CPU के अंदर: ट्रांजिस्टर इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर कैसे बनाते हैं

CPU (सेंट्रल प्रोसेस यूनिट) एक कंप्यूटर का दिमाग है, और सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर के बीच मुख्य कनेक्शन है। यह सॉफ्टवेयर को हार्डवेयर पर चलाना संभव बनाता है।

हालांकि, यह गहराई से कैसे काम करता है? और यह प्रोग्राम को कुछ कंप्यूटर हार्डवेयर से कैसे जोड़ सकता है?

इस लेख का उद्देश्य आपको इस कनेक्शन को समझाना है कि CPU कैसे काम करता है इसकी गहरी व्याख्या करके। यह विषय अक्सर केवल उन लोगों से परिचित होता है जिनके पास कॉलेज से कंप्यूटर हार्डवेयर डिजाइन में पृष्ठभूमि है।

अक्सर, कई कंप्यूटर साइंस ग्रेजुएट्स के पास कभी उन्नत डिजिटल लॉजिक में क्लास नहीं होती। इसलिए यहां तक कि बहुत अनुभवी प्रोग्रामर्स में भी इस बात की समझ की कमी हो सकती है कि CPU वास्तव में जानकारी को कैसे प्रोसेस करता है।

हालांकि हम ट्रांजिस्टर से लॉजिक गेट या लॉजिक गेट से CPU घटकों को डिज़ाइन नहीं करेंगे, हम उन प्रमुख अवधारणाओं को कवर करेंगे जो यह समझने के लिए आवश्यक हैं कि CPU प्रोग्रामिंग भाषा में लिखे गए प्रोग्राम द्वारा बनाए गए डेटा को कैसे प्रोसेस करता है।

हम देखेंगे:

• सादृश्य: CPU को क्या काम करता है इसका परिचय
• मेमोरी हब: RAM और ROM को समझना
• डेटा के रोडवेज: CPU डेटा पथ को नेविगेट करना
• ट्रैफिक कंट्रोलर: CPU में स्टेट मशीन की भूमिका
• दैनिक दिनचर्या: फेच-एग्जीक्यूट साइकिल समझाया गया
• नियम पुस्तिका: इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) को डिकोड करना
• प्रोग्रामिंग भाषाओं से मशीन कोड तक
• शहर की चुनौतियां: CPU समस्याओं को संबोधित करना
• निष्कर्ष: बेहतर कंट्रोल यूनिट्स और डेटा पार्ट्स

मैं एक संदर्भ के रूप में Intel 8008 का उपयोग करूंगा।

सादृश्य: CPU को क्या काम करता है इसका परिचय

यह गहराई से समझने के लिए कि कंप्यूटर कैसे काम करता है, आइए एक शहर को हमारे वास्तविक जीवन के परिदृश्य के रूप में कल्पना करें। हम इस शहर के भागों के लिए कंप्यूटर तत्वों की तुलना करेंगे।

इस तरह, आपको विभिन्न CPU भागों और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं, इसका स्पष्ट दृष्टिकोण मिलता है। बाद में, हम प्रत्येक घटक को गहराई से देखेंगे।

मेमोरी हब: RAM और ROM को समझना

RAM (रैंडम एक्सेस मेमोरी) एक शहर के सार्वजनिक पुस्तकालय की तरह है: यह लोगों द्वारा आवश्यकतानुसार उधार लेने और वापस करने के लिए किताबें और जानकारी संग्रहीत करता है।

एक कंप्यूटर में, RAM कंप्यूटर मेमोरी से डेटा और निर्देशों को लोड करता है जिसकी CPU को डेटा प्रोसेस करने के लिए आवश्यकता होती है।

ROM (रीड ओनली मेमोरी) शहर में एक ऐतिहासिक संग्रह की तरह है: यह केवल उन रिकॉर्ड्स को संग्रहीत करता है जो कभी नहीं बदलेंगे और जनता द्वारा कभी उधार नहीं लिए जाएंगे।

डेटा के रोडवेज: CPU डेटा पथ को नेविगेट करना

CPU डेटा पथ शहर में सड़कों के नेटवर्क की तरह है। CPU डेटा पथ की बसें और रजिस्टर शहर के सड़क नेटवर्क की तरह कार्य करते हैं।

जैसे सड़कें कारों और लोगों को चलने में मदद करती हैं, CPU डेटा पथ CPU में डेटा को कुशल तरीके से यात्रा करने की गारंटी देता है।

ट्रैफिक कंट्रोलर: CPU में स्टेट मशीन की भूमिका

स्टेट मशीन ट्रैफिक कंट्रोल सिस्टम के रूप में कार्य करती हैं।

ट्रैफिक कंट्रोल सिस्टम वाहनों के प्रवाह को प्रबंधित करता है, और स्टेट मशीन CPU को प्रदान किए गए निर्देशों के अनुसार डेटा के प्रवाह को प्रबंधित करती हैं।

दैनिक दिनचर्या: फेच-एग्जीक्यूट साइकिल समझाया गया

फेच-एग्जीक्यूट साइकिल शहर के निवासियों के लिए दैनिक आवागमन की तरह है।

हर दिन, लोग तय करते हैं कि वे कहां जा रहे हैं, वहां यात्रा करते हैं, अपने कार्य करते हैं और घर लौटते हैं। यह प्रक्रिया हमेशा दोहराई जाती है।

उसी तरह, CPU निर्देशों को लाता है, उन्हें डिकोड करता है, और उन्हें एक दोहराव वाले चक्र में निष्पादित करता है।

नियम पुस्तिका: इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) को डिकोड करना

इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर शहर के परिवहन कानून की तरह है।

शहर का परिवहन कानून दिखाता है कि लोगों के परिवहन के संबंध में शहर में क्या करना कानूनी है।

इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर उन नियमों और निर्देशों का समूह है जिन्हें CPU निष्पादित कर सकता है।

मेमोरी हब: RAM और ROM को समझना

फोटो द्वारा Valentine Tanasovich: https://www.pexels.com/photo/black-and-gray-computer-motherboard-2588757/

RAM का मतलब रैंडम एक्सेस मेमोरी है और इसका उपयोग डेटा पढ़ने और लिखने के लिए किया जा सकता है।

CPU लंबे प्रतीक्षा समय से बचने के लिए कंप्यूटर मेमोरी से डेटा को पहले RAM में प्राप्त करता है।

फिर, यह निर्देशों को पूरा करने के लिए RAM से डेटा का उपयोग करता है।

उनका उपयोग कंप्यूटर और कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में मेमोरी वाष्पशील होने के कारण किया जाता है। इसका मतलब है कि डेटा केवल तब तक होता है जब तक कंप्यूटर चालू है, जो इसे डिवाइस के काम करते समय अस्थायी भंडारण के लिए आदर्श बनाता है।

ROM का मतलब रीड ओनली मेमोरी है। इसमें केवल कंप्यूटर निर्माण के दौरान जोड़ा गया डेटा होता है।

उनका व्यापक रूप से उपकरणों के लिए फर्मवेयर, BIOS और छोटे एम्बेडेड सिस्टम में उपयोग किया जाता है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि ROM नॉन-वोलेटाइल मेमोरी है। इसका मतलब है कि यह डिवाइस के पावर ऑफ होने पर भी मेमोरी में रहता है, जो इसे स्थायी डेटा स्टोरेज के लिए बहुत महत्वपूर्ण बनाता है।

डेटा के रोडवेज: CPU डेटा पथ को नेविगेट करना

फोटो द्वारा Rogeer Marques: https://www.pexels.com/photo/close-up-shot-of-a-chip-processor-11272008/

CPU डेटा पथ कई घटकों के साथ एक जटिल डिजिटल सर्किट है जो एक दूसरे के साथ काम करते हैं, जैसे:

• अरिथमेटिक लॉजिक यूनिट (ALU): CPU डेटा भाग के अंदर अंकगणितीय और तार्किक संचालन करता है।
• रजिस्टर: RAM से पुनर्प्राप्त अस्थायी डेटा के लिए छोटे, तेज़ स्टोरेज स्थान।
• बस: डेटा, कंट्रोल और एड्रेस बस CPU डेटा पथ के अंदर सूचना स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले तार हैं।

जबकि CPU Intel 8008 के बाद से बहुत बदल गए हैं, ये कुछ ऐसे घटक हैं जो अभी भी सभी CPU के लिए आधार के रूप में काम करते हैं।

उनके लिए धन्यवाद, डेटा को प्रवाहित करना संभव है, लेकिन वास्तविक प्रवाह को नियंत्रित नहीं करना। यह CPU में कंट्रोल यूनिट का काम है, जिसे Intel 8008 में स्टेट मशीन के रूप में बनाया गया था।

ट्रैफिक कंट्रोलर: CPU में स्टेट मशीन की भूमिका

एक स्टेट मशीन एक प्रणाली है जो कार्य करने के लिए विभिन्न राज्यों के बीच संक्रमण करती है।

वे कई राज्यों और संक्रमणों से बने होते हैं। उनका उपयोग Intel 8008 में कंट्रोल यूनिट बनाने के लिए इसकी संरचना और निर्देशों को प्रोसेस करने के लिए आवश्यक संचालन के अनुक्रम को प्रबंधित करने के प्रभावी तरीके के कारण किया गया था।

प्रत्येक राज्य एक या कई CPU घटकों को सक्रिय कर सकता है ताकि एक निश्चित असेंबली निर्देश को प्रोसेस किया जा सके।

इस तरह, एक निर्देश को पूरा करने के लिए CPU डेटा पथ के कुछ भाग सक्रिय होते हैं।

इसके अलावा, इन स्टेट मशीनों के लिए धन्यवाद, CPU पूर्ण है और उपयोगकर्ता द्वारा चाहे गए सभी निर्देशों को फेच-एग्जीक्यूट साइकिल नामक एक निरंतर लूप में निष्पादित कर सकता है।

दैनिक दिनचर्या: फेच-एग्जीक्यूट साइकिल समझाया गया

CPU में स्टेट मशीन कंट्रोल करती है कि CPU डेटा पथ एक दिए गए निर्देश को निष्पादित करने के लिए कैसे मिलकर काम करता है।

आजकल, हर कंप्यूटर प्रति सेकंड लाखों निर्देश प्राप्त करता है। इस तरह, स्टेट मशीन निर्देशों को प्राप्त करने और निष्पादित करने के लिए एक लूप के रूप में कार्य करती हैं।

इस प्रक्रिया को फेच-एग्जीक्यूट साइकिल के रूप में जाना जाता है, जहां CPU निर्देशों को पुनर्प्राप्त और निष्पादित करता है:

• फेच: CPU मेमोरी से निर्देश प्राप्त करता है।
• डिकोड: प्राप्त निर्देश को आवश्यक कार्रवाई निर्धारित करने के लिए डिकोड किया जाता है।
• एग्जीक्यूट: डिकोड किए गए निर्देश को उपयुक्त CPU घटकों का उपयोग करके निष्पादित किया जाता है।
• राइट-बैक: निष्पादन का परिणाम मेमोरी या रजिस्टर में वापस लिखा जाता है।

फेच चरण में, कंट्रोल यूनिट RAM को CPU को अगला निर्देश देने के लिए कहती है।

डिकोड चरण में, CPU निर्देश की व्याख्या करता है, और निष्पादन चरण में, यह ऑपरेशन करता है। बाद में, राइट-बैक चरण यह सुनिश्चित करता है कि परिणाम सही ढंग से संग्रहीत है।

यह चक्र तब तक जारी रहता है जब तक PC चालू है। इस तरह, आधुनिक प्रोसेसर में, प्रति सेकंड अरबों निर्देश प्रोसेस हो रहे हैं।

लेकिन कीबोर्ड या माउस से डेटा का क्या?

यह डेटा RAM से नहीं आता बल्कि इंटरप्ट नामक एक तंत्र के माध्यम से संभाला जाता है। जबकि CPU निर्देश चलाता है, यह पता लगा सकता है कि पेरिफेरल्स से डेटा कब आता है।

यदि ऐसा होता है, तो CPU अपने वर्तमान कार्य को रोकता है और पेरिफेरल्स से निर्देशों को प्राथमिकता देता है। बाद में, CPU अपने पिछले कार्यों को फिर से शुरू करता है।

इंटरप्ट को प्रबंधित करने के कई तरीके हैं, जिनमें से कुछ सबसे लोकप्रिय हैं:

1. पोल्ड इंटरप्ट्स: CPU समय-समय पर जांचता है कि कोई इंटरप्ट हुआ है या नहीं।
2. वेक्टर्ड इंटरप्ट्स: इंटरप्ट करने वाला डिवाइस CPU को उपयुक्त इंटरप्ट सर्विस रूटीन की ओर निर्देशित करता है।
3. प्राथमिकता वाले इंटरप्ट्स: इंटरप्ट्स को अलग-अलग प्राथमिकता स्तर दिए जाते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि महत्वपूर्ण कार्य पहले संभाले जाते हैं।

इस तरह, इन तंत्रों के साथ, CPU पेरिफेरल्स के साथ बातचीत करते हुए अपने प्रदर्शन को बनाए रखता है।

नियम पुस्तिका: इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) को डिकोड करना

कंट्रोल यूनिट, पूर्ण CPU और RAM के साथ, कई निर्देशों को निष्पादित करना संभव है।

लेकिन किसी दिए गए CPU पर कौन से निर्देश निष्पादित किए जा सकते हैं? और कितने? यह वही है जो इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) हल करता है।

ISA उन निर्देशों का एक समूह परिभाषित करता है जो एक निश्चित CPU निष्पादित कर सकता है। यह वही है जो प्रोग्रामर्स को यह समझने की अनुमति देता है कि एक प्रोसेसर क्या कर सकता है और क्या नहीं, बिना इसके अंदर सभी डिजिटल लॉजिक हार्डवेयर को समझे।

इस तरह, यह सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर के बीच एक इंटरफेस के रूप में कार्य करता है।

ISA के प्रमुख पहलू:

• निर्देश प्रकार: अंकगणितीय, तार्किक, नियंत्रण, और डेटा ट्रांसफर निर्देश शामिल हैं।
• एड्रेसिंग मोड: निर्देशों के ऑपरेंड निर्दिष्ट करने के तरीके।
• रजिस्टर: निर्देशों द्वारा उपयोग के लिए उपलब्ध रजिस्टर का सेट।

सामान्य ISAs:

• x86: डेस्कटॉप और सर्वर प्रोसेसर में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
• ARM: अपनी पावर दक्षता के कारण मोबाइल और एम्बेडेड उपकरणों में प्रमुख।
• RISC-V: अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए डिज़ाइन किया गया एक खुला मानक ISA।

प्रत्येक CPU का अक्सर इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर का अपना संस्करण होता है। और इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर को अक्सर असेंबली प्रोग्रामिंग भाषाओं के साथ परिभाषित किया जाता है।

यही कारण है कि असेंबली प्रोग्रामिंग भाषा के इतने सारे संस्करण हैं।

चूंकि प्रत्येक CPU के अपने हार्डवेयर विनिर्देश होते हैं, प्रत्येक में अन्य CPUs के समान घटक होंगे और इस प्रकार, उनसे जुड़ी समान असेंबली प्रोग्रामिंग भाषाएं होंगी।

ISA की पसंद CPU के डिज़ाइन, प्रदर्शन, और सॉफ्टवेयर के साथ संगतता को प्रभावित करती है।

उदाहरण के लिए, x86 की जटिलता शक्तिशाली डेस्कटॉप एप्लिकेशन की अनुमति देती है, जबकि ARM की सादगी ऊर्जा-कुशल मोबाइल उपकरणों के पक्ष में है।

प्रोग्रामिंग भाषाओं से मशीन कोड तक

फोटो द्वारा luis gomes: https://www.pexels.com/photo/close-up-photo-of-programming-of-codes-546819/

जबकि प्रत्येक प्रोसेसर की अपनी असेंबली भाषा होती है, असेंबली में कोड को प्रबंधित करना और बड़े प्रोग्राम बनाने के लिए असेंबली में कोड लिखना जटिल हो सकता है।

यह बहुत जटिल है, और चीजों और विवरणों को सही करने में समय बर्बाद करने के बजाय, एक तेज और आसान तरीके से, प्रोग्राम के विकास को प्रबंधित करना और वास्तव में इसे विकसित करना संभव हो सकता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, कई प्रोग्रामिंग भाषाएं असेंबली से बनाई गई थीं। हम प्रोग्रामिंग भाषाओं में कोड लिखते हैं, और फिर इसे असेंबली में बदल दिया जाता है।

इस तरह, विवरणों पर समय बिताने के बजाय, सिस्टम विकास और एल्गोरिदम डिज़ाइन जैसी अधिक महत्वपूर्ण चीजों पर ध्यान केंद्रित करना संभव है।

यह वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा अधिकांश प्रोग्रामिंग भाषाएं अपने कोड को असेंबली में बदलती हैं:

1. कंपाइलर या इंटरप्रेटर के माध्यम से कोड को असेंबली कोड में बदलें।
2. असेंबली कोड को फिर रॉ मशीन कोड में बदल दिया जाता है और CPU द्वारा निष्पादित किया जाता है।
3. CPU की स्टेट मशीन में एक विशिष्ट लूप पूरा होता है।
4. इसके बाद, CPU अगले निर्देश को लाता है और निष्पादित करता है।

आइए ऐसा करने वाली दो प्रोग्रामिंग भाषाओं के उदाहरण देखें!

C प्रोग्रामिंग भाषा

C प्रोग्रामिंग भाषा को 1970 के दशक की शुरुआत में असेंबली से बनाया गया था। इसे कुशल सिस्टम-लेवल प्रोग्रामिंग के लिए एक उच्च-स्तरीय भाषा प्रदान करने के लिए बनाया गया था जो हार्डवेयर हेरफेर की भी अनुमति देती है।

एक कंपाइलर के साथ, C कोड को असेंबली में बदल दिया जाता है और फिर पूर्ण CPU द्वारा प्रोसेस किया जाता है।

इस रूपांतरण के लिए धन्यवाद, C प्रोग्रामिंग भाषा में प्रोग्राम लिखकर, हम कई समस्याओं को अधिक कुशल तरीके से संबोधित कर सकते हैं, जैसे:

• मेमोरी मैनेजमेंट त्रुटियां
• बफर ओवरफ्लो
• मैन्युअल ऑप्टिमाइज़ेशन मुद्दे

आजकल, यहां तक कि सरल कार्यों के लिए भी, C कंपाइलर से परिवर्तित असेंबली कोड एक इंसान द्वारा लिखे गए असेंबली कोड की तुलना में कहीं अधिक कुशल और विश्वसनीय है।

यदि आप C कंपाइलर के बारे में अधिक जानना चाहते हैं तो आप देख सकते हैं:

Python प्रोग्रामिंग भाषा

Python प्रोग्रामिंग भाषा को 1980 के दशक के अंत में C से बनाया गया था।

इसका लक्ष्य एक उपयोगकर्ता-अनुकूल, उच्च-स्तरीय प्रोग्रामिंग भाषा प्रदान करना था जो पठनीयता और सरलता पर जोर देती है, जिससे तेजी से एप्लिकेशन विकास संभव होता है।

Python में, एक इंटरप्रेटर Python कोड को लाइन दर लाइन बाइटकोड में बदल देता है।

और इस बाइटकोड को CPU में मशीन कोड में बदल दिया जाता है और फेच-एग्जीक्यूट साइकिल में प्रोसेस किया जाता है।

इस तरह, लोगों के लिए आसान तरीके से प्रोग्राम करना और बड़े प्रोग्राम पर ध्यान केंद्रित करना संभव है, जैसे:

• कृत्रिम बुद्धिमत्ता मॉडल
• वेब ऐप्स
• डेटा विश्लेषण
• वैज्ञानिक कंप्यूटिंग

हालांकि, सभी प्रोग्रामिंग भाषाओं में CPU के साथ चुनौती यह है कि यह डेटा को क्रमिक रूप से प्रोसेस करता है।

शहर की चुनौतियां: CPU समस्याओं को संबोधित करना

फोटो द्वारा Peng LIU: https://www.pexels.com/photo/timelapse-photography-of-vehicle-on-concrete-road-near-in-high-rise-building-during-nighttime-169677/

पारंपरिक सिंगल कोर CPU डेटा को क्रमिक रूप से प्रोसेस करता है, निर्देश के बाद निर्देश। यह एक सीमा बन जाती है अगर हमारे पास प्रोसेस करने के लिए कई निर्देश हैं।

यही वह है जिसे GPUs (ग्राफिक्स प्रोसेसिंग यूनिट्स) ठीक करने आए। GPUs के लिए धन्यवाद, हम निर्देशों को समानांतर में प्रोसेस कर सकते हैं, जिससे कंप्यूटिंग समय काफी कम हो जाता है।

इन समानांतर प्रसंस्करण क्षमताओं के साथ, अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में बहुत तेजी से गणना और बेहतर दक्षता प्राप्त करना संभव है।

निष्कर्ष: बेहतर कंट्रोल यूनिट्स और डेटा पार्ट्स

फोटो द्वारा Miguel Á. Padriñán: https://www.pexels.com/photo/green-circuit-board-343457/

आधुनिक CPU मल्टीकोर होने के अलावा, कंट्रोल यूनिट्स और डेटा पथ में प्रगति प्रोसेसर प्रदर्शन में सुधार करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

कंट्रोल यूनिट्स को अक्सर माइक्रोप्रोग्रामिंग या हार्डवायर्ड कंट्रोल यूनिट्स का उपयोग करके डिज़ाइन किया जाता है।

माइक्रोप्रोग्रामिंग अधिक लचीलापन और कंट्रोल लॉजिक के आसान अपडेट प्रदान करता है, जबकि हार्डवायर्ड कंट्रोल यूनिट्स कंट्रोल सिग्नल्स को सीधे लागू करके तेज प्रदर्शन प्रदान करते हैं।

एक और महत्वपूर्ण प्रगति लॉजिक गेट्स में ट्रांजिस्टर के लिए नई सामग्रियों की खोज है।

केवल सिलिकॉन पर भरोसा करने के बजाय, शोधकर्ता तेज और अधिक कुशल प्रोसेसर बनाने के लिए वैकल्पिक सामग्रियों की जांच कर रहे हैं।

जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ती रहती है, इन मौलिक अवधारणाओं को समझना इस क्षेत्र में उत्साही और पेशेवरों दोनों के लिए आवश्यक बना रहेगा।

इन विकासों के साथ बने रहना CPU डिज़ाइन और कार्यक्षमता के निरंतर नवाचार और सुधार को सुनिश्चित करता है।

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