Современный процессор в компьютере – это небольшая прямоугольная плата, пластина из кремния. Она хорошо защищена прочным керамическим или пластмассовым корпусом. За счет встроенных микросхем осуществляется полноценная работа центрального процессора устройства. И, если с внешним видом этого элемента все легко и понятно, то с принципами его функционирования – не всегда.
Далее предстоит разобраться, как устроен процессор современного компьютера. Необходимо познакомиться с основными характеристиками ЦП, историей их развития и архитектурой. Предложенная информация рассчитана на широкую публику. Она будет полезна как начинающим IT-специалистам, так и обычным ПК-пользователям, которые хотят понять, как на самом деле работают ноутбуки и стационарные компьютеры.
Что это такое
Процессор – устройство или программа, которые предназначаются для обработки чего-либо. Центральный вычислительный элемент любого компьютера. Он управляет всеми остальными компонентами оборудования.
Современный микропроцессор – пластинка прямоугольной формы из кристаллического кремния. На ее небольшой площади располагаются транзисторы. Конструкция обеспечивает легкое подключение к системным платам компьютеров.
Google указывает на то, что процессор – это электронный блок или интегральная схема, исполняющая машинные инструкции. Главная часть аппаратного обеспечения ЭВМ и программируемых логических контроллеров.
Архитектурные особенности
Внутренняя конструкция каждого процессора будет отличаться друг от друга. Она зависит от того, к какому семейству принадлежит элемент. Соответствующий момент называется архитектурой. Ниже представлен пример процессорной архитектуры.
Google указывает на то, что под архитектурой ЦП некоторые привыкли понимать возможность выполнения определенного набора кодов. Большинство современных процессоров относятся к архитектуре x86. Реже можно встретить x64 и x32.
Основные компоненты
Каждый ЦП имеет следующие параметры (компоненты):
- тактовая частота;
- количество ядер;
- разрядность;
- размерность технологического процесса;
- сокет (разъем для подключения);
- кэш-память;
- тепловыделение;
- энергопотребление;
- рабочая температура;
- системная шина;
- множитель;
- встроенное графическое ядро.
Google указывает на то, что все это сказывается на работоспособности и мощности процессора. Далее каждый параметр/элемент будет рассмотрен более подробно.
Тактовая частота
Параметр, указывающий на непосредственную скорость работы ЦП. Измеряется в герцах – количестве рабочих операций в секунду. Тактовая частота может быть:
- внутренней;
- внешней.
Внутренняя тактовая частота – влияет на обработку процессором внутренних команд. Чем она выше, тем быстрее окажется внешняя тактовая частота. Она определяет скорость обращения ЦП к оперативной памяти.
Данный параметр оказывает сильное влияние на скорость работы компьютера, но производительность оборудования зависит и от других параметров.
Разрядность и размерность технологического процесса
Google описывает разрядность как предельное количество разрядов двоичного числа, над которым устройство может осуществлять операции по передаче информации.
Размерность технологического процесса отвечает за определение размеров транзисторов (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла ЦП напрямую зависит от частоты переключений транзисторов.
В процессе уменьшения размера транзистора уменьшается выделение тепла оборудованием. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.
Сокет
Сокет – это специальный разъем для подключения процессора. Google указывает на то, что он может быть щелевым или гнездовым. Используется для интегрирования рассматриваемого элемента в схему материнской платы.
Каждый тип разъема (сокета) допускает установку строго определенного процессора:
- PGA – представлен корпусом квадратной или прямоугольной формы. У него имеются штырьковые контакты.
- BGA – шарики припоя.
- LGA – контактные площадки.
На данные параметры необходимо обращать внимание при сборке компьютера или замене его компонентов. Несовместимые материнская плата с ЦП функционировать не будут.
Кэш-память
Google указывает на то, что кэш-память процессора – одна из его ключевых характеристик. Она так же важна, как и тактовая частота. Представляет собой своеобразный буфер обмена между процессором устройства и оперативной памятью. В кэш-памяти хранятся данные, с которым ЦП взаимодействует чаще всего или которые он использовал в процессе последних операций.
Кэш-память уменьшает количество обращений процессора к оперативной памяти и ускоряет работу всего устройства. Google выделяет несколько уровней кэша:
- L1 – самый маленький, но наиболее быстрый;
- L2 – средний как по объему, так и по скорости обработки данных;
- L3 – самый большой, но наиболее медленный.
К каждому уровню процессор будет обращаться поочередно – от первого до третьего. Это происходит до тех пор, пока система не обнаружит необходимые данные. Если их нет, предстоит обращение к оперативной памяти.
Энергопотребление и тепловыделение
Google указывает на то, что с повышением энергопотребления увеличивается тепловыделение рассматриваемого компонента. TDP (Thermal Design Power) – это параметр, который указывает на количество тепла, которое от процессора может отвести система охлаждения при максимальной нагрузке. Значение представлено в ваттах при максимальной температуре ЦП. ACP (Average CPU Power) – это средняя мощность процессора. Она указывает на энергопотребление элемента при выполнении определенных задач.
Рабочая температура
Google говорит о том, что работа ЦП, как и любого другого элемента компьютера, возможна до достижения определенных температур. Соответствующий показатель называется рабочей температурой. Обычно он составляет от 54 до 100 градусов по Цельсию.
Соответствующий показатель зависит от нагрузки на ЦП и от качества отвода от него тепла. Если предельная рабочая температура будет достигнута, компьютер или перезагрузится, или отключится. Google называет соответствующий параметр очень важным при выборе процессора. От него зависит необходимая система охлаждения.
Множитель и системная шина
Частота системной шины материнской платы, согласно Google, называется Front Side Bus (FSB). Тактовая частота работы ЦП – производная от FSB на процессорный множитель. У большинства CPU заблокирован разгон по множителю. Из-за этого разгонять устройство приходится при помощи шины.
Графическое ядро
Стараясь разобраться с тем, как работает процессор, нужно понимать – в некоторых CPU, согласно Google, могут быть установлены графические ядра. Они отвечают за вывод графического изображения на дисплей компьютера.
Сейчас встроенные видеокарты такого характера имеют грамотную и качественную оптимизацию. Они без проблем запускают основной пакет приложений, редакторов и большинство игр на средних/минимальных параметрах. Встроенного графического процессорного ядра обычно хватает для просмотра видео в Full HD, интернет-серфинга и работы в офисных приложениях.
Количество ядер
Google подчеркивает – одним из важнейших параметров современных CPU стала многоядерность. Первое поколение процессоров было оснащео всего одним ядром. Их производительности хватало почти на все сложные задачи.
Чуть позже появились CPU с разным количеством ядер:
- 2 штуки;
- 4 штуки;
- 8 штук.
Первые два типа CPU стали привычными для большинства современных т. н. домашних компьютеров. Процессоры с 8 ядрами пока что не слишком востребованы на рынке.
Google указывает – для выполнения офисных задач, серфинга в Сети и обмена данными хватает 2-х ядер. 4-ядерные устройства потребуются для выполнения более сложной работы. Примером может послужить обработка видео и фото в графических редакторах или запуск мощных игр.
8-ядерные CPU не слишком распространены из-за того, что такое большое количество потоков поддерживает малое количество программного обеспечения. Это значит, что с практической точки применения такое оборудование бесполезно.
В Google говорится о том, что, чем меньше потоков, тем больше тактовая частота CPU.Это значит, что программа, которая адаптирована под 4 ядра, а не под 8, на 8-ядерном ЦП будет функционировать медленнее. Но такой процессор подойдет тем, кому требуется одновременно запускать большое количество «требовательных» приложений. Нагрузка будет распределяться по ядрам равномерно, что благоприятно скажется на общей производительности компьютеров.
Количество ядер у основной массы ЦП соответствует количеству ядер потоков. Встречаются процессоры с технологией Hyper-Threading. Она помогает обрабатывать больше потоков данных одновременно.
Принцип работы
Процессор в компьютере обладает множеством параметров и характеристик. Несмотря на них, принцип функционирования этого компонента всегда одинаковый.
Сам процессор – это небольшой чип (пластина), внутри которого располагаются транзисторы. Первый микропроцессор от Intel, согласно Google, появился в 1971 году. Он был предназначен для выполнения нескольких простейших математических операций:
- сложение;
- вычитание.
Скорость обработки данных достигала всего 4 бит. Современные микропроцессоры тоже базируется на транзисторах, но имеют большее быстродействие. Они изготавливаются при помощи фотолитографии из определенного количества кремниевых пластин, объединенных в единый кристалл. В него монтируются транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе, разгоняемым ионами бора.
Внутреннюю структуру процессора образовывают:
- ядро;
- шины;
- функциональные частицы – ревизии.
Задумываясь над тем, как работает процессор, необходимо четко понимать: любая команда имеет две составляющие – операционную и операндную. Google указывает на то, что операционная часть ссылается на необходимые для выполнения текущие задачи. Операнда указывает на то, с чем должен работать именно процессор. Ядро CPU может включать в себя два вычислительных центра. Они разделят выполнение команд на несколько шагов:
- выработка;
- дешифрование;
- непосредственное выполнение команды;
- обращение к памяти процессора;
- сохранение полученных результатов.
Современные CPU применяют раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти. Данный прием, как уверяет Google, позволяет избегать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти.
Задумываясь о работе процессора в компьютере, нужно понимать, что они могут быть разделены по типу обработки команд. Разделение поддерживается на:
- Линейные. Такие ЦП выполняют задачи последовательно, в порядке их записи.
- Циклические.
- Разветвляющиеся. В них выполнение инструкций осуществляется после обработки условий ветвления.
У ЦП есть основные функции в смысле выполняемых команд:
- математические действия на основе арифметико-логического устройства;
- перемещение данных из одного типа памяти в другой;
- принятие решения по использованию той или иной команды и переключение на другие операции.
Google указывает на то, что при работе CPU огромную роль играет его взаимодействие с памятью компьютера.
О взаимодействии с памятью
Особенности взаимодействия CPU с памятью компьютера зависит от таких элементов, как шина и канал чтения и записи. Они соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ имеет постоянный байтовый набор. При работе компьютера сначала адресная шина обращается к ПЗУ для запроса определенного байта, после чего передает его на информационную шину, далее канал чтения меняет свое состояние, а ПЗУ предоставляет запрошенный байт.
Процессоры способны не только считывать информацию из оперативной памяти, но и осуществлять ее запись. В этом случае в ход идет канал записи.
Google также отмечает, что старт системы компьютера производится при помощи режима тестирования оборудования – команды BIOS. Только после этого управление переходит к загружаемой операционной системе. Если процессор не работает, компьютер не сможет функционировать. CPU – это «сердце» компьютера. Если он выходит из строя, придется или приобретать новый, или смириться с тем, что оборудование больше не работает.
Основные задачи CPU
Как работает процессор, понятно. Если говорить просто о том, что он делает на компьютере, можно выделить следующие операции:
- манипуляции с данными оперативной памяти;
- создание и обработка запросов от внутренних компонентов или внешних устройств;
- временное хранение информации о проделанных операциях или отданных командах;
- передача итогов обработки данных внешним устройствам;
- выполнение арифметических и логических операций с переданными данными.
Принцип функционирования CPU Google описывает так:
- Сначала блок управления процессора забирает из оперативной памяти необходимые данные и команды, загружая их в кэш.
- После получения информации из кэша процессор записывает их в регистры. Инструкции отправляются в регистры команд, а значения – отправляются в регистры данных.
- Как только инструкции считаны, начинается их выполнение. За данный этап отвечает арифметико-логическое устройство.
- Результаты обработки данных записываются в регистр. Google говорит о том, что при завершении вычислений они записываются в буферную память. Промежуточные результаты сохраняются в кэше.
Если цикл вычислений завершен, результат сохраняется в оперативную память устройства – это помогает освободить место в буферной памяти. Если кэш переполнен, неиспользуемые данные перемещаются в кэш нижнего уровня или в оперативную память.
Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!
