Jak fungují procesory? Podívejte se, jak tranzistory hýbou daty v prvním čipu ARM

Malá skupina dobrovolníků jménem Visual6502 ve svém volném čase sestavila virtuální model starého procesoru ARM1. Ten je plně funkční. Přímo v okně prohlížeče si na něm můžete vyzkoušet, jak mikroskopické součástky procesoru fungují a jak mezi sebou komunikují při zpracování kódu. Můžete se tedy podívat, co přesně se v útrobách procesoru děje třeba tehdy, když prochází v kódu základní instrukce jako CMP či MOV.

Čip ARM1 si skupina jako předlohu pro funkční virtuální model vybrala, protože je historicky důležitý. Jedná se o předchůdce moderních ARM architektur, které dnes vládnou trhu mobilních procesorů. Model čipu ARM1 je navíc narozeninovým dárkem pro stejnojmennou firmu ARM. Společnost vyrábějící procesory totiž nedávno oslavila 25. výročí svého založení.

Jak spolu jednotlivé části výpočetní jednotky komunikují? Kudy informace při zpracování kódu tečou? Odpovědi na tyto otázky jsou nyní jednoduše dostupné. Alespoň pro tento starší procesor.

Zprovoznění simulace ARM1 je pro mnoho odborníků velmi zajímavé, jedná se totiž o předka procesorů, které dnes pohánějí velkou část tabletů, smartphonů a dalších přenosných zařízení. Poslední dobou se navíc snaží prosadit také v serverech. Firma ARM, která čipy vyráběla, dokonce zapůjčila týmu dobrovolníků původní dokumentaci potřebnou k tvorbě věrného modelu.

Výsledkem je funkční model na tranzistorové úrovni, na kterém je možné prohlédnout si jednotlivé komponenty a krok za krokem procházet jejich vzájemnou komunikaci při zpracování kódu.

Podívat se, jak architektura ARM1 funguje, je ale zajímavý zážitek i pro úplného laika. Při pohledu na řady a řady komponent a jejich propojení nelze neobdivovat komplexnost tohoto vynálezu a lidi, kteří jej dokázali postavit.

Pro vyzkoušení simulace procesoru stačí jakýkoliv aktuální internetový prohlížeč.

Kvůli modelu fotili procesor pod mikroskopem

Funkční model ARM1 je už třetím podobným projektem skupiny dobrovolníků sdružených pod názvem Visual6502. Dříve podrobili podobnému zpracování dva další procesory – 6800 a MOS 6502, podle kterého si skupina odborníků zvolila své jméno.

Zatímco u ARM1 šlo – i díky dokumentaci dodané přímo výrobcem – o víceméně přímočarý projekt, první simulace byly pro tým mnohem náročnější.

Když se tři IT odborníci v roce 2009 pustili do mapování architektury historicky přelomového procesoru firmy MOS Technology s kódovým označením 6502, žádné kompletní plány nebyly k dispozici. Všechny původní designy MOS 6502 z poloviny sedmdesátých let existovaly původně pouze v papírové podobě. Od té doby už podlehly zkáze.

Lidé zajímající se o historii tohoto konkrétního kusu křemíku tak před sebou měli neobvyklý problém. Dochovaly se sice informace o tom, jaké příkazy obsahovala instruktážní sada procesoru, nebylo ale jasné, jak je čip prováděl. Zjednodušeně řečeno – dochovaly se funkční exempláře MOS 6502, nikdo ale pořádně nevěděl, jak vlastně vevnitř fungují.

Procesoroví archeologové proto museli jít opačnou cestou – od skutečného čipu k jeho plánům. Získali několik zachovalých kousků, které podrobili zevrubnému zkoumání. Ochranný kryt každého čipu odleptali horkou kyselinou sírovou a mikroskopem pořídili dvaasedmdesát snímků všech jeho komponent. Snímky pak v grafickém programu sešili dohromady a fotografie architektury slavného procesoru byla na světě.

Tým tří nadšenců nezůstal ale jen u toho. Rozhodli se převést fotku do polygonového modelu, se kterým – na rozdíl od pouhé fotografie – mohli dále pracovat. Celý proces překreslení museli zvládnout ručně, pomáhali si jen vlastním programem napsaným v jazyce Python. Po hodinách práce jim už konečně nic nebránilo k vytvoření jejich prvního funkčního virtuálního modelu procesoru.

O práci odborníků je velký zájem a návrhy dalších čipů pro stejné zpracování se jim jen hrnou. Jedná se ale o náročný a především pomalý úkol. Přestože za svou práci nedostali nikdy zaplaceno, nepolevují. Po šesti letech jsou tak na internetových stránkách týmu Visual6502 k dispozici kompletní fotky (takzvané „die-shots“) několika desítek procesorů. A kromě toho nyní také už tři funkční simulace procesorů-dědečků, konkrétně MOS 6502, Motorola 6800 a nejnověji samozřejmě i ARM1. Skupina dobrovolníků dělá mapováním procesorů bezesporu záslužnou práci, není proto vyloučeno, že do budoucna jejich aktivity vezme pod svá křídla nějaká výzkumná instituce nebo muzeum.