Как работает процессор

Как работает процессор?

Как работает процессор?

  • Коротко о главном , 4 июля 2019 в 13:01
  • Александр Ланский

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

  • УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
  • УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Старт 1 октября, 2 месяца, Онлайн, От 15 000 до 20 000 ₽

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

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

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

  • RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
  • JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
  • T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
  • D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

  • Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
  • Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
  • Информационные: move , input , outptut , load и store .
  • Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
  • Команда останова: halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

  1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
  2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
  3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
  4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

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.

Хинт для программистов: если зарегистрируетесь на соревнования Huawei Honor Cup, бесплатно получите доступ к онлайн-школе для участников. Можно прокачаться по разным навыкам и выиграть призы в самом соревновании.

Перейти к регистрации

Источник:
http://tproger.ru/explain/how-cpu-works/

Как работает процессор и что важно знать?

Процессор — сердце любого компьютера. Мы знаем, как он выглядит снаружи. Но интересно же — как он выглядит изнутри?

Intel® Core™ i7-1065G7, Ice Lake (10-е поколение), техпроцесс — 10 нм

Процессор состоит из миллиардов транзисторов сопоставимых по размеру с молекулой ДНК. Действительно размер молекулы ДНК составляет 10 нм. И это не какая-то фантастика! Каждый день процессоры помогают нам решать повседневные задачи. Но вы когда-нибудь задумывались, как они это делают? И как вообще люди заставили кусок кремния производить за них вычисления?

Сегодня мы разберем базовые элементы процессора и на практике проверим за что они отвечают. В этом нам поможет красавец-ноутбук — Acer Swift 7 с процессором Intel на борту.

Ядро процессора

Модель нашего процессора i7-1065G7. Он четырёхядерный и ядра очень хорошо видны на фотографии.

Каждое ядро процессора содержит в себе все необходимые элементы для вычислений. Чем больше ядер, тем больше параллельных вычислений процессор может выполнять. Это полезно для многозадачности и некоторых ресурсоемких задач типа 3D-рендеринга.

Например, для теста мы одновременно запустили четыре 4К-видео. Нагрузка на ядра рспределяется более менее равномерно: мы загрузили процессор на 68%. В итоге больше всего пришлось переживать за то хватит ли Интернет-канала. Современные процессоры отлично справляются с многозадачностью.

Почему это важно? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся — как же работает ядро?

По своей сути ядро — это огромный конвейер по преобразованию данных. На входе загружаем одно, на выходе получаем другое. В его основе лежат транзисторы. Это миниатюрные переключатели, которые могут быть в всего в двух состояниях: пропускать ток или нет. Эти состояния компьютер интерпретирует как нули и единицы, поэтому все данные в компьютере хранятся в двоичном коде.

Можно сказать, что компоненты внутри компьютера общаются между собой при помощи подобия Азбуки Морзе, которая тоже является примером двоичного кода. Только компьютер отстукивает нам не точки и тире, а нолики и единички. Казалось бы, вот есть какой-то переключатель, и что с ним можно сделать? Оказывается очень многое!

Если по хитрому соединить несколько транзисторов между собой, то можно создать логические вентили. Это такие аналоговые эквиваленты функции “если то”, ну как в Excel. Если на входе по обоим проводам течет ток, то на выходе тоже будет течь или не будет или наоборот, вариантов не так уж и много — всего семь штук.

Но дальше комбинируя вентили между собой в сложные аналоговые схемы, мы заставить процессор делать разные преобразования: складывать, умножать, сверять и прочее.

Поэтому ядро процессора состоит из множества очень сложных блоков, каждый из которых может сделать с вашими данными что-то своё.

Прям как большой многостаночный завод, мы загружаем в него сырье — наши данные. Потом всё распределяем по станкам и на выходе получаем результат.

Но как процессор поймёт, что именно нужно делать с данными? Для этого помимо данных, мы должны загрузить инструкции. Это такие команды, которые говорят процессору:

  • это надо сложить,
  • это перемножить,
  • это просто куда-нибудь отправить.

Инструкций очень много и для каждого типа процессора они свои. Например, в мобильных процессорах используется более простой сокращённый набор инструкций RISC — reduced instruction set computer.

А в ПК инструкции посложнее: CISC — complex instruction set computer.

Поэтому программы с мобильников не запускаются на компах и наоборот, процессоры просто не понимают их команд. Но чтобы получить от процессора результат недостаточно сказать — вот тебе данные, делай то-то. Нужно в первую очередь сказать, откуда брать эти данные и куда их, собственно, потом отдавать. Поэтому помимо данных и инструкций в процессор загружаются адреса.

Для выполнения команды ядру нужно минимум два адреса: откуда взять исходные данные и куда их положить.

Всю необходимую информацию, то есть данные, инструкции и адреса процессор берёт из оперативной памяти. Оперативка очень быстрая, но современные процессоры быстрее. Поэтому чтобы сократить простои, внутри процессора всегда есть кэш память. На фото кэш — это зелёные блоки. Как правило ставят кэш трёх уровней, и в редких случаях четырёх.

Самая быстрая память — это кэш первого уровня, обозначается как L1 cache. Обычно он всего несколько десятков килобайт. Дальше идёт L2 кэш он уже может быть 0,5-1 мб. А кэш третьего уровня может достигать размера в несколько мегабайт.

Правило тут простое. Чем больше кэша, тем меньше процессор будет обращаться к оперативной памяти, а значит меньше простаивать.

В нашем процессоре кэша целых 8 мб, это неплохо.

Думаю тут всё понятно, погнали дальше.

Тактовая частота

Если бы данные в процессор поступали хаотично, можно было бы легко запутаться. Поэтому в каждом процессоре есть свой дирижёр, который называется тактовый генератор. Он подает электрические импульсы с определенной частотой, которая называется тактовой частотой. Как вы понимаете, чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор.

Занимательный факт. По-английски, тактовая частота — это clock speed. Это можно сказать буквальный термин. В компьютерах установлен реальный кристалл кварца, который вибрирует с определенной частотой. Прямо как в наручных кварцевых часах кристалл отсчитывает секунды, так и в компьютерах кристалл отсчитывает такты.

Обычно частота кристалла где-то в районе 100 МГц, но современные процессоры работают существенно быстрее, поэтому сигнал проходит через специальные множители. И так получается итоговая частота.

Современные процессоры умеют варьировать частоту в зависимости от сложности задачи. Например, если мы ничего не делаем и наш процессор работает на частоте 1,3 ГГц — это называется базовой частотой. Но, к примеру, если архивируем папку и мы видим как частота сразу увеличивается. Процессор переходит в турбо-режим, и может разогнаться аж до 3,9 ГГц. Такой подход позволяет экономить энергию, когда процессор простаивает и лишний раз не нагреваться.

А еще благодаря технологии Intel Hyper-threading, каждое ядро делится на два логических и мы получаем 8 независимых потоков данных, которые одновременно может обрабатывать компьютер.

Что прикольно, в новых процессорах Intel скорость частот регулирует нейросеть. Это позволяет дольше держать турбо-частоты при том же энергопотреблении.

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.

Предсказатель переходов

Чтобы конвейер не переставал работать, инженеры придумали массу всяких хитростей. Например, такую штуку как предсказатель переходов. Это специальный алгоритм, который не дожидаясь пока в процессор поступит следующая инструкция её предугадать. То есть это такой маленький встроенный оракул. Вы только дали какую-то задачу, а она уже сделана.

Такой механизм позволяет многократно ускорить систему в массе сценариев. Но и цена ошибки велика, поэтому инженеры постоянно оптимизируют этот алгоритм.

Микроархитектура

Все компоненты ядра, как там всё организовано, всё это называется микроархитектурой. Чем грамотнее спроектирована микроархитектура, тем эффективнее работает конвейер. И тем больше инструкций за такт может выполнить процессор. Этот показатель называется IPC — Instruction per Cycle.

А это значит, если два процессора будут работать на одинаковой тактовой частоте, победит тот процессор, у которого выше IPC.

В процессорах Ice Lake, Intel использует новую архитектуру впервые с 2015 года. Она называется Sunny Cove.

Показатель IPC в новой архитектуре аж на 18% на выше чем в предыдущей. Это большой скачок. Поэтому при выборе процессора обращаете внимание, на поколение.

Система на чипе

Естественно, современные процессоры — это не только центральный процессор. Это целые системы на чипе с множеством различных модулей.

В новый Intel больше всего места занимает графический процессор. Он работает по таким же принципам, что и центральный процессор. В нём тоже есть ядра, кэш, он тоже выполняет инструкции. Но в отличие от центрального процессора, он заточен под только под одну задачу: отрисовывать пиксели на экране.

Поэтому в графический процессорах ядра устроены сильно проще. Поэтому их даже называют не ядрами, а исполнительными блоками. Чем больше исполнительных блоков тем лучше.

В десятом поколении графика бывает нескольких типов от G1 до G7. Это указывается в названии процессора.

А исполнительных блоков бывает от 32 до 64. В прошлом поколении самая производительная графика была всего с 24 блоками.

Также для графики очень важна скорость оперативки. Поэтому в новые Intel завезли поддержку скоростной памяти DDR4 с частотой 3200 и LPDDR4 с частотой 3733 МГц.

У нас на обзоре ноутбук как раз с самой топовой графикой G7. Поэтому, давайте проверим на что она способна! Мы проверили его в играх: CS:GO, Dota 2 и Doom Eternal.

Что удобно — Intel сделали портал gameplay.intel.com, где по модели процессора можно найти оптимальные настройки для большинства игр.

В целом, в Full HD разрешении можно комфортно играть в большинство игр прямо на встроенной графике.

Thunderbolt

Но есть в этом процессоре и вишенка на торте — это интерфейс Thunderbolt. Контроллер интерфейса расположен прямо на основном кристалле, вот тут.

Такое решение позволяет не только экономить место на материнской плате, но и существенно сократить задержки. Проверим это на практике.

Подключим через Thunderbolt внешнюю видеокарту и монитор. И запустим те же игры. Теперь у нас уровень производительности ноутбука сопоставим с мощным игровым ПК.

Но на этом приколюхи с Thunderbolt не заканчиваются. К примеру, мы можем подключить SSD-диск к монитору. И всего лишь при помощи одного разъёма на ноуте мы получаем мощный комп для игр, монтажа и вообще любых ресурсоемких задач.

Мы запустили тест Crystalmark. Результаты вы видите сами.

Но преимущества Thunderbolt на этом не заканчиваются. Через этот интерфейс мы можем подключить eGPU, монитор, и тот же SSD и всё это через один кабель, подключенный к компу.

Надеюсь, мы помогли вам лучше разобраться в том, как работает процессор и за что отвечают его компоненты.

Источник:
http://droider.ru/post/kak-rabotaet-protsessor-i-chto-vazhno-znat-30-06-2020/

Как выбрать центральный процессор, и зачем это нужно?

Пожалуй, ключевым достоинством персонального компьютера как платформы является его впечатляющая гибкость и возможности кастомизации, которые сегодня, благодаря появлению новых стандартов и типов комплектующих, кажутся практически безграничными. Если лет десять назад, произнося аббревиатуру «ПК», можно было с уверенностью представить себе белый железный ящик, опутанный проводами и жужжащий где-то под столом, то сегодня столь однозначных ассоциаций нет и быть не может.

Сегодняшний ПК может быть мощной рабочей станцией, ориентированной на производительность в вычислениях или рабочей машиной дизайнера, «заточенной» под качество двухмерной графики и быструю работу с данными. Может быть топовой игровой машиной или скромной мультимедийной системой, живущей под телевизором.

Иначе говоря, у каждого ПК сегодня свои задачи, которым соответствует тот или иной набор железа. Но как выбрать подходящее?

Начинать следует с центрального процессора. Видеокарта определит производительность системы в играх (и ряде рабочих приложений, использующих вычисления на GPU). Материнская плата — формат системы, её функционал «из коробки» и возможности подключения комплектующих и периферийных устройств. Однако именно процессор определит возможности системы в повседневных домашних задачах и работе.

Давайте рассмотрим, что важно при выборе процессора, а что — нет.

На что НИКОГДА не нужно обращать внимание

Производитель процессора

Как и в случае с видеокартами (да, впрочем, и со многими другими девайсами), наши соотечественники всегда рады превратить обыкновенный потребительский товар в нечто, что можно поднять на штандарты и пойти войной на сторонников противоположного лагеря. Можете представить себе ситуацию, в которой любители маринованных огурцов и консервированных помидоров разделили магазин баррикадой, покрывают друг друга последними словами и частенько прибегают к рукоприкладству? Согласитесь, звучит как полный бред. однако в сфере компьютерных комплектующих такое происходит сплошь и рядом!

Если же вы выбираете процессор под абсолютно новую систему, обращать внимание следует на актуальные сокеты:

AM1 — платформа AMD, предназначенная для неттопов, встраиваемых систем и мультимедийных ПК начального уровня. Как и все APU, отличается наличием сравнительно мощной встроенной графики, что и является основным преимуществом.

AM4 — универсальная платформа AMD для мейнстрим-сегмента. Объединяет десктопные APU и мощные ЦПУ семейства Ryzen, благодаря чему позволяет собирать ПК буквально под любой бюджет и потребности пользователя.

TR4 — флагманская платформа AMD, предназначенная под процессоры Threadripper. Это продукт для профессионалов и энтузиастов: 16 физических ядер, 32 потока вычислений, четырёхканальный контроллер памяти и прочие впечатляющие цифры, дающие серьёзный прирост производительности в рабочих задачах, но практически не востребованные в домашнем сегменте.

LGA 1151_v2 — сокет, который ни в коем случае нельзя путать с обычным LGA 1151 (. ). Являет собой актуальную генерацию мейнстримовой платформы Intel, и наконец-то привносит в потребительский сегмент процессоры с шестью физическими ядрами — этим и ценен. Однако обязательно следует помнить, что процессоры Coffee Lake нельзя установить в платы с чипсетами серий 200 и 100, а старые процессоры Skylake и Kaby Lake — в платы с чипсетами серии 300.

LGA 2066 — актуальная генерация платформы Intel, предназначенной для профессионалов. Также может быть интересна в качестве платформы для постепенного апгрейда. Младшие процессоры Core i3 и Core i5 практически ничем не отличаются от аналогов под LGA 1151 первой версии и стоят относительно доступно, но впоследствии их можно заменить на Core i7 и Core i9.

Количество ядер

Этот параметр требует множества оговорок, и его следует применять с осторожностью, однако именно он позволяет более-менее логично выстроить и дифференцировать центральные процессоры.

Модели с двумя вычислительными ядрами, а также с двумя физическими ядрами и четырьмя виртуальными потоками вне зависимости от тактовой частоты, степени динамического разгона, архитектурных преимуществ и фанатских мантр сегодня прочно обосновались в сегменте офисных ПК, причём даже там — не на самых ответственных местах. Всерьёз говорить об использовании таких ЦПУ в игровых машинах, а уж тем более — в рабочих станциях сегодня не приходится.

Процессоры с четырьмя вычислительными ядрами выглядят немного актуальнее, и могут удовлетворить запросы как офисных работников, так и не самых требовательных домашних пользователей. На них вполне можно собрать бюджетный игровой ПК, хотя в современных тайтлах производительность будет ограничена, а одновременное выполнение нескольких операций — к примеру, запись игрового видео, — будет невозможно или приведёт к заметному падению фпс.

Оптимальный вариант для дома — процессоры с шестью ядрами. Они способны обеспечивать высокую производительность в играх, не падают в обморок при выполнении нескольких ресурсоёмких задач одновременно, позволяют использовать ПК в качестве домашней рабочей станции, и при всём этом — сохраняют вполне доступную стоимость.

Процессоры с восемью ядрами — выбор тех, кто занят более серьёзными задачами, нежели игры. Хотя и с развлечениями они справятся без проблем, заметнее всего их преимущества — в рабочих приложениях. Если вы занимаетесь обработкой и монтажом видео, рисуете сложные макеты для полиграфии, проектируете дома или другие сложные конструкции, то выбирать стоит именно эти ЦПУ. Излишка производительности вы не заметите, а вот быстрая обработка и отсутствие зависаний в самый ответственный момент — определённо вас порадуют.

Процессоры с 10 и 16 ядрами — это уже серверный сегмент и весьма специфические рабочие станции, от предыдущего варианта отличающиеся примерно как работа дизайнера спецэффектов для большого кино от работы монтажера роликов на youtube (собственно, примерно там и используются). Однозначно рекомендовать или наоборот, отговаривать от их покупки сложно. Если вам реально требуется такая производительность — вы уже знаете, как и где будете её применять.

Рекомендация №8: Количество ядер — не самый чёткий параметр, и не всегда он позволяет отнести к одной группе процессоры с близкими характеристиками. Тем не менее, при выборе процессора стоит ориентироваться на этот параметр.

Производительность

Итоговый и самый важный параметр, которого, увы, нельзя найти ни в одном каталоге магазина. Тем не менее, в итоге именно он определяет, подойдет ли вам тот или иной процессор, и насколько эксплуатация ПК на его основе будет соответствовать вашим первоначальным ожиданиям.

Прежде, чем отправляться в магазин за процессором, который вам вроде бы подходит, не поленитесь изучить его детальные тесты. Причем «детальные» — это не видосики на ютубе, показывающие вам то, что вы должны увидеть по замыслу их автора. Детальные тесты — это масштабное сравнение процессора в синтетических бенчмарках, профессиональном софте и играх, проводимое по чёткой методике с участием всех или большинства конкурирующих решений.

Как и в случае с видеокартами, чтение и анализ подобных материалов поможет вам определить, стоит ли тот или иной процессор своих денег, и на что, при возможности, его можно заменить.

Рекомендация №9: Потратив пару вечеров на чтение и сравнение информации из разных источников (важно, чтобы они были авторитетными, и весьма желательно — зарубежными), вы сделаете аргументированный выбор и избавите себя от множества проблем в будущем. Поверьте, оно того более чем стоит.

Критерии и варианты выбора:

Согласно изложенным выше критериям, ЦПУ из каталога DNS можно распределить следующим образом:

Источник:
http://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/15443-kak-vyibrat-tsentralnyii-protsessor-i-zachem-eto-nujno/

Что такое процессор, что он делает?

Что такое процессор? Центральный процессор — это мозг компьютера, занимающийся сокращением чисел. Все, что делает компьютер — от видеоигр до написания эссе — разбивается на набор математических инструкций. Процессор принимает эти инструкции и выполняет их.

Детали того, как это происходит, конечно, намного сложнее, чем это простое объяснение. Самое важное, что вам нужно знать, это то, что процессор является основным математическим механизмом компьютера.

Краткая история процессоров

История вычислений долгая и сложная. Это также идет дальше в историю, чем цифровая технология, электроника или даже электричество. Абакус — это своего рода процессор. Как и механические калькуляторы. Большая разница в том, что эти машины могут выполнять только одну или несколько математических задач. Они не являются процессорами общего назначения, примером которых является современный процессор.

Что делает ЦП универсальным вычислительным устройством, так это использование логики. В 1903 году Никола Тесла запатентовал электрические цепи, известные как ворота и выключатели. Используя эти схемы, вы можете создавать устройства, которые выполняют логические операции, при которых машина может работать при определенных условиях.

В конце 1940-х годов Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели и запатентовали устройство, называемое транзистором, работая в Bell Laboratories. Транзистор является основным строительным блоком процессора. Транзисторы — это относительно крошечные компьютерные компоненты. Транзистор является настолько важным изобретением, что три изобретателя были удостоены Нобелевской премии за него.

В конце 1950-х годов Роберт Нойс и Джек Килби сделали огромный шаг вперед и создали первую работающую интегральную схему. Интегральная схема представляет собой набор электронных схем, интегрированных в один кусок полупроводникового материала. В большинстве случаев этим материалом является кремний. Это то, что люди имеют в виду, когда говорят «микрочип».

Процессор состоит из одного или нескольких микрочипов. Это важное изобретение, потому что миллиарды транзисторов могут быть упакованы в один процессор. Это создает невероятно мощные математические движки.

Используя изобретения логических вентилей, транзисторов и интегральных микросхем, весь мир изменился. В наши дни микрочипы есть во всем, а не только в вашем компьютере. А процессоры — самые передовые микрочипы общего назначения, которые мы можем сделать.

Как работают процессоры?

Весь принцип работы процессора основан на двоичном коде. Люди, как правило, представляют числа, используя систему, называемую основанием 10, или десятичную систему. Местные значения каждой цифры в номере увеличиваются в десять раз. Таким образом, «111» содержит сто десять и один.

Компьютеры и их процессоры вообще не могут понять базу 10. Транзисторы работают по принципу включения или выключения. Это означает, что логические элементы, которые вы строите из них, также могут работать только с этими двумя состояниями. Вот почему, по сути, процессоры работают на двоичном коде. Эта система счисления имеет различные значения места. Вместо этого, если 1, 10, 100, 1000 и т. д. Значения мест составляют 1,2,4,8,16,32,64,128 и т. д.

Таким образом, в двоичном коде «111» будет 7 в десятичных числах, так как вы добавляете 1,2 и 4 вместе. Если любое из чисел равно нулю, вы просто пропустите его и добавите значение места следующего 1. Таким образом, вы можете выразить любое десятичное значение. Просто отметьте, что двоичные числа часто читаются справа налево, поэтому значение «1» будет в крайнем правом углу.

Давайте поместим это в таблицу, чтобы сделать это кристально ясным:

Таким образом, 111 — это «7», а «11101» — это 23, потому что пятое место в двоичном виде — 16. Довольно круто, верно? Вы можете выразить любое возможное число, которое может быть записано в десятичном виде таким образом. Это означает, что компьютеры, построенные на транзисторах, могут работать с любыми числами.

Как производятся процессоры?

Процесс производства современных процессоров также, как и следовало ожидать, довольно сложный. Основной процесс включает выращивание больших цилиндров из кристалла кремния. Его полупроводниковые свойства делают его идеальным для построения двоичной интегральной схемы.

Эти крупные кристаллы нарезаны на тонкие вафли. Затем вафли «легируют» другим химическим веществом для точной настройки его свойств. Затем наноразмерную схему гравируют на поверхности пластины, используя свет, используя процесс, известный как фотолитография.

Дизайн процессора и производительность

Процессоры не все сделаны равными. Первый настоящий предок современного процессора, Intel 8086, имел около 29 000 транзисторов в своей интегральной схеме. Сегодня такой процессор, как Intel i99900K, имеет чуть более 1,7 миллиарда транзисторов. Чем плотнее логические схемы процессора, тем сложнее и выше число команд, которые он может выполнять за такт.

Подожди, «цикл часов»? Да, это другой важный компонент производительности процессора. ЦП работает на определенной частоте, с каждым импульсом тактовой частоты ЦП выполняется цикл вычислений. Если вы возьмете тот же процессор и удвоите его тактовую частоту, то (теоретически) он должен работать вдвое быстрее.

В 1978 году Intel 8086 работал на частоте 5 МГц при запуске. Это пять миллионов тактов в секунду. Intel i9-9900K? Он начинается с 3,6 ГГц. Это 3600 МГц, с возможностью увеличения скорости до 5000 МГц, когда это возможно.

Чтобы добавить еще одну проблему производительности ЦП, современные ЦП фактически содержат несколько «ядер». Каждое ядро фактически является независимым процессором. Обычно в настоящее время таких ядер по меньшей мере четыре, но в последнее время обычными компьютерами было шесть или восемь ядер. Профессиональные компьютеры высокого класса могут иметь в районе 100 процессорных ядер.

Наличие нескольких ядер означает, что процессор может выполнять несколько наборов команд параллельно. Это означает, что наши компьютеры могут делать много вещей одновременно без проблем. Некоторые процессоры имеют «многопоточные» ядра. Эти ядра могут самостоятельно справляться с двумя отдельными задачами. В процессорах Intel это называется «гиперпоточность».

Таким образом, общая производительность процессора сводится к комбинации:

— Это общее количество транзисторов и насколько продвинуты его логические схемы;

Это, конечно, больше, чем эти четыре основных момента. Тем не менее, это четыре основных соображения для обеспечения нормальной работы процессора.

Роль процессора в вашем компьютере

Последнее, что мы должны охватить, это то, какую роль процессор играет на вашем компьютере. В конце концов, это не единственная микросхема интегральной микросхемы в вашем компьютере. Например, графические процессоры часто даже более транзисторны, чем процессоры.

Им нужно собственное охлаждение и блок питания, а также память. Это как маленький дополнительный компьютер! То же самое можно сказать о чипах, которые контролируют ваш звук, USB и трафик жесткого диска. Так почему же процессор особенный? Это основные причины:

— Может обрабатывать ЛЮБУЮ инструкцию, GPU выполняет только определенные виды обработки.

— Он связывает все остальные компоненты вместе, толкая и извлекая данные, чтобы заставить ваш компьютер работать.

— Процессор участвует во всей работе, которую компьютер просил сделать до некоторой степени.

Короче говоря, процессор является наиболее важным компонентом производительности общего назначения на вашем компьютере. Не принимайте это как должное!

Источник:
http://kaknastroit.com/kompiuter/780-chto-takoe-processor-chto-on-delaet.html

Устройство и основные характеристики
центрального процессора

Информация о процессоре компьютера, его значении, технологии изготовления, а также о характеристиках, которые необходимо учитывать при его выборе и приобретении.

Содержание:

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 достойные 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 плата (где-то 7 х 7 см.) с множеством контактов с одной стороны и плоской металлической коробочкой с другой. Но на самом деле 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 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 22 нанометра (толщина человеческого волоса — около 50000 нм). Со временем техпроцесс изготовления процессоров станет еще совершеннее. По прогнозам, их транзисторы уменьшатся как минимум до 14 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 технологию изготовления, но и внутреннюю структуру процессоров. Каждое новое их поколение 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 и ядрам присваиваются определенные имена, а их ревизиям – цифробуквенные обозначения. Например, 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.

Основные характеристики процессора

Количество вычислительных ядер.

Многоядерные процессоры – это процессоры, содержащие на одном процессорном кристалле или в одном корпусе два и более вычислительных ядра.

Многоядерность, как способ повышения производительности процессоров, используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития. Для домашних компьютеров уже существуют процессоры с 8 ядрами. Для серверов на рынке есть 12-ядерные предложения (Opteron 6100). Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер.

Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем их (ядер) больше, тем процессор производительнее.

Чем больше потоков – тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и во многом опережает 6-тиядерных конкурентов.

Размер кеша 2 и 3 уровней.

Кеш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени. Чем кеш больше – тем лучше.

Структура не всех современных процессоров предусматривает наличие кеша 3 уровня, хотя критичным моментом это не является. Так, по результатам многих тестов производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпускавшихся с 2007 г. по 2011 г. и не имеющих кеша 3 уровня, даже сейчас выглядит достойно. Правда, кеш 2 уровня у них достаточно большой.

Здесь все просто – чем выше частота процессора, тем он производительнее.

Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI).

Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах и чем она выше — тем лучше.

Понятие техпроцесса рассматривалось в предыдущем пункте этой статьи. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP.

Termal Design Point — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — Ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.

Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с TDP до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15 – 25 %, но это уже отдельная тема.

В то же время, проблему с высоким TDP всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения (см. последний пункт этой статьи).

Наличие и производительность видеоядра.

Последние технические достижения позволили производителям, помимо вычислительных ядер, включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты. Возможностей некоторых из них вполне достаточно для игры в компьютерные игры, не говоря уже о просмотре фильмов, работе с текстом и решении остальных задач.

Если видеоигры — не главное предназначение компьютера, процессор со встроенным графическим ядром позволит сэкономить на приобретении отдельного графического адаптера.

Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти.

Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.

Что такое сокет

Важным моментом, который нужно учитывать при выборе процессора, является то, для установки в сокет какого типа он предназначен.

Сокет (socket, разъем центрального процессора) – это щелевой или гнездовой разъём на материнской плате, в который устанавливается процессор.

Каждый процессор можно установить только на материнскую плату с подходящим разъемом, имеющим соответствующие размеры, необходимое количество и структуру контактных элементов.

Каждый новый сокет разрабатывается производителями процессоров, когда возможности старых разъемов уже не могут обеспечить нормальную работу новых изделий.

Для процессоров Intel длительное время использовался (и сейчас еще используется) сокет LGA775 (процессоры Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad). С началом производства линейки новых процессоров были введены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5, i3) и др.

Разъемы для процессоров от AMD за последние годы также изменились — AM2, AM2+, AM3 и т.д. О более ранних сокетах, думаю, смысла вспоминать нет, поскольку компьютеры на их основе – уже раритет.

Если вы задумали модернизировать старый компьютер путем приобретения более производительного процессора, убедитесь, что по сокету он подойдет к вашей старой материнской плате. Иначе однозначно придется менять и ее.

Устанавливать центральный процессор в сокет системной платы нужно аккуратно, чтобы не повредить контакты.

Система охлаждения процессора

Процессор нуждается в надлежащем охлаждении, иначе он может выйти из строя.

Как известно, верхняя поверхность процессора представляет собой металлическую коробку, выполняющую, кроме защитных, еще и теплоотводные функции. Поверх процессора на материнской плате устанавливается система охлаждения. Ее теплоотводные элементы должны плотно прижиматься к поверхности процессора.

Для улучшения передачи тепла с процессора на радиатор системы охлаждения, между ними прокладывается слой термопасты – специального пастообразного вещества с высокой теплопроводностью.

При подборе системы охлаждения процессора нужно учитывать его TDP (рассматривалось выше в пункте о характеристиках процессора).

Процессоры обычно продаются в так называемом боксовом варианте поставки, когда в комплект входит штатная система охлаждения – боксовый куллер. Но иногда эффективность такого куллера является недостаточной (например, если был произведен разгон и частота процессора, а следственно и его TDP, возросла).

Нормальная температура работы процессора — до 50 градусов Цельсия (при пиковых нагрузках возможно чуть больше). Средства измерения температуры встроены в центральный процессор. При помощи специальных программ температуру можно отслеживать в режиме реального времени (например, программой SpeedFan).

Современный процессор устроен так, что при достижении им критичной температуры он отключается и не включается, пока не остынет. Это позволяет предупредить его повреждение под воздействием высокой температуры.

Перегрев возможен вследствие низкой эффективности системы охлаждения, выхода ее из строя, засорения пылью, пересыхания термопасты и др.

Источник:
http://www.chaynikam.info/stat_cpu.html

Принцип работы современного компьютерного процессора

Центральный процессор является основным и самым главным элементом системы. Благодаря нему выполняются все задачи связанные с передачей данных, исполнением команд, логическими и арифметическими действиями. Большинство пользователей знают, что такое ЦП, но не разбираются в принципе его работы. В этой статье мы постараемся просто и понятно объяснить, как работает и за что отвечает CPU в компьютере.

Как работает компьютерный процессор

Перед тем, как разобрать основные принципы работы CPU, желательно ознакомиться с его компонентами, ведь это не просто прямоугольная пластина, монтируемая в материнскую плату, это сложное устройство, образующееся из многих элементов. Более подробно с устройством ЦП вы можете ознакомиться в нашей статье, а сейчас давайте приступим к разбору главной темы статьи.

Выполняемые операции

Операция представляет собой одно или несколько действий, которые обрабатываются и выполняются компьютерными устройствами, в том числе и процессором. Сами операции делятся на несколько классов:

  1. Ввод и вывод. К компьютеру обязательно подключено несколько внешних устройств, например, клавиатура и мышь. Они напрямую связаны с процессором и для них выделена отдельная операция. Она выполняет передачу данных между CPU и периферийными девайсами, а также вызывает определенные действия с целью записи информации в память или ее вывода на внешнюю аппаратуру.
  2. Системные операции отвечают за остановку работы софта, организовывают обработку данных, ну и, кроме всего, отвечают за стабильную работу системы ПК.
  3. Операции записи и загрузки. Передача данных между процессором и памятью осуществляется с помощью посылочных операций. Быстродействие обеспечивается одновременной запись или загрузкой групп команд или данных.
  4. Арифметически-логические. Такой тип операций вычисляет значения функций, отвечает за обработку чисел, преобразование их в различные системы исчисления.
  5. Переходы. Благодаря переходам скорость работы системы значительно увеличивается, ведь они позволяют передать управление любой команде программы, самостоятельно определяя наиболее подходящие условия перехода.

Все операции должны работать одновременно, поскольку во время активности системы за раз запущено несколько программ. Это выполняется благодаря чередованию обработки данных процессором, что позволяет ставить приоритет операциям и выполнять их параллельно.

Выполнение команд

Обработка команды делится на две составные части – операционную и операндную. Операционная составляющая показывает всей системе то, над чем она должна работать в данный момент, а операндная делает то же самое, только отдельно с процессором. Выполнением команд занимаются ядра, а действия осуществляются последовательно. Сначала происходит выработка, потом дешифрование, само выполнение команды, запрос памяти и сохранение готового результата.

Благодаря применению кэш-памяти выполнение команд происходит быстрее, поскольку не нужно постоянно обращаться к ОЗУ, а данные хранятся на определенных уровнях. Каждый уровень кэш-памяти отличается объемом данных и скоростью выгрузки и записи, что влияет на быстродействие систем.

Взаимодействия с памятью

ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство) может хранить в себе только неизменяемую информацию, а вот ОЗУ (Оперативная память) используется для хранения программного кода, промежуточных данных. С этими двумя видами памяти взаимодействует процессор, запрашивая и передавая информацию. Взаимодействие происходит с использованием подключенных внешних устройств, шин адресов, управления и различных контролеров. Схематически все процессы изображены на рисунке ниже.

Если разобраться о важности ОЗУ и ПЗУ, то без первой и вовсе можно было бы обойтись, если бы постоянное запоминающее устройство имело намного больше памяти, что пока реализовать практически невозможно. Без ПЗУ система работать не сможет, она даже не запустится, поскольку сначала происходит тестирование оборудования с помощью команд БИОСа.

Работа процессора

Стандартные средства Windows позволяют отследить нагрузку на процессор, посмотреть все выполняемые задачи и процессы. Осуществляется это через «Диспетчер задач», который вызывается горячими клавишами Ctrl + Shift + Esc.

В разделе «Быстродействие» отображается хронология нагрузки на CPU, количество потоков и исполняемых процессов. Кроме этого показана невыгружаемая и выгружаемая память ядра. В окне «Мониторинг ресурсов» присутствует более подробная информация о каждом процессе, отображаются рабочие службы и связанные модули.

Сегодня мы доступно и подробно рассмотрели принцип работы современного компьютерного процессора. Разобрались с операциями и командами, важностью каждого элемента в составе ЦП. Надеемся, данная информация полезна для вас и вы узнали что-то новое.

Источник:
http://lumpics.ru/how-the-processor-works-and-what-it-does/