Здравствуйте с вами Ludus вы смотрите это видео со смартфона, планшета или компьютера. Любое из этих устройств основано на микропроцессоре. Микропроцессор является «сердцем» любого компьютерного устройства. Существует много типов микропроцессоров, но все они решают одни и те же задачи. Сегодня мы поговорим о том, как процессор работает и какие задачи он выполняет. На первый взгляд все это представляется очевидным. Но очень многим пользователям было бы интересно углубить свои знания о важнейшем компоненте, обеспечивающем работу компьютера.
Что такое центральный процессор
Процессор или (центральный процессор) - это очень сложная микросхема обрабатывающая машинный код, отвечающая за выполнение различных операций и управление компьютерной периферии. Для краткого обозначения центрального процессора принята условное обозначение — ЦП, а также очень распространено CPU - Central Processing Unit, что переводится как центральное обрабатывающее устройство.
Как устроен процессор
Сам процессор состоит из десятка миллионов транзисторов, в случае с ryzen 5 3600 количество транзисторов состовляет 4,800 млн, при помощи которых собраны отдельные логические схемы, находящиеся в специальном кремниевом корпусе. Именно из-за кристалла кремния очень часто его называют «Камень».
В основе внутренних схем процессора лежит арифметико-логическое устройство, внутренняя память (регистры), и кеш-память (сверх память), которые в свою очередь образуют ядро процессора, а также схемы для управления всеми операциями и схемы управления с внешними устройствами – шинами.
Какие функции выполняет центральный процессор (CPU)
- выполнение арифметических и логических операций с полученными данными,
- передача результатов обработки данных на внешние устройства,
- создание сигналов для работы внутренних элементов и внешних устройств,
- хранение результатов выполненных операций, переданных сигналов и других данных.
Выполнять основные функции центрального процессора позволяют различные его элементы.
Составляющие CPU
1. Основной составляющей процессора является ядро. В нем проходят все этапы обработки данных. Само ядро состоит из двух компонентов:
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно выполняет все арифметические и логические операции.
- Устройство управления(УУ) координирует взаимодействие различных частей компьютера. Оно формирует и подает во все блоки машины сигналы, в которых описан алгоритм действий.
- Процессорная память нужна для хранения кратковременной информации. Она состоит из:
- Регистров. Они сохраняют промежуточные результаты и текущие команды. АЛУ может делать только одну операцию одновременно. Представим, что устройству надо решить пример: (1+1) x (2-2). Он решается в 3 этапа: сложение, вычитание, умножение. АЛУ не может сделать это вычисление одной операцией. Сначала оно выполнит сложение и сохранит результат в регистре. Далее выполнит вычитание. Для умножения АЛУ попросит результат прошлой операции у регистра и закончит решение примера.
- Кеш-памяти, которая нужна для ускорения выполнения частых команд. Весь список команд хранится в оперативной памяти, поэтому ядро постоянно обращается к нему за информацией. Частые команды и данные хранит кеш-память, чтобы не ждать отклика от оперативной. Это значительно ускоряет работу процессора.
- Интерфейсная система нужна для связи с другими устройствами компьютера. Она включает в себя:
- порты ввода-вывода, которые позволяют подключать к CPU другие устройства,
- шины ― это каналы для передачи данных между всеми составляющими CPU.
Тактовая частота процессора
Важную роль играет так называемая тактовая частота, на которую сам процессор и рассчитан. Единицей измерения тактовой частоты является мегагерц (МГц).
Один мегагерц – это миллион тактов в секунду. Соответственно 1000 мегагерц или 1 гигагерц - это миллиард тактов в секунду. Случайный из фрагментов информации участвующий в вычислительной операции, центральный процессор выполняет за один такт, из этого следует, что чем тактовая частота выше, тем процессор быстрее сможет, обрабатывает поступающие в него данные.
В принципе, работа компьютера возможна и на низких частотах, но дело в том, что процессор тратит на обработку гораздо больше времени, а вот при более высокой тактовой его частоте процессор работает быстрее.
Количество ядер процессора
Центр современных центральных микропроцессоров снабжен ядрами. Ядро представляет собой кристалл кремния, площадь которого составляет около одного квадратного сантиметра. Несмотря на небольшие размеры, микроскопические логические элементы позволили реализовать на его поверхности принципиальную схему процессора, так называемую архитектуру (chip architecture).
Многоядерность процессора заключается в наличии в центральном микропроцессоре двух и более вычислительных ядер на поверхности одного процессорного кристалла, которые также могут быть заключены в одном корпусе.
Первый важный фактор производительности центрального процессора ― количество ядер. Одно ядро может выполнять только одну задачу. Если процессор одноядерный, то каждая задача будет выполняться последовательно. Таким образом, двухъядерный может выполнять две задачи параллельно, трехъядерный ― три и т. д. Чем больше ядер, тем выше производительность устройства.
Перечень преимуществ многоядерного процессора:
• появляется возможность распределить работу приложений по нескольким ядрам;
• процессы, нуждающиеся в интенсивных вычислениях, работают существенно быстрее;
• увеличивается скорость отклика приложений;
• снижение потребления электрической энергии;
• более продуктивное использование ресурсоемких мультимедийных программ;
• более комфортная работа пользователей ПК.
Коэффициент внутреннего множителя частоты
Сигналы циркулировать внутри кристалла процессора, могут на высокой частоте, хотя обращаться с внешними составляющим компьютера на одной и тоже частоте процессоры пока не могут. В связи с этим частота, на которой работает материнская плата одна, а частота работы процессора другая, более высока.
Частоту, которую процессор получает от материнской платы можно назвать опорной, он же в свою очередь производит её умножение на внутренний коэффициент, результатом чего и является внутренняя частота, называющаяся внутренним множителем.
Возможности коэффициента внутреннего множителя частоты очень часто используют оверлокеры для освобождения разгонного потенциала процессора.
Кеш-память процессора
Данные для последующей работы процессор получает из оперативной памяти, но внутри микросхем процессора сигналы обрабатываются с очень высокой частотой, а сами обращения к модулям ОЗУ проходят с частотой в разы меньше.
Высокий коэффициент внутреннего множителя частоты становится эффективнее, когда вся информация находится внутри него, в сравнение например, чем в оперативной памяти, то есть с наружи.
В процессоре немного ячеек для обработки данных, называемые регистрами, в них он обычно почти ничего не хранит, а для ускорения, как работы процессора, так и вместе с ним компьютерной системы была интегрирована технология кеширования.
Кешем можно назвать небольшой набор ячеек памяти, в свою очередь выполняющих роль буфера. Когда происходит считывание из общей памяти, копия появляется в кеш-памяти центрального процессора. Нужно это для того, чтобы при потребности в тех же данных доступ к ним был прямо под рукой, то есть в буфере, что увеличивает быстродействие.
Кеш-память в нынешних процессорах имеет пирамидальный вид:
- Кеш-память 1-го уровня – самая наименьшая по объёму, но в тоже время самая быстрая по скорости, входит в состав кристалла процессора. Производится по тем же технологиям, что и регистры процессора, очень дорогая, но это стоит её скорости и надёжности. Хоть и измеряется сотнями килобайт, что очень мало, но играет огромную роль в быстродействие.
- Кеш-память 2-го уровня – так же, как и 1-го уровня расположена на кристалле процессора и работает с частотой его ядра. В современных процессорах измеряется от сотен килобайт до нескольких мегабайт.
- Кеш-память 3-го уровня медленнее предыдущих уровней этого вида памяти, но является быстродейственней оперативной памяти, что немаловажно, а измеряется десятками мегабайт.
Размеры кеш-память 1-го и 2-го уровней влияют как на производительность, так и на стоимость процессора. Третий уровень кеш-памяти — это своеобразный бонус в работе компьютера, но не один из производителей микропроцессоров им пренебрегать не спешит. Кеш-память 4-го уровня существует и оправдывает себя лиши в многопроцессорных системах, именно поэтому на обыкновенном компьютере его найти не удастся.
Что делает процессор в играх?
Процессор «тянет» движок игры. Кому-то фраза покажется весьма абстрактной, поэтому посмотрим, что делает (или может делать) процессор:
- Загружает ресурсы с винчестера в память. Это могут быть карта уровня, объекты (люди, техника, деревья и прочее), текстуры, спрайты, звуки, музыка и тому подобное.
- Формирует мир. Берётся карта уровня, которая имеет горки и впадины, на ней расставляются объекты (трава, деревья, дома с обстановкой, люди и прочее).
- Обрабатывает взаимодействие мира и объектов + искусственный интеллект. Персонажи перемещаются по неровным поверхностям (склоны, ступени, вода и прочее), на карте существуют непроходимые места. Сюда же можно отнести различные триггеры — события, наступающие при определённых обстоятельствах. Например, каждый день в 18:00 к банку подъезжает машина инкассаторов. Если зайти в дом с собакой, та залает. Это мелочи, но они способствуют дополнительному погружению.
- Обрабатывает действия игрока. Помимо того, что персонажи смотрят в разные стороны и ходят/бегают, они так же могут взаимодействовать с окружающим миром: карабкаться по приставной лестнице, открывать двери, брать/перемещать предметы, говорить с другими персонажами или игроками и атаковать их, плавать, ездить, летать и много что ещё, предусмотренное разработчиками.
- Формирует поведение игровых персонажей. Времена, когда компьютерные болванчики стояли и ждали, прошли. Есть игры с открытым миром, персонажи в которых ходят по улицам, ездят на машинах и мотоциклах, следуют распорядку дня: едят, работают, спят.
- Физика, погода и различные эффекты. В один пункт попало сразу множество разных технологий. Если в игре есть возможность оглушить персонажа, тело должно упасть как в реальности, вплоть до скатывания по лестнице, коли так случится, а не сложиться в кулёк с торчащими руками/ногами. Если подует ветер, это может влиять на листву деревьев, траву, волосы персонажей и их одежду, создавать рябь на воде. Аналогично и с дождём, при котором поверхности становятся мокрыми. Пламя костра может разбрасывать вокруг искры. Взрывы способствуют разделению объектов с последующим разлётом частей. Продолжать можно долго.
- Звук. Звук не просто подаётся на колонки, он ещё может смешиваться (что давно есть) и позиционироваться в пространстве. Игроки с системой 5.1 или 7.1 оценят.
- Прочее. Всё перечислить вряд ли возможно. К тому же, разработчики вольны добавлять что угодно, нагружая даже самые быстрые процессоры.
Как видно, нигде не участвует фраза «видимая часть мира». Процессору не важно, на каком разрешении генерируется картинка, FullHD или 4k. Зато ему важно количество объектов, которые требуется обрабатывать. Поэтому процессоры тестируют на минимальных графических настройках, а видеокарты, наоборот, на максимальных.
А теперь подробнее об общих настройках, которые реализуется с помощью процессора в частности: число персонажей на экране, качество теней, качество рельефа, качество воды, количество травы, дальность видимости растительности.
Затем разберем более подробно какие настройки нагружают процессор на примере игры Red Dead Redemption 2.
Качество теней Что нагружает: видеокарту и процессор
Влияние на производительность: среднее (до 12%).
Качество теней в большинстве игр рекомендуют снижать в первую очередь. Но как и в случае с GTA 5 в новинке от Rockstar они обладают сравнительно умеренным аппетитом. Даже на значении «Ультра» обычно теряется лишь 6 кадров в среднем. На производительном ПК можно смело снизить качество теней до «Высокого», почти не потеряв в красоте и сэкономив пару кадров. «Среднее» качество тоже выглядит приемлемо (без зубчатых краев) и подойдет большинству бюджетных или старых систем.
Качество отражений Что нагружает: видеокарту и процессор
Влияние на производительность: высокое (до 30%).
Под отражениями в Red Dead Redemption 2 скорее понимается рассеивание света под поверхностями объектов, благодаря чему матовые поверхности выглядят более натурально и их проще отличить от глянцевых или металлических. Эта настройка столь же значительно влияет на качество изображения, сколько потребляет ресурсов. Например, на среднем значении кожаная одежда выглядит пластиковой, а металлические предметы перестают блестеть. Жаль, но для большинства систем придется установить именно среднее качество отражений, а на устаревшем ПК и вовсе понизить его до минимума.
Сглаживание TAA / FXAA / MSAA Что нагружает: видеокарту и процессор
Влияние на производительность: TAA — низкое (до 3%) / FXAA — низкое (до 3%) / MSAA — крайне высокое (до 51%).
На видеокартах GeForce последних серий сглаживание TAA работает отлично и почти не потребляет ресурсы, а вот владельцам графических адаптеров AMD стоит обратить внимание на альтернативные варианты сглаживания, особенно если они заметили какие-то проблемы. FXAA — универсальное старое решение, которое неплохо справляется с «зубчиками» по краям объектов почти без влияния на частоту кадров, но ощутимо замыливает текстуры. MSAA — это разновидность SSAA, которая значительно снижает производительность, но при этом заметно улучшает картинку. Увы, даже владельцы топовых видеокарт смогут позволить себе такое прожорливое сглаживание лишь для разрешения Full HD.
Наш вердикт — попробуйте максимальное качество TAA, но если будут проблемы то придется остановиться на FXAA.
Угол обзора Что нагружает: процессор
Большой угол обзора полезен в мультиплеерных играх, а в других его можно безболезненно уменьшить до 70 градусов. Это поможет увеличить производительность: даже сравнительно невысокое значение в 90 градусов заставляет движок обрабатывать гораздо больше объектов в кадре.
Еще меньше угол обзора лучше не делать: на низких значениях угол обзора некоторых игроков начинает укачивать.
Качество далеких теней Что нагружает: процессор и видеокарту
Влияние на производительность: низкое (до 4%).
Еще менее ресурсозатратная опция, которая отвечает за качество прорисовки теней от удаленных объектов. Лучше всего выставить такое же значение, как и у предыдущей.
Качество отражений Что нагружает: видеокарту и процессор
Влияние на производительность: высокое (до 30%).
Под отражениями в Red Dead Redemption 2 скорее понимается рассеивание света под поверхностями объектов, благодаря чему матовые поверхности выглядят более натурально и их проще отличить от глянцевых или металлических. Эта настройка столь же значительно влияет на качество изображения, сколько потребляет ресурсов. Например, на среднем значении кожаная одежда выглядит пластиковой, а металлические предметы перестают блестеть. Жаль, но для большинства систем придется установить именно среднее качество отражений, а на устаревшем ПК и вовсе понизить его до минимума.
Качество воды Что нагружает: процессор
Влияние на производительность: высокое (до 21%).
Это один из обобщенных параметров, который регулирует сразу все аспекты качества воды в игре: прозрачность, отражения, детализацию и физику. Если вы не хотите, чтобы FPS резко проседал, как только подберетесь к воде и особенно к водопаду, то установите на среднее значение.
Качество частиц Что нагружает: процессор
Влияние на производительность: крайне низкое (до 2%).
Один из эффектов, который может сильно просадить FPS только на старых видеокартах. Если на «Ультра» замечаете тормоза во время перестрелок или взрывов, то попробуйте снизить до «Среднего» или даже «Низкого».
Сглаживание MSAA для отражений Что нагружает: процессор и видеокарту
Отражения сами по себе съедают невменяемо много FPS, а если их еще улучшить за счет самого прожорливого вида сглаживания, то будет совсем плохо. Лучше даже не пытайтесь включать эту опцию.
Тени травы Что нагружает: процессор и видеокарту
Влияние на производительность: среднее (до 16%).
Ресурсоемкость этого параметра напрямую зависит от «Детализации травы», которая почему-то в списке настроек значительно ниже. Мы рекомендуем устанавливать на «Среднее» значение оба параметра, чтобы трава вдалеке не была излишне детальной и неразличимо затененной, но при этом не пропадала. Это позволит сэкономить аж до 23% производительности в сумме за обе настройки.
Уровни детализации геометрии? Что нагружает: процессор и оперативную память?
Влияние на производительность: среднее (до 12%).
Отвечает за отрисовку различных мелких предметов вдали, а также за детализацию отдаленных крупных объектов вроде зданий или скал. Лучше всего оставить на 100% или в крайнем случае уменьшить до 75%. Если совсем снизить настройку, то получится выиграть 4-5 лишних кадров, но пейзажи станут заметно хуже.
Детализация травы Что нагружает: процессор и видеокарту
Влияние на производительность: высокое (до 20%).
Мы уже упоминали эту настройку выше, когда разбирали «Тени травы». Напоминаем, что оптимальным будет среднее значение (50%).
Качество рельефных текстур Что нагружает: процессор и видеокарту
Влияние на производительность: низкое (до 2%).
Базовая рельефность текстур достигается за счет эффекта параллакса, который не такой прожорливый как тесселяция, поэтому на подавляющем большинстве видеокарт даже со значением «Ультра» здесь проблем быть не должно — если и потеряется, то один кадр максимум.
Качество декалей Что нагружает: процессор
Влияние на производительность: крайне низкое (до 1%).
Еще менее ресурсоемкая настройка. Отвечает за качество эффектов, применяемым к стенам и полу, вроде следов от пуль или подпалин. Даже на максимальном значении особого снижения производительности нам заметить не удалось.
Ссылка на видео https://rutube.ru/vide/1215c54e719f103b873714f5d2972afb/
Всем спасибо досвидания.