Vienas iš svarbiausių kompiuterio elementų yra procesorius, atsakingas už kompiuterio greitį. Bėgant metams įvykusi techninė pažanga lėmė tai, kad buvo galima sujungti į vieną ištisus milijardus tranzistorių, rodančių vaizdus ekrane.
Kompiuterių galimybės yra labai didelės. Tačiau nesvarbu, kokiais tikslais kompiuteris bus naudojamas, visa tai yra procesoriaus rezultatas. Procesorius renka komandas iš vartotojo ir programų, jas apdoroja ir siunčia į reikiamus kompiuterio elementus. Procesorius gali būti vadinamas kompiuterio smegenimis. Tai yra valdymo centras, kuris nuolat gniuždo skaičius, kad atliktų užduotis.
Komponentai
Šiuolaikiniame procesoriuje yra kelių tipų įranga. Pavaros skirtos skaičiavimams atlikti. Norint užtikrinti, kad vykdomoji įranga teisingai atpažintų komandas ir apdorotų informaciją, reikalingi valdikliai.
Registrai skirti tarpinėms sumoms saugoti. Beveik visose instrukcijose naudojama registro informacija. Informacinė magistralė atlieka procesoriaus sujungimo su likusia kompiuterio įranga funkcijas. Būtent magistralė perduoda failus į centrinį procesorių ir rodo skaičiavimų rezultatus.
Procesoriaus talpykla reikalinga tam, kad CPU galėtų greitai pasiekti dažnai naudojamas komandas ir failus. Tai greičio atmintis, esantis centrinio procesoriaus mikroschemoje. CPU taip pat yra papildomų modulių, kurie reikalingi specialiems skaičiavimams.
Dažnis
Kompiuterio greitis yra tiesiogiai susietas su centrinio procesoriaus dažniu,
kuris matuojamas megahercais. Centrinio procesoriaus ir magistralių impulsus sukuria laikrodžio generatorius, kurio pagrindas yra kvarcinis rezonatorius, esantis pagrindinėje plokštėje. Pagrindinis rezonatoriaus elementas yra kvarco kristalas, kuris įmontuotas į skardinį rėmą.
Esant įtampai, kristale atsiranda elektrinių virpesių. Jų dažnis skiriasi priklausomai nuo kristalo formos ir dydžio. Tada signalas perduodamas į generatorių, kur jis paverčiamas vieno ar kelių dažnių užsakytais impulsais, jei magistralės yra skirtingų dažnių.
Laikrodžio dažnis skirtas sinchronizuoti visus kompiuterio elementus. Tai reiškia, kad siuntimo įranga turi veikti sinchroniškai su priimančia įranga. Tai galima pasiekti, kai visa įranga veikia vienu signalu, kuris sujungia visus elementus ir leidžia gauti vieną visumą.
Mažiausias procesoriaus laiko vienetas yra laikrodžio ciklas. Bet koks veiksmas reikalauja bent vieno smūgio. Keitimasis informacija su RAM vyksta keliais laikrodžio ciklais, kurie taip pat apima tuščiosios eigos ciklus.
Skirtingoms komandoms reikia savo laikrodžio ciklų skaičiaus, todėl kompiuterių palyginimas tik pagal dažnį nėra visiškai tinkamas sprendimas. Turėdami vienodus parametrus, galite palyginti kompiuterius pagal dažnį. Tačiau tai turi būti daroma labai atsargiai, nes tam įtakos gali turėti įvairūs veiksniai. Dėl to gali pasirodyti, kad kompiuteris su žemesniu dažniu veiks greičiau nei kompiuteris su aukštu dažniu.
Nuo ko dar priklauso procesoriaus našumas?
Daugeliu atvejų tai lemia komponentų, kurie nedelsiant apdorojami, bitų gylis. Procesorius apima tris pagrindinius elementus, kurių pagrindinis rodiklis yra bitų sparta. Tai yra informacijos mainų magistralė, įmontuoti registrai ir atminties adresų magistralė.
Kiek galite padidinti dažnį?
Greitis CPU veikimas gali būti lengvai padidintas didinant dažnį. Tačiau nepamirškite, kad lustas gali perkaisti. Didėjant dažniui, didėja procesoriaus energijos sąnaudos ir kaitinimas. Be to, padidinus dažnį, gali padidėti elektromagnetinių trukdžių laipsnis. Kitaip tariant, padidinus dažnį, procesoriaus našumas nepadidės.
Duomenų magistralė
Tai ryšiai, skirti keistis informacija. Iš karto į magistralę patenkančių signalų skaičius turi įtakos duomenų, kurie gali judėti per tam tikrą laiką, kiekiui. Norint geriau suprasti, padangos galią galima palyginti su keliu su juostelėmis. Didesnis skaičius didėja pralaidumas.
Autobuso plotis
Kaip minėta aukščiau, šis parametras gali būti vaizduojamas kaip greitkelis. Jei bus tik viena eismo juosta, pralaidumas bus prastas. Norėdami padidinti pajėgumą, turite pridėti daugiau eismo juostų į abi puses. 16 bitų magistralė gali būti pavaizduota kaip dviejų juostų magistralė, nes magistralė per tam tikrą laiką gali perduoti du baitus duomenų.
Adresų autobusas
Šis elementas yra jungčių rinkinys, kuriuo juda atminties skyriaus adresas, kuriame įvedama ir nuskaitoma informacija. Pagal informacijos magistralės principą, čia kiekvienas ryšys turi vieną adreso bitą, kuris atitinka vieną skaitmenį. Didėjant ryšiams, procesoriui lieka daugiau atminties skyrių.
Adresų magistralę galima įsivaizduoti kaip pastatų numeravimo sistemą. Juostelių skaičius autobuse atitinka skaitmenų skaičių pastato numeryje. Jei pastato numeryje leidžiama sudaryti ne daugiau kaip 2 skaitmenis, pastatų skaičius bus ne didesnis kaip šimtas. Jei į skaičių įterpsite vieną skaičių, adresų skaičius padidės iki 103. Kompiuteryje jis naudojamas dvejetainė sistema skaičiavimai, todėl atminties langelių skaičius yra 2.
Adresų ir informacijos magistralės nepriklauso viena nuo kitos, todėl kūrėjai savo nuožiūra nustato bitų gylį. Šis rodiklis yra vienas iš svarbiausių. Pasirodo, bitų skaičius duomenų magistralėje nustato duomenų kiekį, kurį CPU gali apdoroti per vieną laikrodžio ciklą, o adresų magistralės bitų dydis yra atminties, kurią jis gali apdoroti, dydis.
Integruoti registrai
Duomenų kiekis, kurį CPU gali apdoroti per tam tikrą laiką, yra integruotų registrų kiekis. Tai labai didelės spartos procesoriaus RAM, kurią naudojant galima išsaugoti informaciją ir tarpinius klaidingų skaičiavimų rezultatus. Pavyzdžiui, centrinis procesorius galės pridėti dviejų registrų numerius ir perkelti atsakymą į trečiąjį.
Kodėl procesorius įkaista?
Kiekviename procesoriuje yra daug mažų tranzistorių. Jų skaičius turi įtakos laikrodžio dažniui ir energijos suvartojimui. Nešiojamųjų kompiuterių procesoriai sunaudoja mažai energijos. Kompiuterių procesoriai gali sunaudoti eilės tvarka daugiau. Dėl to susidaro didelis kiekis šilumos, kurią reikia pašalinti iš procesoriaus. Norėdami tai padaryti, turite naudoti specialią aušinimo sistemą.
Yra keletas būdų, kaip sumažinti energijos suvartojimą. Kai kurie moduliai gali išsijungti, sumažėti dažnis ir įtampa, kai sumažėja procesoriaus apkrova. Taip pat galite sumažinti procesoriaus komponentus. Tačiau ploni elementai turi didelį trūkumą - juose atsiranda nuotėkių ir trukdžių. Taip susidaro šiluma.
Be to, galima naudoti šiuolaikines medžiagas. Taip pat yra procesorių, kurie veikia žema įtampa. Šiuo atveju galios pokytis tiesiogiai priklauso nuo įtampos. Sumažinus įtampą 10%, energijos suvartojimas sumažėja 20%.
Kaip padidinti procesoriaus našumą?
Norint padidinti skaičiavimų greitį, galima naudoti kelias technologijas. Būtina paspartinti prieigą prie RAM ir atminties. Jei centrinis procesorius greitai gauna informaciją ir komandas iš atminties, tada prastovoms bus skiriama mažiau laiko. Pasirodo, greitoji magistralė padidina kompiuterio greitį.
Taip pat būtina turėti didelės spartos talpyklą. Procesoriai išsaugo savo skaičiavimų rezultatus savo atmintyje. Talpyklos dažnis yra lygus procesoriaus dažniui, todėl veikia greičiau nei RAM.
Dauguma procesorių turi tris talpyklos lygius. L1 lygis yra greičiausias, bet mažiausias. L2 ir L3 lygiai yra daug didesni, tačiau tuo pat metu jie dirba žymiai mažesniu greičiu, tačiau vis tiek veikia greičiau nei RAM. Informacija ir komandos greitai perkeliamos iš talpyklos, kuri maksimaliai apkrauna procesorių, o laukiant duomenų iš operatyviosios atminties nereikia leistis tuščiąja eiga.
Jei procesoriui nepakanka talpyklos, jis veikia su RAM arba kietuoju disku, o tai žymiai sumažina kompiuterio našumą. Pasirodo, didelis atminties dydis yra labai svarbus parametras.
Konvejerio apdirbimas. Norėdami padidinti komandų vykdymo greitį, procesoriai juose sukuria konvejerius, kuriuose tvarkingai vykdomi užsakymai įvairiuose procesoriaus elementuose. Orumas šis metodas Esmė ta, kad naudojant konvejerį procesorius per tam tikrą laikotarpį vykdo ne tik vieną komandą, o kelias – tiek, kiek konvejeras suprojektuotas.
Dujotiekio ilgis turi įtakos laikrodžio dydžiui. Tačiau ilgas konvejeris ne visada yra privalumas, nes jei apdorojant kodą įvyksta išankstinio pakrovimo klaida ar kokia nors situacija, procesorius turės išplauti visus duomenis iš konvejerio ir vėl įkelti, o tai padidina veikimo laiką.
Be to, galite naudoti išankstinį komandų ir informacijos gavimą. Šiuo atveju, vykdydamas komandą, procesorius bando numatyti kitas komandas. Tai leidžia dujotiekiui įkelti greičiau, nes nereikia laukti, kol bus vykdomos ankstesnės komandos. Jei pasirinktos komandos pasirodo neteisingos, reikia dar kartą ieškoti reikiamų komandų ir informacijos, o dujotiekis visiškai išvalomas ir vėl įkeliamas.
Lygiagretusis skaičiavimas. Šiuolaikiniai kompiuteriai gali turėti kelis branduolius, kurie operacinėje sistemoje gali sukurti kelių procesorių imitaciją. Jei kompiuterio programa gali palaikyti lygiagrečius skaičiavimus, jie gali būti vykdomi nedelsiant. Bet kelių branduolių procesoriai turi tam tikrą trūkumą - didelis energijos suvartojimas, dėl kurio greitai ir stipriai šildomas, o tam reikia geros aušinimo sistemos.
Taip pat svarbūs algoritmai dirbant su daugialypės terpės turiniu. Daugeliu atvejų šie algoritmai veikia SIMD principu. Procesoriai su šia technologija gali greitai apdoroti informaciją, kuriai reikia pakartotinai vykdyti tas pačias komandas. Tai tinka vaizdo įrašų atkūrimui ir grafikos apdorojimui.
Kaip tai vis dėlto veikia?
Verta pagalvoti, kaip veikia procesorius. Žemiau bus šio proceso aprašymas, tačiau jis bus supaprastintas, nes bus nurodytos tik didelių elementų funkcijos be techninių savybių.
Procesorius pradeda veikti, kai gauna komandą. Paėmimo įrenginys, turėdamas supratimą apie instrukcijos vietos adresą, bando jį rasti pirmojo lygio talpykloje. Jei jo trūksta, jis pereina į antrojo lygio talpyklą, kurios dydis yra didesnis nei pirmasis. Jei čia taip pat trūksta, tada jis pereina į trečiąjį talpyklos lygį. Jei komandos nėra, tada CPU įkelia ją iš RAM per magistralę, įdėdamas į visas talpyklas. Tuo pačiu principu įkeliama komandai vykdyti reikalinga informacija.
Tada komanda, padedama mėginių ėmimo skyriaus, pereina į koduotoją. Šis mazgas reikalingas didelėms komandoms padalinti į didelis kiekis mažesnė, o kiekviena operacija vykdomuosiuose įrenginiuose bus atliekama per vieną laikrodžio ciklą. Dekoderis perkelia baigtą smulkių veiksmų eilę į dekoduotų komandų atmintį.
Be to, gavimo blokui reikia dar vienos komandos. Norint išsiaiškinti, kur gauti kitą komandą ir jos informaciją, naudojamas išankstinio iškvietimo blokas. Išanalizavęs veiksmų tvarką, jis gali nustatyti kitą komandą.
Tada planuotojas iš dekoduotų komandų atminties pasirenka kelias operacijas ir nustato jų tvarką. Jei kai kurių instrukcijų skaičiavimai neturi įtakos kitų rezultatams, jie gali būti vykdomi lygiagrečiai vykdomais įrankiais. CPU branduolyje yra gana daug panašių modulių.
Šiame etape gali būti aptikta išankstinio gavimo klaida. Pavyzdžiui,
atliekamas veiksmas yra sąlyginė šuolio komanda, tada išankstinio iškvietimo blokas, neturėdamas galimybės sužinoti registro reikšmės komandos vykdymo metu, klaidingai daro prielaidą, kad šuolis buvo įvykdytas ir pateikimo blokui suteikia neteisingą adresą kita instrukcija.
Panaši situacija susidaro su išankstiniu informacijos gavimu. Jei vykdant informacijos įkėlimo komandą registrų su informacijos adresu reikšmės skiriasi nuo išankstinio gavimo momento, atsiras klaida, nes talpykloje yra neteisingi failai.
Po to dujotiekis nustatomas iš naujo ir mėginių ėmimo bloko iš naujo prašoma komandos, kuri buvo prieš gaunant klaidą. Nustačius iš naujo ir kitą dujotiekio įkėlimą, pailgėja komandų apdorojimo laikas. Jei veikimo metu įvyksta daug išankstinio gavimo gedimų, procesoriaus našumas žymiai sumažėja. Tačiau šiuolaikiniuose procesoriuose išankstinis gavimas veikia 95% efektyvumu.
Jei komanda išeinant iš dujotiekio vykdoma teisingai, gautas rezultatas išsaugomas talpykloje ir perkeliamas į procesoriaus RAM.
Iš esmės tai yra viskas, ką paprastas vartotojas turi žinoti apie procesorius ir jų veikimo principus.
Kaip procesorius veikia kompiuteryje?
Kai paspaudžiate klavišą, elektros signalas eina per laidininkus į klaviatūros valdiklį. Tai aišku bet kam. Bet tada ateina pati sunkiausia dalis. Toliau, norint suprasti procesų esmę, būtina įvesti pertraukimo sąvoką. Pertraukimas yra signalo siuntimo procesoriui procesas, kad jis pasiruoštų reaguoti į šį signalą. Procesorius, gavęs šį signalą, sustabdo esamą operaciją ir įvykdęs pertraukimo komandą grįžta į ją. Pertraukimai gali kilti iš skirtingi įrenginiai arba programos: diskas, Windows sistemoje veikianti programa, klaviatūra ir pelė ir kt. Pertraukimo mechanizmo įgyvendinimas yra neatsiejama procesoriaus architektūros dalis.
Bet grįžkime prie savo avių. Taigi, paspausdami klavišą, mes siunčiame signalą iš klaviatūros vienoje iš 16 šio pertraukimo užklausų eilučių, kurios vadinamos „irks“ ( IRQ– nutrūkusios užklausos eilutės). Beje, septyni iš jų nuolat stebi šiam mechanizmui skirtus sistemos komponentus, tarp jų ir klaviatūrą (tiksliau – jos valdiklį). Ir toliau...
- Valdiklis perduoda signalą į posistemį, vadinamą pertraukimo valdikliu, kuris veikia kaip karinio štabo viršininkas, nuolat stebi procesoriaus trukdymo procesą su 256 galimų tipų pertraukimais, kuriems reikia CPU dėmesio.
- Kitos elektros pertraukimo grandinės stebi I/O magistralę, kurioje yra kompiuterio išplėtimo lizdai. Beje, išplėtimo kortelės, kurias galima įdiegti arba naudoti tą pačią „irką“, nes užklausos į šias korteles arba iš šių lizdų bus valdomos naudojant „Plug and Play“ funkciją (apie tai šiek tiek vėliau).
- Tada pertraukimo valdiklis siunčia signalą į vieną iš kaiščių, išsikišusių iš procesoriaus pagrindo. Šis kontaktas turi savo pavadinimą - INTR(InterrupT Request) ir dažnai naudojamas tokiems pertraukimo signalams. Beje, ant procesoriaus „pilvo“ yra dar vienas kontaktas, vadinamas NMI (NonMaskable Interrupt - nemaskuojamas pertraukimas - tai aukšto lygio aparatinės įrangos pertraukimas, kurio negalima užmaskuoti ar išjungti (pavyzdžiui, nutraukti, kai dingsta maitinimas arba kai paspaudžiami brangūs klavišai, kai tai įvyksta procesorius visada nutraukia einamąjį darbą).
- Procesorius sustabdo dabartinį darbą, įrašydamas pertrauktą užduotį į sritį, vadinamą kaminu. Tada ši atminties sritis arba adresas primins procesoriui, kad ši užduotis yra eilėje vykdyti.
- CPU patikrina kitą kaištį, kad pamatytų, kurį mygtuką paspaudėte. Tačiau prieš pamatant ekrane paspausto mygtuko arba klavišo poveikį, procesorius patikrins atminties dalį, vadinamą pertraukimo deskriptorių lentele ( IDT). Tiksliau sakant, CPU vienai iš ląstelių išduoda tam tikras instrukcijas IDT, kuris yra susietas su mūsų paspaustu klavišu. Iškart po to, instrukcija, vadinama pertraukimo paslaugų rutina (ISR), tiesiog nurodo procesoriui, ką jis turėtų daryti, kai paspaudžiame šį nelemtą klavišą. Beje, šis sudėtingas kelias leidžia pakeisti įprastas instrukcijas (paprasčiausiai parodyti paspaustą klavišą ekrane) operacijomis, būdingomis vykdomajai programai (klavišas S Worde tai lotyniška s, o žaidime - judėjimas atgal arba „pritūpimas“).
- Taigi, ISR baigė savo darbą ir siunčia nurodymą procesoriui RET(grįžimas iš pertraukimo). Jis ragina procesorių grįžti prie atidėtos užduoties. CPU pasiekia atminties adresą ir toliau veikia pagal paskutinę laukiančios užduoties nurodymą.
Taip veikia procesorius, kai įvedate vieną raidę bet kuriame redaktoriuje.
Sveiki, mieli skaitytojai! Žodžiu, kiekvienas pasitikintis kompiuterio vartotojas ar nešiojamojo kompiuterio savininkas ne kartą susimąstė, kaip viduje veikia procesorius? Tikriausiai daugelis nustebs sužinoję, kad bet kurio „akmens“ struktūros pagrindas Asmeninis kompiuteris arba nešiojamajame kompiuteryje dominuoja tikri akmenys ir uolos.
Šiandien mes pabandysime išsiaiškinti, kaip atrodo struktūra modernus procesorius ir kodėl tai veikia pagrindinis elementas bet koks kompiuteris.
Iš ko susideda šiuolaikinis mikroprocesorius?
Procesoriaus struktūrą šiandien sudaro šie pagrindiniai elementai:
- Tiesą sakant,. Svarbiausia dalis – įrenginio širdis, kuri dar vadinama šiuolaikinio mikroprocesoriaus kristalu arba akmeniu. Šerdies charakteristikos ir naujumas tiesiogiai lemia mikroprocesoriaus įsijungimą ir efektyvumą.
- Laikinoji atmintis yra maža, bet labai informatyvi talpykla, esanti tiesiai procesoriaus viduje. Naudojamas mikroprocesoriaus, kad žymiai sutrumpėtų prieigos prie kompiuterio pagrindinės atminties laikas.
- Specialus koprocesorius, kurio dėka jie gaminami sudėtingos operacijos. Toks koprocesorius labai išsiplečia funkcionalumą bet koks modernus mikroprocesorius ir yra jo sudedamoji dalis. Yra situacijų, kai koprocesorius yra atskiras lustas, tačiau daugeliu atvejų jis yra įmontuotas tiesiai į kompiuterio mikroprocesorių.
Pažodžiui analizuojant kompiuterio procesorius diagramoje matome šiuos konstrukcinius elementus: 
- Viršutinis metalinis dangtelis naudojamas ne tik apsaugoti "akmenį" nuo mechaninių pažeidimų, bet ir pašalinti šilumą.
- Tiesiogiai, kristalas ar akmuo ir brangi bet kurio kompiuterio mikroprocesoriaus dalis Kuo sudėtingesnis ir tobulesnis toks akmuo, tuo greitesnis bet kurio kompiuterio „smegenų“ darbas.
- Specialus substratas su kontaktais kitoje pusėje užbaigia mikroprocesoriaus dizainą, kaip parodyta paveikslėlyje. Būtent dėl šios galinės pusės konstrukcijos išorinė sąveika su centriniu „akmeniu“ yra neįmanoma tiesiogiai paveikti paties kristalo. Visa konstrukcija sulaikoma naudojant specialų klijų sandariklį.
Kaip visa tai veikia?
Bet kurio procesoriaus logika paremta tuo, kad visi kompiuterio duomenys yra saugomi bitais, specialiomis informacinėmis ląstelėmis, pavaizduotomis 0 arba 1. Pabandykime išsiaiškinti, kas vyksta, kaip iš jų ekrane pasirodo spalvingi filmai ir įdomūs kompiuteriniai žaidimai. nuliai ir vienetai?
Visų pirma, reikia suprasti, kad dirbdami su elektronika bet kokią informaciją gauname įtampos pavidalu. Virš tam tikros reikšmės gauname vienetą, žemiau tam tikros vertės gauname nulį. Pavyzdžiui, kambaryje įjungta šviesa yra viena, o išjungta – nulis. Kita hierarchija, kurios dėka gaunami sudėtingesni elementai, yra baitas, susidedantis iš aštuonių bitų. Dėl tų pačių baitų galime kalbėti ne tik apie tai, ar kambaryje įjungta ar išjungta šviesa, bet ir apie jos ryškumą, spalvų atspalvį ir pan.
Įtampa praeina per atmintį ir perduoda duomenis į procesorių, kuris visų pirma naudoja savo talpyklą kaip efektyviausią, tačiau mažą elementą. Per specialų valdymo bloką duomenys apdorojami ir paskirstomi toliau.
Procesorius naudoja baitus ir ištisas jų sekas, kurios savo ruožtu vadinamos programa. Būtent procesoriaus apdorojamos programos priverčia kompiuterį atlikti vieną ar kitą veiksmą: paleisti vaizdo įrašą, paleisti žaidimą, įjungti muziką ir pan.
Kova tarp kompiuterių mikroprocesorių gigantų
Žinoma, mes kalbame apie „Intel“ ir „AMD“. Pagrindinis šių įmonių veiklos principų skirtumas – požiūris į naujų kompiuterių mikroprocesorių gamybą. 
Nors „Intel“ pristato naujas technologijas kartu su nedideliais pakeitimais, AMD reguliariai atlieka didelius gamybos veiksmus. Aukščiau esančioje nuotraukoje pavaizduoti išskirtinės išvaizdos minėtų įmonių modeliai.
Daugeliu atvejų lyderio pozicijas vis dar užima „Intel“. AMD „akmenys“, nors savo našumu yra prastesni už „Intel“ procesorius, dažnai lenkia juos įperkamumo požiūriu. Galite perskaityti, kurioje įmonėje geriau rinktis.
Ką pasirinkti, kiekvienas nusprendžia pats. Šiandien bandėme suprasti bet kurio šiuolaikinio mikroprocesoriaus vidinę struktūrą ir pagrindinius jo veikimo principus. Nepamirškite atnaujinti tinklaraščio ir pasidalyti įdomiais straipsniais su draugais socialiniuose tinkluose! Viso ko geriausio, draugai!
„Jie nepučia į aušintuvą gabiems procesoriams.
Procesoriaus svarbos bet kuriam asmeniniam kompiuteriui negalima pervertinti. Šis elektroninis įrenginys yra palyginti nedidelio dydžio, tačiau sunaudoja nemažą procentą iš maitinimo šaltinio gaunamos energijos, o jo kaina sudaro liūto dalį kompiuterio kainos. Neatsitiktinai daug žmonių, dažniausiai nelabai išmanančių kompiuterių terminija, susiekite procesorių su pačiu kompiuteriu. Nors tai, žinoma, klaidingas požiūris, tokios asociacijos priežastis nesunku suprasti. Juk procesorių galima prilyginti kompiuterio smegenims ir tokiu atveju jis įasmenins kompiuterio esmę ir ją identifikuos taip, kaip žmogaus smegenys personifikuoja žmogaus esmę ir identifikuoja jo asmenybę.
Reikėtų iš karto pažymėti, kad šiame straipsnyje daugiausia bus kalbama apie centrinis procesorius kompiuteris, vadinamasis CPU (Central Processing Unit), o procesoriuose taip pat yra daug kompiuteryje esančių pagalbinių lustų, tokių kaip vaizdo plokštės procesorius arba garso plokštė. Tačiau CPU būdingi veikimo principai iš esmės galioja ir kitų tipų lustams.
Pirmieji procesoriai pasirodė pačioje kompiuterinių technologijų aušroje. O sparti mikrokompiuterių technologijų plėtra daugiausia buvo pirmosios atsiradimo pasekmė mikroprocesoriai. Jei anksčiau visi reikalingi procesoriaus elementai buvo skirtingi elektroninės grandinės, tada mikroprocesoriuose jie pirmiausia buvo sujungti į vieną lustą. Ateityje terminu „procesorius“ turėsime omenyje mikroprocesorius, nes šie žodžiai jau seniai tapo sinonimais.
i4004 mikroprocesorius yra šiandieninių procesorių prosenelis
Vienas pirmųjų mikroprocesorių buvo keturių bitų Intel i4004 procesorius. Jis turėjo tokias savybes, kurios buvo juokingos šiais laikais, tačiau savo laikui – aštuntojo dešimtmečio pradžioje – jo išvaizda buvo tikras technologinis proveržis. Kaip galite atspėti iš jo pavadinimo, jis buvo keturių bitų ir jo laikrodžio dažnis buvo apie 0,1 MHz. Ir būtent jo tiesioginį palikuonį, procesorių i8088, IBM pasirinko kaip pirmojo asmeninio kompiuterio IBM PC „smegenis“.
Pirmajame IBM asmeniniame kompiuteryje naudotas i8088 procesorius
Bėgant metams procesoriaus charakteristikos darėsi vis rimtesnės ir įspūdingesnės, todėl asmeninių kompiuterių charakteristikos darėsi vis įspūdingesnės. i80386 buvo reikšmingas mikroprocesorių kūrimo etapas. Tai buvo pirmasis visiškai 32 bitų procesorius, galintis pasiekti 4 GB laisvosios kreipties atmintis, o dauguma jo pirmtakų galėjo veikti su maksimalia 640 KB RAM. Panaši mikroprocesoriaus talpa staliniai kompiuteriai truko gana ilgai, beveik du dešimtmečius. Devintojo dešimtmečio viduryje 4 GB RAM atrodė fantastiškai didžiulė, tačiau dabar ją galima laikyti maža rimtam kompiuteriui.
i80386 – pirmasis visiškai 32 bitų procesorius
Kitas mikroprocesorius Intel, 486DX, yra puikus tuo, kad jis pirmasis turi vidinę talpyklą – vidinę mikroprocesoriaus RAM. Be to, ji pristatė daug kitų patobulinimų, kurie iš esmės nulėmė tolesnę mikroprocesorių evoliuciją. Tą patį galima pasakyti ir apie kitą Intel procesorių Pentium.
Intel 486DX – pirmasis procesorius su vidine talpykla
Intel procesorius - Pentium
Kartu su CPU Pentium 4, . O AMD „Opteron“ procesoriai ir „Intel“ „Pentium D“ pradėjo modernią procesoriaus evoliucijos erą, procesorių su keliais branduoliais erą. Šiuo metu rinkoje yra daug procesorių įvairių gamintojų, tačiau pagrindiniai gamintojai vis dar yra dvi bendrovės – „Intel“ ir „AMD“, o pirmoji užima daugiau nei 80% rinkos.
CPU Opteron iš AMD ir Pentium D iš Intel
CPU įrenginys
Bet kuris procesorius turi skaičiavimo branduolį (kartais jų yra keletas), taip pat talpyklą, tai yra, savo RAM. Talpykla paprastai turi du lygius – pirmąjį ir antrąjį (vidinį ir išorinį). Vidinis yra mažesnio tūrio, bet greitesnis nei išorinis. Šiuolaikinių procesorių antrojo lygio talpyklos talpa yra keli megabaitai – daugiau nei pirmųjų asmeninių kompiuterių RAM!
CPU šerdyje yra keli funkciniai blokai – valdymo blokas, instrukcijų gavimo blokas, slankiojo kablelio blokas, sveikųjų skaičių blokas ir kt. Taip pat branduolyje yra pagrindiniai procesoriaus registrai, kuriuose apdorojami tam tikras momentas duomenis. Klasikiniame x86 mikroprocesoriaus konstrukcijoje yra tik 16 šių registrų.
Šiandien du pagrindiniai procesorių tipai, kurie yra plačiausiai naudojami, yra CISC (Complex Instruction Set Computing) ir RISC (Reduced Instruction Set Computing). CISC procesoriai turi keletą vidinių registrų, tačiau jie palaiko didelį instrukcijų rinkinį. RISC procesoriai turi daug registrų, tačiau instrukcijų rinkinys yra ribotas. Tradiciškai mikroprocesoriai asmeniniams kompiuteriams Intel architektūra x86 priklausė CISC procesorių klasei, tačiau šiais laikais dauguma mikroprocesorių yra šių dviejų architektūrų hibridai.
Jei apsvarstysime procesorių aparatūros lygiu, tai iš tikrųjų yra didžiulis lustas, esantis ant vieno silicio kristalo, kuriame yra milijonai ar net milijardai tranzistorių. Kuo mažesni tranzistoriai, tuo daugiau jų yra procesoriaus ploto vienete ir tuo didesnė jo skaičiavimo galia. Be to, nuo tranzistorių dydžio priklauso procesoriaus galios išsklaidymo ir energijos sąnaudos – kuo mažesnis jų dydis, tuo mažesnės šios procesoriaus charakteristikos. Šis veiksnys yra svarbus, nes CPU yra daugiausiai energijos sunaudojantis įrenginys šiuolaikiniame kompiuteryje. Todėl procesoriaus šildymo mažinimo problema yra viena iš svarbiausių, su kuria susiduria kompiuterių kūrėjai ir patys procesoriai.
Atskirai verta paminėti atvejį, kuriame yra centrinis procesorius. Paprastai procesoriaus korpuso medžiaga yra keramika arba plastikas. Iš pradžių procesoriai buvo sandariai sulituoti sistemos plokštė, tačiau dabar dauguma yra įkišti į specialius lizdus – lizdus. Šis metodas žymiai supaprastino naudotojo atliekamą sistemos atnaujinimą – tiesiog įkiškite kitą procesorių į lizdą, kurį palaiko šis sistemos plokštė, ir gausite galingesnį kompiuterį.
Modernus procesoriaus lizdas
Procesorius prie kitų įrenginių jungiamas naudojant specialius ryšio kanalus (busines) – atminties magistralę, duomenų magistralę ir adresų magistralę. Pastarojo bitų talpa yra labai svarbi, nes nuo šio parametro priklauso turimo procesoriaus, taigi ir programų bei RAM kiekis.
Veikimo principas
Duomenims apdoroti procesoriaus valdymo įrenginys iš RAM arba procesoriaus talpyklos gauna pačius duomenis bei komandas, kurios aprašo duomenų apdorojimo procesą. Duomenys talpinami į vidinius mikroprocesoriaus registrus, o operacijos su jais atliekamos naudojant aritmetinį-loginį vienetą pagal gautas komandas.
Procesoriaus veikimo principas
CPU veikimas sinchronizuojamas vadinamaisiais laikrodžio signalais. Tikrai kiekvienas vartotojas žino laikrodžio dažnio sąvoką, kuri atspindi procesoriaus ciklų skaičių per sekundę. Šią vertę daugiausia lems procesoriaus charakteristikos. Tačiau kompiuterio našumas ne visada yra proporcingas jo veikimui laikrodžio dažnis. Ir čia esmė ne tik ta, kad šiuolaikiniai procesoriai turi kelis branduolius, bet ir tai, kad skirtingi procesoriai turi skirtingą architektūrą ir dėl to gali atlikti skirtingą operacijų skaičių per sekundę. Šiuolaikiniai procesoriai gali atlikti kelias operacijas per vieną laikrodžio ciklą, o pirmieji mikroprocesoriai, priešingai, vienai operacijai atlikti gali prireikti kelių laikrodžio ciklų.
x86 architektūros CPU istoriškai palaiko šiuos procesoriaus veikimo režimus:
- Tikras
- Apsaugotas
- Virtualus
- Prižiūrėtojo režimas
Tikrasis darbo režimas buvo vienintelis režimas, kuriame veikė visi CPU iki i80386. Šiuo režimu procesorius galėjo išspręsti tik 640 KB RAM. Dėl apsaugoto režimo atsiradimo procesorius galėjo dirbti su dideliu kiekiu RAM. Taip pat yra apsaugoto režimo tipas, vadinamas virtualiuoju režimu, skirtas suderinamumui su senesnėmis programomis, parašytomis 8086 procesoriams.
Procesoriaus darbo režimai taip pat apima prižiūrėtojo režimą, kuris naudojamas dirbant šiuolaikiškai Operacinės sistemos. Šiuo režimu programos kodas turi neribotą prieigą prie visų sistemos išteklių.
Išvada
Šiame straipsnyje jūs esate bendras kontūras susipažino su centrinio procesoriaus paskirtimi, istorija, struktūra, susipažino su procesoriaus darbo režimais ir susipažino su jo veikimo principais. Centrinis procesorius yra sudėtingiausias ir labiausiai svarbus prietaisas kompiuteris. Galime drąsiai teigti, kad kompiuterinių technologijų plėtra iš esmės yra susijusi su procesoriaus kūrimo pažanga. Viso kompiuterio našumas, taip pat atskirų jo komponentų galimybės priklauso nuo mikroprocesoriaus galios ir jo veikimo ypatybių.
Asmeninio kompiuterio širdis yra CPU. Tai elektroninis skaitmeninis įrenginys, galintis veikti duota programa.
Panagrinėkime kompiuterio įrenginį. Pirma, iššifruokime būdvardžius „elektroninis“ ir „skaitmeninis“ atskirai.
Būdvardis „elektroninis“ reiškia, kad kompiuterio procesorius veikia elektros energija ir visi signalai, kuriuos apdoroja šis įrenginys, yra elektriniai Tačiau radijo elektronikoje elektroniniai prietaisai skirstomi į 2 dideles klases: analoginius ir skaitmeninius. Būdvardis „skaitmeninis“ reiškia, kad kompiuterio procesorius priklauso skaitmeninių, o ne analoginių įrenginių klasei.
Minėti analoginiai įrenginiai tarp elektroninės įrangos vyravo prieš 20-30 metų. Ir jie atsirado, kai radijo inžinieriai išmoko įrašyti ir perduoti garsą ir vaizdą forma analoginiai signalai. Tai buvo radijo imtuvai, televizoriai, magnetofonai ir kt.
Analoginiai įrenginiai užleido vietą delnui tik praėjusio amžiaus pabaigoje, kai buvo sukurta skaitmeninius įrenginius lėmė tai, kad skaitmeninių kodų pagalba jie išmoko įrašyti ir perduoti bet kokią informaciją, įskaitant jau minėtus garsus ir vaizdus.
Skaitmeniniai signalai Skirtingai nuo analoginių, jie yra šiek tiek jautrūs trikdžiams ir yra perduodami dideliais atstumais be iškraipymų, jie yra geriau įrašomi, saugomi ir laikui bėgant „neblogėja“.
Kompiuterio procesorius yra vienas sudėtingiausių skaitmeninių įrenginių. Elektroniniai prietaisai. Tai savotiška vystymosi apoteozė skaitmeninės technologijos.
Išoriškai tai silicio plokštelė, sumontuota korpuse, kuriame yra daug elektros gnybtų, skirtų prijungti prie maitinimo šaltinio ir kitų kompiuterio įrenginių.
Kadangi procesorius pagamintas iš silicio plokštelių, kompiuterių žargonu jis kartais vadinamas „uoliena“, nes silicis yra labai patvari medžiaga.
Ant šios plokštelės labai tiksliai nusodinant medžiagą (tikslumas matuojamas angstremais) vakuume ir išlaikant idealią gamybos švarą, jie atkuria sudėtingiausio ir itin miniatiūrinio dydžio elektros schema, susidedantis iš dešimčių ir šimtų tūkstančių mažyčių elementų (daugiausia tranzistorių), sujungtų vienas su kitu ypatingu būdu.
Tokių prietaisų gamyba yra tokia aukštųjų technologijų, kad tik labiausiai išsivysčiusios ekonomikos šalys sugebėjo tai įvaldyti. Įdomu tai, kad procesorių gamyboje jie matuoja ne defektus, kaip įprasta beveik visose pramonės šakose ir gamyboje, o matuoja vadinamąjį naudingų produktų procentą, nes labai mažai procesorių ruošinių galiausiai tampa funkciniais įrenginiais.
Aukštos kokybės silicio plokštelės dedamos į pakuotę su laidais ir su aušinimo įrenginiais (radiatoriumi ir ventiliatoriumi), nes šimtai tūkstančių miniatiūrinių tranzistorių jų veikimo metu išskiria nemažą kiekį šilumos.
Jei pažvelgsite į kompiuterio procesoriaus vidinę loginę struktūrą, tai yra tarpusavyje sujungtų įrenginių rinkinys: 
– aritmetinis-loginis vienetas (ALU), kuriame faktiškai konvertuojama informacija,
– valdymo įtaisas (CU), skirtas aritmetiniam-loginiam įrenginiui valdyti,
– ir atminties registrai (ląstelės), kuriuose saugomi įvesties duomenys, tarpiniai ir gaunami duomenys.
Komandos, skirtos valdyti procesoriaus darbą, perduodamos iš RAM į valdymo įrenginį. Šis įrenginys valdo aritmetinio loginio bloko veikimą pagal gautas komandas.
Savo ruožtu ALU, vadovaudamasis iš valdymo bloko gautomis komandomis, vykdo
- įvesti informaciją iš registrų,
- informacijos apdorojimas ir
- tvarkomos informacijos įrašymas į registrus.
Procesorių registrai gali keistis informacija su RAM ląstelėmis (taip pat remiantis ALU instrukcijomis). Todėl galiausiai kompiuterio procesorius
- apdoroja duomenis, gautus iš RAM,
- o apdoroti duomenys taip pat patalpinami į RAM.
Duota Trumpas aprašymas Kompiuterio procesoriaus veikimas iliustruoja, kad duomenų apdorojimas procesoriuje yra labai „mažų“ žingsnių seka:
- duomenų skaitymas iš RAM į procesoriaus registrus,
- šių duomenų apdorojimas ir
- duomenų grąžinimas iš procesoriaus registrų į RAM ląsteles.
Tačiau kompensacija už tai yra didžiausias skaičiavimų greitis, šimtai tūkstančių ir milijonai tokių „smulkių“ operacijų kas sekundę. Ir atitinkamai tai užtikrinama didelis greitis informacijos apdorojimas, kurį atlieka kompiuteris nepakeičiamas pagalbininkas darbui, studijoms, poilsiui, pramogoms.
