Как работает процессор: простыми словами о сложном

Все современное оборудование, от беспроводных наушников до сложнейших рабочих станций работает под управлением процессора. Каждый из нас знает, что процессор – это мозг устройства, он принимает команды от пользователя, делает вычисления и предоставляет результаты.

Но в тонкостях работы разбираются единицы. В этой статье мы постараемся доступно устранить подобный пробел в знаниях.

Транзисторы и кодирование информации

О том, что первые компьютеры занимали целые комнаты и даже отдельные здания, вы наверняка знаете. Вычисления они производили при помощи электромеханических реле и вакуумных ламп. Революция произошла в 60 годах, когда появились первые кремниевые транзисторы. Позже на их основе были разработаны интегральные монолитные схемы – прототипы современных процессоров.

В основе каждого транзистора находится кремниевая структура. Поскольку кремний – материал, обладающий свойствами полупроводника, в зависимости от условий он может пропускать электрический ток или нет.

Прошедший заряд – это единица, отсутствие заряда – ноль. Именно с помощью этих двух значений строится бинарный код, с помощью которого компьютер общается с пользователем. Другую информацию он воспринимать не способен.

И 1, и 0 – это 1 бит информации, 8 бит – составляют байт. При помощи 8-значной комбинации нулей и единиц можно закодировать любое число от 0 до 255. И уже при помощи этих комбинаций присвоить соответствующие коды любым понятиям, значениям и явлениям.

Для того, чтоб процессор понимал пользователя, были придуманы логические вилки (операторы). Мы все их знаем из курса информатики в школе: и/или, если/то/иначе. Такие команды позволяют компьютеру исходя из заданных условий принимать решения.

Что такое техпроцесс?

Производительность процессора в рамках одной серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов: чем больше транзисторов, тем больше комбинаций составляется в единицу времени, и тем больше вычислений производит устройство.

У первого процессора Intel 4004, вышедшего в 1971 году было 2250 транзисторов. Pentium 4 вмещал 42 млн транзисторов. Современные процессоры Epyc от AMD оснащены 39,54 миллиардами кремниевых транзисторов.

С размером транзисторов тесно связано понятие – техпроцесс.

Техпроцесс каждый из производителей диктует по своему. Кто-то размером транзистора целиком, кто-то размером только одной части – затвора. Третий вариант, который будет самым правильным – размер шага при производстве, то есть минимальным размером элемента, которым может оперировать разработчик при построении схемы. Так-же следует учесть, что производители указывают наименьший элемент, тогда как некоторые электронные элементы, от которых невозможно отказаться могут иметь размеры в десятки раз больше.

Тактовая частота

Это понятие зачастую является определяющим при покупке процессора.

Заряды проходящие через транзисторы создает тактовый генератор. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако он есть не в каждом процессоре. Может встречаться и другая конфигурация: на плате есть один или несколько тактовых генераторов, и они-же могут быть опционально включены в микропроцессоры.

Обязательный элемент каждого процессора – частотный резонатор, он дает корректный отклик на запрос в случае исправности, или не дает, что сообщает системе о неисправности элемента.

В основе каждого генератора имеется кварцевый кристалл. Он генерирует импульс с частотой около 100 МГц. На текущий момент могут еще довольно часто встречаться генераторы с частотой 33 МГц, особенно на дискретных контроллерах, например звуковых платах, sata/hba адаптерах и интерфейсных usb/com расширителях. Чтоб увеличить частоту, генерируемые кварцем колебания проходят через специальные узлы – множители. Они позволяют повысить частоты при пиковых нагрузках или снизить их, если нагрузка уменьшается или компьютер находится в простое.

Кстати, множители – это те самые узлы, которые отвечают за динамическое увеличение частоты в нагрузке и ее снижении в простое. Также они могут позволять разгон в случае отсутствия на них блокировки на повышение сверх штатного значения. Подробнее с этой темой можно ознакомиться в нашей статье.

У процессоров с разблокированным множителем пользователь по собственному желанию может увеличить тактовые частоты. Современные процессоры могут разгоняться на 20 – 30 % и даже больше.

Архитектура

Архитектура процессора – это компоновка транзисторов. Транзисторы объединяются в массивы – ядра. Каждое ядро в процессоре может независимо от других выполнять различные задачи, для этого регулярно повторяется следующий цикл действий:

• Получение информации.
• Раскодирование.
• Выполнение вычисления.
• Фиксация результата.

Вычисления выполняются по специальным алгоритмам и инструкциям, которые хранятся во временной памяти процессора.

Чтоб увеличить производительность процессора, современные компьютерные ядра делятся на 2 потока. Каждый поток занимается выполнением отдельных вычислений, обеспечивая процессору многозадачность и уменьшая очереди задач.

Кэш: зачем процессору собственная память?

Жесткие и твердотельные диски, а также оперативная память работают недостаточно быстро, чтоб обеспечить все нужды процессора. Поэтому каждый микрочип оснащен собственной сверхбыстрой кэш-памятью, хранящей данные с которыми в конкретный момент, работает процессор. Также в кэш-памяти размещаются инструкции по выполнению конкретных задач.

Что такое система на чипе?

Современные процессоры для телефонов, планшетов и ноутбуков уже давно перестали быть отдельными вычислительными центрами, специализирующимися на выполнении конкретных задач. Современный процессор – это целая система, которая включает собственно блоки для выполнения задач – ядра, а также модуль для отрисовки изображений – графический адаптер. Роль ядер выполняют исполнительные блоки, которых значительно больше, чем в CPU, и которые параллельно выполняют миллионы задач. Также некоторые системы могут содержать и дополнительные опции, например, центр беспроводного соединения 5G или технологию передачи данных Thunderbolt.

Как работает процессор: объясняем простыми словами

10.06.2020

Автор: Ольга Дмитриева

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд

Как работает процессор: объясняем простыми словами

2

5

1

124

28

Все пользуются компьютерами и смартфонами, но многие до сих пор не знаю, что делают их процессоры и для чего они нужны. Рассказываем, как и для чего стучит сердце каждого компьютера и многих других устройств.

Что на самом деле делает процессор?

Процессор, иначе называемый ЦП или CPU (Central Processing Unit), — основа любого оборудования, без которого ничего не работает. CPU обрабатывает процессы на двоичном машинном языке: проще говоря, «0» означает «нет», а «1» — «да». Любая команда отправляется процессору в комбинации из двух чисел 0 и 1. ЦП обрабатывает их одну за другой, по очереди.

Помимо рабочих команд, процессор также реагирует на непредвиденные события. Они отправляются ему с помощью прерываний (Interrupts). CPU прерывает свою сиюминутную работу, сохраняет значения и сначала обрабатывает непредвиденное событие. После этого он снова продолжает работу над первоначальной командой.

Как работает процессор

Процессор обрабатывает команды в четыре этапа, описанные Джоном фон Нейманом еще в 1945 году: Fetch, Decode, Fetch Operands и Execute.

1. Fetch: сначала из регистра командной строки в оперативной памяти считывается адрес следующей команды и загружается в накопитель команд.
2. Decode: декодер команд расшифровывает команду и активирует все схемы, необходимые для ее выполнения.
3. Fetch Operands: теперь все значения и параметры команды загружаются в регистры, которые необходимо изменить. Процессор находит эти значения на жестком диске, в кэш-памяти или оперативной памяти.
4. Execute: процесс выполняется. Это может быть, например, управление периферийным устройством, таким как принтер, или вычислительная операция в устройстве обработки информации. После завершения Execute цикл может начаться снова, то есть процессор приступает к обработке следующей команды.

Читайте также:

• Как работает шагомер в телефоне и фитнес-браслете
• Как работает активное шумоподавление в наушниках

Автор

Ольга Дмитриева

Была ли статья интересна?

Поделиться ссылкой

Нажимая на кнопку «Подписаться»,
Вы даете согласие на обработку персональных данных

Рекомендуем

Реклама на CHIP Контакты

Как работает процессор ЦП? | Малый бизнес

Джон Папевски

Каждое вычислительное устройство, от простых игрушек до крупных бизнес-систем, имеет важный компонент, называемый центральным процессором. ЦП выполняет вычисления, выполняет логические сравнения и перемещает данные до миллиардов раз в секунду. Он работает, выполняя простые инструкции по одной за раз, запускаемые основным синхронизирующим сигналом, который запускает весь компьютер.

Описание

1. Процессор ЦП — это компьютерная микросхема размером со спичечный коробок. Внутри корпуса находится кремниевый прямоугольник, содержащий миллионы транзисторных схем. Из устройства торчат десятки металлических штифтов, каждый из которых передает электронные сигналы внутрь и наружу чипа. Чип подключается к разъему на печатной плате компьютера и обменивается данными с памятью, жесткими дисками, экранами дисплеев и другими устройствами, внешними по отношению к ЦП.

Часы

1. Схема синхронизации, называемая часами, посылает электрические импульсы в ЦП. В зависимости от процессора часы могут работать со скоростью от сотен тысяч до миллиардов циклов в секунду. Импульсы управляют активностью внутри ЦП; поскольку другие схемы зависят от одних и тех же часов, сложные события в компьютере синхронизируются.

Инструкции

1. Все ЦП имеют набор инструкций — список действий, выполняемых процессором, включая сложение чисел, сравнение двух частей данных и перемещение данных в ЦП. Программное обеспечение, которое вы запускаете на своем компьютере, состоит из миллионов инструкций ЦП, расположенных в определенной последовательности; инструкции являются очень простыми операциями, поэтому центральный процессор выполняет многие из них для выполнения значимых задач. Некоторые семейства процессоров, например, используемые в настольных ПК, используют один и тот же набор инструкций, что позволяет им запускать одно и то же программное обеспечение. ЦП вне семейства продуктов могут использовать разные инструкции; ЦП iPad, например, имеет другие инструкции, чем процессор ноутбука на базе Windows.

АЛУ

1. Процессоры имеют схему, называемую арифметико-логическим устройством, которое выполняет вычисления и сравнения. Арифметика, которую выполняет большинство ЦП, — это базовое умножение, сложение, деление и вычитание; сложные математические операции, такие как статистические функции, представляют собой комбинации множества простых операций, выполняемых с высокой скоростью. ALU также выполняет логическое сравнение между двумя элементами данных, чтобы определить, равны ли они или имеет ли один большее значение, чем другой.

Блок управления

1. ЦП содержит блок управления, который координирует деятельность других рабочих частей процессора. Блок управления разбивает каждую инструкцию на набор действий и направляет различные подсистемы ЦП на выполнение действий. Например, блок управления может указать АЛУ перемножить два числа, а затем добавить к результату третье число.

Память

1. Микросхема ЦП имеет ограниченный объем очень быстрой памяти. Он имеет набор областей хранения, называемых регистрами, с которыми непосредственно работает АЛУ. Например, АЛУ может быстро добавить число в регистре 2 к содержимому регистра 1. ЦП также хранит недавно использованные инструкции и данные в области, называемой кешем, что повышает эффективность компьютера. Например, в программе, которая умножает цену на количество, ЦП ищет эти числа в своей кэш-памяти. Если он их находит, это избавляет процессор от дополнительной работы по извлечению чисел из микросхем памяти вне ЦП.

Ссылки

• Университет Род-Айленда: Как работают компьютеры: ЦП и память

Биография писателя

Уроженец Чикаго Джон Папевски имеет степень по физике и пишет с 1991 года. , информационный бюллетень по нанотехнологиям от Института Форсайта. Он также внес свой вклад в книгу «Нанотехнологии: молекулярные размышления о глобальном изобилии».

Что такое процессор? Руководство для начинающих по процессорам

Если вы читали обзор компьютера или телефона, вы, вероятно, встречали термин «процессор». Но что такое ЦП и почему это важно?

Мы составили это руководство, чтобы рассказать вам все, что вам нужно знать о ЦП, которое должно очень помочь вам при покупке нового ноутбука или игрового ПК в будущем.

Что такое процессор?

ЦП, центральный процессор (или просто процессор) — основная микросхема компьютера, отвечающая за выполнение всех задач. Он отвечает за указание всем остальным компонентам компьютера, что делать, в соответствии с инструкциями, которые ему дают программы (программное обеспечение), работающие на этом компьютере.

На самом деле процессоры существуют во многих типах устройств, кроме компьютеров. Если что-то может запускать программы, скорее всего, оно будет иметь процессор. Например, и в телефонах, и в телевизорах есть процессоры.

В современных компьютерах, особенно в смартфонах, ЦП может размещаться на том же физическом чипе, что и другие компоненты. Большинство современных компьютерных процессоров имеют общий чип с графической электроникой компьютера (которая решает, что будет отображаться на вашем мониторе).

В смартфонах и планшетах чип, содержащий процессор, может также обрабатывать телефонные звонки, Wi-Fi, GPS и многое другое. Такие многоцелевые чипы известны как SoC (система-на-чипе).

Мобильные SoC содержат ЦП и множество других важных компонентов, которые обеспечивают работу вашего телефона

Где находится ЦП?

В компьютере центральный процессор находится в центре системы, подключен к материнской плате. Вы не сможете увидеть его, если снимите боковую панель со своего настольного ПК, так как она будет скрыта под охлаждающим вентилятором — процессор является мощным компонентом и без должного охлаждения будет сильно нагреваться.

В настольном ПК процессор и кулер легко снимаются. Это означает, что замена процессора является относительно простым процессом. Однако это не означает, что процессор можно легко заменить на более мощную модель, поскольку процессор должен быть совместим с материнской платой.

Предложение: процессор Intel Core i9-10850K всего за 378 фунтов стерлингов (сэкономьте 62 фунта стерлингов) также необходимо установить новую материнскую плату.

В ноутбуках, с другой стороны, ЦП и кулер почти невозможно снять (и еще труднее заменить). Также невозможно заменить материнскую плату, поэтому в этом отношении лучше рассматривать ноутбуки как не подлежащие обновлению.

Какой процессор купить?

Если вы хотите повысить производительность своего настольного ПК, стоит задуматься о покупке нового процессора. Конечно, какой процессор вам следует купить, зависит от того, какие рабочие нагрузки вы планируете дать своему компьютеру.

Большинству людей вполне подойдет процессор Intel Core или AMD Ryzen. Для основных задач просмотра веб-страниц процессор Intel Core i3 или AMD Ryzen 3 является хорошим вариантом. Для игровых целей вы захотите купить процессор i5/i7 или Ryzen 5/7, а тем, кто хочет заниматься сложными задачами (такими как редактирование видео 4K и анимация), возможно, придется взглянуть на Intel i9.или процессор AMD Ryzen 9.

Предложение: Процессор Intel Core i9-10850K всего за 378 фунтов стерлингов (сэкономьте 62 фунта стерлингов)

Также важно учитывать поколение процессора. AMD представила поколение Ryzen 5000, а Intel только что выпустила линейку процессоров Intel Core 11-го поколения (также известного как Rocket Lake) для настольных ПК. Вы не захотите покупать слишком старый чип, так как он может быть устаревшим и ему не хватает производительности, необходимой для современных задач, но вы найдете отличные варианты по цене, ища чип из предыдущих нескольких поколений.

Мы всегда рекомендуем ознакомиться с обзорами перед покупкой нового процессора или даже ознакомиться с руководствами по покупке, такими как наши обзоры лучших процессоров Intel и лучших игровых процессоров. Спецификация может дать вам много информации о процессоре, но не даст полной картины производительности в реальном времени.

Жаргон ЦП

Существует огромная разница в производительности вычислений между различными моделями ЦП. Производители ПК и ноутбуков, пытаясь продать вам компьютер, часто упоминают в своих маркетинговых материалах три вещи: тактовую частоту, количество ядер и количество потоков.

Мы включили краткий обзор всех наиболее распространенных жаргонизмов ЦП с краткими пояснениями для каждого: процессор может производить каждую секунду — чем выше число, тем больше вычислений. Это одно из самых важных соображений для игровой производительности, поскольку высокая тактовая частота, как правило, важнее, чем взлом большого количества ядер.

Ядер

Насколько быстро ЦП может обрабатывать данные, также зависит от того, сколько у него ядер. Каждое ядро, по сути, само по себе является ЦП, и многие программы написаны таким образом, что несколько ядер могут одновременно обрабатывать данные, необходимые программе, что значительно увеличивает скорость выполнения этой программы.

Современные процессоры имеют по крайней мере два ядра, многие из них имеют четыре, восемь или даже больше. Наличие нескольких ядер, безусловно, даст вам прирост скорости, но это зависит от того, какую программу вы запускаете: четырехъядерный процессор может выполнять некоторые задачи, такие как редактирование видео, почти в два раза быстрее, чем двухъядерный чип. но добавление более четырех ядер не обязательно улучшит игровую производительность.

Потоки

Потоки ЦП — это, по сути, виртуальная версия ядра ЦП, которая помогает повысить эффективность работы процессора. В наши дни процессоры AMD и Intel обычно имеют два потока на ядро, но это не всегда так.

Как и в случае с ядрами, большое количество потоков важно, когда ваш компьютер работает в многозадачном режиме или имеет большие рабочие нагрузки. Топовые процессоры AMD Ryzen обычно имеют большое количество ядер и потоков, поэтому стоит обратить внимание на эти чипы, если приоритетным является большое количество ядер и потоков.

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашим руководством Intel Core i3, i5 и i7 , в котором более подробно объясняется, как ядра и потоки могут иметь значение.

Что еще нужно знать о процессорах ноутбуков?

В настоящее время существует четыре основных производителя мобильных процессоров. Они следующие:

• Intel: Team Blue разрабатывает большое разнообразие мобильных процессоров, от процессоров m3, которые обычно используются в низкопроизводительных устройствах Chromebook, до чипов i9 Intel Core, которые могут обеспечивать мощные игровые машины и машины для создания контента. Intel также недавно выпустила процессоры Intel Lakefield, которые специализируются на легких и компактных устройствах, таких как Galaxy Book S.
  Однако большинство ноутбуков, которые вы найдете, будут содержать чип Intel Core, будь то чип i3, i5 или i7.

• AMD: Team Red — ближайший конкурент Intel, также предлагающий широкий выбор мобильных процессоров. AMD предлагает чипы C-Series и Athlon, специально разработанные для Chromebook. Чипы Ryzen используются в ноутбуках более высокого класса, от ультрапортативных компьютеров до мощных игровых систем. Мобильные процессоры AMD все еще менее распространены, чем чипы Intel, но в последние годы мы были серьезно впечатлены производительностью Ryzen и эффективностью батареи.

• Qualcomm Snapdragon: Процессоры Snapdragon более известны тем, что используются в смартфонах Android, но в последнее время они стали чаще использоваться в ноутбуках. Используя архитектуру Arm, чипы Snapdragon обычно имеют низкую производительность, но могут похвастаться фантастическим временем автономной работы. Ожидайте найти эти процессоры в ноутбуках среднего класса, ориентированных на портативность, а не в мощных машинах.

• Apple Silicon: Новейшим претендентом на рынке мобильных процессоров является Apple, поскольку компания решила начать разработку собственных процессоров для ноутбуков MacBook вместо того, чтобы полагаться на Intel. Пока что Apple выпустила только чип M1 для MacBook Air и 13-дюймового MacBook Pro, но он поразил нас при тестировании, продемонстрировав значительно более высокую производительность, чем все, что AMD и Intel могут предложить по той же цене. Ожидается, что в предстоящем MacBook Pro 2021 будет установлен еще более мощный процессор Apple.

Что еще нужно знать о процессорах для настольных ПК?

AMD и Intel сейчас являются единственными крупными игроками на рынке процессоров для настольных ПК — по крайней мере, до тех пор, пока Apple не выпустит новый чип для iMac 2021.

Последние процессоры Intel для настольных ПК называются Rocket Lake, а новая линейка AMD — Ryzen 5000. . Как и в случае с ноутбуками, диапазоны процессоров для настольных ПК сложны.