ПРИМЕЧАНИЯ. Фактически, все арифметические действия ALU основаны только на двух вещах: сложении и смещении. Однако чем больше базовых функций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.
Что такое процессор и как он устроен
Центральный процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU) — это сложная микросхема, которая является ключевой частью всех компьютеров. Это устройство, которое обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и управляет остальными частями компьютера.
В течение многих лет основными производителями процессоров были американские компании Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Конечно, есть и другие производители, но они не дотягивают до уровня заявленных лидеров.
Intel и AMD постоянно борются за лидерство в создании все более эффективных и доступных процессоров, вкладывая огромные средства и усилия для роста. Их конкуренция является важным фактором, способствующим быстрому развитию отрасли.
Внешне центральные процессоры заслуживают внимания. Это небольшая прямоугольная печатная плата с множеством контактов на одной стороне и плоской металлической коробкой на другой. Однако эта коробка содержит сложный микростор из миллионов транзисторов.
Как изготавливают процессоры. Что такое техпроцесс.
Основным материалом для производства процессоров чаще всего является песок, а точнее кремний, который составляет около 30% земной коры. Очищенный кремний сначала используется для получения больших цилиндрических монокристаллов, которые затем разрезаются на блины толщиной около 1 мм.
Полупроводниковые структуры будущих процессоров создаются в этих блинах с помощью фотолитографического процесса.
Фотолитография напоминает процесс печати на пленке, который не был полностью забыт. В этом процессе свет проходит через негативную поверхность фотобумаги, и на ней появляется изображение.
Вышеупомянутый кремниевый «блин» — это тип фотобумаги в процессорном производстве. Ионы бора, ускоренные с большой скоростью и высокой скоростью, действуют как свет. Они проходят через специальный «трафарет», высокоточную систему линз и зеркал и встраиваются в кремний, создавая крошечную структуру, состоящую из нескольких транзисторов.
С помощью современных технологий можно создавать транзисторы размером 5-6 нанометров (толщина человеческого волоса составляет около 50 000 нм). Со временем процессы обработки совершенствуются. Прогнозируется, что размеры транзисторов уменьшатся по меньшей мере до 3 нм.
Чем тоньше технологический процесс, тем больше транзисторов можно разместить в процессоре, что делает его более эффективным.
Созданные таким образом полупроводниковые структуры разрезаются «блинным» кварцем и помещаются на печатные платы. На задней стороне этого чипа находятся контакты, обеспечивающие подключение к материнской плате. Кристалл защищен от повреждений металлической крышкой сверху (см. изображение выше).
Понятие архитектуры, ядра, ревизии процессора
Процессоры претерпели сложные изменения и продолжают развиваться. Производители совершенствуют внутреннюю структуру, а также процесс производства. Каждое новое поколение процессоров отличается от предыдущего по структуре, количеству и характеристикам составляющих его элементов.
Процессоры, использующие одни и те же основные структурные принципы, называются процессорами архитектуры, эти принципы называются процессорами архитектуры (микробуквенный материал).
Основные характеристики процессора
— Количество вычислительных ядер.
Многоядерный процессор — это процессор, содержащий два или более вычислительных ядер на одном процессорном чипе или в одном корпусе. Все современные процессоры являются многоядерными.
Многоядерная технология уже давно используется как способ повышения производительности процессоров. Для «домашних» компьютеров и рабочих станций предлагаются 64-ядерные процессоры (Ryzen Threadripper). Для серверов на рынке существует 128 предложений по ядрам.
Производительность вычислительных ядер различных архитектур варьируется в широких пределах. Однако при сравнении процессоров одной архитектуры, чем их больше (ядер), тем производительнее процессор.
-Количество нитей.
Чем больше нитей, тем лучше. Количество потоков не всегда соответствует количеству ядер процессора. Например, благодаря гиперпоточности (в случае Intel) и одновременной многопоточности (в случае AMD), четырехъядерный процессор может работать с восемью потоками, что во многом лучше, чем у шестиядерного конкурента.
-Размер кэша 2 и 3 уровня.
Кэш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется как изолятор для временного хранения информации, подлежащей обработке в определенное время. Более подробную информацию смотрите здесь. Чем больше укрытие, тем лучше.
Не все современные процессоры имеют кэш-память третьего уровня, но это не критично. На самом деле, многие бенчмарки показывают, что производительность процессоров Intel Core2Quadro, выпущенных между 2007 и 2011 годами, без кэша третьего уровня все еще адекватна. На самом деле, кэши второго уровня очень большие.
-Частота процессора.
Здесь все просто. Чем выше частота процессора, тем выше производительность. Однако это справедливо, если речь идет о процессорах одной архитектуры. Этот индикатор показывает количество операций (ударов), выполняемых процессором в единицу времени. Однако процессоры с более совершенными архитектурами обрабатывают больше информации за один тактовый цикл. В результате новые низкочастотные процессоры могут быть значительно быстрее старых высокочастотных процессоров.
Концепция технологии процесса была рассмотрена в предыдущем разделе данной статьи. Чем тоньше используемый технологический процесс, тем больше транзисторов может содержать процессор, что приводит к снижению энергопотребления и тепловыделения. Другая важная характеристика процессора, TDP, сильно зависит от технологии процессорного процесса.
Thermal Design Point — это число, которое указывает на энергопотребление процессора и количество тепла, выделяемого процессором во время работы. Единицей измерения является ватт. TDP зависит от многих факторов, включая количество ядер, производственный процесс и частоту процессора.
Помимо прочих преимуществ, «холодные» процессоры (TDP менее 100 Вт) подходят для «разгона», когда пользователь изменяет определенные системные настройки для увеличения частоты процессора. Разгон может увеличить производительность процессора без дополнительных вложений (в некоторых случаях на 20-25%), но это отдельный вопрос.
В то же время, проблему высокого TDP всегда можно решить, приобретя эффективную систему охлаждения (см. последний абзац этой статьи).
-Наличие и производительность видеоядра.
В дополнение к вычислительному ядру процессоры часто содержат графическое ядро. Эти процессоры не только решают основные задачи, но и могут играть роль видеокарты. Некоторых из них достаточно для того, чтобы играть в компьютерные игры, не говоря уже о фильмах, обработке текстов и других задачах.
Что такое сокет
Важным фактором при выборе процессора является тип приема, для которого он предназначен.
Слот (гнездо процессора) — это гнездо или гнезда на материнской плате, в которые устанавливается процессор. Каждый процессор может быть установлен только на материнскую плату с правильным слотом, правильным размером, количеством хостов и конструкцией.
Новые приемы разрабатываются производителем процессоров, когда старый сокет уже не совместим с новым продуктом. Слоты LGA775 (Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon 3000 series, Core 2 Quad) долгое время использовались для процессоров Intel. Были представлены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (I7, I5, I3) и другие. Процессоры AMD также менялись на протяжении десятилетий — AM2, AM2+, AM3, AM4 и т.д. Компьютеры на базе более ранних сокетов уже редкость, поэтому нет причин ссылаться на более ранние сокеты.
Важно Если вы планируете модернизировать старый компьютер, купив более мощный процессор, убедитесь, что приемник совместим со старой материнской платой. В противном случае вам обязательно потребуется его заменить. Однако даже если прием подходит для процессора, нет никакой гарантии, что материнская плата будет работать. Логика («чипсет») системы родительской карты также важна. Необходимо убедиться, что процессор поддерживается этой архитектурой. Узнайте больше о слотах для процессоров и совместимых чипсетах материнских плат.
Центральный процессор — это небольшой чип внутри компьютера или телефона, который выполняет все вычислительные задачи. Мы уже писали о компьютерных базах — это транзисторы, собранные с напругами и другими операционными блоками.
Как устроен процессор компьютера
Процессоры состоят из небольшого количества различных элементов. Каждый из них выполняет свои действия, осуществляется передача данных и управление. Простые пользователи отличают процессор от тактовой частоты, количества скрытой памяти и ядра. Однако это не единственное, что делает их очень надежными и быстрыми. Каждый предмет заслуживает индивидуального внимания.
Архитектура
Дизайн интерьера процессора часто отличается друг от друга, и каждая семья имеет свои уникальные особенности и функции — это известно как архитектура. Примеры дизайна процессоров можно увидеть на изображениях ниже.
Однако многие люди привыкли думать об архитектуре процессоров несколько иначе. С точки зрения программирования, он определяется способностью выполнять определенный набор кода. Если вы покупаете современный процессор, он, скорее всего, будет архитектуры X86.
Ядра процессора называются ядрами и содержат все необходимые блоки, которые также выполняют логические и числовые задачи. На схеме ниже показано, как расположен каждый основной операционный блок.
- Модуль выборки инструкций. Здесь осуществляется распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Число одновременного считывания команд напрямую зависит от количества установленных блоков расшифровки, что помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
- Предсказатель переходов отвечает за оптимальную работу блока выборки инструкций. Он определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра.
- Модуль декодирования. Данная часть ядра отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач. Сама задача декодирования очень сложная из-за непостоянного размера инструкции. В самых новых процессорах таких блоков встречается несколько в одном ядре.
- Модули выборки данных. Они берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Осуществляют они именно выборку данных, которая необходима на этот момент для исполнения инструкции.
- Управляющий блок. Само название говорит уже о важности данного компонента. В ядре он является главнейшим элементом, поскольку производит распределение энергии между всеми блоками, помогая выполнять каждое действие вовремя.
- Модуль сохранения результатов. Предназначен для записи после окончания обработки инструкции в RAM. Адрес сохранения указывается в исполняющейся задаче.
- Элемент работы с прерываниями. ЦП способен выполнять сразу несколько задач благодаря функции прерывания, это позволяет ему останавливать ход работы одной программы, переключаясь на другую инструкцию.
- Регистры. Здесь хранятся временные результаты инструкций, данный компонент можно назвать небольшой быстрой оперативной памятью. Часто ее объем не превышает несколько сотен байт.
- Счетчик команд. Он хранит в себе адрес команды, которая будет задействована на следующем такте процессора.
Системная шина
Системные каналы используются для подключения устройств на базе компьютера. Напрямую подключен только центральный процессор, остальные компоненты подключаются через различные ревизоры. Сам канал содержит ряд сигнальных линий, по которым передается информация. Каждая линия имеет свой собственный протокол для связи через аудитор с остальными подключенными ПК. Каналы имеют свою собственную частоту; чем выше частота, тем быстрее происходит обмен информацией между соединенными элементами системы.
Постоянные блоки памяти содержат определенные заранее определенные постоянные байты. Адресный канал запрашивает ПЗУ о передаче определенного байта в канал данных. Если канал чтения (RD) изменяет состояние, блок ПЗУ передает проблемный байт в канал данных. Это означает, что в этом случае можно считывать только данные.
Хранение информации — регистры и память
Как уже говорилось выше, процессор выполняет команды, которые поступают к нему. Команды почти всегда связаны с данными, которые являются промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с командами хранятся в регистраторе и памяти.
Регистры
Регистратор — это самая маленькая ячейка памяти. Регистратор состоит из исполнительных механизмов (мандалоты/отчеты). Труба состоит из рациональных элементов и может хранить один бит информации.
Фишка флопа. Трубы могут быть современными или асинхронными. Асинхронные приводы могут менять состояние в любое время, тогда как современные приводы могут менять состояние только при положительном/отрицательном изменении синхронизации.
Трубы делятся на различные группы в зависимости от их функции.
- 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.
Оперативная память не подходит для хранения промежуточных данных, так как замедляет работу процессора. Промежуточные данные отправляются регистратору по каналу. Это позволяет сохранять команды, прерывать данные и даже сохранять позиции в памяти.
Как работают приводы RS?
Память (ОЗУ)
RAM — это большая группа таких же регистраторов, связанных между собой. Память в этом хранилище не является постоянной, и данные из нее исчезают при прерывании электропитания. ОЗУ принимает данные, адрес ячейки памяти для хранения самих данных и флаг записи/чтения для активации триггера.
ПРИМЕЧАНИЯ. Оперативная память может быть статической или динамической памятью, SRAM или DRAM соответственно. В статической памяти ячейки являются активаторами, в динамической памяти ячейки являются конденсаторами. SRAM быстрее, а барабаны дешевле.
Команды (инструкции)
Команды — это фактические действия, которые должен выполнить компьютер. Существует несколько 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 .
ПРИМЕЧАНИЯ. Фактически, все арифметические действия ALU основаны только на двух вещах: сложении и смещении. Однако чем больше базовых функций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.
Команды либо предоставляются компьютеру на языке ассемблера, либо создаются компилятором языка высокого уровня.
В процессорах команды выполняются на уровне материала. Одноядерный процессор может выполнять элементарные (базовые) команды за тактовый цикл.
Группу команд часто называют набором команд.
Тактирование процессора
Производительность компьютера определяется тактовой частотой процессора. Тактовая частота — это количество тактовых кругов в секунду (соответствующих выполняемым командам).
Современные процессоры измеряются в ГГц (гигагерцах). 1 ГГц = 10~Гц — действия на миллиард секунд.
Для сокращения времени выполнения программы необходимо оптимизировать (уменьшить) или увеличить тактовую частоту. На некоторых процессорах можно увеличить тактовую частоту, но это, естественно, влияет на процессор и может привести к перегреву и нарушению работы.
