Добавлен: 06.04.2023
Просмотров: 222
Скачиваний: 1
Введение
Процессор компьютера выполняет ту же роль для компьютера, что и мозг для человека. Фактически в каждом компьютере присутствует процессор – он отвечает за вычисления и обработку данных. Каждая операция, выполняемая с компьютером, обрабатывается в ЦП. Производительность компьютера основана на простых математических операциях, а процессор – это то устройство, которое и выполняет данную функцию: он оперирует множеством операций.
В современном мире можно найти различные типы процессоров – от этого будут разниться и их функционал. Вытекающее разнообразие – результат долгих и интересных с точки зрения науки экспериментов. На аднном этапе развития процессор в базовом плане оперирует только бинарными отношениями – то есть он может воспринимать только нули и единицы, ложь и правду, включения и выключения напряжения. Однако есть доказательства, что проводились попытки разработать и внедрить на рынок процессор, который бы оперировал тремя состояниями. Безусловно, тут следует понимать, что сделать это сложнее, но и скорость и разнообразие вычисление процессора увеличится. Данная затея не нашла своего развития, не выйдя за рамки прототипа, но тем не менее это свидетельствует и показывает возможности для микропроцессорной техники, ее эволюцию и рост.
Элементы процессора размером меньше ногтя человека – это демонстрирует высокое качество точность и уникальность процессоров.
Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство персональных компьютеров имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.
Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько разъемов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров, согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Sequent Computer Systems поставляла многопроцессорные системы уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386[2].
Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. Многопроцессорность можно эмулировать, используя только один физический носитель. У каждого из процессоров при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память — RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.
Общие сведения о процессорах
Процессор обычно называют CPU (Central Processing Unit) – в английском варианте, или же в русском варианте ЦП (центральный процессор).
Центральный процессор (CPU) – это компьютерный компонент, который отвечает за интерпретацию и выполнение большинства команд программного обеспечения компьютера.
Все устройства используют процессор, включая настольные, портативные и планшетные компьютеры, смартфоны. Любая достаточно сложная в техническом плане машина будет использовать процессор для синхронизации и выполнения поступающих команд.
Intel и AMD являются двумя наиболее популярными производителями процессоров для настольных компьютеров, ноутбуков и серверов, в то время как Apple, NVIDIA и Qualcomm являются крупными производителями смартфонов и планшетов.
Компьютерные мониторы или жесткие диски иногда очень неправильно упоминаются как CPU, но эти части аппаратного обеспечения выполняют совершенно разные цели и никоим образом не такие же, как у CPU.
Современный процессор обычно маленький и квадратный, с множеством коротких, округлых металлических разъемов на нижней стороне. Некоторые старые процессоры имеют контакты вместо металлических разъемов.
CPU подключается непосредственно к процессорному "гнезду" (или иногда "слоту") на материнской плате. CPU вставляется в гнездо pin-side-down, а небольшой рычаг помогает закрепить процессор.
После запуска даже на короткое время современные процессоры могут сильно перегреться. Чтобы помочь рассеять это тепло, почти всегда необходимо прикрепляется радиатор и вентилятор непосредственно поверх процессора. Как правило, они поставляются в комплекте с покупкой процессора.
Другие более предпочтительные варианты охлаждения включают в себя наборы водяного охлаждения.
Допустим, мы используем калькулятор для добавления двух чисел. Вводим цифры с помощью клавиатуры. Контроллер клавиатуры превращает всю эту информацию в двоичный код. Двоичный код состоит из последовательности 0 и 1. Эта информация отправляется в реестр, а затем передается на центральный процессор. ЦП имеет интегрированный ALU (арифметический логический блок). ALU отвечает за все математические и логические операции.
Ваш запрос на добавление двух чисел приходит к процессору и передается в ALU. ALU добавляет двоичные числа и возвращает ответ ЦП, который передает ответ на устройство вывода.
Добавление двух чисел-очень простой пример, но он иллюстрирует основные функции процессора. Каждый шаг, который вы выполняете на своем компьютере, так или иначе связан с этим центральным устройством, поэтому очень важно поддерживать ваш процессор в хорошей форме. Перегрев, особенно, может привести к сбою процессора.
Возможность запуска 32-разрядной или 64-разрядной операционной системы зависит от размера блоков данных, которые может обрабатывать ЦП. С 64-разрядным процессором можно получить доступ сразу к большему количеству памяти, чем с 32-разрядным, поэтому 64-разрядные операционные системы и приложения не могут работать на 32-разрядном процессоре.
Функции центрального процессора
Процессор имеет две основные задачи: обработку данных и выполнение инструкций. Процессор содержит особые внутренние часы, которые равномерно посылают крошечные импульсы электричества. Каждый раз, когда часы тикают, процессор может обрабатывать одну часть данных или выполнять одну инструкцию. Хотя может показаться, что процессор может выполнять сразу несколько задач, он может обрабатывать только одну команду за раз в том случае, если у него отсутствует многопоточность или многоядерность. Тем не менее даже с одним ядром он обрабатывает инструкции так быстро, что кажется, что это многозадачность. Например, процессор с тактовой частотой 3 ГГц может обрабатывать три тысячи миллионов инструкций в секунду.
Процессор обрабатывает инструкции, которые он получает в процессе декодирования данных. При обработке этих данных, процессор выполняет четыре основных шага:
Выборка. Каждая команда сохраняется в памяти и имеет свой собственный адрес. Процессор запоминает этот адрес из программного счетчика, который отвечает за отслеживание того, какую инструкцию ЦП должен выполнить следующей.
Расшифровка. Все программы, которые должны быть выполнены, будут переведены на язык Ассемблер. Код Ассемблера выполнен в бинарных инструкциях, которые понятны процессору. Этот шаг называется декодированием.
Выполнение. При выполнении инструкции, процессор может сделать одно из трех действий: передать инструкцию в АЛУ(арифметико-логическое устройство), переместить данные из одного места памяти в другое, или перейти к другому адресу.
Исполнение. Процессор должен передать результаты после выполнения инструкции, эти выходные данные записываются в память.
ЦП обрабатывает инструкции, которые он получает в процессе анализа данных. При обработке этих данных ЦП выполняет вышобозначенные четыре основных шага.
Выборки каждой инструкции хранится в памяти и имеет свой адрес. Обработчик принимает этот номер адреса от счетчика программы, который ответствен отслеживать заданные инструкции.
Расшифровка – все выполняемые программы преобразуются в инструкции по сборке. Код сборки должен быть декодирован в двоичные инструкции, которые понятны процессору. Этот шаг называется декодированием.
Во время выполнения инструкций ЦП может выполнять одну из трех задач: выполнять вычисления с помощью ALU, перемещать данные из одного места памяти в другое или переходить на другой адрес.
После выполнения инструкции выходные данные записываются в память.
Количество операций, которые может выполнять процессор, зависит от его скорости, которая измеряется в Герцах. Один герц – это скорость, при которой одна операция выполняется за одну секунду. Обычно скорость компьютера измеряется в гига-герцах. 1 ГГц – это скорость, с которой процессор выполняет миллион простых задач. "Простая задача" включает в себя наименьшие шаги, которые может выполнить процессор.
Обычно процессор понимает и выполняет инструкции по сборке, которые длятся четыре цикла. Чем быстрее ваш процессор, тем больше инструкций он может выполнить за одну секунду. Скорость ЦП – не единственный показатель, влияющий на производительность компьютера. Есть много других факторов, таких как архитектура процессора, размер кэша и скорость шины, которые должны быть оценены, чтобы получить независимые результаты.
Классификация процессоров
Классифицировать процессоры на сегодняшнем этапе можно по типу компании, которая их производит, так как это будет являться наиболее корректным разграничением. Помимо этого, процессоры также можно характеризовать по их архитектуре, к формату поддерживаемых команд, практически все современные процессоры ПК-класса используют Гарвардскую внутреннюю архитектуру, где разделение потоков команд и данных реализуется с помощью отдельных блоков кэш-памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), которые содержат до 20 ступеней [4].
Разработчики оборудования изобретают многочисленные технологии и инструменты для реализации желаемой архитектуры для удовлетворения этих потребностей. Архитектура аппаратного обеспечения может быть реализована как по конкретному оборудованию, так и по программному обеспечению, но в соответствии с приложением оба используются в требуемом количестве. Что касается аппаратного обеспечения процессора, существуют два типа концепций для реализации аппаратной архитектуры процессора. Первый - это RISC, а другой - CISC.
Существует два основных производителя компьютерных микропроцессоров. Intel и Advanced Micro Devices (AMD) ведут рынок с точки зрения скорости и качества. Настольные процессоры Intel включают Celeron, Pentium и Core. Настольные процессоры AMD включают Sempron, Athlon и Phenom. Intel выпускает процессоры Celeron M, Pentium M и Core для ноутбуков. AMD выпускает мобильные версии своего Sempron и Athlon, а также мобильный процессор Turion, который поставляется в версиях Ultra и Dual-Core. Обе компании производят как одноядерные, так и многоядерные процессоры.
Производитель Intel
С 1970-х годов Intel предлагает несколько семейств все более сложных процессоров для бизнес-вычислений. Каждый процессор формирует сердцевую систему компьютера, выполняет арифметические и логические операции и обеспечивает доступ к памяти цифровой памяти со скоростью до миллиардов операций в секунду. С конца 1990-х годов Intel обратилась к процессорам с несколькими ядрами для обработки больших рабочих нагрузок и более сложного программного обеспечения.
Атом
Intel разработала семейство процессоров Atom для нетбуков и других мобильных устройств; его скромное энергопотребление экономит время автономной работы. Процессор продолжает традицию Intel по совместимости с более ранними процессорами типа x86, такими как Pentium 4 и Core Duo, позволяя Atom запускать такое же программное обеспечение, как Microsoft Windows и Linux. Различные модели Atom работают со скоростью от 600 МГц до 2 ГГц и потребляют от 1,3 до 10 Вт мощности.
Itanium
Itanium представляет собой редкий отход от совместимости с другими процессорами Intel. Разработанная совместно с Hewlett-Packard в 1990-х годах и предназначенная как технология «следующего поколения» для требовательных приложений, сложность чипа оказалась бременем для разработчиков программного обеспечения. Intel неуклонно улучшает дизайн и выпускает текущую версию «Itanium 2», которую HP использует только на своих высокопроизводительных серверах. Чип имеет пару кеш-памяти уровня 1 КБК уровня 1 Мбайт уровня 2 и 6 Мбайт кэша уровня 3. В кэше хранятся недавно использованные данные в иерархии областей хранения на кристалле, что максимизирует эффективность процессора.
Xeon
Высокопроизводительные рабочие станции и серверы используют процессор Intel Xeon. Как и большинство микропроцессоров Intel, Xeon совместим с набором инструкций x86, поддерживая основное программное обеспечение, такое как Microsoft Windows и менеджер баз данных Oracle. Дизайн Xeon включает в себя актуальные новинки, такие как несколько ядер и Hyper-threading, чтобы одновременно поддерживать несколько процессов. Чип имеет другие улучшения производительности, в том числе пару 64 КБ кэш-памяти для данных и инструкций.