Как процессор понимает языки высокого уровня. Разработка ISA на языке Verylog
https://github.com/igoroutine-courses/the_nature_of_computer_science/tree/master/lectures 00:00 Введение в устройство процессора • Объяснение работы процессора и его компонентов: арифметико-логическое устройство ALU, программный счётчик PC, память под инструкции. • ALU выполняет арифметические и логические операции. • PC передвигает указатель на следующую инструкцию каждый такт. 00:58 Как процессор понимает код • Код преобразуется в бинарный формат нули и единицы. • Процессор знает, какие биты кодируют операции, операнды и результаты. • Каждая архитектура имеет свой набор инструкций ISA. 02:51 Пример архитектуры MIPS • MIPS имеет три типа инструкций: кодирование операции, операндов и результата. • Компилятор создаёт бинарный файл, который процессор понимает на уровне железа. • ISA описывает возможности архитектуры. 03:43 Язык Verilog • Verilog — инструмент для визуализации аппаратных систем, включая процессоры. • Пример работы ALU: определение операции по первым шести битам команды. • Verilog позволяет эмулировать реальные системы. 06:40 Контрольный юнит • Контрольный юнит определяет, какие команды умеет выполнять устройство. • Он передаёт команды ALU и эмулирует провода. • Эмуляция памяти и других компонентов процессора. 07:35 Запуск модели процессора • Запуск модели процессора с помощью файла, который компилирует и запускает модель. • Вывод регистров и значений памяти. • Демонстрация работы процессора на примере кода. 08:38 Введение в последовательность Фибоначчи • Последовательность Фибоначчи: 1 + 1 = 2, 2 + 3 = 5, 5 + 8 = 13, 13 + 21 = 34, 34 + 55 = 89 и так далее. • Процессор преобразует сырые байты в инструкции, выполняя операции. • Пример с циклами показывает, как процессор обрабатывает инструкции. 09:37 Однотактовый процессор и многотактовая архитектура • Однотактовый процессор выполняет одну команду за такт. • Многотактовая архитектура позволяет выполнять несколько команд за один такт, что повышает производительность. • Пример команды, требующей загрузки данных из памяти, иллюстрирует необходимость оптимизации. 10:35 Принцип работы многотактовой архитектуры • Долгосрочные команды могут блокировать процессор, если выполняются за один такт. • Многотактовая архитектура распределяет выполнение команд между тактами, увеличивая производительность. 12:16 Стадии выполнения инструкций • Инструкция разбивается на пять стадий: fetch, decode, execute, store, branch. • Fetch — загрузка инструкции из памяти. • Decode — декодирование инструкции и определение операции. • Execute — выполнение операции. • Store — запись результата в память. • Branch — переход к следующей инструкции на основе результата предыдущей. 15:24 Конвейерная обработка и синхронизация • Конвейерная обработка позволяет процессору выполнять несколько стадий инструкции за один такт. • Процессор переставляет инструкции для оптимизации выполнения, что может привести к ошибкам при отсутствии синхронизации. • Синхронизация необходима для предотвращения гонок данных в многопоточном коде. 17:29 Компоненты для управления порядком инструкций • VLIW: Very Long Instruction Word — старый подход с отдельными дорожками для каждой стадии инструкции. • Суперскалярная архитектура: специальный шейдер управляет порядком выполнения инструкций. • Branch prediction: предсказание переходов для оптимизации выполнения инструкций. 19:08 Оптимизация и безопасность • Оптимизация включает выполнение инструкций заранее с надеждой на их будущее использование. • Проблемы с безопасностью часто связаны с отсутствием учёта безопасности в архитектуре компьютеров. • Уязвимость в оптимизации позволяет злоумышленникам получать доступ к управлению процессором. 20:09 Устройство регистров • Регистры — это специальная быстрая память, дороже обычной оперативной памяти. • Изначально регистры были 16-битными, затем 32-битными, а в современных системах — 64-битными. • Современные устройства используют 8-байтные регистры. 21:53 Регистр флагов • Регистр флагов хранит биты, указывающие на выполнение условий в коде. • Пример использования: флаг «зиро» указывает, равна ли операция нулю. • Процессор проверяет регистр флагов перед выполнением кода. 23:41 Регистр указателя • Регистр указателя хранит адрес текущей выполняемой инструкции. • Процессор читает инструкцию по этому адресу, декодирует её и выполняет. 24:48 Экстеншены и большие регистры • Процессоры могут иметь регистры большего размера для оптимизации. • В Intel есть регистры по 256 и даже 512 бит, в ARM — по 128 бит. • Большие регистры позволяют эффективнее выполнять инструкции. Для упрощения проектирования современных процессоров часто используют генераторы ядер, такие как WARP-V.
https://github.com/igoroutine-courses/the_nature_of_computer_science/tree/master/lectures 00:00 Введение в устройство процессора • Объяснение работы процессора и его компонентов: арифметико-логическое устройство ALU, программный счётчик PC, память под инструкции. • ALU выполняет арифметические и логические операции. • PC передвигает указатель на следующую инструкцию каждый такт. 00:58 Как процессор понимает код • Код преобразуется в бинарный формат нули и единицы. • Процессор знает, какие биты кодируют операции, операнды и результаты. • Каждая архитектура имеет свой набор инструкций ISA. 02:51 Пример архитектуры MIPS • MIPS имеет три типа инструкций: кодирование операции, операндов и результата. • Компилятор создаёт бинарный файл, который процессор понимает на уровне железа. • ISA описывает возможности архитектуры. 03:43 Язык Verilog • Verilog — инструмент для визуализации аппаратных систем, включая процессоры. • Пример работы ALU: определение операции по первым шести битам команды. • Verilog позволяет эмулировать реальные системы. 06:40 Контрольный юнит • Контрольный юнит определяет, какие команды умеет выполнять устройство. • Он передаёт команды ALU и эмулирует провода. • Эмуляция памяти и других компонентов процессора. 07:35 Запуск модели процессора • Запуск модели процессора с помощью файла, который компилирует и запускает модель. • Вывод регистров и значений памяти. • Демонстрация работы процессора на примере кода. 08:38 Введение в последовательность Фибоначчи • Последовательность Фибоначчи: 1 + 1 = 2, 2 + 3 = 5, 5 + 8 = 13, 13 + 21 = 34, 34 + 55 = 89 и так далее. • Процессор преобразует сырые байты в инструкции, выполняя операции. • Пример с циклами показывает, как процессор обрабатывает инструкции. 09:37 Однотактовый процессор и многотактовая архитектура • Однотактовый процессор выполняет одну команду за такт. • Многотактовая архитектура позволяет выполнять несколько команд за один такт, что повышает производительность. • Пример команды, требующей загрузки данных из памяти, иллюстрирует необходимость оптимизации. 10:35 Принцип работы многотактовой архитектуры • Долгосрочные команды могут блокировать процессор, если выполняются за один такт. • Многотактовая архитектура распределяет выполнение команд между тактами, увеличивая производительность. 12:16 Стадии выполнения инструкций • Инструкция разбивается на пять стадий: fetch, decode, execute, store, branch. • Fetch — загрузка инструкции из памяти. • Decode — декодирование инструкции и определение операции. • Execute — выполнение операции. • Store — запись результата в память. • Branch — переход к следующей инструкции на основе результата предыдущей. 15:24 Конвейерная обработка и синхронизация • Конвейерная обработка позволяет процессору выполнять несколько стадий инструкции за один такт. • Процессор переставляет инструкции для оптимизации выполнения, что может привести к ошибкам при отсутствии синхронизации. • Синхронизация необходима для предотвращения гонок данных в многопоточном коде. 17:29 Компоненты для управления порядком инструкций • VLIW: Very Long Instruction Word — старый подход с отдельными дорожками для каждой стадии инструкции. • Суперскалярная архитектура: специальный шейдер управляет порядком выполнения инструкций. • Branch prediction: предсказание переходов для оптимизации выполнения инструкций. 19:08 Оптимизация и безопасность • Оптимизация включает выполнение инструкций заранее с надеждой на их будущее использование. • Проблемы с безопасностью часто связаны с отсутствием учёта безопасности в архитектуре компьютеров. • Уязвимость в оптимизации позволяет злоумышленникам получать доступ к управлению процессором. 20:09 Устройство регистров • Регистры — это специальная быстрая память, дороже обычной оперативной памяти. • Изначально регистры были 16-битными, затем 32-битными, а в современных системах — 64-битными. • Современные устройства используют 8-байтные регистры. 21:53 Регистр флагов • Регистр флагов хранит биты, указывающие на выполнение условий в коде. • Пример использования: флаг «зиро» указывает, равна ли операция нулю. • Процессор проверяет регистр флагов перед выполнением кода. 23:41 Регистр указателя • Регистр указателя хранит адрес текущей выполняемой инструкции. • Процессор читает инструкцию по этому адресу, декодирует её и выполняет. 24:48 Экстеншены и большие регистры • Процессоры могут иметь регистры большего размера для оптимизации. • В Intel есть регистры по 256 и даже 512 бит, в ARM — по 128 бит. • Большие регистры позволяют эффективнее выполнять инструкции. Для упрощения проектирования современных процессоров часто используют генераторы ядер, такие как WARP-V.