Устройство центрального процессора

Процессор – это устройство или программа, которые предназначаются для обработки информации. Данное оборудование выступает главным вычислительным элементом любого компьютера. Оно управляет всеми остальными компонентами устройства.

Внешне современный процессор, согласно Google, – это небольшая прямоугольная пластинка, выполненная из кристаллического кремния. Вся ее площадь покрыта схемами – транзисторами. Пластинка процессора размещается в специальном корпусе из пластика или керамики, к которому она подсоединяется при помощи золотых проводников. Такая конструкция обеспечивает простое и надежное соединение с платой компьютера.

Далее предстоит познакомиться с центральным процессором поближе. Предстоит выяснить особенности этого элемента и его ключевые составляющие. Предложенная информация ориентирована на широкую группу лиц. Она будет полезна как обычным ПК-пользователям, так и IT-специалистам.

Особенности процессора

Google указывает на то, что центральный процессор – это наиболее важный элемент в любой компьютерной системе. Обычно он называется микропроцессором.

Процессор, согласно Google, будет заниматься обработкой информации и интерфейсов со многими другими системными компонентами. Делается это ради извлечения данных и их возврата пользователям в обработанной форме.

Google также отмечает, что рассматриваемый элемент имеет сильное влияние на производительность ПК. Этот параметр указывает на то, как быстро выполняются и обрабатываются различные команды (инструкции).

Рассматриваемый элемент также является одним из самых дорогих на материнской плате. Выясняя, как выглядит центральный процессор, можно заметить – это тонкая и чувствительная пластинка из кремния с миллионами транзисторов. Крышка из керамики или металла размещается над микросхемой и используется для ее защиты, отвода тепла к радиатору. Чаще на керамическое или металлическое покрытие наносится информация о процессоре.

История создания и развития

Первые микропроцессоры, согласно Google, были созданы в 40-е годы 20-го века. Тогда они представляли собой электромеханическое реле, дополненное вакуумными лампами. Эти лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого получалось благодаря понижению или повышению напряжения в цепи. Для работы одного компьютера требовались сотни, а то и тысячи таких процессоров. Для современных нужд, даже самых минимальных, мощности «микропроцессора» 40-х годов прошлого века не хватило бы.

Первые полевые транзисторы появились в 1928 году, но существенный скачок развития микропроцессоров, согласно Google, произошел после появления биполярных транзисторов. Они были изобретены в 1947-м году.

Точечный транзистор появился в конце 40-х годов прошлого века. Его изобретателями стали:

• Уолтер Браттейн (физик);
• Джон Бардин (теоретик).

В 1950-м году, согласно Google, ему на замену пришел первый плоскостной транзистор, а еще через 4 года был произведен кремниевый.

Настоящей революцией в истории развития микропроцессоров стал выпуск первого кремниевого планарного (плоского) транзистора. Его изобретателем стал ученый Жан Энри. Такой транзистор стал основой для монолитных интегральных схем.

Состав и ключевые параметры

Google отмечает, что процессоры имеют такие параметры и элементы как:

• тактовая частота;
• разрядность;
• размерность технологического процесса;
• сокет (разъем);
• кэш;
• энергопотребление и тепловыделение;
• рабочая температура;
• множитель;
• системная шина;
• графическое ядро (встроенное);
• ядро процессора.

Все эти компоненты имеют огромное значение для производительности и качества работы центрального процессора компьютера. Далее они будут рассмотрены более детально.

Ядро и многоядерность

Ядро процессора (CPU), согласно Google, является основной частью рассматриваемого компонента. В нем содержатся все необходимые для работы блоки, а также осуществляется выполнение арифметических и логических задач.

Ядро включает в себя:

1. Модуль выработки инструкций. Тут происходит распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Количество одновременного считывания задач напрямую зависит от того, сколько в устройстве установлено блоков расшифровки. Это помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
2. Предсказатель переходов. Google отмечает, что он отвечает за оптимальное функционирование блока выработки инструкций. Определяет последовательность исполняемых команд, давая нагрузку на конвейер ядра.
3. Блок декодирования. Согласно Google, тут определяются некоторые процессы, необходимые для выполнения тех или иных задач. Декодирование само по себе является сложным из-за изменяющегося размера инструкций. Самые новые процессоры имеют по несколько таких блоков в одном ядре.
4. Блоки выработки информации (данных). Такие модули берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Они вырабатывают информацию, которая требуется на текущий момент для выполнения инструкций.
5. Блок управления. Google говорит, что этот модуль отвечает за распределение энергии между всеми остальными блоками. Обеспечивает своевременное выполнение необходимых операций.
6. Блок сохранения результатов. Предназначается этот компонент для записи после окончания обработки инструкций в RAM. Адрес сохранения прописывается в исполняющейся задаче.
7. Элемент работы с прерываниями. Центральный процессор умеет выполнять сразу несколько операций. Такой результат достигается за счет функции прерывания. Она позволяет приостанавливать ход работы одного приложения, переключаясь на другие.
8. Регистры. Google подчеркивает, что тут сохраняются результаты инструкций. Этот элемент может быть назван небольшой и быстрой оперативной памятью. Ее объем обычно не превышает несколько сотен байт.
9. Счетчик команд. Он сохраняет в себе адрес команды, используемой на следующем такте процессора.

Многоядерность – это одна из самых важных характеристик процессора. Сейчас можно встретить модели микропроцессоров с разным количеством ядер:

• 2;
• 4;
• 8.

Наиболее популярными являются первые две «модели». 8-ядерные процессоры пока не слишком востребованы. 4 ядра обычно хватает для графических приложений и других программ, которым требуется многопоточность.

Системная шина и множитель

Системная шина, согласно Google, является средством соединения всех устройств, входящих в состав компьютера. К ней подключается напрямую только ПК, остальные компоненты – через специальные контроллеры. Сама шина имеет множество сигнальных линий, через которые осуществляется непосредственная передача данных. Каждая линия обладает собственным протоколом, обеспечивающим связь по контроллерам с остальными подключенными компьютерными элементами.

Системная шина предусматривает свою собственную частоту. Чем выше этот параметр, тем быстрее осуществляется обмен данными между связующими компонентами системы.

Front Side Bus – это, согласно Google, частота системной шины материнской платы. Тактовая частота процессора – это произведение частоты FSB на множитель процессора. У большинства микропроцессоров заблокирован разгон по множителю, из-за чего приходится пользоваться разгоном по шине.

Кэш

Google отмечает, что быстродействие центрального процессора зависит от его возможности максимально быстро выбрать команды и информацию из имеющейся памяти. Кэш-память сокращает время выполнения операций. Она выступает в качестве временного буфера, обеспечивающего обмен информацией CPU с ОЗУ и обратно.

Ключевой характеристикой кэша выступает различие по уровням. Если этот параметр высокий, значит память является более медленной и объемной. На данный момент известны следующие уровни кэша:

• L1 – наиболее маленький и быстрый;
• L2 – средний как по скорости, так и по объему;
• L3 – наиболее крупный и медленный.

Принцип работы кэша предельно прост – CPU считывает из ОЗУ информацию и заносит ее в кэш любого уровня, удаляя старые данные. Если соответствующие сведения потребуются процессору снова, он получит ее намного быстрее за счет временного буфера.

Сокет

Сокет, согласно Google, представляет собой специальный разъем процессора – щелевой или гнездовой. Он может быть с легкостью заменен при поломке или модернизации компьютера. Без сокета центральный процессор просто впаивался бы в материнскую плату, усложняя ремонт и замену оборудования.

Необходимо помнить – каждый сокет предназначается для установки определенных процессоров:

• Pin Grid Array (PGA) – квадратный или прямоугольный корпус со штырьковыми контактами;
• Ball Grid Array (BGA) – шарики припоя;
• Land Grid Array (LGA) – контактные площадки.

Иногда пользователи покупают несовместимые процессор и материнскую плату. Это приводит к образованию дополнительных проблем при эксплуатации компьютера.

Графическое ядро

Выясняя, что находится внутри процессора Intel (или любого другого ЦП), необходимо обратить внимание на наличие в некоторых таких компонентах встроенного видеоядра. Он выполняет роль видеокарты. По мощности встроенное графическое ядро значительно уступает обычной видеокарте, но для несложных задач его будет более чем достаточно.

Чаще всего встроенные графические ядра устанавливаются на процессоры, работающие на ноутбуках бюджетного сегмента, а также на дешевых настольных компьютерах. В последние годы развитие этого элемента привело к тому, что оно без труда позволит играть в большинство современных игр, но на минимальных настройках.

Тактовая частота

Тактовая частота, согласно Google, указывает на то, как быстро может работать компьютерное оборудование. Соответствующий показатель измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Он соответствует количеству циклов (инструкций), с которыми ЦП способен справиться за одну секунду функционирования.

Процессор с тактовой частотой 2 ГГц выполняет 2 миллиарда команд в секунду. Более быстрые ЦП используют больше энергии и производят больше тепла.

Тактовая частота бывает:

• внутренней – темп, с которым процессор будет обрабатывать внутренние команды;
• внешней – скорость обращения к оперативной памяти.

Обычно на компьютерах устанавливается максимальная тактовая частота. Изменить соответствующий параметр, согласно Google, можно при помощи BIOS-настроек.

Разрядность и размерность технологического процесса

Разрядность – это предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может быть организована машинная операция по передачи данных.

Размерность технологического процесса, согласно Google, отвечает за определение размеров транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Чем меньше соответствующий размер, тем меньше окажется выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.

Энергопотребление и тепловыделение

Thermal Design Power (TDP) – показатель, указывающий на количество тепла, которое может отвести система охлаждения от того или иного процессора при максимальной нагрузке. Измеряется этот параметр в ваттах при предельной температуре процессорного корпуса.

Average CPU Power (ACP) – средняя мощность процессора. Она показывает энергопотребление ЦП при выполнении определенных задач. Google подчеркивает – чем выше энергопотребление, тем выше его тепловыделение.

Рабочая температура

Что стоит внутри ЦП, понятно. При изучении устройства этого компьютерного элемента необходимо обратить внимание на такой параметр, как рабочая температура. Это максимальный температурный показатель, при котором возможно нормальное функционирование центрального процессора. Обычно составляет от 54 до 100 градусов по Цельсию.

Рабочая температура зависит от нагрузки на процессор, а также от качества теплового отвода. Если достигнут и превышен предел соответствующего показателя, компьютер или перезагрузится, или отключится вовсе. От соответствующего показателя зависит выбор системы охлаждения для ПК.

Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!