Процессор персонального компьютера . Назначение, функции , классификация процессора

Содержание:

Введение

Центральный процессор — сердце любого компьютера, и от выбранной модели зависит работа системы в целом. Разобраться во всех характеристиках непросто, и непонятно, какой из них выбрать. Поэтому всегда полезно заручиться поддержкой большинства и посмотреть, что выбирали другие.

Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют. И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.

Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.

Центральные процессоры бывают как слабые одноядерные модели, так и мощные устройства с множеством ядер. Есть те, которые предназначены исключительно для офисной работы, а есть такие, что необходимы для самых современных игр.

На данный момент есть два основных создателя процессоров – это AMD и Intel. Именно они и производят самые актуальные и востребованные чипы. Нужно понимать, что разница между чипами этих двух компаний заключается не в количестве ядер или общей производительности, а в архитектуре.

То есть, продукты этих двух компаний строятся по разным принципам. И у каждого создателя свой уникальный вид процессора, имеющий отличную от конкурента структуру.

Целью данной работы является изучение процессора персонального компьютера.

Для реализации поставленной цели необходимо выполнить ряд задач:

• Изучение развития процессоров и их значение;
• Рассмотрение архитектуры процессора;
• Изучить классификацию современных процессоров;
• Рассмотреть принципы работы и функции процессоров.

При написании данной работы были использованы современные научные и учебные источники.

Глава 1. Понятие и сущность процессора персонального компьютера

1.1 Развитие процессоров и их значение

Сегодня в продаже существует большое количество разнообразных компьютерных систем, разных по стоимости и по набору выполняемых ими функций.

Персональный компьютер стал уже частью повседневности современного человека, представить работу и быт без него сейчас – уже проблематично.

Особое значение имеет внедрение персональных компьютеров как составных частей информационных систем. При этом работа по сбору, хранению, обработке и распространению информации стала намного проще, и осуществляются удобными интерфейсами «человек – ЭВМ».^[1]

«Мозгом» любого компьютера является процессор, который выполняет программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера.^[2] В таблице 1 приведены основные характеристики процессоров в историческом аспекте их появления.

Таблица 1

Характеристики процессоров

Процессор	Характеристики
	Тактовая частота	Кол-во ядер	Количество транзисторов	Техпроцесс	Разъём
Intel-4004	около 125кГц	-	2250	10000 (10 мкм)	микросхема впаивалась в печатную плату
Intel-8008	200 кГц	-	3500	10000 (10 мкм)	микросхема припаивалась к плате
Intel-8086	4–10 МГц	-	29 000	3000 нм (3 мкм)	DIP-40
Intel 80386	16–40 МГц	-	275 000	1500 нм	Гнездо типа “Socket” или припаивался к плате
Intel-Pentium	60–66 МГц	1	3,1 млн	800 нм	Socket 4
Duron	600–950МГц	1	25 млн	180 нм	Socket A
Core i5	1,2–4,02 ГГц	2 или 4	177 млн	45–14 нм	Socket H (LGA 1156)
Core i7	1.07–4.2 ГГц	2, 4, 6 или 8	774 млн	45–14 нм	Socket B

Такое стремительное развитие процессоров стало возможно благодаря компании Intel, создавшей в 1971-м году первые микропроцессоры.

Первое поколение процессоров – это период с 40-х по вторую половину 50-х годов, отличительной характеристикой было использование процессоров на электромеханическом реле, вакуумных лампах и ферритовых сердечниках (устройства памяти).^[3]

Для своего времени, это был большой скачок вперёд в сторону построения вычислительных систем. Весьма типичным для таких архаичных процессоров являлось обильное тепловыделение, низкая скорость работы и надёжность в целом.^[4]

Второе поколение процессоров – транзисторный принцип построения. Процессоры располагались с помощью специальных стоек на примитивных платах, имеющих сходство с современными материнскими платами. Благодаря этому увеличилось быстродействие и надёжность, при минимальном потреблении энергии.^[5]

Третье поколение приходится на середину 60-х годов, которое отметилось созданием процессорных микросхем. Для этого периода времени было типичным применение низкоинтегрированных микросхем, содержащих самые простые резисторные и транзисторные схемы.

Четвертое поколение процессоров отмечает этап создания кристальной микросхемы, которая вмещала в себя полный комплект главных процессорных блоков и элементов. В 1971 год отметился в истории развития тем, что, благодаря усилиям инженеров компании Intel, миру был дан первый в своём роде микропроцессор Intel-4004, имеющий 4 разрядности и состоящий из 2,3 тысячи полупроводниковых транзисторов. Его тактовая чистота была 108 килогерц — что является 0,108 мегагерц (МГц) или 0,000108 гигагерц (ГГц). Скорее всего, примерно в это время, поколения развития процессоров завершается, и микропроцесс начинает свое развитие по поколениям.^[6]

Вскоре, в 1974-м году, безусловный новатор и монополист на рынке микропроцессоров того времени, подняли планку производительной мощности выше, создав 64-х килобайтный Intel-8080, вмещающий в себя 6 тысяч транзисторов [7]. Небезызвестный компьютер «Альтаир 8800» производил свои вычисления на базе именно этого «камня».

Спустя четыре года, очередным достижением необходимо отметить Intel 8086, включающий комплект команд х86, ставшие архитектурным базисом подавляющего большинства вычислительных процессоров.

Данный продукт прогресса выполнял свои функции на частоте 5 МГц, представлял собой 29 тысяч транзисторов. Адресовать 1024 Kб памяти – было для него естественно, так как шина адреса состояла уже из 20-и разрядов.^[7]

275-ю тысячами транзисторов покорил умы всех причастных к вычислительной технике новоявленный Intel 80386, получивший свою жизнь середине 80-х годов.^[8] По сравнению со своим предшественником, данная версия процессора имела более совершенную защиту, а широкая 32-х битная адресация давала возможность использовать вплоть до 4 Гб оперативной памяти, плюсом ко всему осуществлялась поддержка применения виртуальной памяти. Производился он по технологии 1,5 мкм, а работал на частоте от 16 до 40 мегагерц. Подобные процессоры полностью базировались на модели регистров. В это же время двигалось и набирало обороты совершенствование микропроцессоров: они базировались на стековой модели вычисления.^[9]

Первая партия 32-разрядных процессоров Pentium вышла в массовое пользование примерно в 1993-м году. Тогда количество используемых транзисторов было равно трем миллионам, они были изготовлены по 0,8 мкм технологии, с частотой 60 и 66 МГц и 64-битную шину данных. Буквально уже через год, вышло следующие поколение этого процессора, с тактовой частотой 75, 90 и 100 МГц, изготовлялись по 0,6 мкм технологии, что уменьшило потребляемую ими энергию.^[10]

Известная многим линейка Celeron, активно использующаяся в ноутбуках самого начала 21-го века, была создана и поступила в 1998 году, а работала на ядре процессора Pentium II: кэша в нем ещё не было, вычислительная мощность оставляла желать лучшего.^[11]

Однако большим достоинством необходимо отметить хорошую техническую совместимость.

В самом начале 2000-х, завоевавший доверие и место Celeron, вынужден потесниться: AMD выдаёт своё новое детище – Duron, который не остаётся незамеченным на рынке и успешно пользуется популярностью, как качественный дешёвый аналог процессора Intel. Поначалу Duron обладали не самой быстрой шиной в 100 МГц и чуть заниженным кэшем – это и являлось причиной популярности у не самого обеспеченного пользователя. Duron производился исключительно с 64 Кб кэш-памяти второго уровня, а частотой располагал в промежутке от 600 МГц до 950 МГц.

На данный момент Intel взаимодействует с Microsoft и работает над оптимизацией работы Core 6-го поколения в среде Windows 10.

Создание Intel Skylake уже сулит тем, что продолжение поступления обновлений для версий ОС 7 и 8.1 – скорее всего, лишь вопрос короткого промежутка времени. В соответствии с изменившимися условиями, обладатели девайсов на базе новых поколений процессоров Intel, AMD и Qualcomm из операционных систем Microsoft, будут обязаны взять на вооружение в работе 10-ю версию Windows.

Необходимо отметить, что более привычным можно назвать обновление аппаратного обеспечения компьютера, если его текущее состояние не отвечает требованиям новой версии программного обеспечения. По всей видимости, на этот раз могучий монополист, в сфере операционных систем и его партнеры, приняли решение пропустить долгий и трудоёмкий рабочий процесс по обеспечению совместимости более современного «железа» с ранними версиями Windows.^[12]

При неприятном исходе – старые операционные системы будут прекращены поддерживаться обновлениями. Или же, что тоже весьма вероятно – будут выполнять свои функции с ошибками.^[13]

Поскольку Intel и Microsoft неоднократно упоминали, что эти компании работают в плотном сотрудничестве, важно упомянуть, что 6-е поколение процессоров от Intel, называемое Skylake – скорее всего, минует поддержку ранних версий Windows.^[14]

По данным интернет магазина DNS средняя цена за процессор, подходящий к той или иной системной (материнской) плате, представлена на рисунке 1. Самым популярным процессором на сегодняшний день является Intel Core i5, цена которого не является самой максимальной.

Рисунок 1 Средняя цена процессоров

Ни для кого не секрет, что некоторые компании, не желая нарушать привычный ритм работы, намеренно или нет, упускают из виду важность своевременного обновления программных и технических средств. Компания Microsoft открыто заявляет о дальнейших намерениях обновления версий ОС 7 и 8.1 для таблицы связанных «скайлейк-систем» лишь до середины 2017-го года. Таким образом, у всех корпоративных клиентов будет время для приобретения и начала использования 10-й версии ПО.^[15]

В этот отрезок времени «наиболее важные обновления безопасности Windows 7 и Windows 8.1 будут адресоваться этим конфигурациям и будут выходить, если не станут представлять риска для надежности и совместимости платформ Windows 7 и 8.1 на других устройствах».^[16] Корпоративные клиенты и рядовые пользователи, конечно же, будут иметь возможность приобретать ПК с более ранней аппаратной составляющей и не использовать как Intel Skylake, так и другие новые «камни».^[17]

К примеру, процессоры с микроархитектурой Broadwell – весьма стабильно работают со старыми версиями Windows, а найти их, на данный момент, не является большой проблемой.^[18]

Компьютеры с повышенными способностями, т.е. суперкомпьютеры – это многомашинные и/или многопроцессорные комплексы, обслуживающие общую совокупность внешних устройств, общую память и иногда распределенные среди разных городов и даже стран мира.^[19]

Суперкомпьютеры используют в ситуациях, когда необходимо обработать большой объем данных в короткий промежуток времени и смоделировать операции, выполняемые одновременно.

Время не стоит на месте, а команда компьютерных ученых не останавливается на достигнутых результатах. Еще 20 лет назад обычный обыватель не знал, что такое процессор, а теперь может выбрать подходящий новенький процессор в любом цифровом супермаркете.^[20]

Также стоит отметить, что в выборе процессора имеет значение не только бренд и популярность, но технические характеристики системной платы. И не нужно забывать, что всё комплектующие ПК связанны между собой материнской (системной) платой.

1.2 Архитектура процессора

Прежде чем рассмотреть основные виды архитектур процессоров, необходимо понять, что это такое. Под архитектурой процессора обычно понимают две совершенно разные сущности.

С программной точки зрения архитектура процессора — это совместимость с определённым набором команд (Intel x86), их структуры (система адресации, набор регистров) и способа исполнения (счётчик команд).^[21]

Говоря простым языком, это способность программы, собранной для архитектуры x86, работать практически на любой x86-совместимой системе. При этом такая программа не будет работать, например, на ARM системе.

С аппаратной точки зрения архитектура процессора — это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (Skylake – процессоры Intel Core 5 и 6 поколений).^[22]

В этой главе курсовой рассмотрим базовые архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

CISC

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.^[23]

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.^[24]

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров.

Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее.

Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине.

Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах.

Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.^[25]

VLIW

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам.

Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор.^[26]

Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Виртуальные архитектуры

Но раз нельзя запустить программу одной архитектуры на другой, то откуда берутся магические JAR-файлы, которые можно запустить на любой машине? Это пример виртуальной JVM-архитектуры, которая, по сути, эмулируется на целевой реальной машине.

Поэтому достаточно JVM-машины для целевой архитектуры для запуска на ней любой Java-программы. Другим примером виртуальной архитектуры является .NET CIL.

Из минусов виртуальных архитектур можно выделить меньшую производительность по сравнению с реальными архитектурами. Этот минус нивелируется с помощью JIT- и AOT-компиляции. Однако большим плюсом будет кроссплатформенность.

Дальнейшим развитием этих архитектур стали гибридные архитектуры. Например современные x86_64 процессоры хотя и CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд. Какое дальнейшее развитие получат архитектуры процессора, покажет только время.

Глава 2. Классификация, структура и основные характеристики процессоров

2.1 Классификация современных процессоров

Центральный процессор — сердце любого компьютера, и от выбранной модели зависит работа системы в целом. Разобраться во всех характеристиках непросто, и непонятно, какой из них выбрать.^[27] Поэтому всегда полезно заручиться поддержкой большинства и посмотреть, что выбирали другие.

Для бытовых целей чаще выбирается BOX-версия в формате «поставил и забыл». Опытные геймеры берут «голый» процессор и ставят стороннее охлаждение. Так или иначе, в рейтинге учтены оба варианта.

Процессор Intel Core i5-8400 занимает нижнюю строчку рейтинга. В арсенале этого шестиядерного процессора мощная интегрированная графика, способная выручить пользователя в случае выхода из строя дискретной видеокарты. Штатная частота процессора — 2,8 ГГц, увеличенный до 9 МБ кэш L3. Сокет — актуальный LGA 1151-v2.^[28]

Процессор обладает одним из лучших среди участников рейтинга диапазоном рабочих частот: от 2,8 ГГц до 4,0 ГГц. Тактовая частота меняется динамически в зависимости от вычислительной нагрузки на процессор.

Шестиядерный процессор AMD FX-6300 обладает самой низкой стоимостью среди участников рейтинга. Неудивительно, ведь это заслуженный ветеран игровых систем, первое знакомство с которым состоялось еще в 2012 году.^[29]

Процессор производит вычисления на частоте 3,5 ГГц, а в моменты пиковых нагрузок способен поднять ее до 4,1 ГГц. Объем кэша L3 равняется 8 МБ.

В процессоре используется устаревший тип сокета AM3+, сам «камень» спроектирован для работы в тандеме с оперативной памятью DDR3.

Тепловыделение процессора составляет 95 Вт, поэтому для его надежной и бесперебойной работы потребуется эффективная система охлаждения.

Процессор AMD FX-8350 содержит на борту восемь ядер, обеспечивающих работу процессора на частоте 4,0 ГГц, с возможностью увеличения до 4,2 ГГц в турбо режиме. Объем кэша L3 равняется 8 МБ. Модель обладает самой низкой максимальной температурой, равной 61 ˚С, поэтому при его установке следует позаботиться о качественной системе охлаждения. К счастью, в комплект коробочной версии включен мощный кулер и радиатор с медным основанием.^[30]

AMD FX-8350, как и его сосед сверху, устанавливается в AM3+ — это предыдущее поколение процессоров, медленно, но верно вытесняемое с рынка более современными моделями. Собирать на его базе новую систему не рекомендуется, а вот обновить существующую по приятной цене — вполне годный вариант.

Шестиядерный процессор AMD Ryzen 5 3600 — самый молодой участник в списке предпочтений покупателей. Он изготовлен по 7 нм техпроцессу, и является одним из самых производительных процессоров среди участников рейтинга. AMD Ryzen 5 3600 был выпущен на рынок в третьем квартале 2019 года, и сразу снискал популярность среди геймеров.^[31]

Процессор работает с частотой до 4,2 ГГц в турборежиме и обладает самым большим кэшем L3, объем которого составляет 32 МБ. Несмотря на высокую производительность, тепловыделение в 65 Вт можно назвать скромным, как и габариты боксового радиатора.

Тип сокета — актуальный АМ4, работает в паре с оперативной памятью DDR4, которой поддерживает до 128 ГБ. Данный процессор сможет работать исключительно под управлением Windows 10. Для его полноценной работы, возможно, потребуется обновление BIOS-а материнки.

Процессор Intel Pentium Gold G5400 не питает игровых амбиций. Его стихия — работа в составе офисных рабочих станций. Встроенная графика при сравнительно низкой цене — удачное сочетание, чтобы побороться за симпатии покупателя. Тактовая частота этого двухъядерного процессора 3,7 ГГц, а необходимый для его установки в материнку разъем — актуальный Socket LGA 1151-v2.

Встроенная графика вполне неплохо справляется с типовыми задачами, решения которых ждешь от офисного ПК. Ее наличие поможет минимизировать бюджет при покупке или выручит в случае поломки внешней видеокарты.

Одно из недорогих решений от Intel — процессор Intel Core i3-9100F состоит из четырех ядер, производящих вычисления на частоте от 3,6 ГГц до 4,2 ГГц в турборежиме. Он не имеет встроенной графики, что, несомненно, порадует геймеров, нежелающих переплачивать за лишнее видео.^[32] Ожидать от него сверхпроизводительности в нагруженных текстурами играх не стоит, но он вполне успешно справится с типовыми задачами мультимедийного ПК для развлечений. Устанавливается данная модель в разъем LGA 1151-v2. Процессор работает в тандеме с памятью DDR4. Общий объем памяти, поддерживаемой процессором — 64 ГБ.

Совсем немного не хватило процессору AMD Ryzen 5 1600, чтобы войти в тройку лидеров. Представленный в 2017 году AMD Ryzen 5 1600, изготовленный по 14 нм техпроцессу, стал настоящим бестселлером, и долгое время занимал первые строчки различных рейтингов. Он и по сей день удерживает неплохие позиции — сегодня он уступает около 25 % в производительности преемнику.

В стихии игровых баталий процессор в полной мере раскрывает свой мощный потенциал.

Для этого в его арсенале имеются шесть ядер, 12 потоков обработки данных, тактовая частота 3,2–3,6 ГГц, кэш L3 — 16 МБ, максимальный объем памяти DDR4 — 128 ГБ.

Открывает тройку лидеров 4-х ядерный AMD Ryzen 3 2200G с частотой 3,5–3,7 ГГц. Сбалансированные характеристики, встроенная графика Radeon Vega 8, невысокий уровень тепловыделения и технологии виртуализации позволяют ему прочно закрепиться на лидирующих позициях. Этот сравнительно недорогой процессор способен лечь в основу центра мультимедийных развлечений, позволив сэкономить при этом на покупке дискретной видеокарты.^[33]

Шестиядерный Intel Core i5-9400F с диапазоном рабочей частоты от 2,9 ГГц до 4,1 ГГц в турборежиме, создан для работы в составе игровых систем. Он может похвастаться увеличенным до 9 МБ кэшем третьего уровня, обработкой данных в шесть потоков и поддержкой памяти DDR4. Данный процессор не имеет встроенного графического ядра, что при построении игровой системы является плюсом, ведь она в любом случае будет оснащаться дискретной видеокартой.

AMD Ryzen 5 2600 — модель 2018 года от AMD. Этот шестиядерный процессор создан для геймеров и создателей мультимедийного контента. Данная модель поддерживает вычисления в 12 потоков, что является идеальным сочетанием для процессора, основной стихией которого являются тяжеловесные игры. Тактовая частота 3,4–3,9 ГГц. Процессор работает с памятью DDR4, максимальная частота которой может составить 2933 МГц. Для установки процессора на материнскую плату служит разъем AM4.

2.2 Принципы работы и функции процессоров

Практически все знают, что в компьютере главным элементом среди всех «железных» компонентов является центральный процессор. Но круг людей, которые представляют себе, как работает процессор, является весьма ограниченным. Большинство пользователей об этом и понятия не имеют.

И даже когда система вдруг начинает «тормозить», многие считают, что это процессор плохо работает, и не придают значения другим факторам. Для полного понимания ситуации рассмотрим некоторые аспекты работы ЦП.

Центральный процессор (ЦП или в английском варианте CPU) является сердцем любой компьютерной системы. На него возложены все вычислительные операции, причем не только арифметические или вычисления с плавающей запятой (изменяющаяся мантисса), но и логические.^[34] Сам процессор представляет собой небольшую квадратную пластину (чип), внутри которой находятся миллионы транзисторов.

Иногда это устройство называют еще интегральной микросхемой.

Если говорить о том, как работает процессор Intel или его конкурент AMD, нужно посмотреть, как устроены эти чипы. Первый микропроцессор (кстати, именно от Intel, модель 4040) появился еще в далеком 1971 году. Он мог выполнять только простейшие операции сложения и вычитания с обработкой всего лишь 4 бит информации, т. е. имел 4-битную архитектуру.

Современные процессоры, как и первенец, основаны на транзисторах и обладают куда большим быстродействием. Изготавливаются они методом фотолитографии из определенного числа отдельных кремниевых пластинок, составляющих единый кристалл, в который как бы впечатаны транзисторы. Схема создается на специальном ускорителе разогнанными ионами бора. Во внутренней структуре процессоров основными компонентами являются ядра, шины и функциональные частицы, называемые ревизиями.

Как и любое другое устройство, процессор характеризуется определенными параметрами, которые, отвечая на вопрос, как работает процессор, обойти стороной нельзя.

Прежде всего это:

• количество ядер;
• число потоков;
• размер кэша (внутренней памяти);
• тактовая частота;
• быстрота шины.

Пока остановимся на тактовой частоте. Не зря процессор называют сердцем компьютера. Как и сердце, он работает в режиме пульсации с определенным количеством тактов в секунду. Тактовая частота измеряется в МГц или в ГГц. Чем она выше, тем больше операций может выполнить устройство.

На какой частоте работает процессор, можно узнать из его заявленных характеристик или посмотреть информацию в сведениях о системе. Но в процессе обработки команд частота может меняться, а при разгоне (оверлокинге) увеличиваться до экстремальных пределов. Таким образом, заявленная тактовая частота является всего лишь усредненным показателем.

Количество ядер – показатель, определяющий число вычислительных центров процессора (не путать с потоками – количество ядер и потоков могут не совпадать).

За счет такого распределения появляется возможность перенаправления операций на другие ядра, за счет чего повышается общая производительность. Теперь немного о структуре исполняемых команд. Если посмотреть, как работает процессор, нужно четко представлять себе, что любая команда имеет две составляющие – операционную и операндную. ^[35]

Операционная часть указывает, что должна выполнить в данный момент компьютерная система, операнда определяет то, над чем должен работать именно процессор.

Кроме того, ядро процессора может содержать два вычислительных центра (контейнера, потока), которые разделяют выполнение команды на несколько этапов:

• выработка;
• дешифрование;
• выполнение команды;
• обращение к памяти самого процессора сохранение результата.

Рисунок 2 Процессор

Сегодня применяется раздельное кэширование в виде использования двух уровней кэш-памяти, что позволяет избежать перехвата двумя и более командами обращения к одному из блоков памяти. Процессоры по типу обработки команд разделяют на линейные (выполнение команд в порядке очереди их записи), циклические и разветвляющиеся (выполнение инструкций после обработки условий ветвления).

Среди основных функций, возложенных на процессор, в смысле выполняемых команд или инструкций различают три основные задачи: математические действия на основе арифметико-логического устройства; перемещение данных (информации) из одного типа памяти в другой; принятие решения по исполнению команды, и на его основе – выбор переключения на выполнения других наборов команд.

В этом процессе следует отметить такие компоненты, как шина и канал чтения и записи, которые соединены с запоминающими устройствами. ПЗУ содержит постоянный набор байт. Сначала адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, затем передает его на шину данных, после чего канал чтения меняет свое состояние и ПЗУ предоставляет запрошенный байт.

Рисунок 3 Работа центрального процессора

Но процессоры могут не только считывать данные из оперативной памяти, но и записывать их. В этом случае используется канал записи. Но, если разобраться, по большому счету современные компьютеры чисто теоретически могли бы и вовсе обойтись без ОЗУ, поскольку современные микроконтроллеры способны размещать нужные байты данных непосредственно в памяти самого процессорного чипа.

Но вот без ПЗУ обойтись никак нельзя. Кроме всего прочего, старт системы запускается с режима тестирования оборудования (команды BIOS), а только потом управление передается загружаемой операционной системе.

Теперь посмотрим на некоторые аспекты проверки работоспособности процессора. Нужно четко понимать, что, если бы процессор не работал, компьютер бы не смог начать загрузку вообще.

Рисунок 4 Диспетчер задач

Другое дело, когда требуется посмотреть на показатель использования возможностей процессора в определенный момент. Сделать это можно из стандартного «Диспетчера задач» (напротив любого процесса указано, сколько процентов загрузки процессора он дает).

Для визуального определения этого параметра можно воспользоваться вкладкой производительности, где отслеживание изменений происходит в режиме реального времени. Расширенные параметры можно увидеть при помощи специальных программ, например, CPU-Z. Кроме того, можно задействовать несколько ядер процессора, используя для этого конфигурацию системы (msconfig) и дополнительные параметры загрузки. Наконец, несколько слов о проблемах.

Вот многие пользователи часто спрашивают, мол, почему процессор работает, а монитор не включается? К центральному процессору эта ситуация не имеет никакого отношения. Дело в том, что при включении любого компьютера сначала тестируется графический адаптер, а только потом все остальное.

Возможно, проблема состоит как раз в процессоре графического чипа (все современные видеоускорители имеют собственные графически процессоры). Но на примере функционирования человеческого организма нужно понимать, что в случае остановки сердца умирает весь организм. Так и с компьютерами. Не работает процессор – «умирает» вся компьютерная система.

Заключение

Процессор является основной частью любого компьютерного устройства. Но многие пользователи имеют очень слабое представление о том, что такое процессор в компьютере и какую функцию он выполняет. Хотя в современном мире это важная информация, зная которую можно избежать многих серьезных заблуждений. Если вы хотите узнать больше о чипе, который обеспечивает работоспособность вашего компьютера, вы обратились по адресу. Из этой статьи вы узнаете, для чего нужен процессор и как он влияет на производительность всего устройства.

В данном случае, речь идет о центральном процессоре. Ведь в компьютере есть и другие, например, видеопроцессор.

Центральный процессор – это основная часть компьютера, которая представляет собой электронный блок или интегральную схему. Он выполняет машинные инструкции, или же код программы, и является основой аппаратного обеспечения устройства.

Говоря проще, это сердце и мозг компьютера. Именно благодаря ему работает все остальное, он обрабатывает потоки данных и управляет работой всех частей общей системы. Если смотреть на процессор физически, он представляет собой небольшую тонкую квадратную плату. Он имеет небольшие размеры и сверху покрывается металлической крышкой.

Нижнюю часть чипа занимают контакты, через которые чипсет и осуществляет взаимодействие с остальной системой. Открыв крышку системного блока своего компьютера, вы легко сможете найти процессор, если только он не закрыт системой охлаждения.

Пока ЦП не отдаст соответствующую команду, компьютер не сможет осуществить даже самую простую операцию, например, сложить два числа. Что бы вы ни хотели осуществить на своем ПК, любое действие предполагает обращение к процессору. Именно поэтому он и является такой важной составляющей компьютера.

Современные центральные процессоры способны не только справляться со своими основными задачами, но и могут частично заменять видеокарту. Новые чипы выпускаются с отдельно отведенным местом для выполнения функций видеоконтроллера. Этот видеоконтроллер осуществляет все базовые необходимые действия, которые нужны от видеокарты. В качестве видеопамяти, при этом, используется оперативка. Но не стоит заблуждаться, что мощный современный процессор может полностью заменить видеокарту.

Даже средний класс видеокарт оставляет видеоконтроллер процессоров далеко позади. Так что, вариант компьютера без видеокарты подходит разве что для офисных устройств, которые не предполагают выполнения каких-либо сложных задач, связанных с графикой.

В таких случаях действительно есть возможность сэкономить. Ведь можно просто чипсет процессор с хорошим видеоконтроллером и не тратиться на видеокарту. Одна из составных частей ЦП– это арифметико-логическое устройство. Оно занимается выполнением преобразований информации, используя арифметические и логические вычисления.

Именно сюда и попадают данные из регистров. После этого арифметико-логическое устройство считывает поступившие данные и исполняет команды, которые необходимы для обработки получившихся в итоге чисел.

Тут нас снова ждет раздвоение. Итоговые результаты делятся на законченные и незаконченные. Они идут обратно в регистры, а законченные поступают в буферную память. КЭШ процессора состоит из двух основных уровней: верхнего и нижнего. Самые последние команды и данные отправляются в верхний кэш, а те, которые не используются, идут в нижний.

То есть, вся информация, находящаяся на третьем уровне, перебирается на второй, с которого, в свою очередь, данные идут на первый. А ненужные данные наоборот отправляются на нижний уровень. После того как вычислительный цикл закончится, его результаты снова записываются в оперативную память компьютера.

Это происходит для того, чтобы кэш центрального процессора был освобожден и доступен для новых операций. Но иногда случаются ситуации, когда буферная память оказывается полностью заполненной, и для новых операций нет места. В таком случае, данные, которые на данный момент не используются, идут в оперативную память или же на нижний уровень памяти процессора.

Центральный процессор играет не просто одну из важнейших, но даже можно сказать основную роль в работе компьютера. Именно от него будет зависеть производительность всего устройства, а также задачи, для которых вообще его возможно использовать. Но это не значит, что обязательно покупать самый мощный процессор для средненького компьютера. Подберите оптимальную модель, которая будет соответствовать вашим требованиям.

Список использованной литературы

1. Аглицкий, Д.С. Персональный компьютер / Д.С. Аглицкий, С.А. Любченко. - М.: Машиностроение, 2017. - 343 c.
2. Брезгунова, И. В. Аппаратные и программные средства персонального компьютера. / И.В. Брезгунова, Е.В. Шакель. - М.: РИВШ, 2018. - 452 c.
3. Васильева, В. Персональный компьютер. Быстрый старт / В. Васильева. - М.: BHV - Санкт - Петербург, 2017. - 480 c.
4. Гелль Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Гелль, Патрик. - М.: Гостехиздат, 2017. - 144 c.
5. Глушаков, С.В. Персональный компьютер / С.В. Глушаков, А.С. Сурядный. - М.: Харьков: Фолио; Издание 5-е, перераб. и доп., 2017. - 500 c.
6. Дюваль Непрерывная интеграция. Улучшение качества программного обеспечения и снижение риска / Дюваль, М. Поль. - М.: Мир, 2018. - 240 c.
7. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование / Л. Левенталь. - Л.: Энергоатомиздат, 2017. - 464 c.
8. Нортон Персональный компьютер изнутри / Нортон, Питер и др.. - М.: Гостехиздат, 2017. - 443 c.
9. Персональные компьютеры. Информатика для всех. - М.: РГГУ, 2018. - 149 c.
10. Резников, Ф.Н. Видеомонтаж на персональном компьютере: Adobe Premiere 6.х и Аdobe After Effects 5.х / Ф.Н. Резников, В.Б. Комягин. - М.: Мир, 2017. - 528 c.
11. Рыбаков, М.А. Анатомия персонального компьютера / М.А. Рыбаков. - М.: Интермеханика, 2017. - 224 c.
12. Трейстер, Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ / Р. Трейстер. - М.: Гостехиздат, 2016. - 208 c.
13. Фрейбергер Пожар в долине. История создания персональных компьютеров / Фрейбергер, Свейн Пол; , Майкл. - М.: Группа Дарнэл, 2018. - 434 c.
14. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: Машиностроение, 2017. - 507 c.
15. Чоговадзе, Г.Г. Персональные компьютеры / Г.Г. Чоговадзе. - М.: Наука, 2017. - 208 c.
16. Фролов, А.В. Локальные сети персональных компьютеров. Работа с сервером Novell NetWare / А.В. Фролов, Г.В. Фролов. - М.: Диалог-Мифи, 2016. - 168 c.
17. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: АСТ, 2017. - 507 c.
18. Чоговадзе, Г.Г. Персональные компьютеры / Г.Г. Чоговадзе. - М.: Финансы и статистика, 2015. - 208 c.
19. Шиб Персональные компьютеры / Шиб, Йорг. - М.: Текст, 2015. - 334c.
20. Эйкхофф, Й. Бортовые компьютеры, программное обеспечение и полетные операции. Введение / Й. Эйкхофф. - М.: Техносфера, 2017. - 344 c.

1. Васильева, В. Персональный компьютер. Быстрый старт / В. Васильева. - М.: BHV - Санкт - Петербург, 2017. - 480 c. ↑

2. Глушаков, С.В. Персональный компьютер / С.В. Глушаков, А.С. Сурядный. - М.: Харьков: Фолио; Издание 5-е, перераб. и доп., 2017. - 500 c. ↑

3. Эйкхофф, Й. Бортовые компьютеры, программное обеспечение и полетные операции. Введение / Й. Эйкхофф. - М.: Техносфера, 2017. - 344 c. ↑

4. Аглицкий, Д.С. Персональный компьютер / Д.С. Аглицкий, С.А. Любченко. - М.: Машиностроение, 2017. - 343 c. ↑

5. Фрейбергер Пожар в долине. История создания персональных компьютеров / Фрейбергер, Свейн Пол; , Майкл. - М.: Группа Дарнэл, 2018. - 434 c. ↑

6. Чоговадзе, Г.Г. Персональные компьютеры / Г.Г. Чоговадзе. - М.: Финансы и статистика, 2015. - 208 c. ↑

7. Шиб Персональные компьютеры / Шиб, Йорг. - М.: Текст, 2015. - 334c. ↑

8. Гелль Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Гелль, Патрик. - М.: Гостехиздат, 2017. - 144 c. ↑

9. Трейстер, Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ / Р. Трейстер. - М.: Гостехиздат, 2016. - 208 c. ↑

10. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: Машиностроение, 2017. - 507 c. ↑

11. Рыбаков, М.А. Анатомия персонального компьютера / М.А. Рыбаков. - М.: Интермеханика, 2017. - 224 c. ↑

12. Чоговадзе, Г.Г. Персональные компьютеры / Г.Г. Чоговадзе. - М.: Наука, 2017. - 208 c. ↑

13. Дюваль Непрерывная интеграция. Улучшение качества программного обеспечения и снижение риска / Дюваль, М. Поль. - М.: Мир, 2018. - 240 c. ↑

14. Брезгунова, И. В. Аппаратные и программные средства персонального компьютера. / И.В. Брезгунова, Е.В. Шакель. - М.: РИВШ, 2018. - 452 c. ↑

15. Резников, Ф.Н. Видеомонтаж на персональном компьютере: Adobe Premiere 6.х и Аdobe After Effects 5.х / Ф.Н. Резников, В.Б. Комягин. - М.: Мир, 2017. - 528 c. ↑

16. Фролов, А.В. Локальные сети персональных компьютеров. Работа с сервером Novell NetWare / А.В. Фролов, Г.В. Фролов. - М.: Диалог-Мифи, 2016. - 168 c. ↑

17. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, ↑

18. Нортон Персональный компьютер изнутри / Нортон, Питер и др.. - М.: Гостехиздат, 2017. - 443 c. ↑

19. Персональные компьютеры. Информатика для всех. - М.: РГГУ, 2018. - 149 c. ↑

20. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: АСТ, 2017. - 507 c. ↑

21. Васильева, В. Персональный компьютер. Быстрый старт / В. Васильева. - М.: BHV - Санкт - Петербург, 2017. - 480 c. ↑

22. Эйкхофф, Й. Бортовые компьютеры, программное обеспечение и полетные операции. Введение / Й. Эйкхофф. - М.: Техносфера, 2017. - 344 c. ↑

23. Гелль Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Гелль, Патрик. - М.: Гостехиздат, 2017. - 144 c. ↑

24. Резников, Ф.Н. Видеомонтаж на персональном компьютере: Adobe Premiere 6.х и Аdobe After Effects 5.х / Ф.Н. Резников, В.Б. Комягин. - М.: Мир, 2017. - 528 c. ↑

25. Дюваль Непрерывная интеграция. Улучшение качества программного обеспечения и снижение риска / Дюваль, М. Поль. - М.: Мир, 2018. - 240 c. ↑

26. Шиб Персональные компьютеры / Шиб, Йорг. - М.: Текст, 2015. - 334c. ↑

27. Фролов, А.В. Локальные сети персональных компьютеров. Работа с сервером Novell NetWare / А.В. Фролов, Г.В. Фролов. - М.: Диалог-Мифи, 2016. - 168 c. ↑

28. Глушаков, С.В. Персональный компьютер / С.В. Глушаков, А.С. Сурядный. - М.: Харьков: Фолио; Издание 5-е, перераб. и доп., 2017. - 500 c. ↑

29. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: Машиностроение, 2017. - 507 c. ↑

30. Трейстер, Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ / Р. Трейстер. - М.: Гостехиздат, 2016. - 208 c. ↑

31. Рыбаков, М.А. Анатомия персонального компьютера / М.А. Рыбаков. - М.: Интермеханика, 2017. - 224 c. ↑

32. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование / Л. Левенталь. - Л.: Энергоатомиздат, 2017. - 464 c. ↑

33. Нортон Персональный компьютер изнутри / Нортон, Питер и др.. - М.: Гостехиздат, 2017. - 443 c. ↑

34. Брезгунова, И. В. Аппаратные и программные средства персонального компьютера. / И.В. Брезгунова, Е.В. Шакель. - М.: РИВШ, 2018. - 452 c. ↑

35. Аглицкий, Д.С. Персональный компьютер / Д.С. Аглицкий, С.А. Любченко. - М.: Машиностроение, 2017. - 343 c ↑