▷ Детали процессора снаружи и внутри: основные понятия?

Конечно, мы все примерно знаем, что такое процессор, но действительно ли мы знаем, какие части процессора ? Каждый из основных, которые необходимы для того, чтобы этот маленький кусочек кремния мог обрабатывать большие объемы информации, был способен перенести человечество в эпоху, когда без электронных систем наступит полный крах.

Процессоры уже являются частью нашей повседневной жизни, особенно людей, которые родились за последние 20 лет. Многие полностью смешались с технологиями, не говоря уже о маленьких, которые несут смартфон под мышкой вместо буханки… Во всех этих устройствах есть общий элемент, называемый процессором, который отвечает за предоставление "интеллекта" машины вокруг нас. Если бы этот элемент не существовал, равно как и компьютеры, мобильные телефоны, роботы и сборочные линии, короче говоря, у всех была бы работа… но было бы невозможно добраться туда, где мы их сделали, до сих пор нет мира, подобного "Матрице", но все пойдет.

Указатель содержания

Что такое процессор и почему он так важен

Прежде всего, мы должны знать, что не только компьютер имеет процессор внутри. Все электронные устройства содержат элемент, который выполняет функции процессора, будь то цифровые часы, программируемый автомат или смартфон.

Но, конечно, мы также должны знать, что, в зависимости от их возможностей и того, для чего они изготовлены, процессоры могут быть более или менее сложными, от простого выполнения последовательности двоичных кодов до освещения светодиодной панели, до обработки огромного количества информация, в том числе учиться у них (машинное обучение и искусственный интеллект).

Центральный процессор или центральный процессор на испанском языке - это электронная схема, способная выполнять задачи и инструкции, содержащиеся в программе. Эти инструкции значительно упрощены и сводятся к базовым арифметическим вычислениям (сложение, вычитание, умножение и деление), логическим операциям (И, ИЛИ, НЕ, НОР, NAND) и управлению вводом / выводом (I / O). устройств.

Тогда процессор является элементом, отвечающим за выполнение всех операций, которые формируют инструкции программы. Если мы ставим себя с точки зрения машины, эти операции сводятся к простым цепочкам нулей и единиц, называемых битами, которые представляют текущие / не текущие состояния, формируя, таким образом, двоичные логические структуры, на которые способен даже человек. понимать и программировать на машинном коде, на ассемблере или на языке программирования более высокого уровня.

Транзисторы, виновники всего

Процессоров не было бы, по крайней мере, таких маленьких, если бы не транзисторы. Они являются, так сказать, базовой единицей любого процессора и интегральной схемы. Это полупроводниковое устройство, которое замыкает или размыкает электрическую цепь или усиливает сигнал. Таким образом, мы можем создавать единицы и нули, двоичный язык, который понимает процессор.

Эти транзисторы начинали как вакуумные клапаны, огромные лампеобразные устройства, способные выполнять собственные коммутации транзистора, но с механическими элементами в вакууме. Компьютеры, такие как ENIAC или EDVAC, имели внутри себя вакуумные клапаны вместо транзисторов, и они были очень большими и практически потребляли энергию небольшого города. Эти машины были первыми с архитектурой фон Неймана.

Но в 1950–1960-х годах начали создаваться первые транзисторные ЦП - фактически это была IBM в 1958 году, когда она создала свою первую машину на основе полупроводниковых транзисторов с IBM 7090. С тех пор эволюция была впечатляющей, такие производители, как Intel, а затем AMD начали создавать первые процессоры для настольных компьютеров, реализующие революционную архитектуру x86, благодаря процессору Intel 8086. Фактически, даже сегодня наши настольные процессоры основаны на этой архитектуре, позже мы увидим части процессора x86.

После этого архитектура начала становиться все более сложной, с меньшими чипами, а также с первым введением большего количества ядер внутри, а затем с ядрами, специально предназначенными для обработки графики. Даже сверхбыстрые банки памяти, называемые кеш-памятью и шиной связи с основной памятью, RAM, были введены внутри этих небольших чипов.

Внешние части процессора

После этого краткого обзора истории процессоров до наших дней мы увидим, какими внешними элементами обладает текущий процессор. Мы говорим о физических элементах, которые могут быть затронуты и которые находятся в поле зрения пользователя. Это поможет нам лучше понять физические и коммуникационные потребности процессора.

гнездо

Разъем или сокет ЦП представляет собой электромеханическую систему, жестко установленную на материнской плате, которая отвечает за соединение процессора с другими элементами на плате и компьютером. На рынке есть несколько основных типов сокетов, а также с различными конфигурациями. В вашем имени или наименовании есть три элемента, которые помогут нам понять, о чем мы говорим:

Производитель может быть Intel или AMD в случае персональных компьютеров, это что-то простое для понимания. Что касается типа подключения, у нас есть три различных типа:

• LGA: (сетка контактов) означает, что контактные контакты установлены в самом сокете, в то время как ЦП имеет только плоскую контактную группу. PGA: (сетка с выводами), она противоположна предыдущему, это контакты имеют процессор, а в гнезде есть отверстия для их вставки. BGA: (шариковая сетка), в этом случае процессор непосредственно припаян к материнской плате.

Что касается последнего числа, оно определяет тип распределения или количество контактов подключения, которые ЦПУ имеет с сокетом. В Intel и AMD их огромное количество.

субстрат

Подложка - это, по сути, печатная плата, на которой установлен кремниевый чип, содержащий электронную схему ядер, называемую DIE. Современные процессоры могут иметь более одного из этих элементов, установленных отдельно.

Но также эта небольшая печатная плата содержит всю матрицу соединительных штырьков с разъемом материнской платы, почти всегда позолоченную для улучшения передачи электроэнергии, и с защитой от перегрузок и скачков тока в виде конденсаторов.

DIE

DIE - это квадрат или микросхема, которая содержит все интегральные схемы и внутренние компоненты процессора. Визуально он виден как маленький черный элемент, выступающий из подложки и контактирующий с элементом рассеивания тепла.

Поскольку вся система обработки находится внутри него, DIE достигает невероятно высоких температур, поэтому он должен быть защищен другими элементами.

IHS

Также называется DTS или Integrated Thermal Diffuser, и его функция состоит в том, чтобы фиксировать всю температуру ядер процессора и передавать ее на радиатор, установленный этим элементом. Он сделан из меди или алюминия.

Этот элемент представляет собой лист или герметизирующую оболочку, которая защищает DIE снаружи и может быть в прямом контакте с ним с помощью термопасты или непосредственно сварена. В пользовательском игровом оборудовании пользователи удаляют эту IHS для непосредственного контакта радиаторов с DIE с использованием термопасты в жидкометаллическом соединении. Этот процесс называется Delidding, и его целью является значительное повышение температуры процессора.

теплоотвод

Последний элемент, который отвечает за захват как можно большего количества тепла и передачу его в атмосферу. Это небольшие или большие блоки из алюминия и медной основы, снабженные вентиляторами, которые помогают охлаждать всю поверхность с помощью принудительного воздушного потока через ребра.

Каждый процессор ПК нуждается в радиаторе, чтобы функционировать и держать свою температуру под контролем.

Ну, это внешние части процессора, теперь мы рассмотрим самую техническую часть, его внутренние компоненты.

Архитектура фон Неймана

Современные компьютеры основаны на архитектуре фон Неймана, который был математиком, ответственным за то, чтобы дать жизнь первым компьютерам в истории в 1945 году, знаете ли, ENIAC и другим его большим друзьям. Эта архитектура является в основном способом, которым элементы или компоненты компьютера распределены так, чтобы его работа была возможна. Он состоит из четырех основных частей:

• Память программ и данных: это элемент, в котором хранятся инструкции, выполняемые в процессоре. Он состоит из накопителей или жестких дисков, оперативной памяти и программ, которые содержат сами инструкции. Центральный процессор или процессор: это процессор, блок, который контролирует и обрабатывает всю информацию, которая поступает из основной памяти и устройств ввода. Блок ввода и вывода: обеспечивает связь с периферийными устройствами и компонентами, подключенными к центральному блоку. Физически мы могли идентифицировать их как слоты и порты нашей материнской платы. Шины данных: это дорожки, дорожки или кабели, которые физически соединяют элементы, а в процессоре они делятся на шину управления, шину данных и шину адреса.

Многоядерные процессоры

Прежде чем мы начнем перечислять внутренние компоненты процессора, очень важно знать, каковы ядра процессора и их функции в нем.

Ядром процессора является интегральная схема, которая отвечает за выполнение необходимых вычислений с информацией, проходящей через него. Каждый процессор работает на определенной частоте, измеряемой в МГц, которая указывает количество операций, которые он способен выполнить. Что ж, современные процессоры имеют не только ядро, но и несколько из них, причем все они с одинаковыми внутренними компонентами и способны выполнять и решать команды одновременно в каждом тактовом цикле.

Таким образом, если основной процессор может выполнять одну инструкцию в каждом цикле, если у него было 6, он может выполнить 6 из этих команд в одном и том же цикле. Это значительное повышение производительности, и именно это делают современные процессоры. Но у нас есть не только ядра, но и потоки обработки, которые подобны логическим ядрам, по которым циркулируют потоки программы.

Посетите нашу статью о том, каковы потоки процессора? Различия с ядрами, чтобы узнать больше на эту тему.

Внутренние части процессора (x86)

Существует много разных микропроцессорных архитектур и конфигураций, но нас интересует та, которая находится внутри наших компьютеров, и это, несомненно, та, которая получила название x86. Мы могли бы видеть это непосредственно физически или схематически, чтобы сделать это немного яснее, знать, что все это находится в DIE.

Мы должны учитывать, что в каждом из ядер процессора будут присутствовать управляющий модуль, арифметико-логический модуль, регистры и FPU.

Давайте сначала посмотрим на основные внутренние компоненты:

Блок управления

На английском языке называется Conrol Unit или CU, он отвечает за управление работой процессора. Это осуществляется путем подачи команд в виде управляющих сигналов в ОЗУ, арифметико-логическое устройство и устройства ввода и вывода, чтобы они знали, как управлять информацией и инструкциями, которые отправляются в процессор. Например, они собирают данные, выполняют расчеты и сохраняют результаты.

Этот блок гарантирует, что остальные компоненты работают синхронно, используя тактовые сигналы и сигналы синхронизации. Практически все процессоры имеют этот блок внутри, но, скажем, он находится вне того, что является ядром самой обработки. В свою очередь, мы можем выделить в нем следующие части:

• Clock (CLK): он отвечает за генерацию прямоугольного сигнала, который синхронизирует внутренние компоненты. Есть другие часы, которые отвечают за эту синхронизацию между элементами, например, множитель, который мы увидим позже. Программный счетчик (CP): содержит адрес памяти следующей команды, которая должна быть выполнена. Регистр команд (RI): сохраняет выполняемую инструкцию. Sequencer и Decoder: интерпретирует и выполняет инструкции с помощью команд.

Арифметико-логическая единица

Вы наверняка узнаете это по его аббревиатуре «ALU». ALU отвечает за выполнение всех арифметических и логических вычислений с целыми числами на уровне битов, этот блок работает непосредственно с инструкциями (операндами) и с операцией, которую блок управления поручил ему (оператор).

Операнды могут поступать либо из внутренних регистров процессора, либо непосредственно из памяти RAM, они могут даже генерироваться в самом ALU в результате другой операции. Результатом этого будет результат операции, являющийся другим словом, которое будет сохранено в регистре. Это его основные части:

• Регистры входа (REN): они хранят в себе операнды для оценки. Код операции: CU отправляет оператору запрос на выполнение операции Аккумулятор или Результат: результат операции выводится из ALU в виде двоичного слова.

Блок с плавающей точкой

Вы будете знать это как FPU или модуль с плавающей запятой. По сути, это обновление, выполняемое процессорами нового поколения, которое специализируется на вычислении операций с плавающей запятой с использованием математического сопроцессора. Существуют единицы, которые могут даже выполнять тригонометрические или экспоненциальные вычисления.

По сути, это адаптация для повышения производительности процессоров при обработке графики, когда выполняемые вычисления гораздо тяжелее и сложнее, чем в обычных программах. В некоторых случаях функции FPU выполняются самим ALU с использованием микрокода инструкций.

учет

Современные процессоры, так сказать, имеют свою собственную систему хранения, а самый маленький и быстрый блок - это регистры. По сути, это небольшой склад, где хранятся инструкции, которые обрабатываются, и полученные из них результаты.

Кеш-память

Следующим уровнем хранения является кэш-память, которая также является чрезвычайно быстрой памятью, намного большей, чем оперативная память, которая отвечает за хранение инструкций, которые будут неизбежно использоваться процессором. Или, по крайней мере, вы попытаетесь сохранить инструкции, которые, по вашему мнению, будут использоваться, поскольку иногда нет другого выбора, кроме как запросить их непосредственно из ОЗУ.

Кэш текущих процессоров интегрирован в один и тот же DIE процессора и разделен на три уровня: L1, L2 и L3:

• Кэш 1-го уровня (L1): он самый маленький после логов и самый быстрый из трех. Каждое ядро ​​обработки имеет свой собственный кэш L1, который, в свою очередь, делится на два: данные L1, отвечающие за хранение данных, и инструкция L1, в которой хранятся инструкции для выполнения. Обычно это 32 КБ каждый. Кэш 2-го уровня (L2) - эта память медленнее, чем L2, но также больше. Как правило, каждое ядро ​​имеет свой собственный L2, который может составлять около 256 КБ, но в этом случае он не интегрируется напрямую в схему ядра. Кэш 3-го уровня (L3): самый медленный из трех, хотя и намного быстрее, чем RAM. Это также расположено вне ядер и распределено среди нескольких ядер. Он варьируется от 8 до 16 МБ, хотя в очень мощных процессорах он достигает 30 МБ.

Входящие и исходящие автобусы

Шина является каналом связи между различными элементами , составляющими компьютер. Это физические линии, по которым данные циркулируют в форме электричества, инструкций и всех элементов, необходимых для обработки. Эти шины могут быть размещены непосредственно внутри процессора или вне его, на материнской плате. На компьютере есть три типа автобусов:

• Шина данных: конечно, легче всего понять, потому что это шина, по которой данные, отправляемые и получаемые различными компонентами, передаются в процессор или из процессора. Это означает, что это двунаправленная шина, и через нее будут передаваться слова длиной 64 бита, длина, которую способен обработать процессор. Примером шины данных являются LANES или PCI Express Lines, которые связывают ЦП со слотами PCI, например, для графической карты. Шина адреса: шина адреса не передает данные, но адреса памяти, чтобы определить местонахождение данных, хранящихся в памяти. Оперативная память похожа на большое хранилище данных, разделенное на ячейки, и каждая из этих ячеек имеет свой собственный адрес. Это будет процессор, который запрашивает память для данных , отправляя адрес памяти, этот адрес должен быть таким же большим, как ячейки имеют оперативную память. В настоящее время процессор может адресовать адреса памяти до 64 бит, то есть мы можем обрабатывать память до 2 ⁶⁴ ячеек. Шина управления: шина управления отвечает за управление двумя предыдущими шинами, используя управляющие и синхронизирующие сигналы, чтобы обеспечить синхронизированное и эффективное использование всей информации, которая поступает в процессор или из него. Это было бы похоже на диспетчерскую вышку аэропорта.

BSB, блок ввода / вывода и множитель

Важно знать, что современные процессоры не имеют традиционной шины FSB или Front Bus, которая служила для связи процессора с остальными элементами материнской платы, например, чипсетом и периферийными устройствами через северный мост и южный мост. Это связано с тем, что сама шина была вставлена ​​в ЦПУ в качестве блока управления данными ввода-вывода (I / O), который напрямую связывает ОЗУ с процессором, как если бы это был старый северный мост. Такие технологии, как AMD HyperTransport или Intel HyperThreading, отвечают за управление обменом информацией о высокопроизводительных процессорах.

BSB или Back Side Bus - это шина, которая отвечает за соединение микропроцессора с собственной кэш-памятью, обычно L2. Таким образом, передняя шина может быть освобождена от значительной нагрузки, и, таким образом, скорость кэширования еще ближе к скорости ядра.

И, наконец, у нас есть множители, которые представляют собой последовательность элементов, расположенных внутри или снаружи процессора, которые отвечают за измерение взаимосвязи между тактовой частотой процессора и тактовой частотой внешних шин. На данный момент мы знаем, что процессор подключен к таким элементам, как RAM, чипсет и другие периферийные устройства через шины. Благодаря этим множителям, возможно, что частота процессора намного выше, чем у внешних шин, чтобы иметь возможность обрабатывать больше данных.

Например, множитель x10 позволит системе, работающей на частоте 200 МГц, работать с процессором на частоте 2000 МГц. В современных процессорах мы можем найти блоки с разблокированным множителем, это означает, что мы можем увеличить его частоту и, следовательно, скорость обработки. Мы называем это разгоном.

IGP или внутренняя видеокарта

Чтобы закончить с частями процессора, мы не можем забыть интегрированный графический блок, который некоторые из них несут. Прежде чем мы увидели, что такое FPU, и в этом случае мы сталкиваемся с чем-то похожим, но с гораздо большей мощностью, поскольку в основном они представляют собой серию ядер, способных независимо обрабатывать графику нашей команды, которая для математических целей огромное количество вычислений с плавающей запятой и рендеринга графики, которые будут очень интенсивно использовать процессор.

IGP выполняет ту же функцию, что и внешняя видеокарта, которую мы установили через слот PCI-Express, только в меньшем масштабе или мощности. Он называется интегрированным графическим процессором, потому что это интегральная схема, установленная в том же процессоре, которая освобождает центральный блок от этой серии сложных процессов. Это будет полезно, когда у нас нет видеокарты, но пока у нее нет производительности, сравнимой с этими.

И у AMD, и у Intel есть модули, которые интегрируют IGP в ЦП, поэтому они называются APU (Ускоренный процессор). Примером этого являются практически все Intel Core семейства i, а также AMD Athlon и немного Ryzen.

Вывод по частям процессора

Итак, мы подошли к концу этой длинной статьи, где мы более или менее базовым образом видим, каковы части процессора, как с внешней, так и с внутренней точки зрения. Правда в том, что это очень интересная тема, но чертовски сложная и длинная для объяснения, детали которой недоступны для понимания почти всем нам, кто не погружен в конвейеры и производителей этого типа устройств.

Теперь мы оставляем вам несколько уроков, которые могут быть вам интересны.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вы хотите уточнить какие-либо проблемы в статье, мы предлагаем вам написать это в поле для комментариев. Всегда хорошо иметь мнение и мудрость других.