Пособие для начинающих: Центральный процессор и его характеристики. Как процессор влияет на производительность компьютера

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.

В наши дни процессоры играют особую роль только в рекламе, всеми силами стараются убедить, что именно процессор в компьютере является решающим компонентом, особенно такой производитель как Intel. Возникает вопрос: что такое современный процессор, да и вообще, что такое процессор?

Долгое время, а если быть точнее, то вплоть до 90 х годов производительность компьютера определял именно процессор. Процессор определял всё, но сегодня это не совсем так.

Не всё определяется центральным процессором, а процессоры от Intel не всегда предпочтительны чем от AMD. В последнее время заметно возросла роль других компонентов компьютера, а в домашних условиях процессоры редко становятся самым узким местом, но также, как и другие компоненты компьютера нуждаются в дополнительном рассмотрение, по тому что без него не может существовать ни одна вычислительная машина. Сами процессоры давно не удел нескольких видов компьютера , так как и разнообразие компьютеров стало больше.

Процессор (центральный процессор) - это очень сложная микросхема обрабатывающая машинный код, отвечающая за выполнение различных операций и управление компьютерной периферии .

Для краткого обозначения центрально процессора принята аббревиатура — ЦП, а также очень распространено CPU - Central Processing Unit, что переводится как центральное обрабатывающее устройство.

Использование микропроцессоров

Такое устройство как процессор интегрируется практически в любой электронной техники, что говорить о таких устройствах как телевизор и видеоплейер, даже в игрушках, а смартфоны сами по себе уже являются компьютерами, хоть и отличающимися по конструкции.

Несколько ядер центрального процессора могут совершенно разные задачи выполнять независимо друг от друга. Если компьютер выполняет только одну задачу, то и её выполнение ускоряется за счёт распараллеливания типовых операций. Производительность может приобрести довольно чёткую черту.

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 обыкновенно компьютере его найти не удастся.

Разъём установки процессора (Soket)

Понимание того, что современные технологии не на столько продвинуты, что процессор сможет получать информацию на расстояние, не переменно он должен крепиться, крепиться к материнской плате, устанавливаться в неё и с ней взаимодействовать. Это место крепление называется Soket и подойдёт только для определённого типа или семейства процессоров, которое у разных производителей тоже различны.

Что такое процессор: архитектура и технологический процесс

Архитектура процессора - это его внутреннее устройство, различное расположение элементов так же обуславливает его характеристики. Сама архитектура присуща целому семейству процессоров, а изменения, внесённые и направленные на улучшения или исправления ошибок, имеют название степпинг.

Технологический процесс определяет размер комплектующих самого процессора и измеряется в нанометрах (нм), а меньшие размеры транзисторов определяют меньший размер самого процессора, на что и направлена разработка будущих CPU.

Энергопотребление и тепловыделение

Само энергопотребление на прямую зависит от технологии, по которым производятся процессоры. Меньшие размеры и повышенные частоты прямо пропорционально обуславливают энергопотребление и тепловыделение.

Для понижения энергопотребления и тепловыделения выступает энергосберегающаяавтоматическая система регулировки нагрузки на процессор, соответственно при отсутствии в производительности какой-либо необходимости. Высокопроизводительные компьютеры в обязательном порядке имеют хорошую системы охлаждения процессора.

Подводя итоги материала статьи - ответа на вопрос, что такое процессор:

Процессоры наших дней имеют возможность многоканальной работы с оперативной памятью, появляются новые инструкции, в свою очередь благодаря которым повышается его функциональный уровень. Возможность обработки графики самим процессором обеспечивает понижение стоимости, как на сами процессоры, так и благодаря им на офисные и домашние сборки компьютеров. Появляются виртуальные ядра для более практичного распределения производительности, развиваются технологи, а вместе с ними компьютер и такая его составляющая как центральный процессор.

Вероятно, выбирая компьютер и изучая его характеристики вы заметили, что такому пункту как процессор придают большое значение. Почему именно ему, а не модели , блока питания, или ? Да, это тоже важные компоненты системы и от их правильного подбора также многое зависит, однако характеристики ЦП напрямую и в большей степени влияют на скорость и производительность ПК. Давайте разберем значение этого устройства в компьютере.

А начнем с того, что уберем процессор из системного блока. В итоге компьютер не будет работать. Теперь понимаете, какую роль он играет? Но давайте более детально изучим вопрос и узнаем что такое процессор компьютера.

Что такое процессор компьютера

Вся суть в том, что центральный процессор (его полное название) – как говорят, самое настоящее сердце и одновременно мозг компьютера. Пока он работает, работают и все остальные составляющие системного блока и подключенная к нему периферия. Он отвечает за обработку потоков различных данных, а также регулирует работу частей системы.

Более техническое определение можно найти в Википеди:

Центральный процессор - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

В жизни ЦПУ имеет вид небольшой квадратной платы размером со спичечный коробок толщиной в несколько миллиметров, верхняя часть которого как, как правило, прикрыта металлической крышкой (в настольных версиях), а на нижней расположено множество контактов. Собственно, дабы не распинаться, посмотрите следующие фотографии:

Без команды, отданной процессором, не может быть произведена даже такая простая операция, как сложение двух чисел, или запись одного мегабайта информации. Все это требует немедленного обращения к ЦП. Что уж до более сложных задач, таких как запуск игры, или обработка видео.

К словам выше стоит добавить, что процессоры могут выполнять и функции видеокарты. Дело в том, что в современных чипах отведено место для видеоконтроллера, который выполняет все необходимые от нее функции, а как видеопамять использует . Не стоит думать, что встроенные графические ядра способны конкурировать с видеокартами хотя бы среднего класса, это больше вариант для офисных машин, где мощная графика не нужна, но все же потянуть что-то слабое им по зубам. Главным же достоинством интегрированной графики является цена — все же отдельную видеокарту покупать не нужно, а это существенная экономия.

Как работает процессор

В предыдущем пункте было разобрано, что такое процессор и для чего он нужен. Самое время посмотреть на то, как это работает.

Деятельность ЦП можно представить последовательностью следующих событий:

Из ОЗУ, куда загрузилась определенная программа (допустим текстовый редактор), управляющий блок процессора извлекает необходимые сведения, а также набор команд, которые обязательно нужно выполнить. Все это отправляется в буферную память (кэш) ЦП;
Выходящая из кэш-памяти информация разделяется на два вида: инструкции и значения , которые отправляются в регистры (это такие ячейки памяти в процессоре). Первые идут в регистры команд, а вторые в регистры данных;
Информацию из регистров обрабатывает арифметико-логическое устройство (часть ЦПУ, которая выполняет арифметические и логические преобразования поступающих данных), которое из них считывает информацию, а за тем исполняет необходимые команды над получившимися в итоге числами;
Получившиеся результаты, разделяющиеся на законченные и незаконченные , идут в регистры, откуда первая группа отправляется в кэш-память ЦП;
Этот пункт начнем с того, что есть два основных уровня кэша: верхний и нижний . Последние полученные команды и данные, нужные для выполнения расчетов, поступают в кэш верхнего уровня, а неиспользуемые отправляются в кэш нижнего уровня. Этот процесс идёт следующим образом — вся информация идёт с третьего уровня кэша на второй, а потом попадает на первый, с не нужными на текущий момент данными и их отправкой на нижний уровень все обстоит наоборот;
По окончанию вычислительного цикла, конечный итог будет записан в оперативной памяти системы, для освобождения места кэш-памяти ЦП для новых операций. Но может произойти так, что буферная память будет переполнена, тогда неэксплуатируемые данные пойдут в оперативную память, или на нижний уровень кэша.

Поэтапные шаги вышеприведенных действий являются операционным потоком процессора и ответом на вопрос – как работает процессор.

Виды процессоров и основные их производители

Существует множество видов процессоров от слабых одноядерных, до мощных многоядерных. От игровых и рабочих до средних по всем параметрам. Но, есть два основных лагеря ЦП – AMD и знаменитые Intel. Это две компании, производящие самые востребованные и популярные микропроцессоры на рынке. Основное различие между продукцией AMD и Intel – не количество ядер, а архитектура – внутреннее строение. Каждый из конкурентов предлагает свое строение «внутренностей», свой вид процессора, кардинально отличающуюся от конкурента.

У продуктов каждой из сторон есть свои плюсы и минусы, предлагаю кратко ознакомиться с ними поближе.

Плюсы процессоров Intel :

Обладает более низким потреблением энергии;
Разработчики больше ориентируются на Интел, чем на АМД;
Лучше производительность в играх;
Связь процессоров Интел с ОЗУ реализована лучше, нежели у АМД;
Операции, осуществляемые в рамках только одной программы (на пример разархивирование) идут лучше, АМД в этом плане поигрывает.

Минусы процессоров Intel :

Самый большой минус – цена. ЦП от данного производителя зачастую на порядок выше чем у их главного конкурента;
Производительность снижается при использовании двух и более «тяжелых» программ;
Интегрированные графические ядра уступают АМД;

Плюсы процессоров AMD :

Самый большой плюс — самый большой минус Intel – цена. Вы можете купить хороший середнячок от AMD, который будет на твердую 4, а может даже и 5 тянуть современные игры, при этом стоить он будет намного ниже чем аналогичный по производительности процессор от конкурента;
Адекватное соотношение качества и цены;
Обеспечивают качественную работу системы;
Возможность разгона процессора, повышая тем самым его мощность на 10-20%;
Интегрированные графические ядра превосходят Интел.

Минусы процессоров AMD :

Процессоры от АМД хуже взаимодействуют с ОЗУ;
Энергопотребление больше, чем у Интел;
Работа буферной памяти на втором и третьем уровне идёт на более низкой частоте;
Производительность в играх отстает от показателей конкурента;

Но, несмотря на приведенные достоинства и недостатки, каждая из компаний продолжает развиваться, их процессоры с каждым поколением становятся мощнее, а ошибки предыдущей линейки учитываются и исправляются.

Основные характеристики процессоров

Мы рассмотрели, что такое процессор компьютера, как он работает. Ознакомились с тем, что из себя представляют два основных их вида, время обратить внимание на их характеристики.

Итак, для начала их перечислим: бренд, серия, архитектура, поддержка определенного сокета, тактовая частота процессора, кэш, количество ядер, энергопотребление и тепловыделение, интегрированная графика. Теперь разберем с пояснениями:

Бренд – кто производит процессор: AMD, или Intel. От данного выбора зависит не только цена приобретения, и производительность, как можно было бы предположить из предыдущего раздела, но также и выбор остальных комплектующих ПК, в частности, материнской платы. Поскольку процессоры от АМД и Интел имеют различную конструкцию и архитектуру, то в сокет (гнездо для установки процессора на материнской плате) предназначенный под один тип процессора, нельзя будет установить второй;
Серия – оба конкурента делят свою продукцию на множество видов и подвидов. (AMD — Ryzen, FX,. Intel- i5, i7);
Архитектура процессора – фактически внутренние органы ЦП, каждый вид процессоров имеет индивидуальную архитектуру. В свою очередь один вид можно разделить на несколько подвидов;
Поддержка определенного сокета - очень важная характеристика процессора, поскольку сам сокет является «гнездом» на материнской плате для подсоединения процессора, а каждый вид процессоров требует соответствующий ему разъем. Собственно об этом было сказано выше. Вам либо нужно точно знать какой сокет расположен на вашей материнской плате и под нее подбирать процессор, либо наоборот (что более правильно);
Тактовая частота – один из значимых показателей производительности ЦП. Давайте ответим на вопрос что такое тактовая частота процессора. Ответ будет простым для этого грозного термина — объем операций выполняющихся в единицу времени, измеряющийся в мегагерцах (МГц);
Кэш - установленная прямо в процессор память, её ещё называют буферной памятью, имеет два уровня — верхний и нижний. Первый получает активную информацию, второй – неиспользуемую на данный момент. Процесс получения информации идет с третьего уровня во второй, а потом в первый, ненужная информация проделывает обратный путь;
Количество ядер - в ЦП их может быть от одного до нескольких. В зависимости от количества процессор будет называться двухъядерных, четырех ядерным и т.д. Соответственно от их числа будет зависеть мощность;
Энергопотребление и тепловыделение. Тут все просто – чем выше процессор «съедает» энергии, тем больше тепла он выделит, обращайте внимание на этот пункт, чтобы выбрать соответствующий кулер охлаждения и блок питания.
Интегрированная графика – у AMD первые такие разработки появились в 2006, у Intel с 2010. Первые показывают больший результат, чем конкуренты. Но все равно, до флагманских видеокарт пока ни один из них не смог дотянуть.

Выводы

Как вы уже поняли центральный процессор компьютера играет важнейшую роль в системе. В сегодняшней статье мы с вами разобрали, что такое процессор компьютера, что такое частота процессора, какие они бывают и для чего нужны. Как сильно одни ЦП отличаются от других, какие виды процессоров бывают. Поговорили о плюсах и минусах продукции двух конкурирующих между собой кампаний. Но с какой характеристикой процессор будет стоять в вашем системном блоке решать только вам.

В данной статье мы расскажем о том, что такое центральный процессор и как он работает.

Центральный процессор или процессор – один из самых важных компонентов, который мы можем найти практически во всех современных высокотехнологичных устройствах.

Однако у большинства из нас есть довольно плохие представления о том, что они делают и как они это делают, о том, как они стали сложными технологическими чудесами, каковы основные современные типы.

Итак, сегодня мы попытаемся подробно рассказать о самых важных аспектах различных компонентов, которые дают жизнь всем тем устройствам, которые помогают нам наслаждаться более высоким качеством жизни.

Что такое центральный процессор?

Хотя нельзя сказать, что в компьютере есть одна самая важная часть, так как более одного из них абсолютно необходимы для его работы, центральный процессор или процессор можно считать краеугольным камнем этих машин. И именно этот компонент отвечает за вычисления, упорядочивание или обработку, концепции, которые определяют современные компьютеры и ноутбуки.

В настоящий момент они представляют собой сложные технологии, разработанные с использованием микроскопических архитектур, большинство из которых представлены в виде одного чипа, довольно небольшого, оттуда они назывались микропроцессорами несколько десятилетий назад.

Сегодня процессоры находятся практически в каждом объекте, который мы используем в наши дни: телевизоры, смартфоны, микроволновые печи, холодильники, автомобили, звуковое оборудование и, конечно же, персональные компьютеры. Тем не менее, это были не всегда чудеса технологий, которыми они являются сейчас.

История возникновения процессоров

Было время, когда процессоры состояли из огромных арматов, которые вполне могли заполнить комнату. Эти первые шаги компьютерной инженерии в основном состояли из пустых трубок, которые, хотя в то время были значительно более мощными для альтернатив, образованных электромеханическими реле, сегодня 4 МГц, которые, по большей мере, они достигали, казались нам смехом.

С появлением транзисторов в 50-х и 60-х годах началось создание процессоров, в дополнение к меньшим и более мощным, а также намного более надежным, поскольку машины, созданные вакуумными трубами, как правило, имели средний отказ каждые 8 часов.

Однако, когда мы говорим о сокращении, мы не имеем в виду, что они вписываются в ладонь. И все еще большие процессоры состояли из десятков печатных плат, которые были связаны друг с другом, чтобы обеспечить жизнь одному процессору.

После этого появилось изобретение интегральной схемы, которая в основном связывала все в одной печатной плате или пластине, что стало первым шагом к достижению современного микропроцессора. Первые интегральные схемы были очень простыми, поскольку они могли группировать только несколько транзисторов, но на протяжении многих лет получилось добиться экспоненциального роста числа транзисторов, которые можно было бы добавить в интегральную схему, к середине шестидесятых годов. Мы уже имели первых сложные процессоры, которые состояли из одной пластины.

Первый микропроцессор как таковой будет представлен на рынке уже в 1971 году, это был Intel 4004, а с тех пор остальное – история. Благодаря быстрой эволюции этих небольших чипов и их большой гибкости они полностью монополизировали компьютерный рынок, поскольку, за исключением очень специфических приложений, требующих высокоспециализированного оборудования, они являются ядром практически всех современных компьютеров.

Как работает центральный процессор (ЦП)?

Упрощение до крайности и в дидактических терминах работа процессора дается четырьмя фазами. Эти фазы необязательно всегда раздельны, но обычно перекрываются и всегда происходят одновременно, но не обязательно для конкретной функции.

На первом этапе процессор отвечает за загрузку кода из памяти. Другими словами, прочитайте данные, которые необходимо обработать позже. В этой первой фазе существует общая проблема в архитектуре процессоров и заключается в том, что существует максимум данных, которые могут считываться по периоду времени и обычно уступают тем, которые могут быть обработаны.

Во второй фазе происходит первый этап обработки как таковой. Информация, прочитанная на первом этапе, анализируется в соответствии с набором инструкций. Таким образом, в пределах прочитанных данных будут описательные фракции для набора инструкций, которые укажут, что делать с остальной информацией. Чтобы привести практический пример, есть код, который указывает, что данные пакета должны быть добавлены вместе с данными другого пакета, причем каждый пакет представляет собой информацию, которая описывает число, посредством чего получается общая арифметическая операция.

Затем идет фаза, которая продолжается со свободной обработкой, и отвечает за выполнение команд, декодированных на второй фазе.

Наконец, процесс завершается фазой записи, где снова загружается информация, только на этот раз от процессора к памяти. В некоторых случаях информация может быть загружена в память процессора, которая будет повторно использована позже, но как только обработка конкретной работы будет завершена, данные всегда заканчиваются записью в основную память, где она может быть записана в блок хранения, в зависимости от приложения.

Основные современные архитектуры процессоров

Как мы уже говорили, функция процессора заключается в интерпретации информации. Данные загружаются из разных систем памяти в виде двоичного кода, и именно этот код должен быть преобразован процессором в полезные данные приложениями. Указанная интерпретация реализуется с помощью набора инструкций, что и определяет архитектуру процессора.

В настоящее время в основном используются две архитектуры RISC и CISC. RISC дает жизнь процессорам, разработанным британской фирмой ARM, которая с ростом мобильных устройств значительно выросла. Кроме того, PowerPC, архитектура, которая дала жизнь компьютерам Apple, серверам и консолям Xbox 360 и PlayStation 3, основана на RISC. CISC – это архитектура, используемая в процессорах AMD Intel и X86-64 X86.

Что касается архитектуры, которая лучше, то всегда говорилось, что быть более чистым и оптимизированным RISC будет будущее вычислений. Тем не менее, Intel и AMD никогда не поддавались на изгибе и сумели создать очень прочную экосистему вокруг своих процессоров, которые, хотя и сильно загрязнены устаревшими элементами обратной совместимости, всегда поддерживали своих конкурентов.

В целом, благодаря своей гибкости и относительной простоте производства, в течение нескольких лет больше процессоров останется центральным элементом современных вычислений. Но мы всегда должны помнить, что с течением лет развиваются параллельные технологии, которые помогают децентрализовать нагрузку, и сегодня более чем когда-либо графические процессоры, более мощные, но менее гибкие, начали приобретать почти такое же значение.

Видео: Что такое CPU [Центральный Процессор, ЦП] – Быстро и Понятно!

Прекрасно знают основные составляющие компьютера, но мало кто понимает, из чего состоит процессор. А между тем это главное устройство системы, которое выполняет арифметические и логические операции. Основная функция процессора состоит в получении информации, ее обработке и отдаче конечного результата. Звучит все просто, но на самом деле процесс этот сложный.

Из чего состоит процессор

ЦП ‒ это миниатюрная кремниевая пластина прямоугольной формы, которая содержит миллионы транзисторов (полупроводников). Именно они реализуют все функции, которые выполняет процессор.

Почти все современные процессоры состоят из следующих компонентов:

Несколько ядер (редко 2, чаще 4 или 8), которые выполняют все функции. По сути, ядро представляет собой отдельный миниатюрный процессор. Несколько интегрированных в основной чип ядер параллельно работают над задачами, что ускоряет процесс обработки данных. Однако не всегда большее количество ядер означает более быструю работу чипа.
Несколько уровней памяти КЭШ (2 или 3), благодаря чему время взаимодействия ОЗУ и процессора сокращается. Если информация находится в КЭШе, то время доступа к ней минимизировано. Следовательно, чем большим будет объем КЭШа, тем больше информации в него поместится и тем быстрее будет сам процессор.
Контроллер ОЗУ и системной шины.
Регистры ‒ ячейки памяти, где хранятся обрабатываемые данные. Они всегда имеют ограниченный размер (8, 16 или 32 бит).
Сопроцессор. Отдельное ядро, которое предназначается для выполнения операций определенного типа. Чаще всего в виде сопроцессора выступает графическое ядро (видеокарта).
Адресная шина, которая связывает чип со всеми подключенными к материнской плате устройствами.
Шина данных - для связи процессора с оперативной памятью. По сути, шина представляет собой набор проводников, посредством которых передается или принимается электрический сигнал. И чем больше будет проводников, тем лучше.
Шина синхронизации - позволяет контролировать такты и частоту работы процессора.
Шина перезапуска - обнуляет состояние чипа.

Все эти элементы принимают участие в работе. Однако самым главным среди них, безусловно, является именно ядро. Все остальные указанные составляющие лишь помогают ему выполнять основную задачу. Теперь, когда вы понимаете, из чего состоит процессор, можно более детально рассмотреть его основной компонент.

Ядра

Говоря о том, из чего состоит центральный процессор, в первую очередь нужно упомянуть ядра, так как именно они представляют собой основные его части. Ядра включают в себя функциональные блоки, выполняющие арифметические или логические операции. В частности, можно выделить:

Блок выборки, декодирования и выполнения инструкций.
Блок сохранения результатов.
Блок счетчика команд и т.д.

Как вы поняли, каждый из них выполняет определенную задачу. Например, блок выборки инструкций считывает их по указанному в счетчике команд адресу. В свою очередь, блоки декодирования определяют, что именно надо сделать процессору. В совокупности работа всех этих блоков и позволяет добиться выполнения указанной пользователем задачи.

Задача ядер

Отметим, что ядра могут выполнять только математические расчеты и операции сравнения, а также перемещать данные между ячейками ОЗУ. Впрочем, этого хватает, чтобы пользователи могли играть в игры на компьютере, смотреть фильмы, просматривать веб-страницы.

По сути, любая компьютерная программа состоит из простых команд: сложить, умножить, переместить, поделить, перейти к инструкции при выполнении условия. Конечно, это лишь примитивные команды, однако их объединение между собой позволяет создать сложную функцию.

Регистры

Из чего состоит процессор еще, кроме ядер? Регистры - второй важный его компонент. Как вы уже знаете, это быстрые ячейки памяти, где находятся обрабатываемые данные. Они бывают разными:

A, B, C - используются для хранения информации во время обработки. Их всего три, но этого достаточно.
EIP - в этом регистре хранится адрес следующей в очереди инструкции.
ESP - адрес данных в ОЗУ.
Z - здесь находится результат последней операции сравнения.

Этими регистрами процессор не ограничивается. Есть и другие, однако указанные выше являются самыми главными - именно ими чаще всего пользуется чип для обработки данных во время выполнения той или иной программы.

Заключение

Теперь вы знаете, из чего состоит процессор и какие его модули являются основными. Подобный состав чипов не является постоянным, так как они постепенно совершенствуются, добавляются новые модули, усовершенствуются старые. Однако сегодня то, из чего состоит процессор, его назначение и функционал являются именно такими, как описано выше.

Описанный выше состав и приблизительный принцип работы систем процессора упрощены до минимума. На самом деле весь процесс является более сложным, но для его понимания необходимо получать соответствующее образование.