Центральний процесор і його пристрій

Процесор — головна мікросхема комп'ютера. Як правило, вона також є одним з найбільш високотехнологічних і дорогих компонентів ПК. Незважаючи на те, що процесор — окремий пристрій, він має у своїй структурі велику кількість компонентів, які відповідають за конкретну функцію. Яка їхня специфіка?

Процесор: функції пристрою і історія появи

Компонент ПК, який зараз прийнято називати центральним процесором, характеризується досить цікавою історією походження. Тому, для того щоб зрозуміти його специфіку, корисно буде досліджувати деякі ключові факти про еволюцію його розробки. Пристрій, який сучасному користувачеві відомо як центральний процесор, є результатом багаторічного вдосконалення технологій виробництва обчислювальних мікросхем. З часом змінювалося бачення інженерами структури процесора. В ЕОМ першого і другого покоління відповідні компоненти складалися з великої кількості окремих блоків, дуже схожі за завданнями. Починаючи з третього покоління комп'ютерів функції процесора почали розглядатися в більш вузькому 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 об'єднуватися в одному пристрої.

Мікропроцесори

По мірі розвитку комп'ютерної техніки у структуру ПК стали впроваджуватися девайси, які отримали назву «мікропроцесор». Одним з перших пристроїв такого типу стало виріб Intel 4004 випущене американською корпорацією в 1971 році. Мікропроцесори в масштабі однієї мікросхеми поєднали у своїй структурі ті функції, що ми визначили вище. Сучасні девайси, в принципі, працюють на основі тієї ж самої концепції. Таким чином, центральний процесор ноутбука, комп'ютера, планшета містить у своїй структурі: логічний пристрій, регістри, а також модуль управління, що відповідають за конкретні функції. Однак на практиці компоненти сучасних мікросхем найчастіше представлені у більш складної сукупності. Вивчимо цю особливість докладніше.

Структура сучасних процесорів

Центральний процесор сучасного ПК, ноутбука або планшета представлений ядром — тепер вже нормою вважається, що їх кілька, кеш-пам'яттю на різних рівнях, а також контролерами: ОПЕРАТИВНОЇ пам'яті, системної шини. Продуктивність мікросхеми відповідного типу визначається її ключовими характеристиками. В якій сукупності вони можуть бути представлені? Найбільш значущі характеристики центрального процесора на сучасних ПК такі: тип мікроархітектури (зазвичай вказується в нанометрах), тактову частоту (у гігагерцах), об'єм кеш-пам'яті на кожному рівні (в мегабайтах), потребл. потужність (у ватах), а також наявність або відсутність графічного модуля. Вивчимо специфіку роботи деяких ключових модулів центрального процесора докладніше. Почнемо з ядра.

Ядро процесора

Центральний процесор сучасного ПК завжди має ядро. У ньому містяться ключові функціональні блоки мікросхеми, за допомогою яких вона виконує необхідні логічні і арифметичні функції. Як правило, вони представлені в деякій сукупності елементів. Так, пристрій центрального процесора найчастіше припускає наявність блоків, які відповідають за вирішення наступних завдань: - вибірка і декодування інструкцій; - вибірка даних; - виконання інструкцій; - збереження результатів обчислень; - робота з перериваннями. Також структура мікросхем відповідного типу доповнюється керуючим блоком, запам'ятовуючим пристроєм, лічильником команд, а також набором регістрів. Розглянемо специфіку роботи відповідних компонентів докладніше.

Ядро процесора: компоненти

У числі ключових блоків в ядрі центрального процесора — той, що відповідає за зчитування інструкцій, які прописуються в адресі, зафіксованому в лічильнику команд. Як правило, протягом одного такту виконується відразу кілька операцій відповідного типу. Загальна кількість інструкцій, що підлягають зчитування, зумовлюється показником в блоках декодування. Головний принцип тут — щоб при кожному такті зазначені компоненти були максимально завантажені. З метою забезпечення відповідності даним критерієм у структурі процесора можуть бути присутніми допоміжні апаратні елементи. У блоці декодування опрацьовуються інструкції, що визначають алгоритм роботи мікросхеми в ході вирішення тих чи інших завдань. Забезпечення їх функціонування — складне завдання, як вважають багато IT-фахівці. Це обумовлено, зокрема, тим, що довжина інструкції не завжди чітко визначена. Сучасні процесори зазвичай включають 2 або 4 блоки, в яких здійснюється відповідне декодування. Щодо компонентів, що відповідають за вибірку даних — їх основне завдання полягає у забезпеченні прийому команд з кеш-пам'яті або ОПЕРАТИВНОЇ пам'яті, які необхідні для забезпечення виконання інструкцій. В ядрах сучасних процесорів зазвичай присутні кілька блоків відповідного типу. Керуючі компоненти, присутні в мікросхемі, також базуються на декодованих інструкціях. Вони покликані здійснювати контроль над роботою блоків, які відповідальні за виконання інструкцій, а також розподіляти завдання між ними, контролювати своєчасне їх виконання. Керуючі компоненти відносяться до категорії найважливіших в структурі мікропроцесорів. В ядрах мікросхем відповідного типу присутні також блоки, що відповідають за коректне виконання інструкцій. В їх структурі присутні такі елементи, як арифметичний і логічний пристрій, а також компонент, що відповідає за обчислення з плаваючою крапкою. Є у складі ядер процесорів блоки, які контролюють обробку розширення наборів, що встановлені для інструкцій. Дані алгоритми, що доповнюють основні команди, що використовуються для підвищення інтенсивності обробки даних, здійснення процедур шифрування або дешифрування файлів. Рішення подібних завдань вимагає введення в структуру ядра мікросхеми додаткових регістрів, а також наборів інструкцій. Сучасні процесори включають такі розширення: MMX (призначені для кодування аудіо - і відеофайлів), SSE (застосовуються при розпаралелюванні обчислень), ATA (задіюється з метою прискорення роботи програм і зниження рівня енергоспоживання ПК), 3DNow (розширення мультимедійних можливостей комп'ютера), AES шифрування даних), а також багато інші стандарти. У структурі ядер процесора зазвичай також присутні блоки, що відповідають за збереження результатів в ПАМ'ЯТІ у відповідності з адресою, який міститься в інструкції. Важливе значення має компонент ядра, який контролює роботу мікросхеми з перериваннями. Дана функція дозволяє процесору забезпечувати стабільність роботи програм в умовах багатозадачності. Робота центрального процесора також пов'язана з використанням регістрів. Дані компоненти є аналогом ОЗУ, однак доступ до них здійснюється в кілька разів швидше. Обсяг відповідного ресурсу невеликий — як правило, він не перевищує кілобайта. Регістри класифікуються на декілька різновидів. Це можуть бути компоненти загального призначення, які використовуються при виконанні арифметичних або логічних обчислень. Є регістри спеціального призначення, які можуть включати системні дані, які використовуються процесором в ході роботи. У структурі ядра процесора також присутні різні допоміжні компоненти. Які, наприклад? Це може бути датчик, що відслідковує те, яка поточна температура центрального процесора. Якщо її показники вище встановлених норм, то мікросхема може направити сигнал модулів, що відповідають за роботу вентиляторів — і вони почнуть обертатися швидше. Є в структурі ядра провісник переходів — компонент, який покликаний визначати, які саме команди будуть виконуватися після завершення певних циклів операцій, що здійснюються мікросхемою. Приклад іншого важливого компоненту — 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 в центральний процесор комп'ютера. Розглянемо тепер докладніше деякі ключові характеристики мікросхем відповідного типу. А саме: техпроцес, тактова частота, об'єм кеш-пам'яті, а також енергоспоживання.

Характеристики процесора: тип техпроцесу

Розвиток комп'ютерної техніки прийнято пов'язувати з появою у міру вдосконалення обчислювальних технологій нових поколінь ЕОМ. При цьому, не рахуючи показників продуктивності, одним з критеріїв віднесення комп'ютера до того чи іншого покоління може вважатися його абсолютний розмір. Перші ЕОМ були співставні за розмірами з багатоповерховим будинком. Комп'ютери другого покоління були співставні за величиною, наприклад, з диваном або піаніно. ЕОМ наступного рівня вже були впритул наближені до тих, що звичні для нас зараз. У свою чергу, сучасні ПК — це комп'ютери четвертого покоління. Власне, до чого все це? Справа в тому, що в ході еволюції ЕОМ сформувалося неофіційне правило: чим більш технологічно пристрій, тим меншими габаритами при тій же продуктивності, а то і при більшій — воно має. Воно повною мірою діє і стосовно розглянутої характеристики центрального процесора, а саме, процесу його виготовлення. В даному випадку має значення відстань між поодинокими кремнієвими кристалами, що формують структуру мікросхеми. Чим воно менше, тим більше щільність відповідних елементів, які розміщує на собі плата центрального процесора. Тим більш продуктивним він, відповідно, може вважатися. Сучасні процесори виконуються по техпроцесу 90-14 нм. Даний показник має тенденцію до поступового зменшення.

Тактова частота

Тактова частота центрального процесора — один з ключових показників його продуктивності. Вона визначає те, скільки операцій у секунду може здійснювати мікросхема. Чим їх більше — тим більш продуктивний процесор і комп'ютер у цілому. Можна відзначити, що цей параметр характеризує, насамперед, ядро як самостійний модуль центрального процесора. Тобто, якщо відповідних компонентів на мікросхемі кілька, то кожне з них буде працювати з окремою частотою. Деякі IT-фахівці вважають допустимим підсумувати дані характеристики по всіх ядер. Що це означає? Якщо, наприклад, на процесорі встановлено 4 ядра з частотою 1 ГГц, то сумарний показник продуктивності ПК, якщо слідувати цій методології, буде складати 4 ГГц.

Компоненти частоти

Розглянутий показник формується з двох компонентів. По-перше, це частота системної шини — вимірюється вона звичайно в сотні мегагерц. По-друге, це коефіцієнт, на який відповідний показник множиться. У деяких випадках виробники процесорів дають користувачам можливість регулювати обидва параметра. При цьому, якщо виставити в достатній мірі високі значення для системної шини і множник можна відчутно збільшити продуктивність мікросхеми. Саме таким чином здійснюється розгін процесора. Правда, його задіяти потрібно обережно. Справа в тому, що при розгоні може значно збільшитися температура центрального процесора. Якщо на ПК не буде встановлено відповідної системи охолодження, то 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 і алгоритмів — тих, що задіяні в роботі мікросхеми найбільш часто. Що це дає на практиці? Насамперед те, що завантаження центрального процесора може бути зменшена за рахунок того, що ті самі команди і алгоритми будуть знаходитися в оперативному доступі. Мікросхема, отримавши з кеш-пам'яті готові інструкції, не витрачає час на їх вироблення з нуля. У підсумку робота комп'ютера йде швидше. Головна характеристика кеш-пам'яті — обсяг. Чим він більший, тим, відповідно, місткіші даний модуль з точки зору розташування тих самих інструкцій та алгоритмів, задействуемих процесором. Тим більше ймовірність, що мікросхема буде щоразу знаходити серед них потрібні для себе і працювати швидше. Кеш-пам'ять на сучасних процесорах ділиться найчастіше на три рівня. Перший працює на базі найбільш швидких і високотехнологічних мікросхем, інші — повільніше. Об'єм 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 припускати значне витрачання електроенергії. Сучасні моделі мікросхем споживають близько 40-50 Вт. У деяких випадках цей параметр має економічне значення — наприклад, якщо мова йде про оснащення великих підприємств кількома сотнями або тисячами комп'ютерів. Але не менш значимим фактором енергоспоживання виступає в частині адаптації процесорів до використання на мобільних пристроях — ноутбуках, планшетах, смартфонах. Ніж відповідний показник менше, тим довше буде автономна робота девайса.