कुछ महीने पहले, मैं अचानक इस सोच से मारा गया था कि मुझे कंप्यूटर हार्डवेयर के सिद्धांतों के बारे में कोई पता नहीं था। मैं अभी भी नहीं जानता कि आधुनिक कंप्यूटर कैसे काम करते हैं।

मैंने किताब पढ़ी "लेकिन वह कैसे जानता है?" क्लार्क स्कॉट एक साधारण 8-बिट कंप्यूटर के विस्तृत विवरण के साथ: तर्क गेट्स, रैम, प्रोसेसर ट्रांजिस्टर से शुरू होकर, एक अंकगणित-तर्क डिवाइस और इनपुट-आउटपुट ऑपरेशन के साथ समाप्त होता है। और मैं यह सब कोड में लागू करना चाहता था।

हालाँकि मुझे माइक्रो-सर्किट की भौतिकी में इतनी दिलचस्पी नहीं है , पुस्तक बस लहरों के साथ घूमती है और खूबसूरती से विद्युत सर्किट की व्याख्या करती है और बिट्स सिस्टम के चारों ओर कैसे घूमते हैं - पाठक को इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग जानने की आवश्यकता नहीं है। लेकिन मेरे लिए पाठ्य विवरण पर्याप्त नहीं हैं। मुझे कार्रवाई में चीजों को देखना है और अपनी अपरिहार्य गलतियों से सीखना है। इसलिए मैंने कोड में सर्किटरी को लागू करना शुरू कर दिया। रास्ता कांटेदार था, लेकिन शिक्षाप्रद।

मेरे काम का परिणाम सरल-कंप्यूटर रिपॉजिटरी में पाया जा सकता है: एक साधारण कैलकुलेटर। वह सरल है और वह गणना करता है।






नमूना कार्यक्रम

प्रोसेसर कोड तर्क गेट्स के एक भयानक गुच्छा के रूप में लागू किया जाता है जो चालू और बंद होता है , लेकिन यह काम करता है। मैंने इकाई परीक्षण चलाए , और हम सभी जानते हैं कि इकाई परीक्षण अकाट्य प्रमाण हैं कि कार्यक्रम काम करता है।

कोड कीबोर्ड इनपुट को संसाधित करता है और पेशेवर फ़ॉन्ट के लिए श्रमसाध्य रूप से तैयार किए गए ग्लिफ़ सेट का उपयोग करके डिस्प्ले पर पाठ प्रदर्शित करता है, जिसे मैंने डैनियल कोड प्रो कहा। एकमात्र धोखा: कीबोर्ड इनपुट लेने और परिणाम को आउटपुट करने के लिए, मुझे चैनलों को GLFW के माध्यम से कनेक्ट करना था, लेकिन अन्यथा यह विद्युत सर्किट का पूरी तरह से सॉफ्टवेयर सिमुलेशन है।

मैंने एक असभ्य असेंबलर भी लिखा, जिसने कम से कम कहने के लिए मेरी आँखें खोलीं। वह पूर्ण नहीं है। वास्तव में, यहां तक ​​कि थोड़ा भद्दा भी, लेकिन उसने मुझे ऐसी समस्याएं दिखाईं जो अन्य लोगों ने कई साल पहले ही हल कर दी थीं।

लेकिन आप ऐसा क्यों कर रहे हैं?

“तेरह साल के बच्चे Minecraft में प्रोसेसर का निर्माण कर रहे हैं। जब आप टेलीग्राफ रिले से एक वास्तविक सीपीयू बना सकते हैं तो मुझे कॉल करें। ”

सीपीयू डिवाइस का मेरा मानसिक मॉडल शुरुआती लोगों के लिए कंप्यूटर विज्ञान की पाठ्यपुस्तकों के स्तर पर अटका हुआ है। गेमबॉय एमुलेटर का प्रोसेसर , जिसे मैंने 2013 में लिखा था, वास्तव में आधुनिक सीपीयू की तरह नहीं दिखता है। यहां तक ​​कि अगर एमुलेटर सिर्फ एक राज्य मशीन (राज्य मशीन) है, तो यह तर्क गेट्स के स्तर पर राज्य का वर्णन नहीं करता है। केवल switch का उपयोग करके और रजिस्टरों की स्थिति बनाए रखने के लिए लगभग सब कुछ लागू किया जा सकता है।

मैं बेहतर तरीके से समझना चाहता हूं कि सब कुछ कैसे काम करता है, क्योंकि मुझे नहीं पता है, उदाहरण के लिए, एल 1 / एल 2 कैश और पाइपलाइनिंग क्या हैं, और मुझे पूरा यकीन नहीं है कि मैं कमजोरियों के बारे में लेख मेल्टडाउन और स्पेक्टर को समझता हूं। किसी ने कहा कि वे कोड को इस तरह से अनुकूलित करते हैं जैसे कि प्रोसेसर कैश का उपयोग करते हैं, लेकिन मुझे नहीं पता कि इसे कैसे जांचना है, एक शब्द को छोड़कर। मुझे पूरा यकीन नहीं है कि सभी x86 निर्देशों का क्या मतलब है। मुझे यह समझ में नहीं आया कि लोग GPU या TPU को कैसे कार्य प्रस्तुत करते हैं। और सामान्य तौर पर, टीपीयू क्या है? मुझे नहीं पता कि सिमडी निर्देशों का उपयोग कैसे किया जाए।

यह सब एक नींव पर बनाया गया है जिसे पहले सीखने की जरूरत है। इसका मतलब है कि मूल बातें पर वापस जाना और कुछ सरल करना। क्लार्क स्कॉट की उक्त पुस्तक एक साधारण कंप्यूटर का वर्णन करती है। यही वजह है कि मैंने इसके साथ शुरुआत की।

स्कॉट की जय! वह काम करता है!

स्कॉट का कंप्यूटर 8-बिट प्रोसेसर से जुड़ा है जो 256 बाइट्स रैम से जुड़ा है, सभी 8-बिट सिस्टम बस के माध्यम से जुड़ा हुआ है। इसमें 4 सामान्य प्रयोजन रजिस्टर और 17 मशीन निर्देश हैं । किसी ने वेब के लिए एक दृश्य सिम्युलेटर बनाया: यह वास्तव में बहुत अच्छा है। यह सोचना डरावना है कि सर्किट के सभी राज्यों को ट्रैक करने में कितना समय लगा!


स्कॉट प्रोसेसर के सभी घटकों के साथ सर्किट। कॉपीराइट 2009-2016। सिगबर्ट फिलिंगर और जॉन क्लार्क स्कॉट

पुस्तक आपको मामूली तर्क द्वार से स्मृति और रजिस्टरों में बिट्स तक के मार्ग के साथ ले जाती है, और तब तक लेयरिंग घटक जारी रहती है जब तक आपको ऊपर चित्र के समान कुछ नहीं मिलता। मैं किताब पढ़ने की अत्यधिक सलाह देता हूं, भले ही आप पहले से ही अवधारणाओं से परिचित हों। सिर्फ किंडल वर्जन नहीं, क्योंकि कभी-कभी चार्ट को स्क्रीन पर "रीडर" को बढ़ाना और अलग करना मुश्किल होता है। मेरी राय में, यह एक लंबे समय से चली आ रही समस्या है।

मेरा कंप्यूटर स्कॉट के संस्करण से भिन्न है, सिवाय इसके कि मैंने उपलब्ध मेमोरी की मात्रा को बढ़ाने के लिए इसे 16 बिट्स तक अपडेट किया, क्योंकि ASCII तालिका के लिए केवल ग्लिफ़ को संग्रहीत करने से स्कॉट की 8-बिट मशीन में से अधिकांश को ले जाता है, जिससे उपयोगी कोड के लिए बहुत कम जगह बचती है।

मेरी विकास प्रक्रिया

सामान्य तौर पर, विकास इस योजना के अनुसार चला गया: पाठ पढ़ना, आरेखों का अध्ययन करना, और फिर उन्हें सामान्य-प्रयोजन प्रोग्रामिंग भाषा में लागू करने की कोशिश करना और निश्चित रूप से एकीकृत सर्किट डिजाइन करने के लिए किसी विशेष उपकरण का उपयोग न करना। मैंने सिम्युलेटर ऑन गो को केवल इसलिए लिखा क्योंकि मैं इस भाषा से थोड़ा परिचित हूं। संदेहवादी कह सकते हैं: "गूंगा! क्या आप VHDL या Verilog , या LogSim , या कुछ और नहीं सीख सकते। लेकिन उस समय तक मैंने अपने बिट्स, बाइट्स और लॉजिक गेट्स पहले ही लिख दिए थे और बहुत गहरे डूब गए थे। शायद अगली बार मैं इन भाषाओं को सीखूंगा और समझूंगा कि मैंने कितना समय बर्बाद किया, लेकिन ये मेरी समस्याएं हैं।

एक बड़े सर्किट में, बूलियन मूल्यों का एक गुच्छा बस कंप्यूटर में प्रेषित होता है, इसलिए बूलियन बीजगणित के अनुकूल कोई भी भाषा उपयुक्त है।

इन बूलियन मूल्यों के लिए एक योजना लागू करने से हमें (प्रोग्रामर) अर्थ प्राप्त करने में मदद मिलती है, और सबसे महत्वपूर्ण बात, यह तय करें कि सिस्टम किस बाइट का उपयोग करेगा और यह सुनिश्चित करेगा कि सभी घटक सही क्रम में बस पर डेटा संचारित करें।

इसे लागू करना बहुत मुश्किल था। पूर्वाग्रह के लिए, मैंने रिवर्स बाइट ऑर्डर के साथ एक प्रतिनिधित्व चुना, लेकिन ALU का परीक्षण करते समय मुझे समझ नहीं आया कि गलत नंबर क्यों आए। मेरी बिल्ली ने बहुत कुछ सुना, बहुत सी अनपेक्षित अभिव्यक्तियाँ।

विकास तेजी से नहीं हुआ: शायद मेरे खाली समय में लगभग एक या दो महीने लगे। लेकिन जब केवल प्रोसेसर ने सफलतापूर्वक ऑपरेशन पूरा किया $$$2 + 2 = 5$, मैं खुशी के साथ सातवें आसमान पर था।

जब तक यह आई / ओ तक आया तब तक सब कुछ सामान्य था। पुस्तक ने मशीन में डेटा दर्ज करने और परिणाम को आउटपुट करने के लिए एक सरल कीबोर्ड और डिस्प्ले इंटरफ़ेस के साथ एक सिस्टम डिज़ाइन का प्रस्ताव दिया। खैर, हम पहले ही बहुत आगे निकल चुके हैं , आधे रास्ते को रोकने का कोई मतलब नहीं है। मैंने कीबोर्ड पर टाइपिंग को लागू करने और प्रदर्शन पर पत्र प्रदर्शित करने के लिए एक लक्ष्य निर्धारित किया है।

उपनगर

परिधीय उपकरण सीपीयू और बाहरी दुनिया के बीच हार्डवेयर इंटरफेस के रूप में एक एडाप्टर टेम्पलेट का उपयोग करते हैं। यह अनुमान लगाना आसान है कि यह टेम्पलेट सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन से उधार लिया गया है।


मैं / ओ एडेप्टर GLFW विंडो से कैसे कनेक्ट होते हैं

इस पृथक्करण के साथ, यह कीबोर्ड को जोड़ने और GLFW चलाने वाली विंडो में प्रदर्शित करने के लिए काफी सरल निकला। वास्तव में, मैंने बस अपने एमुलेटर से अधिकांश कोड खींचे और गो चैनलों को I / O सिग्नल के रूप में काम करने के लिए इसे थोड़ा संशोधित किया।

हम कंप्यूटर शुरू करते हैं

यह शायद सबसे कठिन हिस्सा है, कम से कम सबसे बोझिल। ऐसे सीमित निर्देशों के साथ असेंबलर में लिखना मुश्किल है, और मेरे किसी न किसी असेंबलर में तो यह और भी बुरा है, क्योंकि आप किसी को भी बेवकूफ नहीं बना सकते हैं।

चार रजिस्टरों के साथ सबसे बड़ी समस्या थी, रजिस्टरों के डेटा को खींचकर उन्हें ट्रैक करना और अस्थायी रूप से मेमोरी में स्टोर करना। इस प्रक्रिया में, मुझे याद आया कि गेमबॉय प्रोसेसर में रजिस्टरों को लोड करने और लोड करने की सुविधा के लिए स्टैक पॉइंटर रजिस्टर है। दुर्भाग्य से, इस कंप्यूटर में ऐसा लक्जरी नहीं है, इसलिए आपको मेमोरी से डेटा को मैन्युअल रूप से स्थानांतरित करना होगा।

मैंने केवल एक CALL छद्म पर समय बिताने का फैसला किया- एक फ़ंक्शन को कॉल करने और फिर बिंदु पर लौटने का CALL । इसके बिना, कॉल केवल एक स्तर में गहराई से उपलब्ध हैं।

इसके अलावा, चूंकि मशीन इंटरप्ट का समर्थन नहीं करती है, इसलिए मुझे एक भयानक कीबोर्ड स्टेट पोलिंग कोड लागू करना पड़ा। पुस्तक इंटरप्ट को लागू करने के लिए आवश्यक कदमों पर चर्चा करती है, लेकिन यह गंभीरता से सर्किट को जटिल बनाता है।

लेकिन रोना बंद करो, मैंने अभी भी चार कार्यक्रम लिखे हैं , और उनमें से ज्यादातर फोंट, कीबोर्ड इनपुट, आदि के लिए किसी न किसी तरह के सामान्य कोड का उपयोग करते हैं। यह एक ऑपरेटिंग सिस्टम नहीं है, लेकिन यह एक साधारण ओएस क्या करता है, इसकी समझ देता है।

यह आसान नहीं था। टेक्स्ट-राइटर प्रोग्राम का सबसे कठिन हिस्सा एक नई लाइन में कूदने के लिए सही ढंग से लगा रहा है या जब आप एंटर दबाते हैं तो क्या होता है।

 main-getInput: CALL ROUTINE-io-pollKeyboard CALL ROUTINE-io-drawFontCharacter JMP main-getInput 

पाठ-लेखक कार्यक्रम का मुख्य चक्र

मैंने बैकस्पेस कुंजी और संशोधक कुंजियों को लागू करने के लिए परेशान नहीं किया। लेकिन मुझे एहसास हुआ कि पाठ संपादकों के विकास के लिए कितना काम करना पड़ता है और यह कितना कठिन है।

निष्कर्ष

यह मेरे लिए एक मजेदार और बहुत उपयोगी परियोजना थी। असेंबली लैंग्वेज प्रोग्रामिंग के बीच में, मैं नीचे दिए गए लॉजिक गेट के बारे में भूल गया। मैं अमूर्तता के ऊपरी स्तरों तक गया।

हालाँकि यह प्रोसेसर मेरे लैपटॉप में सीपीयू से बहुत सरल और दूर है, लेकिन मुझे लगता है कि परियोजना ने मुझे बहुत कुछ सिखाया, विशेष रूप से:

• कैसे सभी घटकों के बीच बस में बिट्स चलते हैं।
  
• साधारण ALU कैसे काम करता है?
  
• क्या एक साधारण Fetch-Decode-Execute लूप दिखता है।
  
• स्टैक पॉइंटर रजिस्टर और स्टैक कॉन्सेप्ट के बिना एक मशीन - बेकार है।
  
• बिना रुकावट की वह कार भी बेकार है।
  
• कोडांतरक क्या है और यह क्या करता है।
  
• कैसे एक साधारण प्रोसेसर के साथ बाह्य उपकरणों की बातचीत होती है।
  
• सरल फ़ॉन्ट कैसे काम करते हैं और उन्हें डिस्प्ले पर कैसे प्रदर्शित किया जाता है।
  
• एक साधारण ऑपरेटिंग सिस्टम कैसा दिख सकता है।

तो आगे क्या है? पुस्तक में कहा गया है कि 1952 के बाद से किसी ने भी ऐसे कंप्यूटरों का उत्पादन नहीं किया है। इसका मतलब है कि मुझे पिछले 67 वर्षों में सामग्री का अध्ययन करना है। इसमें मुझे थोड़ा समय लगेगा। मैं देख सकता हूं कि सोने से पहले सुखद, आसान पढ़ने के लिए x86 मैनुअल 4,800 पेज लंबा है।

शायद मैं ऑपरेटिंग सिस्टम, सी भाषा के साथ थोड़ा लाड़-प्यार कर रहा हूँ, मैं शाम को PiDP-11 बिल्ड किट और टांका लगाने वाले लोहे के साथ मारूँगा , और फिर इस चीज़ को छोड़ दूंगा । मुझे नहीं पता, हम देखेंगे।

गंभीरता से, मैं RISC वास्तुकला की खोज करने की सोच रहा हूँ, संभवतः RISC-V। अपने मूल को समझने के लिए शुरुआती RISC प्रोसेसर के साथ शुरू करना शायद सबसे अच्छा है। आधुनिक प्रोसेसर में बहुत अधिक विशेषताएं हैं: कैश और अधिक, मैं उन्हें समझना चाहता हूं। सीखने के लिए बहुत कुछ है।

क्या यह ज्ञान मेरी मुख्य नौकरी में काम आएगा? शायद उपयोगी, हालांकि संभावना नहीं है। किसी भी मामले में, मुझे यह पसंद है, इसलिए यह महत्वपूर्ण नहीं है। पढ़ने के लिए धन्यवाद!