Unité centrale de traitement et sa structure

Le processeur est le microcircuit principal de l'ordinateur. En règle générale, il s'agit également de l'un des composants PC les plus sophistiqués et les plus coûteux. Bien que le processeur soit un appareil distinct, sa structure comporte un grand nombre de composants qui sont responsables d'une fonction spécifique. Quelle est leur spécificité ?

Processeur : fonctions de l'appareil et historique d'apparition

Le composant PC, qui est désormais communément appelé processeur central, se caractérise par une histoire d'origine assez intéressante. Par conséquent, afin de comprendre ses spécificités, il sera utile d'enquêter sur quelques faits clés sur l'évolution de son développement. Le dispositif, qui est connu de l'utilisateur moderne sous le nom d'unité centrale de traitement, est le résultat de nombreuses années d'amélioration de la technologie de production de microcircuits informatiques.

La vision des ingénieurs de la structure du processeur a changé au fil du temps. Dans les ordinateurs des première et deuxième générations, les composants correspondants étaient constitués d'un grand nombre de blocs séparés, très dissemblables dans leurs tâches. À partir de la troisième génération d'ordinateurs, les fonctions du processeur ont commencé à être considérées dans un contexte plus étroit. Les ingénieurs en conception informatique ont déterminé que cela devrait être la reconnaissance et l'interprétation des instructions de la machine, leur saisie dans des registres, ainsi que le contrôle d'autres composants matériels du PC. Toutes ces fonctions ont commencé à être combinées dans un seul appareil.

Microprocesseurs

Avec le développement de la technologie informatique, des dispositifs appelés "microprocesseurs" ont commencé à être introduits dans la structure du PC. L'un des premiers appareils de ce type était le produit Intel 4004, lancé par une société américaine en 1971. Des microprocesseurs à l'échelle d'un microcircuit combinaient dans leur structure les fonctions que nous avons définies plus haut. Les appareils modernes fonctionnent en principe sur le même concept. Ainsi, le processeur central d'un ordinateur portable, d'un PC, d'une tablette contient dans sa structure : un dispositif logique, des registres, et un module de contrôle chargé de fonctions spécifiques. Cependant, en pratique, les composants des microcircuits modernes sont le plus souvent présentés dans un ensemble plus complexe. Étudions cette fonctionnalité plus en détail.

La structure des processeurs modernes

Le processeur central d'un PC, d'un ordinateur portable ou d'une tablette moderne est représenté par le noyau - il est maintenant considéré comme la norme qu'il y en ait plusieurs, une mémoire cache à différents niveaux, ainsi que des contrôleurs: RAM, bus système. Les performances d'un type de microcircuit approprié sont déterminées par ses caractéristiques clés. Dans quel agrégat peuvent-ils être représentés ?

Les caractéristiques les plus significatives d'un processeur central sur les PC modernes sont les suivantes : le type de microarchitecture (généralement indiqué en nanomètres), la fréquence d'horloge (en gigahertz), la quantité de mémoire cache à chaque niveau (en mégaoctets), la consommation électrique (en watts), et la présence ou l'absence de module graphique.

Étudions plus en détail les spécificités du fonctionnement de certains modules CPU clés. Commençons par le noyau.

Noyau de processeur

L'unité centrale d'un PC moderne a toujours un noyau. Il contient les blocs fonctionnels clés du microcircuit, à travers lesquels il exécute les fonctions logiques et arithmétiques nécessaires. En règle générale, ils sont présentés dans un certain ensemble d'éléments. Ainsi, le processeur central suppose le plus souvent la présence de blocs chargés de résoudre les tâches suivantes :

Récupérer et décoder les instructions ;

Échantillonnage de données ;

Suivant les instructions;

Sauvegarde des résultats des calculs ;

Travailler avec des interruptions.

Aussi, la structure des microcircuits du type correspondant est complétée par une unité de contrôle, un dispositif de mémoire, un compteur d'instructions et un ensemble de registres. Examinons plus en détail les spécificités du travail des composants correspondants.

Cœur de processeur : composants

Parmi les blocs clés du cœur du processeur central se trouve celui qui est chargé de lire les instructions qui sont écrites dans l'adresse enregistrée dans le compteur de commandes. En règle générale, plusieurs opérations du type correspondant sont effectuées à la fois au cours d'un cycle d'horloge. Le nombre total d'instructions à lire est prédéterminé par l'index dans les blocs de décodage. Le principe principal ici est qu'à chaque tick, les composants marqués sont chargés au maximum. Afin de répondre à ce critère, des éléments matériels auxiliaires peuvent être présents dans la structure du processeur.

Dans le bloc de décodage, des instructions sont traitées qui déterminent l'algorithme de fonctionnement du microcircuit lors de la résolution de certains problèmes. Les faire fonctionner est une tâche ardue, selon de nombreux professionnels de l'informatique. Cela est dû, en partie, au fait que la durée de l'instruction n'est pas toujours clairement définie. Les processeurs modernes comportent généralement 2 ou 4 blocs dans lesquels est effectué le décodage correspondant.

En ce qui concerne les composants chargés de récupérer des données, leur tâche principale est d'assurer la réception des instructions de la mémoire cache ou RAM, qui sont nécessaires pour assurer l'exécution des instructions. Les cœurs des processeurs modernes contiennent généralement plusieurs blocs du type correspondant.

Les composants de commande présents dans le microcircuit sont également basés sur des instructions décodées. Ils sont appelés à exercer un contrôle sur le travail des unités chargées de l'exécution des instructions, ainsi qu'à répartir les tâches entre elles, pour contrôler leur exécution en temps opportun. Les composants de contrôle appartiennent à la catégorie des plus importants dans la structure des microprocesseurs.

Dans les noyaux des microcircuits du type correspondant, il existe également des blocs responsables de la bonne exécution des instructions. Dans leur structure, il y a des éléments tels qu'une unité arithmétique et logique, ainsi qu'un composant responsable des calculs en virgule flottante.

Il existe des blocs dans les cœurs de processeur qui contrôlent le traitement de l'extension des ensembles définis pour les instructions. Ces algorithmes, en plus des commandes de base, sont utilisés pour augmenter l'intensité du traitement des données, pour mettre en œuvre des procédures de chiffrement ou de déchiffrement des fichiers. La solution de tels problèmes nécessite l'introduction de registres supplémentaires dans la structure du noyau du microcircuit, ainsi que des jeux d'instructions. Les processeurs modernes incluent généralement les extensions suivantes : MMX (conçu pour coder des fichiers audio et vidéo), SSE (utilisé pour les calculs de parallélisation), ATA (utilisé pour accélérer les programmes et réduire la consommation d'énergie du PC), 3DNow (étendre les capacités multimédia d'un ordinateur ), AES (cryptage des données), ainsi que de nombreuses autres normes.

Dans la structure des cœurs de processeur, il existe généralement des blocs chargés de stocker les résultats en RAM conformément à l'adresse contenue dans l'instruction.

Le composant central qui contrôle le fonctionnement d'interruption du microcircuit est important. Cette fonction permet au processeur d'assurer la stabilité des programmes en conditions multitâches.

Le travail du processeur central est également associé à l'utilisation de registres. Ces composants sont analogues à la RAM, cependant, leur accès s'effectue plusieurs fois plus rapidement. Le volume de la ressource correspondante est petit - en règle générale, il ne dépasse pas un kilo-octet. Les registres sont classés en plusieurs saveurs. Il peut s'agir de composants à usage général impliqués dans l'exécution de calculs arithmétiques ou logiques. Il existe des registres spéciaux qui peuvent inclure des données système utilisées par le processeur pendant le fonctionnement.

Divers composants auxiliaires sont également présents dans la structure du cœur du processeur. Lequel par exemple ? Cela pourrait être un capteur qui garde une trace de la température actuelle du processeur. Si ses performances sont supérieures aux normes établies, le microcircuit peut envoyer un signal aux modules responsables du fonctionnement des ventilateurs - et ils commenceront à tourner plus rapidement. Il existe un prédicteur de transition dans la structure du noyau - un composant conçu pour déterminer quelles instructions seront exécutées après l'achèvement de certains cycles d'opérations effectués par le microcircuit. Un exemple d'un autre composant important est le compteur de commandes. Ce module fixe l'adresse de l'algorithme correspondant, qui est transmise au microcircuit au moment où il commence à exécuter l'un ou l'autre cycle.

C'est la structure du noyau, qui est inclus dans l'unité centrale de traitement de l'ordinateur. Étudions maintenant plus en détail certaines des caractéristiques clés des microcircuits du type correspondant. À savoir : la technologie des processus, la vitesse d'horloge, la taille de la mémoire cache, ainsi que la consommation d'énergie.

Caractéristiques du processeur : type de technologie de processus

Il est d'usage d'associer le développement de la technologie informatique à l'émergence de nouvelles générations d'ordinateurs avec l'amélioration des technologies informatiques. Parallèlement, outre les indicateurs de performance, l'un des critères d'attribution d'un ordinateur à une génération particulière peut être considéré comme sa taille absolue. Les tout premiers ordinateurs étaient de taille comparable à un immeuble à plusieurs étages. Les ordinateurs de deuxième génération étaient de taille comparable, par exemple, à un canapé ou à un piano. Les ordinateurs du niveau supérieur étaient déjà très proches de ceux qui nous sont familiers maintenant. À leur tour, les PC modernes sont des ordinateurs de quatrième génération.

Au fait, à quoi ça sert tout ça ? Le fait est qu'au cours de l'évolution des ordinateurs, une règle officieuse s'est formée: plus l'appareil est technologiquement avancé, plus les dimensions sont petites avec les mêmes performances, et même avec plus. Elle est pleinement valable par rapport aux caractéristiques considérées du processeur central, à savoir, le processus technique de sa fabrication. Dans ce cas, la distance entre les cristaux de silicium individuels qui forment la structure du microcircuit est importante. Plus elle est petite, plus la densité des éléments correspondants que la carte CPU se place sur elle-même est importante. D'autant plus productif qu'il peut donc être envisagé. Les processeurs modernes sont fabriqués selon la technologie de traitement 90-14 nm. Cet indicateur tend à diminuer progressivement.

Fréquence d'horloge

La vitesse d'horloge du processeur central est l'un des indicateurs clés de ses performances. Il détermine le nombre d'opérations par seconde que le microcircuit peut effectuer. Plus il y en a, plus le processeur et l'ordinateur dans son ensemble sont efficaces. On peut noter que ce paramètre caractérise tout d'abord le coeur en tant que module indépendant du processeur central. C'est-à-dire que s'il y a plusieurs composants correspondants sur le microcircuit, chacun d'eux fonctionnera à une fréquence distincte. Certains professionnels de l'informatique trouvent acceptable de sommer ces caractéristiques sur tous les cœurs. Qu'est-ce que ça veut dire? Si, par exemple, le processeur a 4 cœurs avec une fréquence de 1 GHz, alors les performances totales du PC, si vous suivez cette méthodologie, seront de 4 GHz.

Composantes fréquentielles

L'indicateur considéré est formé de deux composantes. Premièrement, il s'agit de la fréquence du bus système - elle est généralement mesurée en centaines de mégahertz. Deuxièmement, c'est le coefficient par lequel l'indicateur correspondant est multiplié. Dans certains cas, les fabricants de processeurs donnent aux utilisateurs la possibilité d'ajuster les deux paramètres. Dans le même temps, si vous définissez des valeurs suffisamment élevées pour le bus système et le multiplicateur, vous pouvez augmenter considérablement les performances du microcircuit. C'est ainsi que le processeur est overclocké. Certes, vous devez l'utiliser avec précaution.

Le fait est que lors de l'overclocking, la température du processeur central peut augmenter considérablement. Si un système de refroidissement approprié n'est pas installé sur le PC, cela peut entraîner la défaillance du microcircuit.

Taille du cache

Les processeurs modernes sont équipés de modules de mémoire cache. Leur objectif principal est le placement temporaire de données, en règle générale, représenté par un ensemble de commandes et d'algorithmes spéciaux - ceux qui sont le plus souvent utilisés dans le fonctionnement du microcircuit. Qu'est-ce que cela donne en pratique ? Tout d'abord, le fait que la charge sur le processeur central peut être réduite du fait que les commandes et les algorithmes mêmes seront disponibles en ligne. Le microcircuit, ayant reçu des instructions toutes faites de la mémoire cache, ne perd pas de temps à les développer à partir de zéro. En conséquence, l'ordinateur fonctionne plus rapidement.

La principale caractéristique de la mémoire cache est le volume. Plus il est grand, plus ce module est d'autant plus volumineux en termes d'emplacement des instructions et des algorithmes mêmes utilisés par le processeur. Plus il est probable que le microcircuit trouvera à chaque fois ceux dont vous avez besoin parmi eux et fonctionnera plus rapidement. La mémoire cache des processeurs modernes est le plus souvent divisée en trois niveaux. Le premier fonctionne sur la base des microcircuits les plus rapides et les plus high-tech, le reste - plus lent. La quantité de mémoire cache du premier niveau sur les processeurs modernes est d'environ 128-256 Ko, la seconde - 1-8 Mo, la troisième - peut dépasser 20 Mo.

Consommation d'énergie

Un autre paramètre important du microcircuit est la consommation d'énergie. Alimenter le processeur peut être coûteux. Les modèles de microcircuits modernes consomment environ 40 à 50 watts. Dans certains cas, ce paramètre a une importance économique - par exemple, lorsqu'il s'agit d'équiper de grandes entreprises de plusieurs centaines ou milliers d'ordinateurs. Mais la consommation d'énergie n'est pas moins importante en termes d'adaptation des processeurs à une utilisation sur des appareils mobiles - ordinateurs portables, tablettes, smartphones. Plus l'indicateur correspondant est bas, plus la durée de vie de la batterie de l'appareil sera longue.