Процессор — что это такое и как работает ЦП

Для чего служит процессор в компьютере. За что отвечает процессор в компьютере

У начинающих компьютерных специалистов часто возникает вопрос: «Что такое ЦП и как он выглядит?» За этой аббревиатурой скрывается словосочетание «центральный процессор». Некоторые по ошибке считают, что это системный блок. На самом деле под данным термином подразумевается главная микросхема компьютера. Она устанавливается в разъем материнской платы и отвечает за выполнение вычислений.

Для начала разберемся с тем, что такое ЦП, и как он выглядит. Как было сказано ранее, это главная микросхема в компьютере. С одной стороны на ней установлен металлический кожух. Он обеспечивает ее защиту и отвод тепла. Также на нее нанесена маркировка процессора и его модель. С другой располагаются ножки, которыми она устанавливается в разъем материнской платы. Еще один важный момент — вставить чип можно только одним способом. Во всех остальных случаях он просто не войдет в сокет.

Что такое центральный процессор ЦП

Процессор (центральные процессорное устройство, ЦП, ЦПУ) — это электронная схема, которая обрабатывает и выполняет машинный код программного обеспечения на определенном устройстве. Осуществляет выполнение всех операций ввода и вывода, которые посылает ему программа.

Чаще всего центральный процессор вы можете увидеть в компьютерах, ноутбуках и мобильных устройствах. Но, они есть и в другой технике, например, в телевизорах.

Современные ЦП чаще всего представляют собой одну микросхему, размещенную на плате/чипе. Существует их множество разных видов, сейчас популярны и востребованы многоядерные модели, это когда на одном чипе находится сразу несколько процессоров.

Основные компоненты:

• АЛУ — Арифметико-логическое устройство. Осуществляет выполнение всех арифметических и логических данных, регистров, которые попадают сюда от операндов.
• Регистры. В них хранится текущая операция, промежуточные и финальные результаты вычислений АЛУ.
• Блок управления. Занимается координацией работы всех узлов ЦП, управляет его работой.
• Кэши данных и команд. В них хранятся часто используемые команды.

Термин «Процессор» использовался еще в 1 995 году, применяли его для обозначения вычислительных машин, которые выполняли сложные компьютерные программы. Первые ЦП делали для решения специфических задач, они были узкоспециализированными, но затем начали делать многоцелевые процессоры, которыми мы сейчас и пользуемся.

Как работает процессор

Центральный процессор выполняет команды, которые указывает ему программа, находящаяся в оперативной памяти. Обработка данных происходит так:

1. Оперативная память отправляет команды ЦП — в его КЭШ, откуда они уходят в блок управления.

2. Эти данные делятся на два вида и отправляются в регистры — значения в регистры данных и инструкции в регистры команд.

3. АЛУ обрабатывает данные из этих регистров и, затем также разделяет их на два вида — законченные и незаконченные, они идут обратно в регистры.

4. В кэше происходит их обработка, незаконченные и неиспользованные попадают в нижний регистр, а после обработки в верхний. Оттуда все отправляется в ОЗУ компьютера.

Все это кратко, как это выглядит графически, смотрите на скриншоте выше.

Схема работы процессора

Выше уже было сказано, что центральный процессор (ЦП ) работает в связке с ОЗУ.

Принцип функционирования микросхемы:

Когда на компьютере запущено какое-либо приложение, процессор получает данные порциями, состоящими из информации и перечня команд. Они загружаются из ОЗУ в память процессора (кэш ).

Полученные данные сортируются (два типа: инструкции, информация), поступают на определенные регистры (ячейки памяти CPU).

Все арифметические и логические преобразования выполняются специальным арифметическо-логическим модулем.

Полученные результаты загружаются обратно в кэш-память ЦП, при этом последняя состоит из нескольких уровней. Некоторые данные могут потребоваться для последующих циклов вычислений. Они остаются в кэше определенного уровня. Остальные данные передаются по каналу связи на ОЗУ.

Описанные выше операции выполняются миллионы раз в секунду. Производительность процессора обусловлена его возможностью выполнять огромное число простейших инструкций за очень малые промежутки времени.

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.

Вычислительный конвейер

Так как ядро процессора — это конвейер, все операции через стандартные этапы. Их всего четыре штуки и они очень простые. По-английски называются: Fetch, Decode, Execute, Write-back.

1. Fetch — получение
2. Decode — раскодирование
3. Execute — выполнение
4. Write-back — запись результата

Сначала задача загружается, потом раскодируется, потом выполняется и, наконец, куда-то записывается результат.

Чем больше инструкций можно будет загрузить в конвейер и чем меньше он будет простаивать, тем в итоге будет быстрее работать компьютер.

Как работают ядра процессора

В старые времена вычислительной техники компьютерный процессор имел бы одно ядро. Это означает, что он мог одновременно выполнять только один набор инструкций. Аппаратные инженеры раздвинули этот предел, и сегодня многоядерные процессоры стали стандартом. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер, поэтому они могут выполнять разные инструкции одновременно.

Большинство компьютеров сегодня имеют от двух до четырёх ядер. Вы часто слышите, что эти настройки называются «двухъядерными» и «четырехъядерными» соответственно. Некоторые процессоры имеют до 12 ядер, в зависимости от их назначения. Чем больше ядер у ЦП, тем больше инструкций может интерпретировать процессор.

Многоядерные процессоры — это просто два или более процессора на одном кристалле. Четырехъядерный процессор — это четыре процессора, всё на одном кристалле. Затем они связываются, чтобы они могли работать вместе.

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.

Что такое процессор компьютера

Вся суть в том, что центральный процессор (его полное название) – как говорят, самое настоящее сердце и одновременно мозг компьютера. Пока он работает, работают и все остальные составляющие системного блока и подключенная к нему периферия. Он отвечает за обработку потоков различных данных, а также регулирует работу частей системы.

Более техническое определение можно найти в Википеди:

Центральный процессор — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

В жизни ЦПУ имеет вид небольшой квадратной платы размером со спичечный коробок толщиной в несколько миллиметров, верхняя часть которого как, как правило, прикрыта металлической крышкой (в настольных версиях), а на нижней расположено множество контактов. Собственно, дабы не распинаться, посмотрите следующие фотографии:

Без команды, отданной процессором, не может быть произведена даже такая простая операция, как сложение двух чисел, или запись одного мегабайта информации. Все это требует немедленного обращения к ЦП. Что уж до более сложных задач, таких как запуск игры, или обработка видео.

К словам выше стоит добавить, что процессоры могут выполнять и функции видеокарты. Дело в том, что в современных чипах отведено место для видеоконтроллера, который выполняет все необходимые от нее функции, а как видеопамять использует ОЗУ. Не стоит думать, что встроенные графические ядра способны конкурировать с видеокартами хотя бы среднего класса, это больше вариант для офисных машин, где мощная графика не нужна, но все же потянуть что-то слабое им по зубам. Главным же достоинством интегрированной графики является цена – все же отдельную видеокарту покупать не нужно, а это существенная экономия.

Будущее — за ARM? И при чем тут Apple

Несколько десятилетий назад еще не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня» вроде Python, так что все команды приходилось писать машинным кодом, и каждая подобная команда обозначала какую-либо инструкцию для процессора. В общем, процесс трудоемкий, а главное, громоздкий — каждая программа получалась очень большой и трудночитаемой.

Такой подход назвали RISC (Reduced Instruction Set Computing), то есть компьютер с ограниченным набором команд. С совершенствованием технологий RISC начали развивать двумя способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первая рассчитана на «взрослые» и производительные компьютеры с процессорами от тех же Intel или AMD, которые умеют исполнять инструкции на базе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть вычислительная машина со сложным набором команд), вторая — на относительно небольшие мобильные устройства с низким потреблением энергии, исполняющие усовершенствованные и более простые инструкции RISC.

Если еще немного упростить: говорим CISC — имеем в виду «классические» процессоры от компаний Intel или AMD, говорим RISC — подразумеваем варианты мобильных «систем на чипе», как у Apple или Samsung. Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, производителю необходимо самому придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и сделать свой процессор с этой архитектурой, изменив компоновку и добавив другие модули.

Сложность в том, что программы, созданные для CISC (то есть x86, больших настольных процессоров), не способны прочитаться RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени просто так запустить на компьютере программу, созданную для смартфона, не получалось.

Решение Apple перейти в компьютерах на ARM-чипы, схожие с применяющимися в iPhone и понимающие инструкции для RISC-процессоров, называют революционным благодаря тому, что компания отыскала программный способ заставить их читать софт, созданный для старых процессоров Intel под архитектуру x86. То есть компьютеры Apple последнего поколения с фирменными чипами M1 на ARM-архитектуре универсальны и берут лучшее от двух миров: производительность, энергоэффективность и возможность чтения программ, созданных для устройств обоих типов.

Пойдут ли по такому пути другие гиганты вроде Intel и AMD? Пока однозначно утверждать это нельзя. Все же их «классические» CPU показывают не меньшую, а то и бо́льшую пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте, как правило, предназначены для компьютеров под управлением операционной системы Windows, а схожую работу по оптимизации ОС таким образом, чтобы она могла читать программы для обеих архитектур, в Microsoft еще не провели.

14.2″ 3024 x 1964 IPS, 120 Гц, несенсорный, Apple M1 Pro (8 ядер), 16 ГБ, SSD 512 ГБ, видеокарта встроенная, Mac OS, цвет крышки серебристый