: A AND B (AND-вентиль).
3. Булева алгебра:
   • Упрощение выражения для переноса: Перенос = A AND B.

---

Заключение

• Двоичная система — фундамент хранения и обработки данных.
• Логические вентили — «кирпичики» для построения процессоров.
• Булева алгебра — инструмент для проектирования и оптимизации схем.
• Вместе эти темы объясняют, как процессор выполняет операции: от простого сложения битов до запуска операционной системы.