Как устроен процессор? разбираемся вместе

Производство микропроцессоров в России

Основные микроэлектронные производства расположены в городах Зеленоград («Микрон», «Ангстрем») и Москва («Крокус»). Собственное микроэлектронное производство имеется также и в Беларуси – компания «Интеграл», использующая технологический процесс 0,35 мкм.

Производством процессоров в России занимаются компании «МЦСТ» и «Байкал Электроникс». Последняя разработка «МЦСТ» – процессор «Эльбрус-8С». Это 8-ядерный микропроцессор с тактовой частотой 1,1-1,3 ГГц. Производительность российского процессора составляет 250 гигафлопс (операций с плавающей запятой в секунду). Представителями компании заявляется, что по ряду показателей процессор может конкурировать даже с лидером отрасли – компанией Intel.

Производство процессоров «Эльбрус» продолжится моделью «Эльбрус-16» частотой 1,5 ГГц (цифровой индекс в названии обозначает количество ядер). Массовое изготовление этих микропроцессоров будет осуществляться в Тайване. Это должно способствовать уменьшению цены. Как известно, цена на продукцию компании заоблачная. При этом, по характеристикам комплектующие значительно уступают ведущим компаниям в этом секторе экономики. Пока такие процессоры будут использоваться только в государственных организациях и для оборонных целей. В качестве технологии производства процессоров этой линейки будет применяться 28-нм технологический процесс.

«Байкал Электроникс» производит процессоры, предназначенные для использования в промышленности. В частности, это относится к модели «Байкал Т1». Область ее применения – маршрутизаторы, системы с ЧПУ и офисная техника. Компания на этом не останавливается и уже разрабатывается процессор для персональных компьютеров – «Байкал М». Сведений о его характеристиках пока немного. Известно, что у него будет 8-ядерный процессор с поддержкой до 8 графических ядер. Преимущество этого микропроцессора будет заключаться в его энергоэффективности.

Энергопотребление

Другой значимый параметр микросхемы — энергопотребление. Питание центрального процессора может предполагать значительное расходование электроэнергии. Современные модели микросхем потребляют порядка 40-50 Вт. В некоторых случаях данный параметр имеет экономическое значение — например, если речь идет об оснащении больших предприятий несколькими сотнями или тысячами компьютеров. Но не менее значимым фактором энергопотребление выступает в части адаптации процессоров к использованию на мобильных устройствах — ноутбуках, планшетах, смартфонах. Чем соответствующий показатель меньше, тем дольше будет автономная работа девайса.

Регистры

Из чего состоит процессор еще, кроме ядер? Регистры – второй важный его компонент. Как вы уже знаете, это быстрые ячейки памяти, где находятся обрабатываемые данные. Они бывают разными:

  1. A, B, C – используются для хранения информации во время обработки. Их всего три, но этого достаточно.
  2. EIP – в этом регистре хранится адрес следующей в очереди инструкции.
  3. ESP – адрес данных в ОЗУ.
  4. Z – здесь находится результат последней операции сравнения.

Этими регистрами процессор не ограничивается. Есть и другие, однако указанные выше являются самыми главными – именно ими чаще всего пользуется чип для обработки данных во время выполнения той или иной программы.

Цикл выполнения команд — Декодирование

Когда процессор получает команду, ему нужно точно определить тип этой команды. Данный процесс называется декодированием. Каждая команда обладает особым набором битов, опкодом, который дает возможность процессору распознать ее тип. Примерно по тому же принципу работает распознавание компьютером различных расширений файлов. К примеру, .jpg и .png — форматы изображений, но каждый из них обрабатывает данные по-разному, поэтому компьютеру и нужно точно распознавать их тип.

Стоит отметить, что сложность декодирования может зависеть от того, насколько продвинутой является архитектура набора команд процессора. У архитектуры RISC-V, к примеру, несколько десятков команд, а у x86 — несколько тысяч. У типичного процессора Intel x86 процесс декодирования является одним из сложнейших и занимает огромное количество памяти. Чаще всего процессоры декодируют команды, связанные с памятью, арифметическими вычислениями и переходом. 

В чём сложность

Совре­мен­ные про­цес­со­ры про­из­во­дят­ся на нано­мет­ро­вом уровне, то есть раз­ме­ры эле­мен­тов изме­ря­ют­ся нано­мет­ра­ми, это очень мало.

Если, напри­мер, во вре­мя печа­ти очень тол­стый маль­чик упа­дёт на пол в сосед­нем цехе, еле замет­ная удар­ная вол­на про­ка­тит­ся по пере­кры­ти­ям заво­да и печат­ная фор­ма немно­го сдви­нет­ся, а напе­ча­тан­ные таким обра­зом тран­зи­сто­ры ока­жут­ся бра­ко­ван­ны­ми. Пылин­ка, попав­шая на пла­сти­ну во вре­мя печа­ти — это, счи­тай, загуб­лен­ное ядро процессора.

Поэто­му на заво­дах, где дела­ют про­цес­со­ры, соблю­да­ют­ся жёст­кие стан­дар­ты чисто­ты, все ходят в мас­ках и костю­мах, на всех воз­ду­хо­во­дах сто­ят филь­тры, а сами заво­ды нахо­дят­ся на сей­сми­че­ских подуш­ках, что­бы толч­ки зем­ной коры не меша­ли про­из­во­дить процессоры.

Как работает процессор

Рассмотрим схему, которая описывает весь цикл работы ЦП над определенной задачей.

  1. Из некоторой “кучи” команд выбирается та, до которой дошла очередь. Порядок очереди определяется с помощью специального счетчика. Команда берется из определенной ячейки в памяти, а счетчик команд увеличивается на 1 (взяли команду, увеличиваем счетчик на 1, чтобы очередь дошла до следующей);
  2. Команда, которая была выбрана, отправляется в устройство управления. УУ считывает адресное поле, выбранной команды из памяти, и полученные операнды направляются в АЛУ на специальные регистры;
  3. УУ продолжает читать код команды и распознает операции, которые записаны в коде. Далее выдается сигнал в АЛУ для выполнения найденных операций;
  4. На этом этапе происходит вычисление операций в АЛУ и сохранение результата в самом ЦПУ. Если в команде присутствовал адрес ячейки для хранения результата, он будет помещен в нее;
  5. Этапы 1-4 повторяются в порядке очереди до тех пор, пока УУ не “наткнется” на команду “стоп”, которая и означает конец инструкций.

Программы — текстовые процессоры

Подобное программное обеспечение целесообразно использовать в случаях, когда существуют конкретные требования не только к содержанию документа, но и его внешнему виду. Параметры форматирования текста сохраняются в кодах, которые не отображаются для пользователя. Для разных текстовых процессоров кодирование будет отличаться. С этим условием связаны ошибки, возникающие при работе с документами, созданными в другом приложении, так как код не всегда переносится корректно

На это нужно обращать внимание при выборе приложения для работы

MS Word

Получил широкое распространение благодаря интуитивно понятному интерфейсу и высокому качеству работы. Целевым назначением программы Word является редактирование, просмотр и создание текстовых документов. Кроме того, в приложении заложены опции локального применения простейших форм табличных и матричных алгоритмов. Продукт входит в состав пакета Office операционной системы Microsoft. Для защиты файлов доступно несколько вариантов принципов создания паролей:

  • на открытие;
  • на изменение;
  • на внесение исправлений.

Ранние версии текстового процессора Microsoft Word содержали некоторые ошибки. К примеру, программа не отличала буквы Е и Ё. Современная версия снабжена надежным алгоритмом шифрования AES с 128-битным ключом. Начиная с версии 2003 SP3, процессор стал наиболее востребованным среди разновидностей подобного программного обеспечения.

WordPad

Популярный текстовый процессор с набором полезных опций входит в состав системного пакета от Microsoft Windows. WordPad более мощный, производительный и функциональный по сравнению с Блокнотом. Однако в нем нельзя найти таких профессиональных инструментов, как в Microsoft Word. Программа позволяет форматировать и печатать текст. В WordPad не получится создать таблицу или проверить орфографию.

LaTeX

При работе со сложными документами нередко используют данный текстовый процессор. LaTeX включен в пакет программ для компьютерной верстки TeX. С его помощью можно автоматизировать многие операции с файлами. Набор текста можно осуществлять на нескольких языках. LaTeX служит удобным приложением для подготовки:

  • статей;
  • файлов с нумерованными разделами и формулами;
  • текстов с перекрестными ссылками, иллюстрациями и таблицами;
  • библиографий.

OpenOffice Writer

Свободное программное обеспечение OpenOffice.org предлагает пользователям в составе системного пакета данный текстовый редактор. Приложение OpenOffice Writer обладает множеством схожих характеристик с Microsoft Word. Отличием является некоторые особенности функционала и полезные опции, которые отсутствуют в Word. К примеру, с помощью OpenOffice Writer осуществляется поддержка стилей страниц.

История появления процессоров

Теперь, когда всё стало немного понятнее и слово процессор у вас не ассоциируется с системным блоком, давайте совершим небольшой экскурс в историю и посмотрим, как появились процессоры и что вообще способствовало их появлению.

Первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) появились в 40-х годах прошлого века. Изначально в их основе использовались лампы и примитивные радиоэлементы по типу резисторов и реле. Размер таких ЭВМ мог достигать нескольких квадратных метров.

На фотографии изображена первая ЭВМ — ENIAC. Ее вес составлял порядка 30 тон, и внутри располагалось 18000 электронных ламп.

Но прогресс не стоит на месте, и в 50-х годах громоздкие электронные лампы сменили транзисторы, которые, в свою очередь, в 60-х годах были вытеснены интегральными микросхемами, которые вмещали в себя уже тысячи таких транзисторов.

Всё изменилось в 1971 году, когда компания Intel представила первую 4-битную однокристальную микросхему Intel 4004. Именно Intel 4004 можно считать первым прародителем процессоров, нежели более ранние прототипы по типу электронных ламп и транзисторов. После Intel 4004 индустрия развития стала шагать семимильными шагами, и каждый год инженерам и конструкторам удавалось разработать более современный микропроцессор, который был мощнее и производительней своего приемника.

Мы умышленно не будем перечислять огромный перечень процессоров в силу того, что это уже получится полноценная, отдельная статья про историю процессоров. Поверьте, там есть о чём рассказывать.

В 1993 году компанией Intel был представлен первый полноценный десктоп процессор первого поколения P5, который впоследствии был переименован в Pentium.

Но не стоит полагать, что двигателем прогресса была только компания Intel, свой вклад в индустрию электроники и центральных процессоров внесли такие компании, как Motorola, Zilog, MOS Technology, Sinclair Research (ZX Spectrum). СССР тоже не отставали, и в 70-х годах Российские разработки в области ЭВМ вполне могли потягаться с зарубежными аналогами. Но в силу того, что СССР перенаправила силы из этой области в другие отраслевые технологии, было принято решение отказаться от собственного производства и впоследствии использовать сертифицированные импортные технологии.

Математический сопроцессор

Продолжая рассматривать, что входит в состав процессора компьютера, нельзя не сказать несколько слов и об этом устройстве. Оно предназначено для расширения возможностей ЦП и обеспечения его функциональности посредством модуля так называемых операций с плавающей запятой, для процессоров, которые не имеют интегрированного модуля.

Математический сопроцессор не относится к числу обязательных элементов ПК, и от него можно отказаться. Раньше многие производители так и поступали, исходя из соображений экономии.

Однако при решении задач, требующих выполнения множества математических вычислений (при научных или инженерных расчетах), пришлось решать вопрос о повышении производительности ПК.

Если раньше модуль математического сопроцессора устанавливали на материнскую плату в качестве отдельного чипа, то в современных персональных компьютерах использование этого устройства в таком формате не требуется, так как оно изначально встроено в центральный процессор.

Как работает процессор

В предыдущем пункте было разобрано, что такое процессор и для чего он нужен. Самое время посмотреть на то, как это работает.

Деятельность ЦП можно представить последовательностью следующих событий:

  • Из ОЗУ, куда загрузилась определенная программа (допустим текстовый редактор), управляющий блок процессора извлекает необходимые сведения, а также набор команд, которые обязательно нужно выполнить. Все это отправляется в буферную память (кэш) ЦП;
  • Выходящая из кэш-памяти информация разделяется на два вида: инструкции и значения, которые отправляются в регистры (это такие ячейки памяти в процессоре). Первые идут в регистры команд, а вторые в регистры данных;
  • Информацию из регистров обрабатывает арифметико-логическое устройство (часть ЦПУ, которая выполняет арифметические и логические преобразования поступающих данных), которое из них считывает информацию, а за тем исполняет необходимые команды над получившимися в итоге числами;
  • Получившиеся результаты, разделяющиеся на законченные и незаконченные, идут в регистры, откуда первая группа отправляется в кэш-память ЦП;
  • Этот пункт начнем с того, что есть два основных уровня кэша: верхний и нижний. Последние полученные команды и данные, нужные для выполнения расчетов, поступают в кэш верхнего уровня, а неиспользуемые отправляются в кэш нижнего уровня. Этот процесс идёт следующим образом — вся информация идёт с третьего уровня кэша на второй, а потом попадает на первый, с не нужными на текущий момент данными и их отправкой на нижний уровень все обстоит наоборот;
  • По окончанию вычислительного цикла, конечный итог будет записан в оперативной памяти системы, для освобождения места кэш-памяти ЦП для новых операций. Но может произойти так, что буферная память будет переполнена, тогда неэксплуатируемые данные пойдут в оперативную память, или на нижний уровень кэша.

Поэтапные шаги вышеприведенных действий являются операционным потоком процессора и ответом на вопрос – как работает процессор.

Табличный

Назначение табличного процессора – это работа с различными электронными таблицами. Изначально такие утилиты предусматривали обработку исключительно двухмерных таблиц, наполненных различными числовыми данными. Однако с течением времени начали появляться различные утилиты, которые помимо этого включали в таблицы также графические, текстовые и еще целый ряд других мультимедийных элементов, расширяющих основное назначение табличного процессора.

Как и в предыдущем случае, наиболее широкое распространение получила программа Microsoft Excel. Назначение табличного процессора Excel заключается в выполнении целого комплекса задач, однако в первую очередь при помощи такого софта осуществляются различного рода вычисления. С давних времен преимущественное большинство расчетов осуществляется именно в табличной форме, в связи с чем такие программы по сегодняшний день являются чрезвычайно востребованными.

Разнообразное назначение табличного процессора обеспечивается тем, что в современном софте используется крайне широкий инструментарий, который включает в себя разнообразные математические функции, позволяющие проводить чрезвычайно сложные финансовые, статистические и прочие расчеты.

Троттлинг

Троттлинг — это процесс защиты процессора от механических повреждений в ходе перегрева. Из-за этого существенно падает частота процессора и мощность компьютера в целом. Явление неприятное и возникает нечасто, только при существенном перегреве центрального процессора. ЦПУ — это очень хрупкий и важный компонент компьютера, который в случае угрозы поломки защищает себя. Например, процессор с 4 ядрами и 8 потоками в случае перегрева из-за высокой нагрузки увеличивает нагрузку на первые два ядра, так как они являются основными по умолчанию почти у всех процессоров. Пока остальные ядра охлаждаются, первые два работают на полную, и если нагрузка только увеличивается, то вскоре они перегреваются и включается троттлинг, тем самым фактически выключая эти ядра, перекидывая нагрузку на остальные два ядра, которые вскоре так же перегреваются и частота процессора существенно падает. Для того чтобы не попасть в такую ситуацию, надо следить за охлаждением процессора. Обязательно надо чистить компьютер от пыли, в том числе кулер, который охлаждает ЦП. Также необходимо проводить замену термопасты для более лучшей проводимости тепла. Компьютер должен находиться на расстоянии не менее 50 см от стены, для свободной циркуляции воздуха, иначе перегреву подвергнется не только процессор, но и весь компьютер в целом. Для понижения температуры процессора проводится его скальпирование. Это замена текстолита, который находится под крышкой процессора, передавая тепло от кристалла к его крышке и к кулеру.

Почему же у разных пользователей разные показатели разгона процессора одной и той же модели?

У каждого пользователи разное охлаждение и модель материнской платы. Каждая плата рассчитана под определенные нужды. Одна под офисные работы, другая под активное домашнее пользование компьютером, а третья как раз таки для разгона и игр. У кого-то материнская плата мощнее, поэтому и возможность разгона выше. Также, конечно, влияет и уровень охлаждения процессора. Повышая частоту процессора, мы увеличиваем его теплоотдачу. У каждого кулера есть предел температуры охлаждения, у одного это 90 TDF, у другого 120 TDF и так далее. Соответственно, если теплоотдача процессора выше, чем может охладить кулер, то стабильно система работать уже не будет. То есть два главных компонента в разгоне процессора — это материнская плата и система охлаждения.

ALU

Хотя некоторые устройства, входящие в состав процессора, имеют собственную память, АЛУ представляет собой специальную комбинационную схему без элементов собственной памяти. Ее предназначением является реализация важнейших операций процесса обработки данных:

  • принимает на 2 входа 2 операнда (содержимое 2 регистров и пр.);
  • формирует и выдает на выход результат операции.

Она заключается в выполнении набора простых арифметических операций (АО), подразделяемых на 3 основные категории: логические, арифметические и операции над битами. АО — это процедуры обработки данных (вычитание, сложение, умножение или деление), аргументы и результат которых представляют собой числа. Они отличаются от логических операций. Под ними понимаются процедуры, осуществляющие построение сложных высказываний (И, НЕ, ИЛИ).

Арифметико-логическое устройство состоит из регистров, элемента управления и сумматора с логическими схемами. Оно функционирует в соответствии с кодами операций, выполняемых над переменными, которые помещаются в регистры.

Видеокарта в процессоре

Кроме обычных нескольких ядер в некоторых моделях процессоров иногда можно встретить еще одно «ядро», отвечающее только за вывод изображения на монитор, то есть — миниатюрная «видеокарта», расположенная прямо внутри ЦП. Как правило, ими оснащаются все «топовые» процессоры и большинство процессоров среднего ценового сегмента.

Конечно, производительность таких видео-ядер не идет ни в какое сравнение с полноценными видеокартами, однако для серфинга в интернете и просмотра фильмов вполне сгодится. Ими обычно комплектуются офисные компьютеры различных организаций, ноутбуки и нетбуки, что позволяет сэкономить на приобретении отдельной дискретной (полноценной) видеокарты.

Прослеживается и такая связь: обычно, чем дороже процессор, тем более производительное видео-ядро в нем установлено. В самых мощных моделях (core i7, например) мощность графического ядра настолько высока, что позволяет играть в современные игры на средних, средне-низких настройках графики, что по уровню вполне соответствует некоторым бюджетным видеокартам.

При всем этом, в процессе построения картинки у процессора отбирается часть вычислительной мощности и резервируется некоторый объем ОЗУ в качестве видеопамяти.

Из чего состоит процессор

ЦП ‒ это миниатюрная кремниевая пластина прямоугольной формы, которая содержит миллионы транзисторов (полупроводников). Именно они реализуют все функции, которые выполняет процессор.

Почти все современные процессоры состоят из следующих компонентов:

  1. Несколько ядер (редко 2, чаще 4 или 8), которые выполняют все функции. По сути, ядро представляет собой отдельный миниатюрный процессор. Несколько интегрированных в основной чип ядер параллельно работают над задачами, что ускоряет процесс обработки данных. Однако не всегда большее количество ядер означает более быструю работу чипа.
  2. Несколько уровней памяти КЭШ (2 или 3), благодаря чему время взаимодействия ОЗУ и процессора сокращается. Если информация находится в КЭШе, то время доступа к ней минимизировано. Следовательно, чем большим будет объем КЭШа, тем больше информации в него поместится и тем быстрее будет сам процессор.
  3. Контроллер ОЗУ и системной шины.
  4. Регистры ‒ ячейки памяти, где хранятся обрабатываемые данные. Они всегда имеют ограниченный размер (8, 16 или 32 бит).
  5. Сопроцессор. Отдельное ядро, которое предназначается для выполнения операций определенного типа. Чаще всего в виде сопроцессора выступает графическое ядро (видеокарта).
  6. Адресная шина, которая связывает чип со всеми подключенными к материнской плате устройствами.
  7. Шина данных – для связи процессора с оперативной памятью. По сути, шина представляет собой набор проводников, посредством которых передается или принимается электрический сигнал. И чем больше будет проводников, тем лучше.
  8. Шина синхронизации – позволяет контролировать такты и частоту работы процессора.
  9. Шина перезапуска – обнуляет состояние чипа.

Все эти элементы принимают участие в работе. Однако самым главным среди них, безусловно, является именно ядро. Все остальные указанные составляющие лишь помогают ему выполнять основную задачу. Теперь, когда вы понимаете, из чего состоит процессор, можно более детально рассмотреть его основной компонент.

Характеристики процессора

Тактовая частота указывает частоту, на которой работает ЦП. За $1$ такт выполняется несколько операций. Чем выше частота, тем выше быстродействие ПК. Тактовая частота современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц): $1$ ГГц = $1$ миллиард тактов в секунду.

Для повышения производительности ЦП стали использовать несколько ядер, каждое из которых фактически является отдельным процессором. Чем больше ядер, тем выше производительность ПК.

Процессор связан с другими устройствами (например, с оперативной памятью) через шины данных, адреса и управления. Разрядность шин кратна 8 (т.к. имеем дело с байтами) и отличается для разных моделей, а также различна для шины данных и шины адреса.

Разрядность шины данных указывает на количество информации (в байтах), которое можно передать за $1$ раз (за $1$ такт). От разрядности адресной шины зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым может работать ЦП.

От частоты системной шины зависит количество данных, которые передаются за отрезок времени. Для современных ПК за $1$ такт можно передать несколько бит. Важна также и пропускная способность шины, равная частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за $1$. Если частота системной шины равна $100$ Мгц, а за $1$ такт передается $2$ бита, то пропускная способность равна $200$ Мбит/сек.

Пропускная способность современных ПК исчисляется в гигабитах (или десятках гигабит) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше.
На производительность ЦП влияет также объем кэш-памяти.

Данные для работы ЦП поступают из оперативной памяти, но т.к. память медленнее ЦП, то он может часто простаивать. Во избежание этого между ЦП и оперативной памятью располагают кэш-память, которая быстрее оперативной. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш, а затем в ЦП. Когда ЦП требует следующее данное, то при наличии его в кэш-памяти оно берется из него, иначе происходит обращение к оперативной памяти. Если в программе выполняется последовательно одна команда за другой, то при выполнении одной команды коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно ускоряет работу, т.к. ожидание ЦП сокращается.

Замечание 1

Существует кэш-память трех видов:

  • Кэш-память $1$-го уровня самая быстрая, находится в ядре ЦП, поэтому имеет небольшие размеры ($8–128$ Кб).
  • Кэш-память $2$-го уровня находится в ЦП, но не в ядре. Она быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $1$-го уровня. Размер от $128$ Кбайт до нескольких Мбайт.
  • Кэш-память $3$-го уровня быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $2$-го уровня.

От объема этих видов памяти зависит скорость работы ЦП и соответственно компьютера.

ЦП может поддерживать работу только определенного вида оперативной памяти: $DDR$, $DDR2$ или $DDR3$. Чем быстрее работает оперативная память, тем выше производительность работы ЦП.

Следующая характеристика – сокет (разъем), в который вставляется ЦП. Если ЦП предназначен для определенного вида сокета, то его нельзя установить в другой. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для ЦП и он должен соответствовать типу этого процессора.

Ядро процессора

Центральный процессор современного ПК всегда имеет ядро. В нем содержатся ключевые функциональные блоки микросхемы, посредством которых она выполняет необходимые логические и арифметические функции. Как правило, они представлены в некоторой совокупности элементов. Так, устройство центрального процессора чаще всего предполагает наличие блоков, которые отвечают за решение следующих задач:

— выборка и декодирование инструкций;

— выборка данных;

— выполнение инструкций;

— сохранение результатов вычислений;

— работа с прерываниями.

Также структура микросхем соответствующего типа дополняется управляющим блоком, запоминающим устройством, счетчиком команд, а также набором регистров. Рассмотрим специфику работы соответствующих компонентов подробнее.

Основные характеристики процессоров

Мы рассмотрели, что такое процессор компьютера, как он работает

Ознакомились с тем, что из себя представляют два основных их вида, время обратить внимание на их характеристики

Итак, для начала их перечислим: бренд, серия, архитектура, поддержка определенного сокета, тактовая частота процессора, кэш, количество ядер, энергопотребление и тепловыделение, интегрированная графика. Теперь разберем с пояснениями:

Бренд – кто производит процессор: AMD, или Intel. От данного выбора зависит не только цена приобретения, и производительность, как можно было бы предположить из предыдущего раздела, но также и выбор остальных комплектующих ПК, в частности, материнской платы. Поскольку процессоры от АМД и Интел имеют различную конструкцию и архитектуру, то в сокет (гнездо для установки процессора на материнской плате) предназначенный под один тип процессора, нельзя будет установить второй;
Серия – оба конкурента делят свою продукцию на множество видов и подвидов. (AMD — Ryzen, FX,. Intel- i5, i7);
Архитектура процессора – фактически внутренние органы ЦП, каждый вид процессоров имеет индивидуальную архитектуру. В свою очередь один вид можно разделить на несколько подвидов;
Поддержка определенного сокета — очень важная характеристика процессора, поскольку сам сокет является «гнездом» на материнской плате для подсоединения процессора, а каждый вид процессоров требует соответствующий ему разъем. Собственно об этом было сказано выше. Вам либо нужно точно знать какой сокет расположен на вашей материнской плате и под нее подбирать процессор, либо наоборот (что более правильно);
Тактовая частота – один из значимых показателей производительности ЦП. Давайте ответим на вопрос что такое тактовая частота процессора. Ответ будет простым для этого грозного термина — объем операций выполняющихся в единицу времени, измеряющийся в мегагерцах (МГц);
Кэш — установленная прямо в процессор память, её ещё называют буферной памятью, имеет два уровня — верхний и нижний. Первый получает активную информацию, второй – неиспользуемую на данный момент. Процесс получения информации идет с третьего уровня во второй, а потом в первый, ненужная информация проделывает обратный путь;
Количество ядер — в ЦП их может быть от одного до нескольких. В зависимости от количества процессор будет называться двухъядерных, четырех ядерным и т.д. Соответственно от их числа будет зависеть мощность;
Энергопотребление и тепловыделение

Тут все просто – чем выше процессор «съедает» энергии, тем больше тепла он выделит, обращайте внимание на этот пункт, чтобы выбрать соответствующий кулер охлаждения и блок питания.
Интегрированная графика – у AMD первые такие разработки появились в 2006, у Intel с 2010. Первые показывают больший результат, чем конкуренты

Но все равно, до флагманских видеокарт пока ни один из них не смог дотянуть.

Перспективы микропроцессорного производства компании AMD

Единственным реальным конкурентом «Интел» на рынке производства процессоров на сегодняшний день является AMD. Из-за ошибок «Интел», связанных с 10-нм технологией, AMD немного поправила свое положение на рынке. У Intel массовое производство с использованием технологического процесса 10 нм сильно запоздало. Компания AMD, как известно, использует для производства своих чипов третью сторону. И теперь сложилась ситуация, когда AMD для производства использует во всю 7-нм технологии производства процессоров, не уступающие главному конкуренту.

Основными сторонними производителями полупроводниковых устройств с использованием новых технологий для сложной логики являются Тайваньская компания производства полупроводников (TSMC), американская компания GlobalFoundaries и корейская Samsung Foundry.

AMD планирует использовать TSMC исключительно для производства микропроцессоров следующего поколения. При этом будут применяться новые технологии производства процессоров. Компания уже выпустила ряд продуктов с применением 7-нм процесса, включая 7-нм графический процессор. Первый планируется выпустить в 2019 г. Уже через 2 года планируется начать массовое производство 5-нм микросхем.

GlobalFoundaries отказалась от разработки процесса 7 нм, чтобы сосредоточить свои усилия на развитии своих 14/12 нм процессов для клиентов, ориентированных на быстрорастущие рынки. AMD вкладывает в GlobalFoundaries дополнительные инвестиции для производства процессоров AMD текущего поколения Ryzen, EPYC и Radeon.

Схема машинного цикла

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

  • из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

  • выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

  • устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

  • по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

  • УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

  • результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

  • все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп».

А теперь более подробно рассмотрим, как выполняется кусочек программы, в котором есть все то же сложение двух чисел. Итак:1. Устройство управления смотрит, что находится в счетчике команд.
2. Набор из ноликов и единичек из соответствующей ячейки ОЗУ записывается в регистр команд. В процессе его декодирования устройство управления распознало команду вызова другой ячейки оперативной памяти в сумматор.
3. Номер ячейки — первого операнда (первого слагаемого) — записывается в регистр адреса.
4. Устройство управления считывает данные из оперативной памяти,
согласуясь с регистром адреса, в сумматор.

Выборка и выполнение первой команды закончились. К этому времени
счётчик команд автоматически увеличивается на 1.
1. Устройство управления переписывает содержимое следующей ячейки
оперативной памяти, на которую указывает счётчик команд, в регистр команд.
2. Это оказалась команда сложения сумматора с ячейкой оперативной
памяти. Её адрес располагается в регистре адреса, который уже изменился в процессе декодирования команды сложения устройством управления.
3. Данные из оперативной памяти из ячейки, на которую указывает регистр адреса, считывается и складываются с сумматором. Результат остается в сумматоре.

Закончились выборка и выполнение второй команды. Получена сумма
двух чисел, и она располагается в сумматоре… И так далее. Операция выборки-выполнения называется ещё циклом выборки-выполнения, или машинным циклом.

Как устроен процессор

Процессор состоит главным образом из 3 компонентов: арифметико-логическое устройство, устройство управления (АЛУ и УУ соответственно) и регистры памяти. Рассмотрим каждое подробнее.

Арифметико-логическое устройство

Как можно догадаться по названию это нечто, производящее все логические и арифметические вычисления. Часть ЦП, которая занимается только подсчетом и операциями, такими как вычитание, сложение, логические операции (“или”, “и”, “не”, “исключающее или” и другие).

Устройство управления

Этот компонент ЦПУ предназначен для работы с командами. Простыми словами, это “менеджер”, который принимает инструкции, прочитывает их и принимает различные решения. Такое устройство отдает распоряжения и управляет работой других компонентов компьютера.

Существует несколько видов УУ:

  1. Построенный на жесткой логике;
  2. Микропрограммируемый.

Первый тип УУ невозможно модифицировать и изменять его поведение и реакцию на различные команды без физического вмешательства. Это объясняется тем, что характер работы задается устройством печатной платы или кристаллом (более глубокие элементы внутреннего строения УУ). Второй тип как раз таки больше поддается различным изменениям, так как его можно запрограммировать под любые задачи. Стоит отметить, что УУ, построенный на жесткой логике, работает быстрее, в то время как микропрограммируемый УУ более гибкий.

Регистры

Фактически, регистры – внутренние ячейки памяти процессора. 1 регистр – это минимальная ячейка в памяти, которая состоит из логических элементов. Такие ячейки были придуманы с целью ускорения работы процессора с данными. Зачастую ЦПУ нужно сохранять какую-либо информацию (адреса ячеек в памяти, инструкции и другие данные) на момент, пока она не пригодится вновь. И существует множество операций, которые проходят через ЦП и требуют неоднократного использования одних и тех же данных. Так вот регистры и призваны для сохранения таких данных. Они находятся “ближе” к процессору, чем постоянная память или ОЗУ и, таким образом, позволяют брать данные и записывать новые значительно быстрее. Особенно, если одну и ту же информацию необходимо использовать процессору многократно.

Вся работа между регистрами, устройствами ввода-вывода, памятью и компонентами процессора происходит по шине данных и шине адреса. Первая отвечает за хранение непосредственно информации, а вторая за адреса ячеек, в которых и хранится эта информация.

Каждый регистр состоит из триггеров, которых существует 2 вида: асинхронный и синхронный. По функциональному назначению их разделяют на 4 группы: RS-триггер, JK-триггер, T-триггер и D-триггер.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий