Дайте визначення до терміну центрального процесора. Як працює процесор? Оскільки все-таки працює комп'ютер

Майже всі знають, що в комп'ютері головним елементом серед усіх «залізних» компонентів є центральний процесор. Але коло людей, які уявляють, як працює процесор, є дуже обмеженим. Більшість користувачів про це й гадки не мають. І навіть коли система раптом починає «гальмувати», багато хто вважає, що це процесор погано працює, і не надають значення іншим факторам. Для розуміння ситуації розглянемо деякі аспекти роботи ЦП.

Що таке центральний процесор?

Із чого складається процесор?

Якщо говорити про те, як працює процесор Intel або його конкурент AMD, потрібно подивитися, як ці чіпи влаштовані. Перший мікропроцесор (до речі, саме від Intel, модель 4040) з'явився ще далекого 1971 року. Він міг виконувати лише найпростіші операції складання та віднімання з обробкою лише 4 біт інформації, тобто мав 4-бітну архітектуру.

Сучасні процесори, як і первісток, засновані на транзисторах і мають куди більшу швидкодію. Виготовляються вони методом фотолітографії з певної кількості окремих кремнієвих пластинок, що становлять єдиний кристал, в який ніби вдруковані транзистори. Схема створюється спеціальному прискорювачі розігнаними іонами бору. У внутрішній структурі процесорів основними компонентами є ядра, шини та функціональні частинки, які називають ревізіями.

Основні характеристики

Як і будь-яке інше пристрій, процесор характеризується певними параметрами, які, відповідаючи питанням, як працює процесор, обійти стороною не можна. Насамперед це:

• кількість ядер;
• кількість потоків;
• розмір кешу (внутрішньої пам'яті);
• тактова частота;
• швидкість шини.

Поки що зупинимося на тактовій частоті. Недаремно процесор називають серцем комп'ютера. Як і серце, він працює в режимі пульсації з певною кількістю тактів на секунду. Тактова частота вимірюється в МГц або ГГц. Чим вона вища, тим більше операцій може виконати пристрій.

На якій частоті працює процесор, можна дізнатися з його заявлених характеристик або подивитися інформацію в процесі обробки команд частота може змінюватися, а при розгоні (оверлокінгу) збільшуватися до екстремальних меж. Таким чином, заявлена ​​є лише усередненим показником.

Кількість ядер - показник, що визначає кількість обчислювальних центрів процесора (не плутати з потоками - кількість ядер та потоків можуть не співпадати). За рахунок такого розподілу з'являється можливість перенаправлення операцій на інші ядра, завдяки чому підвищується загальна продуктивність.

Як працює процесор: обробка команд

Тепер трохи про структуру команд, що виконуються. Якщо подивитися, як працює процесор, потрібно чітко уявляти, що будь-яка команда має дві складові - операційну та операндну.

p align="justify"> Операційна частина вказує, що повинна виконати в даний момент комп'ютерна система, операнда визначає те, над чим повинен працювати саме процесор. Крім того, ядро ​​процесора може містити два обчислювальні центри (контейнери, потоки), які поділяють виконання команди на кілька етапів:

• вироблення;
• дешифрування;
• виконання команди;
• звернення до пам'яті самого процесора
• збереження результату.

Сьогодні застосовується роздільне кешування як використання двох рівнів кеш-пам'яті, що дозволяє уникнути перехоплення двома і більше командами звернення одного з блоків пам'яті.

Процесори за типом обробки команд поділяють на лінійні (виконання команд у порядку черги їх запису), циклічні та розгалужені (виконання інструкцій після обробки умов розгалуження).

Операції, що виконуються

Серед основних функцій, покладених на процесор, у сенсі виконуваних команд чи інструкцій розрізняють три основні завдання:

• математичні дії на основі арифметико-логічного устрою;
• переміщення даних (інформації) з одного типу пам'яті до іншого;
• прийняття рішення щодо виконання команди, і його основі - вибір перемикання виконання інших наборів команд.

Взаємодія з пам'яттю (ПЗУ та ОЗУ)

У цьому процесі слід зазначити такі компоненти, як шина і канал читання та записи, які з'єднані із пристроями, що запам'ятовують. ПЗП містить постійний набір байт. Спочатку адресна шина запитує ПЗУ певний байт, потім передає його на шину даних, після чого канал читання змінює свій стан і ПЗУ надає запитаний байт.

Але процесори можуть як зчитувати дані з оперативної пам'яті, а й записувати їх. У цьому випадку використовується канал запису. Але, якщо розібратися, за великим рахунком сучасні комп'ютери суто теоретично могли б взагалі обійтися без ОЗУ, оскільки сучасні мікроконтролери здатні розміщувати потрібні байти даних безпосередньо в пам'яті самого процесорного чіпа. Але без ПЗУ обійтися ніяк не можна.

Крім усього іншого, старт системи запускається з режиму тестування обладнання (команди BIOS), а потім управління передається завантажуваній операційній системі.

Як перевірити, чи процесор працює?

Тепер подивимося деякі аспекти перевірки працездатності процесора. Потрібно чітко розуміти, що, якби процесор не працював, комп'ютер не зміг би почати завантаження взагалі.

Інша річ, коли потрібно подивитися на показник використання можливостей процесора у певний момент. Зробити це можна із стандартного «Диспетчера завдань» (навпроти будь-якого процесу вказано, скільки відсотків завантаження процесора він дає). Для візуального визначення цього параметра можна скористатися вкладкою продуктивності, де відстеження змін відбувається у режимі реального часу. Розширені параметри можна побачити за допомогою спеціальних програм, наприклад CPU-Z.

Крім того, можна використовувати кілька ядер процесора, використовуючи для цього (msconfig) і додаткові параметри завантаження.

Можливі проблеми

Зрештою, кілька слів про проблеми. Ось багато користувачів часто запитують, мовляв, чому процесор працює, а монітор не вмикається? До центрального процесора ця ситуація не має жодного стосунку. Справа в тому, що при включенні будь-якого комп'ютера спочатку тестується графічний адаптер, а потім все інше. Можливо, проблема полягає якраз у процесорі графічного чіпа (усі сучасні відеоприскорювачі мають власні графічні процесори).

Але на прикладі функціонування людського організму слід розуміти, що у разі зупинки серця вмирає весь організм. Так і з комп'ютерами. Не працює процесор – «вмирає» вся комп'ютерна система.

2. У результаті свого розвитку напівпровідникові структури постійно еволюціонують. Тому принципи побудови процесорів, кількість елементів, що входять до їх складу, то, як організована їх взаємодія, постійно змінюються. Таким чином, CPU з однаковими основними принципами будівлі прийнято називати процесорами однієї архітектури. А самі такі принципи називають архітектурою процесора (або мікроархітектури).

Незважаючи на це, всередині однієї архітектури деякі процесори можуть досить сильно відрізнятися один від одного - частотами системної шини, техпроцесом виробництва, структурою і розміром внутрішньої пам'яті і т.д.

3. У жодному разі не можна судити про мікропроцесор тільки за таким показником, як частота тактового сигналу, яка вимірюється мега або гігагерцями. Іноді «проц», у якого тактова частота менша, може виявитися продуктивнішим. Дуже важливими є такі показники як кількість тактів, які необхідні для виконання команди, кількість команд, які він може виконувати одночасно та ін.

Оцінка можливостей процесора (характеристики)

У побуті, при оцінці можливостей процесора необхідно звертати увагу на такі показники (як правило, вони вказані на упаковці пристрою або в прайс-листі або каталозі магазину):

• кількість ядер. Багатоядерні CPU містять на одному кристалі (в одному корпусі) 2, 4 і т.д. обчислювальних ядра. Збільшення кількості ядер – один із найефективніших способів значного підвищення потужності процесорів. Але необхідно враховувати, що програми, які не підтримують багатоядерність (зазвичай це старі програми), на багатоядерних процесорах швидше не працюватимуть, т.к. не вміють використовувати більше одного ядра;
• розмір кешу. Кеш - дуже швидка внутрішня пам'ять процесора, використовувана їм як своєрідний буфер у разі необхідності компенсації «перебоїв» під час роботи з оперативною пам'яттю. Логічно, що чим більше кеш, тим краще.
• кількість потоків – пропускна спроможність системи. Кількість потоків часто не збігається з кількістю ядер. Наприклад, чотириядерний Intel Core i7 працює у 8 потоків і за своєю продуктивністю випереджає багато шестиядерних процесорів;
• Тактова частота - величина, яка показує, скільки операцій (тактів) в одиницю часу може зробити процесор. Логічно, що більше частота, тим більше операцій може виконати, тобто. тим продуктивніше виходить.
• швидкість шини, з допомогою якої CPU з'єднаний із системним контролером, що є материнської платі.
• техпроцес – чим він дрібніший, тим менше енергії процесор споживає і, отже, менше гріється.

Структура центрального процесора

Щоб непрофесіоналу стало зрозуміло, як працює центральний процесор комп'ютера, розглянемо, з яких блоків він складається:

Блок керування процесором;

Реєстри команд та даних;

Арифметико-логічні пристрої (виконують арифметичні та логічні операції);

Блок операцій з дійсними числами, тобто з числами з плаваючою точкою або з дробами (FPU);

Буферна пам'ять (кеш) першого рівня (окремо для команд та даних);

Буферна пам'ять (кеш) другого рівня зберігання проміжних результатів обчислень;

У більшості сучасних процесорів є кеш третього рівня;

Інтерфейс системної шини.

Принцип роботи процесора

Алгоритм роботи центрального процесора комп'ютера можна як послідовність наступних дій.

Блок управління процесором бере з оперативної пам'яті, в яку завантажена програма, певні значення (дані) та команди, які необхідно виконати (інструкції). Ці дані завантажуються в кеш-пам'ять процесора.

З буферної пам'яті процесора (кешу) інструкції та отримані дані записуються в регістри. Інструкції поміщаються в регістри команд, а значення регістри даних.

Арифметико-логічне пристрій зчитує інструкції та дані з відповідних регістрів процесора та виконує ці команди над отриманими числами.

Результати знову записуються в регістри і якщо обчислення закінчено буферну пам'ять процесора. Реєстрів у процесора зовсім небагато, тому він змушений зберігати проміжні результати у кеш-пам'яті різного рівня.

Нові дані та команди, необхідні для розрахунків, завантажуються в кеш верхнього рівня (з третього в другий, з другого в перший), а дані, що не використовуються, навпаки в кеш нижнього рівня.

Якщо цикл обчислень закінчено, результат записується в оперативну пам'ять комп'ютера для вивільнення місця в буферній пам'яті процесора нових обчислень. Те саме відбувається при переповненні даними кеш-пам'яті: дані, що не використовуються, переміщуються в кеш нижнього рівня або в оперативну пам'ять.

Послідовність цих операцій утворює операційний потік процесора. Під час роботи процесор сильно нагрівається. Щоб цього не відбувалося, потрібно своєчасно робити чистку ноутбука вдома.

Щоб прискорити роботу центрального процесора та збільшити продуктивність обчислень, постійно розробляють нові архітектурні рішення, що збільшують ККД процесора. Серед них конвеєрне виконання операцій, трасування, тобто спроба передбачити подальші дії програми, паралельне відпрацювання команд (інструкцій), багатопоточність і багатоядерність.

Багатоядерний процесор має кілька обчислювальних ядер, тобто кілька арифметико-логічних блоків, блоків обчислень з плаваючою точкою та регістрів, а також кеш першого рівня, об'єднаних кожен у своє ядро. Ядра мають загальну буферну пам'ять другого та третього рівня. Поява кеш-пам'яті третього рівня якраз і була викликана багатоядерністю і відповідно потребою у більшому обсязі швидкої буферної пам'яті для зберігання проміжних результатів обчислень.

Основними показниками, що впливають швидкість обробки даних процесором є число обчислювальних ядер, довжина конвеєра, тактова частота і обсяг кеш пам'яті. Щоб збільшити продуктивність комп'ютера часто потрібно змінити саме процесор, а це спричиняє заміну материнської плати та оперативної пам'яті. Виконати апгрейд, налаштування та ремонт комп'ютера вдома в Москві допоможуть фахівці нашого сервісного центру, якщо вас лякає процес самостійного складання та модернізації комп'ютера.

У наші дні процесори відіграють особливу роль лише в рекламі, всіма силами намагаються переконати, що саме процесор у комп'ютері є вирішальним компонентом, особливо такий виробник, як Intel. Виникає питання: що таке сучасний процесор та й взагалі, що таке процесор?

Довгий час, а якщо точніше, то аж до 90-х років продуктивність комп'ютера визначав саме процесор. Процесор визначав усе, але це не зовсім так.

Не все визначається центральним процесором, а процесори від Intel який завжди кращі ніж від AMD. Останнім часом помітно зросла роль інших компонентів комп'ютера, а в домашніх умовах процесори рідко стають найвужчим місцем, але також, як і інші компоненти комп'ютера потребують додаткового розгляду, тому що без нього не може існувати жодна обчислювальна машина. Самі процесори давно не приділили кількох видів комп'ютера, так як і різноманітність комп'ютерів побільшало.

Процесор (центральний процесор)- це дуже складна мікросхема, що обробляє машинний код, що відповідає за виконання різних операцій та управління комп'ютерною периферією.

Для короткого позначення центрального процесора прийнята абревіатура - ЦП, а також дуже поширене CPU - Central Processing Unit, що перекладається як центральний обробний пристрій.

Використання мікропроцесорів

Такий пристрій як процесор інтегрується практично в будь-яку електронну техніку, що говорити про такі пристрої як телевізор і відеоплеєр, навіть в іграшках, а смартфони самі по собі вже є комп'ютерами, хоч і різними по конструкції.

Декілька ядер центрального процесора можуть абсолютно різні завдання виконувати незалежно один від одного. Якщо комп'ютер виконує лише одне завдання, то її виконання прискорюється за рахунок розпаралелювання типових операцій. Продуктивність може набути досить точної межі.

Коефіцієнт внутрішнього множника частоти

Сигнали циркулювати всередині кристала процесора, можуть на високій частоті, хоча звертатися із зовнішніми складовими комп'ютера на одній і частоті процесори поки не можуть. У зв'язку з цим частота, де працює материнська плата одна, а частота роботи процесора інша, більш висока.

Частоту, яку процесор отримує від материнської плати можна назвати опорною, він у свою чергу виробляє її множення на внутрішній коефіцієнт, результатом чого і є внутрішня частота, що називається внутрішнім множником.

Можливості коефіцієнта внутрішнього множника частоти дуже часто використовують оверлокери для звільнення розгінного потенціалу процесора.

Кеш-пам'ять процесора

Дані для подальшої роботи процесор отримує з оперативної пам'яті, але всередині мікросхем процесора сигнали обробляються з дуже високою частотою, а звернення до модулів ОЗУ проходять з частотою в рази менше.

Високий коефіцієнт внутрішнього множника частоти стає ефективнішим, коли вся інформація знаходиться всередині нього, порівняно, наприклад, ніж в оперативній пам'яті, тобто з зовні.

У процесорі трохи осередків обробки даних, звані регістрами, у яких зазвичай майже нічого зберігає, а прискорення, як роботи процесора, і разом із ним комп'ютерної системи була інтегрована технологія кешування.

Кешем можна назвати невеликий набір осередків пам'яті, що у свою чергу виконують роль буфера. Коли відбувається зчитування із загальної пам'яті, копія з'являється у кеш-пам'яті центрального процесора. Потрібно це для того, щоб при потребі в тих самих даних доступ до них був прямо під рукою, тобто в буфері, що збільшує швидкодію.

Кеш-пам'ять у нинішніх процесорах має пірамідальний вигляд:

1. Кеш-пам'ять одного рівня - найменша за обсягом, але в той же час найшвидша за швидкістю, входить до складу кристала процесора. Виготовляється за тими ж технологіями, що і регістри процесора, дуже дорога, але це коштує її швидкості та надійності. Хоч і вимірюється сотнями кілобайт, що дуже мало, але грає величезну роль у швидкодії.
2. Кеш-пам'ять 2-го рівня - так само, як і 1-го рівня, розташована на кристалі процесора і працює з частотою його ядра. У сучасних процесорах вимірюється від сотень кілобайт до кількох мегабайт.
3. Кеш-пам'ять 3-го рівня повільніша від попередніх рівнів цього виду пам'яті, але є швидкодієвою оперативної пам'яті, що важливо, а вимірюється десятками мегабайт.

Розміри кеш-пам'ять 1-го та 2-го рівнів впливають як на продуктивність, так і на вартість процесора. Третій рівень кеш-пам'яті - це своєрідний бонус у роботі комп'ютера, але не один із виробників мікропроцесорів їм нехтувати не поспішає. Кеш-пам'ять 4-го рівня існує і виправдовує себе лише в багатопроцесорних системах, саме тому на комп'ютері його знайти не вдасться.

Роз'єм установки процесора (Soket)

Розуміння того, що сучасні технології не настільки просунуті, що процесор зможе отримувати інформацію на відстань, не змінно він повинен кріпитися, кріпитися до материнської плати, встановлюватися в неї і з нею взаємодіяти. Це місце кріплення називається Soket і підійде тільки для певного типу або сімейства процесорів, які різні виробники теж різні.

Що таке процесор: архітектура та технологічний процес

Архітектура процесора - це його внутрішній пристрій, різне розташування елементів так само зумовлює його характеристики. Сама архітектура притаманна цілому сімейству процесорів, а зміни, внесені та спрямовані на покращення або виправлення помилок, мають назву степінг.

Технологічний процес визначає розмір комплектуючих самого процесора і вимірюється нанометрах (нм), а менші розміри транзисторів визначають менший розмір самого процесора, на що й спрямована розробка майбутніх CPU.

Енергоспоживання та тепловиділення

Саме енергоспоживання безпосередньо залежить від технології, за якими виробляються процесори. Найменші розміри та підвищені частоти прямо пропорційно обумовлюють енергоспоживання та тепловиділення.

Для зниження енергоспоживання та тепловиділення виступає енергозберігаюча автоматична система регулювання навантаження на процесор, відповідно за відсутності у продуктивності будь-якої необхідності. Високопродуктивні комп'ютери обов'язково мають хорошу систему охолодження процесора.

Підбиваючи підсумки матеріалу статті - відповіді на питання, що таке процесор:

Процесори наших днів мають можливість багатоканальної роботи з оперативною пам'яттю, з'являються нові інструкції, завдяки яким підвищується його функціональний рівень. Можливість обробки графіки самим процесором забезпечує зниження вартості, як у самі процесори, і завдяки їм на офісні і домашні збирання комп'ютерів. З'являються віртуальні ядра для більш практичного розподілу продуктивності, розвиваються технологи, а разом з ними комп'ютер і його складова як центральний процесор.

Чудово знають основні складові комп'ютера, але мало хто розуміє, що складається з процесора. А тим часом це головний пристрій системи, який виконує арифметичні та логічні операції. Основна функція процесора полягає у отриманні інформації, її обробці та віддачі кінцевого результату. Звучить все просто, але насправді цей процес складний.

З чого складається процесор

ЦП – це мініатюрна кремнієва пластина прямокутної форми, що містить мільйони транзисторів (напівпровідників). Саме вони реалізують усі функції, які виконує процесор.

Майже всі сучасні процесори складаються з наступних компонентів:

1. Декілька ядер (рідко 2, частіше 4 або 8), які виконують всі функції. По суті, ядро ​​є окремим мініатюрним процесором. Декілька інтегрованих в основний чіп ядер паралельно працюють над завданнями, що прискорює процес обробки даних. Однак не завжди більша кількість ядер означає швидшу роботу чіпа.
2. Декілька рівнів пам'яті КЕШ (2 або 3), завдяки чому час взаємодії ОЗУ та процесора скорочується. Якщо інформація знаходиться в КЕШі, час доступу до неї мінімізований. Отже, чим більшим буде обсяг КЕШу, тим більше інформації в нього поміститься і тим швидше буде процесор.
3. Контролер ОЗУ та системної шини.
4. Регістри ‒ осередки пам'яті, де зберігаються дані, що обробляються. Вони мають обмежений розмір (8, 16 чи 32 біт).
5. Співпроцесор. Окреме ядро, яке призначається до виконання операцій певного типу. Найчастіше як співпроцесора виступає графічне ядро ​​(відеокарта).
6. Адресна шина, яка пов'язує чіп із усіма підключеними до материнської плати пристроями.
7. Шина даних – для зв'язку процесора з оперативною пам'яттю. По суті, шина є набір провідників, за допомогою яких передається або приймається електричний сигнал. І що більше буде провідників, то краще.
8. Шина синхронізації - дозволяє контролювати такти та частоту роботи процесора.
9. Шина перезапуску – обнуляє стан чіпа.

Усі ці елементи беруть участь у роботі. Проте найголовнішим серед них, безперечно, є саме ядро. Решта зазначених складових лише допомагають йому виконувати основне завдання. Тепер, коли ви розумієте, з чого складається процесор, можна детальніше розглянути його основний компонент.

Ядра

Говорячи про те, з чого складається центральний процесор, насамперед потрібно згадати ядра, оскільки саме вони є основними його частинами. Ядра включають функціональні блоки, що виконують арифметичні або логічні операції. Зокрема, можна виділити:

1. Блок вибірки, декодування та виконання інструкцій.
2. Блок збереження результатів.
3. Блок лічильника команд тощо.

Як ви зрозуміли, кожен із них виконує певне завдання. Наприклад, блок вибірки інструкцій зчитує їх за вказаною в лічильнику команд адресою. У свою чергу блоки декодування визначають, що саме треба зробити процесору. У сукупності робота всіх цих блоків і дозволяє досягти виконання зазначеної користувачем завдання.

Завдання ядер

Зазначимо, що ядра можуть виконувати лише математичні розрахунки та операції порівняння, а також переміщувати дані між осередками ОЗП. Втім цього вистачає, щоб користувачі могли грати в ігри на комп'ютері, дивитися фільми, переглядати веб-сторінки.

По суті, будь-яка комп'ютерна програма складається з найпростіших команд: скласти, помножити, перемістити, поділити, перейти до інструкції під час виконання умови. Звичайно, це лише примітивні команди, проте їхнє об'єднання між собою дозволяє створити складну функцію.

Реєстри

З чого складається процесор ще, крім ядер? Регістри – другий важливий його компонент. Як ви вже знаєте, це швидкі осередки пам'яті, де знаходяться дані, що обробляються. Вони бувають різними:

1. A, B, C – використовуються для зберігання інформації під час обробки. Їх лише три, але цього достатньо.
2. EIP - у цьому регістрі зберігається адреса наступної у черзі інструкції.
3. ESP – адреса даних в ОЗУ.
4. Z - тут є результат останньої операції порівняння.

Цими регістрами процесор не обмежується. Є й інші, проте вищезазначені є найголовнішими - саме ними найчастіше користується чіп для обробки даних під час виконання тієї чи іншої програми.

Висновок

Тепер ви знаєте, з чого складається процесор та які його модулі є основними. Подібний склад чіпів не є постійним, оскільки вони поступово вдосконалюються, додаються нові модулі, удосконалюються старі. Однак сьогодні те, з чого складається процесор, його призначення та функціонал є саме такими, як описано вище.

Описаний вище склад та приблизний принцип роботи систем процесора спрощено до мінімуму. Насправді весь процес є складнішим, але для його розуміння необхідно здобувати відповідну освіту.