Ce este un procesor, unitate centrală de procesare, CPU? Procesorul și componentele sale.

Probabil, atunci când alegeți un computer și studiați caracteristicile acestuia, ați observat că unui astfel de articol precum procesorul i se acordă o mare importanță. De ce el, și nu modelul, sursa de alimentare sau? Da, acestea sunt și componente importante ale sistemului și mult depind și de selecția corectă a acestora, dar caracteristicile procesorului afectează direct și într-o măsură mai mare viteza și performanța PC-ului. Să ne uităm la semnificația acestui dispozitiv într-un computer.

Să începem prin a scoate procesorul din unitatea de sistem. Ca urmare, computerul nu va funcționa. Acum înțelegi ce rol joacă? Dar haideți să studiem problema mai detaliat și să aflăm ce este un procesor de computer.

Ce este un procesor de calculator

Ideea este că unitatea centrală de procesare (numele complet) este, după cum se spune, adevărata inima și, în același timp, creierul computerului. În timp ce funcționează, funcționează și toate celelalte componente ale unității de sistem și perifericele conectate la aceasta. Este responsabil pentru procesarea diferitelor fluxuri de date și, de asemenea, reglementează funcționarea unor părți ale sistemului.

O definiție mai tehnică poate fi găsită pe Wikipedia:

CPU - o unitate electronică sau circuit integrat (microprocesor) care execută instrucțiunile mașinii (codul programului), partea principală a hardware-ului unui calculator sau controler logic programabil.

În viață, procesorul arată ca o placă pătrată mică de dimensiunea unei cutii de chibrituri, grosime de câțiva milimetri, a cărei parte superioară este de obicei acoperită cu un capac metalic (în versiunile desktop), iar partea inferioară conține multe contacte. De fapt, pentru a nu dezvălui, uită-te la următoarele fotografii:

Fără o comandă emisă de procesor, nici măcar o operație atât de simplă precum adăugarea a două numere sau înregistrarea unui megaoctet de informații nu poate fi efectuată. Toate acestea necesită acces imediat la CPU. În ceea ce privește sarcinile mai complexe, cum ar fi lansarea unui joc sau procesarea unui videoclip.

Merită adăugat la cuvintele de mai sus că procesoarele pot îndeplini și funcțiile unei plăci video. Faptul este că în cipurile moderne există un loc pentru un controler video, care îndeplinește toate funcțiile necesare pentru acesta și utilizează memoria video. Nu ar trebui să credeți că nucleele grafice încorporate sunt capabile să concureze cel puțin cu plăcile video din clasa de mijloc; aceasta este mai degrabă o opțiune pentru mașinile de birou unde nu este nevoie de grafică puternică, dar pot face față în continuare la ceva slab. Principalul avantaj al graficii integrate este prețul - nu trebuie să cumpărați o placă video separată, iar aceasta este o economie semnificativă.

Cum funcționează procesorul

În paragraful anterior s-a explicat ce este un procesor și pentru ce este necesar. Este timpul să ne uităm la cum funcționează.

Activitatea CPU poate fi reprezentată prin succesiunea următoarelor evenimente:

• Din RAM, unde a fost încărcat un anumit program (de exemplu, un editor de text), unitatea de control al procesorului extrage informațiile necesare, precum și un set de comenzi care trebuie executate. Toate acestea sunt trimise către memorie tampon (cache) CPU;
• Informațiile care părăsesc memoria cache sunt împărțite în două tipuri: instrucțiuni și semnificații , care sunt trimise la registre (acestea sunt celule de memorie din procesor). Primul merge la registrele de comenzi, iar al doilea la registrele de date;
• Prelucrează informațiile din registre unitate logică aritmetică (partea CPU care efectuează transformări aritmetice și logice ale datelor primite), care citește informațiile din acestea și apoi execută comenzile necesare asupra numerelor rezultate;
• Rezultatele rezultate sunt împărțite în terminat Și neterminat , mergeți la registre, de unde este trimis primul grup în memoria cache a CPU;
• Să începem acest punct cu faptul că există două niveluri principale de cache: superior Și inferior . Ultimele comenzi primite și datele necesare pentru efectuarea calculelor merg în memoria cache de nivel superior, iar cele neutilizate sunt trimise în memoria cache de nivel inferior. Acest proces decurge după cum urmează - toate informațiile merg de la al treilea nivel de cache la al doilea, apoi ajung la primul, cu date care nu sunt necesare momentan și trimise la nivelul inferior, totul este invers;
• La sfârșitul ciclului de calcul, rezultatul final va fi scris în memoria RAM a sistemului pentru a elibera spațiu în memoria cache a CPU pentru noi operațiuni. Dar se poate întâmpla ca memoria tampon să fie plină, apoi datele neutilizate vor merge în RAM sau la nivelul de cache inferior.

Pașii pas cu pas ai acțiunilor de mai sus sunt fluxul de operare al procesorului și răspunsul la întrebarea - cum funcționează procesorul.

Tipuri de procesoare și principalii lor producători

Există multe tipuri de procesoare, de la slab single-core la puternic multi-core. De la jocuri și muncă până la medie în toate privințele. Dar, există două tabere principale de procesoare - AMD și faimosul Intel. Acestea sunt două companii care produc cele mai căutate și populare microprocesoare de pe piață. Principala diferență dintre produsele AMD și Intel nu este numărul de nuclee, ci arhitectura - structura internă. Fiecare dintre concurenți oferă propria sa structură internă, propriul tip de procesor, care este radical diferit de competitorul său.

Produsele fiecărei părți au propriile lor avantaje și dezavantaje, așa că vă sugerez să le aruncați o privire mai atentă.

Avantajele procesoarelor Intel:

• Are un consum mai mic de energie;
• Dezvoltatorii sunt mai concentrați pe Intel decât pe AMD;
• Performanță mai bună la joc;
• Conexiunea dintre procesoarele Intel și RAM este mai bine implementată decât cea a AMD;
• Operațiunile efectuate în cadrul unui singur program (de exemplu, dezarhivarea) merg mai bine, AMD joacă în acest sens.

Dezavantajele procesoarelor Intel:

• Cel mai mare dezavantaj este prețul. Procesorul de la un anumit producător este adesea cu un ordin de mărime mai mare decât cel al principalului lor competitor;
• Performanța scade la utilizarea a două sau mai multe programe „grele”;
• Miezurile grafice integrate sunt inferioare AMD;

Avantajele procesoarelor AMD:

• Cel mai mare plus al Intel este cel mai mare minus - preț. Puteți cumpăra un procesor bun de gamă medie de la AMD, care se va ocupa de jocurile moderne la un solid 4, și poate chiar 5, în timp ce va costa mult mai puțin decât un procesor de performanțe similare de la un concurent;
• Raport adecvat calitate-pret;
• Asigurați funcționarea de înaltă calitate a sistemului;
• Capacitatea de a overclock procesorul, crescându-i astfel puterea cu 10-20%;
• Nucleele grafice integrate sunt superioare Intel.

Contra procesoarelor AMD:

• Procesoarele de la AMD interacționează mai rău cu RAM;
• Consumul de energie este mai mare decât Intel;
• Memoria tampon la al doilea și al treilea nivel funcționează la o frecvență mai mică;
• Performanța în jocuri este în urmă față de concurenți;

Dar, în ciuda avantajelor și dezavantajelor de mai sus, fiecare dintre companii continuă să se dezvolte, procesoarele lor devin mai puternice cu fiecare generație, iar erorile liniei anterioare sunt luate în considerare și corectate.

Principalele caracteristici ale procesoarelor

Ne-am uitat la ce este un procesor de computer și cum funcționează. După ce s-au familiarizat cu cele două tipuri principale ale lor, este timpul să acordați atenție caracteristicilor lor.

Așadar, mai întâi, să le enumerăm: marcă, serie, arhitectură, suport pentru un anumit soclu, viteza procesorului, memoria cache, numărul de nuclee, consumul de energie și disiparea căldurii, grafică integrată. Acum să ne uităm la asta cu explicații:

• Brand – cine face procesorul: AMD sau Intel. Această alegere determină nu numai prețul de achiziție și performanța, așa cum s-ar putea presupune din secțiunea anterioară, ci și alegerea altor componente ale PC-ului, în special placa de bază. Întrucât procesoarele de la AMD și Intel au design și arhitecturi diferite, nu va fi posibilă instalarea unui al doilea într-un soclu (socket pentru instalarea unui procesor pe placa de bază) conceput pentru un tip de procesor;
• Serii - ambii concurenți își împart produsele în mai multe tipuri și subtipuri. (AMD - Ryzen, FX, Intel- i5, i7);
• Arhitectura procesorului este de fapt organele interne ale procesorului; fiecare tip de procesor are o arhitectură individuală. La rândul său, o specie poate fi împărțită în mai multe subspecii;
• Suportul pentru un anumit soclu este o caracteristică foarte importantă a procesorului, deoarece soclul în sine este o „priză” pe placa de bază pentru conectarea unui procesor, iar fiecare tip de procesor necesită un soclu corespunzător. De fapt, asta a fost menționat mai sus. Fie trebuie să știi exact ce soclu se află pe placa ta de bază și să selectezi un procesor pentru acesta, fie invers (ceea ce este mai corect);
• Viteza ceasului este unul dintre indicatorii semnificativi ai performanței procesorului. Să răspundem la întrebarea care este viteza de ceas a procesorului. Răspunsul va fi simplu pentru acest termen formidabil - volumul operațiilor efectuate pe unitatea de timp, măsurat în megaherți (MHz);
• Cache este memoria instalată direct în procesor, numită și memorie tampon și are două niveluri - superior și inferior. Primul primește informații active, al doilea primește informații care nu sunt utilizate în prezent. Procesul de obținere a informațiilor trece de la al treilea nivel la al doilea, apoi la primul; informațiile inutile se deplasează în sens invers;
• Număr de nuclee - un procesor poate avea de la unul la mai multe. În funcție de număr, procesorul se va numi dual-core, quad-core etc. În consecință, puterea va depinde de numărul lor;
• Consumul de energie și disiparea căldurii. Totul este simplu aici - cu cât procesorul „mâncă mai mult” energie, cu atât va genera mai multă căldură; acordați atenție acestui punct pentru a selecta răcitorul de răcire și sursa de alimentare adecvate.
• Grafică integrată – primele astfel de dezvoltări ale AMD au apărut în 2006, cele ale Intel din 2010. Primele arată rezultate mai bune decât concurenții lor. Dar totuși, niciunul dintre ei nu a reușit încă să ajungă la plăcile video emblematice.

concluzii

După cum ați înțeles deja, procesorul central al computerului joacă un rol vital în sistem. În articolul de astăzi, am explicat ce este un procesor de calculator, care este frecvența procesorului, ce sunt acestea și pentru ce sunt necesare. Cât de mult diferă unele procesoare de altele, ce tipuri de procesoare există. Am vorbit despre avantajele și dezavantajele produselor a două campanii concurente. Dar cu ce caracteristici va fi instalat procesorul în unitatea dvs. de sistem depinde de dvs. să decideți.

Aproape toată lumea știe că într-un computer, elementul principal dintre toate componentele „hard” este procesorul central. Dar cercul de oameni care înțeleg cum funcționează un procesor este foarte limitat. Majoritatea utilizatorilor habar n-au despre asta. Și chiar și atunci când sistemul începe brusc să încetinească, mulți cred că procesorul este cel care nu funcționează bine și nu acordă importanță altor factori. Pentru a înțelege pe deplin situația, să ne uităm la câteva aspecte ale funcționării procesorului.

Ce este o unitate centrală de procesare?

În ce constă procesorul?

Dacă vorbim despre modul în care funcționează un procesor Intel sau concurentul său AMD, trebuie să vă uitați la modul în care sunt proiectate aceste cipuri. Primul microprocesor (apropo, era de la Intel, modelul 4040) a apărut în 1971. Putea efectua doar cele mai simple operații de adunare și scădere cu procesarea a doar 4 biți de informații, adică avea o arhitectură de 4 biți.

Procesoarele moderne, ca și primul născut, se bazează pe tranzistori și sunt mult mai rapide. Sunt realizate prin fotolitografie dintr-un anumit număr de plachete individuale de siliciu care alcătuiesc un singur cristal în care sunt imprimate tranzistoare. Circuitul este creat pe un accelerator special folosind ioni de bor accelerați. În structura internă a procesoarelor, componentele principale sunt nucleele, magistralele și particulele funcționale numite revizii.

Principalele caracteristici

Ca orice alt dispozitiv, procesorul este caracterizat de anumiți parametri, care nu pot fi ignorați atunci când răspundeți la întrebarea cum funcționează procesorul. In primul rand asta:

• Număr de nuclee;
• numărul de fire;
• dimensiunea cache (memorie internă);
• frecvența ceasului;
• viteza anvelopei.

Deocamdată, să ne concentrăm pe frecvența ceasului. Nu degeaba procesorul este numit inima computerului. Ca și inima, funcționează în modul pulsație cu un anumit număr de bătăi pe secundă. Frecvența ceasului este măsurată în MHz sau GHz. Cu cât este mai mare, cu atât dispozitivul poate efectua mai multe operațiuni.

La ce frecvență funcționează procesorul, puteți afla din caracteristicile sale declarate sau vă uitați la informațiile din Dar în timpul procesării comenzilor, frecvența se poate schimba, iar în timpul overclocking (overlocking) poate crește până la limite extreme. Astfel, valoarea declarată este doar un indicator mediu.

Numărul de nuclee este un indicator care determină numărul de centre de procesare ale procesorului (a nu se confunda cu firele - numărul de nuclee și fire de execuție poate să nu fie același). Datorită acestei distribuții, este posibilă redirecționarea operațiunilor către alte nuclee, crescând astfel performanța generală.

Cum funcționează un procesor: procesarea comenzilor

Acum puțin despre structura comenzilor executabile. Dacă vă uitați la modul în care funcționează un procesor, trebuie să înțelegeți clar că orice comandă are două componente - una operațională și una operand.

Partea de operare specifică ce ar trebui să facă sistemul de calcul în acest moment; operandul specifică la ce ar trebui să lucreze procesorul. În plus, nucleul procesorului poate conține două centre de calcul (containere, fire), care împart execuția unei comenzi în mai multe etape:

• producție;
• decriptare;
• executarea comenzii;
• accesând memoria procesorului propriu-zis
• salvând rezultatul.

Astăzi, stocarea separată în cache este utilizată sub forma utilizării a două niveluri de memorie cache, ceea ce evită interceptarea de către două sau mai multe comenzi de accesare a unuia dintre blocurile de memorie.

În funcție de tipul de procesare a comenzilor, procesoarele sunt împărțite în liniare (execuția comenzilor în ordinea în care sunt scrise), ciclice și ramificate (execuția instrucțiunilor după procesarea condițiilor de ramificație).

Operațiuni efectuate

Dintre principalele funcții atribuite procesorului, în ceea ce privește comenzile sau instrucțiunile executate, se disting trei sarcini principale:

• operatii matematice bazate pe un dispozitiv aritmetico-logic;
• mutarea datelor (informațiilor) de la un tip de memorie la altul;
• luarea unei decizii cu privire la executarea unei comenzi și, pe baza acesteia, alegerea trecerii la executarea altor seturi de comenzi.

Interacțiunea cu memoria (ROM și RAM)

În acest proces, componentele care trebuie notate sunt magistrala și canalul de citire-scriere, care sunt conectate la dispozitivele de stocare. ROM conține un set constant de octeți. Mai întâi, magistrala de adrese solicită un anumit octet de la ROM, apoi îl transferă pe magistrala de date, după care canalul de citire își schimbă starea și ROM-ul furnizează octetul solicitat.

Dar procesoarele nu pot doar să citească date din RAM, ci și să le scrie. În acest caz, se utilizează canalul de înregistrare. Dar, dacă te uiți la asta, în mare, computerele moderne, pur teoretic, s-ar putea lipsi deloc de RAM, deoarece microcontrolerele moderne sunt capabile să plaseze octeții de date necesari direct în memoria cipului procesorului însuși. Dar nu există nicio modalitate de a face fără ROM.

Printre altele, sistemul pornește din modul de testare hardware (comenzi BIOS) și abia apoi controlul este transferat către sistemul de operare de încărcare.

Cum se verifică dacă procesorul funcționează?

Acum să ne uităm la câteva aspecte ale verificării performanței procesorului. Trebuie să se înțeleagă clar că dacă procesorul nu ar funcționa, computerul nu ar putea începe deloc să se încarce.

Este o altă chestiune când trebuie să te uiți la indicatorul de utilizare a capabilităților procesorului la un moment dat. Acest lucru se poate face din „Task Manager” standard (opus oricărui proces este indicat câte procente din sarcina procesorului oferă). Pentru a determina vizual acest parametru, puteți utiliza fila de performanță, unde modificările sunt urmărite în timp real. Parametrii avansați pot fi văzuți folosind programe speciale, de exemplu, CPU-Z.

În plus, puteți utiliza mai multe nuclee de procesor folosind (msconfig) și parametrii de pornire suplimentari.

Probleme posibile

În sfârșit, câteva cuvinte despre probleme. Mulți utilizatori întreabă adesea, de ce funcționează procesorul, dar monitorul nu pornește? Această situație nu are nicio legătură cu procesorul central. Faptul este că atunci când porniți orice computer, adaptorul grafic este testat mai întâi și abia apoi totul. Poate că problema constă tocmai în procesorul cipului grafic (toate acceleratoarele video moderne au propriile lor procesoare grafice).

Dar folosind exemplul funcționării corpului uman, trebuie să înțelegeți că, în cazul unui stop cardiac, întregul corp moare. La fel cu computerele. Procesorul nu funcționează - întregul sistem computerizat „moare”.

În zilele noastre, procesoarele joacă un rol deosebit doar în reclamă, ei fac tot posibilul să convingă că procesorul dintr-un computer este componenta decisivă, mai ales de la un producător precum Intel. Apare întrebarea: ce este un procesor modern și ce este un procesor în general?

Multă vreme, sau mai precis, până în anii 90, procesorul a fost cel care a determinat performanța unui computer. Procesorul a determinat totul, dar astăzi acest lucru nu este în întregime adevărat.

Nu totul este determinat de procesorul central, iar procesoarele de la Intel nu sunt întotdeauna de preferat celor de la AMD. Recent, rolul altor componente ale computerului a crescut considerabil, iar acasă, procesoarele devin rareori blocaj, dar la fel ca și alte componente ale computerului, au nevoie de o atenție suplimentară, deoarece nici un singur computer nu poate exista fără el. Procesoarele în sine nu mai sunt domeniul mai multor tipuri de computere, deoarece varietatea computerelor a devenit mai mare.

Procesor (unitate centrală de procesare) este un cip foarte complex care procesează codul mașinii și este responsabil pentru efectuarea diferitelor operațiuni și controlul perifericelor computerului.

Pentru a desemna pe scurt un procesor central, este adoptată abrevierea „CPU” și, de asemenea, foarte obișnuită CPU - Central Processing Unit, care se traduce ca o unitate centrală de procesare.

Utilizarea microprocesoarelor

Un dispozitiv precum un procesor este integrat în aproape orice echipament electronic, darămite dispozitive precum un televizor și un player video, chiar și în jucării, iar smartphone-urile în sine sunt deja computere, deși diferă prin design.

Mai multe nuclee CPU pot îndeplini sarcini complet diferite, independent unul de celălalt. Dacă computerul îndeplinește o singură sarcină, atunci execuția sa este accelerată datorită paralelizării operațiilor tipice. Productivitatea poate deveni destul de distinctă.

Factorul de multiplicare a frecvenței interne

Semnalele pot circula în interiorul cristalului procesorului la o frecvență înaltă, deși procesoarele nu pot gestiona încă componentele externe ale computerului la aceeași frecvență. In acest sens, frecventa la care placa de baza functioneaza singura, iar frecventa procesorului la alta, este mai mare.

Frecvența pe care procesorul o primește de la placa de bază poate fi numită referință; aceasta, la rândul său, o înmulțește cu un coeficient intern, ceea ce duce la o frecvență internă, numită multiplicator intern.

Capacitățile coeficientului de multiplicare a frecvenței interne sunt foarte des folosite de overlockeri pentru a elibera potențialul de overclocking al procesorului.

Cache-ul procesorului

Procesorul primește date pentru lucrări ulterioare din RAM, dar în interiorul cipurilor procesorului semnalele sunt procesate la o frecvență foarte înaltă, iar apelurile către modulele RAM în sine au loc la o frecvență de câteva ori mai mică.

Un coeficient ridicat al multiplicatorului de frecvență intern devine mai eficient atunci când toate informațiile sunt localizate în interiorul acestuia, în comparație, de exemplu, decât în ​​RAM, adică din exterior.

Procesorul are puține celule pentru procesarea datelor, numite registre, de obicei nu stochează aproape nimic în ele, iar pentru a accelera funcționarea atât a procesorului, cât și a sistemului informatic cu acesta, a fost integrată tehnologia de caching.

Un cache poate fi numit un set mic de celule de memorie, care la rândul lor acționează ca un buffer. Când are loc o citire din memoria partajată, apare o copie în memoria cache a CPU. Acest lucru este necesar pentru ca, dacă aveți nevoie de aceleași date, accesul la acestea să fie la îndemână, adică într-un buffer, ceea ce crește performanța.

Memoria cache din procesoarele actuale are o formă piramidală:

1. Memoria cache de nivel 1 este cea mai mică ca volum, dar în același timp cea mai rapidă ca viteză și face parte din cipul procesorului. Produs folosind aceleași tehnologii ca și registrele procesorului, este foarte scump, dar își merită viteza și fiabilitatea. Deși este măsurat în sute de kiloocteți, ceea ce este foarte mic, joacă un rol uriaș în performanță.
2. Memoria cache de nivel 2, la fel ca memoria cache de nivel 1, este situată pe cipul procesorului și funcționează la frecvența nucleului său. La procesoarele moderne, dimensiunile datelor variază de la sute de kiloocteți la câțiva megaocteți.
3. Memoria cache de nivel 3 este mai lentă decât nivelurile anterioare ale acestui tip de memorie, dar este mai rapidă decât RAM, ceea ce este important și se măsoară în zeci de megaocteți.

Dimensiunile cache-ului L1 și L2 afectează atât performanța, cât și costul procesorului. Al treilea nivel de memorie cache este un fel de bonus în funcționarea unui computer, dar niciunul dintre producătorii de microprocesoare nu se grăbește să-l neglijeze. Memoria cache de nivel 4 există și funcționează doar în sistemele multiprocesor, motiv pentru care nu poate fi găsită pe un computer obișnuit.

Priză de instalare a procesorului (Socket)

Înțelegând că tehnologiile moderne nu sunt atât de avansate încât procesorul să poată primi informații la distanță, acesta trebuie să fie întotdeauna atașat, atașat la placa de bază, instalat în ea și să interacționeze cu ea. Această locație de montare se numește Socket și este potrivită doar pentru un anumit tip sau familie de procesoare, care sunt, de asemenea, diferite pentru diferiți producători.

Ce este un procesor: arhitectură și proces tehnologic

Arhitectura procesorului este structura sa internă; dispunerea diferită a elementelor determină și caracteristicile acestuia. Arhitectura în sine este inerentă unei întregi familii de procesoare, iar modificările făcute pentru îmbunătățiri sau remedieri de erori se numesc stepping.

Procesul tehnologic determină dimensiunea componentelor procesorului propriu-zis și se măsoară în nanometri (nm), iar dimensiunile mai mici ale tranzistorilor determină dimensiunea mai mică a procesorului în sine, ceea ce vizează dezvoltarea viitoarelor procesoare.

Consumul de energie și disiparea căldurii

Consumul de energie în sine depinde direct de tehnologia utilizată pentru producerea procesoarelor. Dimensiunile mai mici și frecvențele mai mari sunt direct proporționale cu consumul de energie și disiparea căldurii.

Pentru a reduce consumul de energie și disiparea căldurii, se utilizează un sistem automat de economisire a energiei pentru reglarea sarcinii procesorului, respectiv, în absența oricărei necesități de performanță. Calculatoarele de înaltă performanță trebuie să aibă un sistem bun de răcire a procesorului.

Pentru a rezuma materialul din articol - răspunsul la întrebarea ce este un procesor:

Procesoarele de astăzi au capacitatea de a lucra pe mai multe canale cu RAM; apar instrucțiuni noi, care la rândul lor, datorită cărora nivelul său funcțional crește. Capacitatea de a procesa grafica cu procesorul în sine reduce costul atât al procesoarelor în sine, cât și, datorită acestora, al ansamblurilor computerelor de birou și de acasă. Apar nuclee virtuale pentru o distribuție mai practică a performanței, se dezvoltă tehnologii, iar odată cu ele computerul și componenta acestuia precum procesorul central.

CPU

Intel 80486DX2 în pachet PGA ceramic.

Socket Intel Celeron 400 370 într-o carcasă din plastic PPGA, vedere de jos.

Socket Intel Celeron 400 370 într-o carcasă din plastic PPGA, vedere de sus.

Socket Intel Celeron 1100 370 în carcasă FC-PGA2, vedere de jos.

Socket Intel Celeron 1100 370 în carcasă FC-PGA2, vedere de sus.

CPU (CPU; CPU- Engleză unități centrale de procesare, literalmente - dispozitiv de calcul central) - executor de instrucțiuni de mașină, parte a hardware-ului calculatorului sau controler logic programabil, responsabil cu efectuarea operațiilor specificate prin programe.

CPU-urile moderne, implementate sub formă de microcircuite (cipuri) separate care implementează toate caracteristicile inerente acestui tip de dispozitiv, se numesc microprocesoare. De la mijlocul anilor 1980, acestea din urmă au înlocuit practic alte tipuri de procesoare, drept urmare termenul a devenit din ce în ce mai des perceput ca un sinonim obișnuit pentru cuvântul „microprocesor”. Cu toate acestea, acest lucru nu este adevărat: unitățile centrale de procesare ale unor supercalculatoare chiar și astăzi sunt rețele complexe de circuite integrate la scară mare (LSI) și circuite integrate la scară foarte mare (VLSI).

Inițial termenul Unități centrale de procesare a descris o clasă specializată de mașini logice concepute pentru a executa programe complexe de calculator. Datorită corespondenței destul de strânse a acestui scop cu funcțiile procesoarelor de calculator care existau la acea vreme, acesta a fost transferat în mod natural către computerele în sine. Utilizarea termenului și abrevierea acestuia în relație cu sistemele informatice a început în anii 1960. Designul, arhitectura și implementarea procesoarelor s-au schimbat de mai multe ori de atunci, dar principalele lor funcții executabile rămân aceleași ca înainte.

Procesoarele timpurii au fost create ca componente unice pentru sisteme informatice unice, chiar unice. Mai târziu, producătorii de computere au trecut de la metoda costisitoare de dezvoltare a procesoarelor concepute pentru a rula unul sau câteva programe foarte specializate la producția în masă a claselor tipice de dispozitive cu procesoare multifuncționale. Tendința către standardizarea componentelor computerelor a apărut în epoca dezvoltării rapide a elementelor semiconductoare, mainframe-urilor și minicalculatoarelor, iar odată cu apariția circuitelor integrate a devenit și mai populară. Crearea microcircuitelor a făcut posibilă creșterea în continuare a complexității procesoarelor, reducând simultan dimensiunea fizică a acestora. Standardizarea și miniaturizarea procesoarelor a dus la pătrunderea profundă a dispozitivelor digitale bazate pe acestea în viața umană de zi cu zi. Procesoarele moderne pot fi găsite nu numai în dispozitivele de înaltă tehnologie, cum ar fi computerele, ci și în mașini, calculatoare, telefoane mobile și chiar jucării pentru copii. Cel mai adesea ele sunt reprezentate de microcontrolere, unde, pe lângă dispozitivul de calcul, pe cip sunt amplasate componente suplimentare (interfețe, porturi de intrare/ieșire, temporizatoare etc.). Capacitățile de calcul moderne ale unui microcontroler sunt comparabile cu procesoarele computerelor personale de acum zece ani și, de cele mai multe ori, chiar depășesc semnificativ performanța acestora.

Arhitectura Von Neumann

Cele mai multe procesoare moderne de computere personale se bazează în general pe o anumită versiune a procesului de procesare secvenţială ciclică inventată de John von Neumann.

D. von Neumann a venit cu o schemă pentru construirea unui computer în 1946.

Cei mai importanți pași ai acestui proces sunt prezentați mai jos. Diferite arhitecturi și diferite echipe pot necesita pași suplimentari. De exemplu, instrucțiunile aritmetice pot necesita accesări suplimentare la memorie care citesc operanzi și scrie rezultate. O caracteristică distinctivă a arhitecturii von Neumann este aceea că instrucțiunile și datele sunt stocate în aceeași memorie.

Etapele ciclului de execuție:

1. Procesorul plasează numărul stocat în registrul contorului de programe pe magistrala de adrese și emite o comandă de citire în memorie;
2. Numărul setat este o adresă pentru memorie; memoria, după ce a primit adresa și comanda de citire, pune conținutul stocat la această adresă pe magistrala de date și raportează disponibilitatea;
3. Procesorul primește un număr de la magistrala de date, îl interpretează ca o comandă (instrucțiune mașină) din sistemul său de instrucțiuni și îl execută;
4. Dacă ultima instrucțiune nu este o instrucțiune de ramificare, procesorul incrementează cu unu (presupunând că lungimea fiecărei instrucțiuni este unul) numărul stocat în contorul de programe; ca urmare, adresa comenzii următoare este formată acolo;
5. Pasul 1 este efectuat din nou.

Această buclă este executată invariabil și este numită proces(de aici și numele dispozitivului).

În timpul procesului, procesorul citește o secvență de instrucțiuni conținute în memorie și le execută. Această secvență de comenzi se numește program și reprezintă algoritmul pentru funcționarea utilă a procesorului. Ordinea de citire a comenzilor se schimbă dacă procesorul citește o comandă de salt - atunci adresa următoarei comenzi poate fi diferită. Un alt exemplu de schimbare a procesului ar fi atunci când se primește o comandă de oprire sau trece în modul de întrerupere hardware.

Comenzile CPU sunt cel mai scăzut nivel de control al computerului, astfel încât executarea fiecărei comenzi este inevitabilă și necondiționată. Nu se face nicio verificare pentru a se asigura că acțiunile efectuate sunt acceptabile; în special, nu este verificată eventuala pierdere de date valoroase. Pentru ca computerul să efectueze numai acțiuni valide, comenzile trebuie să fie organizate corespunzător în programul necesar.

Viteza de trecere de la o etapă a ciclului la alta este determinată de generatorul de ceas. Generatorul de ceas produce impulsuri care servesc drept ritm pentru procesorul central. Frecvența impulsurilor de ceas se numește frecvență de ceas.

Arhitectura conductelor

Arhitectura conductei ( conducte) a fost introdus în procesorul central pentru a îmbunătăți performanța. De obicei, pentru a executa fiecare comandă, este necesar să se efectueze un anumit număr de operații similare, de exemplu: preluarea unei comenzi din RAM, decodarea comenzii, adresarea operandului în RAM, preluarea operandului din RAM, executarea comenzii, scrierea rezultatul la RAM. Fiecare dintre aceste operații este asociată cu o etapă a transportorului. De exemplu, o conductă de microprocesor MIPS-I conține patru etape:

• primirea și decodarea instrucțiunilor (Fetch)
• adresarea și preluarea unui operand din RAM (acces la memorie)
• efectuarea de operații aritmetice
• salvarea rezultatului operației (Magazin)

După eliberare k a treia treaptă a transportorului, ea începe imediat să lucreze la următoarea comandă. Dacă presupunem că fiecare etapă a transportorului petrece o unitate de timp pentru lucrul său, atunci executând o comandă pe un transportor de lungime n va face demersuri n unități de timp însă, în cel mai optimist caz, rezultatul executării fiecărei comenzi următoare va fi obținut după fiecare unitate de timp.

Într-adevăr, în absența unei conducte, executarea comenzii va dura n unități de timp (deoarece comanda trebuie încă preluată, decriptată etc. pentru a fi executată) și pentru a fi executată m comenzile vor avea nevoie de unități de timp; atunci când utilizați o conductă (în cel mai optimist caz) pentru a executa m tot ce ai nevoie sunt comenzi n + m unități de timp.

Factori care reduc eficiența transportorului:

1. timpul de nefuncționare a conductei atunci când unele etape nu sunt utilizate (de exemplu, adresarea și preluarea unui operand din RAM nu este necesară dacă instrucțiunea operează pe registre);
2. așteptați: dacă următoarea comandă folosește rezultatul celei anterioare, atunci cea din urmă nu poate începe execuția înainte ca prima să fie executată (acest lucru este depășit prin utilizarea execuției în afara ordinii);
3. ștergerea conductei atunci când o comandă de ramificație o atinge (această problemă poate fi netezită folosind predicția ramurilor).

Unele procesoare moderne au mai mult de 30 de etape în curs, ceea ce crește performanța procesorului, dar duce la o mulțime de timpi de nefuncționare (de exemplu, în cazul unei erori în predicția unei ramuri condiționate.)

Arhitectura suprascalara

Abilitatea de a executa mai multe instrucțiuni de mașină într-un singur ciclu de procesor. Apariția acestei tehnologii a dus la o creștere semnificativă a productivității.

x86 (deși de mulți ani aceste procesoare au fost CISC doar în ceea ce privește sistemul de instrucțiuni extern).

John Cocke din .

Procesoarele dual-core includ concepte precum prezența nucleelor ​​logice și fizice: de exemplu, un procesor Intel Core Duo dual-core este format dintr-un nucleu fizic, care, la rândul său, este împărțit în două logice. Procesorul Intel Core 2 Quad este format din patru nuclee fizice, ceea ce îi afectează în mod semnificativ viteza.

În acest moment, procesoarele dual și quad-core sunt disponibile pe scară largă, în special Intel Core 2 Duo pe nucleul Conroe de 65 nm (mai târziu pe nucleul Wolfdale de 45 nm) și Athlon64X2 bazat pe microarhitectura K8. În noiembrie 2006, a fost lansat primul procesor Intel Core 2 Quad cu patru nuclee bazat pe nucleul Kentsfield, care este un ansamblu de două cristale Conroe într-un singur pachet. Descendentul acestui procesor a fost Intel Core 2 Quad pe nucleul Yorkfield (45 nm), similar arhitectural cu Kentsfield dar cu o dimensiune a cache-ului și frecvențe de operare mai mari.

AMD și-a urmat propriul drum, producând procesoare quad-core ca un singur cip (spre deosebire de Intel, ale cărui procesoare lipesc de fapt două cipuri dual-core). În ciuda progresului acestei abordări, primul „quad-core” al companiei, numit AMD Phenom X4, nu a avut prea mult succes. Decalajul său față de procesoarele concurente contemporane a variat între 5 și 30 la sută sau mai mult, în funcție de model și de sarcinile specifice.

În acest moment (T1-2 2009), ambele companii și-au actualizat liniile de procesoare quad-core. Intel a introdus familia Core i7, formată din trei modele care funcționează la frecvențe diferite. Principalele puncte de atracție ale acestui procesor sunt utilizarea unui controler de memorie cu trei canale (tip DDR-3) și a tehnologiei de emulare cu opt nuclee (utilă pentru anumite sarcini specifice). În plus, datorită optimizării generale a arhitecturii, a fost posibilă îmbunătățirea semnificativă a performanței procesorului în multe tipuri de sarcini. Partea slabă a platformei care utilizează Core i7 este costul său excesiv, deoarece instalarea acestui procesor necesită o placă de bază scumpă pe chipset-ul Intel-X58 și un set de memorie DDR3 cu trei canale, care este, de asemenea, costisitor în prezent.

AMD, la rândul său, a introdus o linie de procesoare Phenom II X4. La dezvoltarea acestuia, compania a ținut cont de greșelile sale: volumul cache-ului a fost crescut (în mod clar insuficient pentru primul Phenom), iar producția procesorului a fost transferată la o tehnologie de proces de 45 nm, ceea ce a făcut posibilă reducerea generării de căldură și crește semnificativ frecvențele de operare. În general, AMD Phenom II X4 este la egalitate cu procesoarele Intel din generația anterioară (core Yorkfield) în performanță și este destul de semnificativ în spatele Intel Core i7. Totuși, ținând cont de costul moderat al platformei bazate pe acest procesor, perspectivele sale de piață par mult mai promițătoare decât cele ale predecesorului său.

Memorarea în cache

Memorarea în cache este utilizarea unei memorie adiționale de mare viteză (memorie cache) pentru a stoca copii ale blocurilor de informații din memoria principală (RAM), a căror probabilitate să fie accesată în viitorul apropiat este mare.

Există cache de nivel 1, 2 și 3. Cache-ul de nivel 1 are cea mai mică latență (timp de acces), dar este de dimensiuni mici; în plus, cache-urile de primul nivel sunt adesea făcute multi-portate. Astfel, procesoarele AMD K8 au putut efectua scriere pe 64 de biți + citire pe 64 de biți sau două citiri pe 64 de biți pe ceas, AMD K8L putea efectua două citiri sau scrieri pe 128 de biți în orice combinație, procesoarele Intel Core 2 puteau produce 128- scriere de biți + citire de 128 de biți pe ritm. Cache-urile de nivel 2 au de obicei latențe de acces semnificativ mai mari, dar pot fi mult mai mari. Cache-ul de nivel 3 este cel mai mare ca dimensiune și destul de lent, dar este totuși mult mai rapid decât RAM.

Arhitectură paralelă

Arhitectura von Neumann are dezavantajul că este secvenţială. Indiferent cât de mare ar trebui procesată o masă de date, fiecare octet al acestuia va trebui să treacă prin procesorul central, chiar dacă aceeași operație trebuie efectuată pe toți octeții. Acest efect se numește blocaj von Neumann.

Pentru a depăși acest dezavantaj, arhitecturile procesoarelor au apelat paralel. Procesoarele paralele sunt folosite în supercalculatoare.

Opțiunile posibile pentru arhitectura paralelă pot fi (conform clasificării lui Flynn):

Tehnologia de fabricare a procesoarelor

Istoricul dezvoltării procesorului

Primul microprocesor disponibil comercial a fost Intel 4004 pe 4 biți. Acesta a fost succedat de Intel 8080 pe 8 biți și 8086 pe 16 biți, care au pus bazele arhitecturii tuturor procesoarelor desktop moderne. Dar, din cauza prevalenței modulelor de memorie pe 8 biți, a fost lansat 8088, o clonă a lui 8086 cu o magistrală de memorie pe 8 biți. Apoi a venit modificarea sa 80186. Procesorul 80286 a introdus un mod protejat cu adresare pe 24 de biți, care permitea utilizarea a până la 16 MB de memorie. Procesorul Intel 80386 a apărut în 1985 și a introdus modul protejat îmbunătățit, adresare pe 32 de biți, permițând utilizarea a până la 4 GB de RAM și suport pentru un mecanism de memorie virtuală. Această linie de procesoare este construită pe un model de calcul al registrului.

În paralel, sunt dezvoltate microprocesoare care iau ca bază modelul de calcul al stivei.

Tehnologie modernă de producție

În calculatoarele moderne, procesoarele sunt proiectate ca un modul compact (aproximativ 5x5x0,3 cm în dimensiune) care este introdus într-o soclu ZIF. Majoritatea procesoarelor moderne sunt implementate sub forma unui singur cip semiconductor care conține milioane și, mai recent, chiar miliarde de tranzistori. În primele computere, procesoarele erau unități voluminoase, uneori ocupând dulapuri întregi și chiar încăperi și erau alcătuite dintr-un număr mare de componente individuale.

La începutul anilor 1970, descoperirile în tehnologia LSI și VLSI (circuit integrat la scară mare și foarte mare) au făcut posibilă găzduirea tuturor componentelor CPU necesare într-un singur dispozitiv semiconductor. Au apărut așa-numitele microprocesoare. Acum, cuvintele microprocesor și procesor au devenit practic sinonime, dar atunci nu a fost cazul, deoarece computerele convenționale (mari) și cu microprocesor au coexistat pașnic cel puțin încă 10-15 ani și abia la începutul anilor 80 microprocesoarele i-au înlocuit pe frații lor mai mari. . Trebuie spus că trecerea la microprocesoare a permis ulterior crearea computerelor personale, care au pătruns acum aproape în fiecare casă.

Procesoare cuantice

Procesoare a căror funcționare se bazează în întregime pe efecte cuantice. În prezent, se lucrează pentru a crea versiuni de lucru ale procesoarelor cuantice.

microprocesoare rusești

Dezvoltarea microprocesoarelor în Rusia este realizată de MCST CJSC. A dezvoltat și a pus în producție microprocesoare universale RISC cu standarde de proiectare de 130 și 350 nm. Dezvoltarea procesorului superscalar de nouă generație Elbrus a fost finalizată. Principalii consumatori de microprocesoare rusești sunt întreprinderile complexe militar-industriale.

Istoria dezvoltării

Alte proiecte nationale

China

Vezi si

Note

Legături

• Procesoare multi-core interne „Multikor”, RISC+DSP, pentru complex militar-industrial
• Guvernul a eliminat taxele pe procesoare 18.09.2007
• Intel a introdus un procesor cu 80 de nuclee Ferra.ru, 12 februarie 2007

Ei cunosc foarte bine componentele de bază ale unui computer, dar puțini oameni înțeleg în ce constă procesorul. Între timp, acesta este dispozitivul principal al sistemului, care efectuează operații aritmetice și logice. Funcția principală a procesorului este de a primi informații, de a le procesa și de a furniza rezultatul final. Sună simplu, dar în realitate acest proces este complex.

În ce constă procesorul?

CPU este o placă miniaturală dreptunghiulară de siliciu care conține milioane de tranzistori (conductori). Ele implementează toate funcțiile pe care le îndeplinește procesorul.

Aproape toate procesoarele moderne constau din următoarele componente:

1. Mai multe nuclee (rar 2, de obicei 4 sau 8) care îndeplinesc toate funcțiile. În esență, nucleul este un procesor miniatural separat. Mai multe nuclee integrate în cipul principal lucrează pe sarcini în paralel, ceea ce accelerează procesul de procesare a datelor. Cu toate acestea, mai multe nuclee nu înseamnă întotdeauna o performanță mai rapidă a cipului.
2. Mai multe niveluri de memorie cache (2 sau 3), datorită cărora timpul de interacțiune dintre RAM și procesor este redus. Dacă informațiile sunt în cache, atunci timpul de acces este minimizat. În consecință, cu cât dimensiunea memoriei cache este mai mare, cu atât va încadra mai multe informații și cu atât procesorul în sine va fi mai rapid.
3. RAM și controler magistrală de sistem.
4. Registrele sunt celule de memorie în care sunt stocate datele procesate. Au întotdeauna o dimensiune limitată (8, 16 sau 32 de biți).
5. Coprocesor. Un nucleu separat care este conceput pentru a efectua un anumit tip de operație. Cel mai adesea, nucleul grafic (placa video) acționează ca un coprocesor.
6. Address bus care conectează cipul cu toate dispozitivele conectate la placa de bază.
7. Bus de date - pentru conectarea procesorului cu RAM. În esență, o magistrală este un set de conductori prin care este transmis sau recepționat un semnal electric. Și cu cât sunt mai mulți conductori, cu atât mai bine.
8. Bus de sincronizare - vă permite să controlați ciclurile de ceas și frecvența procesorului.
9. Restart bus - resetează starea chipului.

Toate aceste elemente iau parte la lucru. Cu toate acestea, cel mai important dintre ele, desigur, este miezul. Toate celelalte componente specificate îl ajută doar să-și îndeplinească sarcina principală. Acum că înțelegi din ce este alcătuit un procesor, poți arunca o privire mai atentă asupra componentei sale principale.



Miezuri

Când vorbim despre ce constă un procesor central, în primul rând trebuie să menționăm nucleele, deoarece acestea sunt părțile sale principale. Nucleele includ blocuri funcționale care efectuează operații aritmetice sau logice. În special, putem evidenția:

1. Bloc pentru preluarea, decodarea și executarea instrucțiunilor.
2. Blocare pentru salvarea rezultatelor.
3. Bloc de contor de programe etc.

După cum înțelegeți, fiecare dintre ei îndeplinește o sarcină specifică. De exemplu, unitatea de preluare a instrucțiunilor le citește la adresa specificată în contorul programului. La rândul lor, blocurile de decodare determină exact ce trebuie să facă procesorul. Împreună, munca tuturor acestor blocuri face posibilă realizarea sarcinii specificate de utilizator.

Sarcina de bază

Rețineți că nucleele pot efectua numai calcule matematice și operațiuni de comparare, precum și pot muta date între celulele RAM. Cu toate acestea, acest lucru este suficient pentru ca utilizatorii să joace jocuri pe computer, să vizioneze filme și să navigheze pe web.



În esență, orice program de calculator constă din comenzi simple: adăugați, înmulțiți, mutați, împărțiți, mergeți la instrucțiuni atunci când o condiție este îndeplinită. Desigur, acestea sunt doar comenzi primitive, dar combinarea acestora vă permite să creați o funcție complexă.

Registrele

Din ce altceva mai constă un procesor, în afară de nuclee? Registrele sunt a doua componentă importantă. După cum știți deja, acestea sunt celule de memorie rapide în care se află datele procesate. Sunt diferite:

1. A, B, C - utilizate pentru stocarea informațiilor în timpul procesării. Sunt doar trei, dar este suficient.
2. EIP - acest registru stochează adresa următoarei instrucțiuni din coadă.
3. ESP este adresa datelor din RAM.
4. Z - iată rezultatul ultimei operațiuni de comparare.

Procesorul nu se limitează la aceste registre. Există și altele, dar cele menționate mai sus sunt cele mai importante - sunt cele mai des folosite de cip pentru a procesa date în timpul execuției unui anumit program.



Concluzie

Acum știi în ce constă procesorul și care sunt modulele sale principale. Această compoziție de cipuri nu este constantă, deoarece acestea sunt îmbunătățite treptat, se adaugă module noi, iar cele vechi sunt îmbunătățite. Cu toate acestea, astăzi, în ce constă procesorul, scopul și funcționalitatea acestuia sunt exact așa cum este descris mai sus.

Compoziția și principiul aproximativ de funcționare al sistemelor de procesoare descrise mai sus au fost simplificate la minimum. De fapt, întregul proces este mai complex, dar pentru a-l înțelege trebuie să primiți o educație adecvată.