Центральный процессор является основным и самым главным элементом системы. Благодаря нему выполняются все задачи связанные с передачей данных, исполнением команд, логическими и арифметическими действиями. Большинство пользователей знают, что такое ЦП, но не разбираются в принципе его работы. В этой статье мы постараемся просто и понятно объяснить, как работает и за что отвечает CPU в компьютере.

Перед тем, как разобрать основные принципы работы CPU, желательно ознакомиться с его компонентами, ведь это не просто прямоугольная пластина, монтируемая в материнскую плату, это сложное устройство, образующееся из многих элементов. Более подробно с устройством ЦП вы можете ознакомиться в нашей статье, а сейчас давайте приступим к разбору главной темы статьи.

Выполняемые операции

Операция представляет собой одно или несколько действий, которые обрабатываются и выполняются компьютерными устройствами, в том числе и процессором. Сами операции делятся на несколько классов:

1. Ввод и вывод . К компьютеру обязательно подключено несколько внешних устройств, например, клавиатура и мышь. Они напрямую связаны с процессором и для них выделена отдельная операция. Она выполняет передачу данных между CPU и периферийными девайсами, а также вызывает определенные действия с целью записи информации в память или ее вывода на внешнюю аппаратуру.
2. Системные операции отвечают за остановку работы софта, организовывают обработку данных, ну и, кроме всего, отвечают за стабильную работу системы ПК.
3. Операции записи и загрузки . Передача данных между процессором и памятью осуществляется с помощью посылочных операций. Быстродействие обеспечивается одновременной запись или загрузкой групп команд или данных.
4. Арифметически-логические . Такой тип операций вычисляет значения функций, отвечает за обработку чисел, преобразование их в различные системы исчисления.
5. Переходы . Благодаря переходам скорость работы системы значительно увеличивается, ведь они позволяют передать управление любой команде программы, самостоятельно определяя наиболее подходящие условия перехода.

Все операции должны работать одновременно, поскольку во время активности системы за раз запущено несколько программ. Это выполняется благодаря чередованию обработки данных процессором, что позволяет ставить приоритет операциям и выполнять их параллельно.

Выполнение команд

Обработка команды делится на две составные части – операционную и операндную. Операционная составляющая показывает всей системе то, над чем она должна работать в данный момент, а операндная делает то же самое, только отдельно с процессором. Выполнением команд занимаются ядра, а действия осуществляются последовательно. Сначала происходит выработка, потом дешифрование, само выполнение команды, запрос памяти и сохранение готового результата.

Благодаря применению кэш-памяти выполнение команд происходит быстрее, поскольку не нужно постоянно обращаться к ОЗУ, а данные хранятся на определенных уровнях. Каждый уровень кэш-памяти отличается объемом данных и скоростью выгрузки и записи, что влияет на быстродействие систем.

Взаимодействия с памятью

ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство) может хранить в себе только неизменяемую информацию, а вот ОЗУ (Оперативная память) используется для хранения программного кода, промежуточных данных. С этими двумя видами памяти взаимодействует процессор, запрашивая и передавая информацию. Взаимодействие происходит с использованием подключенных внешних устройств, шин адресов, управления и различных контролеров. Схематически все процессы изображены на рисунке ниже.

Если разобраться о важности ОЗУ и ПЗУ, то без первой и вовсе можно было бы обойтись, если бы постоянное запоминающее устройство имело намного больше памяти, что пока реализовать практически невозможно. Без ПЗУ система работать не сможет, она даже не запустится, поскольку сначала происходит тестирование оборудования с помощью команд БИОСа.

Процессор — это главная микросхема компьютера. Как правило, она также является одним из самых высокотехнологичных и дорогих компонентов ПК. Несмотря на то что процессор — отдельное устройство, он имеет в своей структуре большое количество компонентов, отвечающих за конкретную функцию. Какова их специфика?

Процессор: функции устройства и история появления

Компонент ПК, который сейчас принято именовать центральным процессором, характеризуется достаточно интересной историей происхождения. Поэтому, для того чтобы понять его специфику, полезно будет исследовать некоторые ключевые факты об эволюции его разработки. Устройство, которое современному пользователю известно как центральный процессор, является результатом многолетнего совершенствования технологий производства вычислительных микросхем.

Со временем менялось видение инженерами структуры процессора. В ЭВМ первого и второго поколения соответствующие компоненты состояли из большого количества раздельных блоков, очень несхожих по решаемым задачам. Начиная с третьего поколения компьютеров функции процессора начали рассматриваться в более узком контексте. Инженеры-конструкторы ЭВМ определили, что это должно быть распознавание и интерпретация машинных команд, занесение их в регистры, а также управление другими аппаратными компонентами ПК. Все эти функции стали объединяться в одном устройстве.

Микропроцессоры

По мере развития компьютерной техники в структуру ПК стали внедряться девайсы, получившие название «микропроцессор». Одним из первых устройств такого типа стало изделие Intel 4004, выпущенное американской корпорацией в 1971 году. Микропроцессоры в масштабе одной микросхемы объединили в своей структуре те функции, что мы определили выше. Современные девайсы, в принципе, работают на основе той же самой концепции. Таким образом, центральный процессор ноутбука, ПК, планшета содержит в своей структуре: логическое устройство, регистры, а также модуль управления, отвечающие за конкретные функции. Однако на практике компоненты современных микросхем чаще всего представлены в более сложной совокупности. Изучим данную особенность подробнее.

Структура современных процессоров

Центральный процессор современного ПК, ноутбука или планшета представлен ядром — теперь уже нормой считается, что их несколько, кэш-памятью на различных уровнях, а также контроллерами: ОЗУ, системной шины. Производительность микросхемы соответствующего типа определяется ее ключевыми характеристиками. В какой совокупности они могут быть представлены?

Наиболее значимые характеристики центрального процессора на современных ПК таковы: тип микроархитектуры (обычно указывается в нанометрах), тактовая частота (в гигагерцах), объем кэш-памяти на каждом уровне (в мегабайтах), энергопотребление (в ваттах), а также наличие или отсутствие графического модуля.

Изучим специфику работы некоторых ключевых модулей центрального процессора подробнее. Начнем с ядра.

Ядро процессора

Центральный процессор современного ПК всегда имеет ядро. В нем содержатся ключевые функциональные блоки микросхемы, посредством которых она выполняет необходимые логические и арифметические функции. Как правило, они представлены в некоторой совокупности элементов. Так, устройство центрального процессора чаще всего предполагает наличие блоков, которые отвечают за решение следующих задач:

Выборка и декодирование инструкций;

Выборка данных;

Выполнение инструкций;

Сохранение результатов вычислений;

Работа с прерываниями.

Также структура микросхем соответствующего типа дополняется управляющим блоком, запоминающим устройством, счетчиком команд, а также набором регистров. Рассмотрим специфику работы соответствующих компонентов подробнее.

Ядро процессора: компоненты

В числе ключевых блоков в ядре центрального процессора — тот, что отвечает за считывание инструкций, которые прописываются в адресе, зафиксированном в счетчике команд. Как правило, в течение одного такта выполняется сразу несколько операций соответствующего типа. Общее количество инструкций, подлежащих считыванию, предопределяется показателем в блоках декодирования. Главный принцип здесь — чтобы при каждом такте отмеченные компоненты были максимально загружены. С целью обеспечения соответствия данному критерию в структуре процессора могут присутствовать вспомогательные аппаратные элементы.

В блоке декодирования обрабатываются инструкции, определяющие алгоритм работы микросхемы в ходе решения тех или иных задач. Обеспечение их функционирования — сложная задача, как считают многие IT-специалисты. Это обусловлено, в частности, тем, что длина инструкции не всегда четко определена. Современные процессоры обычно включают 2 или 4 блока, в которых осуществляется соответствующее декодирование.

Касательно компонентов, отвечающих за выборку данных — их основная задача заключается в обеспечении приема команд из кэш-памяти либо ОЗУ, которые необходимы для обеспечения выполнения инструкций. В ядрах современных процессоров обычно присутствует несколько блоков соответствующего типа.

Управляющие компоненты, присутствующие в микросхеме, также базируются на декодированных инструкциях. Они призваны осуществлять контроль над работой блоков, которые ответственны за выполнение инструкций, а также распределять задачи между ними, контролировать своевременное их выполнение. Управляющие компоненты относятся к категории важнейших в структуре микропроцессоров.

В ядрах микросхем соответствующего типа присутствуют также блоки, отвечающие за корректное выполнение инструкций. В их структуре присутствуют такие элементы, как арифметическое и логическое устройство, а также компонент, отвечающий за вычисления с плавающей точкой.

Есть в составе ядер процессоров блоки, которые контролируют обработку расширения наборов, что установлены для инструкций. Данные алгоритмы, дополняющие основные команды, используются для повышения интенсивности обработки данных, осуществления процедур шифрования или дешифрования файлов. Решение подобных задач требует введения в структуру ядра микросхемы дополнительных регистров, а также наборов инструкций. Современные процессоры включают обычно следующие расширения: MMX (предназначены для кодирования аудио- и видеофайлов), SSE (применяются при распараллеливании вычислений), ATA (задействуется с целью ускорения работы программ и снижения уровня энергопотребления ПК), 3DNow (расширение мультимедийных возможностей компьютера), AES (шифрование данных), а также многие другие стандарты.

В структуре ядер процессора обычно также присутствуют блоки, отвечающие за сохранение результатов в ОЗУ в соответствии с адресом, который содержится в инструкции.

Важное значение имеет компонент ядра, который контролирует работу микросхемы с прерываниями. Данная функция позволяет процессору обеспечивать стабильность работы программ в условиях многозадачности.

Работа центрального процессора также связана с задействованием регистров. Данные компоненты являются аналогом ОЗУ, однако доступ к ним осуществляется в несколько раз быстрее. Объем соответствующего ресурса небольшой — как правило, он не превышает килобайта. Регистры классифицируются на несколько разновидностей. Это могут быть компоненты общего назначения, которые задействуются при выполнении арифметических или логических вычислений. Есть регистры специального назначения, которые могут включать системные данные, используемые процессором в ходе работы.

В структуре ядра процессора также присутствуют различные вспомогательные компоненты. Какие, например? Это может быть датчик, отслеживающий то, какова текущая температура центрального процессора. Если ее показатели выше установленных норм, то микросхема может направить сигнал модулям, отвечающим за работу вентиляторов — и они начнут вращаться быстрее. Есть в структуре ядра предсказатель переходов — компонент, который призван определять, какие именно команды будут выполняться после завершения определенных циклов операций, совершаемых микросхемой. Пример другого важного компонента — счетчик команд. Данный модуль фиксирует адрес соответствующего алгоритма, который передается микросхеме в момент начала выполнения им того или иного такта.

Такова структура ядра, которое входит в центральный процессор компьютера. Изучим теперь подробнее некоторые ключевые характеристики микросхем соответствующего типа. А именно: техпроцесс, тактовая частота, объем кэш-памяти, а также энергопотребление.

Характеристики процессора: тип техпроцесса

Развитие компьютерной техники принято связывать с появлением по мере совершенствования вычислительных технологий новых поколений ЭВМ. При этом, не считая показателей производительности, одним из критериев отнесения компьютера к тому или иному поколению может считаться его абсолютный размер. Самые первые ЭВМ были сопоставимы по величине с многоэтажным домом. Компьютеры второго поколения были сопоставимы по величине, к примеру, с диваном или пианино. ЭВМ следующего уровня уже были вплотную приближены к тем, что привычны для нас сейчас. В свою очередь, современные ПК — это компьютеры четвертого поколения.

Собственно, к чему все это? Дело в том, что в ходе эволюции ЭВМ сформировалось неофициальное правило: чем более технологично устройство, тем меньшими габаритами при той же производительности, а то и при большей — оно обладает. Оно в полной мере действует и в отношении рассматриваемой характеристики центрального процессора, а именно, техпроцесса его изготовления. В данном случае имеет значение расстояние между единичными кремниевыми кристаллами, формирующими структуру микросхемы. Чем оно меньше — тем больше плотность соответствующих элементов, которые размещает на себе плата центрального процессора. Тем более производительным он, соответственно, может считаться. Современные процессоры выполняются по техпроцессу 90-14 нм. Данный показатель имеет тенденцию к постепенному уменьшению.

Тактовая частота

Тактовая частота центрального процессора — один из ключевых показателей его производительности. Она определяет то, сколько операций в секунду может совершать микросхема. Чем их больше — тем более производителен процессор и компьютер в целом. Можно отметить, что данный параметр характеризует, прежде всего, ядро как самостоятельный модуль центрального процессора. То есть, если соответствующих компонентов на микросхеме несколько, то каждое из них будет работать с отдельной частотой. Некоторые IT-специалисты считают допустимым суммировать данные характеристики по всем ядрам. Что это значит? Если, например, на процессоре установлено 4 ядра с частотой 1 ГГц, то суммарный показатель производительности ПК, если следовать этой методологии, будет составлять 4 ГГц.

Компоненты частоты

Рассматриваемый показатель формируется из двух компонентов. Во-первых, это частота системной шины — измеряется она обычно в сотнях мегагерц. Во-вторых, это коэффициент, на который соответствующий показатель умножается. В некоторых случаях производители процессоров дают пользователям возможность регулировать оба параметра. При этом, если выставить в достаточной мере высокие значения для системной шины и множителя, можно ощутимо увеличить производительность микросхемы. Именно таким образом осуществляется разгон процессора. Правда, его задействовать нужно осторожно.

Дело в том, что при разгоне может значительно увеличиться температура центрального процессора. Если на ПК не будет установлено соответствующей системы охлаждения, то это может привести к выходу микросхемы из строя.

Объем кэш-памяти

Современные процессоры оснащены модулями кэш-памяти. Основное их предназначение — временное размещение данных, как правило, представленных совокупностью особых команд и алгоритмов — тех, что задействуются в работе микросхемы наиболее часто. Что это дает на практике? Прежде всего то, что загрузка центрального процессора может быть уменьшена за счет того, что те самые команды и алгоритмы будут находиться в оперативном доступе. Микросхема, получив из кэш-памяти готовые инструкции, не тратит время на их выработку с нуля. В итоге работа компьютера идет быстрее.

Главная характеристика кэш-памяти — объем. Чем он больше, тем, соответственно, вместительнее данный модуль с точки зрения расположения тех самых инструкций и алгоритмов, задействуемых процессором. Тем больше вероятность, что микросхема будет всякий раз находить среди них нужные для себя и работать быстрее. Кэш-память на современных процессорах делится чаще всего на три уровня. Первый работает на базе наиболее быстрых и высокотехнологичных микросхем, остальные — медленнее. Объем кэш-памяти первого уровня на современных процессорах составляет порядка 128-256 КБ, второго — 1-8 МБ, третьего — может превышать 20 МБ.

Энергопотребление

Другой значимый параметр микросхемы — энергопотребление. Питание центрального процессора может предполагать значительное расходование электроэнергии. Современные модели микросхем потребляют порядка 40-50 Вт. В некоторых случаях данный параметр имеет экономическое значение — например, если речь идет об оснащении больших предприятий несколькими сотнями или тысячами компьютеров. Но не менее значимым фактором энергопотребление выступает в части адаптации процессоров к использованию на мобильных устройствах — ноутбуках, планшетах, смартфонах. Чем соответствующий показатель меньше, тем дольше будет автономная работа девайса.

Процессор компьютера – это основной компонент компьютера, его «мозг», скажем так. Он выполняет все логические и арифметические операции, которые задает программа. Кроме этого он выполняет управление всеми устройствами компьютера.

Что собою представляет современный процессор

Сегодня процессоры изготавливаются в виде микропроцессоров. Визуально микропроцессор – это тонкая пластинка кристаллического кремния в форме прямоугольника. Площадь пластины несколько квадратных миллиметров, на ней расположены схемы, которые обеспечивают функциональность процессора ПК. Как правило, пластинка защищена керамическим или пластмассовым плоским корпусом, к которому подсоединена посредством золотых проводков с металлическими наконечниками. Такая конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате компьютера.

• шины адресов и шины данных;
• арифметико-логическое устройство;
• регистры;
• кэш (быстрая память небольшого объема 8-512 Кбайт);
• счетчики команд;
• математический сопроцессор.

Что такое архитектура процессора?

Архитектура процессора – это способность процессора выполнять набор машинных кодов. Это с точки зрения программистов. Но разработчики компьютерных составляющих придерживаются другой трактовки понятия «архитектура процессора». По их мнению, архитектура процессора – это отражение основных принципов внутренней организации определенных типов процессоров. Допустим, архитектура Intel Pentium обозначается Р5, Pentium II и Pentium III — Р6, а не так давно популярных Pentium 4 – NetBurst. Когда компания Intel закрыла Р5 для конкурирующих производителей, компания AMD разработала свою архитектуру К7 для Athlon и Athlon XP, а для Athlon 64 – К8.

Даже процессоры с одинаковой архитектурой могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые обладают определенным набором характеристик. Наиболее частым отличием является различные частоты системной шины, а также размеры кэша второго уровня и технологическим характеристикам, по которым изготовлены процессоры. Очень часто смена ядра в процессорах из одного и того же семейства, требует также замены процессорного разъема. А это влечет за собой проблемы с совместимостью материнских плат. Но производители постоянно совершенствуют ядра и вносят постоянные, но не значительные изменения в ядре. Такие нововведения называют ревизией ядер и, как правило, обозначаются цифробуквенными комбинациями.

Системная шина или процессорная шина (FSB – Front Side Bus) – это совокупность сигнальных линий, которые объединены по назначению (адреса, данные и т.д.). Каждая линия имеет определенный протокол передачи информации и электрическую характеристику. То есть системная шина – это связующее звено, которое соединяет сам процессор и все остальные устройства ПК (жесткий диск, видеокарта, память и многое другое). К самой системной шине подключается только CPU, все остальные устройства подключаются через контроллеры, которые находятся в северном мосте набора системной логики (чипсет) материнской платы. Хотя в некоторых процессорах контролер памяти подключен непосредственно в процессор, что обеспечивает более эффективный интерфейс памяти CPU.

Кеш или быстрая память – это обязательная составляющая всех современных процессоров. Кеш является буфером между процессором и контроллером достаточно медленной системной памяти. В буфере хранятся блоки данных, отрабатываемых в данный момент, и процессору не нужно постоянно обращаться к медленной системной памяти. Естественно, это значительно увеличивает общую производительность самого процессора.

В процессорах, используемых сегодня, кэш поделен на несколько уровней. Самый быстрый – первый уровень L1, который производит работу с ядром процессора. Он обычно разделен на две части – это кэш данных и кэш инструкций. С L1 взаимодействует L2 – кэш второго уровня. Он намного больше по объему и не разделен на кэш инструкций и кэш данных. У некоторых процессоров существует L3 – третий уровень, он еще больше второго уровня, но на порядок медленнее, так как шина между вторым и третьим уровнем уже, чем между первым и вторым. Тем не менее, скорость третьего уровня все равно гораздо выше, нежели скорость системной памяти.

Различают кэш по двум видам – эксклюзивный и не эксклюзивный.

Эксклюзивный тип кэша тот, в котором информация на всех уровнях строго разграничена на оригинальную.

Не эксклюзивный кэш – это кэш, в котором информация повторяется на всех уровнях кэша. Трудно сказать, какой тип кэша лучше, и у первого и у второго есть свои достоинства и недостатки. Эксклюзивный тип кэша используется в процессорах AMD, а не эксклюзивный — Intel.

Разъем процессора может быть щелевой и гнездовой. В любом случае его предназначение – это установка центрального процессора. Применение разъема облегчает замену процессора при модернизации и снятие на время ремонта ПК. Разъемы могут предназначаться для установки CPU-карты и самого процессора. Разъемы различают по предназначению для определенных типов процессоров или CPU-карт.

Популярные производители процессоров ПК.

Первое место занимает процессор Intel Core i5. Отличный вариант для мощной игровой машины.

Второе место — Intel Celeron E3200, не смотря на достаточно приличную стоимость. Оптимальный вариант для офисной машины.

Третье место занимает снова intel - на этот раз 4-х ядерный Core 2 Quad.

Четвертое место — процессор AMD Athlon II X2 215 2.7 GHz 1Mb Socket-AM3 OEM. Хороший выбор для дома и офиса, для тех кто хочет сэкономить и не нуждается в супер мощной машине. К тому у этой модели процессора есть много места для разгона.

Пятое место — AMD Phenom II X4 945. Хорошая цена, отличная производительность, большой кэш и 4 ядра на борту.

Если вы готовы заплатить за процессор порядка 1000$, то можете приобрести Intel Сore 2 Extreme. Но такой процессор вряд ли подойдет для широких масс потребителей. Поэтому рассмотрим более доступные варианты.

Если вы простой пользователь ПК, который работает с текстами, смотрит фильмы, прослушивает музыку и работает в Интернете, вам вполне подойдет или Celeron E1200 или младшие Athlon 64 X2. Последний имеет определенные преимущества перед первым и вам его хватит на долгие годы.

Если вы используете свой компьютер для развлечения, периодически играете в игры, то вам нужно посмотреть на процессоры Core 2 Duo. Это самый оптимальный вариант процессора для ваших потребностей.

Если вы относитесь к пользователям, которые используют все возможности компьютера, работаете с аудио, Интернет, видео, большими программами и тяжеловесными играми, вам больше всего подойдет Core 2 Duo E8200. Этот процессор обладает высокой производительностью, невысоким тепловыделением, достаточной возможностью разгона, при этом доступен по цене.

И, наконец, вы бескомпромиссный игрок и ваш ПК должен быть мощным игровым плацдармом? Вам просто необходим или двухядерный или четырехядерный процессор, не меньше.

«Дареному процессору в кулер не дуют.»

Важность процессора для любого персонального компьютера трудно переоценить. Это электронное устройство сравнительно мало по размерам, но потребляет значительный процент энергии, получаемой от блока питания, а его стоимость составляет львиную долю стоимости компьютера. Не случайно многие люди, обычно не очень сведущие в компьютерной терминологии, ассоциируют процессор с самим компьютером. Хотя это, конечно же, ошибочная точка зрения, но причины подобной ассоциации нетрудно понять. Ведь процессор вполне можно уподобить мозгу компьютера, и в таком случае он будет олицетворять суть компьютера, и идентифицировать его точно так же, как мозг человека олицетворяет суть человека и идентифицирует его личность.

Следует сразу оговориться, что в этой статье будет рассказано в основном о центральном процессоре компьютера, так называемом CPU (Central Processing Unit), между тем, как к процессорам относятся и многие вспомогательные чипы, расположенные в компьютере, как, например, процессор видеокарты или звуковой карты. Тем не менее, принципы работы, характерные для CPU, во многом справедливы и для других типов чипов.

Первые процессоры появились на самой заре зарождения компьютерных технологий. А бурное развитие микрокомпьютерной техники во многом являлось следствием появления первых микропроцессоров. Если раньше все необходимые элементы CPU были расположены на различных электронных схемах, то в микропроцессорах они впервые были объединены на одном-единственном кристалле. В дальнейшем под термином «процессор» мы будем иметь в виду именно микропроцессоры, поскольку эти слова давно превратились в синонимы.

Микропроцессор i4004 - прадедушка сегодняшних CPU

Одним из первых микропроцессоров был четырехразрядный процессор фирмы Intel i4004. Он имел смехотворные по нынешним временам характеристики, но для своего времени – начала 1970-x гг., его появление представляло собой настоящий технологический прорыв. Как можно догадаться из его обозначения, он был четырехразрядным и имел тактовую частоту около 0,1 МГц. И именно его прямой потомок, процессор i8088, был выбран фирмой IBM в качестве «мозга» первого персонального компьютера фирмы IBM PC.

Процессор i8088 использовавшийся в первом персональном компьютере фирмы IBM

Шли годы, характеристики CPU становились все более серьезными и внушительными, и, как следствие, становились все более солидными характеристики персональных компьютеров. Значительной вехой в развитии микропроцессоров стал i80386. Это был первый полностью 32-разрядный CPU, который мог адресовать к 4 ГБ оперативной памяти, в то время как большинство его предшественников могло работать максимум с 640 КБ ОЗУ. Подобная разрядность микропроцессоров настольных компьютеров продержалась довольно долго, почти два десятилетия. В середине 80-х объем ОЗУ в 4 ГБ казался фантастически огромным, но сейчас его можно считать небольшим для серьезного компьютера.

i80386 - первый полностью 32-разрядный CPU

Следующий микропроцессор компании Intel, 486DX, замечателен тем, что в нем впервые появился внутренний кэш – внутренняя оперативная память микропроцессора. Кроме того, в нем было применено много других усовершенствований, которые во многом определили дальнейшую эволюцию микропроцессоров. То же самое можно сказать и про следующий процессор компании Intel, Pentium.

Intel 486DX - первый процессор с внутренним кэшем

Процессор компании Intel - Pentium

Вместе с CPU Pentium 4 в ряду технологий, использующихся в микропроцессорах, появилась . А процессоры Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel открыли современную эпоху эволюции CPU, эпоху процессоров, имеющих несколько ядер. Сейчас на рынке представлено много CPU от различных производителей, но главными производителями до сих пор остаются две компании – Intel и AMD, причем на долю первой приходится более 80% рынка.

CPU Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel

Устройство CPU

Любой CPU имеет вычислительное ядро (иногда их бывает несколько), а также кэш, то есть собственную оперативную память. Кэш обычно имеет два уровня – первый и второй (внутренний и внешний). Внутренний имеет меньший объем, но обладает большим быстродействием по сравнению с внешним. Емкость кэша второго уровня современных CPU составляет несколько мегабайт – больше, чем оперативная память первых персональных компьютеров!

В ядре CPU находится несколько функциональных блоков – блок управления, блок выборки инструкций, блок вычислений с плавающей точкой, блок целочисленных вычислений, и.т.д. Также в ядре располагаются главные регистры processor-а, в которых находятся обрабатываемые в определенный момент данные. В классической схеме микропроцессора архитектуры х86 этих регистров всего 16.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили две основные разновидности процессоров – CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). В CISC-процессорах мало внутренних регистров, но они поддерживают большой набор команд. В RISC-процессорах регистров много, зато набор команд ограничен. Традиционно микропроцессоры для персональных компьютеров архитектуры Intel х86 принадлежали к классу CISC-процессоров, однако в настоящее время большинство микропроцессоров представляют собой гибрид этих двух архитектур.

Если рассмотреть CPU на аппаратном уровне, то он является, по сути, огромной микросхемой, расположенной на цельном кристалле кремния, в которой содержатся миллионы, а то и миллиарды транзисторов. Чем меньше размеры транзисторов, тем больше их содержится на единицу площади CPU, и тем больше его вычислительная мощность. Кроме того, от размеров транзисторов зависит энерговыделение и энергопотребление процессора - чем меньше их размер, тем эти характеристики процессора меньше. Этот фактор немаловажен, так как CPU является наиболее энергоемким устройством современного ПК. Поэтому проблема уменьшения нагрева процессора входит в число самых важных, стоящих перед разработчиками ПК и самих процессоров.

Отдельно стоит сказать о корпусе, в котором находится CPU. Обычно материалом корпуса процессора служит керамика или пластик. Первоначально процессоры намертво впаивались в системную плату, сейчас же большинство вставляются в специальные гнезда – сокеты. Такой подход заметно упростил модернизацию системы пользователем – достаточно вставить в разъем другой CPU, поддерживаемый данной системной платой, и вы получите более мощный компьютер.

Сокет современного процессора

С другими устройствами процессор связан при помощи специальных каналов связи ­(шин) – шины памяти, шины данных и шины адреса. Разрядность последней очень важна, поскольку от этого параметра зависит объем доступной CPU, а значит, и программам, оперативной памяти.

Принцип работы

Для обработки данных управляющее устройство CPU получает из оперативной памяти или кэша процессора сами данные, а также команды, которые описывают процесс обработки данных. Данные помещаются во внутренние регистры микропроцессора, и над ними производятся операции при помощи арифметико-логического устройства в соответствии с поступившими командами.

Принцип работы процессора

Работу CPU синхронизируют так называемые тактовые сигналы. Наверняка каждому пользователю известно понятие тактовой частоты, которая отражает количество тактов работы процессора за секунду. Это значение во многом определят характеристики процессора. Тем не менее, производительность компьютера далеко не всегда пропорциональна его тактовой частоте. И дело тут не только в наличии у современных CPU нескольких ядер, а и в том, что разные процессоры имеют разную архитектуру и, как следствие, могут выполнять разное количество операций за секунду. Современные CPU могут выполнять несколько операций за один такт, тогда как у первых микропроцессоров на одну операцию, наоборот, могло уходить несколько тактов.

CPU архитектуры х86 исторически поддерживают следующие режимы работы процессора:

1. Реальный
2. Защищенный
3. Виртуальный
4. Режим супервизора

Реальный режим работы был единственным режимом, в котором работали все CPU до i80386. В этом режиме processor мог адресовать лишь 640 КБ ОЗУ. В результате появления защищенного режима процессор получил возможность работать с большими объемами оперативной памяти. Также существует разновидность защищенного режима – виртуальный режим, предназначенный для совместимости со старыми программами, написанными для процессоров 8086.

Режимы работы процессора также включают режим супервизора, который используется при работе в современных операционных системах. В этом режиме программный код имеет неограниченный доступ ко всем системным ресурсам.

Заключение

В этой статье вы в общих чертах познакомились с назначением центрального CPU, его историей, устройством, узнали про режимы работы процессора и ознакомились с принципами его функционирования. Central Processing Unit – это самое сложное и наиболее важное устройство компьютера. Можно смело утверждать, что развитие компьютерной техники во многом взаимосвязано с прогрессом в развитии CPU. От мощности микропроцессора и его особенностей его работы зависит производительность всего компьютера, а также возможности его отдельных компонентов.

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Чарльз Бэббидж

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор - это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение - арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент - арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением - устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S - выходом, C - переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации - регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр - минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set - Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) - это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической - SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической - конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды - это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические : сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические : И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные : move , input , outptut , load и store .
• Команды перехода : goto , if ... goto , call и return .
• Команда останова : halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота - количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц - миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000> . Первые 4 бита - код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A - поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 (0010) в регистр B .
3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Шина

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Кэш

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.