Продолжается наша серия о внутреннем устройстве персонального компьютера. В этой статье мы рассмотрим функции процессора, каким образом он работает.
Прочитать про другие комплектующие можно тут - Как работает компьютер: Внутреннее устройство
Определение. Внешний вид.
Процессор отвечает за обработку информации. Кто как его не называет: центральный процессор (ЦП), центральное процессорное устройство (central proccesing unit)(ЦПУ, CPU), но смысл от этого не меняется - процессор является "мозгом" вычислительной машины (телевизор, компьютер, сервер, смартфон). Мощность процессора отвечает за скорость обработки команд и сказывается на продуктивности работы.
Внешне представляет собой квадратную пластину со стороной около 5 сантиметров. На одной стороне находятся коннекторы, которые помогают прикрепить "камень" к материнской плате.
Составная часть процессора.
1️⃣ Ядро процессора.
Именно оно отвечает за огромную часть всех функций. С помощью ядра выполняется расшифровка, чтение, отправка инструкций другим элементам или принимает инструкции от них. В один момент ядро может выполнить только одну команду, но все это происходит за сотые доли секунд. Наличие одного ядра сообщает о том, что сервер или персональный компьютер будет выполнять все инструкции по очереди. Ядро имеет 2 части:
— Устройство Управления (УУ) - помогает контролировать и выполнять инструкции. Сообщает компонентам какие действия нужно совершить в определенный момент. Соответствуя инструкциям управляет другими компонентами компьютера, включая второй, немало важный компонент - арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции сначала поступают на устройство управления.
— Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - осуществляет выполнение арифметических и логических операций.
Существует несколько видов реализации УУ:
1 Жесткая логика (hardwired control units), то есть характер работы определяется внутренним электрическим строением - устройством печатной платы или кристалла. Получается, модификация такого устройства управления невозможна без физического вмешательства.
2 Микропрограммное управление (microprogrammable control units), может быть запрограммирован для различных целей. Прогроммная часть сохраняется в памяти устройства управления.
2️⃣Запоминающее устройство
Небольшая память процессора в котором хранится информация о текущих командах, а также промежуточных результатах. Состоит из регистров и кэш'a. Кэш хранит часто выполняемые инструкции, регистры, в свою очередь запоминают информацию. Обращение в КЭШ происходит быстрее, чем к ОЗУ, поэтому объем кэш-памяти влияет на скорость работы.
Это специальные линии, обеспечивающие обмен информацией между ним и остальными компонентами компьютера. Есть несколько видов шин:
— Шина данных. Отвечает за копирование данных между регистрами процессора и оперативной памятью.
— Адресная шина. С помощью нее процессор указывает оперативной памяти адрес ячейки, информация из которой нужна ему в данный момент.
— Шина команд. По ней поступают команды в процессор из областей, где базируются программы.
Характеристики процессоров
1️⃣Сокет (Socket)
Представляет собой разъем для установки процессора на материнскую плату. Есть огромное количество сокетов, при выборе ЦПУ стоит обратить внимание, чтобы сокет подходил к материнке. Например, материнская плата имеет разъем LGA 1151, значит нужно выбирать ЦПУ с таким же сокет, иначе не получится установить.
2️⃣Тактовая частота
Показывает количество обрабатываемых тактов (операций) в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (Ггц). Чем выше показатель частоты, тем выше производительность.
Процессор с частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион операций в секунду, а с частотой 1 ГГц способен обработать 1 миллиард.
3️⃣Количество ядер
Самая главная часть. Чем больше ядер, тем больше команд одновременно ЦПУ может обрабатывать. Чем больше ядер, тем выше производительность и скорость выполнения операций.
4️⃣Число потоков
Поток позволяет разделить производительность ядра, т.е. физическое ядро одно, но фактически может одновременно обрабатывать два процесса. Не все процессоры обладают дополнительными потоками.
5️⃣Кэш
Есть три уровня памяти: L1, L2, L3. Чем больше памяти, тем лучше работает процессор.
Кэш первого уровня L1 - содержит данные, которые могут потребоваться программе для выполнения инструкции.
Кэш второй уровня L2 - больше по размеру, но медленнее кэша первого уровня. Содержит информацию, которая может пригодиться в будущем.
Кэш третьего уровня L3 - Самый крупный и самый медленный. Объем варьируется от 4 до 50 мегабайт (МБ).
— Устройство управления забирает из оперативной памяти, где находится программа, определенные данные и команды, которые требуется выполнить. Вся информация загружается в кэш.
— Получив данные, процессор записывает их в регистры. Инструкции отправляются в регистры команд, значения помещаются в регистры данных.
— После считывания, арифметико-логическое устройство выполняет команды.
— Результаты выполнения записываются в их регистры. При завершенном вычислении они записываются в буферную память ЦПУ. Так как число регистров малое количество, то промежуточные результаты хранятся в кэше.
— При завершении цикла результат сохраняется в оперативной памяти, чтобы освободить буферную память ЦП для новых вычислений. При переполнении кэш-памяти неиспользуемая информации отправляется в кэш нижнего уровня или оперативную память.
Процессоры вставленные в наши персональные компьютеры, телефоны, ноутбуки и т.д. называются настольными. Есть еще серверные процессоры, они предназначены для обработки огромных массивов данных.
— Настольные процессоры выполняют функции домашних компьютеров, это их основная принадлежность. С их помощью можно запустить несколько программ, переместить информацию, работа с браузером (-ами), запись данных на накопители, запуск игра обработка фото и видео. Не требуют большого количества ядер, но нуждаются в огромной тактовой частоте.
— Серверные могут работать с несколькими подключенными клиентами, поэтому требуют большое количество ядер, высокий объем кэш-памяти и поддержка больших объемов оперативной памяти.
Процессоры различают по принципу выполнения команд:
1️⃣CISC (Complete Instruction Set Computing) - в арсенале полный набор команд. Характеризуются:
— большим количеством различных машинных команд, каждая команда выполняется за несколько тактов ЦПУ.
— Маленькое количество регистров
— Большая палитра команд с разными длинами
— Преобладают множественной адресацией
2️⃣RICS (Restricted Instruction Set Computer) - повышение работоспособности в таких видах процессоров происходит за счет упрощения инструкций. В ЦПУ с RISC-архитектурой применяется ограниченный набор быстрых команд.
3️⃣VLIW (Very Long Instruction Word) - работают через объединение простых команд в одну "связку". Команды должны быть независимы друг от друга и осуществляться параллельно.
Процессор как головной мозг, или сердце в человеческом организме. Без ЦПУ компьютер не будет работать. Все самые сложные и простые задачи выполняются именно через него.
Спасибо за прочтение Нашей статьи!
