▷ Что такое процессор и как он работает

Сегодня мы увидим некоторые аппаратные средства. Наша команда состоит из большого количества электронных компонентов, которые вместе способны хранить и обрабатывать данные. Процессор, процессор или центральный процессор является его основным компонентом. Мы поговорим о том, что такое процессор, каковы его компоненты и как он работает.

Готовы? Давайте начнем!

Указатель содержания

Что такое процессор?

Первое, что нам нужно определить, это то, что микропроцессор должен знать все остальное. Микропроцессор - это мозг компьютера или компьютера, он состоит из интегральной схемы, заключенной в кремниевый чип, состоящий из миллионов транзисторов. Его функция заключается в обработке данных, управлении работой всех устройств компьютера, по крайней мере, значительной их части, и, что самое главное, отвечает за выполнение логических и математических операций.

Если мы понимаем это, все данные, которые циркулируют через нашу машину, являются электрическими импульсами, состоящими из сигналов единиц и нулей, называемых битами. Каждый из этих сигналов сгруппирован в набор битов, которые составляют инструкции и программы. Микропроцессор отвечает за осмысление всего этого, выполняя основные операции: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Тогда имеем к микропроцессору:

• Он декодирует и выполняет инструкции программ, загруженных в основную память компьютера. Координирует и контролирует все компоненты компьютера и периферийные устройства, подключенные к нему, мышь, клавиатуру, принтер, экран и т. Д.

Процессоры в настоящее время обычно имеют квадратную или прямоугольную форму и расположены на элементе, называемом гнездом, прикрепленным к материнской плате. Это будет отвечать за распределение данных между процессором и остальными элементами, подключенными к нему.

Архитектура компьютера

В следующих разделах мы увидим всю архитектуру процессора.

Архитектура фон Неймана

Со времени изобретения микропроцессоров до сегодняшнего дня они основаны на архитектуре, которая делит процессор на несколько элементов, которые мы увидим позже. Это называется архитектура фон Неймана. Это архитектура, изобретенная в 1945 году математиком фон Нейманом, которая описывает дизайн цифрового компьютера, разделенного на ряд частей или элементов.

Современные процессоры по-прежнему в значительной степени основаны на этой базовой архитектуре, хотя логически большое количество новых элементов было введено до тех пор, пока мы не получим чрезвычайно полные элементы, которые мы имеем сегодня. Возможность нескольких номеров на одном чипе, элементы памяти на разных уровнях, встроенный графический процессор и т. Д.

Внутренние части компьютера

Основные части компьютера в соответствии с этой архитектурой:

• Память: это элемент, в котором хранятся инструкции, выполняемые компьютером, и данные, с которыми они работают. Эти инструкции называются программой. Центральный процессор или процессор: это элемент, который мы определили ранее. Он отвечает за обработку инструкций, поступающих к нему из памяти. Блок ввода и вывода: он обеспечивает связь с внешними элементами. Шины данных: это дорожки, дорожки или кабели, которые физически соединяют предыдущие элементы.

Элементы микропроцессора

Определив основные части компьютера и поняв, как информация циркулирует по нему.

• Блок управления (UC): это элемент, который отвечает за выдачу заказов через управляющие сигналы, например, часы. Он ищет инструкции в основной памяти и передает их в декодер команд для выполнения. Внутренние части:
  1. Clock: генерирует прямоугольную волну для синхронизации операций процессора. Счетчик программ: содержит адрес памяти следующей команды, которая должна быть выполнена. Запись команды: содержит инструкцию, которая в данный момент выполняется. Sequencer: генерирует элементарные команды для обработки. обучения. Декодер инструкций (DI): он отвечает за интерпретацию и выполнение поступающих инструкций, извлечение кода операции из инструкции.

• Логическая арифметическая единица (ALU): она отвечает за выполнение арифметических вычислений (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) и логических операций (AND, OR,…). Внутренние части.
  1. Операционная схема: они содержат мультиплексоры и схемы для выполнения операций. Входные регистры: данные сохраняются и обрабатываются перед входом в операционную схему. Аккумулятор: хранит результаты выполненных операций. Регистр состояния (флаг): хранит определенные условия, которые необходимо учитывать при последующих операциях.

• Единица с плавающей запятой (FPU): Этот элемент не был в оригинальном проекте архитектуры, он был позже введен, когда инструкции и вычисления стали более сложными с появлением графически представленных программ. Этот модуль отвечает за выполнение операций с плавающей запятой, то есть действительных чисел. Банк записей и кэш: Современные процессоры имеют энергозависимую память, которая соединяет ОЗУ с процессором. Это намного быстрее, чем ОЗУ и отвечает за ускорение доступа микропроцессора к основной памяти.

• Передняя боковая шина (FSB): также известна как шина данных, основная шина или системная шина. Это путь или канал, который связывает микропроцессор с материнской платой, в частности с микросхемой, называемой северным мостом или не мостом. Он отвечает за управление работой главной шины ЦП, ОЗУ и портов расширения, таких как PCI-Express. Термины, используемые для определения этой шины, - «Быстрое соединение» для Intel и «Гипертранспорт» для AMD.

Источник: sleeperfurniture.co

Источник: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): эта шина связывает кэш-память уровня 2 (L2) с процессором, если она не интегрирована в само ядро ​​процессора. В настоящее время все микропроцессоры имеют кэш-память, встроенную в сам чип, поэтому эта шина также является частью того же чипа.

Два или более основных микропроцессора

В одном и том же процессоре эти элементы не только будут распределены внутри, но теперь они реплицируются. У нас будет несколько процессорных ядер или несколько одинаковых микропроцессоров внутри устройства. Каждый из них будет иметь свой собственный кэш L1 и L2, обычно L3 разделяется между ними, парами или вместе.

В дополнение к этому у нас будет ALU, UC, DI и FPU для каждого из ядер, поэтому скорость и вычислительная мощность умножаются в зависимости от количества ядер, которые оно имеет. Новые элементы также появляются внутри микропроцессоров:

• Интегрированный контроллер памяти (IMC): теперь с появлением нескольких ядер процессор имеет систему, которая позволяет напрямую обращаться к основной памяти. Интегрированный графический процессор (iGP) - графический процессор выполняет обработку графики. В основном это операции с плавающей запятой с битовыми строками высокой плотности, поэтому обработка намного сложнее, чем обычные программные данные. Благодаря этому существуют микропроцессорные линейки, в которых реализован блок, предназначенный исключительно для обработки графики.

Некоторые процессоры, такие как AMD Ryzen, не имеют встроенной видеокарты. Просто ваши ВСУ?

Работа микропроцессора

Процессор работает по инструкциям, каждая из этих инструкций представляет собой двоичный код определенного расширения, который процессор может понять.

Следовательно, программа - это набор инструкций, и для ее выполнения она должна выполняться последовательно, то есть выполнять одну из этих инструкций на каждом шаге или периоде времени. Для выполнения инструкции есть несколько этапов:

• Поиск инструкций: мы переносим инструкцию из памяти в процессор. Декодирование инструкций: инструкция делится на более простые коды, понятные ЦП. Операция поиска: с помощью инструкции, загруженной в ЦП, вы должны найти соответствующий оператор. Выполнение инструкция: выполнить необходимую логическую или арифметическую операцию Сохранение результата: результат кэшируется

Каждый процессор работает с определенным набором инструкций, которые развивались вместе с процессорами. Имя x86 или x386 относится к набору инструкций, с которыми работает процессор.

Традиционно 32-разрядные процессоры также назывались x86, потому что в этой архитектуре они работали с этим набором инструкций от процессора Intel 80386, который первым реализовал 32-разрядную архитектуру.

Этот набор инструкций необходимо обновить, чтобы работать более эффективно и с более сложными программами. Иногда мы видим, что в требованиях к программе для запуска встречается набор сокращений, таких как SSE, MMX и т. Д. Это набор инструкций, с которыми может справиться микропроцессор. Итак, мы имеем:

• SSE (потоковые расширения SIMD): они позволили процессорам работать с операциями с плавающей запятой. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 и т. Д.: различные обновления этого набора инструкций.

Несовместимость процессора

Мы все помним, когда операционная система Apple могла работать на ПК с Windows или Linux. Это связано с типом инструкций от разных процессоров. Apple использовала процессоры PowerPC, которые работали с инструкциями, отличными от Intel и AMD. Таким образом, существует несколько конструкций команд:

• CISC (компьютер с комплексными инструкциями): это тот, который используется Intel и AMD, речь идет об использовании нескольких инструкций, но сложных. Они имеют более высокое потребление ресурсов, являясь более полными инструкциями, которые требуют нескольких тактов. RISC (компьютер с сокращенным набором инструкций): это тот, который используется Apple, Motorola, IBM и PowerPC, это более эффективные процессоры с большим количеством инструкций, но меньшей сложностью.

В настоящее время обе операционные системы совместимы, поскольку Intel и AMD реализуют комбинацию архитектур в своих процессорах.

Процесс выполнения инструкции

1. Процессор перезапускается при получении сигнала RESET, таким образом, система подготавливает себя к получению тактового сигнала, который будет определять скорость процесса.В регистре CP (счетчике программ) адрес памяти, по которому Блок управления (UC) выдает команду для извлечения инструкции, которую RAM хранит в адресе памяти, который находится в CP. Затем RAM отправляет данные и помещается на шину данных до который хранится в RI (регистре инструкций). UC управляет процессом, и команда переходит к декодеру (D), чтобы найти значение команды. Затем он проходит через UC, который должен быть выполнен. Как только инструкция известна и какая операция должна быть выполнена, обе загружаются во входные регистры ALU (REN). ALU выполняет операцию и помещает результат в Шина данных и CP добавляются 1 для выполнения следующей инструкции.

Как узнать, хорош ли процессор

Чтобы узнать, хорош или плох микропроцессор, мы должны рассмотреть каждый из его внутренних компонентов:

Ширина шины

Ширина шины определяет размер регистров, которые могут циркулировать через нее. Эта ширина должна соответствовать размеру регистров процессора. Таким образом, мы имеем, что ширина шины представляет самый большой регистр, который она может перенести за одну операцию.

Непосредственно к шине также будет относиться оперативная память, она должна иметь возможность хранить каждый из этих регистров с той шириной, которую они имеют (это называется шириной слова памяти).

То, что мы имеем в настоящее время, когда ширина шины составляет 32 или 64 бита, то есть мы можем одновременно транспортировать, хранить и обрабатывать цепочки из 32 или 64 бит. С 32 битами, каждый из которых может иметь значение 0 или 1, мы можем адресовать объем памяти 2 ³² (4 ГБ) и с 64 битами 16 ЭБ. Это не означает, что у нас на компьютере 16 экзабайт памяти, а скорее означает возможность управлять и использовать определенный объем памяти. Отсюда и знаменитое ограничение 32-битных систем на адресацию только 4 ГБ памяти.

Словом, чем шире шина, тем больше работоспособность.

Кеш-память

Эти воспоминания намного меньше оперативной памяти, но гораздо быстрее. Его функция заключается в хранении инструкций, которые будут только обрабатываться или обрабатываться последними. Чем больше кэш-памяти, тем выше скорость транзакции, которую процессор может поднять и сбросить.

Здесь мы должны знать, что все, что достигает процессора, исходит от жесткого диска, и это можно сказать, что он значительно медленнее, чем RAM, и даже больше, чем кэш-память. Именно по этой причине эти твердотельные запоминающие устройства были разработаны для устранения большого узкого места - жесткого диска.

И мы спросим себя, почему же они не только производят большие кэши, ответ прост, потому что они очень дороги.

Скорость внутреннего процессора

Скорость интернета почти всегда самая яркая вещь, если смотреть на процессор. «Процессор работает на частоте 3, 2 ГГц», но что это? Скорость - это тактовая частота, на которой работает микропроцессор. Чем выше эта скорость, тем больше операций за единицу времени она сможет выполнить. Это приводит к повышению производительности, поэтому есть кэш-память, чтобы ускорить сбор данных процессором, чтобы всегда выполнять максимальное количество операций в единицу времени.

Эта тактовая частота задается периодическим прямоугольным сигналом. Максимальное время выполнения операции - один период. Период является обратной частотой.

Но не все это скорость. Есть много компонентов, которые влияют на скорость процессора. Например, если у нас 4-ядерный процессор с тактовой частотой 1, 8 ГГц и еще один одноядерный с тактовой частотой 4, 0 ГГц, он уверен, что четырехъядерный процессор работает быстрее.

Скорость шины

Так же, как скорость процессора важна, скорость шины данных также важна. Материнская плата всегда работает на гораздо более низкой тактовой частоте, чем микропроцессор, поэтому нам понадобится множитель, который регулирует эти частоты.

Например, если у нас есть материнская плата с шиной с тактовой частотой 200 МГц, множитель 10x достигнет частоты процессора 2 ГГц.

микроархитектура

Микроархитектура процессора определяет количество транзисторов на единицу расстояния в нем. Эта единица измерения в настоящее время измеряется в нм (нанометрах), чем она меньше, тем больше число транзисторов может быть введено, и, следовательно, может быть размещено большее количество элементов и интегральных схем.

Это напрямую влияет на потребление энергии, меньшие устройства будут нуждаться в меньшем потоке электронов, поэтому для выполнения тех же функций, что и в более крупной микроархитектуре, потребуется меньше энергии.

Источник: intel.es

Компонентное охлаждение

Из-за огромной скорости, достигаемой процессором, поток тока генерирует тепло. Чем выше частота и напряжение, тем больше будет выделение тепла, поэтому необходимо охлаждать этот компонент. Есть несколько способов сделать это:

• Пассивное охлаждение: с помощью металлических рассеивателей (меди или алюминия), которые увеличивают поверхность контакта с воздухом с помощью ребер. Активное охлаждение : в дополнение к радиатору также установлен вентилятор для обеспечения принудительного воздушного потока между ребрами пассивного элемента.

• Жидкостное охлаждение: оно состоит из контура, состоящего из насоса и оребренного радиатора. Вода циркулирует через блок, расположенный в центральном процессоре, жидкий элемент собирает выделяемое тепло и переносит его в радиатор, который посредством принудительной вентиляции рассеивает тепло, снова понижая температуру жидкости.

Некоторые процессоры оснащены радиатором. Обычно они не имеют большого значения… но они служат для запуска и запуска ПК и одновременно улучшают его

• Охлаждение с помощью тепловых трубок : система состоит из замкнутого контура из медных или алюминиевых трубок, заполненных жидкостью. Эта жидкость собирает тепло от процессора и испаряется, поднимаясь к верхней части системы. В этот момент имеется оребренный радиатор, который обменивает тепло жидкости изнутри наружу, таким образом, жидкость конденсируется и опускается обратно в блок ЦП.

Мы рекомендуем

На этом мы завершаем нашу статью о том, что такое процессор и как он работает в деталях. Надеемся, вам понравилось.