Жесткие диски, твердотельные накопители и оперативная память работают недостаточно быстро, чтобы удовлетворить все потребности процессора. Поэтому каждый микрочип имеет свой собственный высокоскоростной кэш, в котором хранятся данные, всегда доступные процессору. В кэше также хранятся инструкции для выполнения конкретных задач.
# факты | Как работает процессор компьютера?
Эти строки читаются со смартфона, планшета или компьютера. Все эти устройства основаны на микропроцессорах. Микропроцессор — это «сердце» всех вычислительных устройств. Существует множество различных типов микропроцессоров, но все они делают одно и то же: они являются «сердцем» всех компьютерных устройств. Сегодня мы обсудим, как работают микропроцессоры и какие задачи они выполняют. На первый взгляд, это кажется очевидным. Однако многие пользователи захотят узнать больше о самых важных компонентах, обеспечивающих работу компьютеров. Узнайте, как технология, основанная на простой арифметической логике, позволяет компьютерам решать математические задачи, а также использоваться в качестве хобби. Как всего два числа — 1 и 0 — можно превратить в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие люди задают себе снова и снова, и они будут рады узнать ответ. В конце концов, даже недавно протестированный процессор AMD Jaguar, на котором построены новейшие игровые консоли, основан на той же древней логике.
В англоязычной литературе микропроцессоры часто называют CPU (central processing units). Причина такого названия кроется в том, что современные процессоры являются однокристальными. Первый в истории человечества микропроцессор был создан компанией IntelCorporation в 1971 году.
Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии
Речь идет об Intel 4004. Он был не очень мощным и мог только складывать и вычитать. Одновременно он мог обрабатывать только четыре бита информации (т.е. это были четыре бита). Однако его приезд стал важным событием для своего времени. Весь процессор помещается на одном чипе. До появления Intel 4004 компьютеры основывались на серии микросхем или дискретных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 послужил основой для одного из первых портативных калькуляторов.
Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал Intel 8080, представленный в 1974 году; вся вычислительная мощь 8-разрядного компьютера была собрана в одном чипе. Однако действительно важным анонсом стал процессор Intel 8088. Он был представлен в 1979 году и использовался в первых компьютерах IBM mainstream с 1981 года.
С тех пор процессоры развивались и становились все мощнее. Каждый, кто знаком с историей развития микропроцессорной промышленности, помнит, что на смену 80886 пришел 80286. За ним последовали 80386 и 80486. Затем были различные поколения Pentium, Pentium II, III и Pentium4. Это были все процессоры». Intel «Основан на базовой конструкции 8088. Она была обратно совместима. То есть Pentium 4 мог обрабатывать любой код 8088, но со скоростью примерно в 5000 раз большей. Не прошло и нескольких лет, как появилось несколько поколений микропроцессоров.
Intel начала предлагать многоядерные процессоры в 2004 году. Количество используемых в них транзисторов увеличилось на миллионы. Но даже сейчас процессоры все еще следуют общим правилам, созданным для первых чипов. В таблице ниже представлена история микропроцессоров Intel вплоть до 2004 года. Это дает некоторое представление о том, что означают компоненты.
- Имя. Модель процессора
- Дата. Год, когда процессор был впервые представлен. Многие процессоры представлялись много раз, с каждым разом увеличивая тактовую частоту. Поэтому даже спустя годы после выхода первой версии на рынок могла быть анонсирована еще одна модификация чипа.
- Транзисторы. Количество транзисторов на чипе. Это число показывает постоянный рост
- Микрометры. Один микрометр соответствует одной миллионной части метра. Это определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон.
- Тактовая частота. Максимальная тактовая частота процессора.
- Ширина данных. Скорость передачи данных арифметического логического блока (ALU) процессора. 8-разрядное АЛУ может выполнять сложение, вычитание, умножение и другие операции над двумя 8-разрядными числами. 32-битное АЛУ может обрабатывать 32-битные числа. Чтобы сложить два 32-битных числа, 8-битному АЛУ нужно выполнить четыре команды. 32-разрядное АЛУ может выполнить эту задачу с помощью одной команды. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешнего канала данных совпадает с «битовой шириной» АЛУ. Процессор 8088 имел 16-разрядное АЛУ, но с 8-разрядной шиной. Более поздние Pentium отличались 64-битной шиной, в то время как ALU оставался 32-битным.
- MIPS (миллионы команд в секунду). Это дает приблизительную оценку производительности процессора. Поскольку современные микропроцессоры выполняют так много различных задач, это измерение теряет свое первоначальное значение и может использоваться в основном для сравнения вычислительной мощности различных процессоров (как в этой таблице).
Логика микропроцессора
Чтобы понять, как работает микропроцессор, необходимо изучить логику, на которой он основан, и познакомиться с языком ассемблера. Это материнская плата микропроцессоров.
Микропроцессор может выполнять определенный набор машинных команд (команд). Используя эти команды, микропроцессор выполняет три основные задачи
- Микропроцессоры используют цифровые и буквенные устройства для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают арифметику с плавающей точкой (с помощью специальных числовых процессоров с плавающей точкой).
- Микропроцессоры могут передавать данные из одного типа памяти в другой.
- Микропроцессоры обладают способностью принимать решения на основе решения о «прыжке». То есть, он переходит к выполнению нового набора команд.
- Адресная шина. Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Адреса отправляются в память.
- Шина данных: ширина канала 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять и принимать данные в память и из памяти. Когда мы говорим о «битовой ширине» процессора, мы имеем в виду ширину шины данных.
- Каналы RD (чтение) и WR (запись), обеспечивающие взаимодействие с памятью.
- Тактовые шины, обеспечивающие тактовые циклы для процессора
- Сброс шины для очистки счетчика команд и возобновления выполнения команд (очистка шины, сброс шины).
Поскольку информация достаточно сложная, мы будем считать, что шины адреса и данных имеют ширину всего 8 бит. Затем мы рассмотрим основы работы этого относительно простого микропроцессора.
- Регистры A, B и C — это логические схемы, используемые для промежуточного хранения данных.
- Блокировка адресов аналогична регистрам A, B и C.
- Счетчики команд — это логические схемы (защелки), которые могут увеличивать значение на единицу (если получена соответствующая команда) и сбрасывать значение (если получена соответствующая команда).
- АЛУ (цифровые логические устройства) могут выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления с 8-битными числами или функционировать как обычные сумматоры.
- Тестовый регистр — это специальная защелка, в которой хранятся результаты операций сравнения, выполняемых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа, чтобы определить, равны ли они или одно число больше другого. Тестовый регистр также может хранить биты переноса последнего действия сумматора. Эти значения хранятся в цепи активации. Эти значения могут быть использованы декодером для принятия решений
- Шесть блоков на диаграмме обозначены как «3-State». Это изоляторы для регулирования классификации. Хотя к кабелю можно подключить несколько выходных источников, только один сортировочный изолятор может одновременно передавать значение ‘0’ или ‘1’. Поэтому сортировочные изоляторы умеют пропускать значения или запрещать источникам вывода передавать данные!
- Регистраторы команд и декодеры команд управляют всеми этими компонентами.
Впоследствии были изобретены электронные лампы. Там ток может управляться другим током. Однако они могут перегреваться, ломаться и подвергаться нападению моли.
Транзисторы и кодирование информации
Вы, наверное, знаете, что первые компьютеры занимали целые комнаты или даже отдельные здания. Для выполнения расчетов они использовали электромеханические реле и вакуумные трубки. Революция произошла в 60-х годах с появлением первых кремниевых транзисторов. Позже они превратились в монолитные интегральные схемы — прототип современных процессоров.
В основе каждого транзистора лежит кремниевая структура. Кремний — это материал с полупроводниковыми свойствами, что означает, что он может пропускать электричество или нет, в зависимости от условий. Проходящая нагрузка равна единице, а при отсутствии нагрузки — нулю. Используя эти два значения, компьютер строит двоичный код для связи с пользователем. Он не может получить никакой другой информации.
И 1, и 0 — это один бит информации, а восемь битов составляют байт. Любое число от 0 до 255 может быть закодировано как восьмизначная комбинация единиц и нулей. Эти комбинации позволяют кодировать все понятия, ценности и события соответствующим образом.
Логические ветви (операторы) были изобретены, чтобы помочь процессору понять пользователя. Все мы знаем их из школьной информатики: и/или если/то/иначе. Эти команды позволяют компьютеру принимать решения в зависимости от конкретных условий.
Что такое процесс?
Производительность процессора в рамках серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов. Чем больше транзисторов, тем больше комбинаций выполняется в единицу времени и тем больше вычислений производит устройство.
Первый процессор Intel 4004, выпущенный в 1971 году, имел 2250 транзисторов. Pentium4 имел 42 миллиона транзисторов. Последний процессор AMD Epyc содержит 39,54 миллиарда кремниевых транзисторов.
С размером транзистора тесно связана концепция технологического процесса.
Каждый производитель диктует процесс обработки по-своему. Одни диктуют размер всего транзистора, другие — размер отдельного сегмента (затвора). Правильный третий вариант — это размер строящейся ступени. Это минимальный размер элемента, который дизайнер может использовать при построении схемы. Обратите внимание также на то, что хотя производители указывают самые маленькие компоненты, некоторые электронные компоненты, которые не выбрасываются, могут быть в десятки раз больше.
Тактовая частота.
Это часто является решающим фактором при покупке процессора.
Нагрузка, проходящая через транзистор, генерируется генератором тактовых импульсов. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако не все процессоры имеют его. В некоторых других конфигурациях один или несколько осцилляторов могут присутствовать на печатной плате и, по желанию, могут быть включены в микропроцессор.
Важным элементом микропроцессора является тактовый тюнер. Устройство настройки часов правильно отвечает на запросы в случае неисправности или сбоя и информирует систему о том, что компонент неисправен.
В центре каждого осциллятора находится кристалл. Он генерирует импульсы с частотой приблизительно 100 МГц. Осцилляторы с частотой 33 МГц все еще можно часто встретить, особенно в дискретных контроллерах, таких как звуковые карты, адаптеры sata / hba и расширения интерфейсов usb / com. Для увеличения частоты колебания, производимые кварцем, проходят через специальные устройства, называемые умножителями. Их можно использовать для увеличения или уменьшения частоты пиковых нагрузок при снижении нагрузки или во время простоя компьютера.
Кстати, множитель — это сам узел, который отвечает за динамическое увеличение частоты под нагрузкой и уменьшение ее при простое. Он также может разрешить разгон, если нет блокировки разгона. Более подробную информацию по этому вопросу см. в статье.
Процессоры с разблокированным множителем позволяют пользователям увеличивать тактовую частоту по своему усмотрению. Современные процессоры могут быть перегружены на 20%-30% и более.
