Cos'è un processore, un'unità di elaborazione centrale, una CPU? Processore e suoi componenti.

Probabilmente, scegliendo un computer e studiandone le caratteristiche, hai notato che a un elemento come il processore viene data grande importanza. Perché lui e non il modello, l'alimentatore o? Sì, anche questi sono componenti importanti del sistema e molto dipende anche dalla loro corretta selezione, ma le caratteristiche della CPU influiscono direttamente e in misura maggiore sulla velocità e sulle prestazioni del PC. Diamo un'occhiata al significato di questo dispositivo in un computer.

Iniziamo rimuovendo il processore dall'unità di sistema. Di conseguenza, il computer non funzionerà. Adesso capisci che ruolo gioca? Ma studiamo la questione più in dettaglio e scopriamo cos'è un processore per computer.

Cos'è un processore per computer

Il punto è che l'unità di elaborazione centrale (il suo nome completo) è, come si suol dire, il vero cuore e allo stesso tempo il cervello del computer. Mentre funziona, funzionano anche tutti gli altri componenti dell'unità di sistema e le periferiche ad essa collegate. È responsabile dell'elaborazione di vari flussi di dati e regola anche il funzionamento di parti del sistema.

Una definizione più tecnica può essere trovata su Wikipedia:

processore - un'unità elettronica o un circuito integrato (microprocessore) che esegue istruzioni macchina (codice di programma), la parte principale dell'hardware di un computer o di un controllore logico programmabile.

Nella vita, la CPU si presenta come una piccola tavola quadrata delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, spessa diversi millimetri, la cui parte superiore è solitamente ricoperta da una copertura metallica (nelle versioni desktop) e la parte inferiore contiene molti contatti. In realtà, per non sbraitare, guardate le seguenti foto:

Senza un comando emesso dal processore, non è possibile eseguire nemmeno un'operazione semplice come l'aggiunta di due numeri o la registrazione di un megabyte di informazioni. Tutto ciò richiede l'accesso immediato alla CPU. Per quanto riguarda attività più complesse, come l'avvio di un gioco o l'elaborazione di video.

Vale la pena aggiungere alle parole di cui sopra che i processori possono anche svolgere le funzioni di una scheda video. Il fatto è che nei chip moderni c'è posto per un controller video, che esegue tutte le funzioni necessarie e utilizza la memoria video. Non dovresti pensare che i core grafici integrati siano in grado di competere almeno con le schede video della classe media; questa è più un'opzione per le macchine da ufficio dove non è necessaria una grafica potente, ma possono comunque gestire qualcosa di debole. Il vantaggio principale della grafica integrata è il prezzo: non è necessario acquistare una scheda video separata e questo rappresenta un risparmio significativo.

Come funziona il processore

Nel paragrafo precedente è stato spiegato cos'è un processore e a cosa serve. È tempo di vedere come funziona.

L'attività della CPU può essere rappresentata dalla sequenza dei seguenti eventi:

• Dalla RAM, dove è stato caricato un determinato programma (ad esempio un editor di testo), l'unità di controllo del processore estrae le informazioni necessarie, nonché una serie di comandi che devono essere eseguiti. Tutto questo viene inviato a memoria tampone (cache) CPU;
• Le informazioni che escono dalla memoria cache sono divise in due tipologie: istruzioni e significati , che vengono inviati ai registri (queste sono celle di memoria nel processore). I primi vanno ai registri di comando e il secondo ai registri di dati;
• Elabora le informazioni dai registri Unità logica aritmetica (la parte della CPU che esegue trasformazioni aritmetiche e logiche dei dati in arrivo), che legge le informazioni da essi e quindi esegue i comandi necessari sui numeri risultanti;
• I risultati risultanti sono suddivisi in finito E incompiuto , vai ai registri, da dove il primo gruppo viene inviato alla cache della CPU;
• Iniziamo questo punto con il fatto che esistono due livelli principali di cache: superiore E inferiore . Gli ultimi comandi ricevuti e i dati necessari per eseguire i calcoli vanno alla cache di livello superiore e quelli non utilizzati vengono inviati alla cache di livello inferiore. Questo processo avviene come segue: tutte le informazioni vanno dal terzo livello di cache al secondo, quindi arrivano al primo, con i dati che non sono attualmente necessari e inviati al livello inferiore, tutto è il contrario;
• Al termine del ciclo computazionale, il risultato finale verrà scritto nella RAM del sistema per liberare spazio nella cache della CPU per nuove operazioni. Ma può succedere che la memoria buffer sia piena, quindi i dati non utilizzati andranno nella RAM o al livello inferiore della cache.

I passaggi passo passo delle azioni di cui sopra rappresentano il flusso operativo del processore e la risposta alla domanda: come funziona il processore.

Tipi di processori e loro principali produttori

Esistono molti tipi di processori, dal debole single-core al potente multi-core. Dal gaming al lavoro nella media sotto tutti gli aspetti. Ma ci sono due principali schieramenti di CPU: AMD e la famosa Intel. Si tratta di due aziende che producono i microprocessori più ricercati e apprezzati sul mercato. La differenza principale tra i prodotti AMD e Intel non è il numero di core, ma l'architettura, ovvero la struttura interna. Ciascuno dei concorrenti offre la propria struttura interna, il proprio tipo di processore, radicalmente diverso dal concorrente.

I prodotti di ciascuna parte hanno i loro pro e contro, quindi ti suggerisco di dare loro un'occhiata più da vicino.

Pro dei processori Intel:

• Ha un consumo energetico inferiore;
• Gli sviluppatori sono più concentrati su Intel che su AMD;
• Migliori prestazioni di gioco;
• La connessione tra processori Intel e RAM è implementata meglio di quella AMD;
• Le operazioni eseguite nell'ambito di un solo programma (ad esempio la decompressione) vanno meglio, AMD sta giocando a questo proposito.

Contro dei processori Intel:

• Il più grande svantaggio è il prezzo. La CPU di un determinato produttore è spesso un ordine di grandezza superiore a quella del suo principale concorrente;
• Le prestazioni diminuiscono quando si utilizzano due o più programmi “pesanti”;
• I core grafici integrati sono inferiori a AMD;

Pro dei processori AMD:

• Il più grande vantaggio di Intel è il più grande svantaggio: il prezzo. Puoi acquistare un buon processore di fascia media da AMD, che gestirà i giochi moderni a un solido 4, e forse anche 5, mentre costerà molto meno di un processore con prestazioni simili di un concorrente;
• Rapporto adeguato tra qualità e prezzo;
• Garantire un funzionamento di alta qualità del sistema;
• La possibilità di overcloccare il processore, aumentandone così la potenza del 10-20%;
• I core grafici integrati sono superiori a Intel.

Contro dei processori AMD:

• I processori AMD interagiscono peggio con la RAM;
• Il consumo energetico è superiore a quello di Intel;
• La memoria buffer al secondo e terzo livello funziona a una frequenza inferiore;
• Le prestazioni di gioco sono in ritardo rispetto alla concorrenza;

Ma, nonostante i vantaggi e gli svantaggi di cui sopra, ciascuna azienda continua a svilupparsi, i suoi processori diventano più potenti con ogni generazione e gli errori della linea precedente vengono presi in considerazione e corretti.

Principali caratteristiche dei processori

Abbiamo esaminato cos'è un processore per computer e come funziona. Dopo aver acquisito familiarità con quali sono le loro due tipologie principali, è tempo di prestare attenzione alle loro caratteristiche.

Quindi, per prima cosa, elenchiamoli: marca, serie, architettura, supporto per un socket specifico, velocità di clock del processore, cache, numero di core, consumo energetico e dissipazione del calore, grafica integrata. Ora guardiamolo con le spiegazioni:

• Marchio – chi produce il processore: AMD o Intel. Questa scelta determina non solo il prezzo di acquisto e le prestazioni, come si potrebbe supporre dalla sezione precedente, ma anche la scelta degli altri componenti del PC, in particolare della scheda madre. Poiché i processori AMD e Intel hanno design e architetture diversi, non sarà possibile installarne un secondo in un socket (presa per l'installazione di un processore sulla scheda madre) progettato per un tipo di processore;
• Serie: entrambi i concorrenti dividono i loro prodotti in molti tipi e sottotipi. (AMD - Ryzen, FX, Intel-i5, i7);
• L'architettura del processore è in realtà gli organi interni della CPU; ogni tipo di processore ha un'architettura individuale. A sua volta, una specie può essere divisa in più sottospecie;
• Il supporto per un socket specifico è una caratteristica molto importante di un processore, poiché il socket stesso è una "presa" sulla scheda madre per il collegamento di un processore e ogni tipo di processore richiede un socket corrispondente. In realtà questo è stato menzionato sopra. O devi sapere esattamente quale socket si trova sulla tua scheda madre e selezionare un processore per esso, o viceversa (che è più corretto);
• La velocità dell'orologio è uno degli indicatori significativi delle prestazioni della CPU. Rispondiamo alla domanda: qual è la velocità di clock del processore. La risposta a questo termine formidabile sarà semplice: il volume delle operazioni eseguite per unità di tempo, misurato in megahertz (MHz);
• La cache è la memoria installata direttamente nel processore, chiamata anche memoria buffer, e ha due livelli: superiore e inferiore. Il primo riceve informazioni attive, il secondo riceve informazioni che al momento non vengono utilizzate. Il processo di ottenimento delle informazioni va dal terzo livello al secondo, e poi al primo; le informazioni non necessarie viaggiano nella direzione opposta;
• Numero di core: una CPU può averne da uno a più. A seconda del numero, il processore verrà chiamato dual-core, quad-core, ecc. Di conseguenza, la potenza dipenderà dal loro numero;
• Consumo energetico e dissipazione del calore. Qui tutto è semplice: più alto è il processore che "consuma" energia, maggiore sarà il calore che genererà, presta attenzione a questo punto per selezionare il dispositivo di raffreddamento e l'alimentatore appropriati.
• Grafica integrata: i primi sviluppi di questo tipo di AMD sono apparsi nel 2006, quelli di Intel dal 2010. I primi mostrano risultati migliori rispetto ai loro concorrenti. Tuttavia, nessuna di queste è ancora riuscita a raggiungere le schede video di punta.

conclusioni

Come già capisci, il processore centrale del computer svolge un ruolo vitale nel sistema. Nell'articolo di oggi abbiamo spiegato cos'è un processore per computer, qual è la frequenza del processore, cosa sono e a cosa servono. Quanto differiscono alcune CPU dalle altre, quali tipi di processori esistono. Abbiamo parlato dei pro e dei contro dei prodotti di due campagne concorrenti. Ma spetta a te decidere con quali caratteristiche verrà installato il processore nella tua unità di sistema.

Quasi tutti sanno che in un computer l'elemento principale tra tutti i componenti “hardware” è il processore centrale. Ma la cerchia di persone che capiscono come funziona un processore è molto limitata. La maggior parte degli utenti non ne ha idea. E anche quando il sistema inizia improvvisamente a rallentare, molti credono che sia il processore a non funzionare bene e non attribuiscono importanza ad altri fattori. Per comprendere appieno la situazione, diamo un'occhiata ad alcuni aspetti del funzionamento della CPU.

Cos'è un'unità di elaborazione centrale?

In cosa consiste il processore?

Se parliamo di come funziona un processore Intel o del suo concorrente AMD, dobbiamo guardare come sono progettati questi chip. Il primo microprocessore (a proposito, era di Intel, modello 4040) apparve nel 1971. Poteva eseguire solo le operazioni di addizione e sottrazione più semplici elaborando solo 4 bit di informazione, ovvero aveva un'architettura a 4 bit.

I processori moderni, come i primogeniti, sono basati su transistor e sono molto più veloci. Sono realizzati mediante fotolitografia da un certo numero di singoli wafer di silicio che compongono un unico cristallo nel quale sono impressi i transistor. Il circuito viene creato su uno speciale acceleratore utilizzando ioni di boro accelerati. Nella struttura interna dei processori, i componenti principali sono core, bus e particelle funzionali chiamate revisioni.

Caratteristiche principali

Come ogni altro dispositivo, il processore è caratterizzato da determinati parametri che non possono essere ignorati quando si risponde alla domanda su come funziona il processore. Innanzitutto questo:

• Numero di core;
• numero di thread;
• dimensione della cache (memoria interna);
• frequenza dell'orologio;
• velocità dei pneumatici.

Per ora concentriamoci sulla frequenza dell'orologio. Non per niente il processore è chiamato il cuore del computer. Come il cuore, funziona in modalità pulsazione con un certo numero di battiti al secondo. La frequenza dell'orologio è misurata in MHz o GHz. Più è alto, più operazioni può eseguire il dispositivo.

A quale frequenza opera il processore, puoi scoprirlo dalle sue caratteristiche dichiarate o guardare le informazioni in Ma durante l'elaborazione dei comandi, la frequenza può cambiare e durante l'overclocking (overlocking) può aumentare fino a limiti estremi. Pertanto, il valore dichiarato è solo un indicatore medio.

Il numero di core è un indicatore che determina il numero di centri di elaborazione del processore (da non confondere con i thread: il numero di core e thread potrebbe non essere lo stesso). Grazie a questa distribuzione, è possibile reindirizzare le operazioni su altri core, aumentando così le prestazioni complessive.

Come funziona un processore: elaborazione dei comandi

Ora qualcosa sulla struttura dei comandi eseguibili. Se guardi come funziona un processore, devi capire chiaramente che ogni comando ha due componenti: uno operativo e uno operando.

La parte operativa specifica cosa dovrebbe fare il sistema informatico in quel momento; l'operando specifica su cosa dovrebbe lavorare il processore. Inoltre, il core del processore può contenere due centri di calcolo (contenitori, thread), che dividono l'esecuzione di un comando in più fasi:

• produzione;
• decrittazione;
• esecuzione del comando;
• accedere alla memoria del processore stesso
• salvando il risultato.

Oggi, la memorizzazione nella cache separata viene utilizzata sotto forma di utilizzo di due livelli di memoria cache, che evita l'intercettazione da parte di due o più comandi di accesso a uno dei blocchi di memoria.

In base al tipo di elaborazione dei comandi, i processori si dividono in lineari (esecuzione di comandi nell'ordine in cui sono scritti), ciclici e ramificati (esecuzione di istruzioni dopo l'elaborazione delle condizioni di diramazione).

Operazioni eseguite

Tra le principali funzioni assegnate al processore, in termini di comandi o istruzioni eseguite, si distinguono tre compiti principali:

• operazioni matematiche basate su un dispositivo logico-aritmetico;
• spostare dati (informazioni) da un tipo di memoria a un altro;
• prendere una decisione sull'esecuzione di un comando e, sulla base di esso, scegliere di passare all'esecuzione di altri gruppi di comandi.

Interazione con la memoria (ROM e RAM)

I componenti da tenere in considerazione in questo caso sono il bus e il canale di lettura e scrittura, che sono collegati ai dispositivi di memorizzazione. La ROM contiene un insieme costante di byte. Innanzitutto, il bus indirizzi richiede un byte specifico dalla ROM, quindi lo trasferisce al bus dati, dopodiché il canale di lettura cambia stato e la ROM fornisce il byte richiesto.

Ma i processori non solo possono leggere i dati dalla RAM, ma anche scriverli. In questo caso viene utilizzato il canale di registrazione. Ma, se lo guardi, in generale, i computer moderni, puramente teoricamente, potrebbero fare a meno della RAM, poiché i moderni microcontrollori sono in grado di inserire i byte di dati necessari direttamente nella memoria del chip del processore stesso. Ma non c'è modo di fare a meno della ROM.

Tra le altre cose, il sistema si avvia dalla modalità di test dell'hardware (comandi del BIOS) e solo allora il controllo viene trasferito al sistema operativo di caricamento.

Come verificare se il processore funziona?

Ora diamo un'occhiata ad alcuni aspetti del controllo delle prestazioni del processore. Deve essere chiaro che se il processore non funzionasse, il computer non sarebbe in grado di avviare il caricamento.

Un'altra questione è quando è necessario guardare l'indicatore dell'utilizzo delle capacità del processore in un determinato momento. Questo può essere fatto dal "Task Manager" standard (di fronte a qualsiasi processo è indicato la percentuale del carico del processore che fornisce). Per determinare visivamente questo parametro, è possibile utilizzare la scheda Prestazioni, dove le modifiche vengono monitorate in tempo reale. I parametri avanzati possono essere visualizzati utilizzando programmi speciali, ad esempio CPU-Z.

Inoltre, puoi utilizzare più core del processore utilizzando (msconfig) e parametri di avvio aggiuntivi.

Possibili problemi

Infine, qualche parola sui problemi. Molti utenti spesso chiedono perché il processore funziona, ma il monitor non si accende? Questa situazione non ha nulla a che fare con il processore centrale. Il fatto è che quando accendi qualsiasi computer, viene prima testato l'adattatore grafico e solo successivamente tutto il resto. Forse il problema sta proprio nel processore del chip grafico (tutti i moderni acceleratori video hanno i propri processori grafici).

Ma usando l'esempio del funzionamento del corpo umano, è necessario capire che in caso di arresto cardiaco l'intero corpo muore. Lo stesso con i computer. Il processore non funziona: l'intero sistema informatico “muore”.

Al giorno d'oggi, i processori svolgono un ruolo speciale solo nella pubblicità, fanno del loro meglio per convincere che il processore di un computer è il componente decisivo, soprattutto di un produttore come Intel. La domanda sorge spontanea: cos'è un processore moderno e cos'è un processore in generale?

Per molto tempo, o più precisamente fino agli anni '90, è stato il processore a determinare le prestazioni di un computer. Il processore ha determinato tutto, ma oggi questo non è del tutto vero.

Non tutto è determinato dal processore centrale e i processori Intel non sono sempre preferibili a quelli AMD. Recentemente, il ruolo di altri componenti del computer è notevolmente aumentato e, a casa, i processori raramente diventano un collo di bottiglia, ma proprio come gli altri componenti del computer necessitano di ulteriore considerazione, perché senza di essi nessun computer può esistere. I processori stessi non sono più il dominio di diversi tipi di computer, poiché la varietà di computer è diventata maggiore.

Processore (unità centrale di elaborazione)è un chip molto complesso che elabora il codice macchina ed è responsabile dell'esecuzione di varie operazioni e del controllo delle periferiche del computer.

Per designare brevemente un processore centrale si adotta l'abbreviazione “CPU” e anche la comunissima CPU - Central Processing Unit, che si traduce come unità di elaborazione centrale.

Utilizzo di microprocessori

Un dispositivo come un processore è integrato in quasi tutte le apparecchiature elettroniche, per non parlare di dispositivi come TV e lettori video, anche nei giocattoli, e gli stessi smartphone sono già computer, sebbene differiscano nel design.

Diversi core della CPU possono eseguire compiti completamente diversi indipendentemente l'uno dall'altro. Se il computer esegue solo un'attività, la sua esecuzione viene accelerata a causa della parallelizzazione delle operazioni tipiche. La produttività può diventare piuttosto distinta.

Fattore moltiplicativo della frequenza interna

I segnali possono circolare ad alta frequenza all'interno del cristallo del processore, sebbene i processori non possano ancora gestire i componenti esterni del computer alla stessa frequenza. A questo proposito, la frequenza con cui funziona la scheda madre da sola e la frequenza del processore su un'altra è più alta.

La frequenza che il processore riceve dalla scheda madre può essere chiamata riferimento; esso, a sua volta, la moltiplica per un coefficiente interno, che si traduce in una frequenza interna, chiamata moltiplicatore interno.

Le capacità del coefficiente moltiplicatore di frequenza interno vengono spesso utilizzate dagli overlocker per liberare il potenziale di overclocking del processore.

Cache del processore

Il processore riceve i dati per il lavoro successivo dalla RAM, ma all'interno dei chip del processore i segnali vengono elaborati ad una frequenza molto elevata e le chiamate ai moduli RAM stessi avvengono a una frequenza molte volte inferiore.

Un elevato coefficiente del moltiplicatore di frequenza interno diventa più efficace quando tutte le informazioni si trovano al suo interno, rispetto, ad esempio, che nella RAM, cioè dall'esterno.

Il processore ha poche celle per l'elaborazione dei dati, chiamate registri, di solito non memorizza quasi nulla in esse e per accelerare il funzionamento sia del processore che del sistema informatico con esso, è stata integrata la tecnologia di caching.

Una cache può essere definita un piccolo insieme di celle di memoria, che a loro volta fungono da buffer. Quando si verifica una lettura dalla memoria condivisa, nella cache della CPU viene visualizzata una copia. Ciò è necessario affinché se hai bisogno degli stessi dati, l'accesso ad essi sia a portata di mano, cioè in un buffer, il che aumenta le prestazioni.

La memoria cache negli attuali processori ha una forma piramidale:

1. La memoria cache di livello 1 è la più piccola in volume, ma allo stesso tempo la più veloce in termini di velocità e fa parte del chip del processore. Prodotto utilizzando le stesse tecnologie dei registri del processore, è molto costoso, ma ne vale la pena in termini di velocità e affidabilità. Sebbene sia misurato in centinaia di kilobyte, che è molto piccolo, gioca un ruolo enorme nelle prestazioni.
2. La memoria cache di livello 2, proprio come la cache di livello 1, si trova sul chip del processore e funziona alla frequenza del suo core. Nei processori moderni, i dati vengono misurati da centinaia di kilobyte a diversi megabyte.
3. La memoria cache di livello 3 è più lenta rispetto ai livelli precedenti di questo tipo di memoria, ma è più veloce della RAM, il che è importante, e viene misurata in decine di megabyte.

Le dimensioni della cache di livello 1 e livello 2 influiscono sia sulle prestazioni che sul costo del processore. Il terzo livello di memoria cache è una sorta di bonus nel funzionamento del computer, ma nessuno dei produttori di microprocessori ha fretta di trascurarlo. La memoria cache di livello 4 esiste ed è utile solo nei sistemi multiprocessore, motivo per cui non può essere trovata su un normale computer.

Presa di installazione del processore (Socket)

Comprendendo che le moderne tecnologie non sono così avanzate da consentire al processore di ricevere informazioni a distanza, è necessario che sia sempre collegato, collegato alla scheda madre, installato al suo interno e interagito con essa. Questa posizione di montaggio è chiamata Socket ed è adatta solo per un determinato tipo o famiglia di processori, che sono anche diversi a seconda dei diversi produttori.

Cos'è un processore: architettura e processo tecnologico

L'architettura del processore è la sua struttura interna; anche la diversa disposizione degli elementi ne determina le caratteristiche. L'architettura stessa è inerente a un'intera famiglia di processori e le modifiche apportate mirate a miglioramenti o correzioni di bug sono chiamate stepping.

Il processo tecnologico determina la dimensione dei componenti del processore stesso e viene misurata in nanometri (nm), e le dimensioni più piccole dei transistor determinano le dimensioni più piccole del processore stesso, a cui mira lo sviluppo delle future CPU.

Consumo energetico e dissipazione del calore

Il consumo energetico stesso dipende direttamente dalla tecnologia utilizzata per produrre i processori. Dimensioni più piccole e frequenze più alte sono direttamente proporzionali al consumo energetico e alla dissipazione del calore.

Per ridurre il consumo energetico e la dissipazione del calore, viene utilizzato rispettivamente un sistema automatico di risparmio energetico per la regolazione del carico sul processore in assenza di qualsiasi necessità di prestazioni. I computer ad alte prestazioni devono disporre di un buon sistema di raffreddamento del processore.

Per riassumere il materiale nell'articolo: la risposta alla domanda su cosa sia un processore:

I processori di oggi hanno la capacità di lavorare multicanale con la RAM; compaiono nuove istruzioni che, a loro volta, grazie alle quali aumenta il suo livello funzionale. La capacità di elaborare la grafica con il processore stesso riduce il costo sia dei processori stessi che, grazie ad essi, dei gruppi di computer da ufficio e da casa. Per una distribuzione più pratica delle prestazioni compaiono i nuclei virtuali, si sviluppano le tecnologie e con esse il computer e i suoi componenti come il processore centrale.

processore

Intel 80486DX2 in pacchetto PGA ceramico.

Intel Celeron 400 socket 370 in un case in plastica PPGA, vista dal basso.

Intel Celeron 400 socket 370 in un case in plastica PPGA, vista dall'alto.

Intel Celeron 1100 socket 370 nel case FC-PGA2, vista dal basso.

Intel Celeron 1100 socket 370 nel case FC-PGA2, vista dall'alto.

processore (processore; processore- Inglese Unità centrale di elaborazione, letteralmente - dispositivo informatico centrale) - esecutore di istruzioni macchina, parte dell'hardware del computer o del controllore logico programmabile, responsabile dell'esecuzione delle operazioni specificate dai programmi.

Le moderne CPU, implementate sotto forma di microcircuiti separati (chip) che implementano tutte le funzionalità inerenti a questo tipo di dispositivi, sono chiamate microprocessori. Dalla metà degli anni '80, questi ultimi hanno praticamente sostituito altri tipi di CPU, per cui il termine è stato sempre più spesso percepito come un sinonimo ordinario della parola “microprocessore”. Tuttavia, questo non è vero: le unità di elaborazione centrale di alcuni supercomputer anche oggi sono complessi array di circuiti integrati su larga scala (LSI) e circuiti integrati su larga scala (VLSI).

Originariamente il termine Unità centrale di elaborazione descrisse una classe specializzata di macchine logiche progettate per eseguire programmi informatici complessi. A causa della corrispondenza abbastanza stretta di questo scopo con le funzioni dei processori dei computer allora esistenti, è stato naturalmente trasferito ai computer stessi. L'uso del termine e della sua abbreviazione in relazione ai sistemi informatici è iniziato negli anni '60. Da allora, il design, l'architettura e l'implementazione dei processori sono cambiati più volte, ma le loro principali funzioni eseguibili rimangono le stesse di prima.

Le prime CPU furono create come componenti unici per sistemi informatici unici, addirittura unici nel loro genere. Successivamente, i produttori di computer passarono dal metodo costoso di sviluppare processori progettati per eseguire uno o pochi programmi altamente specializzati alla produzione di massa di classi tipiche di dispositivi processore multiuso. La tendenza alla standardizzazione dei componenti dei computer è nata durante l'era del rapido sviluppo di elementi semiconduttori, mainframe e minicomputer, e con l'avvento dei circuiti integrati è diventata ancora più popolare. La creazione di microcircuiti ha permesso di aumentare ulteriormente la complessità delle CPU riducendone contemporaneamente le dimensioni fisiche. La standardizzazione e la miniaturizzazione dei processori ha portato alla profonda penetrazione dei dispositivi digitali basati su di essi nella vita umana quotidiana. I processori moderni si trovano non solo nei dispositivi high-tech come i computer, ma anche nelle automobili, nelle calcolatrici, nei telefoni cellulari e persino nei giocattoli per bambini. Molto spesso sono rappresentati da microcontrollori, sul cui chip si trovano, oltre al dispositivo informatico, componenti aggiuntivi (interfacce, porte di ingresso/uscita, timer, ecc.). Le moderne capacità di calcolo di un microcontrollore sono paragonabili ai processori dei personal computer di dieci anni fa e nella maggior parte dei casi addirittura superano significativamente le loro prestazioni.

Architettura di Von Neumann

La maggior parte dei moderni processori per personal computer sono generalmente basati su qualche versione del processo di elaborazione sequenziale ciclica inventato da John von Neumann.

D. von Neumann elaborò un progetto per costruire un computer nel 1946.

I passaggi più importanti di questo processo sono descritti di seguito. Architetture diverse e team diversi potrebbero richiedere passaggi aggiuntivi. Ad esempio, le istruzioni aritmetiche potrebbero richiedere ulteriori accessi alla memoria per leggere gli operandi e scrivere i risultati. Una caratteristica distintiva dell'architettura von Neumann è che istruzioni e dati sono archiviati nella stessa memoria.

Fasi del ciclo di esecuzione:

1. Il processore inserisce il numero memorizzato nel registro del contatore del programma sul bus degli indirizzi e invia un comando di lettura alla memoria;
2. Il numero impostato è un indirizzo di memoria; la memoria, ricevuto l'indirizzo ed il comando di lettura, mette sul bus dati il ​​contenuto memorizzato a questo indirizzo e segnala di essere pronto;
3. Il processore riceve un numero dal bus dati, lo interpreta come un comando (istruzione macchina) dal suo sistema di istruzioni e lo esegue;
4. Se l'ultima istruzione non è un'istruzione di salto, il processore incrementa di uno (assumendo che la lunghezza di ciascuna istruzione sia uno) il numero memorizzato nel contatore del programma; di conseguenza, lì viene formato l'indirizzo del comando successivo;
5. Il passaggio 1 viene eseguito nuovamente.

Questo ciclo viene eseguito invariabilmente e viene chiamato processi(da cui il nome del dispositivo).

Durante il processo, il processore legge una sequenza di istruzioni contenute nella memoria e le esegue. Questa sequenza di comandi viene chiamata programma e rappresenta l'algoritmo per il funzionamento utile del processore. L'ordine di lettura dei comandi cambia se il processore legge un comando di salto, quindi l'indirizzo del comando successivo potrebbe essere diverso. Un altro esempio di modifica del processo potrebbe verificarsi quando viene ricevuto un comando di arresto o si passa alla modalità di interruzione hardware.

I comandi della CPU rappresentano il livello più basso di controllo del computer, quindi l'esecuzione di ciascun comando è inevitabile e incondizionata. Non viene effettuato alcun controllo per garantire che le azioni eseguite siano accettabili; in particolare, non viene verificata l'eventuale perdita di dati preziosi. Affinché il computer possa eseguire solo azioni valide, i comandi devono essere adeguatamente organizzati nel programma richiesto.

La velocità di transizione da una fase del ciclo all'altra è determinata dal generatore di clock. Il generatore di clock produce impulsi che servono da ritmo per il processore centrale. La frequenza degli impulsi di clock è chiamata frequenza di clock.

Architettura della pipeline

Architettura della pipeline ( conduttura) è stato introdotto nel processore centrale per migliorare le prestazioni. Tipicamente, per eseguire ciascun comando è necessario effettuare un certo numero di operazioni simili, ad esempio: prelievo di un comando dalla RAM, decodifica del comando, indirizzamento dell'operando in RAM, prelievo dell'operando dalla RAM, esecuzione del comando, scrittura il risultato nella RAM. Ognuna di queste operazioni è associata ad una fase del trasportatore. Ad esempio, una pipeline del microprocessore MIPS-I contiene quattro fasi:

• ricevere e decodificare istruzioni (Fetch)
• indirizzamento e recupero di un operando dalla RAM (accesso alla memoria)
• eseguire operazioni aritmetiche
• salvataggio del risultato dell'operazione (Store)

Dopo il rilascio K fase del trasportatore, inizia immediatamente a lavorare al comando successivo. Se assumiamo che ogni fase del trasportatore impieghi un'unità di tempo nel suo lavoro, allora eseguendo un comando su un trasportatore di lunghezza N prenderà provvedimenti N unità di tempo, tuttavia, nel caso più ottimistico, il risultato dell'esecuzione di ogni comando successivo verrà ottenuto dopo ogni unità di tempo.

Infatti, in assenza di una pipeline, l'esecuzione del comando richiederà N unità di tempo (poiché il comando deve ancora essere recuperato, decrittografato, ecc. per essere eseguito) e da eseguire M i comandi avranno bisogno di unità di tempo; quando si utilizza una pipeline (nel caso più ottimistico) per l'esecuzione M tutto ciò di cui hai bisogno sono i comandi N + M unità di tempo.

Fattori che riducono l'efficienza del trasportatore:

1. tempi di inattività della pipeline quando alcune fasi non vengono utilizzate (ad esempio, non è necessario indirizzare e recuperare un operando dalla RAM se l'istruzione opera sui registri);
2. wait: se il comando successivo utilizza il risultato del precedente, allora quest'ultimo non può iniziare l'esecuzione prima dell'esecuzione del primo (questo viene superato utilizzando l'esecuzione fuori ordine);
3. cancellare la pipeline quando viene raggiunta da un comando di ramo (questo problema può essere risolto utilizzando la previsione del ramo).

Alcuni processori moderni hanno più di 30 fasi nella pipeline, il che aumenta le prestazioni del processore, ma porta a molti tempi di inattività (ad esempio, in caso di errore nella previsione di un ramo condizionale).

Architettura superscalare

La capacità di eseguire più istruzioni macchina in un ciclo del processore. L’avvento di questa tecnologia ha portato ad un notevole aumento della produttività.

x86 (sebbene per molti anni questi processori siano CISC solo in termini di sistema di istruzioni esterno).

John Cocke di .

I processori dual-core includono concetti come la presenza di core logici e fisici: ad esempio, un processore Intel Core Duo dual-core è costituito da un core fisico, che a sua volta è diviso in due logici. Il processore Intel Core 2 Quad è composto da quattro core fisici, il che influisce in modo significativo sulla sua velocità.

Al momento sono ampiamente disponibili processori dual- e quad-core, in particolare Intel Core 2 Duo sul core Conroe da 65 nm (più tardi sul core Wolfdale da 45 nm) e Athlon64X2 basato sulla microarchitettura K8. Nel novembre 2006 è stato rilasciato il primo processore Intel Core 2 Quad a quattro core basato sul core Kentsfield, che è un assemblaggio di due cristalli Conroe in un unico pacchetto. Il discendente di questo processore era l'Intel Core 2 Quad sul core Yorkfield (45 nm), architettonicamente simile al Kentsfield ma con dimensioni della cache e frequenze operative maggiori.

AMD ha seguito la propria strada, producendo processori quad-core come un singolo chip (a differenza di Intel, i cui processori in realtà incollano insieme due chip dual-core). Nonostante tutta la progressività di questo approccio, il primo "quad-core" dell'azienda, chiamato AMD Phenom X4, non ha avuto molto successo. Il ritardo rispetto ai processori concorrenti contemporanei variava dal 5 al 30% o più, a seconda del modello e delle attività specifiche.

Al momento (Q1-2 2009), entrambe le società hanno aggiornato le loro linee di processori quad-core. Intel ha introdotto la famiglia Core i7, composta da tre modelli che funzionano a frequenze diverse. I punti salienti di questo processore sono l'uso di un controller di memoria a tre canali (tipo DDR-3) e una tecnologia di emulazione a otto core (utile per alcune attività specifiche). Inoltre, grazie all'ottimizzazione generale dell'architettura, è stato possibile migliorare significativamente le prestazioni del processore in molti tipi di attività. Il lato debole della piattaforma che utilizza Core i7 è il suo costo eccessivo, poiché l'installazione di questo processore richiede una costosa scheda madre sul chipset Intel-X58 e un set di memoria DDR3 a tre canali, anch'esso attualmente costoso.

AMD, a sua volta, ha introdotto una linea di processori Phenom II X4. Durante lo sviluppo, l'azienda ha tenuto conto dei propri errori: il volume della cache è stato aumentato (ovviamente insufficiente per il primo Phenom) e la produzione del processore è stata trasferita alla tecnologia di processo a 45 nm, che ha permesso di ridurre la generazione di calore e aumentare significativamente le frequenze operative. In generale, l'AMD Phenom II X4 è alla pari con i processori Intel della generazione precedente (Yorkfield core) in termini di prestazioni ed è significativamente dietro all'Intel Core i7. Tuttavia, tenendo conto del costo moderato della piattaforma basata su questo processore, le sue prospettive di mercato sembrano molto più promettenti di quelle del suo predecessore.

Memorizzazione nella cache

Il caching è l'uso di memoria aggiuntiva ad alta velocità (memoria cache) per archiviare copie di blocchi di informazioni dalla memoria principale (RAM), la cui probabilità di accesso nel prossimo futuro è elevata.

Esistono cache di 1°, 2° e 3° livello. La cache di 1° livello ha la latenza (tempo di accesso) più bassa, ma è di piccole dimensioni; inoltre, le cache di primo livello sono spesso realizzate con più porte. Pertanto, i processori AMD K8 erano in grado di eseguire scritture a 64 bit + letture a 64 bit o due letture a 64 bit per clock, AMD K8L poteva eseguire due letture o scritture a 128 bit in qualsiasi combinazione, i processori Intel Core 2 potevano produrre 128- bit di scrittura + 128 bit di lettura per battuta. Le cache di livello 2 in genere hanno latenze di accesso significativamente più elevate, ma possono essere rese molto più grandi. La cache di livello 3 è la più grande in termini di dimensioni e piuttosto lenta, ma è comunque molto più veloce della RAM.

Architettura parallela

L'architettura di von Neumann ha lo svantaggio di essere sequenziale. Non importa quanto sia grande la massa di dati da elaborare, ogni byte di esso dovrà passare attraverso il processore centrale, anche se la stessa operazione dovrà essere eseguita su tutti i byte. Questo effetto si chiama collo di bottiglia di Neumann.

Per superare questo inconveniente, le architetture dei processori chiamate parallelo. I processori paralleli vengono utilizzati nei supercomputer.

Possibili opzioni per l'architettura parallela possono essere (secondo la classificazione di Flynn):

Tecnologia di produzione del processore

Storia dello sviluppo del processore

Il primo microprocessore disponibile in commercio fu l'Intel 4004 a 4 bit. Seguirono gli Intel 8080 a 8 bit e 8086 a 16 bit, che gettarono le basi per l'architettura di tutti i moderni processori desktop. Ma a causa della prevalenza dei moduli di memoria a 8 bit, venne rilasciato l'8088, un clone dell'8086 con un bus di memoria a 8 bit. Poi è arrivata la sua modifica 80186. Il processore 80286 ha introdotto una modalità protetta con indirizzamento a 24 bit, che consentiva l'utilizzo fino a 16 MB di memoria. Il processore Intel 80386 è apparso nel 1985 e ha introdotto una modalità protetta migliorata, un indirizzamento a 32 bit, consentendo l'utilizzo fino a 4 GB di RAM e il supporto per un meccanismo di memoria virtuale. Questa linea di processori è costruita su un modello di calcolo del registro.

Parallelamente si stanno sviluppando microprocessori che prendono come base il modello di calcolo dello stack.

Moderna tecnologia di produzione

Nei computer moderni, i processori sono progettati come un modulo compatto (di dimensioni circa 5x5x0,3 cm) inserito in uno zoccolo ZIF. La maggior parte dei processori moderni sono implementati sotto forma di un singolo chip semiconduttore contenente milioni, e più recentemente anche miliardi, di transistor. Nei primi computer, i processori erano unità ingombranti, che a volte occupavano interi armadi e persino stanze, ed erano costituiti da un gran numero di singoli componenti.

All'inizio degli anni '70, le innovazioni nella tecnologia LSI e VLSI (circuiti integrati su larga scala e molto larga scala) hanno reso possibile ospitare tutti i componenti necessari della CPU in un unico dispositivo a semiconduttore. Apparvero i cosiddetti microprocessori. Ora le parole microprocessore e processore sono praticamente diventate sinonimi, ma allora non era così, perché i computer convenzionali (grandi) e quelli a microprocessore convivevano pacificamente per almeno altri 10-15 anni, e solo all'inizio degli anni '80 i microprocessori soppiantarono i loro fratelli maggiori . Va detto che il passaggio ai microprocessori ha poi permesso di creare personal computer, che ormai sono entrati in quasi tutte le case.

Processori quantistici

Processori il cui funzionamento è interamente basato su effetti quantistici. Attualmente si sta lavorando per creare versioni funzionanti dei processori quantistici.

Microprocessori russi

Lo sviluppo dei microprocessori in Russia è effettuato da MCST CJSC. Ha sviluppato e messo in produzione microprocessori RISC universali con standard di progettazione di 130 e 350 nm. È stato completato lo sviluppo del processore superscalare di nuova generazione Elbrus. I principali consumatori di microprocessori russi sono imprese complesse militare-industriali.

Storia dello sviluppo

Altri progetti nazionali

Cina

Guarda anche

Appunti

Collegamenti

• Processori multi-core domestici "Multikor", RISC+DSP, per complesso militare-industriale
• Il governo ha azzerato i dazi sui trasformatori il 18/09/2007
• Intel ha introdotto un processore a 80 core Ferra.ru, 12 febbraio 2007

Conoscono molto bene i componenti di base di un computer, ma poche persone capiscono in cosa consiste il processore. Nel frattempo, questo è il dispositivo principale del sistema, che esegue operazioni aritmetiche e logiche. La funzione principale del processore è ricevere informazioni, elaborarle e fornire il risultato finale. Sembra semplice, ma in realtà questo processo è complesso.

In cosa consiste il processore?

La CPU è un wafer rettangolare in miniatura di silicio che contiene milioni di transistor (semiconduttori). Implementano tutte le funzioni eseguite dal processore.

Quasi tutti i processori moderni sono costituiti dai seguenti componenti:

1. Diversi core (raramente 2, solitamente 4 o 8) che svolgono tutte le funzioni. In sostanza, il core è un processore in miniatura separato. Diversi core integrati nel chip principale svolgono attività in parallelo, il che accelera il processo di elaborazione dei dati. Tuttavia, più core non significano sempre prestazioni del chip più veloci.
2. Diversi livelli di memoria cache (2 o 3), grazie ai quali viene ridotto il tempo di interazione tra RAM e processore. Se le informazioni sono nella cache, il tempo di accesso è ridotto al minimo. Di conseguenza, maggiore è la dimensione della cache, maggiore sarà la quantità di informazioni che potrà contenere e più veloce sarà il processore stesso.
3. Controller RAM e bus di sistema.
4. I registri sono celle di memoria in cui vengono archiviati i dati elaborati. Hanno sempre una dimensione limitata (8, 16 o 32 bit).
5. Coprocessore. Un nucleo separato progettato per eseguire un tipo specifico di operazione. Molto spesso, il core grafico (scheda video) funge da coprocessore.
6. Bus di indirizzi che collega il chip con tutti i dispositivi collegati alla scheda madre.
7. Bus dati: per collegare il processore con la RAM. Essenzialmente un bus è un insieme di conduttori attraverso i quali viene trasmesso o ricevuto un segnale elettrico. E più conduttori ci sono, meglio è.
8. Bus di sincronizzazione: consente di controllare i cicli di clock e la frequenza del processore.
9. Riavvia bus: reimposta lo stato del chip.

Tutti questi elementi prendono parte al lavoro. Tuttavia, il più importante tra questi, ovviamente, è il nucleo. Tutti gli altri componenti specificati lo aiutano solo a svolgere il suo compito principale. Ora che hai capito di cosa è fatto un processore, puoi dare un'occhiata più da vicino al suo componente principale.



Nuclei

Quando si parla di cosa costituisce un processore centrale, bisogna prima menzionare i core, poiché sono le sue parti principali. I core includono blocchi funzione che eseguono operazioni aritmetiche o logiche. In particolare possiamo evidenziare:

1. Blocco per il recupero, la decodifica e l'esecuzione delle istruzioni.
2. Blocca per salvare i risultati.
3. Blocco del contatore del programma, ecc.

Come hai capito, ognuno di loro svolge un compito specifico. Ad esempio, l'unità di recupero delle istruzioni le legge all'indirizzo specificato nel contatore del programma. A loro volta, i blocchi di decodifica determinano esattamente cosa deve fare il processore. Insieme, il lavoro di tutti questi blocchi consente di realizzare l'attività specificata dall'utente.

Compito principale

Tieni presente che i core possono solo eseguire calcoli matematici e operazioni di confronto, nonché spostare i dati tra le celle della RAM. Tuttavia, questo è sufficiente per consentire agli utenti di giocare sul computer, guardare film e navigare sul Web.



In sostanza, qualsiasi programma per computer è costituito da semplici comandi: aggiungi, moltiplica, sposta, dividi, vai alle istruzioni quando una condizione è soddisfatta. Naturalmente questi sono solo comandi primitivi, ma combinandoli insieme è possibile creare una funzione complessa.

Registri

Di cos'altro è composto un processore, oltre ai core? I registri sono la sua seconda componente importante. Come già sapete, si tratta di celle di memoria veloci in cui si trovano i dati in fase di elaborazione. Sono diversi:

1. A, B, C: utilizzati per memorizzare informazioni durante l'elaborazione. Ce ne sono solo tre, ma basta.
2. EIP: questo registro memorizza l'indirizzo dell'istruzione successiva nella coda.
3. ESP è l'indirizzo dei dati nella RAM.
4. Z - ecco il risultato dell'ultima operazione di confronto.

Il processore non è limitato a questi registri. Ce ne sono altri, ma quelli sopra menzionati sono i più importanti: sono quelli utilizzati più spesso dal chip per elaborare i dati durante l'esecuzione di un particolare programma.



Conclusione

Ora sai in cosa consiste il processore e quali sono i suoi moduli principali. Questa composizione dei chip non è costante, poiché vengono gradualmente migliorati, vengono aggiunti nuovi moduli e quelli vecchi vengono migliorati. Tuttavia, oggi in cosa consiste il processore, il suo scopo e la sua funzionalità sono esattamente gli stessi descritti sopra.

La composizione e il principio di funzionamento approssimativo dei sistemi di elaborazione sopra descritti sono stati semplificati al minimo. In realtà l'intero processo è più complesso, ma per capirlo è necessario ricevere un'istruzione adeguata.