Architektura procesorů a registry

Procesor (Central Processing Unit – CPU) je hlavní řídicí jednotka počítače, která vykonává instrukce programu uložené v operační paměti. Aby mohl procesor pracovat extrémně rychle, obsahuje vlastní malá, ale blesková úložiště dat nazývaná registry.

1. Základní komponenty procesoru

Moderní procesory vycházejí z Von Neumannovy architektury a skládají se z několika klíčových částí:

ALU (Arithmetic Logic Unit): Provádí veškeré matematické operace (sčítání, násobení) a logické operace (AND, OR, NOT).
CU (Control Unit): Řídicí jednotka, která dekóduje instrukce z paměti a řídí tok dat mezi ostatními komponentami.
Registry: Nejrychlejší paměťové buňky přímo uvnitř čipu, které drží data, se kterými se právě pracuje.
Cache: Rychlá vyrovnávací paměť (L1, L2, L3), která tvoří most mezi pomalou RAM a superrychlým procesorem.

2. Co jsou to Registry?

Registry jsou v podstatě „pracovní stůl“ procesoru. Kapacita registrů určuje tzv. bitovou šířku procesoru (dnes standardně 64-bit).

Typy registrů (Architektura x86-64):

Typ registru	Označení	Funkce
Akumulátor	RAX	Používá se pro aritmetické operace a návratové hodnoty funkcí.
Indexové registry	RSI, RDI	Používají se pro operace s řetězci a poli dat.
Stack Pointer	RSP	Ukazuje na vrchol zásobníku (stack) v paměti.
Instruction Pointer	RIP	Klíčový registr. Obsahuje adresu příští instrukce, která se má vykonat.
Flag Registry	EFLAGS	Drží informaci o stavu systému (např. zda byl výsledek operace nula nebo došlo k přetečení).

—

3. Instrukční cyklus (Fetch-Decode-Execute)

Procesor pracuje v nekonečné smyčce, kterou řídí systémový takt (frekvence v GHz). Jeden cyklus má tři fáze:

1. **Fetch (Načtení):** CU načte instrukci z paměti RAM na adrese uložené v registru RIP.
2. **Decode (Dekódování):** Řídicí jednotka zjistí, co instrukce znamená (např. "sečti dvě čísla").
3. **Execute (Vykonání):** ALU provede výpočet a výsledek uloží zpět do registru nebo paměti.

[Image of the Fetch-Decode-Execute cycle diagram]

4. Architektury: CISC vs. RISC

Ve světě procesorů existují dva hlavní filozofické přístupy k návrhu instrukční sady:

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Obsahuje velké množství komplexních instrukcí (jedna instrukce může vykonat několik operací najednou).
Příklad: Architektura x86 (Intel, AMD) v PC a serverech.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Obsahuje malou sadu jednoduchých, ale velmi rychlých instrukcí. Komplexní úkoly skládá z těchto malých kroků.
Příklad: Architektura ARM (Apple Silicon M1/M2, smartphony, IoT). Výhodou je nižší spotřeba a menší zahřívání.

5. Pipelining a Superskalární architektura

Aby procesory neztrácely čas, používají Pipelining (zřetězení). Zatímco se jedna instrukce vykonává, druhá se už dekóduje a třetí se načítá. Moderní procesory jsou navíc vícejádrové, což znamená, že mají více těchto jednotek vedle sebe a mohou pracovat na zcela odlišných úlohách současně.

Související články:

Tagy: hw cpu architecture registers x86 arm risc cisc