Как работает процессор?

Температура процессора — как измерить и на что она влияет?

Многие пользователи компьютеров задаются вопросом о том, что именно становится причиной нестабильного функционирования устройства. Автоматические перезагрузки, лаги, ошибки и перебои являются главными симптомами перегрева ПК. В таких условиях работать в комфорте будет довольно сложно. В первую очередь стоит разобраться с определением проблемы и узнать, как можно ее разрешить. В данной статье мы расскажем о причинах и последствиях перегрева процессора и программах, которые подходят для контроля температуры чипа.

1 Нормальная температура процессора

Значение температурных показателей чипа является залогом его продуктивной работы на протяжении долгого времени. Разные поколения процессоров имеют собственную специфику, ввиду чего назвать точный показатель сложно. Мобильные чипы, как правило, греются сильнее, но данная тенденция является следствием особенностей строения корпуса портативных устройств и отсутствия мощной системы охлаждения. В десктопных версиях процессоры работают на температуре до 70 °C. Современные устройства могут раскаляться даже до 100 градусов, но они требуют соответствующего охлаждения. Продукты AMD, как правило, имеют более узкий диапазон рабочих температур, чем Intel, что соответствует и их ценнику.

Для получения информации о рабочей температуре процессора и ее максимальных значениях можно просто перейти на сайт производителя и посмотреть их. В качестве примера мы возьмем Intel Core i5-6200U для ноутбуков и AMD 10 PRO-7850B для стационарных приборов. В первом случае максимальная температура, при которой процессор функционирует стабильно, составляет 100 градусов. Мобильные чипы могут производиться в разных корпусах, что также сказывается на скорости нагрева и его максимальных значениях. Как правило, в ноутбуках процессоры заключены в Ball Grid Array. Массив шариков обеспечивает быстрое проникновение воздуха в чип, ввиду чего он охлаждается посредством кулера. Также имеется и другой тип корпусов Pin Grid Aray, который располагается на штырьках и присоединяется при помощи них к материнской плате. В модификации BGA рекомендованная температура составляет порядка 100-105 градусов, а в PGA – примерно на 10 градусов меньше. AMD 10 PRO-7850B может нагреваться до 72,4 градуса, после чего начинаются проблемы. В данном случае расчет нагрева учитывает наличие в системном блоке одного или нескольких охладителей. Кратковременные пики в температуре не нанесут никакого вреда процессору, но длительное воздействие на чип может даже стать причиной его выхода из строя.
к меню

2 Вред, наносимый компьютеру при перегреве процессора

Некоторые пользователи считают, что компьютер с сильно нагретым процессором может просто сгореть. На самом деле все обстоит намного сложнее. Современные процессоры имеют качественные системы защиты, которые не дадут им сгореть. Когда температура достигает допустимого пика, чип просто выключается. Некоторые системы уменьшают тактовую частоту, ввиду чего производительность снижается. За определенный период процессор восстанавливает стабильную допустимую температуру и начинает работать стабильно. Если нагрев достигнет максимума, а система не произведет нужные для охлаждения процедуры, компьютер может просто выключиться.

В целом, температура ЦП является одним из главных индикаторов работы системы. Высокие значения могут появляться не только из-за загруженности компьютера, но и из-за банального загрязнения. Периодически нужно производить очистку системного блока, так как попадание пыли в процессор чревато перегревом. Многие специалисты отмечают, что лучше всего применять для этого пылесосы на низких оборотах, так как на материнской плате имеется масса мелких деталей, прикрепленных на небольшие ножки. Большая всасывающая мощность может нанести непоправимый вред устройству, ввиду чего оно просто выйдет из строя. Также на работе системы охлаждения сказываются и частые перебои в питании. Если компьютер неожиданно выключился из-за того, что в квартире или доме пропал свет, его лучше не включать минимум полчаса. От этого может пострадать и жесткий диск, головки считывания информации на котором при отключении электричества не возвращаются в исходное положение.

Повышенная температура в системном блоке сказывается и на видеокарте. Если устройство перегревается, то оно начинает функционировать нестабильно, что приводит к проблемам. Специалисты рекомендуют, что даже в старых компьютерах нужно применять несколько кулеров, каждый из которых будет отвечать за отдельную запчасть. Для того чтобы проконтролировать температуру процессора в компьютере, можно воспользоваться специальными программами, самые популярные из которых мы далее рассмотрим более детально.
к меню

3 Программы для контроля температуры ЦП

к меню

3.1

Программа применяется не только для разгона центрального процессора, ОЗУ и графического адаптера, но и получения данных о температуре чипа. Включить так называемый термометр можно не только в процессе ускорения, но и в фоновом режиме.

В процессе разгона контролировать температуру процессора обязательно. Если ее значения уже по завершению процесса вписываются в допустимые и сохраняют стабильность, то переживать о производительности. Если все обстоит иначе, нужно начать снижать напряжение.

Возможности:

  • Разгон ЦП, ОЗУ и графического адаптера.
  • Сохранение данных для работы в операционной системе уже с обновленными настройками.
  • Сведения о напряжении, блоке питания и скорости кулеров выводятся на экран.
  • Конфигурацию перед применением можно проверить на бенчмарке.
  • Вместе с программой имеется утилита для доступа к серверу статистики RivaTuner.

к меню

3.2

Программа предназначена только для разгона вентиляторов. В то же время, она отлично подойдет для осуществления контроля температуры процессора и других комплектующих компьютера. Утилита пользуется популярностью не только у пользователей начинающего уровня, но и опытные юзеры и системные администраторы. Программа будет выводить на экран не только температуру процессора, но и скорость вращения вентилятора, что также важно в процессе охлаждения.

Возможности:

  • Сведения о температуре будут отображаться прямо рядом с часами в операционной системе.
  • Количество оборотов кулера можно изменить в меню в самом приложении.
  • Для удобства можно включить режим построения графика для наблюдения за температурой процессора.
  • Удобный интерфейс даст возможность пользоваться программой даже неопытным владельцам ПК.

к меню

3.3 Open Hardware Monitor

Данный инструмент подходит для измерения температуры процессора и жесткого диска, а также других комплектующих. Он отличается от аналогов работой с датчиками на материнской плате, ввиду чего показывает максимально достоверные сведения. В окне пользователь сможет видеть не только текущие показатели, но и пики за последнее время, что позволит отследить активность процессора и прочих деталей во время использования программ или игр.

Возможности:

  • Программа может работать без установки и распространяется бесплатно.
  • Утилита просигнализирует о быстром повышении температуры процессора или других приборов в компьютере.
  • Пользователь сможет видеть не только текущие, но и максимальные температурные значения для осуществления контроля за функционалом и нагрузкой.
  • Программа работает с процессорами Intel, AMD, а другие аппаратные компоненты оцениваются с помощью базы в режиме онлайн.
  • Утилита совместима с ОС Windows XP, Vista, 7 и более новыми версиями.

к меню

3.4

Данная программа также получает данные с датчиков в компьютере или ноутбуке, ввиду чего пользователь получает максимально достоверные сведения. Кроме того, в утилите имеется встроенная защита от перегрева, которая дает возможность предотвратить экстренные отключения ПК. Кроме того, пользователь сам сможет выбрать действие, которое произойдет при повышении температуры до критических показателей.

Утилита измеряет перегрев каждого ядра чипа отдельно. Кроме того, на панели высвечиваются сведения о частоте и загрузке процессора. Даже неопытные пользователи смогут справиться с интерфейсом программы.

Возможности:

  • Небольшой вес программы дает возможность подходить под компьютеры с любыми ресурсами.
  • Защита от перегрева включается автоматически.
  • Пользователь сможет расширить функционал утилиты при помощи внешних плагинов.
  • Core Temp gadget можно вынести на рабочий стол и получать информацию в реальном времени.
  • На выбор пользователей предоставляется набор инструментов, которые по желанию можно выключать и включать.

к меню

4 Итог

Температура процессора является основополагающей характеристикой в процессе работы всего компьютера. Если она повышается – работоспособность устройства начинает снижаться, что вызывает дискомфорт. Решить проблему лучше сразу, так как длительный перегрев чреват неполадками и сбоями. Надеемся, что смогли ответить на вопрос о том, как измерить температуру процессора.

Эксперт: Игорь

Как это работает: микропроцессор

Вы используете компьютер или мобильное устройство, чтобы читать данный топик в настоящее время. Компьютер или мобильное устройство для выполнения этих действий использует микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого устройства, сервера или ноутбука. Существует много марок микропроцессоров от самых разных производителей, но все они делают примерно то же самое и примерно таким же образом.

Микропроцессор — также известный как процессор или центральный блок обработки — это вычислительный двигатель, который изготовлен на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, он появился в 1971 году и был не столь мощным. Он мог складывать и вычитать, и это только 4 бита за один раз. Удивительным процессор был потому, что был выполнен на одном чипе. Вы спросите почему? А я отвечу: инженеры в то время производили процессоры либо из нескольких чипов или из дискретных компонентов (транзисторы использовались в отдельных корпусах).

Если вы когда-либо задавались вопросом, что микропроцессор делает в компьютере, как внешне выглядит или каковы его различия по сравнению с другими типами микропроцессоров, то ступайте под кат — там всё самое интересное, и подробности.

Прогресс в производстве микропроцессоров: Intel

Первым микропроцессором, ставшим впоследствии сердцем простого домашнего компьютера, был Intel 8080 — полный 8-разрядный компьютер на одном чипе, появившийся в 1974 году. Первый микропроцессор стал причиной реального всплеска на рынке. Позже в 1979 году была выпущена новая модель — Intel 8088. Если вы знакомы с рынком ПК и его историей, то знаете, что рынок ПК переехал от Intel 8088 к Intel 80286, а тот к Intel 80386 и Intel 80486, а после к Pentium, Pentium II, Pentium III и Pentium 4. Все эти микропроцессоры сделаны Intel, и все они являются улучшениями базовой конструкции Intel 8088. Pentium 4 может выполнить любой код, но делает он это в 5000 раз быстрее.

В 2004 году Intel представила микропроцессоры с несколькими ядрами и миллионным количеством транзисторов, но даже эти микропроцессоры следовали общим правилам, что и ранее изготовленные чипы. Дополнительная информация в таблице:

  • Дата: является годом, когда процессор был впервые представлен. Многие процессоры были выпущены вновь, но уже с более высокими тактовыми частотами, и это продолжалось в течение многих лет после оригинальной даты выпуска
  • Транзисторы: это количество транзисторов на кристалле. Вы можете видеть, что число транзисторов на одном кристалле неуклонно растёт на протяжении многих лет
  • Микрон: ширина в микронах наименьшей проволоки на чипе. Для сравнения могу привести человеческий волос, имеющий толщину около 100 мкм. Поскольку размеры были всё меньше и меньше, число транзисторов возрастало
  • Тактовая частота: максимальная скорость, которую чип может развить. О тактовой частоте я расскажу чуточку позже
  • Ширина (шина) данных: является шириной АЛУ (арифметико-логическое устройство). 8-битное АЛУ может добавить, вычесть, умножить и т. д. Во многих случаях шина данных имеет ту же ширину, как АЛУ, но не всегда. Intel 8088 был 16-битным и имел 8-битную шину, в то время как современные модели Pentium 64-битные.
  • MIPS: данная колонка в таблице выступает за отображение количества операций в секунду. Является единицей измерения для микропроцессоров. Современные процессоры могут сделать столько всяких штук, что сегодняшние рейтинги, представленные в таблице, потеряют всякий смысл. Зато вы можете ощутить относительную мощность микропроцессоров тех времён

Из этой таблицы видно, что, в общем, существует связь между тактовой частотой и MIPS (количеством совершаемых операций в секунду). Максимальная тактовая частота является функцией производственного процессора. Существует также зависимость между количеством транзисторов и количеством операций в секунду. Например, Intel 8088 с тактовой частотой 5 МГц (а сейчас 2.5-3 ГГц) выполняет только 0.33 MIPS (около одной инструкции для каждого 15 такта). Современные процессоры могут часто выполнять две инструкции за такт. Это повышение напрямую связано с числом транзисторов на чипе и я расскажу об этом тоже далее.

Что такое чип?

Чип также называется интегральной схемой. Обычно это небольшой, тонкий кусочек кремния, на которой транзисторы, входящие в состав микропроцессора были выгравированы. Чип может быть размером в один дюйм, но при этом содержать в себе десятки миллионов транзисторов. Более простые процессоры могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе всего в несколько квадратных миллиметров.

Как это работает


Intel Pentium 4

Чтобы понять, как работает микропроцессор, было бы полезно заглянуть внутрь и узнать о его внутренностях. В процессе вы также можете узнать о языке ассемблера — родном языке микропроцессора, и многое из того, что инженеры могут сделать, чтобы увеличить скорость процессора.

Микропроцессор выполняет коллекцию машинных инструкций, которые сообщают процессору, что делать. Основываясь на инструкциях, микропроцессор делает три основные вещи:

  • Используя своё АЛУ (арифметико-логическое устройство), микропроцессор может выполнять математические операции. Например, сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры способны выполнять чрезвычайно сложные операции
  • Микропроцессор может перемещать данные из одного места памяти в другое
  • Микропроцессор может принимать решения и перейти к новому набору инструкций, основанному на этих решениях

Говоря прямо, микропроцессор делает сложные штуки, но выше я описал три основных вида деятельности. Следующая диаграмма показывает очень простой микропроцессор, способный делать эти три вещи. Этот микропроцессор имеет:

  • Шина адреса (8, 16 или 32 бита), которая посылает обращение к памяти
  • Шина данных (8, 16 или 32 бита), которая передаёт данные в память или принимает данные от памяти
  • RD (read, чтение) и WR (write, запись) сообщают памяти, хотят ли они произвести установку или же получить адресованное местоположение
  • Линия часов, которая позволяет просмотреть последовательность тактовых импульсов процессора
  • Линия сброса, которая сбрасывает счётчик команд к нулю и перезапускает выполнение

Память микропроцессора

Ранее мы говорили о шинах адреса и данных, а также о линиях чтения и записи. Всё это соединяется либо с ОЗУ (оперативная память) или с ПЗУ (постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) — как правило, с обеими. В нашем примере микропроцессора мы имеем широкую адресную шину 8 бит и такую же широкую шину данных — тоже 8 бит. Это означает, что микропроцессор может обратиться 2^8 к 256 байт памяти, и может читать и писать 8 бит памяти за один раз. Давайте предположим, что этот простой микропроцессор имеет 128 байт встроенной памяти, начиная с адреса 0 и 128 байт оперативной памяти, начиная с адреса 128.

Оперативная память выступает за память только для чтения. Микросхема постоянной памяти запрограммирована с постоянными предустановленными заданными байтами. Шинный адрес сообщает чипу оперативной памяти, который байт, добраться и поместиться на шине данных. Когда линия чтения изменяет своё состояние, микросхема постоянной памяти представляет выбранный байт на шину данных.

Оперативная память выступает за оперативную память, лол. ОЗУ содержит байт информации, и микропроцессор может читать или писать на эти байты в зависимости от того, сигнализирует ли линия чтения или записи. Одна из проблем, которую можно встретить в сегодняшних чипах — они забывают всё, как только уходит энергия. Поэтому компьютер должен обладать оперативной памятью.


RAM chip или чип постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)

Кстати, почти все компьютеры содержат некоторое количество оперативной памяти. На персональном компьютере постоянное запоминающее устройство называется BIOS (Basic Input/Output System). При запуске микропроцессор начинает выполнять инструкции, которые он находит в BIOS. Инструкции BIOS, к слову, тоже выполняют свои роли: выполняют проверку аппаратных средств, а затем вся информация поступает на жёсткий диск, чтобы создать загрузочный сектор. Загрузочный сектор — это одна небольшая программа, и BIOS хранит её в памяти после прочтения её с диска. Затем микропроцессор начинает выполнять инструкции загрузочного сектора из оперативной памяти. Программа загрузочного сектора покажет микропроцессору, что нужно ещё взять с собой с жесткого диска в оперативную память, а затем выполняет всё это и так далее. Это — то, как микропроцессор загружает и выполняет всю операционную систему.

Микропроцессорные инструкции

Даже невероятно простой микропроцессор, описанный мною только что, будет иметь довольно большой набор инструкций, которые он может выполнять. Коллекция инструкций реализована в виде битовых шаблонов, каждый из которых имеет различное значение, когда загражается в сектор команд. Люди не особенно хорошо запоминают битовые шаблоны, так как это набор коротких слов. К слову, этот набор коротких слов называется языком ассемблера процессора. Ассемблер может переводить слова в битовый шаблон очень легко, а затем старания ассемблера будут помещены в память для микропроцессора с целью выполнения.

Вот набор инструкций языка ассемблера:

  • LOADA mem — загрузить в регистр с адресом памяти
  • LOADB mem — загрузить в регистр B от адреса памяти
  • CONB mem — загрузить постоянное значение в регистр B
  • SAVEB mem — сохранить регистр B в адрес памяти
  • SAVEC mem — сохранить регистр C в адрес памяти
  • ADD — добавить A и B и сохранить результат в C
  • SUB — вычесть A и B и сохранить результат в C
  • MUL — умножить A и B и сохранить результат в C
  • DIV — разделить A и B и сохранить результат в C
  • COM — сравнить A и B и сохранить результат в тесте
  • JUMP addr — перейти по адресу
  • JEQ addr — перейти, если равно, для решения
  • JNEQ addr — перейти, если не равно, для решения
  • JG addr — перейти, если больше, для решения
  • JGE addr — перейти, если больше или равно, для решения
  • JL addr — перейти, если меньше, для решения
  • JLE addr — перейти, если меньше или равно, для решения
  • STOP — остановить выполнение

Язык ассемблера

Компилятор C переводит этот C-код на языке ассемблера. Если предположить, что оперативная память начинается с адреса 128 в этом процессоре, и постоянное запоминающее устройство (в котором содержится программа на языке ассемблера) начинается с адреса 0, то для нашего простого микропроцессора ассемблер может выглядеть следующим образом:

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

Таким образом, теперь вопрос: «Как все эти инструкции интегрируются с постоянным запоминающим устройством?». Я поясню, конечно: каждая из этих команд на языке ассемблера должна быть представлена в виде двоичного числа. Для простоты предположим, что каждая команда на языке ассемблера присваивает себе уникальный номер. Например, это будет выглядеть так:

Данные цифры будут известны как коды операций. В постоянном запоминающем устройстве наша маленькая программа будет выглядеть следующим образом:

Вы видите, что 7 линий C-кода стали 18 линиями ассемблера, и это всё стало 32 байтами в постоянном запоминающем устройстве.

Декодирование

Инструкция декодирования должна превратить каждый из кодов операций в набор сигналов, которые будут управлять различными компонентами внутри микропроцессора. Давайте возьмём инструкции ADD в качестве примера и посмотрим, что она должна будет сделать. Итак:

  • 1. В первом такте необходимо загрузить саму инструкцию, поэтому декодеру нужно: активировать тремя состояниями буфер для счётчика команд, активировать линию чтения (RD), активировать данные в трёх штатах буфера в регистре команд
  • 2. Во втором такте инструкция ADD декодируется. Тут нужно сделать совсем немного: установить операцию арифметико-логического устройства (АЛУ) в регистр C
  • 3. Во время третьего такта программный счётчик увеличивается (в теории это может перекрываться во втором такте)

Каждая инструкция может быть разбита в виде набора секвенированных операций — таких, какие мы только что просмотрели. Они манипулируют компонентами микропроцессора в правильном порядке. Некоторые указания, как, например, инструкция ADD, может занять два-три такта. Другие могут занять пять или шесть тактов.

Подойдём к концу

Количество транзисторов имеет огромное влияние на производительность процессора. Как можно заметить выше, типичный микропроцессор Intel 8088 мог выполнять 15 циклов. Чем больше транзисторов, тем выше производительность — всё просто. Большое количество транзисторов также допускает такую технологию, как конвейерная обработка.

Конвейерная архитектура складывается из выполнения команд. Это может занять пять циклов для выполнения одной команды, но не может быть пять инструкций на разных стадиях исполнения одновременно. Таким образом, похоже, что одна команда завершает каждый тактовый цикл.

Все эти тенденции позволяют расти количеству транзисторов, что приводит к многомиллионным транзисторным тяжеловесам, которые доступны сегодня. Подобные процессоры могут выполнять около миллиарда операций в секунду — только представьте себе. Кстати, сейчас многие производители стали интересоваться выпуском 64-битных мобильных процессоров и очевидно наступает очередная волна, только на сей раз королём моды является 64-разрядная архитектура. Может и я доберусь в ближайшее время до этой темы и поведаю вам, как же на самом деле это работает. На этом, пожалуй, всё на сегодня. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали много нового.

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;

— Тактовая частота;

— Количество ядер;

— Количество потоков.

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!

Как работает процессор?

Перевод статьи «How does a CPU work?»

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

Чарльз Бэббидж

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.

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.

Регистры

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:

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, <1100 1000>. 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.

Шина

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.

Кэш

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.

Современные процессоры имеют форму небольшого прямоугольника, который представлен в виде пластины из кремния. Сама пластина защищена специальным корпусом из пластмассы или керамики. Под защитой находятся все основные схемы, благодаря им и осуществляется полноценная работа ЦП. Если с внешним видом все предельно просто, то, что касается самой схемы и того, как устроен процессор? Давайте разберем это подробнее.

Как устроен процессор компьютера

В состав ЦП входит небольшое количество различных элементов. Каждый из них выполняет свое действие, происходит передача данных и управления. Обычные пользователи привыкли отличать процессоры по их тактовой частоте, количеству кэш-памяти и ядрам. Но это далеко не все, что обеспечивает надежную и быструю работу. Стоит уделить отдельное внимание каждому компоненту.

Архитектура

Внутренняя конструкция ЦП часто отличается друг от друга, каждому семейству присущ свой набор свойств и функций – это и называется его архитектурой. Пример конструкции процессора вы можете наблюдать на изображении ниже.

Но многие под архитектурой процессора привыкли подразумевать немного другое значение. Если рассматривать ее с точки зрения программирования, то она определяется по его возможности выполнять определенный набор кодов. Если вы покупаете современный CPU, то скорее всего он относится к архитектуре x86.

Читайте также: Определяем разрядность процессора

Ядра

Основная часть CPU называется ядром, в нем содержатся все необходимые блоки, а также происходит выполнение логических и арифметических задач. Если вы посмотрите на рисунок ниже, то сможете разобрать как выглядит каждый функциональный блок ядра:

  1. Модуль выборки инструкций. Здесь осуществляется распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Число одновременного считывания команд напрямую зависит от количества установленных блоков расшифровки, что помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
  2. Предсказатель переходов отвечает за оптимальную работу блока выборки инструкций. Он определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра.
  3. Модуль декодирования. Данная часть ядра отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач. Сама задача декодирования очень сложная из-за непостоянного размера инструкции. В самых новых процессорах таких блоков встречается несколько в одном ядре.
  4. Модули выборки данных. Они берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Осуществляют они именно выборку данных, которая необходима на этот момент для исполнения инструкции.
  5. Управляющий блок. Само название говорит уже о важности данного компонента. В ядре он является главнейшим элементом, поскольку производит распределение энергии между всеми блоками, помогая выполнять каждое действие вовремя.
  6. Модуль сохранения результатов. Предназначен для записи после окончания обработки инструкции в RAM. Адрес сохранения указывается в исполняющейся задаче.
  7. Элемент работы с прерываниями. ЦП способен выполнять сразу несколько задач благодаря функции прерывания, это позволяет ему останавливать ход работы одной программы, переключаясь на другую инструкцию.
  8. Регистры. Здесь хранятся временные результаты инструкций, данный компонент можно назвать небольшой быстрой оперативной памятью. Часто ее объем не превышает несколько сотен байт.
  9. Счетчик команд. Он хранит в себе адрес команды, которая будет задействована на следующем такте процессора.

Системная шина

По системной шине CPU соединяются устройства входящие в состав ПК. К ней напрямую подключен только он, остальные элементы подсоединяются через разнообразные контроллеры. В самой шине присутствует множество сигнальных линий, через которые происходит передача информации. Каждая линия имеет свой собственный протокол, обеспечивающий связь по контроллерам с остальными подключенными компонентами компьютера. Шина имеет свою частоту, соответственно, чем она выше, тем быстрее совершается обмен информацией между связующими элементами системы.

Кэш-память

Быстродействие ЦП зависит от его возможности максимально быстро выбирать команды и данные из памяти. За счет кэш-памяти сокращается время выполнения операций благодаря тому, что она играет роль временного буфера, обеспечивающего мгновенную передачу данных CPU к ОЗУ или наоборот.

Основной характеристикой кэш-памяти является ее различие по уровням. Если он высокий, значит память более медленная и объемная. Самой скоростной и маленькой считается память первого уровня. Принцип функционирования данного элемента очень прост – CPU считывает из ОЗУ данные и заносит их в кэш любого уровня, удаляя при этом ту информацию, к которой обращались давно. Если процессору нужна будет эта информация еще раз, то он получит ее быстрее благодаря временному буферу.

Сокет (разъем)

Благодаря тому, что процессор имеет собственный разъем (гнездовой или щелевой), вы можете легко заменить его при поломке или модернизировать компьютер. Без наличия сокета ЦП просто бы впаивался в материнскую плату, усложняя последующий ремонт или замену. Стоит обратить внимание – каждый разъем предназначен исключительно для установки определенных процессоров.

Часто пользователи по невнимательности покупают несовместимые процессор и материнскую плату, из-за чего появляются дополнительные проблемы.

Выбираем процессор для компьютера
Выбираем материнскую плату для компьютера

Видеоядро

Благодаря внедрению в процессор видеоядра он выполняет роль видеокарты. Конечно, по мощности он с ней не сравнится, но если вы покупаете CPU для несложных задач, то вполне можно обойтись и без графической карточки. Лучше всего встроенное видеоядро показывает себя в недорогих ноутбуках и дешевых настольных компьютерах.

В этой статье мы подробно разобрали из чего состоит процессор, рассказали о роли каждого элемента, его важности и зависимости от других элементов. Надеемся, что эта информация была полезна, и вы узнали новое и интересное для себя из мира CPU.

Мы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.
Добавьте сайт Lumpics.ru в закладки и мы еще пригодимся вам.
Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.
Опишите, что у вас не получилось. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Помогла ли вам эта статья?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *