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 - https://pikabu.ru/series/kak_rabotaet_kompyuter_vnutrennee_ustroystvo_34679
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.
— 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.
— Запоминающее 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.
— Шина
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
— Сокет (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.
— Тактовая 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.
— Количество ядер
Самая главная часть. Чем больше ядер, тем больше команд одновременно ЦПУ может обрабатывать. Чем больше ядер, тем выше производительность и скорость выполнения операций.
— Число потоков
Поток позволяет разделить производительность ядра, т.е. физическое ядро одно, но фактически может одновременно обрабатывать два процесса. Не все процессоры обладают дополнительными потоками.
— Кэш
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).
Работа процессора.
— 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.
Виды процессоров.
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:
— CISC (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
— RICS (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.
— VLIW (Very Long Instruction Word) - работают через объединение простых команд в одну "связку". Команды должны быть независимы друг от друга и осуществляться параллельно.
Вывод
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! Подписывайтесь на социальные сети: @White_Friday_PC (telegram)