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.
Что такое процессор? Здесь Вы сможете прочитать небольшую терминологию данного понятия. Мы рассмотрим из чего он состоит, что такое ядро процессора, системная шина, кэш процессора, какие разъемы бывают у процессора, а также популярные изготовители. А теперь, приступим к делу.
Процессор (ЦП или CPU ) – это устройство или схема, которая исполняет машинные команды (инструкции). Является наиважнейшим компонентом любого компьютера и ноутбука. Выполняет любые, как логические, так и арифметические операции. Также управляет всеми устройствами, подключенными к ПК.
На данный момент процессоры представляют собой схему (микропроцессор) и является маленькой тонкой пластиной, квадратной по форме. На такой схеме расположены элементы, обеспечивающие функциональность самого процессора и ПК в целом. Такая пластина защищена пластмассовым или керамическим корпусом, подсоединенная золотыми проводами с наконечниками из металла. Данная конструкция позволяет присоединить процессор к системной плате.
Из чего состоит процессор?
- Регистры
- Арифметико-логическое устройство
- Шины данных и адресов
- Кэш память
- Математический сопроцессор
У специалистов разных профессий понятие об архитектуре процессора немного отличаются. Например, программисты думают, то архитектура процессора – это когда процессор способен выполнять наборы машинных кодов. Разработчики компьютерных составляющих думают иначе, а именно то, что архитектора процессора отражает какие-либо свойства и качества, которые присущи целому семейству процессоров (другими словами, организация процессоров или их внутренняя конструкция). Например, существует такая архитектура, как Intel Pentium, она обозначается, как P5. К примеру, Pentium IV обозначается, как NetBurst.
Модель архитектуры процессора Pentium 4
Даже если процессоры имеют одинаковую архитектуру, они могут иметь различия. В первую очередь это конечно же различие в процессорных , которые наделяют сам процессор, какими-либо характеристиками. Конечно, отличаться они могут и размерами кэша, и различиями в частоте системной шины. По сути, термин ядро процессора четкого определения не имеет, но может позволить выделить особенности какой-либо модели.
В случае замены ядра, скорее всего придется менять и процессорный разъем, что влечет за собой определенные трудности, которые связаны с совместимостью системных плат. Конечно, разработчики постоянно занимаются над совершенствованием ядер. Такие нововведения называются ревизией ядер, они в свою очередь обозначаются буквенными и цифирными значениями.
Что такое системная шина?
Системная шина или шина процессора (FSB ) – является совокупностью сигнальных линий, объединённых по назначению. Простыми словами, системная шина связывает все компоненты компьютера с процессором, будь это , или . Процессор подключается только к системной шине, остальные устройства подключаются через специальные контроллеры.
Что такое разъем (сокет) процессора?
Есть два типа разъемов (сокетов) – гнездовой и щелевой . Хотя это можно считать, как один разъем, потому что он создан лишь для установки процессора. Наличие сокета значительно облегчает замену процессора. Также его можно было бы снять на время ремонта компьютера. Кстати, если что, данный разъем расположен на . У компаний Intel и AMD свои типы разъемов, которые можно посмотреть .
Что такое регистр процессора?
Регистром в процессоре является блок ячеек, который образует сверхбыструю оперативную память. Такая память используется только процессором.
Что такое кэш процессора?
Кеш – это технология которая во всех современных процессорах является обязательной, еще ее называют быстрой памятью. Кэш технология является буфером между процессором и котроллером, который является медленной памятью. Буфер является хранилищем блоков данных, которые отрабатываются именно сейчас, таким образом процессору не нужно обращаться к контроллеру. Такое свойство очень хорошо увеличивает производительность процессора.
На данный момент существует несколько уровней кэша. L1 – кэш первого уровня , является самым быстрым и работает напрямую с ядром. Далее идет кэш второго уровня — L2 , который взаимодействует с L1. Такой кэш по объему намного больше, чем L1. Иногда может встречаться и кэш третьего уровня – L3 . Он достаточно медленный, а по объему еще больше, чем L2, но опять же, он быстрее, чем системная память.
Также, кэш разделяют на эксклюзивный и не эксклюзивный .
К первому типу относят кэш, в котором данные разделены на оригинальные в строгом порядке. К не эксклюзивному кэшу относят кэш, данные которого могут повторяться на всех уровнях кэша. Например, компания Intel, использует не эксклюзивный тип, а AMD – cсоответственно эксклюзивный. Трудно сказать, какой лучше, у обоих есть и достоинства, и недостатки.
Компоненты нашего домашнего или переносного персонального компьютера работают в хорошо отлаженной системе. Однако, далеко не все пользователи могут описать те или иные функции разных устройств компьютера. Многие скажут, что это им и не нужно, и будут правы. А вот остальные с интересом черпают информацию о центральном процессоре или о видеоплате. Наша сегодняшняя статья именно для таких людей. Узнаем, что такое CPU. Итак:
CPU - central processing unit или центральное обрабатывающее устройство
Данное устройство представляет собой микросхему, которая обрабатывает и контролирует исполнение машинных кодов программ компьютера. Ни много ни мало, центральный процессор - это самое важное звено во всей системе. Именно это устройство дает возможность функционировать программам на компьютере.
Принцип работы устройства сводится к следующему. Согласно единому стандартизированному двоичному коду, который содержит только два значения "1" и "0", на процессор приходит сигнал. Значение 0 - это отсутствие электрического заряда, а 1 - его наличие. Именно таким образом и закодирована информация, содержащаяся в программе. После поступления кода в CPU, начинается деятельность того или иного блока компьютера, который выполняет строго определенные функции.
На сегодняшний день, производители процессоров стремятся к уменьшению их физических размеров, и к увеличению количества выполняемых команд. Следует отметить, что современные процессоры способны выполнять одновременно невероятное количество команд.
Производители современных CPU постоянно конкурируют между собой, что, собственно, и приводит к такому быстрому развитию этой сферы мирового рынка и науки. Существует три лидера среди создателей центральных процессоров. Это Intel, IBM, AMD. Трудно сказать, чем именно хорош тот или иной процессор. Технологии производства и особенности процессоров этих производителей отличаются, хотя, в общем-то, они преследуют одни и те же цели. Меньший размер и большая производительность. Справедливо заметить, что каждый из процессоров может быть лучше или хуже своего конкурента только в одной конкретной ситуации. В других случаях он может превосходит его.
В компьютерном мире принято выделять следующие характеристики CPU:
- Тактовая частота;
- Производительность;
- Энергопотребление;
- Характеристики литографического процесса;
- Архитектура устройства.
Что такое CPU fan? Данная ошибка возникает при отказе работы кулера компьютера, который отвечает за холодный воздух и обдув процессора во избежании перегрева последнего. Для исправления ошибки следует почистить кулер от пыли или заменить его. Также ошибка может иметь программный характер. BIOS по каким-то причинам не распознает кулер. Для преодоления этой ошибки можно попробовать сбросить настройки охлаждающей системы в режим "По умолчанию".
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:
