▷ Що таке процесор і як він працює

Сьогодні ми побачимо деяку техніку. Наша команда складається з великої кількості електронних компонентів, які разом здатні зберігати та обробляти дані. Процесор, процесор або центральний процесор є основним його компонентом. Ми поговоримо про те, що таке процесор, які його компоненти і як він детально працює.

Готові? Почнемо!

Зміст індексу

Що таке процесор?

Перше, що нам доведеться визначити, це те, що мікропроцесор повинен знати все інше. Мікропроцесор - це мозок комп’ютера чи комп’ютера, він складається з інтегральної схеми, укладеної в силіконовий чіп, який складається з мільйонів транзисторів. Його функція - обробляти дані, контролювати роботу всіх пристроїв комп’ютера, принаймні значної їх частини і найголовніше: він відповідає за виконання логічних і математичних операцій.

Якщо ми усвідомлюємо це, всі дані, що циркулюють нашою машиною, - це електричні імпульси, що складаються з сигналів одиниць і нулів, званих бітами. Кожен із цих сигналів згрупований у набір бітів, що складають інструкції та програми. Мікропроцесор відповідає за те, щоб зрозуміти все це, виконуючи основні операції: SUM, SUBTRACT, І, АБО MUL, DIV, OPPOSITE І INVERSE. Тоді ми маємо до мікропроцесора:

• Він розшифровує та виконує вказівки програм, завантажених в основну пам'ять комп'ютера. Координує та контролює всі компоненти, що входять до комп’ютера та периферійних пристроїв, які підключені до нього, миші, клавіатури, принтера, екрана тощо.

Зараз процесори зазвичай мають квадратну або прямокутну форму і розташовані на елементі, який називається розеткою, прикріпленою до материнської плати. Це буде нести відповідальність за розподіл даних між процесором та рештою підключених до нього елементів.

Архітектура комп'ютера

У наступних розділах ми побачимо всю архітектуру процесора.

Вон Нойман архітектура

З часу винаходу мікропроцесорів до сьогоднішнього дня вони базуються на архітектурі, яка розділяє процесор на кілька елементів, які ми побачимо згодом. Це називається архітектурою Фон Ноймана. Це архітектура, винайдена в 1945 році математиком Фон Нойманом, яка описує дизайн цифрового комп'ютера, розділеного на ряд частин або елементів.

Нинішні процесори все ще багато в чому базуються на цій базовій архітектурі, хоча логічно було введено велику кількість нових елементів, поки ми не отримаємо надзвичайно повноцінні елементи, які ми маємо сьогодні. Можливість декількох чисел на одній мікросхемі, елементів пам'яті на різних рівнях, вбудований графічний процесор тощо.

Внутрішні частини комп'ютера

Основними частинами комп'ютера відповідно до цієї архітектури є:

• Пам'ять: це елемент, де зберігаються інструкції, які виконує комп'ютер, і дані, з якими працюють інструкції. Ці інструкції називаються програмою. Центральний процесор чи процесор: це елемент, який ми визначили раніше. Він відповідає за обробку інструкцій, які надходять до нього з пам'яті. Блок вводу та виведення: він дозволяє спілкуватися із зовнішніми елементами. Шини даних: це доріжки, доріжки або кабелі, які фізично з'єднують попередні елементи.

Елементи мікропроцесора

Визначивши основні частини комп’ютера і зрозумівши, як циркулює інформація через нього.

• Блок управління (UC): це елемент, який відповідає за замовлення через керуючі сигнали, наприклад, годинник. Він здійснює пошук інструкцій у головній пам'яті та передає їх до декодера інструкцій для виконання. Внутрішні частини:
  1. Тактова частота: Створює квадратну хвилю для синхронізації операцій процесора Лічильник програм: Містить адресу пам'яті наступної інструкції, яку слід виконати інструкції. Декодер інструкції (DI): він відповідає за інтерпретацію та виконання інструкцій, що надходять, витягуючи код операції інструкції.

• Логічна арифметична одиниця (ALU): вона відповідає за проведення арифметичних обчислень (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) та логічних операцій (AND, OR,…). Внутрішні частини.
  1. Операційна схема: вони містять мультиплексори та схеми для здійснення операцій. Реєстри введення: дані зберігаються та діють перед входом в оперативний ланцюг Акумулятор: зберігає результати виконаних операцій Реєстр статусу (Прапор): зберігає певні умови, які слід враховувати в наступних операціях.

• Одиниця з плаваючою комою (FPU): Цей елемент не був у оригінальній архітектурній конструкції. Він був введений пізніше, коли інструкції та обчислення стали складнішими з появою графічно представлених програм. Цей блок відповідає за виконання операцій з плаваючою комою, тобто реальних чисел. Банк записів і кеш-пам'ять: Сьогоднішні процесори мають мінливу пам'ять, яка є мостом від оперативної пам'яті до процесора. Це набагато швидше, ніж оперативна пам'ять і відповідає за прискорення доступу мікропроцесора до основної пам'яті.

• Передня бічна шина (FSB): Також відома як шина даних, основна шина або системна шина. Саме шлях або канал зв’язує мікропроцесор з материнською платою, зокрема з мікросхемою, що називається північним мостом або nothbridge. Це відповідає за контроль роботи основної шини процесора, оперативної пам’яті та портів розширення, таких як PCI-Express. Терміни, які використовуються для визначення цієї шини, - це «швидкий взаємозв’язок» для Intel та «Hypertransport» для AMD.

Джерело: sleeperfurniture.co

Джерело: ixbtlabs.com

• Задній бік BUS (BSB): ця шина передає кеш-пам'ять рівня 2 (L2) з процесором, доки вона не інтегрована в самому ядрі процесора. Наразі всі мікропроцесори мають кеш-пам’ять, вбудовану в сам чіп, тому ця шина також є частиною тієї ж мікросхеми.

Два або більше основних мікропроцесорів

У цьому ж процесорі ми не тільки будемо розподіляти ці елементи всередині, але вони тепер реплікуються. У нас буде декілька ядер обробки або що таке кілька мікропроцесорів всередині пристрою. Кожен з них матиме свій кеш L1 і L2, зазвичай L3 розділяється між ними, парами або разом.

На додаток до цього у нас буде ALU, UC, DI і FPU для кожного з ядер, тому швидкість і потужність обробки збільшуються залежно від кількості ядер, які він має. Нові елементи також з’являються всередині мікропроцесорів:

• Вбудований контролер пам'яті (IMC): тепер з появою декількох ядер процесор має систему, яка дозволяє безпосередньо отримувати доступ до основної пам'яті. Вбудований GPU (iGP) - GPU обробляє графічну обробку. Це в основному операції з плаваючою комою з бітовими рядками високої щільності, тому обробка набагато складніша, ніж звичайні програмні дані. Завдяки цьому існують мікропроцесорні діапазони, які впроваджують всередину них блок, призначений виключно для обробки графіки.

Деякі процесори, такі як AMD Ryzen, не мають внутрішньої відеокарти. Тільки ваші APU?

Робота мікропроцесора

Процесор працює за інструкціями, кожна з цих інструкцій - це двійковий код певного розширення, який процесор здатний зрозуміти.

Програма, таким чином, є набором інструкцій, і для її виконання вона повинна виконуватися послідовно, тобто виконувати одну з цих інструкцій на кожному кроці чи періоді часу. Для виконання інструкції існує кілька етапів:

• Пошук інструкцій: ми переносимо інструкцію з пам'яті в процесор Розшифровка інструкції: інструкція поділяється на більш прості коди, зрозумілі ЦПУ. Операційний пошук: з інструкцією, завантаженою в ЦП, ви повинні знайти відповідного оператора. Виконання інструкція: виконайте необхідну логічну чи арифметичну операцію Збереження результату: результат кешується

Кожен процесор працює з певним набором інструкцій, вони розвивалися разом з процесорами. Ім'я x86 або x386 посилається на набір інструкцій, з якими працює процесор.

Традиційно 32-бітні процесори також називали x86, це тому, що в цій архітектурі вони працювали з цим набором інструкцій від процесора Intel 80386, який першим застосував 32-бітну архітектуру.

Цей набір інструкцій потребує оновлення для ефективнішої роботи та складніших програм. Іноді ми бачимо, що в вимогах до запущеної програми входить набір скорочень, таких як SSE, MMX тощо. Це набір інструкцій, з якими може працювати мікропроцесор. Отже, у нас є:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): вони уповноважували процесори працювати з операціями з плаваючою комою. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 тощо: різні оновлення цього набору інструкцій.

Несумісність процесора

Всі ми пам’ятаємо, коли операційна система Apple могла працювати на ПК з Windows або Linux. Це пов’язано з типом інструкцій різних процесорів. Apple використовувала процесори PowerPC, які працювали з іншими інструкціями, крім Intel та AMD. Таким чином, існує кілька конструкцій інструкцій:

• CISC (Комплексний набір комп’ютерних інструкцій): це той, який використовують Intel та AMD, йдеться про використання набору з кількох інструкцій, але складний. Вони мають більшу витрату ресурсів, будучи більш повними інструкціями, що потребують декількох тактових годин. RISC (Комп'ютер із зменшеними наборами інструкцій): це той, який використовують Apple, Motorola, IBM та PowerPC, це більш ефективні процесори з більшою кількістю інструкцій, але меншою складністю.

В даний час обидві операційні системи сумісні, оскільки Intel та AMD реалізують поєднання архітектур у своїх процесорах.

Процес виконання інструкцій

1. Процесор перезапускається, коли приймає сигнал RESET, таким чином система готується до прийому тактового сигналу, який визначатиме швидкість процесу. У регістрі CP (лічильник програми) адреса пам'яті, за якою Блок управління (UC) видає команду для отримання інструкції, яку ОЗП зберегла в адресі пам'яті, що знаходиться в CP. Потім оперативна пам'ять надсилає дані і вона розміщується на шині даних, поки який зберігається в RI (Реєстр інструкцій). UC керує процесом, і інструкція передається декодеру (D), щоб знайти сенс інструкції. Після цього відомо, що це інструкція та яку операцію виконувати, обидва завантажуються у вхідні регістри ALU (REN). ALU виконує операцію і розміщує результат у шині даних і CP додається 1 для виконання наступної інструкції.

Як дізнатися, чи хороший процесор

Щоб знати, хороший чи поганий мікропроцесор, ми повинні переглянути кожен його внутрішній компонент:

Ширина шини

Ширина шини визначає розмір регістрів, які можуть циркулювати по ній. Ця ширина повинна відповідати розміру регістрів процесора. Таким чином ми маємо, що ширина шини являє собою найбільший регістр, який він здатний транспортувати за одну операцію.

Безпосередньо пов’язана з шиною також буде пам'ять оперативної пам’яті, вона повинна мати можливість зберігати кожен з цих регістрів із шириною, яку вони мають (це називається шириною слова пам'яті).

Що ми маємо в даний час, коли ширина шини становить 32 біти або 64 біта, тобто ми можемо одночасно транспортувати, зберігати і обробляти ланцюги 32 або 64 біта. Маючи 32 біти, кожен з яких може бути 0 або 1, ми можемо вирішити кількість пам'яті 2 ³² (4 Гб) і 64 біт 16 ЕБ екзабайт. Це не означає, що у нас на комп’ютері є 16 Екзабайтів пам'яті, а, скоріше, це вміння керувати та використовувати певний об'єм пам'яті. Звідси відоме обмеження 32-бітних систем на адресу лише 4 ГБ пам'яті.

Словом, чим ширша шина, тим більше працездатність.

Кеш-пам'ять

Ці пам'яті набагато менше, ніж оперативна пам'ять, але набагато швидше. Його функція - зберігати інструкції, які тільки збираються оброблятись або обробляти останні. Чим більше кеш-пам’яті, тим більша швидкість транзакції, яку може підбирати та падати процесор.

Тут ми маємо усвідомлювати, що все, що потрапляє до процесора, відбувається з жорсткого диска, і це, можна сказати, надзвичайно повільніше, ніж оперативна пам'ять і навіть більше, ніж кеш-пам'ять. Саме з цієї причини ці твердотільні спогади були розроблені для вирішення великого вузького місця, що є жорстким диском.

І ми запитаємо себе, чому тоді вони не виготовляють лише великі схованки, відповідь проста, адже вони дуже дорогі.

Внутрішня швидкість процесора

Швидкість Інтернету майже завжди є найяскравішою, якщо дивитися на процесор. "Процесор працює на частоті 3, 2 ГГц", але що це? Швидкість - тактова частота, на якій працює мікропроцесор. Чим вище ця швидкість, тим більше операцій за одиницю часу він зможе виконати. Це означає більш високу продуктивність, тому є кеш-пам'ять, щоб прискорити збирання даних процесором, щоб завжди робити максимальну кількість операцій за одиницю часу.

Ця тактова частота задається періодичним сигналом квадратної хвилі. Максимальний час проведення операції - один період. Період - обернена частота.

Але не все - швидкість. Є багато компонентів, які впливають на швидкість процесора. Якщо, наприклад, у нас є 4-ядерний процесор на частоті 1, 8 ГГц та інший одноядерний на 4, 0 ГГц, то впевнений, що чотирьохядерний процесор швидший.

Швидкість автобуса

Так само, як важлива швидкість процесора, важлива також і швидкість шини даних. Материнська плата завжди працює на набагато нижчій тактовій частоті, ніж мікропроцесор, тому нам знадобиться множник, який регулює ці частоти.

Якщо, наприклад, у нас є материнська плата з шиною на тактовій частоті 200 МГц, 10-кратний множник досягне частоти процесора 2 ГГц.

Мікроархітектура

Мікроархітектура процесора визначає кількість транзисторів на одиницю відстані в ньому. В даний час ця одиниця вимірюється в нм (нанометрах), чим вона менша, тим більша кількість транзисторів може бути введена, і, отже, може бути розміщена більша кількість елементів та інтегральних схем.

Це безпосередньо впливає на споживання енергії, менші пристрої потребуватимуть меншого потоку електронів, тому менше енергії буде потрібно для виконання тих же функцій, що і у більшій мікроархітектурі.

Джерело: intel.es

Охолодження компонентів

Завдяки величезній швидкості, досягнутої процесором, струм струму генерує тепло. Чим вище частота і напруга, тим більше вироблятиметься тепло, тому цей компонент потрібно охолодити. Існує кілька способів зробити це:

• Пасивне охолодження: за допомогою металевих дисипаторів (міді чи алюмінію), що збільшують поверхню контакту з повітрям за допомогою плавників. Активне охолодження : Крім радіатора, також розміщується вентилятор для забезпечення примусового потоку повітря між плавниками пасивного елемента.

• Рідке охолодження: воно складається з ланцюга, що складається з насоса та оребреного радіатора. Вода циркулює через блок, розташований у ЦП, рідкий елемент збирає вироблене тепло і транспортує його до радіатора, який за допомогою примусової вентиляції розсіює тепло, знову знижуючи температуру рідини.

Деякі процесори включають радіатор. Зазвичай вони не є великою справою… але вони служать для того, щоб підключити ПК до роботи та покращити його одночасно

• Охолодження теплоносіями: система складається із замкнутого контуру мідних чи алюмінієвих труб, заповнених рідиною. Ця рідина збирає тепло з центрального процесора і випаровується, піднімаючись до вершини системи. У цей момент виникає розріджений радіатор, який обмінює тепло рідини зсередини на зовнішнє повітря, таким чином рідина конденсується і опускається назад до блоку процесора.

Ми рекомендуємо

На цьому ми закінчуємо нашу статтю про те, що таке процесор і як він детально працює. Сподіваємось, вам сподобалось