Центральний процесор та його пристрій
Процесор – це головна мікросхема комп'ютера. Як правило, вона також є одним із найвищих і найдорожчих компонентів ПК. Незважаючи на те, що процесор - окремий пристрій, він має у своїй структурі велику кількість компонентів, що відповідають за конкретну функцію. Яка їхня специфіка?
Процесор: функції пристрою та історія появи
Компонент ПК, який сьогодні прийнято називати центральним процесором, характеризується досить цікавою історією походження. Тому, щоб зрозуміти його специфіку, корисно буде досліджувати деякі ключові факти про еволюцію його розробки. Пристрій, який відомий як центральний процесор, є результатом багаторічного вдосконалення технологій виробництва обчислювальних мікросхем.
Згодом змінювалося бачення інженерами структури процесора. У ЕОМ першого та другого покоління відповідні компоненти складалися з великої кількості роздільних блоків, дуже несхожих по вирішуваним завданням. Починаючи з третього покоління комп'ютерів, функції процесора почали розглядатися у вужчому контексті. Інженери-конструктори ЕОМ визначили, що це має бути розпізнавання та інтерпретація машинних команд, занесення їх у регістри, а також управління іншими апаратними компонентами ПК. Всі ці функції стали поєднуватися в одному пристрої.
Мікропроцесори
У міру розвитку комп'ютерної техніки в структуру ПК стали впроваджуватись девайси, що отримали назву «мікропроцесор». Одним із перших пристроїв такого типу став виріб Intel 4004, випущений американською корпорацією у 1971 році. Мікропроцесори у масштабі однієї мікросхеми об'єднали у своїй структурі ті функції, що ми визначили вище. Сучасні девайси, в принципі, працюють на основі тієї ж самої концепції. Отже, центральний процесор ноутбука, ПК, планшета містить у структурі: логічне пристрій, регістри, і навіть модуль управління, відповідальні конкретні функції. Однак на практиці компоненти сучасних мікросхем найчастіше представлені у складнішій сукупності. Вивчимо цю особливість докладніше.
Структура сучасних процесорів
Центральний процесор сучасного ПК, ноутбука або планшета представлений ядром - тепер уже нормою вважається, що їх дещо, кеш-пам'яттю на різних рівнях, а також контролерами: ОЗУ, системної шини. Продуктивність мікросхеми відповідного типу визначається її ключовими характеристиками. У якій сукупності вони можуть бути?
Найбільш значущі характеристики центрального процесора на сучасних ПК такі: тип мікроархітектури (зазвичай вказується в нанометрах), тактова частота (у гігагерцях), обсяг кеш-пам'яті на кожному рівні (у мегабайтах), енергоспоживання (у ватах), а також наявність або відсутність графічного модуля.
Досліджуємо специфіку роботи деяких ключових модулів центрального процесора докладніше. Почнемо із ядра.
Ядро процесора
Центральний процесор сучасного ПК має ядро. У ньому містяться ключові функціональні блоки мікросхеми, з яких вона виконує необхідні логічні та арифметичні функції. Як правило, вони представлені у певній сукупності елементів. Так, пристрій центрального процесора найчастіше передбачає наявність блоків, які відповідають вирішення наступних завдань:
Вибірка та декодування інструкцій;
Вибірка даних;
Виконання інструкцій;
збереження результатів обчислень;
Робота із перериваннями.
Також структура мікросхем відповідного типу доповнюється керуючим блоком, пристроєм, що запам'ятовує, лічильником команд, а також набором регістрів. Розглянемо специфіку роботи відповідних компонентів докладніше.
Ядро процесора: компоненти
Серед ключових блоків в ядрі центрального процесора - той, що відповідає за зчитування інструкцій, що прописуються в адресі, зафіксованій у лічильнику команд. Як правило, протягом одного такту виконується одразу кілька операцій відповідного типу. Загальна кількість інструкцій, що підлягають зчитуванню, визначається показником блоків декодування. Головний принцип тут - щоб при кожному такті зазначені компоненти максимально завантажені. З метою забезпечення відповідності даному критерію у структурі процесора можуть бути допоміжні апаратні елементи.
У блоці декодування обробляються інструкції, що визначають алгоритм роботи мікросхеми під час вирішення тих чи інших завдань. Забезпечення їхнього функціонування — складне завдання, як вважають багато IT-фахівців. Це зумовлено, зокрема, тим, що довжина інструкції який завжди чітко визначена. Сучасні процесори зазвичай включають 2 або 4 блоки, в яких здійснюється відповідне декодування.
Щодо компонентів, відповідальних за вибірку даних — їхнє основне завдання полягає у забезпеченні прийому команд із кеш-пам'яті або ОЗУ, які необхідні для забезпечення виконання інструкцій. У ядрах сучасних процесорів зазвичай є кілька блоків відповідного типу.
Керуючі компоненти, присутні у мікросхемі, також базуються на декодованих інструкціях. Вони покликані здійснювати контроль за роботою блоків, які відповідальні виконання інструкцій, і навіть розподіляти завдання з-поміж них, контролювати своєчасне їх виконання. Керуючі компоненти відносяться до категорії найважливіших у структурі мікропроцесорів.
У ядрах мікросхем відповідного типу є також блоки, відповідальні за коректне виконання інструкцій. У структурі присутні такі елементи, як арифметичне і логічне пристрій, і навіть компонент, відповідає за обчислення з плаваючою точкою.
Є склад ядер процесорів блоки, які контролюють обробку розширення наборів, що встановлені для інструкцій. Дані алгоритми, що доповнюють основні команди, використовуються підвищення інтенсивності обробки даних, здійснення процедур шифрування чи дешифрування файлів. Вирішення подібних завдань потребує введення у структуру ядра мікросхеми додаткових регістрів, а також наборів інструкцій. Сучасні процесори включають зазвичай такі розширення: MMX (призначені для кодування аудіо- та відеофайлів), SSE (застосовуються при розпаралелювання обчислень), ATA (задіюється з метою прискорення роботи програм та зниження рівня енергоспоживання ПК), 3DNow (розширення мультимедійних можливостей комп'ютера), (шифрування даних), а також багато інших стандартів.
У структурі ядер процесора зазвичай також присутні блоки, що відповідають за збереження результатів у ОЗУ відповідно до адреси, що міститься в інструкції.
Важливе значення має компонент ядра, який контролює роботу мікросхеми із перериваннями. Ця функція дозволяє процесору забезпечувати стабільність роботи програм за умов багатозадачності.
Робота центрального процесора також пов'язана із залученням регістрів. Дані компоненти є аналогом ОЗУ, проте доступ до них здійснюється у кілька разів швидше. Обсяг відповідного ресурсу невеликий - як правило, він не перевищує кілобайт. Реєстри класифікуються на кілька різновидів. Це можуть бути компоненти загального призначення, які використовуються при виконанні арифметичних або логічних обчислень. Є регістри спеціального призначення, які можуть охоплювати системні дані, використовувані процесором під час роботи.
У структурі ядра процесора також є різні допоміжні компоненти. Які Наприклад? Це може бути датчик, який відстежує те, якою є поточна температура центрального процесора. Якщо її показники вищі за встановлені норми, то мікросхема може направити сигнал модулям, які відповідають за роботу вентиляторів — і вони почнуть обертатися швидше. Є в структурі ядра провісник переходів - компонент, який покликаний визначати, які команди будуть виконуватися після завершення певних циклів операцій, що здійснюються мікросхемою. Приклад іншого важливого компонента – лічильник команд. Даний модуль фіксує адресу відповідного алгоритму, який передається мікросхемі в момент початку виконання ним того чи іншого такту.
Така структура ядра, яке входить до центрального процесора комп'ютера. Вивчимо тепер докладніше деякі ключові характеристики мікросхеми відповідного типу. А саме: техпроцес, тактова частота, обсяг кеш-пам'яті, а також енергоспоживання.
Характеристики процесора: тип техпроцесу
Розвиток комп'ютерної техніки прийнято пов'язувати з появою принаймні вдосконалення обчислювальних технологій нових поколінь ЕОМ. При цьому, крім показників продуктивності, одним із критеріїв віднесення комп'ютера до того чи іншого покоління може вважатися його абсолютний розмір. Найперші ЕОМ були зіставні за величиною з багатоповерховим будинком. Комп'ютери другого покоління були зіставні за величиною, наприклад, з диваном чи піаніно. ЕОМ наступного рівня вже були наближені до тих, що звичні для нас зараз. У свою чергу, сучасні ПК це комп'ютери четвертого покоління.
Власне, до чого це все? Справа в тому, що в ході еволюції ЕОМ сформувалося неофіційне правило: чим технологічніше пристрій, тим меншими габаритами за тієї ж продуктивності, а то й за більшої — воно має. Воно повною мірою діє і щодо аналізованої характеристики центрального процесора, зокрема, техпроцесу його виготовлення. У цьому випадку має значення відстань між одиничними кремнієвими кристалами, що формують структуру мікросхеми. Чим вона менша — тим більша щільність відповідних елементів, які розміщує на собі плата центрального процесора. Тим паче продуктивним він, відповідно, можна вважати. Сучасні процесори виконуються за техпроцесом 90-14 нм. Цей показник має тенденцію до поступового зменшення.
Тактова частота
Тактова частота центрального процесора - один із ключових показників його продуктивності. Вона визначає те, скільки операцій на секунду може здійснювати мікросхема. Чим їх більше — тим продуктивніший процесор і комп'ютер загалом. Можна відзначити, що цей параметр характеризує, перш за все, ядро як самостійний модуль центрального процесора. Тобто якщо відповідних компонентів на мікросхемі кілька, то кожне з них працюватиме з окремою частотою. Деякі IT-фахівці вважають за допустиме підсумовувати дані характеристики по всіх ядрах. Що це означає? Якщо, наприклад, на процесорі встановлено 4 ядра з частотою 1 ГГц, то сумарний показник продуктивності ПК, якщо дотримуватися цієї методології, становитиме 4 ГГц.
Компоненти частоти
Розглянутий показник формується із двох компонентів. По-перше, це частота системної шини – вимірюється вона зазвичай у сотнях мегагерц. По-друге, це коефіцієнт, який відповідний показник множиться. У деяких випадках виробники процесорів дають користувачам можливість регулювати обидва параметри. При цьому, якщо виставити достатньо високі значення для системної шини і множника, можна відчутно збільшити продуктивність мікросхеми. Саме в такий спосіб здійснюється розгін процесора. Щоправда, його треба задіяти обережно.
Справа в тому, що при розгоні може значно збільшитись температура центрального процесора. Якщо на ПК не буде встановлено відповідної системи охолодження, це може призвести до виходу мікросхеми з ладу.
Об'єм кеш-пам'яті
Сучасні процесори оснащені модулями кеш-пам'яті. Основне їх призначення - тимчасове розміщення даних, як правило, представлених сукупністю особливих команд та алгоритмів - тих, що задіяні в роботі мікросхеми найчастіше. Що це дає практично? Насамперед те, що завантаження центрального процесора може бути зменшена за рахунок того, що самі команди та алгоритми будуть знаходитися в оперативному доступі. Мікросхема, отримавши з кеш-пам'яті готові інструкції, не витрачає час їх вироблення з нуля. У результаті робота комп'ютера йде швидше.
Головна характеристика кеш-пам'яті – обсяг. Чим він більший, тим, відповідно, місткіший даний модуль з точки зору розташування тих самих інструкцій та алгоритмів, що задіяні процесором. Тим більше ймовірність, що мікросхема щоразу знаходитиме серед них потрібні для себе і працювати швидше. Кеш-пам'ять на сучасних процесорах ділиться найчастіше на три рівні. Перший працює на базі найбільш швидких та високотехнологічних мікросхем, решта – повільніше. Обсяг кеш-пам'яті першого рівня на сучасних процесорах становить близько 128-256 КБ, другого – 1-8 МБ, третього – може перевищувати 20 МБ.
Енергоспоживання
Інший значущий параметр мікросхеми - енергоспоживання. Живлення центрального процесора може передбачати значне витрачання електроенергії. Сучасні моделі мікросхем споживають близько 40-50 Вт. У деяких випадках цей параметр має економічне значення, наприклад, якщо йдеться про оснащення великих підприємств кількома сотнями або тисячами комп'ютерів. Але не менш значущим фактором енергоспоживання виступає у частині адаптації процесорів до використання на мобільних пристроях – ноутбуках, планшетах, смартфонах. Чим відповідний показник менший, тим довше буде автономна робота девайсу.