Влаштування сучасного процесора комп'ютера

Сучасні процесори мають форму невеликого прямокутника, представленого у вигляді пластини з кремнію. Сама пластина захищена спеціальним корпусом із пластмаси або кераміки. Під захистом знаходяться всі основні схеми, завдяки їм здійснюється повноцінна робота ЦП. Якщо із зовнішнім виглядом все дуже просто, то, що стосується самої схеми і того, як влаштований процесор? Давайте розберемо це докладніше.

До складу ЦП входить невелика кількість різних елементів. Кожен з них виконує свою дію, відбувається передача даних та управління. Звичайні користувачі звикли відрізняти процесори за тактовою частотою, кількістю кеш-пам'яті і ядрам. Але це далеко не все, що забезпечує надійну та швидку роботу. Варто приділити окрему увагу кожному компоненту.

Архітектура

Внутрішня конструкція ЦП часто відрізняється один від одного, кожному сімейству властивий свій набір властивостей та функцій – це називається його архітектурою. Приклад конструкції процесора можна спостерігати на зображенні нижче.

Але багато хто під архітектурою процесора звикли розуміти трохи інше значення. Якщо розглядати її з погляду програмування, вона визначається по можливості виконувати певний набір кодів. Якщо ви купуєте сучасний CPU, то, швидше за все, він відноситься до архітектури x86.

Ядра

Основна частина CPU називається ядром, у ньому містяться всі необхідні блоки, а також відбувається виконання логічних та арифметичних завдань. Якщо ви подивіться на малюнок нижче, то зможете розібрати, як виглядає кожен функціональний блок ядра:

1. Модуль вибірки вказівок.Тут здійснюється розпізнавання інструкцій за адресою, що позначається у лічильнику команд. Число одночасного зчитування команд залежить від кількості встановлених блоків розшифровки, що допомагає навантажити кожен такт роботи найбільшою кількістю інструкцій.
2. Провісник переходіввідповідає за оптимальну роботу блоку вибірки інструкцій. Він визначає послідовність виконуваних команд, навантажуючи конвеєр ядра.
3. Модуль декодування.Ця частина ядра відповідає визначення деяких процесів до виконання завдань. Саме завдання декодування дуже складне через непостійний розмір інструкції. У найновіших процесорах таких блоків зустрічається дещо в одному ядрі.
4. Модулі вибірки даних.Вони беруть інформацію з оперативної чи кеш-пам'яті. Здійснюють вони саме вибірку даних, яка необхідна для виконання інструкції.
5. Керуючий блок.Сама назва вже говорить про важливість даного компонента. У ядрі він є найголовнішим елементом, оскільки здійснює розподіл енергії між усіма блоками, допомагаючи виконувати кожну дію вчасно.
6. Модуль збереження результатів.Призначений для запису після закінчення обробки інструкції у RAM. Адреса збереження вказується в завдання, що виконується.
7. Елемент роботи із перериваннями.ЦП здатний виконувати відразу кілька завдань завдяки функції переривання, це дозволяє йому зупиняти хід однієї програми, перемикаючись на іншу інструкцію.
8. Реєстри.Тут зберігаються тимчасові результати інструкцій, цей компонент можна назвати невеликою швидкою пам'яттю. Часто її обсяг вбирається у кілька сотень байт.
9. Лічильник команд.Він зберігає адресу команди, яка буде задіяна на наступному такті процесора.

Системна шина

По системній шині CPU з'єднуються пристрої, що входять до складу ПК. До неї безпосередньо підключений лише він, інші елементи приєднуються через різноманітні контролери. У самій шині є безліч сигнальних ліній, якими відбувається передача інформації. Кожна лінія має свій власний протокол, що забезпечує зв'язок контролерів з іншими підключеними компонентами комп'ютера. Шина має свою частоту, відповідно, що вона вище, тим швидше відбувається обмін інформацією між сполучними елементами системи.

Кеш-пам'ять

Швидкодія ЦП залежить від можливості максимально швидко вибирати команди і дані з пам'яті. За рахунок кеш-пам'яті скорочується час виконання операцій завдяки тому, що вона відіграє роль тимчасового буфера, що забезпечує миттєву передачу даних CPU до оперативної пам'яті або навпаки.

Основною характеристикою кеш-пам'яті є її відмінність за рівнями. Якщо він високий, то пам'ять більш повільна і об'ємна. Найшвидшою і найменшою вважається пам'ять першого рівня. Принцип функціонування даного елемента дуже простий – CPU зчитує з ОЗУ дані та заносить їх у кеш будь-якого рівня, видаляючи при цьому інформацію, до якої зверталися давно. Якщо процесору потрібна буде ця інформація ще раз, він отримає її швидше завдяки тимчасовому буферу.

Сокет (роз'єм)

Завдяки тому, що процесор має власний роз'єм (гніздовий або щілинний), ви можете легко замінити його при поломці або модернізувати комп'ютер. Без наявності сокету ЦП просто впаювався б у материнську плату, ускладнюючи подальший ремонт або заміну. Варто звернути увагу – кожен роз'єм призначений виключно для встановлення певних процесорів.

Часто користувачі з неуважності купують несумісні процесор та материнську плату, через що виникають додаткові проблеми.