راهنمای مبتدیان: واحد پردازش مرکزی و مشخصات آن. چگونه پردازنده بر عملکرد رایانه تأثیر می گذارد

سخنرانی 6. روند توسعه پردازنده ها.مnOجیاویادهpHسو غیرهOجessOآرشنnOVستیهایکسnاوهجیوو چند هسته ایآرکار کردندآnnس

CPU

واحد پردازش مرکزی به طور کلی شامل موارد زیر است:

واحد حسابی-منطقی;

گذرگاه های داده و گذرگاه های آدرس؛

ثبت ها؛

شمارنده های فرمان؛

حافظه پنهان - حافظه کوچک بسیار سریع (از 8 تا 512 کیلوبایت)؛

پردازنده مشترک ریاضی ممیز شناور

پردازنده های مدرن به شکل پیاده سازی شده اند ریزپردازنده ها . از نظر فیزیکی، یک ریزپردازنده است مدار مجتمع- یک صفحه نازک از سیلیکون کریستالی مستطیلی شکلبا مساحت تنها چند میلی متر مربع، که مدارهایی بر روی آن قرار می گیرند که تمام عملکردهای پردازنده را انجام می دهند. کریستال ویفر معمولا در یک محفظه تخت پلاستیکی یا سرامیکی قرار می گیرد و توسط سیم های طلایی به پین ​​های فلزی متصل می شود تا بتوان آن را به مادربرد کامپیوتر متصل کرد.

1. بهبود عملکرد پردازنده

برای مدت طولانی، پیشرفت در زمینه ریزپردازنده ها در واقع با مقدار فرکانس ساعت شناسایی می شد. در سال 2001 در طرح های شرکتیتولیدکنندگان ریزپردازنده به این معنا بودند که تا پایان دهه، مانع 10 گیگاهرتز برطرف خواهد شد. افسوس که این نقشه ها اشتباه بود. کسی که روی معماری های چند هسته ای شرط بندی کرده بود، درست می گفت.

اولین پردازنده دو هسته ای از خانواده پاور توسط IBM عرضه شد. امروزه پردازنده های چند هسته ای توسط Sun Microsystems (هشت هسته UltraSPARC T1) و همچنین اینتل و AMD ارائه می شوند.

قانون مور بیان می کند که تعداد ترانزیستورهای قرار داده شده بر روی یک تراشه نیمه هادی هر دو سال یکبار دو برابر می شود که از یک سو منجر به افزایش عملکرد و از سوی دیگر به کاهش هزینه ساخت ریز مدارها می شود. علیرغم اهمیت و اثربخشی این قانون طی سالیان متمادی، ارزیابی چشم انداز توسعه بیشتر، هر از چند گاهی شکست اجتناب ناپذیر آن را پیش بینی می کرد.

به عنوان موانعی بر سر راه پیشرفتهای بعدیعوامل ذکر شده عبارتند از محدودیت های ناشی از اندازه فیزیکی، مصرف سرسام آور انرژی و هزینه های گزاف تولید.

برای چندین سال، تنها راه برای بهبود عملکرد پردازنده، افزایش سرعت ساعت آن بود. با گذشت سالها، این عقیده ریشه دوانده است که فرکانس ساعت پردازنده است که شاخص اصلی عملکرد آن است. افزایش فرکانس ساعت در مرحله کنونی کار آسانی نیست. پایان مسابقه سرعت ساعت ریزپردازنده ها با مشکل حل نشده جریان های نشتی و افزایش غیرقابل قبول اتلاف حرارت ریزمدارها به پایان رسید.

عملکرد پردازنده (Performance) نسبت تعداد کل دستورالعمل های اجرا شده است کد برنامهدر زمان اجرا یا تعداد دستورات اجرا شده در هر ثانیه (نرخ دستورالعمل):

بهاولیشطرنجتیکه دروnsتیآردربهچیth =و غیره O و zvo د و تی ه هه n O با تی ب

Vآرهمن درسپموجههیچ کداممن

از آنجایی که مشخصه اصلی پردازنده فرکانس ساعت آن شده است، فرکانس را در عملکرد پردازنده فرمول معرفی می کنیم. صورت و مخرج را در تعداد چرخه هایی که دستورالعمل ها برای آنها اجرا می شوند ضرب کنید:

و غیرهOوzvoدوتیهههnOباتیب= به اولی شطرنج تی که در و n با تی آر در kts و هفتم به اولی ساعت ه با تی که در تی آ به تی ov

بهاولیشطرنجتیکه درتیآبهتیOدرآرهمن درسپموجههیچ کداممن

بخش اول محصول حاصل تعداد دستورالعمل های اجرا شده در هر سیکل ساعت (InstructionPer Clock, IPC) و بخش دوم محصول تعداد چرخه های پردازنده در واحد زمان (فرکانس ساعت پردازنده، F یا فرکانس) است. بنابراین، عملکرد پردازنده نه تنها به فرکانس ساعت آن بستگی دارد، بلکه به تعداد دستورالعمل های اجرا شده در هر ساعت (IPC) نیز بستگی دارد:

و غیرهOوساعتکه دردوتیهههnOباتیb = (Iپج)(اف)

فرمول حاصل تعیین می کند دو صآznسپOدایکسقصیده بهدرVهلوچههیچ کدامیوپroاز جانبکه دردوتیهلبnOباtiپآرOجessopآ. پهrvسهفتم - درVهلوچههیچ کدامه تیآبهکالا ساعتسپس شما پroجessopآ, و دوم – درVهلوچههیچ کدامه بهاولوشطرنجشما که درباتیآردرkciهفتم پrogrاممnوایبهیکیآ، Vسپاولnمنخوردنس ساعتآ یکیوn tآبهتی پroجessopآ.

افزایش فرکانس ساعت نمی تواند بی نهایت باشد و توسط تکنولوژی ساخت پردازنده تعیین می شود. در عین حال، افزایش عملکرد مستقیماً با افزایش فرکانس ساعت متناسب نیست، یعنی زمانی که افزایش بیشتر در فرکانس ساعت بی‌سود می‌شود، تمایل به اشباع وجود دارد.

تعداد دستورالعمل های اجرا شده در طول یک چرخه به ریزمعماری پردازنده بستگی دارد: تعداد واحدهای اجرا، طول خط لوله و کارایی پر کردن آن، در بلوک prefetch، بهینه سازی کد برنامه برای یک ریزمعماری پردازنده داده شده است.

بنابراین، مقایسه عملکرد پردازنده ها بر اساس فرکانس ساعت آنها فقط در همان معماری (با مقدار یکسان تعداد عملیات انجام شده در هر ثانیه -پردازنده های IPC) امکان پذیر است.

مقایسه عملکرد پردازنده ها با معماری های مختلف بر اساس سرعت کلاک معتبر نیست. به عنوان مثال، بر اساس سرعت ساعت، مقایسه عملکرد پردازنده‌هایی با اندازه‌های مختلف حافظه پنهان L2 یا عملکرد پردازنده‌هایی که از فناوری H y p e r - T h re a ding پشتیبانی می‌کنند و پشتیبانی نمی‌کنند، نادرست است.

به دلیل ارزان بودن خاص ترانزیستورها، جبران نقص معماری پردازنده با تعداد آنها امکان پذیر شد، که در نهایت دلیلی برای حفظ طرح سازماندهی سیستم های کامپیوتری پیشنهاد شده در دهه 40 دور، که نام خود را از آن گرفته است، شد. جان فون نویمان. تصور هیچ حوزه فناوری مدرن دیگری که با اعلام دخالت خود در پیشرفت فنی، در ذات خود تا این حد محافظه کار باشد دشوار است. در مورد کاستی‌های ذاتی طرح فون نویمان مطالب زیادی نوشته شده است، اما مهم نیست که اکنون در مورد این موضوع چه می‌گویند، ده سال پیش هیچ استدلالی نمی‌توانست با این باور که صنعت پردازشگر تنها راه درست را بر اساس رشد کمی انتخاب کرده است، مخالفت کند. . کافی است به یاد بیاوریم که چهره های جدید با چه افتخاری بیان می شدند. اعتقاد بر این بود که اگر یک میلیون ترانزیستور کافی نباشد، یک میلیارد می سازیم - "بدون مشکل"، نکته اصلی کاهش اندازه کریستال ها و اتصالات و افزایش فرکانس ساعت است. اما شما باید برای همه چیز هزینه کنید. هر ترانزیستور انرژی مصرف می کند و در نتیجه طبق IDC، امروزه هزینه برق مورد نیاز برای تامین انرژی مراکز داده بیش از 80 درصد هزینه خرید تجهیزات کامپیوتری است و تا چند سال دیگر این ارقام یکسان خواهد شد.

انحراف از اجرای متوالی دستورات و استفاده از چندین واحد اجرایی در یک پردازنده به شما این امکان را می دهد که به طور همزمان چندین دستورالعمل کوچک پردازنده را پردازش کنید، یعنی سازماندهی کنید. پآآرآllelاز جانبمترnآدربرابرکه درباتیآردرkciهفتم(InstructionLevel Parallelism - منLپ) که البته عملکرد کلی را افزایش می دهد.

روش دیگری برای حل این مشکل در معماری VLIW / EPIC IA-64 (دستورالعمل های بسیار طولانی) پیاده سازی شد، جایی که برخی از مشکلات توسط سخت افزار به کامپایلر منتقل می شوند. با این حال، توسعه دهندگان می دانند که معماری برای دستیابی به عملکرد بالا مهم تر است.

با تعداد زیادی بلوک عملکردی ریز مدار و اندازه بزرگ آن، مشکلی در ارتباط با سرعت انتشار سیگنال ایجاد می شود - در یک چرخه، سیگنال ها زمان رسیدن به بلوک های لازم را ندارند. به عنوان یک خروجی ممکن در ریزپردازنده های آلفا، به اصطلاح " بهلآباتیهآرس",جایی کهدرباtroهفتمباشماساعتتیوساعتnOددرblوخندقآلوباب, nOساعتآسپس درnدرسهبهلآستیهخندق رآssتویاهیچ کداممن بوده اممنnywه. می توان گفت که ایده ساخت ریزپردازنده های چند هسته ای توسعه ایده خوشه ها است، اما در این مورد ددرblوآردرهتیبامنجهلikاهم پroجessopnاوه هسته.

یکی دیگر از پیشروهای رویکرد چند هسته ای، فناوری است منntel- اچyپهrتیساعتrهآدیng، جایی که یک کوچک نیز وجود دارد ددرblوخندقآnوه آppآآرآتیدررای ووباپاولبساعتovآهیچ کدامe eVدرایکسپotoبهovکه درباتیآردرسهام, وباپاولبساعتدریوشوx کلههسته است.

یک پردازنده چند هسته ای دو یا چند "هسته اجرایی" دارد. هستهپroجessیا متراوهnO nآساعتVآبودن ههفتم باوباتیهمتردر وباپاولهیچ کدامتیهلنسایکس درباtroهفتمباتلویزیون (nآبور آآروfmهتیikO- ورودوشطرنجکیایکس درباtroهفتمباتلویزیون) , پآرهدnآznآههnnسایکس دلا arrآبوtkو دآnnسایکس. سیستم عامل هر یک از هسته های اجرایی را به عنوان یک پردازنده مجزا با تمام منابع محاسباتی لازم در نظر می گیرد. بنابراین معماری چند هسته ای پردازنده با پشتیبانی از نرم افزار مناسب، اجرای کاملا موازی چندین رشته برنامه را پیاده سازی می کند.

تا سال 2006، تمامی توسعه دهندگان پیشرو ریزپردازنده، پردازنده های دو هسته ای ایجاد کردند. پردازنده‌های RISC دو هسته‌ای از Sun Microsystems (UltraSPARCIV)، IBM (Power4، Power5) و HP (PA-8800 و PA-8900) اولین‌هایی بودند که ظاهر شدند.

AMD و اینتل تقریباً همزمان از عرضه پردازنده‌های دو هسته‌ای x86 خبر دادند.

معماری پردازنده ها به پیچیدگی کافی رسیده است، بنابراین انتقال به پردازنده های چند هسته ای به مسیر اصلی برای بهبود عملکرد سیستم های محاسباتی تبدیل شده است.

ارتقاء مدار فون نیومن

در واقع، معماری فون نویمان یک کامپیوتر تنها امکان ممکن، فضا نیست راه حل های عملیبسیار گسترده تر بنابراین، بر اساس روش های سازماندهی توالی اجرای دستورات و تبادل داده بین پردازنده و حافظه، همه رایانه ها را می توان به چهار کلاس تقسیم کرد:

SISD (داده تک دستورالعملی)- "یک جریان دستورات، یک جریان داده"؛

SIMD (داده های چندگانه یک دستورالعمل)- "یک جریان فرمان، بسیاری از جریان های داده"؛

MISD (داده تک دستورالعمل چندگانه)- "جریان های دستوری زیادی، یک جریان داده"؛

MIMD (داده های چندگانه چند دستورالعمل)- "جریان های دستوری بسیاری، جریان های داده های زیادی"؛

کلاس SISD فرض می‌کند که یک دستور می‌تواند در یک زمان اجرا شود، و فقط می‌تواند روی آن بخش‌هایی از داده‌ها کار کند که آدرس‌های آنها مستقیماً در عملوندهای این دستورالعمل وجود دارد. برعکس، کلاس MIMD شامل ماشین‌هایی است که می‌توانند به طور همزمان دستورات زیادی را با استفاده از داده‌های زیادی اجرا کنند. این طبقه‌بندی به «رده‌بندی فلین» معروف است و به نام مایکل فلین، مهندس و دانشمند برجسته‌ای که آن را پیشنهاد کرده و اکنون استاد دانشگاه استنفورد است، نام‌گذاری شده است. از این نتیجه می شود که ماشین فون نویمان یک مورد خاص است که در کلاس SISD قرار می گیرد. اکثر کامپیوترهای مدرن به این شکل ساخته می شوند. در همین حال، تمام ابررایانه های برتر از ده TOP500 بر اساس طرح MIMD ساخته شده اند.

توضیح افزایش عملکرد پردازنده تنها با افزایش شاخص‌های کمی نادرست است، کاملاً طبیعی است که در طول دهه‌ها چندین ارتقاء عمده پیشنهاد شده است که انحراف از طرح فون نویمان است، اما در مقیاس محدود.

از نظر تاریخی، اولین مورد اختراع پردازنده هایی بود که قادر به انجام عملیات نه بر روی محتویات یک یا چند رجیستر، بلکه بر روی قطعات بزرگتر داده بودند. طبق طبقه بندی فلین، آنها در کلاس SIMD قرار می گیرند. ظاهر آنها با پروژه Solomon (1962، Westinghouse) مرتبط است.

بعدها، اصل مشابهی از کار با داده ها در سازنده ترین ماشین زمان خود، ILLIAC IV (1972) پیاده سازی شد. اگر پردازنده با استفاده از یک دستور بتواند عملیاتی را روی بردارها انجام دهد، آنگاه فراخوانی می شود پردازنده برداری(پردازنده برداری)، و اگر بیش از آرایه ها، پس پردازنده آرایه ای(پردازنده آرایه). متعاقباً، سیمور کری از اصول برداری در طراحی ابررایانه‌های خود استفاده کرد که با Cray-1 شروع شد. امروزه طرح SIMD به طور گسترده در پردازنده های تخصصی طراحی شده برای کنسول های بازی استفاده می شود.

پس از معرفی یک کلاس جدید از پردازنده های برداری، پردازنده های معمولی مجبور شدند آنها را "اسکالر" بنامند تا متمایز شوند. به همین دلیل است که در مرحله بعدی راه حل هایی با نام عجیب و غریب وجود دارد. پردازنده های فوق اسکالرایده superscalar این است که پردازنده به دستورالعمل‌هایی که به اجرا نزدیک می‌شوند نگاه می‌کند و دنباله‌هایی را از بین آنها انتخاب می‌کند که می‌توانند به صورت موازی اجرا شوند. چنین پردازنده هایی قادر به اجرای چندین دستور در یک چرخه هستند و این نوع موازی سازی به عنوان شناخته شده است. موازی سازی در سطح دستورالعمل(توازی سطح آموزش، ILP). بدیهی است که در یک فرکانس معین، یک پردازنده فوق‌اسکالر نسبت به یک اسکالر بهره‌ورتر خواهد بود، زیرا می‌تواند چندین دستور را زیرمجموعه قرار داده و همزمان اجرا کند و آنها را بین واحدهای عملکردی خود توزیع کند. بنیانگذار ایده ILP همان کری بود. او آن را در سال 1965 در کامپیوتر CDC 6600 پیاده‌سازی کرد، سپس ILP در پردازنده‌های Intel i960 (1988) و AMD 29050 (1990) تکثیر شد. بعدها، با شروع Pentium II، ILP و پردازنده هایی با معماری CISC پیدا شدند.

تقریباً در همان زمان - ابتدا در رایانه های بزرگ و بعداً در رایانه های کوچک - ظاهر شد حافظه کش; بعداً ایده ذخیره سازی در راه حل های چند سطحی ایجاد شد که وجود کش های سطح اول و دوم و سپس سطح سوم را فرض می کرد.

اختراع قابل توجه دیگری که کار پردازنده ها را تسریع کرد اعدام فوق العاده(اجرای خارج از دستور، OoO)، که اجرای محدود ایده پردازش است. گردش داده ها(محاسبه جریان داده). اگرچه اولین تلاش ها در این جهت در طول طراحی کامپیوترهای CDC انجام شد، اما اولین پیاده سازی ها در واقع در IBM 360 و سپس در پردازنده های Power1 بود. یکی از مهمترین مزایای اجرای فوق العاده این است که این تکنولوژیبه شما اجازه می دهد تا با حذف مقداری از بار از حافظه نهان، سرعت های بالاتر پردازنده را با حافظه کندتر مطابقت دهید.

یک نقطه عطف قابل توجه در مجموعه ای از پیشرفت ها در معماری فون نویمان است موازی سازی نخ(موازی سطح نخ، TLP). این فناوری در چندین نسخه وجود دارد. در میان آنها - چند رشته ای همزمان(Simultaneous Multithreading, SMT) و چند رشته ای در سطح تراشه(Multithreading در سطح تراشه، CMT). این دو رویکرد عمدتاً در این ایده که یک "جریان" چیست، به عبارت دیگر، از نظر سطح دانه بندی جریان ها متفاوت است.

از نظر زمانی، اولین پردازنده ای که از multithreading پشتیبانی کرد، پردازنده DEC Alpha EV4 21064 بود. سرنوشت دراماتیک این خانواده پردازنده ها موضوع بحث قابل توجهی بوده و هست و اگرچه تولید در نسخه EV7 متوقف شد و EV8 و EV9 روی کاغذ باقی ماندند. دلایلی وجود دارد که باور کنیم هسته EV7 ممکن است در یکی از پردازنده های چند هسته ای آینده احیا شود. نماینده معمولی کمپ SMT پنتیوم 4 با آن است تکنولوژی HTT(فناوری Hyper-Threading). پردازنده از تقسیم به دو جریان دستورالعمل انتخاب شده از یک کار در حالت SMT پشتیبانی می کند که عملکرد کلی را حدود 30% بهبود می بخشد. در UltraSPARC T1، که قبلاً با نام رمز نیاگارا شناخته می‌شد، نخ‌ها از وظایف مختلفی سرچشمه می‌گیرند. در این مورد هیچ همزمانی وجود ندارد، هر رشته یک هسته پردازشگر مجازی است.

بنابراین، به نظر می رسد همه چیز خوب است، اما نتیجه پیچیدگی منطق، عدم تناسب قابل توجهی در هزینه های اجزای سازنده و کمکی پردازنده ها بود - خود واحد منطق حسابی کمتر از 20٪ از مساحت کریستال آنها را اشغال می کند.

امروزه پردازنده ها فقط در تبلیغات نقش ویژه ای ایفا می کنند، آنها تمام تلاش خود را می کنند تا متقاعد شوند که پردازنده در رایانه جزء تعیین کننده است، به خصوص سازنده ای مانند اینتل. این سوال مطرح می شود: پردازنده مدرن چیست و در واقع پردازنده چیست؟

برای مدت طولانی، و دقیق تر، تا دهه 90، این پردازنده بود که عملکرد یک کامپیوتر را تعیین می کرد. پردازنده همه چیز را تعیین کرد، اما امروز این کاملاً درست نیست.

همه چیز توسط CPU تعیین نمی شود و پردازنده های اینتل همیشه بر AMD ترجیح داده نمی شوند. که در اخیرانقش سایر اجزای رایانه به طور قابل توجهی افزایش یافته است و در خانه، پردازنده ها به ندرت به گلوگاه تبدیل می شوند، اما درست مانند سایر اجزای رایانه، آنها نیاز به توجه بیشتری دارند، زیرا بدون آن هیچ یک نمی تواند وجود داشته باشد. ماشین حساب. خود پردازنده‌ها مدت‌هاست که از تعداد زیادی از انواع رایانه‌ها خارج شده‌اند، زیرا تنوع رایانه‌ها بیشتر شده است.

پردازنده (واحد پردازش مرکزی)- این یک تراشه بسیار پیچیده است که کد ماشین را پردازش می کند و مسئول انجام عملیات مختلف و کنترل لوازم جانبی کامپیوتر است.

برای یک نام گذاری کوتاه از واحد پردازش مرکزی، مخفف آن اتخاذ شده است - CPU، و همچنین بسیار رایج است CPU - Central Processing Unit، که به عنوان یک واحد پردازش مرکزی ترجمه می شود.

استفاده از ریزپردازنده ها

چنین دستگاهی به عنوان یک پردازنده تقریباً در هر تجهیزات الکترونیکی ادغام شده است ، در مورد دستگاه هایی مانند تلویزیون و پخش کننده ویدیو ، حتی در اسباب بازی ها چه می توان گفت ، و خود تلفن های هوشمند قبلاً رایانه هستند ، اگرچه در طراحی متفاوت هستند.

چند هسته CPU می تواند به طور کامل وظایف مختلفمستقل از یکدیگر اجرا کنند. اگر رایانه فقط یک کار را انجام دهد، اجرای آن به دلیل موازی سازی عملیات معمولی تسریع می شود. عملکرد می تواند خط کاملاً واضحی داشته باشد.

ضریب ضرب کننده فرکانس داخلی

سیگنال‌ها می‌توانند در داخل تراشه پردازنده با فرکانس بالا به گردش درآیند، اگرچه پردازنده‌ها هنوز نمی‌توانند اجزای خارجی رایانه را با همان فرکانس کنترل کنند. از این نظر فرکانس عملکرد مادربرد به تنهایی و فرکانس پردازنده متفاوت است.

فرکانسی که پردازنده از مادربرد دریافت می کند را می توان فرکانس مرجع نامید که به نوبه خود آن را در ضریب داخلی ضرب می کند که منجر به فرکانس داخلی به نام ضریب داخلی می شود.

قابلیت های ضریب ضرب کننده فرکانس داخلی اغلب توسط اورکلاک ها برای آزاد کردن پتانسیل اورکلاک پردازنده استفاده می شود.

حافظه نهان پردازنده

پردازنده داده ها را برای کارهای بعدی از RAM دریافت می کند، اما در داخل تراشه های پردازنده، سیگنال ها با مقدار بسیار زیادی پردازش می شوند. فرکانس بالاو تماس با ماژول های RAM با فرکانس چند برابر کمتر انجام می شود.

ضریب بالای ضریب ضریب فرکانس داخلی زمانی مؤثرتر می شود که تمام اطلاعات در داخل آن باشد، مثلاً در مقایسه با RAM، یعنی از خارج.

سلول های کمی در پردازنده برای پردازش داده ها وجود دارد که رجیستر نامیده می شوند، معمولاً تقریباً هیچ چیز در آنها ذخیره نمی شود، اما برای سرعت بخشیدن به عملکرد پردازنده و همراه با آن سیستم کامپیوتریفناوری ذخیره سازی یکپارچه شده است.

کش را می توان مجموعه کوچکی از سلول های حافظه نامید که به نوبه خود به عنوان یک بافر عمل می کنند. هنگام خواندن از حافظه مشترک، یک کپی در حافظه پنهان CPU ظاهر می شود. این امر ضروری است تا در صورت نیاز به همان داده ها، دسترسی به آن دقیقاً در دسترس باشد، یعنی در بافر، که عملکرد را افزایش می دهد.

حافظه کش در پردازنده های فعلی شکل هرمی دارد:

1. حافظه نهان سطح 1 - کوچکترین در حجم، اما در عین حال سریعترین در سرعت، بخشی از تراشه پردازنده است. تولید شده با استفاده از فناوری های مشابهی که پردازنده ثبت می کند، بسیار گران است، اما به دلیل سرعت و قابلیت اطمینان آن ارزش آن را دارد. اگرچه در صدها کیلوبایت اندازه گیری می شود که بسیار کوچک است، اما نقش بسیار زیادی در عملکرد دارد.
2. حافظه نهان سطح 2 - درست مانند سطح 1، روی تراشه پردازنده قرار دارد و در فرکانس هسته آن کار می کند. در پردازنده های مدرن از صدها کیلوبایت تا چندین مگابایت اندازه گیری می شود.
3. حافظه نهان سطح 3 نسبت به سطوح قبلی این نوع حافظه ها کندتر است، اما سرعت آن از رم بیشتر است که مهم است و با ده ها مگابایت اندازه گیری می شود.

اندازه کش L1 و L2 بر عملکرد و هزینه پردازنده تأثیر می گذارد. سطح سوم حافظه نهان نوعی امتیاز در عملکرد رایانه است، اما هیچ یک از تولیدکنندگان ریزپردازنده عجله ندارند که از آن غفلت کنند. کش سطح 4 فقط در سیستم های چند پردازنده ای وجود دارد و خود را توجیه می کند، به همین دلیل است که نمی توان آن را در یک کامپیوتر معمولی یافت.

سوکت نصب پردازنده (سوکت)

فهمیدن چی فن آوری های مدرنآنقدر پیشرفته نیست که پردازنده بتواند اطلاعات را از راه دور دریافت کند، نباید متغیر باشد، باید متصل شود، وصل شود مادربرد، آن را نصب کنید و با آن تعامل داشته باشید. این محل نصب سوکت نامیده می شود و فقط برای نوع یا خانواده خاصی از پردازنده ها مناسب است تولید کنندگان مختلفنیز متفاوت هستند.

پردازنده چیست: معماری و گردش کار

معماری پردازنده است سازمان داخلی، چیدمان متفاوت عناصر نیز مشخصه های آن را تعیین می کند. خود معماری در یک خانواده کامل از پردازنده ها ذاتی است و تغییرات ایجاد شده و با هدف بهبود یا رفع خطاها را پله می گویند.

فرآیند تولید اندازه اجزای خود پردازنده را تعیین می‌کند و با نانومتر (nm) اندازه‌گیری می‌شود، و اندازه‌های کوچکتر ترانزیستور، اندازه کوچک‌تر خود پردازنده را تعیین می‌کند، که هدف طراحی CPUهای آینده است.

مصرف برق و اتلاف حرارت

مصرف انرژی خود مستقیماً به فناوری تولید پردازنده ها بستگی دارد. اندازه های کوچکتر و فرکانس های بالانسبت مستقیم با مصرف برق و اتلاف گرما دارد.

برای کاهش مصرف انرژی و اتلاف گرما، یک سیستم خودکار صرفه جویی در انرژی برای تنظیم بار روی پردازنده به ترتیب در صورت عدم نیاز به عملکرد عمل می کند. کامپیوترهای با کارایی بالا در بدون شکستدارند سیستم خوبخنک کننده پردازنده

خلاصه کردن مطالب مقاله - پاسخ به این سوال که پردازنده چیست:

پردازنده های روز ما قابلیت کار چند کاناله را دارند رم، دستورالعمل های جدیدی ظاهر می شود که به نوبه خود سطح عملکردی آن را افزایش می دهد. توانایی پردازش گرافیک توسط خود پردازنده باعث کاهش هزینه هم در خود پردازنده ها و هم به لطف آنها در مجموعه های کامپیوتر اداری و خانگی می شود. هسته‌های مجازی برای توزیع عملی‌تر عملکرد ظاهر می‌شوند، فناوری‌ها توسعه می‌یابند، و با آنها کامپیوتر و اجزای آن مانند واحد پردازش مرکزی.

احتمالاً هنگام انتخاب رایانه و مطالعه ویژگی های آن، متوجه شده اید که چنین موردی به عنوان پردازنده ارائه می شود پراهمیت. چرا به او، و نه مدل، منبع تغذیه، یا؟ بله، اینها نیز اجزای مهم سیستم و از آنها هستند انتخاب صحیحهمچنین خیلی به ویژگی های CPU به طور مستقیم و در داخل بستگی دارد بیشتربر سرعت و عملکرد رایانه شخصی تأثیر می گذارد. بیایید معنای این دستگاه را در رایانه تجزیه و تحلیل کنیم.

و اجازه دهید با حذف پردازنده از واحد سیستم شروع کنیم. در نتیجه، کامپیوتر کار نخواهد کرد. حالا فهمیدی چه نقشی داره؟ اما اجازه دهید موضوع را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم و بفهمیم که پردازنده کامپیوتر چیست.

پردازنده کامپیوتر چیست؟

کل موضوع این است که واحد پردازش مرکزی (نام کامل آن) همانطور که می گویند قلب واقعی و در عین حال مغز یک رایانه است. در حین کار، تمام اجزای دیگر واحد سیستم و تجهیزات جانبی متصل به آن نیز کار می کنند. وظیفه پردازش جریان های مختلف داده را بر عهده دارد و همچنین عملکرد بخش هایی از سیستم را تنظیم می کند.

تعریف فنی بیشتری را می توان در ویکی پدیا یافت:

CPU - یک واحد الکترونیکی یا یک مدار مجتمع (ریزپردازنده) که دستورات ماشین (کد برنامه)، بخش اصلی سخت افزار یک کامپیوتر یا یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی را اجرا می کند.

در زندگی، CPU شبیه یک تخته مربع کوچک به اندازه یک قوطی کبریت به ضخامت چند میلی متر است. قسمت بالاکه، به عنوان یک قاعده، با یک پوشش فلزی (در نسخه های دسکتاپ) پوشانده شده است، و در پایین تعداد زیادی مخاطب وجود دارد. راستی برای اینکه مصلوب نشوید به عکس های زیر نگاه کنید:

بدون دستوری که پردازنده داده می شود، حتی یک عملیات ساده مانند جمع دو عدد یا نوشتن یک مگابایت اطلاعات را نمی توان انجام داد. همه اینها نیاز به یک درخواست فوری برای CPU دارد. در مورد کارهای پیچیده تر، مانند راه اندازی یک بازی، یا پردازش یک ویدیو.

ارزش افزودن به کلمات بالا را دارد که پردازنده ها همچنین می توانند عملکردهای کارت گرافیک را انجام دهند. واقعیت این است که در تراشه های مدرن مکانی برای یک کنترلر ویدیو وجود دارد که تمام عملکردهای لازم را از آن انجام می دهد و نحوه استفاده از حافظه ویدیویی را انجام می دهد. نباید فکر کنید که هسته‌های گرافیکی یکپارچه قادر به رقابت با کارت‌های ویدئویی حداقل طبقه متوسط ​​هستند، این بیشتر گزینه‌ای برای ماشین‌های اداری است که در آن به گرافیک قدرتمند نیازی نیست، اما همچنان چیزی ضعیف را در دندان‌هایشان می‌کشند. مزیت اصلی گرافیک یکپارچه قیمت است - از این گذشته ، شما نیازی به خرید کارت گرافیک جداگانه ندارید و این صرفه جویی قابل توجهی است.

نحوه عملکرد پردازنده

در پاراگراف قبل، برچیده شد که پردازنده چیست و چرا به آن نیاز است. وقت آن است که ببینیم چگونه کار می کند.

فعالیت CPU را می توان با دنباله ای از رویدادهای زیر نشان داد:

• از رمی که در آن بارگذاری شده است برنامه خاص(بگذریم ویرایشگر متن، واحد کنترل پردازنده اطلاعات لازم و همچنین مجموعه ای از دستورات را که باید اجرا شوند استخراج می کند. همه اینها به حافظه بافر (کش) CPU؛
• اطلاعات خروجی از حافظه نهان به دو نوع تقسیم می شود: دستورالعمل ها و ارزش ها ، که به رجیسترها ارسال می شوند (این سلول های حافظه در پردازنده هستند). اولی به رجیسترهای دستورالعمل و دومی به رجیسترهای داده می روند.
• اطلاعات از ثبت ها پردازش می شود واحد منطق حسابی (بخشی از CPU که تبدیل‌های حسابی و منطقی داده‌های ورودی را انجام می‌دهد)، که اطلاعات را از آنها می‌خواند و سپس دستورات لازم را روی اعداد به دست آمده اجرا می‌کند.
• نتایج به‌دست‌آمده، به تقسیم‌بندی می‌شوند تکمیل شد و ناتمام ، به رجیسترها بروید، از آنجا اولین گروه به حافظه پنهان CPU ارسال می شود.
• بیایید این پاراگراف را با این واقعیت شروع کنیم که دو سطح اصلی کش وجود دارد: بالا و پایین تر . آخرین دستورات دریافتی و داده های مورد نیاز برای انجام محاسبات ذخیره می شوند سطح بالا، و موارد استفاده نشده به حافظه پنهان سطح پایین ارسال می شوند. این فرآیند به شرح زیر است - تمام اطلاعات از سطح سوم حافظه پنهان به سطح دوم می رود و سپس به سطح اول می رسد، با داده هایی که در حال حاضر مورد نیاز نیستند و به سطح پایین ارسال می شوند، همه چیز برعکس است.
• در پایان چرخه محاسباتی، نتیجه نهایی در RAM سیستم نوشته می شود تا فضای کش CPU برای عملیات جدید آزاد شود. اما ممکن است این اتفاق بیفتد که حافظه بافر پر شده است، سپس داده های استفاده نشده به رم یا به سطح پایین تر کش می روند.

مراحل گام به گام اقدامات فوق، جریان عملیاتی پردازنده و پاسخ به این سوال است - پردازنده چگونه کار می کند.

انواع پردازنده ها و سازندگان اصلی آنها

انواع مختلفی از پردازنده ها از تک هسته ای ضعیف تا چند هسته ای قدرتمند وجود دارد. از بازی و کار گرفته تا متوسط ​​از همه نظر. اما، دو کمپ اصلی CPU وجود دارد - AMD و معروف اینتل. این دو شرکتی هستند که محبوب ترین و محبوب ترین ریزپردازنده های موجود در بازار را تولید می کنند. تفاوت اصلی بین محصولات AMD و اینتل در تعداد هسته‌ها نیست، بلکه معماری آن است. ساختار داخلی. هر یک از رقبا ساختار خود را از "درون" ارائه می دهد، نوع پردازنده خود را، که به شدت با رقیب متفاوت است.

محصولات هر یک از طرفین مزایا و معایب خود را دارند، پیشنهاد می کنم به طور خلاصه با آنها آشنا شوید.

مزایای پردازنده های اینتل:

• مصرف انرژی کمتری دارد؛
• تمرکز توسعه دهندگان بیشتر بر اینتل تا AMD است.
• عملکرد بهتر در بازی ها؛
• اتصال پردازنده های اینتل با RAM بهتر از AMD پیاده سازی شده است.
• عملیات انجام شده در چارچوب تنها یک برنامه (به عنوان مثال، unzipping) بهتر پیش می رود، AMD در این زمینه بازی می کند.

معایب پردازنده های اینتل:

• بزرگترین نقطه ضعف قیمت است. CPU از این سازندهغالباً مرتبه ای بالاتر از رقیب اصلی آنها.
• هنگام استفاده از دو یا چند برنامه "سنگین" عملکرد کاهش می یابد.
• هسته های گرافیکی یکپارچه نسبت به AMD پایین تر هستند.

مزایای پردازنده های AMD:

• بزرگترین مزیت - بزرگترین منهای اینتل - قیمت. شما می توانید یک میان رده خوب از AMD بخرید که 4 و شاید حتی 5 کشش باشد. بازی های مدرن، در حالی که هزینه آن بسیار کمتر از یک پردازنده مشابه از یک رقیب است.
• نسبت مناسب کیفیت و قیمت؛
• اطمینان از کیفیت سیستم؛
• توانایی اورکلاک پردازنده، در نتیجه افزایش قدرت آن 10-20٪.
• هسته های گرافیکی یکپارچه عملکرد بهتری از اینتل دارند.

معایب پردازنده های AMD:

• پردازنده های AMD با RAM تعامل بدتری دارند.
• مصرف انرژی بیشتر از اینتل؛
• عملکرد حافظه بافر در سطوح دوم و سوم در فرکانس پایین تری است.
• عملکرد بازی از رقبا عقب است.

اما با وجود مزایا و معایب فوق، هر یک از شرکت ها به توسعه خود ادامه می دهند، پردازنده های آنها با هر نسل قدرتمندتر می شوند و خطاهای خط قبلی در نظر گرفته شده و اصلاح می شود.

ویژگی های اصلی پردازنده ها

ما بررسی کردیم که پردازنده کامپیوتر چیست، چگونه کار می کند. با اینکه دو نوع اصلی آن ها چیست آشنا شدیم، وقت آن است که به ویژگی های آن ها توجه کنیم.

بنابراین، برای شروع، ما آنها را فهرست می کنیم: نام تجاری، سری، معماری، پشتیبانی از یک سوکت خاص، فرکانس ساعتپردازنده، حافظه نهان، تعداد هسته ها، مصرف انرژی و اتلاف حرارت، گرافیک یکپارچه. حال بیایید نگاهی به توضیح بیاندازیم:

• نام تجاری - سازنده پردازنده: AMD یا Intel. از جانب این انتخابنه تنها به قیمت خرید و عملکرد، همانطور که ممکن است از بخش قبل فرض شود، بستگی دارد، بلکه به انتخاب سایر اجزای رایانه شخصی، به ویژه مادربرد نیز بستگی دارد. از آنجایی که پردازنده‌های AMD و Intel طراحی و معماری متفاوتی دارند، نصب دومی در سوکت (سوکت برای نصب پردازنده بر روی مادربرد) که برای یک نوع پردازنده طراحی شده است، امکان‌پذیر نخواهد بود.
• سری - هر دو رقیب محصولات خود را به انواع و زیرگونه های بسیاری تقسیم می کنند. (AMD - Ryzen، FX، Intel- i5، i7)؛
• معماری پردازنده - در واقع، اندام های داخلی CPU، هر نوع پردازنده معماری جداگانه ای دارد. به نوبه خود، یک گونه را می توان به چندین زیرگونه تقسیم کرد.
• پشتیبانی از سوکت خاص - بسیار مشخصه مهمپردازنده، از آنجایی که سوکت خود یک "سوکت" روی مادربرد برای اتصال پردازنده است و هر نوع پردازنده به یک سوکت مربوطه نیاز دارد. در واقع، این در بالا ذکر شد. یا باید دقیقاً بدانید که کدام سوکت روی مادربرد شما قرار دارد و یک پردازنده برای آن انتخاب کنید یا برعکس (که صحیح تر است).
• سرعت ساعت یکی از شاخص های مهم عملکرد CPU است. بیایید به این سوال پاسخ دهیم که فرکانس ساعت پردازنده چقدر است. پاسخ برای این اصطلاح بزرگ ساده خواهد بود - حجم عملیات انجام شده در واحد زمان، اندازه گیری شده در مگاهرتز (MHz).
• حافظه نهان - حافظه نصب شده مستقیماً در پردازنده ، به آن حافظه بافر نیز گفته می شود ، دارای دو سطح - بالا و پایین است. اولی اطلاعات فعال و دومی اطلاعات استفاده نشده را دریافت می کند. این لحظه. فرآیند کسب اطلاعات از سطح سوم به سطح دوم و سپس به سطح اول می رود. اطلاعات غیر ضروریسفر بازگشت را انجام می دهد؛
• تعداد هسته ها - در CPU می تواند از یک تا چندین باشد. بسته به تعداد، پردازنده دو هسته ای، چهار هسته ای و غیره نامیده می شود. بر این اساس، قدرت به تعداد آنها بستگی دارد.
• مصرف انرژی و اتلاف گرما. همه چیز در اینجا ساده است - هرچه پردازنده انرژی "مصرف" بالاتری داشته باشد ، گرمای بیشتری آزاد می کند ، برای انتخاب خنک کننده و منبع تغذیه مناسب به این مورد توجه کنید.
• گرافیک یکپارچه - AMD اولین بار در سال 2006 چنین پیشرفت هایی داشت، اینتل از سال 2010. اولی نتایج بهتری نسبت به رقبا نشان می دهد. اما هنوز هیچ یک از آنها نتوانسته اند به کارت های ویدیویی پرچمدار دست پیدا کنند.

نتیجه گیری

همانطور که قبلاً فهمیدید، واحد پردازش مرکزی رایانه بازی می کند نقش اساسیدر سیستم در مقاله امروز به این موضوع پرداخته ایم که پردازنده کامپیوتر چیست، فرکانس پردازنده چیست، چیست و چه کاربردی دارد. چقدر برخی از CPU ها با سایرین تفاوت دارند، چه نوع پردازنده هایی هستند. در مورد مزایا و معایب محصولات دو کمپین رقیب صحبت کردیم. اما پردازنده با چه ویژگی در شما خواهد بود واحد سیستماین به شما بستگی دارد که تصمیم بگیرید

در این مقاله در مورد اینکه واحد پردازش مرکزی چیست و چگونه کار می کند صحبت خواهیم کرد.

واحد پردازش مرکزی یا پردازنده یکی از مهمترین آنهاست اجزای مهم، که تقریباً در تمام دستگاه های پیشرفته مدرن می توانیم پیدا کنیم.

با این حال، بسیاری از ما ایده‌های بسیار بدی در مورد کاری که انجام می‌دهند و چگونه انجام می‌دهند، اینکه چگونه به شگفتی‌های پیچیده فناوری تبدیل شدند، انواع اصلی مدرن چیست، داریم.

بنابراین امروز سعی خواهیم کرد مهمترین جنبه‌های اجزای مختلف را که به همه دستگاه‌هایی که به ما کمک می‌کنند لذت بیشتری ببریم، حیات می‌بخشند، با جزئیات بیان کنیم. کیفیت بالازندگی

واحد پردازش مرکزی چیست؟

اگرچه نمی توان گفت که یک بخش مهم در کامپیوتر وجود دارد، اما از آنجایی که بیش از یکی از آنها برای عملکرد آن کاملا ضروری است، واحد پردازش مرکزی یا پردازنده را می توان سنگ بنای این ماشین ها در نظر گرفت. و این جزء است که مسئول محاسبه، سفارش یا پردازش است، مفاهیمی که تعریف می کنند کامپیوترهای مدرنو لپ تاپ ها

که در در حال حاضرآنها فناوری‌های پیچیده‌ای هستند که با استفاده از معماری‌های میکروسکوپی توسعه یافته‌اند، که بیشتر آنها به صورت یک تراشه منفرد، نسبتاً کوچک ارائه شده‌اند، از آنجا که چند دهه پیش ریزپردازنده نامیده می‌شوند.

امروزه، تقریباً در هر شیئی که این روزها از آن استفاده می کنیم، پردازنده وجود دارد: تلویزیون، تلفن های هوشمند، مایکروویوها، یخچال ، ماشین ، تجهیزات صوتیو البته کامپیوترهای شخصی. با این حال، اینها همیشه شگفتی های فناوری نبودند که اکنون هستند.

تاریخچه پیدایش پردازنده ها

زمانی بود که پردازنده‌ها از اتصالات بزرگی تشکیل می‌شدند که به خوبی می‌توانستند یک اتاق را پر کنند. این اولین گام‌ها در مهندسی کامپیوتر عمدتاً لوله‌های خالی بودند، که اگرچه در آن زمان بسیار قوی‌تر از جایگزین‌های تشکیل‌شده توسط رله‌های الکترومکانیکی بودند، امروز 4 مگاهرتز که آنها به دست آوردند، در بیشتر موارد برای ما خنده به نظر می‌رسید.

با ظهور ترانزیستورها در دهه های 50 و 60، ساخت پردازنده ها شروع شد، علاوه بر کوچکتر و قدرتمندتر بودن، و همچنین بسیار قابل اعتمادتر، زیرا ماشین های ایجاد شده توسط لوله های خلاء تمایل به داشتن شکست متوسطهر 8 ساعت

با این حال، وقتی در مورد انقباض صحبت می کنیم، منظورمان این نیست که آنها در کف دست شما قرار می گیرند. و هنوز پردازنده‌های بزرگ شامل ده‌ها برد مدار چاپی بودند که برای زنده نگه داشتن یک پردازنده به یکدیگر متصل بودند.

پس از آن مدار مجتمع اختراع شد که اساساً همه چیز را در یک واحد متصل می کرد تخته مدار چاپییا ویفر، که اولین گام برای دستیابی به ریزپردازنده مدرن بود. اولین مدارهای مجتمع بسیار ساده بودند زیرا فقط می‌توانستند چند ترانزیستور را گروه‌بندی کنند، اما در طول سال‌ها تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانستند به یک مدار اضافه شوند افزایش یافته است. مدار مجتمعتا اواسط دهه شصت ما قبلاً اولین پردازنده های پیچیده را داشتیم که از یک صفحه تشکیل شده بود.

اولین ریزپردازنده در اوایل سال 1971 به بازار معرفی شد، این 4004 اینتل بود و از آن زمان بقیه موارد به تاریخ پیوست. به لطف تکامل سریع این تراشه‌های کوچک و انعطاف‌پذیری زیاد آنها، آنها بازار رایانه را کاملاً در انحصار خود درآورده‌اند، زیرا به جز برنامه‌های بسیار خاص که به سخت‌افزار بسیار تخصصی نیاز دارند، هسته اصلی تقریباً تمام رایانه‌های مدرن هستند.

یک واحد پردازش مرکزی (CPU) چگونه کار می کند؟

ساده سازی تا حد زیادی و در اصطلاح آموزشی، کار پردازنده توسط چهار فاز ارائه می شود. این فازها لزوما همیشه از هم جدا نیستند، اما معمولاً با هم همپوشانی دارند و همیشه در یک زمان اتفاق می‌افتند، اما لزوماً برای یک عملکرد خاص نیست.

در مرحله اول، پردازنده وظیفه بارگذاری کد از حافظه را بر عهده دارد. به عبارت دیگر، داده هایی را که باید بعداً پردازش شوند، بخوانید. در این مرحله اول وجود دارد یک مشکل رایجدر معماری پردازنده و در این واقعیت نهفته است که حداکثر داده ای وجود دارد که می تواند در یک دوره زمانی خوانده شود و معمولاً نسبت به داده های قابل پردازش پایین تر است.

در مرحله دوم، مرحله اول پردازش به این صورت انجام می شود. اطلاعات خوانده شده در مرحله اول طبق مجموعه ای از دستورالعمل ها تجزیه می شود. بنابراین، در داده های خوانده شده، کسری های توصیفی برای مجموعه ای از دستورالعمل ها وجود خواهد داشت که نشان می دهد با بقیه اطلاعات چه باید کرد. برای ارائه یک مثال عملی، کدی وجود دارد که نشان می‌دهد داده‌های یک بسته باید به همراه داده‌های یک بسته دیگر اضافه شود، هر بسته اطلاعاتی است که یک عدد را توصیف می‌کند که در آن یک عملیات حسابی کلی به دست می‌آید.

سپس فازی می آید که با پردازش رایگان ادامه می یابد و وظیفه اجرای دستورات رمزگشایی شده در فاز دوم را بر عهده دارد.

در نهایت، فرآیند با مرحله نوشتن به پایان می رسد، جایی که اطلاعات دوباره بارگیری می شود، فقط این بار از پردازنده به حافظه. در برخی موارد، اطلاعات را می توان در حافظه پردازنده بارگذاری کرد تا بعداً مجدداً مورد استفاده قرار گیرد، اما هنگامی که پردازش یک کار خاص کامل شد، داده ها همیشه در حافظه اصلی نوشته می شوند، جایی که بسته به این می تواند در یک بلوک ذخیره سازی نوشته شود. برنامه.

معماری های اصلی پردازنده های مدرن

همانطور که گفتیم وظیفه پردازنده تفسیر اطلاعات است. داده ها از بارگیری می شوند سیستم های مختلفحافظه در فرم کد باینری، و این کد است که باید توسط پردازنده توسط برنامه ها به payload تبدیل شود. تفسیر مشخص شده با استفاده از مجموعه ای از دستورالعمل ها اجرا می شود که معماری پردازنده را تعیین می کند.

دو معماری در حال حاضر مورد استفاده RISC و CISC هستند. RISC به پردازنده‌های توسعه‌یافته توسط شرکت بریتانیایی ARM حیات می‌بخشد که با رشد دستگاه های تلفن همراهرشد قابل توجهی داشته است. علاوه بر این، PowerPC، معماری که زندگی می بخشد کامپیوترهای اپل، سرورها و کنسول های ایکس باکس 360 و پلی استیشن 3، مبتنی بر RISC است. CISC معماری استفاده شده در آن است پردازنده های AMDاینتل و X86-64 X86.

تا آنجا که معماری بهتر است، همیشه گفته شده است که تمیزتر و بهینه تر بودن RISC آینده محاسبات خواهد بود. با این حال، اینتل و AMD هرگز تسلیم خم نشدند و موفق به ایجاد یک اکوسیستم بسیار محکم در اطراف پردازنده‌های خود شده‌اند، که اگرچه به شدت با آیتم‌های سازگار با عقب منسوخ شده آلوده هستند، اما همیشه رقبای خود را زنده نگه داشته‌اند.

به طور کلی، به دلیل انعطاف پذیری و سهولت نسبی تولید، در عرض چند سال پردازنده های بیشترعنصر اصلی محاسبات مدرن باقی خواهد ماند. اما ما باید همیشه به یاد داشته باشیم که در طول سال ها، فناوری های موازی برای کمک به تمرکززدایی بار تکامل یافته اند و امروزه بیش از هر زمان دیگری پردازنده های گرافیکی، قدرتمندتر اما کمتر انعطاف پذیر بود، تقریباً همان ارزش را به خود گرفت.

ویدئو: CPU [واحد پردازش مرکزی، CPU] چیست - سریع و واضح!

آنها به خوبی از اجزای اصلی یک کامپیوتر آگاه هستند، اما تعداد کمی از آنها می دانند که پردازنده از چه چیزی تشکیل شده است. در ضمن این دستگاه اصلی سیستم است که محاسبات و عملیات منطقی. وظیفه اصلی پردازنده دریافت اطلاعات، پردازش آنها و برگرداندن نتیجه نهایی است. ساده به نظر می رسد، اما فرآیند در واقع پیچیده است.

پردازنده از چه چیزی ساخته شده است؟

CPU یک ویفر سیلیکونی مستطیلی مینیاتوری است که حاوی میلیون ها ترانزیستور (نیمه هادی) است. این آنها هستند که تمام عملکردهایی را که پردازنده انجام می دهد اجرا می کنند.

تقریبا همه پردازنده های مدرناز اجزای زیر تشکیل شده است:

1. چندین هسته (به ندرت 2، اغلب 4 یا 8) که همه عملکردها را انجام می دهند. در واقع، هسته یک پردازنده مینیاتوری جداگانه است. چندین هسته ادغام شده در تراشه اصلی به طور موازی بر روی وظایف کار می کنند که این امر روند پردازش داده ها را سرعت می بخشد. با این حال، نه همیشه مقدار زیادهسته به معنای بیشتر است کار سریعتراشه
2. چندین سطح حافظه کش (2 یا 3) که به دلیل آن زمان تعامل بین RAM و پردازنده کاهش می یابد. اگر اطلاعات در حافظه پنهان باشد، زمان دسترسی به آن به حداقل می رسد. بنابراین، هر چه اندازه کش بزرگتر باشد، اطلاعات بیشتری در آن جا می گیرد و سرعت خود پردازنده نیز بیشتر می شود.
3. رم و کنترلر باس سیستم.
4. ثبات ها سلول های حافظه ای هستند که داده های پردازش شده در آنها ذخیره می شود. آنها همیشه اندازه محدودی دارند (8، 16 یا 32 بیت).
5. پردازنده کمکی یک هسته جداگانه که برای انجام عملیات از نوع خاصی طراحی شده است. اغلب در قالب یک پردازنده مشترک عمل می کند هسته گرافیکی(کارت گرافیک).
6. یک گذرگاه آدرس که تراشه را به تمام دستگاه های متصل به مادربرد متصل می کند.
7. گذرگاه داده - برای ارتباط بین پردازنده و RAM. در اصل، اتوبوس مجموعه ای از هادی ها است که از طریق آنها ارسال یا دریافت می شود. سیگنال الکتریکی. و هر چه تعداد سرنخ ها بیشتر باشد، بهتر است.
8. گذرگاه همگام سازی - به شما امکان می دهد چرخه ها و فرکانس پردازنده را کنترل کنید.
9. راه اندازی مجدد گذرگاه - وضعیت تراشه را بازنشانی می کند.

همه این عناصر در کار دخیل هستند. با این حال، مهمترین آنها، البته، هسته است. تمام اجزای مشخص شده دیگر فقط به آن کمک می کنند تا کار اصلی را انجام دهد. اکنون که فهمیدید یک پردازنده از چه چیزی ساخته شده است، می توانید نگاه دقیق تری به جزء اصلی آن بیندازید.

هسته ها

در مورد اینکه پردازنده مرکزی از چه چیزی تشکیل شده است ، ابتدا باید به هسته ها اشاره کرد ، زیرا آنها قسمت های اصلی آن هستند. هسته ها شامل بلوک های عملکردی هستند که عملیات حسابی یا منطقی را انجام می دهند. به طور خاص، می توانیم برجسته کنیم:

1. بلوک برای واکشی، رمزگشایی و اجرای دستورالعمل ها.
2. برای ذخیره نتایج مسدود کنید.
3. بلوک شمارنده برنامه و غیره

همانطور که می دانید، هر یک از آنها وظیفه خاصی را انجام می دهند. به عنوان مثال، واحد واکشی دستورالعمل آنها را در آدرس مشخص شده در شمارنده برنامه می خواند. به نوبه خود، بلوک های رمزگشایی تعیین می کنند که پردازنده دقیقاً چه کاری باید انجام دهد. کار همه این بلوک ها با هم به شما امکان می دهد به وظیفه ای که کاربر مشخص کرده است برسید.

وظیفه اصلی

توجه داشته باشید که هسته ها فقط می توانند محاسبات ریاضی و عملیات مقایسه و همچنین انتقال داده ها بین سلول های RAM را انجام دهند. با این حال، این برای کاربران کافی است تا بتوانند روی رایانه بازی کنند، فیلم تماشا کنند، وبگردی کنند.

اساسا، هر برنامه کامپیوتریشامل دستورات ساده است: اضافه کردن، ضرب کردن، حرکت کردن، تقسیم کردن، رفتن به دستورالعمل زمانی که شرط برآورده شد. البته، اینها فقط دستورات اولیه هستند، اما ترکیب آنها با هم به شما امکان می دهد یک تابع پیچیده ایجاد کنید.

ثبت می کند

یک پردازنده علاوه بر هسته از چه چیز دیگری تشکیل شده است؟ ثبت ها دومین جزء مهم آن است. همانطور که می دانید، این سلول های حافظه سریع هستند که داده های پردازش شده در آن قرار دارند. آنها متفاوتند:

1. A، B، C - برای ذخیره اطلاعات در طول پردازش استفاده می شود. فقط سه مورد از آنها وجود دارد، اما همین کافی است.
2. EIP - این ثبات آدرس دستور بعدی را در صف ذخیره می کند.
3. ESP - آدرس داده در RAM.
4. Z - در اینجا نتیجه آخرین عملیات مقایسه است.

پردازنده به این رجیسترها محدود نمی شود. موارد دیگری نیز وجود دارد، اما موارد فوق مهمترین آنها هستند - آنها اغلب توسط یک تراشه برای پردازش داده ها در طول اجرای یک برنامه خاص استفاده می شوند.

نتیجه

اکنون می دانید که پردازنده از چه چیزی تشکیل شده است و ماژول های اصلی آن چیست. چنین ترکیبی از تراشه ها دائمی نیست، زیرا آنها به تدریج بهبود می یابند، ماژول های جدید اضافه می شوند، قدیمی ها بهبود می یابند. با این حال، امروزه آنچه پردازنده از آن تشکیل شده است، هدف و عملکرد آن دقیقاً همان چیزی است که در بالا توضیح داده شد.

ترکیب شرح داده شده در بالا و اصل تقریبی عملکرد سیستم های پردازنده به حداقل رسیده است. در واقع، کل فرآیند پیچیده تر است، اما برای درک آن، باید آموزش مناسب را دریافت کنید.