Как устроен центральный процессор

Что такое процессор?

Процессор — это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. Является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами. Современный микропроцессор — это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводков. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.

У процессора есть:

Тактовая частота процессора

Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах – количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Да, эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы вашего ПК, но производительность зависит далеко не только от неё. Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота. Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.

Разрядность процессора

Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может производиться машинная операция передачи информации.

Размерность технологического процесса

Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). С уменьшением размера уменьшается выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.

Сокет (разъем)

Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.

Кэш-память процессора

Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик, на которую стоит обратить внимание при выборе. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Этот вид памяти делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 — самый маленький и быстрый, L3 — самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.

Энергопотребление и тепловыделение

Чем выше энергопотребление процессора, тем выше его тепловыделение. TDP (Thermal Design Power) – параметр, указывающий на то количество тепла, которое способна отвести охлаждающая система от определенного процессора при наибольшей нагрузке. Значение представлено в ваттах при максимальной температуре корпуса процессора. ACP (Average CPU Power) – средняя мощность процессора, показывающая энергопотребление процессора при конкретных задачах.

Рабочая температура процессора

Наивысший показатель температуры поверхности процессора, при котором возможна нормальная работа (54-100 °С). Этот показатель зависит от нагрузки на процессор и от качества отвода тепла. При превышении предела компьютер либо перезагрузится, либо просто отключится. Это очень важная характеристика процессора, которая напрямую влияет на выбор типа охлаждения.

Множитель и системная шина

Front Side Bus – частота системной шины материнской платы. Тактовая частота процессора является произведением частоты FSB на множитель процессора. У большинства процессоров заблокирован разгон по множителю, поэтому приходится разгонять по шине.

Встроенное графическое ядро

Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.

Количество ядер (потоков)

Многоядерность одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Не так давно процессоры были одноядерными, их производительность на то время была достаточно хорошой, и не требовала увеличения мощности, когда процессоры уже уперлись в какой-то “потолок”. На замену одноядерным пришли процессоры с 2, 4 и 8 ядрами. Если 2 и 4-ядерные вошли в обиход очень быстро, процессоры с 8 ядрами пока не так востребованы. Для использования офисных приложений и серфинга в интернете достаточно 2 ядер, 4 ядра требуются для САПР и графических приложений, которым просто необходимо работать в несколько потоков. Что касается 8 ядер, очень мало программ поддерживают так много потоков, а значит, такой процессор для большинства приложений просто бесполезен. Обычно, чем меньше потоков, тем больше тактовая частота. Из этого следует, что если программа, адаптированная под 4 ядра, а не под 8, на 8-ядерном процессе она будет работать медленнее. Но этот процессор отличное решение для тех, кому необходимо работать сразу в большом количестве требовательных программ одновременно. Равномерно распределив нагрузку по ядрам процессора можно наслаждаться отличной производительностью во всех необходимых программ. В большинстве процессоров количество физических ядер соответствует количеству потоков: 8 ядер – 8 потоков. Но есть процессоры, где благодаря Hyper-Threading, к примеру, 4-ядерный процессор может обрабатывать 8 потоков одновременно.

Как это работает

Сам процессор представляет собой небольшую квадратную пластину (чип), внутри которой находятся миллионы транзисторов. Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор 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 первый, 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. 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, которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:

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). Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают 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. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще. 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.

История создания. Дальнейшее развитие процессоров

В настоящее время технология развивается стремительно, каждый год появляется несколько новых микропроцессоров. Однако факторы, влияющие на это развитие, известны. Зная эти факторы, довольно уверенно можно предсказывать и основные пути развития процессоров в ближайшем будущем. Нам необходимо, выявить основную цель развития процессоров, определить ограничения, которые накладываются на процессоры, оценить существующие современные подходы построения микропроцессоров.

Устремления и ограничения - общая цель, которую стремятся достичь все разработчики микропроцессоров – получить процессор максимальной производительности с наименьшими затратами как в разработке, так и в производстве. При этом процессор должен быть как можно более универсален. Лишь при достаточно большой массовости производства можно разделить все расходы по разработке модели на такое количество выпущенных экземпляров, что цена одного процессора будет иметь разумный размер. Если же процессор найдет весьма узкое применение, то львиную долю его стоимости будут составлять расходы по собственно разработке процессора, а не расходы по его производству. Именно поэтому так дороги уникальные серверные и процессорные платформы, применяемые для нужд обороны и прочих малораспространенных задач. В общем случае, расходы по разработке, скажем, новой модели Celeron и какой-либо сложной специализированной структуры весьма сопоставимы. Однако цена специализированной системы будет превышать цену обычной в десятки раз.

Проще всего создать процессор, оптимизированный под одну-единственную задачу. В рамках этой задачи можно достичь пика производительности для данной элементной базы. Но в связи с универсальностью происходят потери в производительности. Борьба противоположных требований, при всей своей простоте, является основным фактором влияния. Другим фактором, является удобство применения процессора для разработки приложений. При разработке любого сложного проекта на каком-то этапе сама технология производства оказывается делом первостепенной важности. Качественная реализация проекта оказывается невозможной без применения специальных средств для контроля за качеством производимых программных продуктов. Именно в этом заключаются корни популярности объектно-ориентированного подхода в языках высокого уровня. В той же мере и на уровне машинных кодов удобство системы команд может оказывать большое влияние на качество работы. Чем удобнее окажется процессор для разработчиков, тем больше будет выпущено программных продуктов именно для этой платформы, и тем привлекательней окажется эта платформа для конечных пользователей. Процессор должен обладать максимальной производительностью, при этом он должен сохранять свою относительную универсальность, обеспечивающую массовость производства. Также процессор должен быть достаточно удобен для разработки сложных приложений. С учетом всех этих требований можно рассматривать ныне существующие модели, оценивать их перспективность и, до некоторой степени, предсказывать их дальнейшее развитие.

Самым существенным фактором, влияющим на архитектурные решения современных процессоров, является постоянное совершенствование технологии производства. Как следствие,- рост уровня интеграции, уменьшение задержек в транзисторах и связях, снижение энергопотребления при переключении транзистора.С ростом уровня интеграции увеличиваются ресурсы на кристалле и повышается тактовая частота работы, что позволяет повышать производительность процессоров. Первое направление связано с увеличением объёма внутренней кэш-памяти. Второе направление связано с реализацией в процессорах принципов конвейеризации и параллельной обработки в нескольких конвейерах на разных стадиях выборки и выполнения команд.

Практически все накопленные в процессе конкуренции различных фирм архитектурные решения находят своё воплощение в новых архитектурах. В архитектуре современных процессоров различных производителей много общего, и ставится вопрос об унификации архитектур. Современный процессор – это 64-разрядный суперконвейерный, суперскалярный процессор с RISC-операционным ядром и большим числом дополнительных блоков, реализующий динамическое исполнение команд. Для эффективной обработки данных мультимедиа и графики система команд современных процессоров расширяется за счёт специализированных команд мультимедийной обработки.

Для унификации структур обработки данных в структуры некоторых современных процессоров включают специальные преобразователи исходных кодов команд во внутренние машинные команды «исполнительного процессора». Масштабные исследования ведутся по созданию процессорных элементов и компьютеров в целом с использованием принципиально иной элементной базы: биполярных молекул, молекул ДНК, квантовых кубитов и света.