Что такое центральный процессор (CPU, ЦП). Как работает центральный процессор? Какие архитектуры процессоров бывают? Как работает процессор компьютера? Принцип работы

Введение
Основные характеристики, мощность процессора
Как выбрать процессор
Некоторые советы по разгону процессоров
Заключение

Введение в понятие компьютерный процессор

Приветствуем вас друзья! Сегодня разберём с вами такой интересный и важный вопрос, что такое процессор в компьютере. Более правильно называть его центральный процессор (ЦП, также ещё его называют чип, камень, проц. и так далее).

Итак, процессор - это главная микросхема, которая занимается обработкой и управлением основными процессами в компьютере. Более наглядно процессор называют мозгом персонального компьютера (ПК), по аналогии с человеческим мозгом, который также выполняет основную работу по обработке и управлению данными у нас.

ЦП очень важен для ПК, именно от него зависит, насколько быстро тот будет работать, осуществлять многие повседневные задачи. Хотя, конечно, в компьютере ещё есть несколько важных компонентов (оперативная память, видеокарта), которые также влияют на скорость работы всей системы.

Чтобы ПК мог постоянно идти в ногу со временем в скорости и производительности работы, то время от времени в нём меняют ЦП и другие детали. Более подробно об этом ниже.

Характеристики и мощность ЦП

Основными характеристиками ЦП являются:

Тактовая частота

То есть это количество выполняемых операций в секунду. Сейчас этот параметр уже измеряется в миллиардах. К примеру, если наблюдали технические данные о каком-либо процессоре, то могли видеть у него значение 2,5 ГГц - это значит 2,5 миллиарда операций в секунду (но это всё равно очень мало по сравнению с человеческим мозгом, производительность которого, в тысячи раз больше).

Достаточно много. Самые мощные сейчас процессоры могут иметь тактовую частоту в 4 или 4,5 ГГц, что обычно требуется для мощных компьютерных игр и программ, для повседневной работы это лишнее.

Количество ядер

Ещё каких-то лет 10 назад почти никто и не помышлял о появлении двух и более ядерных ЦП. Фирмы производители наращивали тактовую частоту, пока не столкнулись с пределом это процесса. Тогда и появилось новое направление - создание двух и более ядер в чипе.

С одной стороны это очень хорошо. Поскольку даёт возможность процессору работать в два раза быстрее. Но с другой, без соответствующей программного сопровождения это реализовать нельзя. Всё дело в том, что любые детали компьютера не работают сами по себе.

Они способны функционировать только, если под это написаны специальные программные инструкции. Если таковых не будет, то толку от какой-либо новой технологии вообще не будет. Так и здесь, если на двухъядерном ЦП запустить выполняться программы, которые разработаны для одноядерных, то они и будут работать только под одно ядро, то есть увеличение скорости не произойдёт, второе ядро будет просто не задействовано.

Вот так примерно обстоят дела с появлением многочиповых ЦП. Хотя сейчас эта проблема уже решена. Почти все выходящие программы оптимизированы под работу на многоядерных процессорах (там, где это нужно). Само собой это игры, обработка видео, изображение, моделирование, разработка и так далее.

Энергопотребление

Важно понимать, что с повышением мощности растут и затраты на требуемую для функционирования энергию. Это очень важно, потому, что большое энергопотребление ведёт только к денежным тратам, увеличенному тепловыделению. Поэтому разработчики постоянно ведут работу по снижению энергопотребления.

Разрядность

Если коротко то - это поддержка процессором той или иной архитектуры работы. Обычно это 32-х или 64-х битная. В 64-х битной кроются большие возможности, сейчас она повсеместно входит в обиход. Все современные ЦП поддерживают 64 бита, поэтому это вопрос однозначный и ошибиться в нём нельзя. Более подробно разобраться в этом вопросе можно в статье, какая разница между 32-х и 64-х битной разрядностью операционной системы .

Как выбрать процессор

Вообще их присутствует большое многообразие на любой вкус и потребности. Но при несильно требовательных запросах его выбрать несложно. Для начал стоит определиться, для каких целей будет использоваться компьютер, если только для работы и мелких развлечений (маленькие игры, просмотр фильмов, музыка, сёрфинг в интернете), то здесь всё просто - вам подойдёт самый недорогой современный чип.

Если занимаетесь серьёзной сложной работой, требующей мощного сбалансированного компьютера, то здесь немного сложнее. Нужно обратить внимание на такие моменты:

Многоядерность - 4 и более ядер
Высокая тактовая частота - 2,5 и выше гигагерц
Кэш третьего уровня не менее 6 мегабайт

Соответствуя, таким основным рекомендациям можно хоть как-то рассчитывать на хороший и производительный экземпляр. Но правильнее будет, выбрать модель и посмотреть информацию о ней в интернете, к примеру, тесты производительности, отзывы и др.

Он должен подходить по разъёму в материнскую плату, это нужно на 100% уточнить до покупки. На рынке присутствуют 2 основные производителя ЦП - это Intel и AMD. Каждая из этих фирм выпускает различные линейки ЦП с определённым разъёмом, который нужно знать и уже под него подбирать материнскую плату, то есть плату, куда он впоследствии устанавливается для постоянной работы.

Процессор хрупкая деталь, поэтому ни в коем случае не роняем его, не стучим по нему, не бросаем в сумку.
После его установки, на него обязательно нужно нанести термопасту (теплопроводящая паста), что это такое читаем в статье чистка от пыли и замена её в ноутбуке , логика одинаковая. Если забыть про нанесение термопасты, то ЦП будет перегреваться и нестабильно работать, в конечном счёте, вообще сгорит. Более того, высохшая термопаста и пыль одни из основных причин поломки ноутбуков и компьютеров.

Важно подобрать правильное охлаждение для ЦП. Дело в том, что процессоры разных серий могут греться по-разному. Соответственно и кулер (это вентилятор с радиатором для охлаждения) на него выбираются индивидуально. Это несложно, если знать его тепловыделение, с таким же значением или выше нужно покупать и кулер.

Вообще разгон - это самостоятельное увеличение его технических характеристик, обычно это повышение тактовой частоты, напряжения или разблокировка ядер (если присутствует такая возможность).

Крайне не рекомендуем его делать, если это не разрешено заводом производителем. Если вопреки этому будете действовать, то можете просто испортить его. Другое дело, когда сам производитель разрешает это делать, более того вывел специальную функцию для этого, иногда нужно просто нажать одну кнопку или выбрать соответствующее значение.

В таком случае да, если считаете нужным повысить характеристики ЦП, то это можно сделать. Но опять же не забываем про охлаждение и термопасту. Если не удостовериться в этих моментах, то опять же можно испортить ЦП.

Заключение

По представленной выше информации, надеемся можно сформировать общее представление о том, что такое процессор, каковы его характеристики и как его правильно использовать.

Лекция 6. Тенденция развития процессоры. М н о г ояд е рн ые пр о ц есс о р ы и н о в ые т е х н оло г и и многоядерной об р аботки д а нн ых

Центральный процессор

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;

шины данных и шины адресов;

регистры;

счетчики команд;

кэш - очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров . Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

1. Повышение производительности процессоров

На протяжении длительного времени прогресс в области микропроцессоров фактически отождествлялся со значением тактовой частоты. В 2001 году в корпоративных планах производителей микропроцессоров значилось, что уже к концу десятилетия будет преодолен барьер 10 ГГц. Увы, планы эти оказались неверны. Прав же оказался тот, кто сделал ставку на многоядерные архитектуры.

Первый двухъядерный процессор в семействе Power выпустила корпорация IBM. Сегодня многоядерные процессоры предлагает Sun Microsystems (восьмиядерный UltraSPARC T1), а также Intel и AMD.

ЗаконаМура гласит,чтоколичествотранзисторов, размещенныхнаполупроводниковой микросхеме, удваивается каждые два года, что приводит, с однойстороны, к повышению производительности, а с другой стороны, к снижениюстоимостипроизводствамикросхем. Несмотряна важность и действенность этогозакона в течение долгих лет, оцениваяперспективы дальнейшего развития, времяот времени предсказывали егонеминуемое фиаско.

В качестве препятствий на пути дальнейшего развития называются такие факторы,как ограниченияиз-за физических размеров,стремительный рост энергопотребления и непомерно высокие затраты на производство.

На протяжениимногих лет дляповышенияпроизводительностипроцессораиспользовалсяединственныйпуть -повышениеего тактовойчастотой. За эти годыукоренилосьмнение,чтоименно тактоваячастотапроцессора является основнымпоказателемегопроизводительности. Наращивание тактовыхчастотнасовременном этапе не простая задача. Конец гонке тактовых частот микропроцессоров был положен благодаря нерешенной проблеме токов утечки и неприемлемому росту тепловыделениямикросхем.

Производительностьпроцессора (Performance) - это отношение общегочисла выполненных инструкций программного кода ко времени их выполнения иликоличество инструкций, выполняемых за секунду (Instructions rate):

к оли чес т во и нс т р у к ци й = пр о и зво д и т е ль н о с т ь

в р е м я в ы п олн е ни я

Таккак основнойхарактеристикойпроцессорасталаего тактоваячастота, то введемчастоту в формулупроизводительностьпроцессора. Помножимчислитель и зн аме н а т е ль н а к ол и чес тво т а к тов, за к оторое в ыпол н е н ы и н с т р у кции:

пр о и зво д и т е ль н о с т ь = к оли чес т во и н с т р у кц и й к оли ч е с т во т а к т ов

к оли чес т во т а к т о в в р е мя в ы п олн е ни я

Перваячастьполученногопроизведения -количествоинструкций, выполняемыхза один такт(InstructionPer Clock,IPC),Втораячастьпроизведения -количество тактов процессора в единицу времени (тактовая частота процессора, F илиFrequency). Таким образом, производительность процессора зависит не только от его тактовойчастоты,но и от количества инструкций, выполняемых за такт(IPC):

пр о и з во д и т е ль н о с т ь = (I P C) (F )

Полученная формула определяетдва р а зн ых п о д х ода к у в е л и че ни ю п ро из во д и т е л ь н о с ти п р о ц есс ор а . П е рв ы й - у в е л и че ни е т а к товой час тоты п ро ц есс ор а , а второй – у в е л и че ни е к ол и чес тва ин с т р у кци й п рогр амм н ого к од а , в ы п ол н я ем ых з а од и н т а к т п ро ц есс ор а .

Увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и определяется технологиейизготовленияпроцессора. При этом ростпроизводительности не является прямо пропорциональным росту тактовой частоты, тоестьнаблюдается тенденциянасыщаемости,когда дальнейшееувеличение тактовойчастотыстановитсянерентабельным.

Количествоинструкций, выполняемыхза время одного такта, зависит от микроархитектуры процессора: от количества исполнительных блоков, от длины конвейера и эффективности его заполнения, от блока предвыборки, от оптимизации программного кода к данной микроархитектуре процессора.

Поэтомусравнение производительности процессоров на основании их тактовой частоты возможно только впределах одной и той жеархитектуры (при одинаковом значенииколичества выполняемых операций всекунду -IPCпроцессоров).

Сравнениепроизводительностипроцессоров с различнойархитектурой на основе тактовой частотынеправомерно. К примеру, основываясь на тактовой частоте,некорректносравниватьпроизводительностипроцессоров с разным размеромкэшпамяти уровня L2, или производительности процессоров, поддерживающих и не п оддер ж и в а ющ и х т е х н олог и ю H y p e r - T h re a din g .

Из-за удельного удешевления транзисторов открылась возможность компенсировать несовершенство процессорной архитектуры их количеством, что в конечном итоге и стало причиной консервации предложенной в далекие 40-е годы схемы организации компьютерных систем, которая получила свое название по имени Джона фон Неймана. Трудно представить еще какую-либо из современных технологических областей, которая, декларируя свою причастность к техническому прогрессу, была бы столь консервативна по своей сути. О врожденных недостатках фон-неймановской схемы написано немало, но, что бы сейчас ни говорили на эту тему, еще лет десять назад никакие аргументы не возможно было противопоставить убеждению в том, что процессорная индустрия выбрала единственно правильный путь, основанный на количественном росте. Достаточно вспомнить, с какой гордостью произносились новые цифры; считалось, что, если не хватит миллиона транзисторов, сделаем миллиард - «нет проблем», главное уменьшить размеры кристаллов и межсоединений и повысить тактовую частоту. Но за все приходится платить. Каждый транзистор потребляет энергию, в итоге, по данным IDC, сегодня затраты на электричество, необходимое для питания центров обработки данных, составляют свыше 80% от затрат на приобретение компьютерного оборудования, а через пару лет эти показатели сравняются.

Отход отпоследовательногоисполнениякоманд ииспользованиенесколькихисполняющих блоков в одномпроцессорепозволяют одновременно обрабатыватьнесколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать п а р а ллел из м н а у ровне ин с т р у кци й (InstructionLevelParallelism -I L P ),что, разумеется,увеличивает общуюпроизводительность.

Еще одинподход к решению даннойпроблемы был реализован вVLIW/EPIC -архитектуре IA-64 (очень длинных команд), где часть проблем переложена саппаратурынакомпилятор. И все же разработчикипризнают,что для достижения высокой производительности архитектура важнее.

При большом числе функциональных блоков микросхемы и большом ее размере возникаетпроблема, связанная со скоростью распространения сигналов - за один тактсигналы не успевают достигнуть необходимые блоки. В качестве возможного выхода вмикропроцессорах Alpha были введены такназываемые"к л а с т е р ы ",где у с тро й с тва час т и ч н о д у бл и ров а л и с ь , н о з а то в н у три к л ас т е ров р а сс тоя ни я были ме нь ш е . Можносказать,чтоидеяпостроениямногоядерныхмикропроцессоров является развитиемидеи кластеров, но в данном случае д у бл и р у е т с я ц е л ик ом п ро ц есс ор н ое ядро .

Другим предшественником многоядерного подхода можно считать технологиюI ntel - H y p e r T h r e a di n g , где также есть небольшое д у бл и ров а н и е а пп а р а т у ры и и с п ол ь з ов а ни е д в у х п ото к ов ин с т р у кций , и с п ол ь з у ющ и х общ е е ядро.

Многоядерныйпроцессоримеет дваили больше"исполнительныхядер".Ядром п ро ц есс ора м ож н о н а з в а ть е го с и с т е м у и с п ол ни т е л ьн ы х у с тро й с тв (н а бор а р и фм е т ик о - лог и чес ки х у с тро й с тв ) , п р е д н а зн ач е нн ы х д ля обр а бо тк и д а нн ы х . Операционнаясистема рассматривает каждое из исполнительных ядер, как дискретный процессор со всеминеобходимыми вычислительными ресурсами. Поэтомумногоядернаяархитектура процессора, при поддержке соответствующего программного обеспечения, осуществляет полностью параллельное выполнение нескольких программных потоков.

К 2006 годувсе ведущиеразработчикимикропроцессоровсоздали двуядерныепроцессоры. Первымипоявились двуядерныеRISC-процессорыSun Microsystems (UltraSPARCIV), IBM (Power4,Power5) и HP(PA-8800 иPA-8900).

О выпуске двуядерныхпроцессоров с архитектуройх86 фирмы AMD и Intel об ъ явили п о ч ти о д н ов р еме нн о.

Архитектурапроцессоров достигла достаточно высокойсложности,поэтомупереход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышенияпроизводительности вычислительных систем.

Модернизации схемы фон Неймана

На самом деле фон-неймановская архитектура компьютера не является единственно возможной, пространство допустимых решений гораздо шире. Так, исходя из способов организации последовательности выполнения команд и обмена данными между процессором и памятью, все компьютеры можно разделить на четыре класса:

SISD (Single Instruction Single Data) - «один поток команд, один поток данных»;

SIMD (Single Instruction Multiple Data) - «один поток команд, много потоков данных»;

MISD (Multiple Instruction Single Data) - «много потоков команд, один поток данных»;

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) - «много потоков команд, много потоков данных»;

Класс SISD предполагает, что в один момент времени может быть выполнена одна команда, и она может оперировать только теми порциями данными, адреса которых непосредственным образом присутствуют в операндах этой команды. Напротив, в класс MIMD попадают машины, которые могут одновременно выполнять множество команд, используя при этом множество фрагментов данных. Эта классификация известна как «таксономия Флинна», она названа так по имени предложившего ее Майкла Флинна, выдающегося инженера и ученого, ныне являющегося профессором Стэндфордского университета. Из нее следует, что фон-неймановская машина является частным случаем, попадающим в класс SISD. Большинство современных компьютеров построено именно по этой схеме; между тем все суперкомпьютеры из первой десятки TOP500 построены по схеме MIMD.

Было бы некорректно объяснять рост производительности процессоров только наращиванием количественных показателей, вполне естественно, что на протяжении десятилетий было предложено несколько серьезных модернизаций, являющихся отступлениями от схемы фон Неймана, но ограниченными масштабом.

Исторически первым оказалось изобретение процессоров, способных выполнять операции не над содержимым одного или нескольких регистров, а над более крупными фрагментами данных; по классификации Флинна они попадают в класс SIMD. Их появление связывают с проектом Solomon (1962 год, компания Westinghouse).

Позднее аналогичный принцип работы с данными был реализован в самой производительной машине своего времени ILLIAC IV (1972). Если процессор, используя одну команду, может выполнять действия над векторами, то его называют векторным процессором (vector processor), а если над массивами, топроцессором массивов (array processor). Впоследствии Сеймур Крей использовал векторные принципы при разработке своих суперкомпьютеров, начиная с Cray-1. Сегодня схема SIMD широко используется в специализированных процессорах, предназначенных для игровых консолей.

После введения нового класса векторных процессоров обычные процессоры стали вынужденно, чтобы различать, называть «скалярными»; именно поэтому на следующем шаге появились решения со странным названием «суперскалярные процессоры ».Идея суперскалярности заключается в том, что процессор просматривает приближающиеся к исполнению команды и выбирает из них те последовательности, которые могут быть выполнены параллельно . Такие процессоры способны выполнять несколько инструкций за один такт, а такой вид параллелизма стали называтьпараллелизмом на уровне команд (Instruction-Level Parallelism,ILP ). Очевидно, что при заданной частоте суперскалярный процессор будет производительнее скалярного, поскольку он способен выделить в подмножество и одновременно выполнить несколько команд, распределив их по своим функциональным устройствам. Родоначальником идеи ILP был тот же Крей; он реализовал ее в 1965 году в компьютере CDC 6600, затем ILP была воспроизведена в процессоры Intel i960 (1988 год) и AMD 29050 (1990), особенно «впору» суперскалярный подход пришелся для RISC-процессоров с их упрощенной системой команд. Позже, начиная с Pentium II, обрели ILP и процессоры с архитектурой CISC.

Примерно в то же время - сначала на мэйнфреймах, а позже и на мини-ЭВМ - появилась кэш-память ; в дальнейшем идея кэширования получила развитие в многоуровневых решениях, предполагавших наличие кэшей первого и второго, а затем и третьего уровня.

Еще одним существенным изобретением, ускорившим работу процессоров, оказалось внеочередное исполнение (out-of-order execution, OoO), представляющее собой ограниченную реализацию идеи обработкипотока данных (data flow computation). Хотя первые попытки в этом направлении были предприняты еще при проектировании компьютеров CDC, но реально первые внедрения были в IBM 360, а затем в процессорах Power1. Одно из важнейших достоинств внеочередного исполнения состоит в том, что данная технология позволяет согласовать более высокую скорость работы процессоров с менее быстродействующей памятью, сняв часть нагрузки с кэш-памяти.

Заметной вехой в ряду усовершенствований фон-неймановской архитектуры стоит распараллеливание потоков (Thread Level Parallelism, TLP). Данная технология существует в нескольких версиях; среди них -одновременная многопоточность (Simultaneous Multithreading, SMT) имногопоточность на уровне кристалла (Сhip-level Multithreading, CMT). Эти два подхода в основном различаются представлением о том, что есть «поток», иначе говоря, по уровню гранулярности потоков.

Хронологически первым процессором, поддерживающим многопоточность, был процессор DEC Alpha EV4 21064. Драматическая судьба этого процессорного семейства была и остается предметом серьезных обсуждений, и, хотя на версии EV7 производство прекратилось, а EV8 и EV9 остались на бумаге, есть основания полагать, что ядро EV7 может возродиться в одном из готовящихся к выпуску многоядерных процессоров. Типичным представителем лагеря SMT является Pentium 4 с его технологией HTT (Hyper-Threading Technology). Процессор поддерживает деление на два потока команд, выбираемых из одной задачи в режиме SMT, что обеспечивает суммарное повышение производительности примерно на 30%. В процессоре UltraSPARC T1, известном прежде под кодовым названием Niagara, потоки образуются из разных задач; никакой одновременности в данном случае нет, каждый поток представляет собой виртуальное ядро процессора.

Итак, все вроде бы замечательно, но результатом усложнения логики оказалась заметная диспропорция в затратах на производительную и вспомогательную составляющие процессоров - собственно арифметико-логическое устройство занимает на них менее 20% площади кристалла.

2. В ходе своего развития полупроводниковые структуры постоянно эволюционируют. Поэтому принципы построения процессоров, количество входящих в их состав элементов, то, как организовано их взаимодействие, постоянно изменяются. Таким образом, CPU с одинаковыми основными принципами строения, принято называть процессорами одной архитектуры. А сами такие принципы называют архитектурой процессора (или микроархитектурой).

Несмотря на это, внутри одной и той же архитектуры некоторые процессоры могут довольно сильно отличаться друг от друга - частотами системной шины, техпроцессом производства, структурой и размером внутренней памяти и т.д.

3. Ни в коем случае нельзя судить о микропроцессоре только по такому показателю, как частота тактового сигнала, которая измеряется мега или гигагерцами. Иногда «проц», у которого тактовая частота меньше, может оказаться более продуктивным. Очень важными являются такие показатели как: количество тактов, которые необходимы для выполнения команды, количество команд, которые он может выполнять одновременно и др.

Оценка возможностей процессора (характеристики)

В быту, при оценке возможностей процессора необходимо обращать внимание на следующие показатели (как правило они указаны на упаковке устройства или в прайс-листе или каталоге магазина):

количество ядер. Многоядерные CPU содержат на одном кристалле (в одном корпусе) 2, 4 и т.д. вычислительных ядра. Увеличение количества ядер – один из самых эффективных способов значительного повышения мощности процессоров. Но необходимо учитывать, что программы, которые не поддерживают многоядерность (как правило это старые программы), на многоядерных процессорах быстрее работать не будут, т.к. не умеют использовать более одного ядра;
размер кеша. Кеш - очень быстрая внутренняя память процессора, используемая им в качестве своеобразного буфера в случае необходимости компенсации «перебоев» во время работы с оперативной памятью. Логично, что, чем больше кеш, тем лучше.
количество потоков – пропускная способность системы. Количество потоков часто не совпадает с количеством ядер. Например, четырехядерный Intel Core i7 работает в 8 потоков и по своей производительности опережает многие шестиядерные процессоры;
тактовая частота – величина, которая показывает, сколько операций (тактов) в единицу времени может произвести процессор. Логично, что, чем больше частота, тем больше операций он может выполнить, т.е. тем производительнее получается.
скорость шины, при помощи которой CPU соединен с системным контроллером, находящимся на материнской плате.
техпроцесс – чем он мельче, тем меньше энергии процессор потребляет и, значит, меньше греется.

Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.

Что такое центральный процессор?

Из чего состоит процессор?

Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру.

Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.

Основные характеристики

Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя. Прежде всего это:

количество ядер;
число потоков;
размер кэша (внутренней памяти);
тактовая частота;
быстрота шины.

Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.

На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная является всего лишь усредненным показателем.

Количество ядер - показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками - количество ядер и потоков могут не совпадать). За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность.

Как работает процессор: обработка команд

Теперь немного о структуре исполняемых команд. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие - операционную и операндную.

Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор. Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:

выработка;
дешифрование;
выполнение команды;
обращение к памяти самого процессора
сохранение результата.

Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти.

Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления).

Выполняемые операции

Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три основные задачи:

математические действия на основе арифметико-логического устройства;
перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой;
принятие решения по исполнению команды, и на его основе - выбор переключения на выполнения других наборов команд.

Взаимодействие с памятью (ПЗУ и ОЗУ)

В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт.

Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа. Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя.

Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе.

Как проверить, работает ли процессор?

Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.

Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает). Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z.

Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого (msconfig) и дополнительные параметры загрузки.

Возможные проблемы

Наконец, несколько слов о проблемах. Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное. Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры).

Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор - «умирает» вся компьютерная система.

Пользователи компьютеров очень часто путают между собой такие два понятия как системный блок и процессор, называя первый - вторым. Это в корне неправильно. Сам процессор - это устройство, предназначенное для управления работой по заранее заданной последовательности команд, которая называется программой, и для выполнения операций по обработке информации.

Кроме того, есть и другие устройства с похожим названием. Например, текстовый процессор предназначен для создания документов и их форматирования. К такому типу программ относится Microsoft Word.

Что это такое?

А само устройство, являющееся мозгом компьютера, еще называют микропроцессором. Для чего предназначен процессор в компьютере? Это такая которая управляет работой персонального компьютера. Создается такая схема на одном или нескольких кристаллах, сделанных из полупроводника при помощи очень сложной технологии, относящейся к сфере микроэлектроники.

Все то что может делать компьютер с информацией, определено самого процессора. Они входят в инструкции по управлению работой компьютера. Одна отдельно взятая команда - это одна операция, выполняемая вычислительной машиной. Например, выполнение арифметических действий, определение последовательности команд для выполнения, передача информации из памяти одного устройства в память другого.

Таков краткий ответ на вопрос, для чего предназначен процессор.

Устройство

Так как процессор - это устройство, предназначенное для обработки данных, он состоит из следующих элементов:

арифметико-логическое устройство;
устройство управления;
регистры памяти.

Устройство управления, как понятно из его названия, по заданной программе управляет всеми узлами компьютера. Оно извлекает каждую последующую команду из регистра, узнает из нее, какую операцию нужно выполнить, и в какой последовательности. Это своеобразный дирижер, управляющий целым оркестром. А музыкальной композицией служит как раз программа.

Составные части

Арифметико-логическое устройство - это инструмент для вычислений, которое, следуя программам, выполняет операции, связанные с арифметикой и логикой.

Регистры являются внутренней памятью центрального процессора. Один регистр можно сравнить с черновиком, с помощью которого устройство производит расчеты и хранит их результаты. Каждый из регистров имеет свое собственно назначение.

Допустим, процессор должен сложить два каких-то числа. Для выполнения этой операции в первую очередь ему нужно взять из памяти первое слагаемое, потом - второе, сложить эти два значения, а сумму вновь переслать в оперативную память компьютера.

Ясно, что оба слагаемых и результат должны процессором где-то храниться. Для этой цели предназначена ячейка, входящая непосредственно в сам процессор, называемая аккумулятором или сумматором. Так как процессор предназначен для данных и их обработки, он должен понимать, из какой ячейки памяти нужно брать следующую команду. Это он узнает из другой своей внутренней ячейки, которая называется счетчиком. Команда, которая извлекается из оперативной памяти, размещается в еще одной ячейке - регистре команд. Из него результат выполненной команды можно перенести уже в оперативную память.

Виды регистров

Регистры бывают нескольких видов. Они отличаются друг от друга видом операций, которые выполняют. Самые важные регистры обладают собственными названиями:

Счетчик команд - это регистр, содержащий адрес следующей команды, которую нужно выполнить. Он служит для автоматического выбора программы из набора связанных ячеек памяти.
Сумматор - принимает участие при выполнении всех операций.
Регистр команд. В нем хранится команда на тот период времени, который нужен для выполнения.

Шина данных

Процессор компьютера предназначен для работы с информацией. Все его устройства постоянно ею между собой обмениваются. А делают они это при помощи элемента, который называется внутренняя шина данных. В современных центральных процессорах есть и другие части, но необходимым минимумом является вышеописанный набор устройств.

Машинный цикл и его схема

Данный процесс, как правило, состоит из следующих шагов:

Выбирается команда из ячейки, адрес которой сохранен в регистре-счетчике. Его содержимое при этом увеличивается на значение длины этой команды.
Далее она отправляется в устройство управления, попадая в его регистр команд.
Адресное поле, принадлежащее команде, расшифровывается устройством управления.
Последнее дает сигнал, и данные считываются из оперативной памяти, попадая уже в арифметико-логическое устройство.
Устройством управления расшифровывается код выполняемой операции и в арифметико-логическое устройство подается сигнал о выполнении этого действия над данными, которые в таком случае называются операндами.
Результат выполнения операции может сохраниться в самом центральном процессоре или же передается в память, в случае, когда имеется адрес, по которому должен находиться результат.
Все вышеперечисленные шаги выполняются до тех пор, пока не будет дан стоповый сигнал.

Характеристики

Итак, для чего предназначен процессор, ясно: для выполнения команд из заданной программы. Для этого он обладает следующими характеристиками:

Тактовая частота. Центральный процессор тесно связан с генератором которым вырабатываются импульсы. Они синхронизируют между собой работу всех элементов компьютера. Равняется эта характеристика числу тактов за одну секунду. Один такт - это отрезок времени, находящийся между первым импульсом и вторым. Измеряется тактовая частота в мегагерцах.
Разрядность. Это максимальное значение, отвечающее за число разрядов образованного и передаваемого процессором в одно и то же время. Эта характеристика определена разрядностью его регистров.
Адресное пространство. К нему относится тот диапазон адресов, к которым обращается процессор, применяя адресный код.

Благодаря вышесказанному можно четко определиться, для чего предназначен процессор. Это мозг компьютера, без которого он совершенно ни к чему не пригоден. Разве только для украшения интерьера.