Что значит cpu в компьютере. Что такое процессор, центральный процессор, CPU? Что такое техпроцесс в процессоре
Все о процессорах, ядрах, частоте и т.д.
Центральный процессор (CPU) – деталь компьютера, ответственная за интерпретацию и выполнение большинства команд других аппаратных и программных компонентов компьютера.
Во всех устройствах используется процессор, в десктопах, ноутбуках, планшетах, смартфонах … даже в вашем плоском телевизоре.
Intel и AMD – два самых известных производителей центральных процессоров для десктопов, ноутбуков и серверов, а Apple, NVIDIA, и Qualcomm – крупнейшие фирмы, изготавливающие процессоры для смартфонов и планшетов.
Вы можете встретить разные термины, обозначающие процессор, это центральное процессорное устройства, компьютерный процессор, микропроцессор, центральный процессор и «мозг компьютера».
Мониторы или жесткие диски иногда очень неправильно называют процессорами, но эти аппаратные компоненты выполняют совершенно другие функции, совсем не те, что процессор.
Как выглядит процессор и где он расположен
Современные процессоры обычно имею небольшой размер и квадратную форму, с большим количеством коротких, круглых, металлических коннекторов снизу. В более старых процессорах вместо коннекторов используются штырьки.
Процессор устанавливается в процессорный «разъем» (или иногда «слот») на материнской плате. Процессор в разъем вставляется коннектором вниз и фиксируется небольшим рычагом.
Современные процессоры сильно нагреваются, даже если работали непродолжительное время. Чтобы рассеять это тепло, практически всегда необходимо поставить непосредственно на процессор радиатор и вентилятор.
Обычно они включены в комплект при покупке.
Имеются и другие, более производительные системы охлаждения, например, комплекты водяного охлаждения или устройства, работающие на принципе фазового перехода.
Как уже говорилось ранее, не у всех процессоров имеется коннектор на нижней части, но, если он есть, его выводы очень легко погнуть. Будьте осторожны, особенно при установке его на материнскую плату.
Частота процессора
Частота процессора – количество команд, которое он может обработать за секунду и измеряется в гигагерцах (ГГц).
Например, частота процессора составляет 1 Гц, если за секунду он может обработать одну команду. Более реальный пример – процессор с частотой 3 ГГц может обработать 3 миллиарда операций за каждую секунду.
Ядра процессора
У некоторых устройств процессор с одним ядром, тогда как в других могут использоваться процессоры с двумя (или четырьмя) ядрами. Как уже понятно, два параллельно работающих процессора означает, что они смогут обработать за секунду в два раза больше команд, сильно увеличивая производительность устройства.
Некоторые процессоры способны разделять каждое физическое ядро на два виртуальных, такая технология называется Hyper-Threading. Подобная виртуализация означает, что процессор, в котором только четыре ядра, может работать так, как будто их восемь, и каждый виртуальный процессор обрабатывает отдельный поток команд. Однако физические процессоры имеют лучшую производительность, чем виртуальные .
Если позволяет процессор, некоторые приложения могут использовать так называемую многопоточность . Если рассматривать поток как отдельную часть процесса, то использование нескольких потоков в одном ядре процессора означает, что одновременно будет обрабатываться больше команд.
В некоторых программных продуктах используется подобное преимущество на нескольких ядрах процессора, что означает еще большее количество одновременно обработанных команд.
Пример: Intel Core i3 vs. i5 vs. i7
В качестве более конкретного примера того, что одни процессоры быстрее других, давайте рассмотрим, как разрабатывает свои процессоры компания Intel.
Как вы уже подозреваете по названиям, процессоры Intel Core i7 работают быстрее, чем i5, которые, в свою очередь, работают быстрее процессоров i3. Вопрос, почему одни процессоры лучше или хуже других немного сложнее, но все-таки имеет довольно понятное объяснение.
Процессоры Intel Core i3 – двухъядерные, а i5 и i7 имеют по четыре ядра.
Turbo Boost – функция процессоров i5 и i7, позволяющая им поднимать свою частоту выше номинальной, например, с 3.0 ГГц до 3.5 ГГц, когда это необходимо. У процессоров Intel Core i3 такой возможности нет. Процессоры, в названии которых последняя буква – «K» можно разгонять , то есть повышать их частоту и использовать ее все время работы.
Технология Hyper-Threading, как уже говорилось ранее, позволяет обрабатывать два потока в каждом ядре процессора. Это означает, что процессоры i3 с технологией Hyper-Threading могут обрабатывать лишь четыре потока одновременно (так как у них два ядра). Процессоры Intel Core i5 не поддерживают технологию Hyper-Threading, поэтому они могут одновременно работать с четырьмя потоками. Процессоры i7, однако, поддерживают эту технологию, и поэтому (так как они четырёхъядерные) могут одновременно обрабатывать 8 потоков.
Из-за ограничений по мощности источника питания, накладываемых устройствами, не работающими постоянно подключенными к розеткам (с питанием от батареи, например, смартфоны, планшеты и пр.) процессоры – i3, i5, и i7 - отличаются от процессоров для настольных компьютеров тем, что имеют более сбалансированную производительность и потребляемую мощность.
Дополнительная информация о процессорах
Ни частота, ни количество ядер не являются единственным признаком, определяющим то, что один процессор «лучше» другого. Часто это больше зависит от типа программного обеспечения, работающего на данном компьютере – другими словами, приложениями, использующими процессор.
У одного процессора может быть низкая частота, но четыре ядра, тогда как другой может обладать высокой частотой, но только двумя ядрами. Решение, какой процессор будет работать лучше, опять же, зависит от того, для чего он будет использоваться.
Например, программа редактирования видео, зависящая от производительности процессора, будет работать лучше на процессорах с несколькими ядрами и небольшой частотой, чем на одноядерном процессоре с высокой частотой. Не все приложения, игры и другие программы используют преимущество наличия более одного или двух ядер у процессора, делая дополнительные ядра практически бесполезными.
Другой компонент процессора – кэш. Кэш процессора - это место временного хранения часто используемых данных. Вместо того, чтобы обращаться за этими данными к оперативной памяти (RAM), процессор определяет, какие данные, предположительно, еще будут использоваться, то есть вы захотите их использовать, и хранит из в кэше. Скорость обращения к кэшу быстрее, чем к оперативной памяти, так как является физической частью процессора; больший объем кэша означает, что для хранения подобных данных у процессора больше места.
Наличие 32-битной или 64-битной операционной системы на вашем компьютере определяет размер блоков данных, которые сможет обрабатывать процессор. С 64-битный процессор обращается с большим объемом памяти, чем 32-битный, вот почему 64-битные операционные системы и приложения не могут работать на 32-битном процессоре.
Вы сможете посмотреть подробную информацию о процессоре и других аппаратных компонентах вашего компьютера с помощью этих бесплатных информационных приложений
Каждая материнская плата поддерживает только определенную линейку типов процессоров, поэтому перед покупкой всегда проверяй это у производителя вашей материнской платы.
Процессор – это одна из самых главных частей компьютера, его мозг. Он управляет его вычислительной частью, выполняет коды программ. Иначе процессор называют микропроцессором. А в переводе с английского аббревиатуры CPU значит центральное процессорное устройство.
Первый процессор подобного рода был изобретен в компании Intel. Дата появления на свет 15 ноября 1971 года. Это был первый четырехбитный процессор под названием intel 4004. Он очень сильно отличался от современных потомков мощностью, дизайном. Имел тактовую частоту не более 740 кГц, шестнадцать четырехбитных выходов и столько же входов. Он активно использовался в светофорах, анализаторах крови, а затем в зонде Пионер-10. Конечно у всех первых ЦПУ было очень слабое ядро для операций вычисления.
Что такое процессор
Процессор или CPU (как расшифровывается аббревиатура было написано ранее) обрабатывает получаемую информацию из других устройств. Он делает это как в своей собственной памяти, так и в памяти других устройств. Кроме этого устройство может самостоятельно руководить работой других элементов материнской платы, как встроенных, так и дискретных.
ЦП находится не только в материнской плате. В видеокартах есть свои собственные устройства или GPU (графические процессоры). Они отвечают за производительность видео и вывод на экран изображения. Можно сделать вывод, что там, где необходимы сложные математические вычислительные работы, где необходимо управление командами и взаимодействием между электронными деталями устройств – всегда нужен мозг, который будет собирать все воедино и создавать правила, не даст процессу течь хаотично. Этим мозгом служит центральное процессорное устройство (ЦПУ).
Мощность зависит от вложенной производителем скорости сопоставления команд, обработки данных. Скорость и многие другие параметры зависят от количества транзисторов, находящихся в устройстве, количества ядер, его разрядности. А способность исполнять определенный набор команд называется архитектурой ЦПУ.
Что такое архитектура процессора
Под архитектурой ЦПУ подразумевается совместимость устройства
с определенным набором команд, способы их исполнения, структуры. По количеству и скорости выделяются RISC и CISC.
RISC в переводе означает компьютер с сокращенным набором команд. Для такой архитектуры характерно увеличение быстродействия за счет упрощения инструкций. Таким образом увеличивается тактовая частота и повышается распределение их между блоками.
Для ЦПУ с RISC архитектурой характерна фиксация длины инструкций машины (32 бита), отсутствие операций «читать-записать-изменить». В микропроцессоре с такой архитектурой нельзя найти микропрограммы внутри него. Команды исполняются как обычный машинный код.
CISC архитектура – это комплексный набор команд. Следует сказать, что все нынешние ЦП построены по данной архитектуре. А многие современные процессоры созданы на базе данной архитектуры но с RISC ядром. От RISC ее отличает нефиксированное число длины команд, все действия кодированы в одной команде, малое количество регистров.
Разновидности CPU
ЦП подразделяются на виды по производителям, по монтажу, по количеству ядер по многим другим параметрам. Все это условно и достаточно сложно. Рассмотрим основные из них.
ЦПУ по производителям
делятся на Intel, AMD, VIA. ЦПУ от фирмы Интел делятся на линейки i3, i5, i7. Каждая линейка имеет от двух ядер, например i3, до четырех и более (i5, i7, i9). Каждая линейка имеет в себе несколько поколений
ЦПУ. Каждое поколение модифицируется за счет добавления ядер, увеличения скорости вычислительных работ. До сих пор еще не вышли из использования более старые линейки от Интел такие, как core 2 duo и другие.
ЦПУ от AMD отличаются тем, что эта фирма выпускает гибридные устройства . А также включают в себя графический чип. Поэтому порой дискретная видеокарта не требуется. Это эффективные, рабочие лошадки. Единственный минус — это быстрое повышение температуры . Они намного горячее, чем процессоры фирмы Intel.
CPU тайваньской компании VIA не так популярны. Они не могут составить конкуренцию таким фирмам гигантам как Intel или AMD.
Устройства делятся по разрядности . Разрядность – это размер обрабатывания данных за один такт, которыми ЦПУ обменивается с ОЗУ. Их всего две – 32 разрядный и 64 разрядный. На компьютер с 32 разрядным ЦП устанавливается Windows только 32 битная. Ограничение в оперативной памяти до 4 гигабайт. 64 разрядный процессор был выпущен, как расширение первого. Поэтому на него можно установить, как 32, так и 64 битную систему. Ограничения по ОЗУ уже составляет 16 террабайт.
По количеству ядер ЦПУ делится на двухъядерные, четырех-ядерные, шести-, восьми ядерные и т.д. Чем больше ядер, тем больше потоков, а значит производительность компьютера увеличивается.
Приобретая процессор со встроенной видеокартой , пользователю не нужно будет дополнительно тратиться на дискретную. Современные процессоры со встроенной видеокартой вполне позволяют работать со многими нетребовательными программами и играть в старые игры. Для более новых игр или тяжелых программ таких, как автокад, фотошоп, которые усиленно задействуют графические вычисления, дополнительная видеокарта все-таки понадобится.
Из чего состоит и принцип работы
Ниже на рисунке увидите внутреннюю схему параметров, из которых состоит процессор. Внешне он представляет из себя кремниевую пластину
с миллиардами транзисторов, с помощью которых он обменивается сигналами с другими устройствами.
Главными устройствами любого ЦПУ являются ядро или несколько ядер, два или три уровня кэш-памяти, контроллер оперативно-запоминающего устройства, контроллер системных шин.
Ядро включает в себя блок выборки инструкций , предсказателя переходов, блоков декодирования, выборки данных, выполнения инструкций, управляющего блока, блок прерывания, регистров и счетчика команд.
Самыми важными являются блок работы с прерываниями. Он позволяет останавливать программы и своевременно реагировать на происходящий события. То есть этот блок отвечает за многозадачность процессора.
Кэш-память отвечает за временное хранение информации , к которой чаще всего обращается пользователь. За счет нее увеличивается скорость доставки данных в регистры ЦПУ.
Контроллер оперативно-запоминающего устройства находится в северном мосте
. Он отвечает за соединение ЦП с узлами ОЗУ, графического контроллера.
Контроллер системных шин отвечает за передачу двоичных кодов .
Так как процессор выполняет практически всю работу и сильно нагружен, то соответственно должна работать система теплоотвода. Требования по теплоотводу или tdp прописаны для каждого процессора. Они показывают не максимальные значения, а минимальные при нормальных условиях работы. Если компьютер перегревается, из-за плохого охлаждения, температура поднимается. При срабатывании сигнала перегрева компьютер выключается или пропускает часть циклов работы. То есть он может подвисать, медленно работать.
Основные характеристики ЦПУ
К основным характеристикам CPU относятся:
- Количество ядер . Они отвечают за одновременно работающие программы. Но это не значит, что чем больше ядер, тем быстрее будет работать программа. Если утилита оптимизирована под два ядра, то она будет работать на двух ядрах и не более.
- Частота CPU руководит скоростью обмена информации процессора с системной шиной.
- Техпроцесс . На данный момент равен 22 нанометрам. Техпроцессом является размер транзисторов. Они отвечают за производительность. Чем меньше размер, тем больше их разместиться на кристалле ЦП.
- Тактовая частота . Это количество вычислений за единицу времени. Чем больше, тем лучше. Но не следует забывать и о других характеристиках.
- Сокет вычислительного устройства. Необходимо, чтобы сокет совпадал с сокетом материнской платы.
С каждым годом технология все совершенствуется и совершенствуется. Поэтому данные могут изменяться из года в год.
Intel 80486DX2 в керамическом корпусе PGA.
Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид снизу.
Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид сверху.
Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид снизу.
Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид сверху.
Центра́льный проце́ссор (ЦП ; CPU - англ. céntral prócessing únit , дословно - центральное вычислительное устройство ) - исполнитель машинных инструкций , часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера , отвечающий за выполнение операций, заданных программами.
Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами . С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ . Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы . Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.
Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров , а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях , калькуляторах , мобильных телефонах и даже в детских игрушках . Чаще всего они представлены микроконтроллерами , где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.
Архитектура фон Неймана
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом .
Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.
Этапы цикла выполнения:
- Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд , на шину адреса , и отдаёт памяти команду чтения;
- Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных , и сообщает о готовности;
- Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
- Если последняя команда не является командой перехода , процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
- Снова выполняется п. 1.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).
Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода - тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания .
Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором . Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой .
Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (pipelining ) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ , дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:
- получение и декодирование инструкции (Fetch)
- адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
- выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
- сохранение результата операции (Store)
После освобождения k -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
- простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
- ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
- очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)
Суперскалярная архитектура
Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).
Джоном Коком (John Cocke) из .
Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.
На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.
Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.
На настоящий момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является ее чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.
Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.
Кэширование
Кэширование - это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана
.
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными
. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах .
Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):
Технология изготовления процессоров
История развития процессоров
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 МБ памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Современная технология изготовления
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.
В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем , стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.
Квантовые процессоры
Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.
Российские микропроцессоры
Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус . Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК .
Процессор - это, без сомнения, главный компонент любого компьютера. Именно этот небольшой кусочек кремния, размером в несколько десятков миллиметров выполняет все те сложные задачи, которые вы ставите перед своим компьютером. Здесь выполняется операционная система, а также все программы. Но как все это работает? Этот вопрос мы попытаемся разобрать в нашей сегодняшней статье.
Процессор управляет данными на вашем компьютере и выполняют миллионы инструкций в секунду. И под словом процессор, я подразумеваю именно то, что оно на самом деле означает - небольшой чип из кремния, который фактически выполняет все операции на компьютере. Перед тем как перейти к рассмотрению как работает процессор, нужно сначала подробно рассмотреть что это такое и из чего он состоит.
Сначала давайте рассмотрим что такое процессор. CPU или central processing unit (центральное обрабатывающее устройство) - который представляет из себя микросхему с огромным количеством транзисторов, сделанную на кристалле кремния. Первый в мире процессор был разработан корпорацией Intel в 1971 году. Все началось с модели Intel 4004. Он умел выполнять только вычислительные операции и мог обрабатывать только 4 байта данных. Следующая модель вышла в 1974 году - Intel 8080 и мог обрабатывать уже 8 бит информации. Дальше были 80286, 80386, 80486. Именно от этих процессоров произошло название архитектуры.
Тактовая частота процессора 8088 была 5 МГц, а количество операций в секунду только 330 000 что намного меньше чем в современных процессоров. Современные устройства имеют частоту до 10 ГГц и несколько миллионов операций в секунду.
Мы не будем рассматривать транзисторы, переместимся на уровень выше. Каждый процессор состоит из таких компонентов:
- Ядро
- здесь выполняется вся обработка информации и математические операции, ядер может быть несколько;
- Дешифратор команд
- этот компонент относится к ядру, он преобразует программные команды в набор сигналов, которые будут выполнять транзисторы ядра;
- Кэш
- область сверхбыстрой памяти, небольшого объема, в которой хранятся данные, прочитанные из ОЗУ;
- Регистры
- это очень быстрые ячейки памяти, в которых хранятся сейчас обрабатываемые данные. Их есть всего несколько и они имеют ограниченный размер - 8, 16 или 32 бит именно от этот зависит разрядность процессора;
- Сопроцессор
- отдельное ядро, которое оптимизировано только для выполнения определенных операций, например, обработки видео или шифрования данных;
- Адресная шина
- для связи со всеми, подключенными к материнской плате устройствами, может иметь ширину 8, 16 или 32 бит;
- Шина данных
- для связи с оперативной памятью. С помощью нее процессор может записывать данные в память или читать их оттуда. Шина памяти может быть 8, 16 и 32 бит, это количество данных, которое можно передать за один раз;
- Шина синхронизации
- позволяет контролировать частоту процессора и такты работы;
- Шина перезапуска
- для обнуления состояния процессора;
Главным компонентом можно считать ядро или вычислительное-арифметическое устройство, а также регистры процессора. Все остальное помогает работать этим двум компонентам. Давайте рассмотрим какими бывают регистры и какое у них предназначение.
- Регистры A, B, C
- предназначены для хранения данных во время обработки, да, их только три, но этого вполне достаточно;
- EIP
- содержит адрес следующей инструкции программы в оперативной памяти;
- ESP
- адрес данных в оперативной памяти;
- Z
- содержит результат последней операции сравнения;
Конечно, это далеко не все регистры памяти, но эти самые главные и ими больше всего пользуется процессор во время выполнения программ. Ну а теперь, когда вы знаете из чего состоит процессор, можно рассмотреть как он работает.
Как работает процессор компьютера?
Вычислительное ядро процессора может выполнять только математические операции, операции сравнения и перемещение данных между ячейками и оперативной памятью, но этого вполне достаточно, чтобы вы могли играть игры, смотреть фильмы и просматривать веб-страницы и многое другое.
Фактически любая программа состоит из таких команд: переместить, сложить, умножить, делить, разница и перейти к инструкции если выполняется условие сравнения. Конечно, это далеко не все команды, есть другие, которые объединяют между собой уже перечисленные или упрощают их использование.
Все перемещения данных выполняются с помощью инструкции перемещения (mov), эта инструкция перемещает данные между ячейками регистров, между регистрами и оперативной памятью, между памятью и жестким диском. Для арифметических операций есть специальные инструкции. А инструкции перехода нужны для выполнения условий, например, проверить значение регистра A и если оно не равно нулю, то перейти к инструкции по нужному адресу. Также с помощью инструкций перехода можно создавать циклы.
Все это очень хорошо, но как же все эти компоненты взаимодействуют между собой? И как транзисторы понимают инструкции? Работой всего процессора управляет дешифратор инструкций. Он заставляет каждый компонент делать то, что ему положено. Давайте рассмотрим что происходит когда нужно выполнить программу.
На первом этапе дешифратор загружает адрес первой инструкции программы в памяти в регистр следующей инструкции EIP, для этого он активирует канал чтения и открывает транзистор-защелку чтобы пустить данные в регистр EIP.
Во втором тактовом цикле дешифратор инструкций преобразует команду в набор сигналов для транзисторов вычислительного ядра, которые выполняют ее и записывают результат в один из регистров, например, С.
На третьем цикле дешифратор увеличивает адрес следующей команды на единицу, так, чтобы он указывал на следующую инструкцию в памяти. Далее, дешифратор переходит к загрузке следующей команды и так до окончания программы.
Каждая инструкция уже закодирована последовательностью транзисторов, и преобразованная в сигналы, она вызывает физические изменения в процессоре, например, изменению положения защелки, которая позволяет записать данные в ячейку памяти и так далее. На выполнение разных команд нужно разное количество тактов, например, для одной команды может понадобиться 5 тактов, а для другой, более сложной до 20. Но все это еще зависит от количества транзисторов в самом процессоре.
Ну с этим все понятно, но это все будет работать только если выполняется одна программа, а если их несколько и все одновременно. Можно предположить, что у процессора есть несколько ядер, и тогда на каждом ядре выполняется отдельная программ. Но нет, на самом деле там таких ограничений нет.
В один определенный момент может выполняться только одна программа. Все процессорное время разделено между всеми запущенными программами, каждая программа выполняется несколько тактов, затем процессор передается другой программе, а все содержимое регистров сохраняется в оперативную память. Когда управление возвращается этой программе, то в регистры грузятся ранее сохраненные значения.
Выводы
Вот и все, в этой статье мы рассмотрели как работает процессор компьютера, что такое процессор и из чего он состоит. Возможно, это немного сложно, но мы рассмотрели все более просто. Надеюсь, теперь вам стало более ясно то, как работает это очень сложное устройство.
На завершение видео об истории создания процессоров:
Компьютер представляет собой комплекс из различных устройств, объединенных в единый блок посредством шин (актуально для внутренних комплектующих). Например, в состав любого компьютера входят центральный процессор, видеоадаптер и пр. Их характеристики определяют общую итоговую производительность и возможности. Одним из важнейших компонентов является центральный процессор. Иногда можно встретить другие его названия: CPU (англ. Central Processing Unit - основная вычислительная единица), проц, камень.
Что такое CPU с точки зрения рядового пользователя? По аналогии с телом человека проц можно сравнить с мозгом. Он выполняет все математические расчеты и частично обеспечивает взаимодействие компонентов между собой. Физически процессор представляет собой самую крупную микросхему, устанавливаемую в специальный разъем материнской платы. Внутри нее содержатся сложные логические схемы из нескольких миллиардов транзисторов. Люди, интересующиеся вопросом «что такое CPU», могут легко определить процессор среди других внутренних компонентов. Ведь на нем всегда расположена система активного охлаждения: массивный металлический радиатор и вентилятор. Необходимость в них вызвана тем фактом, что потребляемая микросхемой часто составляет десятки ватт. Малый объем рассеивающей поверхности и высокая мощность приводят к нагреву корпуса CPU, что требует использования охлаждения.
По-разному решают вопрос нагрева: одни оптимизируют архитектуру, внося механизмы отключения неиспользуемых блоков, другие снижают напряжение питания и используют для производства новейшие достижения («тонкий» техпроцесс) и пр. В настоящее время основными «игроками» на рынке центральных процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков являются две компании - Intel и AMD. Соответственно, вся остальная инфраструктура подстраивается под особенности их продукции.
Часто на вопрос «что такое CPU» дают довольно обобщающие ответы. Это объясняется очень просто: сейчас термин «процессор» приобрел более широкое значение, чем «часть компьютера». Так, в любом современном мобильном телефоне есть блок, выполняющий математические расчеты - это тоже процессор. Даже владельцам управляемых детских игрушек полезно знать, что такое CPU, ведь в них тоже присутствует вычислительный блок.
Очевидно, что не рассмотрев принцип работы процессора, понять общие особенности его работы невозможно. Работой CPU управляют программы. Они представляют собой наборы инструкций для процессора, написанные на каком-либо языке программирования. Говоря человеческим языком, в программе указан точный порядок действий. Все помнят или хотя бы слышали о В нем для того, чтобы нарисовать на экране круг, требовалось выполнить команду Circle (координаты). Современные принципы создания программ остались такими же: задачи создаются командами языков программирования. При запуске программы на компьютере специальный программный декодер преобразует команды используемого языка в предназначенный для непосредственной обработки на CPU. Этот код - двоичный, представляет собой последовательность единиц и нулей. Многие не могут понять, почему было решено использовать именно а не привычную десятеричную. На самом деле все объясняется очень просто: двоичные разряды легко можно представить командами для самих транзисторов. Например, так как речь идет о цифровых устройствах, то можно представить цифру «1» как наличие напряжения на базе определенного транзистора, а «0» - как его отсутствие. Соответственно, в первом случае транзистор открыт и пропускает через себя ток, а во втором - заперт (конечно, все упрощенно и с множеством оговорок).
Скорость выполнения инструкций программы определяет быстродействие процессора. На это влияют архитектура, частота работы внутренних схем, оптимизация кода.
Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.
На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.
Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.
На настоящий момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является ее чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.
Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.
Кэширование
Кэширование - это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана .
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными . Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах .
Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):
Технология изготовления процессоров
История развития процессоров
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 МБ памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Современная технология изготовления
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.
В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем , стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.
Квантовые процессоры
Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.
Российские микропроцессоры
Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус . Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК .
Процессор - это, без сомнения, главный компонент любого компьютера. Именно этот небольшой кусочек кремния, размером в несколько десятков миллиметров выполняет все те сложные задачи, которые вы ставите перед своим компьютером. Здесь выполняется операционная система, а также все программы. Но как все это работает? Этот вопрос мы попытаемся разобрать в нашей сегодняшней статье.
Процессор управляет данными на вашем компьютере и выполняют миллионы инструкций в секунду. И под словом процессор, я подразумеваю именно то, что оно на самом деле означает - небольшой чип из кремния, который фактически выполняет все операции на компьютере. Перед тем как перейти к рассмотрению как работает процессор, нужно сначала подробно рассмотреть что это такое и из чего он состоит.
Сначала давайте рассмотрим что такое процессор. CPU или central processing unit (центральное обрабатывающее устройство) - который представляет из себя микросхему с огромным количеством транзисторов, сделанную на кристалле кремния. Первый в мире процессор был разработан корпорацией Intel в 1971 году. Все началось с модели Intel 4004. Он умел выполнять только вычислительные операции и мог обрабатывать только 4 байта данных. Следующая модель вышла в 1974 году - Intel 8080 и мог обрабатывать уже 8 бит информации. Дальше были 80286, 80386, 80486. Именно от этих процессоров произошло название архитектуры.
Тактовая частота процессора 8088 была 5 МГц, а количество операций в секунду только 330 000 что намного меньше чем в современных процессоров. Современные устройства имеют частоту до 10 ГГц и несколько миллионов операций в секунду.
Мы не будем рассматривать транзисторы, переместимся на уровень выше. Каждый процессор состоит из таких компонентов:
- Ядро - здесь выполняется вся обработка информации и математические операции, ядер может быть несколько;
- Дешифратор команд - этот компонент относится к ядру, он преобразует программные команды в набор сигналов, которые будут выполнять транзисторы ядра;
- Кэш - область сверхбыстрой памяти, небольшого объема, в которой хранятся данные, прочитанные из ОЗУ;
- Регистры - это очень быстрые ячейки памяти, в которых хранятся сейчас обрабатываемые данные. Их есть всего несколько и они имеют ограниченный размер - 8, 16 или 32 бит именно от этот зависит разрядность процессора;
- Сопроцессор - отдельное ядро, которое оптимизировано только для выполнения определенных операций, например, обработки видео или шифрования данных;
- Адресная шина - для связи со всеми, подключенными к материнской плате устройствами, может иметь ширину 8, 16 или 32 бит;
- Шина данных - для связи с оперативной памятью. С помощью нее процессор может записывать данные в память или читать их оттуда. Шина памяти может быть 8, 16 и 32 бит, это количество данных, которое можно передать за один раз;
- Шина синхронизации - позволяет контролировать частоту процессора и такты работы;
- Шина перезапуска - для обнуления состояния процессора;
Главным компонентом можно считать ядро или вычислительное-арифметическое устройство, а также регистры процессора. Все остальное помогает работать этим двум компонентам. Давайте рассмотрим какими бывают регистры и какое у них предназначение.
- Регистры A, B, C - предназначены для хранения данных во время обработки, да, их только три, но этого вполне достаточно;
- EIP - содержит адрес следующей инструкции программы в оперативной памяти;
- ESP - адрес данных в оперативной памяти;
- Z - содержит результат последней операции сравнения;
Конечно, это далеко не все регистры памяти, но эти самые главные и ими больше всего пользуется процессор во время выполнения программ. Ну а теперь, когда вы знаете из чего состоит процессор, можно рассмотреть как он работает.
Как работает процессор компьютера?
Вычислительное ядро процессора может выполнять только математические операции, операции сравнения и перемещение данных между ячейками и оперативной памятью, но этого вполне достаточно, чтобы вы могли играть игры, смотреть фильмы и просматривать веб-страницы и многое другое.
Фактически любая программа состоит из таких команд: переместить, сложить, умножить, делить, разница и перейти к инструкции если выполняется условие сравнения. Конечно, это далеко не все команды, есть другие, которые объединяют между собой уже перечисленные или упрощают их использование.
Все перемещения данных выполняются с помощью инструкции перемещения (mov), эта инструкция перемещает данные между ячейками регистров, между регистрами и оперативной памятью, между памятью и жестким диском. Для арифметических операций есть специальные инструкции. А инструкции перехода нужны для выполнения условий, например, проверить значение регистра A и если оно не равно нулю, то перейти к инструкции по нужному адресу. Также с помощью инструкций перехода можно создавать циклы.
Все это очень хорошо, но как же все эти компоненты взаимодействуют между собой? И как транзисторы понимают инструкции? Работой всего процессора управляет дешифратор инструкций. Он заставляет каждый компонент делать то, что ему положено. Давайте рассмотрим что происходит когда нужно выполнить программу.
На первом этапе дешифратор загружает адрес первой инструкции программы в памяти в регистр следующей инструкции EIP, для этого он активирует канал чтения и открывает транзистор-защелку чтобы пустить данные в регистр EIP.
Во втором тактовом цикле дешифратор инструкций преобразует команду в набор сигналов для транзисторов вычислительного ядра, которые выполняют ее и записывают результат в один из регистров, например, С.
На третьем цикле дешифратор увеличивает адрес следующей команды на единицу, так, чтобы он указывал на следующую инструкцию в памяти. Далее, дешифратор переходит к загрузке следующей команды и так до окончания программы.
Каждая инструкция уже закодирована последовательностью транзисторов, и преобразованная в сигналы, она вызывает физические изменения в процессоре, например, изменению положения защелки, которая позволяет записать данные в ячейку памяти и так далее. На выполнение разных команд нужно разное количество тактов, например, для одной команды может понадобиться 5 тактов, а для другой, более сложной до 20. Но все это еще зависит от количества транзисторов в самом процессоре.
Ну с этим все понятно, но это все будет работать только если выполняется одна программа, а если их несколько и все одновременно. Можно предположить, что у процессора есть несколько ядер, и тогда на каждом ядре выполняется отдельная программ. Но нет, на самом деле там таких ограничений нет.
В один определенный момент может выполняться только одна программа. Все процессорное время разделено между всеми запущенными программами, каждая программа выполняется несколько тактов, затем процессор передается другой программе, а все содержимое регистров сохраняется в оперативную память. Когда управление возвращается этой программе, то в регистры грузятся ранее сохраненные значения.
Выводы
Вот и все, в этой статье мы рассмотрели как работает процессор компьютера, что такое процессор и из чего он состоит. Возможно, это немного сложно, но мы рассмотрели все более просто. Надеюсь, теперь вам стало более ясно то, как работает это очень сложное устройство.
На завершение видео об истории создания процессоров:
Компьютер представляет собой комплекс из различных устройств, объединенных в единый блок посредством шин (актуально для внутренних комплектующих). Например, в состав любого компьютера входят центральный процессор, видеоадаптер и пр. Их характеристики определяют общую итоговую производительность и возможности. Одним из важнейших компонентов является центральный процессор. Иногда можно встретить другие его названия: CPU (англ. Central Processing Unit - основная вычислительная единица), проц, камень.
Что такое CPU с точки зрения рядового пользователя? По аналогии с телом человека проц можно сравнить с мозгом. Он выполняет все математические расчеты и частично обеспечивает взаимодействие компонентов между собой. Физически процессор представляет собой самую крупную микросхему, устанавливаемую в специальный разъем материнской платы. Внутри нее содержатся сложные логические схемы из нескольких миллиардов транзисторов. Люди, интересующиеся вопросом «что такое CPU», могут легко определить процессор среди других внутренних компонентов. Ведь на нем всегда расположена система активного охлаждения: массивный металлический радиатор и вентилятор. Необходимость в них вызвана тем фактом, что потребляемая микросхемой часто составляет десятки ватт. Малый объем рассеивающей поверхности и высокая мощность приводят к нагреву корпуса CPU, что требует использования охлаждения.
По-разному решают вопрос нагрева: одни оптимизируют архитектуру, внося механизмы отключения неиспользуемых блоков, другие снижают напряжение питания и используют для производства новейшие достижения («тонкий» техпроцесс) и пр. В настоящее время основными «игроками» на рынке центральных процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков являются две компании - Intel и AMD. Соответственно, вся остальная инфраструктура подстраивается под особенности их продукции.
Часто на вопрос «что такое CPU» дают довольно обобщающие ответы. Это объясняется очень просто: сейчас термин «процессор» приобрел более широкое значение, чем «часть компьютера». Так, в любом современном мобильном телефоне есть блок, выполняющий математические расчеты - это тоже процессор. Даже владельцам управляемых детских игрушек полезно знать, что такое CPU, ведь в них тоже присутствует вычислительный блок.
Очевидно, что не рассмотрев принцип работы процессора, понять общие особенности его работы невозможно. Работой CPU управляют программы. Они представляют собой наборы инструкций для процессора, написанные на каком-либо языке программирования. Говоря человеческим языком, в программе указан точный порядок действий. Все помнят или хотя бы слышали о В нем для того, чтобы нарисовать на экране круг, требовалось выполнить команду Circle (координаты). Современные принципы создания программ остались такими же: задачи создаются командами языков программирования. При запуске программы на компьютере специальный программный декодер преобразует команды используемого языка в предназначенный для непосредственной обработки на CPU. Этот код - двоичный, представляет собой последовательность единиц и нулей. Многие не могут понять, почему было решено использовать именно а не привычную десятеричную. На самом деле все объясняется очень просто: двоичные разряды легко можно представить командами для самих транзисторов. Например, так как речь идет о цифровых устройствах, то можно представить цифру «1» как наличие напряжения на базе определенного транзистора, а «0» - как его отсутствие. Соответственно, в первом случае транзистор открыт и пропускает через себя ток, а во втором - заперт (конечно, все упрощенно и с множеством оговорок).
Скорость выполнения инструкций программы определяет быстродействие процессора. На это влияют архитектура, частота работы внутренних схем, оптимизация кода.