Как работает микропроцессор. Как устроен процессор? Разбираемся вместе Что лежит в основе работы процессора
Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус.
1. Введение 2. Ядро процессора 2.1. Принцип работы ядра процессора 2.2. Способы повышения производительности ядра процессора 2.2.1. Конвейеризация 2.2.2. Суперскалярность 2.2.3. Параллельная обработка данных 2.2.4. Технология Hyper-threading 2.2.5. Технология Turbo Boost. 2.2.6. Эффективность выполнения команд. 2.3 Способы снижения энергопотребления ядра процессора 3. КЭШ-память
1. Введение.
Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.
Большинство современных процессоров состоит из:
одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций;
нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ;
контроллера ОЗУ;
контроллера системной шины (DMI, QPI, HT и т.д.);
И характеризуется следующими параметрами:
типом микроархитектуры;
тактовой частотой;
набором выполняемых команд;
количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;
типом и скоростью системной шины;
размерами обрабатываемых слов;
наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;
типом поддерживаемой оперативной памяти;
объемом адресуемой памяти;
наличием или отсутствием встроенного графического ядра;
энергопотреблением.
Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 1.
Начнем обзор устройства процессора с его основной части – ядра.
2. Ядро процессора.
Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.
На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков:
блока выборки инструкций;
блоков декодирования инструкций;
блоков выборки данных;
управляющего блока;
блоков выполнения инструкций;
блоков сохранения результатов;
блока работы с прерываниями;
набора регистров;
счетчика команд.
Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования, так как необходимо на каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.
Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода. Это необходимо, чтобы после условного перехода максимально нагрузить конвейер ядра процессора.
Блоки декодирования , как понятно из названия, – это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т.е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции. Задача эта для большинства современных коммерческих процессоров, построенных на базе концепции CISC, – очень сложная. Дело в том, что длина инструкций и количество операндов – нефиксированные, и это сильно усложняет жизнь разработчикам процессоров и делает процесс декодирования нетривиальной задачей.
Часто отдельные сложные команды приходится заменять микрокодом – серией простых инструкций, в совокупности выполняющих то же действие, что и одна сложная инструкция. Набор микрокода прошит в ПЗУ, встроенном в процессоре. К тому же микрокод упрощает разработку процессора, так как отпадает надобность в создании сложноустроенных блоков ядра для выполнения отдельных команд, да и исправить микрокод гораздо проще, чем устранить ошибку в функционировании блока.
В современных процессорах, обычно, бывает 2-4 блока декодирования инструкций, например, в процессорах Intel Core 2 каждое ядро содержит по два таких блока.
Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций. Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных. Например, в процессорах Intel Core используется по два блока выборки данных для каждого ядра.
Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.
Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:
ALU – арифметическое логическое устройство;
FPU – устройство по выполнению операций с плавающей точкой;
Блоки для обработки расширения наборов инструкций. Дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики. На данный момент наиболее популярными расширениями наборов инструкция являются:
MMX (Multimedia Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видео-данных;
SSE (Streaming SIMD Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для выполнения одной и той же последовательности операций над множеством данных с распараллеливанием вычислительного процесса. Наборы команд постоянно совершенствуются, и на данный момент имеются ревизии: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;
ATA (Application Targeted Accelerator) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы специализированного программного обеспечения и снижения энергопотребления при работе с такими программами. Эти инструкции могут использоваться, например, при расчете контрольных сумм или поиска данных;
3DNow – набор инструкций, разработанный компанией AMD, для расширения возможностей набора инструкций MMX;
AES (Advanced Encryption Standard) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы приложений, использующих шифрование данных по одноименному алгоритму.
Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.
Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями – одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к псевдопараллельной работе, т.е. к, так называемой, многозадачности.
Обработка прерываний происходит следующим образом. Процессор перед началом каждого цикла работы проверяет наличие запроса на прерывание. Если есть прерывание для обработки, процессор сохраняет в стек адрес инструкции, которую он должен был выполнить, и данные, полученные после выполнения последней инструкции, и переходит к выполнению функции обработки прерывания.
После окончания выполнения функции обработки прерывания, из стека считываются сохраненные в него данные, и процессор возобновляет выполнение восстановленной задачи.
Регистры – сверхбыстрая оперативная память (доступ к регистрам в несколько раз быстрее доступа к КЭШ-памяти) небольшого объема (несколько сотен байт), входящая в состав процессора, для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций. Регистры процессора делятся на два типа: регистры общего назначения и специальные регистры.
Регистры общего назначения используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций (MMX, SSE и т.д.).
Регистры специального назначения содержат системные данные, необходимые для работы процессора. К таким регистрам относятся, например, регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т.д. Доступ к этим регистрам жестко регламентирован.
Счетчик команд – регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.
Центральное процессорное устройство (англ. CPU – central processing unit ) – электронный блок на котором выполняются набор машинных инструкций (арифметические и логические вычисления). Изначально этот термин относился к определенным логическим машинам, задачей которых было выполнение сложных компьютерных программ. Со временем, с начала 1960-х годов, определение центральное процессорное устройство было естественным образом перенесено на компьютеры. В настоящее время CPU реализуется в рамках компьютерного процессора (чипа), микропроцессора (интегральная схема) или многоядерного процессора.
История развития процессоров началась после Второй мировой войны. В 1946 году был разработан первый электронный компьютер общего назначения ЭНИАК (англ. ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и вычислитель). ENIAC разрабатывался для расчетов артиллерийских таблиц, но впоследствии был перепрофилирован для решения задач широкого спектра. Первоначально результаты работы этого компьютера перепроверяли математики.
Термин CPU, как правило, означает устройство для исполнения программного обеспечения (компьютерной программы). Самые ранние устройства, которые по праву можно называть процессорами, были разработаны с появлением хранимой компьютерной программы.
Летом 1945 года математик Джон фон Нейман распространил «первый проект отчета о EDVAC» (E lectronic Discrete Variable Automatic Computer ). Проект был реализован в 1949 году командой ученых во главе с Джоном Мокли и Джоном Экертом. Главное отличие от ENIAC было использование двоичной системы, а не десятичной. EDVAC мог выполнить определенное количество инструкций (или операций) различных типов. Важно отметить, что программы, написанные для EDVAC хранились на подключаемом физическом носителе, а не в памяти компьютера. Это выгодно отличало его от ENIAC, для которого требовалось значительное время чтобы перенастроить на выполнение новых задач. Тем не менее EDVAC был не первой электронной вычислительной машиной с хранимыми в оперативной памяти программами реализовавшим архитектуру фон Неймана. Небольшой прототип, созданный в Манчестерском институте и Манчестерский Mark I, выполнили свои первые программы 21 июня 1948 года и 17 июля 1949 года соответственно.
С середины 1950-х годов и до середины 60-х прошел этап усовершенствования процессоров, связанный с применением транзисторов, которые заменили громоздкие, ненадежные и хрупкие вакуумные лампы и электрические реле. Благодаря этому усовершенствованию были построены процессоры более быстрые и более надежные на одной или нескольких печатных платах, содержащих отдельные компоненты.
В 1964 году IBM представила свой новый компьютер архитектуры System/360. Эта архитектура была использована в серии компьютеров, которые могли выполнять те же программы с разной скоростью и производительностью. Это было значимо для того времени, поскольку большинство компьютеров, даже одного производителя, были несовместимы. Чтобы решить эту задачу в IBM использовали понятие прошивки (микрокод), которая используется даже в современных процессорах. Процессоры с архитектурой System/360 были настолько популярны, что доминировали на рынке ЭВМ в течение многих десятилетий.
Компьютеры на основе транзисторов имели ряд преимуществ над своими предшественниками. Помимо повышенной надежности и низкого энергопотребления транзисторы позволяли процессору работать на гораздо больших скоростях из-за меньшего времени переключения транзистора по сравнению с лампой или реле.
В 1970 годы произошел прорыв в технологии создания процессора. Была создана интегральная схема на кристалле которой были расположены основные элементы и блоки процессора. Эта микросхема известна как микропроцессор. В 1971 году фирма Intel выпустила первый коммерчески доступный 4-разрядный микропроцессор Intel 4004. В следующие несколько лет Intel выпустили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086. Эти процессоры заложили основы архитектуры микропроцессоров для современных персональных компьютеров. Оптимальным материалом для изготовления микропроцессоров стал кремний.
В то время как за последние шестьдесят лет кардинально изменились сложность, размер, архитектура и общий вид процессора, следует отметить, что основные операции практически не изменились. Почти все общие процессы описаны архитектурой Неймана, законами Мура и др. В настоящее время по-прежнему исследуются новые методы расчета, такие, как квантовые вычисления, использование параллельных вычислений и других методов, которые усовершенствуют классическую модель фон Неймана.
Основная работа большинства процессоров заключается в последовательном выполнении определенных инструкций (вычислений), называемых программой. Есть три шага, которые используют в своей работе практически все процессоры: получение команды (чтение), декодирование и выполнение.
Первый шаг – получение инструкций. На этой стадии процессор получает инструкцию, которая представлена числом или последовательностью чисел из программной памяти. Расположение инструкции (адрес) в памяти определяется счетчиком команд. В нем хранится число, которое идентифицирует адрес следующей инструкции. После, команда извлекается, компьютер получает приращение на длину командного слова так, что она будет содержать адрес следующей команды. В зависимости от типа памяти и чипа обработки, этот шаг может быть выполнен быстро или медленно. Этот вопрос в значительной степени решен в современных процессорах кэшем.
Следующим шагом является фаза декодирования. Центральный процессор получает программный код, как инструкции. Значение числовой инструкции определяется набором команд процессора. Группы чисел в инструкции называется кодом операции, который указывает какие и в каком порядке операции выполнять. После того как процессор нашел программу и получил код он должен определить, что именно программа хочет сделать. Есть сотни различных типов языков программирования. ЦП должен быть в состоянии расшифровать тип языка программирования используемого в коде, так чтобы понять, что делать с программой дальше. По сути декодирование – это перевод команд программы с языка программирования в численные значения. В старых моделях процессоров для декодирования команд использовались аппаратные устройства. Современные ЦПУ используют микропрограмму в качестве переводчика для улучшения связи между языком программирования, который использует код и процессора. Основная работа микропрограммы заключается в том, чтобы прочитать код и переписать его таким образом, что процессор понимал его.
Третий этап – выполнение. В зависимости от архитектуры процессора, исполнение может состоять из одного действия или последовательности действий. Очень часто результаты записываются во внутренний регистр процессора для быстрого исполнения последующими инструкциями. Используя полученную и декодированную информацию процессор может запустить программу. Полученный от микропрограммы декодированный код операции позволяет процессору определить порядок выполнения кода, после чего происходит загрузка всех компонентов установленных полученной командой. Это называется выполнением кода.
Производительность или скорость процессора, помимо многих других факторов, зависит от тактовой частоты (обычно измеряется в Герцах, Гц), а также количество операций за такт. Вместе эти факторы определяют количество операций в секунду, которые может выполнять процессор.
Производительность компьютеров может быть увеличена с помощью многоядерных процессоров, которые представляют собой соединение двух или более отдельных процессоров (ядер) на одной интегральной схеме. В идеале, двухъядерный процессор должен быть в два раза мощнее одноядерного. На практике прирост производительности намного меньше, лишь около 50% из-за несовершенства алгоритмов и программной реализации.
В ближайшем будущем материальная часть процессоров будет изменена. Это неизбежно произойдет поскольку технологический процесс производства процессоров в том виде какими они известны на сегодняшний день достигает физических пределов. В перспективе есть несколько направлений.
- Оптические компьютеры, основанные на оптических или фотонных вычислениях. Вместо традиционных электрических сигналов (движение электронов) обработке подвергаются фотоны (потоки света), произведенные лазерами или светодиодами. С помощью фотонов можно значительно увеличить пропускную способность (количество обработанных сигналов) процессора.
- Квантовые компьютеры основаны на квантовой механике. Разработка этих вычислительных устройств является одной из приоритетных задач современной физики. Полноценно работающий образец пока не собран, разработка связана с множеством сложных экспериментов и теоретических исследований.
- Молекулярные компьютеры вместо традиционных кремниевых технологий используют молекулярную биологию и биохимию. Разработка молекулярных компьютеров является быстро развивающейся междисциплинарной областью. В основе лежит возможность программирования молекул на нужное поведение.
Сегодня практически в каждом доме есть компьютер. Без него трудно представить сегодняшнюю жизнь. Поиск необходимой информации, просмотр новостей и погоды, покупка-продажа товаров, просмотр фильмов и передач – все это возможно сделать, не выходя из дома и не прилагая особых усилий. Всего лишь необходимо включить компьютер и зайти в Интернет.
Но мало кто задумывается о том, из чего состоит компьютер, при помощи чего можно так быстро получать всю необходимую информацию. Одной из основных составляющих компьютера является процессор. Разобравшись, как работает процессор, можно прояснить для себя много нового.
Что такое процессор
Центральный процессор, или как его называют в мире информатики – CPU – это основная составляющая любого компьютера, это его сердце и мозг. Именно процессор выполняет все команды, указанные пользователем, обрабатывает всю информацию и управляет иными приборами компьютера.
Сегодня основными производителями процессоров являются компании Intel и Advanced Micro Devices (AMD), которые длительное время существуют на рынке информационных технологий и проявили себя только с лучшей стороны. Естественно, существуют и иные производители, но до уровня этих компаний-гигантов им еще очень далеко. Интересно, что Intel и AMD ведут постоянную борьбу за первенство в произведении процессоров, поочередно завоевывая первые позиции при выпуске новых моделей. Как ни странно, именно эта борьба дает толчок постоянному качественному развитию этой области информационных технологий.
Внешний вид
Начинать осматривать устройство процессора компьютера необходимо с его внешнего вида. На первый взгляд, это просто металлическая коробочка, с обратной стороны которой находится небольшая плата размером приблизительно 5х5 см и различные контакты, при помощи которых процессор крепится к материнской плате. В средине процессора находятся миллионы, а иногда даже и миллиарды различных транзисторов, которые и выполняют основную работу.
Из чего делается процессор
Сам процессор в основном состоит из песка, а точнее – кремния, которого в земной коре всего лишь 30%. Процесс образования процессоров достаточно сложный, требует специального оборудования и материальных затрат. Если кратко, схема изготовления процессоров чем-то схожа с технологией печати фотографий - при его изготовлении используется технология фотолитографии. В роли фотографии тут выступают «блинчики» - будущие процессоры, на которых при помощи сильно разогнанных на специальном ускорителе ионов бора создают миниатюрную структуру с множеством транзисторов. И чем тоньше технологический процесс, тем больше мощность и скорость работы данной структуры. С каждым годом размеры этих структурных элементов все меньше и в скором времени, по прогнозам ученых, они могут достигать всего лишь около 15 нм.
Можно снять крышку и рассмотреть внутреннее устройство процессора, но тут существует риск повреждения тончайших деталей процессора, что может привести к его неработоспособности.
Составляющие
С течением времени устройство и работа процессора качественно изменяются. Уменьшаются и размеры процессоров. Сегодня используются практически те же принципы построения процессоров, что и раньше, изменился только размер комплектующих.
Внутри устройство процессора также весьма интересно. Он состоит из общей архитектуры – все, что включает в себя плату, ядра (от работы которых зависит быстродействие компьютера), шины (крепления, которые подсоединяются к материнской плате), а также ревизии (частицы, которые меньше, нежели ядра, но также очень важны и функциональны).
Показатели быстродействия компьютера
Реакция компьютера на заданные команды может зависеть от нескольких показателей: от количества ядер, количества потоков (может не совпадать с количеством ядер), размеров кеша – внутренней памяти процессора, тактовой частоты, быстроты шин, а также самого техпроцесса изготовления процессора.
Принцип работы
Детально изучив устройство, теперь можно рассмотреть принцип работы процессора. Компьютер начинает свою работу после получения определенной команды от пользователя.
Но мало кто знает, что любая команда состоит из двух частей – операционной и операндной:
- операционная часть команды показывает то, что должен выполнить компьютер,
- вторая часть команды дает процессору операнды – то, над чем должен поработать процессор.
Некоторые процессоры могут содержать два конвейера, т.е. вычислительных блока. Каждый из них разделяет выполнение команды, данной компьютеру пользователем, на несколько этапов: выработку, декодирование (т.е. дешифровку команды), выполнение самой команды, обращение к памяти процессора и запоминание полученных результатов. Все эти этапы делаются в кратчайшие сроки. При работе конвейера каждому его этапу отводиться один такт одноименной частоты, поэтому выполнению каждой команды в процессоре отводиться пять тактов.
Кеширование памяти любого процессора увеличивает его работоспособность. Сегодня принято использовать две кеш-памяти, т.к. использование одной приводило к конфликтам при выполнении команд. Это связано с тем, что часто две команды пытались взять информацию из одной кеш-памяти. Раздельное кеширование полностью исключает возникновение подобных ситуаций и дает возможность двум командам быть выполненными одновременно.
Разбираясь, как работает процессор компьютера, стоит учесть и то, что вычислительные процессоры бывают разные: линейные, циклические и разветвляющиеся.
- Линейные процессоры выполняют команды в зависимости от порядка их записи в оперативной памяти.
- Циклические и разветвляющие процессоры выполняют команды в зависимости от результатов проверки условий ветвлений.
Важно также знать, как работают шины процессора. Их бывает две, одна, быстрая шина работает с кеш-памятью второго уровня, вторая шина (более медленная) предназначена для работы по обмену информации с другими устройствами.
Центральный процессор является основным и самым главным элементом системы. Благодаря нему выполняются все задачи связанные с передачей данных, исполнением команд, логическими и арифметическими действиями. Большинство пользователей знают, что такое ЦП, но не разбираются в принципе его работы. В этой статье мы постараемся просто и понятно объяснить, как работает и за что отвечает CPU в компьютере.
Перед тем, как разобрать основные принципы работы CPU, желательно ознакомиться с его компонентами, ведь это не просто прямоугольная пластина, монтируемая в материнскую плату, это сложное устройство, образующееся из многих элементов. Более подробно с устройством ЦП вы можете ознакомиться в нашей статье, а сейчас давайте приступим к разбору главной темы статьи.
Выполняемые операции
Операция представляет собой одно или несколько действий, которые обрабатываются и выполняются компьютерными устройствами, в том числе и процессором. Сами операции делятся на несколько классов:
- Ввод и вывод . К компьютеру обязательно подключено несколько внешних устройств, например, клавиатура и мышь. Они напрямую связаны с процессором и для них выделена отдельная операция. Она выполняет передачу данных между CPU и периферийными девайсами, а также вызывает определенные действия с целью записи информации в память или ее вывода на внешнюю аппаратуру.
- Системные операции отвечают за остановку работы софта, организовывают обработку данных, ну и, кроме всего, отвечают за стабильную работу системы ПК.
- Операции записи и загрузки . Передача данных между процессором и памятью осуществляется с помощью посылочных операций. Быстродействие обеспечивается одновременной запись или загрузкой групп команд или данных.
- Арифметически-логические . Такой тип операций вычисляет значения функций, отвечает за обработку чисел, преобразование их в различные системы исчисления.
- Переходы . Благодаря переходам скорость работы системы значительно увеличивается, ведь они позволяют передать управление любой команде программы, самостоятельно определяя наиболее подходящие условия перехода.
Все операции должны работать одновременно, поскольку во время активности системы за раз запущено несколько программ. Это выполняется благодаря чередованию обработки данных процессором, что позволяет ставить приоритет операциям и выполнять их параллельно.
Выполнение команд
Обработка команды делится на две составные части – операционную и операндную. Операционная составляющая показывает всей системе то, над чем она должна работать в данный момент, а операндная делает то же самое, только отдельно с процессором. Выполнением команд занимаются ядра, а действия осуществляются последовательно. Сначала происходит выработка, потом дешифрование, само выполнение команды, запрос памяти и сохранение готового результата.
Благодаря применению кэш-памяти выполнение команд происходит быстрее, поскольку не нужно постоянно обращаться к ОЗУ, а данные хранятся на определенных уровнях. Каждый уровень кэш-памяти отличается объемом данных и скоростью выгрузки и записи, что влияет на быстродействие систем.
Взаимодействия с памятью
ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство) может хранить в себе только неизменяемую информацию, а вот ОЗУ (Оперативная память) используется для хранения программного кода, промежуточных данных. С этими двумя видами памяти взаимодействует процессор, запрашивая и передавая информацию. Взаимодействие происходит с использованием подключенных внешних устройств, шин адресов, управления и различных контролеров. Схематически все процессы изображены на рисунке ниже.
Если разобраться о важности ОЗУ и ПЗУ, то без первой и вовсе можно было бы обойтись, если бы постоянное запоминающее устройство имело намного больше памяти, что пока реализовать практически невозможно. Без ПЗУ система работать не сможет, она даже не запустится, поскольку сначала происходит тестирование оборудования с помощью команд БИОСа.
Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.
Что такое центральный процессор?
Из чего состоит процессор?
Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) 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 первенец, 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.
Основные характеристики
Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя. Прежде всего это:
- количество ядер;
- число потоков;
- размер кэша (внутренней памяти);
- тактовая частота;
- быстрота шины.
Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.
На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная является всего лишь усредненным показателем.
Количество ядер - показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками - количество ядер и потоков могут не совпадать). За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность.
Как работает процессор: обработка команд
Теперь немного о структуре исполняемых команд. 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 (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:
- выработка;
- дешифрование;
- выполнение команды;
- обращение к памяти самого процессора
- сохранение результата.
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).
Выполняемые операции
Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три 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.
Как проверить, работает ли процессор?
Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.
Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает). Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z.
Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого (msconfig) и дополнительные параметры загрузки.
Возможные проблемы
Наконец, несколько слов о проблемах. Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное. Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры).
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.
