Что такое центральный процессор, и для чего он нужен

Функции и состав процессора: 8ми-16ти разрядный, структура, сопроцессор

На процессор возлагается выпол­нение операций, предусмотренных его системой команд.

При выполнении программы центральный процессор микропроцессорной си­стемы обеспечивает выполнение всех функций, предусмотренных программной. К ним относится:

• формирование адреса команд или данных, хранящихся оперативной памяти;
• выборка команд из памяти и их дешифрация;
• прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними арифметиче­ских, логических и других операций, определяемых кодом команды, и пере­дача обработанных данных во внешние устройства или память;
• формирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;
• временное хранение результатов выполненных операций, адресов, формиру­емых сигналов состояния и других данных;
• прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.

Как выглядит процессор и где он находится?

Современный процессор обычно маленький и квадратный, с множеством коротких, закругленных металлических разъемов на нижней стороне. У некоторых старых CPU вместо металлических разъемов есть контакты.

Процессор подключается непосредственно к «сокету» процессора (или иногда к «слоту») на материнской плате. Процессор вставляется в гнездо штырьком вниз, а небольшой рычаг помогает закрепить процессор.

Даже через некоторое время современные процессоры могут сильно нагреваться. Чтобы рассеивать это тепло, почти всегда необходимо прикреплять радиатор и вентилятор непосредственно к верхней части CPU. Как правило, они идут в комплекте с покупкой процессора.

Также доступны другие более продвинутые варианты охлаждения, в том числе комплекты «>водяного, воздушного охлаждения и устройства с фазовым переходом.

Не все процессоры имеют контакты на их нижней стороне, но в тех, которые имеют, контакты легко сгибаются. Соблюдайте осторожность при обращении, особенно при установке их на материнскую плату.

Использование микропроцессоров

Такое устройство как процессор интегрируется практически в любой электронной техники, что говорить о таких устройствах как телевизор и видеоплейер, даже в игрушках, а смартфоны сами по себе уже являются компьютерами, хоть и отличающимися по конструкции.

Так и в персональном компьютере, да и всей компьютерной системе центральный процессор не является единственным. Видеоплата является ярким представителем устройства имеющего свой собственный микрочип процессора GPU (Graphics Processing Unit) – графический процессор.

Такое устройство как МФУ также имеет управляющий микрочип. Отличие таких устройств в том, что они занимаются управлением определённой функции, это является одним из их отличий от центрального процессора.

Основные характеристики процессоров

Хорошо. Теперь, когда мы знаем, что такое процессор и его краткую историю появления, нам нужно расставить все точки над i и разобрать еще одну не менее важную составляющую процессоров — характеристики и за что они вообще отвечают.

Производитель

На текущий момент на рынке процессоров существует только два крупных игрока, которые постоянно конкурируют друг с другом как в плане технологий, так и за деньги в вашем кармане — AMD (Advanced Micro Devices) и Intel.

Мы не берём в расчет производителей, которые выпускают мобильные или другие узконаправленные процессоры, но в целях этичности их стоит упомянуть — МЦСТ (Эльбрус), Qualcomm, VIA Technologies, Samsung, Huawei и т. д.

Очень трудно говорить, кто лучше или процессор какого производителя вам стоит выбрать. Всё зависит от конкретных потребностей и ряда задач, которые будут выполняться на данном процессоре. Внести немного ясности в процесс выбора как производителя, так и процессора должна наша статья «Какой процессор лучше: AMD или Intel?»

Сокет (Socket)

Сокет — это разъем подключения (программный интерфейс) для установки центрального процессора на материнскую плату. На английском языке он называется Socket. Сокет — это первый параметр, на который вам нужно обратить внимание при выборе центрального процессора. Существует большое количество сокетов и их модификаций. Например, если у вас есть материнская плата с сокетом LGA 1151, то и процессор должен быть с сокетом LGA 1151, так как процессор с другим сокетом попросту невозможно установить в сокет материнской платы LGA 1151.

Тактовая частота

Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ (Генератор технической частоты) и началом подачи следующего.

Исторически сложилась, что тактовая частота измеряется в мегагерцах (для тысячных исчислений используются гигагерцы). Под тактовой частотой следует понимать количество тактов или вычислений в секунду. Следовательно, чем выше тактовая частота процессора, тем больше тактов (операций) в секунду может выполнить центральный процессор.

В качестве примера: центральный процессор с тактовой частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион тактов (операций) в секунду.

У процессоров существует параметр как базовой частоты, так и турбочастоты.

Базовая частота подразумевает частоту, с которой центральный процессор готов обрабатывать операций в стандартном режиме или при отсутствии интенсивной нагрузки. Если базовой частоты становиться недостаточно, автоматически включается интерсивный (турборежим) режим работы, в котором за счет повышения напряжения, центральный процессор поднимает свою тактовую частоту до заявленных, максимальных значений, что позволяет увеличить общую производительности и скорость обработки команд (тактов).

Количество ядер

Ядро — является самой главной частью процессора. Это своеобразный «мозг», который обрабатывает все поступающие команды. Ядро может обрабатывать только один поток команд, следовательно, если в процессоре есть два ядра, ОС может распараллелить поток команд, и ядра будут обрабатывать отдельные потоки команд, что увеличивает общую производительность. Стоит отметить, чтобы процессор мог обрабатывать команды в нескольких потоках и на разных ядрах, сам код программы должен поддерживать многоядерность и многопоточность, в противном случае будет работать только одно ядро, и разницы в производительности вы попросту не увидите. К счастью, большинство современных приложений поддерживают и то, и другое.

Число потоков

Число потоков — это параметр, который отвечает за то, сколько потоков информации может обрабатывать одно ядро процессора.

В качестве примера: процессор Intel Core i3-4170 имеет 2 реальных физических ядра, каждое ядро способно обрабатывать команды в два потока, что при должной оптимизации со стороны программного обеспечения позволяет получить бюджетный аналог четырехъядерного процессора при наличии только двух физических ядер. К сожалению, не все модели процессоров имеют дополнительные потоки.

Кэш (L1, L2, L3)

Кэш-память не менее важный параметр при выборе процессора, чем все остальные. Кэш-память это область энергозависимого ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), в котором хранится информация, с которой центральный процессор работает в текущий момент или собирается работать в ближайшем будущем (или, возможно, уже отработал, но ему еще потребуется эта информация).

Использование кэш-памяти позволяет получить доступ к хранимой информации или командам мгновенно без участия в данном процессе оперативной памяти и связующей шины. Следовательно, чем больше кэш-памяти на различных уровнях имеет процессор, тем лучше.

Техпроцесс

Под словом «техпроцесс» следует понимать технологию, которая используется при производстве полупроводниковых элементов процессора. С уменьшением цифры техпроцесса уменьшается размер и толщина транзисторов, которые размещены в процессоре.

В качестве примера: AMD Ryzen 5 1600 имеет техпроцесс 12 нм, что, в свою очередь, означает, что размер используемых в нём транзисторов равен 12 нанометрам.

Тепловыделение (TDP)

В процессе работы процессор выделяет различное количество тепла. Чтобы исключить возможность перегрева, конструкторами был добавлен уникальный для каждого процессора параметр «тепловыделение (TDP)», с помощью которого можно рассчитать необходимое охлаждение для стабильной работы процессора.

Параметр «тепловыделение (TDP)» процессора означает, сколько ватт тепловой мощности выделяется при максимальной нагрузке на процессор. Например, заявленное тепловыделение AMD Ryzen 7 PRO 1700X равно 95 Вт, что означает, что вам потребуется охлаждение, которое сможет рассеять с поверхности процессора 95 Вт тепла.

Хоть многие и игнорируют этот параметр, но как минимум на него стоит обратить внимание и при выборе «горячего» процессора заложить в его стоимость соответствующий кулер, который сможет обеспечить должное охлаждение и поможет избежать чрезмерного нагрева и последующий переход в состояние троттлинга.

Троттлинг (от англ. throttling — удушение) — это естественный механизм защиты процессора, когда при интенсивной нагрузке он умышленно занижает свои рабочие параметры, чтобы избежать потенциального перегрева и, как следствие, выхода из строя.

Разрядность процессора

Под определением разрядности следует понимать количество бит информации, которые центральный процессор может обрабатывать за один такт. Если размер данных за один цикл равен 1 байту, то процессор является восьмиразрядным (8 bit). В случае если размер данных составляет 2 байта, такой процессор будет считаться шестнадцатиразрядным (16 bit). Для тридцатидвухразрядного (32 bit) и шестидесяти четырех разрядного (64 bit) процессоров размер данных будет равен 4 и 8 байтам, соответственно.

Тогда почему все тридцатидвухразрядные процессоры обозначаются как x86? Давайте попробуем прояснить ситуацию — аббревиатура или набор инструкций x86 получен в наследство от процессора Intel i8086 и ряда последующих моделей процессоров, в именовании которых использовалось значение 86.

Хотелось бы добавить, что тридцатидвухразрядные процессоры (32 bit) и операционные системы (Windows x86) не поддерживают более 4 Гб оперативной памяти. В то время как шестидесяти четырех разрядный процессор (64 bit) и ОС могут использовать до 16 Тб оперативной памяти.

Интегрированное графическое ядро

Конструкторы и разработчики процессоров научились умещать под защитной крышкой маленького процессора не только саму архитектуру процессора, но и отдельное графическое ядро, которое способно на аппаратном уровне имитировать внешнюю видеокарту.
И пусть интегрированное графическое ядро значительно уступает в производительности своим старшим братьям, внешним видеокартам, его производительности хватает, чтобы работать с большинством современных программ, к тому же такие интегрированные видеокарты вполне справляются с простыми и нетребовательными видеоиграми по типу Minecraft или Dota 2.

Стоит отметить, что не все модели процессоров имеют интегрированное графическое ядро, и если в ваш бюджет для сборки компьютера не входит покупка отдельной видеокарты, вам стоит обратить внимание на процессоры, которые имеют отдельное интегрированное графическое ядро, например AMD Athlon 3000G или Intel Celeron G5900.

Хранение информации — регистры и память

Как было сказано выше, процессор выполняет поступающие к нему команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями хранятся в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — это наименьшая ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить 1 бит информации.

Примечание. Триггеры перевода могут быть синхронными или асинхронными. Асинхронные могут изменить свое состояние в любой момент, а синхронные только при положительном/отрицательном фронте на входе синхронизации.

По своему функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет свое состояние при нулевом уровне на обоих входах и меняет его при установке в единицу на одном из входов (Reset/Set – Reset/Set).
• JK-триггер: Идентичен RS-триггеру, за исключением того, что при подаче единиц на два входа одновременно триггер меняет свое состояние на противоположное (режим счета).
• Т-триггер: переворачивает свое состояние каждый такт на своем единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние входа во время синхронизации. Асинхронные D-триггеры не имеют смысла.

Оперативная память не подходит для хранения промежуточных данных, так как это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отправляются в регистры на шине. Они могут хранить команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Что такое процессор и как он устроен

Центральный процессор (микропроцессор, центральное процессорное устройство, CPU, разг. – «проц», «камень») – сложная микросхема, являющаяся главной составной частью любого компьютера. Именно это устройство осуществляет обработку информации, выполняет команды пользователя и руководит другими частями компьютера.

Уже много лет основными производителями процессоров являются американские компании Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Есть, конечно, и другие производители, но до уровня указанных лидеров им далеко.

Intel и AMD постоянно борются за первенство в изготовлении все более производительных и доступных процессоров, вкладывая в разработки огромные средства и много сил. Их конкуренция — важный фактор, содействующий быстрому развитию этой отрасли.

Внешне центральный процессор не представляет собой ничего выдающегося – небольшая прямоугольная плата с множеством контактов с одной стороны и плоской металлической коробочкой с другой. Но внутри этой коробочки хранится сложнейшая микроструктура из миллионов транзисторов.

Как изготавливают процессоры. Что такое техпроцесс.

Основным материалом при производстве процессоров является самый обычный песок, а точнее сказать кремний, коего в составе земной коры около 30%. Из очищенного кремния сначала изготавливают большой монокристалл цилиндрической формы, который разрезают на «блины» толщиной около 1 мм.

Затем с использованием технологии фотолитографии в них создаются полупроводниковые структуры будущих процессоров.

Фотолитография чем-то напоминает еще не полностью забытый процесс печати фотографий с пленки, когда свет, проходя через негатив, действует на поверхность фотобумаги и проецирует на ней изображение.

При изготовлении процессоров своеобразной фотобумагой выступают упомянутые выше кремниевые «блины». Роль света играют ионы бора, разогнанные до огромной скорости высоковольтным ускорителем. Они пропускаются через специальные «трафареты» — системы высокоточных линз и зеркал, вкрапливаются в кремний и создают в нем микроскопическую структуру из множества транзисторов.

Сегодняшние технологии позволяют создавать транзисторы размером всего 5-6 нанометров (толщина человеческого волоса около 50000 нм). Со временем техпроцесс изготовления процессоров станет еще совершеннее. По прогнозам, транзисторы уменьшатся как минимум до 3 нм.

Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов можно поместить в один процессор, тем он будет производительнее и энергоэффективнее.

Созданная таким образом полупроводниковая структура вырезается из кварцевого «блина» и помещается на текстолит. На обратную его сторону выводятся контакты для обеспечения подсоединения к материнской плате. Сверху кристал защищается от повреждения металлической крышкой (см. рис. выше).

Понятие архитектуры, ядра, ревизии процессора

Процессоры прошли сложную эволюцию и сейчас продолжают развиваться. Производители совершенствуют не только техпроцесс изготовления, но и внутреннюю их структуру. Каждое новое поколение процессоров отличается от предыдущего строением, количеством и характеристиками входящих в их состав элементов.

Процессоры, в которых используются те же базовые принципы строения, называют процессорами одной архитектуры, а эти принципы — архитектурой (микроархитектурой) процессора.

В пределах одной архитектуры процессоры могут существенно отличаться — частотами системной шины, техпроцессом изготовления, размером и структурой внутренней памяти и некоторыми другими особенностями. О таких процессорах говорят, что они имеют разные ядра.

В рамках доработки одного ядра производители могут делать небольшие изменения с целью устранения мелких недочетов. Такие усовершенствования, которые «не тянут» на звание самостоятельных ядер, называют ревизиями.

Архитектурам, ядрам и ревизиям разработчики дают определенные названия. Например, компания Intel архитектурам и ядрам присваивает определенные имена, а их ревизиям – цифробуквенные обозначения. Так, все модели Intel Core 2 Duo являются процессорами микроархитектуры Intel Core и производились с ядрами Allendale, Conroe, Merom, Kentsfield, Wolfdale, Yorkfield. У каждого из этих ядер были еще и разные ревизии.

Введение в понятие компьютерный процессор

Приветствуем вас друзья! Сегодня разберём с вами такой интересный и важный вопрос, что такое процессор в компьютере. Более правильно называть его центральный процессор (ЦП, также ещё его называют чип, камень, проц. и так далее).

Итак, процессор – это главная микросхема, которая занимается обработкой и управлением основными процессами в компьютере. Более наглядно процессор называют мозгом персонального компьютера (ПК), по аналогии с человеческим мозгом, который также выполняет основную работу по обработке и управлению данными у нас.

ЦП очень важен для ПК, именно от него зависит, насколько быстро тот будет работать, осуществлять многие повседневные задачи. Хотя, конечно, в компьютере ещё есть несколько важных компонентов (оперативная память, видеокарта), которые также влияют на скорость работы всей системы.

Чтобы ПК мог постоянно идти в ногу со временем в скорости и производительности работы, то время от времени в нём меняют ЦП и другие детали. Более подробно об этом ниже.

Основные характеристики процессоров для ПК

• Количество вычислительных ядер. Количество вычислительных ядер определяет количество задач, которые процессор может выполнять параллельно. В настоящее время для настольных компьютеров используются процессоры с 1, 2, 4, 6 и 8 ядрами. При выборе процессора количество ядер нужно подбирать под конкретные задачи, которые будут выполняться на компьютере. Например, для работы с простенькими приложениями или пользования интернетом вполне достаточно 2-ядерного процессора, а для использования профессиональных графических программ или запуска требовательных игр понадобится 4- или 6-ядерный. Кроме этого, некоторые процессоры от Intel могут создавать по 2 виртуальных ядра на каждое реально существующее вычислительное ядро (технология Hyper-threading). Благодаря этому трюку удается более эффективно загружать ядро работой, а значит повысить производительность вычислительных ядер.
• Тактовая частота. Это количество операций, выполняемых за одну секунду. Данная величина измеряется в мегагерцах (МГц). Чем выше тактовая частота тем выше производительность каждого отдельно взятого вычислительного ядра.
• Разрядность. Этот параметр влияет на возможность исполнения процессором 32- либо 64-битных программ. Также разрядность влияет на доступный объем оперативной памяти, которая ограничена 4 Гб в 32-битных системах и 16 Гб – в 64-битных.
• Объём кэш–памяти. Кэш-память используется процессором для хранения данных, которые он регулярно использует. Благодаря кэш-памяти процессору нужно реже обращаться к оперативной памяти, которая работает значительно медленней.
• Технологический процесс. Техпроцесс это размер транзисторов в процессоре. Чем меньше техпроцесс, тем ниже энергопотребление процессора, а также его тепловыделение. Кроме этого уменьшение техпроцесса позволяет уместить больше транзисторов на той же площади кристалла, а значит повысить производительность процессора.
• Тепловыделение процессора (TDP). Данный параметр показывает, какое количество тепла система охлаждения должна отводить от процессора.
• Встроенный графический процессор. Обычно интегрируется в материнскую плату компьютера или в CPU. Благодаря встроенной графике можно собрать компьютер без отдельных плат видеоадаптеров, значительно сократив стоимость и энергопотребление системы.
• Сокет (Socket). Это специальный разъём на материнской плате, в который устанавливается процессор. Если сокет процессора и материнской платы не совпадает, то установить процессор не получится.

Процессор AMD FX с передней и тыльной стороны: