Урок 27Компьютер как средство обработки информации. Представление о микропроцессоре

# факты | Как работает процессор компьютера?

Вы читаете эти строки со смартфона, планшета или компьютера. Любое из этих устройств основано на микропроцессоре. Микропроцессор является «сердцем» любого компьютерного устройства. Существует много типов микропроцессоров, но все они решают одни и те же задачи. Сегодня мы поговорим о том, как процессор работает и какие задачи он выполняет. На первый взгляд все это представляется очевидным. Но очень многим пользователям было бы интересно углубить свои знания о важнейшем компоненте, обеспечивающем работу компьютера. Мы узнаем о том, как технология, основанная на простой цифровой логике, позволяет вашему компьютеру не только решать математические задачи, но и быть развлекательным центром. Как всего две цифры — единица и ноль — преобразуются в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие неоднократно задавали себе и будут рады получить на него ответ. Ведь даже в основе недавно рассмотренного нами процессора AMD Jaguar, на котором базируются новейшие игровые приставки, лежит та же древняя логика.

В англоязычной литературе микропроцессор часто называют CPU (central processing unit, [единым] модулем центрального процессора). Причина такого названия кроется в том, что современный процессор представляет собою единый чип. Первый микропроцессор в истории человечества был создан корпорацией Intel в далеком 1971 году.

Компьютер как средство обработки информации

Изучив эту тему, вы узнаете:

— каково назначение аппаратного обеспечения компьютера;
— каков состав базового комплекта компьютера;
— что означает понятие производительности компьютера.

Перед вами на столе установлен компьютер. Вы можете обратиться к нему за помощью, пообщаться с ним — иногда как с добрым или строгим учителем, иногда как с партнером в игре. Компьютер помогает вам в решении самых разных задач, учит, развлекает. При этом компьютер послушно выполняет ваши указания в виде определенных команд. Компьютер обладает чрезвычайно высокой по сравнению с человеческими возможностями скоростью работы, благодаря чему команды исполняются почти мгновенно.

Что же позволяет компьютеру так безукоризненно исполнять волю человека? Как устроен компьютер и из каких частей он состоит? Ответы на эти вопросы могут быть простыми или сложными в зависимости от того, как человек собирается его использовать.

В этом учебнике вы познакомитесь с устройством компьютера с точки зрения пользователей, чтобы уметь обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации (рисунок 16.1): ввод, хранение, преобразование, вывод.

Рис. 16.1. Основные этапы обработки информации

Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы. Совокупность технических устройств называют аппаратным обеспечением (англ. hardware — аппаратные средства).

Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации.

Отдельные части компьютера — блоки, связанные между собой с помощью различных устройств: электрических кабелей, разъемов, портов и т. п.

Из всего многообразия составных частей компьютера можно выделить минимально необходимый базовый комплект: устройство ввода информации — клавиатура, устройство вывода — монитор и отдельный блок, который называют системным. Эти устройства обеспечивают основные этапы обработки информации, отображенные на рисунке 16.1. С помощью клавиатуры человек вручную вводит информацию (данные и команды) в память компьютера. Монитор используется для отображения вводимых данных, а также для вывода на экран результатов обработки информации. Системный блок обеспечивает преобразование и хранение информации.

Наряду с клавиатурой и монитором при работе с персональным компьютером используется еще ряд устройств, не входящих в базовый комплект, но обеспечивающих ввод и вывод информации. Трудно, например, представить себе работу современного компьютера без маленькой помощницы — мыши, которая легко движется по коврику даже в руках неопытного пользователя.

Очень полезно иметь печатающее устройство — принтеру позволяющий распечатывать в считанные минуты текстовые, табличные, графические документы. Часто в комплект современного компьютера входят также сканер (устройство ввода информации с листа книги, журнала и т. п.), звуковые колонки, наушники, микрофон и др. Те, кто увлекается компьютерными играми, знают, что для управления ими часто используется джойстик.

Наличие этих и многих других устройств в составе компьютера позволяет использовать его в качестве универсального инструмента обработки разнообразной информации. В последующих темах вы более подробно познакомитесь с назначением и особенностями аппаратного обеспечения персонального компьютера.

Независимо от комплектации компьютера нас всегда будут интересовать характеристики его возможностей, которые также позволяют сравнивать компьютеры между собой. Одна из таких важнейших характеристик — производительность компьютера, которая приближенно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых за одну секунду (оп/с).

Производительность компьютера — характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации.

Контрольные вопросы

1. Как вы понимаете назначение компьютера?

2. Назовите основные этапы обработки информации компьютером.

3. Опишите основные этапы обработки информации с помощью обычного микрокалькулятора.

4. Что понимают под аппаратным обеспечением компьютера?

5. Что входит в базовый комплект персонального компьютера?

6. Каково назначение клавиатуры и монитора?

7. Перечислите известные вам устройства компьютера, не входящие в базовый комплект.

8. Что понимается под производительностью компьютера?

Из чего состоит CPU

Центральный процессор состоит из 3-х частей:

1. Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать, выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
• Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.

Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

1. Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на скорость выполнения запросов.
2. Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

Главной характеристикой процессора является производительность. Она зависит от двух параметров: тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает машина.

Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.

Характеристики процессора

Тактовая частота указывает частоту, на которой работает ЦП. За $1$ такт выполняется несколько операций. Чем выше частота, тем выше быстродействие ПК. Тактовая частота современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц): $1$ ГГц = $1$ миллиард тактов в секунду.

Для повышения производительности ЦП стали использовать несколько ядер, каждое из которых фактически является отдельным процессором. Чем больше ядер, тем выше производительность ПК.

Процессор связан с другими устройствами (например, с оперативной памятью) через шины данных, адреса и управления. Разрядность шин кратна 8 (т.к. имеем дело с байтами) и отличается для разных моделей, а также различна для шины данных и шины адреса.

Разрядность шины данных указывает на количество информации (в байтах), которое можно передать за $1$ раз (за $1$ такт). От разрядности адресной шины зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым может работать ЦП.

От частоты системной шины зависит количество данных, которые передаются за отрезок времени. Для современных ПК за $1$ такт можно передать несколько бит. Важна также и пропускная способность шины, равная частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за $1$. Если частота системной шины равна $100$ Мгц, а за $1$ такт передается $2$ бита, то пропускная способность равна $200$ Мбит/сек.

Пропускная способность современных ПК исчисляется в гигабитах (или десятках гигабит) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше. На производительность ЦП влияет также объем кэш-памяти.

Данные для работы ЦП поступают из оперативной памяти, но т.к. память медленнее ЦП, то он может часто простаивать. Во избежание этого между ЦП и оперативной памятью располагают кэш-память, которая быстрее оперативной. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш, а затем в ЦП. Когда ЦП требует следующее данное, то при наличии его в кэш-памяти оно берется из него, иначе происходит обращение к оперативной памяти. Если в программе выполняется последовательно одна команда за другой, то при выполнении одной команды коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно ускоряет работу, т.к. ожидание ЦП сокращается.

Существует кэш-память трех видов:

• Кэш-память $1$-го уровня самая быстрая, находится в ядре ЦП, поэтому имеет небольшие размеры ($8–128$ Кб).
• Кэш-память $2$-го уровня находится в ЦП, но не в ядре. Она быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $1$-го уровня. Размер от $128$ Кбайт до нескольких Мбайт.
• Кэш-память $3$-го уровня быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $2$-го уровня.

От объема этих видов памяти зависит скорость работы ЦП и соответственно компьютера.

ЦП может поддерживать работу только определенного вида оперативной памяти: $DDR$, $DDR2$ или $DDR3$. Чем быстрее работает оперативная память, тем выше производительность работы ЦП.

Следующая характеристика – сокет (разъем), в который вставляется ЦП. Если ЦП предназначен для определенного вида сокета, то его нельзя установить в другой. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для ЦП и он должен соответствовать типу этого процессора.

Выбор процессора

Теперь, когда мы узнали все основы и четко понимаем, что такое тактовая частота и техпроцесс или почему количество ядер не стоит путать с количеством потоков, нам осталось выбрать подходящий центральный процессора для нашего компьютера.

К сожалению, здесь тоже всё не так просто.

Вот небольшой пример — если Intel Core i3-8100 будет идеальным решением для офиса (работа в Microsoft Office, 1С, почтовыми программами и т. д.), то он едва ли сможет обеспечить стабильный FPS в современных и требовательных играх.

Как не запутаться в таком обилии и разнообразии различных центральных процессоров и выбрать подходящий процессор именно вам? В этом сложном вопросе вам поможет наша статья «Как выбрать процессор для компьютера? Какой процессор лучше: AMD или Intel?», в которой мы постарались доходчиво разобрать все основные моменты, связанные с выбором центрального процессора.

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.

Описание центрального процессора

Итак, с видами ЦП и их отличительными особенностями мы разобрались, пора переходить к описанию самого изделия и разобраться в том, что это такое. Для простоты понимания разобьём его на несколько пунктов, выделяя в них ключевые особенности изделия:

1. Назначение ЦП;
2. Его строение;
3. Базовые характеристики;

С их помощью мы разберемся как работает процессор и как он устроен.

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.