Лекція 12. CPU — виконавець команд

Рівень 3: Дослідник заліза

Марко, сьогодні ми не просто вивчимо новий термін — ми відкриємо ще один шар того, як насправді працює комп’ютер.

Що ми сьогодні розкриємо

розуміти базову роль процесора
знати, що таке ядра та частота на простому рівні
знайти модель CPU своєї Linux-системи

Зв’язок з попередніми лекціями

У цій лекції ми використаємо поняття CPU з лекції 11, щоб заглибитись у те, як процесор виконує інструкції.

CPU читає й виконує інструкції

Процесор можна уявити як неймовірно швидкого виконавця дуже маленьких команд: взяти значення, додати, порівняти, перейти до іншої інструкції, перемістити дані.

Python-код не виконується процесором буквально як текст print(...). Між твоїм кодом і апаратними інструкціями є інтерпретатор Python, операційна система та інші шари. Але внизу ланцюжка роботу все одно виконує CPU.

Робота CPU — це постійний цикл із трьох кроків:

graph LR
    A["1. Взяти інструкцію
(fetch)"] --> B["2. Зрозуміти, що робити
(decode)"]
    B --> C["3. Виконати
(execute)"]
    C --> A

    style A fill:#e1f5fe
    style B fill:#fff3e0
    style C fill:#e8f5e9

Його повторюють мільярди разів на секунду.

Ядра — кілька виконавців усередині одного процесора

Сучасний CPU має кілька ядер. Це дозволяє системі виконувати більше роботи паралельно. Але 8 ядер не означає, що будь-яка програма автоматично стане рівно у 8 разів швидшою: не кожне завдання можна ідеально поділити.

GHz — частота, але не «бал сили»

Гігагерц описує частоту тактового сигналу. Це важлива характеристика, але не універсальний рейтинг швидкості. Два різні процесори з однаковими GHz можуть виконувати різну кількість корисної роботи за той самий час через архітектуру, кеш, кількість ядер та інші особливості.

Приклади

Приклад 1

Якщо програма рахує суму мільйона чисел, CPU багато разів виконує операції завантаження, додавання та керування циклом.

Приклад 2

Під час гри одне ядро може працювати над частиною логіки, інші — над фоновими задачами ОС; реальний розподіл складний і керується планувальником.

Приклад 3

Назва x86_64 або aarch64 описує сімейство архітектури/набору інструкцій, а не бренд комп’ютера.

Linux-лабораторія: паспорт процесора

lscpu

Знайди рядки на кшталт:

Architecture:
CPU(s):
Model name:

Для короткого перегляду можна використати:

lscpu | grep -E 'Model name|CPU\(s\)|Architecture'

Місія для Марка

Виконай місію по черзі. Якщо щось не виходить — спочатку перечитай приклад вище й спробуй знайти, на якому кроці результат відрізняється.

виконай lscpu і запиши модель процесора
знайди архітектуру
знайди число логічних CPU, яке показує система
створи cpu_note.txt із трьома знайденими фактами будь-яким знайомим способом
поясни, чому не можна порівнювати процесори лише за GHz

Перевір себе

Що виконує CPU?
Що таке ядро?
Чи гарантують удвічі більше ядер удвічі більшу швидкість будь-якої програми?
Що приблизно описують GHz?
Яка Linux-команда показує інформацію про CPU?

Терміни однією фразою

Інструкція — одна крихітна команда для процесора (взяти, додати, порівняти).
Ядро (core) — один «виконавець» усередині процесора; кілька ядер працюють паралельно.
Частота (GHz) — скільки тактів за секунду; важлива, але не єдиний показник швидкості.
Архітектура (набір інструкцій) — «мова», якою розмовляє процесор (наприклад x86_64).
Інтерпретатор — програма, яка читає і виконує твій код крок за кроком (Python).
Планувальник — частина ОС, що вирішує, якому процесу коли дати CPU.

Чек-лист перед наступною лекцією

Чи можеш ти пояснити, що таке ядра процесора та як вони працюють?
Чи знаєш ти, що таке GHz і як він пов’язаний з швидкістю процесора?
Чи розумієш ти різницю між інтерпретатором та компілятором?

Що потрібно винести з лекції

CPU виконує інструкції над даними
ядра дозволяють системі виконувати більше роботи паралельно
характеристики процесора треба читати разом, а не зводити до одного числа

Хакерський принцип: не запам’ятовуй магічні слова. Намагайся пояснити своїми словами, що відбулося і чому.