Элементы процессора. Внутреннее строение процессора. Что такое ядро процессора

Основные устройства компьютера «живут» в системном блоке. К ним относятся: материнская плата, процессор, видеокарта, оперативная память, жесткий диск. Но за его пределами, обычно на столе, «проживают» также не менее важные устройства компьютера. Такие как: монитор, мышь, клавиатура, колонки, принтер.

В этой статье мы рассмотрим, из чего состоит компьютер , как эти устройства выглядят, какую функцию выполняют и где они находятся.

Системный блок.

В первой категории мы разберём те устройства, или их еще называют комплектующие, которые «прячутся» в системной блоке. Они наиболее важны для его работы. Кстати, сразу можете заглянуть в системник. Это не сложно. Достаточно открутить два болта сзади системного блока и отодвинуть крышку в сторону, и тогда нам откроется вид важнейших устройств компьютера, по порядку которые, мы сейчас рассмотрим.

Материнская плата – это печатная плата, которая предназначена для подключения основных комплектующих компьютера. Часть из них, например, процессор или видеокарта устанавливается непосредственно на саму материнскую плату в предназначенный для этого разъем. А другая часть комплектующих, к примеру, жесткий диск или блок питания, подключается к материнской плате с помощью специальных кабелей.

Процессор – это микросхема и одновременно «мозг» компьютера. Почему? Потому что он отвечает за выполнение всех операций. Чем лучше процессор тем быстрее он будет выполнять эти самые операции, соответственно компьютер будет работать быстрее. Процессор конечно влияет на скорость работы компьютера, и даже очень сильно, но от вашего жесткого диска, видеокарты и оперативной памяти также будет зависеть скорость работы ПК. Так что самый мощный процессор не гарантирует большую скорость работы компьютера, если остальные комплектующие уже давно устарели.

3. Видеокарта.

Видеокарта или по-другому графический плата, предназначена для вывода картинки на экран монитора. Она также устанавливается в материнскую плату, в специальный разъем PSI-Express. Реже видеокарта может быть встроена в саму материнку, но её мощности чаще всего хватает только для офисных приложений и работы в интернете.

Оперативная память – это такая прямоугольная планка, похожа на картридж от старых игровых приставок. Она предназначена для временного хранения данных. К примеру, она хранит буфер обмена. Копировали мы какой-то текст на сайте, и тут же он попал в оперативку. Информация о запущенных программах, спящий режим компьютера и другие временные данные хранятся в оперативной памяти. Особенностью оперативки является то, что данные из неё после выключения компьютера полностью удаляются.

Жесткий диск, в отличие от оперативной памяти, предназначен для длительного хранения файлов. По-другому его называют винчестер. Он хранит данные на специальных пластинах. Также в последнее время распространились SSD диски.

К их особенности можно отнести высокую скорость работы, но тут же есть сразу минус – они дорого стоят. SSD диск на 64 гигабайта обойдется вам в цене также как винчестер на 750 гигабайт. Представляете сколько будет стоить SSD на несколько сотен гигабайт. Во, во! Но не стоит расстраиваться, можно купить SSD диск на 64 ГБ и использовать его в виде системного диска, то есть установить на него Windows. Говорят, что скорость работы увеличивается в несколько раз. Система стартует очень быстро, программы летают. Я планирую перейти на SSD, а обычные файлы хранить на традиционном жестком диске.

Дисковод нужен для работы с дисками. Хоть уже и гораздо реже используется, все-же на стационарных компьютерах он пока что не помешает. Как минимум дисковод пригодится для установки системы.

6. Системы охлаждения.

Система охлаждения – это вентиляторы, которые охлаждают комплектующие. Обычно установлено три и более кулеров. Обязательно один на процессоре, один на видеокарте, и один на блоке питания, а далее уже по желанию. Если будет что-то тепленьким, то желательно охлаждать. Устанавливаются также вентиляторы на жесткие диски и в самом корпусе. Если кулер в корпусе установлен на передней панели, то он забирает тепло, а кулеры установленные на заднем отсеке подают в системних холодный воздух.

Звуковая карта выводит звук на колонки. Обычно она встроена в материнскую плату. Но бывает, что она либо ломается, и поэтому покупается отдельно, либо же изначально качество стандартной владельца ПК не устраивает и он покупает другую звуковуху. В общем звуковая карта также имеет право быть в этом списке устройств для ПК.

Блок питания нужен для того, чтобы все вышеописанные устройства компьютера заработали. Он обеспечивает все комплектующие необходимым количеством электроэнергии.

8. Корпус

А чтобы материнскую плату, процессор, видеокарту, оперативную память, жесткий диск, дисковод, звуковую карту, блок питания и возможно какие-то дополнительные комплектующие было куда-то засунуть, нам понадобится корпус. Там все это аккуратно устанавливается, закручивается, подключается и начинает ежедневную жизнь, от включения до выключения. В корпусе поддерживается необходимая температура, и все защищено от повреждений.

В итоге мы получаем полноценный системный блок, со всеми важнейшими устройствами компьютера, которые нужны для его работы.

Периферийные устройства.

Ну а чтобы полноценно начать работать на компьютере, а не смотреть на «жужжащий» системный блок, нам понадобятся Периферийные устройства. К ним относятся те компоненты компьютера, которые за пределами системника.

Монитор само собой нужен, чтобы видеть то, с чем мы работаем. Видеокарта подает изображение на монитор. Между собой они подключены кабелем VGA или HDMI.

Клавиатура предназначена для ввода информации, ну само собой какая работа без полноценной клавиатуры. Текст напечатать, в игры поиграть, в интернете посидеть и везде нужна клавиатура.

3. Мышь.

Мышь нужна чтобы управлять курсором на экране. Водить его в разные стороны, кликать, открывать файлы и папки, вызывать различные функции и много другое. Также, как и без клавиатуры, без мыши никуда.

4. Колонки.

Колонки нужны в основном чтобы слушать музыку, смотреть фильмы и играть в игры. Кто еще сегодня использует колонки больше, чем ежедневно их воспроизводят обычные пользователи в этих задачах.

Принтер и сканер нужен чтобы печатать и сканировать документы и всё, всё необходимое в области печатанья. Или МФУ, многофункциональное устройство. Пригодится всем тем, кто часто что-то печатает, сканирует, делает ксерокопии и совершает много других задач с этим устройством.

В этой статье мы лишь кратко рассмотрели основные устройства компьютера , а в других, ссылки на которые вы видите ниже, мы подробно рассмотрим все наиболее популярные периферийные устройства, а также компоненты, которые входят в состав системного блока, то есть комплектующие.

Приятного чтения!

Речь идет о модели Intel 4004. Мощным он не был и умел выполнять только действия сложения и вычитания. Одновременно он мог обрабатывать всего четыре бита информации (то есть был 4-битным). Но для своего времени его появление стало значительным событием. Ведь весь процессор поместился в одном чипе. До появления Intel 4004, компьютеры базировались на целом наборе чипов или дискретных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 лег в основу одного из первых портативных калькуляторов.

Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал представленный в 1974 году Intel 8080. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера помещалась в одном чипе. Но по-настоящему большое значение имел анонс процессора Intel 8088. Он появился в 1979 году и с 1981 года стал использоваться в первых массовых персональных компьютерах IBM PC.

Далее процессоры начали развиваться и обрастать мощью. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной индустрии, помнит, что на смену 8088 пришли 80286. Затем настал черед 80386, за которым следовали 80486. Потом были несколько поколений «Пентиумов»: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все это «интеловские» процессоры, основанные на базовой конструкции 8088. Они обладали обратной совместимостью. Это значит, что Pentium 4 мог обработать любой фрагмент кода для 8088, но делал это со скоростью, возросшей примерно в пять тысяч раз. С тех пор прошло не так много лет, но успели смениться еще несколько поколений микропроцессоров.

С 2004 года Intel начала предлагать многоядерные процессоры. Число используемых в них транзисторов возросло на миллионы. Но даже сейчас процессор подчиняется тем общим правилам, которые были созданы для ранних чипов. В таблице отражена история микропроцессоров Intel до 2004 года (включительно). Мы сделаем некоторые пояснения к тому, что означают отраженные в ней показатели:

Name (Название). Модель процессора
Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)

Существует непосредственная связь между тактовой частотой, а также количеством транзисторов и числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Например, тактовая частота процессора 8088 достигала 5 МГЦ, а производительность: всего 0,33 миллиона операций в секунду. То есть на выполнение одной инструкции требовалось порядка 15 тактов процессора. В 2004 году процессоры уже могли выполнять по две инструкции за один такт. Это улучшение было обеспечено увеличением количества процессоров в чипе.

Чип также называют интегральной микросхемой (или просто микросхемой). Чаще всего это маленькая и тонкая кремниевая пластинка, в которую «впечатаны» транзисторы. Чип, сторона которого достигает двух с половиной сантиметров, может содержать десятки миллионов транзисторов. Простейшие процессоры могут быть квадратиками со стороной всего в несколько миллиметров. И этого размера достаточно для нескольких тысяч транзисторов.

Логика микропроцессора

Чтобы понять, как работает микропроцессор, следует изучить логику, на которой он основан, а также познакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессора.

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

«Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
«Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
«Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
«Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
«Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
«Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
«Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
«Счетчику команд обнулиться»
«Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
«Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
«Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
«Активировать RD (канал чтения)»
«Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Память микропроцессора

Знакомство с , касающимися компьютерной памяти и ее иерархии помогут лучше понять содержание этого раздела.

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Рассмотрим работу микропроцессора на конкретном примере выполнения им простой программы, которая вычисляет факториал от числа «5». Сначала решим эту задачку «в тетради»:

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

A=1;f=1;while (a

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

LOADA — 1
LOADB — 2
CONB — 3
SAVEB — 4
SAVEC mem — 5
ADD — 6
SUB — 7
MUL — 8
DIV — 9
COM — 10
JUMP addr — 11
JEQ addr — 12
JNEQ addr — 13
JG addr — 14
JGE addr — 15
JL addr — 16
JLE addr — 17
STOP — 18

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Разговор о декодировании придется начать c рассмотрения филологических вопросов. Увы, далеко не все компьютерные термины имеют однозначные соответствия в русском языке. Перевод терминологии зачастую шел стихийно, а поэтому один и тот же английский термин может переводиться на русский несколькими вариантами. Так и случилось с важнейшей составляющей микропроцессорной логики «instruction decoder». Компьютерные специалисты называют его и дешифратором команд и декодером инструкций. Ни одно из этих вариантов названия невозможно назвать ни более, ни менее «правильным», чем другое.

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Количество транзисторов в процессоре является важным фактором, влияющим на его производительность. Как было показано ранее, в процессоре 8088 на выполнение одной инструкции требовалось 15 циклов тактовой частоты. А чтобы выполнить одну 16-битную операцию, уходило и вовсе порядка 80 циклов. Так был устроен умножитель АЛУ этого процессора. Чем больше транзисторов и чем мощнее умножитель АЛУ, тем больше всего успевает сделать процессор за один свой такт.

Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

64-битные процессоры

Хотя массовое распространение 64-битные процессоры получили лишь несколько лет назад, они существуют уже сравнительно давно: с 1992 года. И Intel, и AMD предлагают в настоящее время такие процессоры. 64-битным можно считать такой процессор, который обладает 64-битным арифметико-логическим устройством (АЛУ), 64-битными регистрами и 64-битными шинами.

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

Но далеко не все пользователи ощутят преимущества 64-битной архитектуры. Она необходима, прежде всего, тем, кто занимается редактированием видео и фотографий, а также работает с различными большими картинками. 64-битные компьютеры по достоинству оценены ценителями компьютерных игр. Но те пользователи, которые с помощью компьютера просто общаются в социальных сетях и бродят по веб-просторам да редактируют текстовые файлы никаких преимуществ этих процессоров, скорее всего, просто не почувствуют.

По материалам computer.howstuffworks.com

Здравствуйте, уважаемые читатели! Буквально каждый уверенный пользователь ПК или обладатель ноутбука не раз задавался вопросом, как устроен процессор внутри? Наверное, многие удивятся, узнав, что в основе строения любого «камня» персонального компьютера или же ноутбука преобладают настоящие камни и горные породы.

Сегодня мы попробуем разобраться, как выглядит строение современного процессора и благодаря чему работает главный элемент любого компьютера.

Из чего состоит современный микропроцессор?

Структура процессора сегодня представлена следующими основными элементами:

Собственно, . Наиболее важная деталь, сердце устройства, которая называется также кристаллом или камнем современного микропроцессора. От характеристик и новизны ядра напрямую зависит разгон и оперативность работы микропроцессора.
Кэш‐память является небольшим, но очень информации, расположенным прямо внутри процессора. Используется микропроцессором в целях значительного уменьшения времени доступа к основной памяти компьютера.
Специальный сопроцессор, благодаря которому и производятся сложные операции. Такой сопроцессор в значительной мере расширяет функциональные возможности любого современного микропроцессора и является его неотъемлемой составляющей. Встречаются ситуации, когда сопроцессор является отдельной микросхемой, однако, в большинстве случаев, он встроен непосредственно в компьютерный микропроцессор.

Путем буквального разбора компьютерного процессора мы сможем увидеть следующие элементы строения, представленные на схеме:

Верхняя металлическая крышка используется не только для защиты «камня» от механических повреждений, но также для отвода тепла.
Непосредственно, кристалл или камень и дорогостоящей деталью любого компьютерного микропроцессора.Чем сложнее и совершеннее такой камень, тем быстродействующей является работа «мозга» любого компьютера.
Специальная подложка с контактами на обратной стороне завершает конструкцию микропроцессора, как представлено на картинке. Именно благодаря такой конструкции тыльной стороны и происходит внешнее взаимодействие с центральным «камнем», непосредственно оказывать влияние на сам кристалл невозможно. Скрепление всего строения осуществляется с помощью специального клея‐герметика.

Как это все работает?

Логика работы любого процессора строится на том, что все данные компьютера хранятся в битах, специальных ячейках информации, представленных 0 или 1. Попробуем разобраться, что происходит, как из этих нулей и единиц на экран перед нами предстают красочные фильмы и захватывающие компьютерные игры?

Прежде всего, необходимо уяснить, что имея дело с электроникой, мы получаем любую информацию в виде напряжения. Выше определенного значения мы получаем единицу, ниже – ноль. К примеру, включенный в комнате свет – это единица, выключенный – ноль. Дальнейшая иерархия, благодаря которой получаются более сложные элементы – это байт, состоящий из восьми битов. Благодаря этим самым байтам речь может идти не только о включенном или выключенном свете в помещении, но и о его яркости, оттенке цвета и так далее.

Напряжение проходит через память и передает данные процессору, который использует, в первую очередь, собственную кэш‐память как наиболее оперативную, однако, небольшую ячейку. Через специальный блок управления данные обрабатываются и распределяются по дальнейшему пути.

Процессор использует байты и целые последовательности из них, что, в свою очередь, называется программой. Именно программы, обрабатываемые процессором, заставляют компьютер выполнить то или иное действие: воспроизвести видео, запустить игру, включить музыку и так далее.

Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров

Речь, конечно же, пойдет о Intel и AMD. Основным отличием в принципах работы данных компаний является подход к производству новых компьютерных микропроцессоров.
В то время, как Intel попеременно внедряет новые технологии наряду с небольшими изменениями, AMD делает крупные шаги в производстве с определенной периодичностью. Выше на фото представлены модели упомянутых компаний с отличительным внешним видом.

Лидерские позиции, в подавляющем большинстве случаев, удерживает все‐таки Intel. «Камни» от AMD, хотя и уступают процессорам от Intel по производительности, нередко выигрывают у них в плане ценовой доступности. О том, какую компанию лучше выбрать можете почитать в .

Что выбирать каждый решает сам. Сегодня мы попытались разобраться во внутреннем устройстве любого современного микропроцессора и основных принципах его работы. Не забывайте на обновления блога и делиться интересными статьями со своими друзьями в социальных сетях! Всего доброго, друзья!

Сегодня в домах подавляющего большинства жителей развитых стран есть по несколько компьютеров, а также планшетов и других мобильных устройств. «Сердцем» любого из них является процессор (ЦП или CPU). Он имеет сложное строение. Чтобы понять, как работает ПК, следует узнать, что входит в состав процессора.

Назначение и функции

Прежде чем изучать устройства, входящие в состав процессора, следует узнать, для чего он предназначен. Итак, процессор — центральное устройство ПК. Его назначение — это:

управлять работой ЭВМ, следуя заданной программе;
выполнять операции обработки информации.

Устройства, входящие в состав процессора

На данный момент ЦП представляет собой специальную интегральную микросхему.

Устройства, входящие в состав процессора, - это:

регистр;
кэш-память;
шины данных и адресов;
АЛУ (арифметико-логическое устройство);
математический сопроцессор.

Регистр

Это блок ячеек памяти, которые образуют сверхбыструю оперативную память внутри ЦП. Он используется им самим и недоступен программистам. Объем памяти составляет всего несколько сотен байт.

Регистры ЦП делятся на 2 типа: общего назначения и специальные.

Регистры 1-го типа используются, когда выполняются и арифметического типа или операции таких дополнительных наборов инструкций, как SSE, MMX и пр.

В регистрах второго типа содержатся системные данные, требующиеся для работы процессора. К ним относятся регистры управления, системных адресов, отладки и пр. Доступ к ним жестко регламентирован.

Кроме того, к таким устройствам относится счетчик команд, содержащий адрес команды, к выполнению которой ЦП приступит на следующем такте работы.

Кэш-память

Устройства, входящие в состав процессора, достаточно разнообразны. К ним относится и кэш. Он представляет собой сверхоперативную память. Цель ее использования — ускорить работу ПК. Для этого при доступе ЦП в память прежде всего производится проверка, хранятся ли в кэш запрашиваемые данные. С этой целью сравнивают адрес поступившего запроса со значениями всех тегов кэша, где могут храниться эти данные. Совпадения кэш-линии с тегом называется попаданием (cache hit). В обратном же случае фиксируется кэш-промах. Cache hit позволяет процессору незамедлительно произвести чтение либо осуществить запись данных в линии с совпавшим тегом. Мерой эффективности cache для выбранного алгоритма (программы) является отношение числа удавшихся обращений к кэшу к общему количеству запросов процессора к памяти, называемое рейтингом попаданий.

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.

Шины данных и адресов

Эти устройства, входящие в состав процессора, представляют собой набор проводников. Первое из них предназначено для передачи адреса ячейки памяти, в которую пересылаются данные. По каждому из них передается 1 бит. Он соответствует 1 цифре в адресе. Увеличение числа проводников, используемых для формирования адреса, дает возможность маркировать большее количество ячеек. Разрядностью шины определяется максимальный объем памяти, который может быть адресуем процессором.

Если шину данных сравнить с автострадой и считать ее разрядность с количеством полос движения, тогда шина адреса ассоциируется с нумерацией улиц или домов. Число ее линий равно количеству цифр (знаков) в номере дома. Таким образом, если на конкретной улице номера домов состоят более чем из 2 десятичных цифр, то число расположенных на ней домов не может превышать 100 (т. е. 102). При 3-значных номерах число возможных адресов увеличивается до 103.

Шины адреса и данных являются независимыми, и разработчики микросхем сами выбирают их разрядность по своему усмотрению. В то же время чем в шине данных больше разрядов, тем их больше и в шине адреса. Их разрядность — показатель возможностей конкретного процессора. В частности, в шине данных ею определяется способность процессора в вопросе обмена информацией, а разрядность шины адреса указывает на объем памяти, с которым у нее есть возможность работать.

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.

Другие устройства ПК

Персональный компьютер — это сложнейшая и слаженно работающая система.

Все возможные устройства, входящие в состав компьютера, перечислить в двух словах невозможно.

Кроме процессора, ПК включает в себя также:

материнскую плату с разъемом подключения ЦП;
накопители на жестком и ;
блок питания;
оперативную память;
накопители на компакт- и dvd-дисках;
разъемы (порты) для дополнительных устройств и пр.

Кроме того, используются различные периферические устройства, такие как:

компьютерная мышь;
клавиатура;
микрофон;
динамики и пр.

Теперь вы знаете, что все возможные устройства, входящие в состав компьютера, — это части сложной системы, управляемой процессором. Его роль трудно переоценить, так как от его нормального функционирования зависит работа ПК. На данный момент специалисты прогнозируют, что в ближайшие десятилетия материальная часть процессоров претерпит существенные изменения. Это связано с тем, что устареет, на смену привычным ПК придут квантовые, биологические и пр. компьютеры.

Описание и назначение процессоров

Определение 1

Центральный процессор (ЦП) – основной компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет процессом вычислений и координирует работу всех устройств ПК.

Чем мощнее процессор, тем выше быстродействие ПК.

Замечание

Центральный процессор часто называют просто процессором, ЦПУ (Центральное Процессорное Устройство) или CPU (Central Processing Unit), реже – кристаллом, камнем, хост-процессором.

Современные процессоры являются микропроцессорами.

Микропроцессор имеет вид интегральной схемы – тонкой пластинки из кристаллического кремния прямоугольной формы площадью в несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы с миллиардами транзисторов и каналов для прохождения сигналов. Кристалл-пластинка помещен в пластмассовый или керамический корпус и соединен золотыми проводками с металлическими штырьками для подсоединения к системной плате ПК.

Рисунок 1. Микропроцессор Intel 4004 (1971 г.)

Рисунок 2. Микропроцессор Intel Pentium IV (2001 г.). Слева – вид сверху, справа – вид снизу

ЦП предназначен для автоматического выполнения программы.

Устройство процессора

Основными компонентами ЦП являются:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основные математические и логические операции;
управляющее устройство (УУ), от которого зависит согласованность работы компонентов ЦП и его связь с другими устройствами;
шины данных и адресные шины ;
регистры , в которых временно хранится текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результаты вычислений АЛУ);
счетчики команд ;
кэш-память хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш-память гораздо быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем она больше, тем выше быстродействие ЦП.

Рисунок 3. Упрощенная схема процессора

Принципы работы процессора

ЦП работает под управлением программы, которая находится в оперативной памяти.

АЛУ получает данные и выполняет указанную операцию, записывая результат в один из свободных регистров.

Текущая команда находится в специальном регистре команд. При работе с текущей командой значение так называемого счетчика команд увеличивается, который затем указывает на следующую команду (исключением может быть только команда перехода).

Команда состоит из записи операции (которую нужно выполнить), адресов ячеек исходных данных и результата. По указанным в команде адресам берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала помещается в регистр, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.

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 память ю) 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.

Типы процессоров

Основной компанией, выпускающей ЦП для ПК, является компания Intel. Первым процессором для ПК был процессор $8086$. Следующей моделью была $80286$, далее $80386$, со временем цифру $80$ стали опускать и ЦП стали называть тремя цифрами: $286$, $386$ и т.д. Поколение процессоров часто называют семейством $x86$. Выпускаются и другие модели процессоров, например, семейства Alpha, Power PC и др. Компаниями-производителями ЦП также являются AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments.

В названии процессора часто можно встретить символы $X2$, $X3$, $X4$, что означает количество ядер. Например в названии Phenom $X3$ $8600$ символы $X3$ указывают на наличие трех ядер.

Итак, основными типами ЦП являются $8086$, $80286$, $80386$, $80486$, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III и Pentium IV. Celeron является урезанным вариантом процессора Pentium. После названия обычно указывается тактовая частота ЦП. Например, Celeron $450$ обозначает тип ЦП Celeron и его тактовую частоту – $450$ МГц.

Процессор нужно устанавливать на материнскую плату с соответствующей процессору частотой системной шины.

В последних моделях ЦП реализован механизм защиты от перегрева, т.е. ЦП при повышении температуры выше критической переходит на пониженную тактовую частоту, при которой потребляется меньше электроэнергии.

Определение 2

Если в вычислительной системе несколько параллельно работающих процессоров, то такие системы называются многопроцессорными .