Английские слова в скобках обозначают действия, которые необходимо предпринять по той или иной причине. Вы увидите, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке — общем языке общения тех, кто создает цифровые технологии.
# факты | Как работает процессор компьютера?
Эти строки читаются со смартфона, планшета или компьютера. Все эти устройства основаны на микропроцессорах. Микропроцессоры — это «сердце» всех вычислительных устройств. Существует множество различных типов микропроцессоров, но все они делают одно и то же: они являются «сердцем» всех компьютерных устройств. Сегодня мы обсудим, как работают микропроцессоры и какие задачи они выполняют. На первый взгляд, это кажется очевидным. Однако многие пользователи захотят узнать больше о самых важных компонентах, обеспечивающих работу компьютеров. Узнайте, как технология, основанная на простой арифметической логике, позволяет компьютерам решать математические задачи, а также использоваться в качестве хобби. Как всего два числа — 1 и 0 — можно превратить в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие задают себе снова и снова и с удовольствием узнают на него ответ. В конце концов, даже недавно протестированный процессор AMD Jaguar, на котором построены новейшие игровые консоли, основан на той же древней логике.
В англоязычной литературе микропроцессоры часто называют CPU (central processing units). Причина такого названия заключается в том, что современные процессоры являются однокристальными. Первый в истории человечества микропроцессор был создан компанией IntelCorporation в 1971 году.
Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии
Речь идет об Intel 4004. Он был не очень мощным и мог только складывать и вычитать. Одновременно он мог обрабатывать только четыре бита информации (т.е. это были четыре бита). Однако его приезд стал важным событием для своего времени. Весь процессор помещается на одном чипе. До появления Intel 4004 компьютеры основывались на серии микросхем или дискретных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 послужил основой для одного из первых портативных калькуляторов.
Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал Intel 8080, представленный в 1974 году; вся вычислительная мощность 8-разрядного компьютера поместилась на одном чипе. Однако действительно большим анонсом стал процессор Intel 8088. Он был представлен в 1979 году и использовался в первых компьютерах IBM mainstream с 1981 года.
С тех пор процессоры развивались и становились все мощнее. Каждый, кто знаком с историей развития микропроцессорной промышленности, помнит, что на смену 80886 пришел 80286. За ним последовали 80386 и 80486. Затем были различные поколения Pentium, Pentium II, III и Pentium4. Это были все процессоры». Intel «Основан на базовой конструкции 8088. Она была обратно совместима. То есть Pentium 4 мог обрабатывать любой код 8088, но со скоростью примерно в 5000 раз большей. Не прошло и нескольких лет, как на смену им пришло еще несколько поколений микропроцессоров.
С 2004 года Intel предлагает многоядерные процессоры. Количество транзисторов, используемых в них, увеличилось на миллионы. Но даже сейчас процессоры все еще подчиняются общим правилам, созданным для первых чипов. В таблице ниже представлена история микропроцессоров Intel вплоть до 2004 года. Ниже приводятся некоторые пояснения значения компонентов, отраженных в нем.
- Name (Название). Модель процессора
- Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
- Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
- Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
- Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
- Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
- MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные микропроцессоры выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)
Логика микропроцессора
Чтобы понять, как работает микропроцессор, необходимо изучить логику, на которой он основан, и познакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессоров.
Микропроцессор может выполнять определенный набор команд (команд). Во время работы этих команд микропроцессор выполняет три основные задачи
- C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
- Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
- Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд
- Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
- Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
- Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
- Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
- Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций
Поскольку информация очень сложная, предполагается, что каналы адреса и данных имеют ширину всего 8 бит. Затем мы кратко рассмотрим детали этого относительно простого микропроцессора.
- Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
- Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
- Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
- ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
- Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
- Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
- Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем
В зависимости от результата, переработчики одной и той же плитки могут иметь разную маркировку и продаваться по разной цене. Наиболее успешными процессорами будут серверные продукты передовых технологий. Кто-то рядом чихающий или вздыхающий может передать некоторые недостатки или дефекты на линию потребителя.
Как устроен процессор компьютера
Процессоры состоят из небольшого количества различных элементов. Каждый из них выполняет различные действия, передачу данных и управление. Простые пользователи привыкли отличать процессор от тактовой частоты, количества скрытой памяти и ядра. Однако это не все, что необходимо для обеспечения надежной и быстрой работы. Каждый компонент заслуживает отдельного внимания.
Архитектура
Внутренние конструкции процессоров часто отличаются друг от друга, и каждое семейство имеет свои уникальные особенности и функции — это называется архитектурой. Примеры дизайна процессоров можно увидеть на изображениях ниже.
Однако многие люди привыкли думать об архитектуре процессоров несколько иначе. С точки зрения программирования, он определяется способностью выполнять определенный набор кода. Если вы покупаете современный процессор, он, скорее всего, будет архитектуры X86.
Ядро центрального процессора называется ядром и содержит все необходимые блоки, которые также выполняют логические и числовые задачи. На диаграмме ниже показано, как выглядят все основные операционные блоки.
- Модуль выборки инструкций. Здесь осуществляется распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Число одновременного считывания команд напрямую зависит от количества установленных блоков расшифровки, что помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
- Предсказатель переходов отвечает за оптимальную работу блока выборки инструкций. Он определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра.
- Модуль декодирования. Данная часть ядра отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач. Сама задача декодирования очень сложная из-за непостоянного размера инструкции. В самых новых процессорах таких блоков встречается несколько в одном ядре.
- Модули выборки данных. Они берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Осуществляют они именно выборку данных, которая необходима на этот момент для исполнения инструкции.
- Управляющий блок. Само название говорит уже о важности данного компонента. В ядре он является главнейшим элементом, поскольку производит распределение энергии между всеми блоками, помогая выполнять каждое действие вовремя.
- Модуль сохранения результатов. Предназначен для записи после окончания обработки инструкции в RAM. Адрес сохранения указывается в исполняющейся задаче.
- Элемент работы с прерываниями. ЦП способен выполнять сразу несколько задач благодаря функции прерывания, это позволяет ему останавливать ход работы одной программы, переключаясь на другую инструкцию.
- Регистры. Здесь хранятся временные результаты инструкций, данный компонент можно назвать небольшой быстрой оперативной памятью. Часто ее объем не превышает несколько сотен байт.
- Счетчик команд. Он хранит в себе адрес команды, которая будет задействована на следующем такте процессора.
Системная шина
Системный канал процессора соединяет устройства, составляющие компьютер. Только центральный процессор подключен к нему напрямую, остальные элементы подключены через различные ревизоры. Сам канал содержит ряд сигнальных линий, по которым передается информация. Каждая линия имеет свой собственный протокол для связи через аудитор с остальными подключенными ПК. Каналы имеют свою частоту, чем выше частота, тем быстрее происходит обмен информацией между взаимосвязанными элементами системы.
В зависимости от результата, переработчики одной и той же плитки могут иметь разную маркировку и продаваться по разной цене. Наиболее успешными процессорами будут серверные продукты передовых технологий. Кто-то рядом чихающий или вздыхающий может передать некоторые недостатки или дефекты на линию потребителя.
Как это все работает?
Логика работы каждого процессора заключается в том, что все компьютерные данные хранятся в специальных информационных ячейках, представленных битами, 0 или 1. Компьютерные игры, вызывающие привыкание?
Во-первых, вы должны понять, что при работе с электроникой вы получаете информацию в виде напряжения. При превышении определенных значений вы получаете нули один за другим. Например, один свет, освещающий комнату, и один выключенный свет — это ноль. Дальнейшая иерархия, создающая более сложные элементы, — это BYTE, состоящий из восьми битов. Эти байты сами по себе позволяют пользователю понять не только то, горит свет в комнате или нет, но и яркость, цветовые оттенки и т.д.
Напряжение проходит через память и передает данные процессору. Процессор в основном использует свой собственный кэш в качестве самой быстрой, но самой маленькой ячейки. Данные обрабатываются и распределяются по дальнейшему маршруту через специальный блок управления.
Процессоры используют байты и целые их последовательности, называемые программами. Это программы, в которых процессор заставляет компьютер выполнять то или иное действие. К ним относятся воспроизведение видео, запуск игры, воспроизведение музыки и т.д.
Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров
Конечно, мы говорим об Intel и Amd. Основное различие в принципах работы этих компаний заключается в их подходе к производству новых компьютерных микропроцессоров. Intel чередует новые технологии с небольшими изменениями, в то время как Amd с определенной периодичностью делает крупные шаги в производстве. На рисунке выше представлены модели вышеупомянутых компаний с характерным внешним видом.
Intel почти всегда занимает первое место. AMD «скалится», уступая процессорам Intel в производительности, но часто выигрывая у них в экономичности. О том, какие компании лучше выбрать, вы можете прочитать в этой статье.
Каждый сам решает, что ему выбрать. Сегодня мы попытались разобраться во внутреннем устройстве всех современных микропроцессоров и основных принципах их работы. Не забудьте подписаться на обновления нашего блога и поделиться интересными статьями со своими друзьями в социальных сетях! Добрый день, друзья мои!
Интегрируя видеоядро в процессор, он действует как видеокарта. Конечно, он не сравнится с ним, но для простых задач покупка процессора может обойтись без видеокарты. Встроенные видеоядра лучше всего использовать в недорогих ноутбуках и недорогих настольных компьютерах.
Система охлаждения процессора
Процессор должен быть правильно охлажден. Несоблюдение этого требования может привести к поломке.
Как упоминалось выше, верхняя поверхность процессора представляет собой металлический короб, который, помимо защиты, также выполняет функцию индуктора тепла. Система охлаждения расположена на процессоре на материнской плате. Теплоотводы должны быть плотно прижаты к поверхности процессора.
Внутри него находится слой термопасты — специального вещества, похожего на пасту и обладающего высокой теплопроводностью, для улучшения передачи тепла от процессора к радиатору системы охлаждения.
При определении размеров процессора необходимо учитывать его TDP (как описано выше в разделе «Процессор»).
Процессоры обычно продаются со стандартными системами охлаждения. Однако иногда такой эффективности может быть недостаточно (например, если процессор перегружен и с такой частотой, что увеличивает TDP). В этом случае более мощные системы охлаждения можно приобрести отдельно.
Нормальная рабочая температура процессора достигает 50 градусов Цельсия (возможно, немного больше при резкой нагрузке). Однако это может отличаться в зависимости от модели. Средства измерения температуры встроены в процессор. Температуру можно отслеживать в режиме реального времени с помощью специального программного обеспечения (например, SpeedFan).
Современные процессоры разработаны таким образом, что при достижении критической температуры они отключаются и не включаются снова, пока не остынут. Это предотвращает их разрушение под воздействием высоких температур.
Перегрев может быть вызван неисправностью системы охлаждения, повреждением системы охлаждения, засорением пылью, высыханием термопасты и т.д.
