▷ Частини процесора зовні та всередині: основні поняття?

Напевно, ми всі приблизно знаємо, що таке процесор, але чи дійсно ми знаємо, що таке процесор ? Кожен з головних, необхідних для того, щоб цей невеликий квадрат кремнію міг обробляти великі обсяги інформації, маючи змогу перенести людство в епоху, де, не маючи електронних систем, було б повною проблемою.

Процесори вже є частиною нашого повсякденного життя, особливо людей, які народилися за останні 20 років. Багато з них повністю змішані з технологіями, не кажучи вже про маленьких, які приносять смартфон під руки, а не буханку… У всіх цих пристроях є загальний елемент, який називається процесор, який відповідає за надання "розуму" машини навколо нас. Якби цього елемента не існувало, не мали б також комп’ютери, мобільні телефони, роботи та складальні лінії, словом, усі мали б роботу… але неможливо було б дістатися туди, де ми їх зробили, все ще немає світу, як "Матриця", але все піде.

Зміст індексу

Що таке процесор і чому це так важливо

Перш за все, ми повинні усвідомлювати, що не тільки комп’ютер має всередині процесор. Усі електронні пристрої мають в собі елемент, який функціонує як процесор, будь то цифровий годинник, програмований автомат або смартфон.

Але, звичайно, ми також повинні знати, що процесори, залежно від їх можливостей і для того, що вони виготовляються, можуть бути більш-менш складними, від простого виконання послідовності бінарних кодів до освітлення світлодіодної панелі, до обробки величезної кількості інформація, включаючи навчання з них (машинне навчання та штучний інтелект).

Центральний процесор або центральний процесор на іспанській мові - це електронна схема, здатна виконувати завдання та інструкції, що містяться в програмі. Ці вказівки значно спрощені та зведені до основних арифметичних обчислень (додавання, віднімання, множення та ділення), логічних операцій (І, АБО, НЕ, НОР, НАНД) та управління введенням / виведенням (введення / виведення). пристроїв.

Тоді процесор - це елемент, відповідальний за виконання всіх операцій, що формують вказівки програми. Якщо ми поставимо себе під точку зору машини, ці операції зводяться до простих ланцюгів нулів і одиниць, які називаються бітами, і являють собою поточні / непоточні стани, утворюючи, таким чином, бінарні логічні структури, на які здатна навіть людина. зрозуміти та запрограмувати машинний код, асемблер або через мову програмування вищого рівня.

Транзистори, винуватці всього

Процесорів не існувало б, принаймні, так мало, якби не транзистори. Вони є базовим, так би мовити, будь-яким процесором та інтегральною схемою. Це напівпровідниковий пристрій, який закриває або відкриває електричну ланцюг або підсилює сигнал. Таким чином, саме так ми можемо створити ті та нулі, бінарну мову, яку розуміє процесор.

Ці транзистори виходили як вакуумні клапани, величезні лампоподібні пристрої, здатні виконувати власні комутації транзистора, але з механічними елементами у вакуумі. Такі комп’ютери, як ENIAC або EDVAC, мали вакуумні клапани всередині них замість транзисторів, і вони були надзвичайно великі і практично споживали енергію маленького міста. Ці машини були першими з архітектурою Фон Ноймана.

Але в 1950-1960-х роках почали створюватися перші транзисторні процесори - насправді це був IBM в 1958 році, коли створив свою першу напівпровідникову транзисторну машину з IBM 7090. З того часу еволюція була вражаючою, такі виробники, як Intel і пізніше AMD, почали створювати перші процесори для настільних комп'ютерів, реалізуючи революційну архітектуру x86, завдяки процесору Intel 8086. Насправді навіть сьогодні наші настільні процесори базуються на цій архітектурі, пізніше ми побачимо частини процесора x86.

Після цього архітектура стала все більш складною, з меншими чіпами, а також з першим введенням більше ядер всередину, а потім із сердечниками, спеціально призначеними для обробки графіки. Навіть ультрашвидкі банки пам'яті, що називаються кеш-пам'яттю і шиною з'єднання з основною пам'яттю, ОЗУ, були введені всередині цих невеликих мікросхем.

Зовнішні частини процесора

Після цього короткого огляду історії процесорів, поки ми не перебуваємо в наші дні, ми побачимо, які зовнішні елементи має поточний процесор. Ми говоримо про фізичні елементи, до яких можна торкатися і які переглядають користувача. Це допоможе нам краще зрозуміти фізичні потреби та потреби в процесорі.

Розетка

Розетка або сокет ЦП - це електромеханічна система, нерухомо встановлена ​​на материнській платі, яка відповідає за з'єднання процесора з іншими елементами на платі та комп'ютері. На ринку є кілька основних типів розеток, а також з багатьма різними конфігураціями. У вашому імені чи найменуванні є три елементи, які дозволять нам зрозуміти, про який ми говоримо:

Виробником може бути Intel або AMD у випадку персональних комп'ютерів, це щось просте для розуміння. Що стосується типу з'єднання, то у нас є три різні типи:

• LGA: (сітка контактного масиву), означає, що контактні штифти встановлені в самому сокеті, тоді як у процесора є тільки плоский контактний масив. PGA: (сітчастий масив штифтів), це якраз протилежне до попереднього, саме процесор має штифти, а розетка - отвори, щоб вставити їх. BGA: (масив кульової сітки), в цьому випадку процесор безпосередньо припаяний до материнської плати.

Що стосується останнього номера, він визначає тип розподілу або кількість штифтів підключення, які має процесор із сокетом. Їх величезна кількість і в Intel, і в AMD.

Субстрат

В основному субстрат являє собою друковану плату, де встановлена ​​кремнієва мікросхема, що містить електронну схему ядер, що називається DIE. Сьогоднішні процесори можуть мати більше одного з цих елементів, встановлених окремо.

Але також ця невелика друкована плата містить всю матрицю з'єднувальних штифтів з розеткою материнської плати, майже завжди позолоченою для поліпшення передачі електроенергії та захистом від перевантажень та перенапруг струму у вигляді конденсаторів.

СМЕРТИ

DIE - це саме квадрат або мікросхема, що містить усі інтегральні схеми та внутрішні компоненти процесора. Візуально він розглядається як невеликий чорний елемент, який виступає з підкладки і контактує з елементом тепловіддачі.

Оскільки вся система обробки знаходиться всередині неї, DIE досягає неймовірно високих температур, тому її необхідно захищати іншими елементами.

IHS

Також називається DTS або інтегрованим тепловим дифузором, і його функція полягає в тому, щоб захоплювати всю температуру процесорних ядер і переносити її в радіатор, який цей елемент встановив. Він виготовлений з міді або алюмінію.

Цей елемент являє собою аркуш або капсулу, що захищає DIE зовні, і може бути в безпосередньому контакті з ним за допомогою термопасти або безпосередньо зварений. У користувальницькому ігровому обладнанні користувачі видаляють цей IHS, щоб розмістити радіатори безпосередньо в контакті з DIE, використовуючи термічну пасту в рідкому металевому складі. Цей процес називається Delidding і його метою є істотне підвищення температури процесора.

Радіатор

Заключний елемент, який відповідає за захоплення якомога більше тепла та передачу його в атмосферу. Вони являють собою невеликі або великі блоки з алюмінію та мідної основи, забезпечені вентиляторами, які допомагають охолоджувати всю поверхню за допомогою примусового повітряного струму через плавники.

Кожен комп'ютерний процесор потребує радіатора, щоб функціонувати і підтримувати його температуру під контролем.

Ну, це частини процесора зовні, зараз ми розглянемо саму технічну частину, її внутрішні компоненти.

Вон Нойман архітектура

Сьогоднішні комп’ютери базуються на архітектурі Фон Ноймана, який був математиком, відповідальним за життя в 1945 році перших в історії комп'ютерів, відомо, ENIAC та інших його великих друзів. Ця архітектура - це в основному спосіб розподілу елементів або компонентів комп'ютера, щоб можлива його робота. Він складається з чотирьох основних частин:

• Програма пам’яті та даних: це елемент, де зберігаються інструкції, що виконуються в процесорі. Він складається з накопичувачів або жорстких дисків, оперативної пам'яті з випадковим доступом та програм, що містять самі інструкції. Центральний процесорний блок або процесор: це процесор, блок, який контролює та обробляє всю інформацію, що надходить з основної пам'яті та пристроїв введення. Блок введення та виведення: дозволяє зв’язуватися з периферійними пристроями та компонентами, які підключені до центрального блоку. Фізично ми могли б ідентифікувати їх як слоти та порти нашої материнської плати. Шини даних: це доріжки, доріжки або кабелі, які фізично з'єднують елементи.У центральному процесорі вони поділяються на шину управління, шину даних та шину адреси.

Багатоядерні процесори

Перш ніж ми розпочнемо перерахування внутрішніх компонентів процесора, дуже важливо дізнатися, що таке ядра процесора та їх функції в ньому.

Ядро процесора - це інтегральна схема, яка відповідає за виконання необхідних обчислень з інформацією, що проходить через нього. Кожен процесор працює з певною частотою, вимірюється в МГц, що вказує на кількість операцій, які він здатний виконувати. Що ж, поточні процесори мають не лише ядро, але й декілька, всі вони мають однакові внутрішні компоненти та здатні виконувати та вирішувати інструкції одночасно у кожному тактовому циклі.

Отже, якщо основний процесор може виконувати одну інструкцію в кожному циклі, якщо його було 6, він міг би виконати 6 цих інструкцій у тому ж циклі. Це кардинальне оновлення продуктивності, і саме це роблять сьогоднішні процесори. Але у нас є не тільки ядра, але й обробляючі потоки, які є як би логічними ядрами, через які циркулюють нитки програми.

Перегляньте нашу статтю на тему: які потоки процесора? Відмінності з ядрами, щоб знати більше з цього питання.

Внутрішні частини процесора (x86)

Існує багато різних мікропроцесорних архітектур та конфігурацій, але те, що нас цікавить, - це те, що знаходиться всередині наших комп’ютерів, і це, безсумнівно, та, яка отримала назву x86. Ми могли бачити це безпосередньо фізично або схематично, щоб зробити його трохи зрозумілішим, знаючи, що все це знаходиться в рамках DIE.

Ми повинні мати на увазі, що блок управління, арифметично-логічний блок, регістри та FPU будуть присутні у кожному з процесорних ядер.

Давайте спочатку розглянемо основні внутрішні компоненти:

Блок управління

Англійською мовою називається Conrol Unit або CU, він відповідає за керування роботою процесора. Це робиться, видаючи команди у вигляді керуючих сигналів до ОЗУ, арифметично-логічного блоку та пристроїв введення та виведення, щоб вони знали, як керувати інформацією та інструкціями, що надсилаються процесору. Наприклад, вони збирають дані, виконують обчислення та зберігають результати.

Цей блок забезпечує, що решта компонентів працює в синхронізації за допомогою тактових та синхронізуючих сигналів. Практично всі процесори мають цей блок всередині, але скажімо, він знаходиться поза тим, що є ядром самої обробки. У свою чергу ми можемо виділити в ній такі частини:

• Годинник (CLK): він відповідає за генерування квадратного сигналу, який синхронізує внутрішні компоненти. Є й інші годинники, які відповідають за цю синхронію між елементами, наприклад, множник, який ми побачимо згодом. Лічильник програм (CP): містить адресу пам'яті наступної інструкції, яку потрібно виконати. Реєстр інструкцій (RI): зберігає інструкцію, яка виконується Sequencer і Decoder: інтерпретує та виконує інструкції за допомогою команд

Арифметико-логічний блок

Ви напевно знаєте це за своїм абревіатурою «ALU». АЛУ відповідає за виконання всіх арифметичних і логічних обчислень з цілими числами на рівні бітів, цей блок працює безпосередньо з інструкціями (операндами) та з операцією, яку блок управління доручив йому виконувати (оператор).

Операнди можуть надходити або з внутрішніх регістрів процесора, або безпосередньо з оперативної пам'яті, вони навіть можуть бути згенеровані в самому АЛУ в результаті чергової операції. Вихід цього буде результатом операції, будучи іншим словом, яке зберігатиметься в реєстрі. Це його основні частини:

• Реєстри входу (REN): вони зберігають в них операнди, які підлягають оцінці. Код операції: CU надсилає оператора, щоб операція була проведена накопичувачем або результатом: результат операції виходить з ALU у вигляді двійкового слова Реєстр статусу (Прапор): він зберігає різні умови, які слід враховувати під час операції.

Одиниця з плаваючою комою

Ви будете знати це як FPU або Floating Point Unit. В основному це оновлення, яке проводиться процесорами нового покоління, яке спеціалізується на обчисленні операцій з плаваючою комою з використанням математичного співпроцесора. Є одиниці, які навіть можуть проводити тригонометричні чи експоненціальні обчислення.

В основному це адаптація для підвищення продуктивності процесорів у графічній обробці, де обчислення, які слід виконати, набагато важчі і складніші, ніж у звичайних програмах. У деяких випадках функції ФПУ виконує сама АЛУ за допомогою мікрокоду інструкції.

Записи

Сьогоднішні процесори мають власну систему зберігання, так би мовити, і найменший і найшвидший блок - це регістри. В основному це невеликий склад, де зберігаються інструкції, які обробляються, та отримані від них результати.

Кеш-пам'ять

Наступним рівнем зберігання є кеш-пам'ять, яка також є надзвичайно швидкою пам'яттю, набагато більше, ніж пам'ять оперативної пам'яті, яка відповідає за зберігання інструкцій, які негайно будуть використовуватися процесором. Або, принаймні, ви спробуєте зберегти інструкції, які, на вашу думку, будуть використані, оскільки іноді не залишається іншого вибору, окрім як вимагати їх безпосередньо з ОЗУ.

Кеш поточних процесорів інтегрований в один і той самий DIE процесора і розділений на загально три рівні, L1, L2 і L3:

• Кеш рівня 1 (L1): він найменший після журналів і найшвидший з трьох. Кожне ядро ​​обробки має власний кеш L1, який, у свою чергу, ділиться на два: Дані L1, які відповідають за зберігання даних, та Інструкцію L1, яка зберігає вказівки щодо виконання. Зазвичай це 32KB кожен. Кеш рівня 2 (L2) - ця пам’ять повільніше, ніж L2, але і більша. Зазвичай у кожного ядра є свій власний L2, який може становити близько 256 Кб, але в цьому випадку він не інтегрується безпосередньо в основну ланцюг. Кеш рівня 3 (L3): це найповільніший з трьох, хоча і набагато швидший, ніж оперативна пам'ять. Він також розташований поза ядрами і розподіляється між кількома ядрами. Він коливається від 8 Мб до 16 Мб, хоча у дуже потужних процесорах він досягає до 30 Мб.

Вхідні та виїзні автобуси

Шина - це канал зв'язку між різними елементами, що складають комп'ютер. Вони - це фізичні лінії, по яких циркулюють дані у вигляді електрики, інструкції та всі елементи, необхідні для обробки. Ці шини можна розмістити безпосередньо всередині процесора або поза ним, на материнській платі. На комп'ютері є три типи шин:

• Шина даних: безумовно, найпростіша для розуміння, оскільки це шина, по якій циркулюють дані, що надсилаються та отримуються різними компонентами, до процесора або від нього. Це означає, що це двонаправлена ​​шина, і через неї будуть циркулювати слова довжиною 64 біта, довжина, яку процесор здатний обробляти. Прикладом шини даних є LANES або PCI Express Lines, які зв’язують ЦП із слотами PCI, наприклад, для відеокарти. Адреса- шина: адресна шина не циркулює дані, а адреси пам'яті, щоб знайти, де є дані, що зберігаються в пам'яті. Оперативна пам’ять - це як великий сховище даних, розділене на комірки, і кожна з цих комірок має свою адресу. Це процесор, який запитує пам'ять для даних , надсилаючи адресу пам'яті, ця адреса повинна бути такою ж великою, як комірки мають оперативну пам'ять. В даний час процесор може адресувати адреси пам'яті до 64 біт, тобто ми можемо обробляти пам'ять до 2 ⁶⁴ комірок. Шина управління: шина управління відповідає за управління двома попередніми шинами, використовуючи сигнали керування та синхронізації для синхронізованого та ефективного використання всієї інформації, яка циркулює до процесора або від нього. Це було б як башта управління повітряним рухом аеропорту.

BSB, блок вводу / виводу та множник

Важливо знати, що в поточних процесорах немає традиційного FSB або Front Bus, який служив для зв'язку CPU з рештою елементів материнської плати, наприклад, чіпсетом та периферійними пристроями через північний міст і південний міст. Це пов’язано з тим, що сама шина була вставлена ​​в ЦП як блок управління даними вводу і виводу (введення / виведення), який безпосередньо передає оперативну пам'ять з процесором так, ніби це був старий північний міст. Такі технології, як HyperTransport AMD або Intel HyperThreading, відповідають за обмін інформацією про високопродуктивні процесори.

Шина BSB або задня сторона - це шина, яка відповідає за з'єднання мікропроцесора з власною кеш-пам'яттю, як правило, L2. Таким чином передня шина може бути звільнена від досить навантаженого і тим самим наблизити швидкість кешів до швидкості основної.

І нарешті, у нас є множники, що представляють собою низку елементів, розташованих всередині або зовні процесора, які відповідають за вимірювання співвідношення між тактовою частотою процесора і тактовою частотою зовнішніх шин. На даний момент ми знаємо, що процесор підключений до таких елементів, як ОЗУ, чіпсет та інші периферійні пристрої через шини. Завдяки цим множникам можливо, що частота процесора набагато швидша, ніж зовнішні шини, щоб мати можливість обробляти більше даних.

Наприклад, множник x10, дозволить системі, яка працює на 200 МГц, працювати на процесорі на 2000 МГц. У поточних процесорах ми можемо знайти одиниці з розблокованим множником, це означає, що ми можемо збільшити його частоту і, таким чином, її швидкість обробки. Ми називаємо цей розгін.

IGP або внутрішня відеокарта

Закінчивши деталі процесора, ми не можемо забути інтегрований графічний блок, який деякі з них несуть. Перш ніж ми побачили, що таке FPU, і в цьому випадку ми стикаємося з чимось подібним, але з набагато більшою потужністю, оскільки в основному це серія ядер, здатна самостійно обробляти графіку нашої команди, яка для математичних цілей є велика кількість обчислень з плаваючою комою та візуалізація графіки, що було б дуже інтенсивним процесором.

IGP виконує ту ж функцію, що й зовнішня відеокарта, та, яку ми встановили через слот PCI-Express, лише в меншому масштабі чи потужності. Його називають інтегрованим графічним процесором, оскільки це інтегральна схема, встановлена ​​в одному процесорі, що звільняє центральний блок цієї серії складних процесів. Це буде корисно, коли у нас немає графічної карти, але поки що вона не має продуктивність, порівнянну з цими.

І AMD, і Intel мають блоки, які інтегрують IGP в процесор, таким чином називаються APU (Accelerated Processing Unit). Прикладом цього є майже все Intel Core сім'ї i, поряд з AMD Athlon та деякими Ryzen.

Висновок про частини процесора

Що ж, ми закінчуємо цю довгу статтю, де більш-менш базовим способом ми бачимо, що таке частини процесора як із зовнішньої, так і з внутрішньої точки зору. Правда полягає в тому, що це дуже цікава тема, але чортово складна і довга для пояснення, деталі якої виходять за межі розуміння майже всіх нас, хто не занурений у складальні лінії та виробників цього типу пристроїв.

Тепер ми залишаємо вам кілька навчальних посібників, які можуть вам бути цікаві.

Якщо у вас є якісь питання або ви хочете уточнити будь-яке питання в статті, ми пропонуємо вам написати це у полі для коментарів. Завжди добре мати думку та мудрість інших.