Процессор и его компоненты
Описание и назначение процессоров
Описание и назначение процессоров
Основным компонентом любой компьютерной системы является центральный процессор. ЦПУ задействован при выполнении операций по вычислению и координации работы прочих компонентов компьютера. Процессор имеет программные и аппаратные «механизмы» взаимодействия. От показателей процессора зависит быстродействие и работоспособность компьютера.
Чаще всего ЦП называют просто процессором, также распространены такие названия как: камень, проц, кристалл и т.д. Все современные модели CPU соответствуют характеристики микропроцессоров, коими и являются.
Микропроцессорами называются сложные электронные устройства, имеющие небольшие размеры и состоящие из нескольких блоков. Основным компонентом ЦП является кристаллическая кремниевая пластина с расположенной на ней интегральной схемой. На площади всего в несколько кв. мм напаяно несколько миллиардов транзисторов, соединенных мельчайшими золотыми контактами.
Для защиты кристалла, он помещается в запаянный футляр из твердого пластика или керамики. Нижняя часть футляра имеет контактные выходы для соединения кристалла с микросхемами материнской платы. Основная задача ЦП – автоматизированное выполнение программных команд.
Устройство процессора
В состав процессорной единицы включены такие компоненты как:
- АЛУ – арифметическое-логическое устройство выполняющее основной объем математических и логических операций;
- Адресные шины и шины данных;
- Устройство управления – согласует и координирует работу взаимосвязанных с ЦПУ устройств;
- Регистры АЛУ – временное хранилище исполнительных данных;
- Кеш и счетчики команд – хранилище рабочих данных, требуемых для быстрого запуска часто используемых приложений. В отличие от памяти оперативной, кэш-память обрабатывает информацию гораздо быстрее.
Принципы работы процессора
Работой ЦПУ руководит программное обеспечение (драйвер) прописанное в память компьютера. Для хранения основных (исполнительных) компонентов программы используется оперативная память, настройки и регулировки прописаны в BIOS интегрированный в материнскую плату. Подача команды осуществляется на АЛУ, после чего ответы фиксируются в регистре. Записанная команда при работе формирует подчиненные команды, регистрируемые счетчиком, значение которого увеличивается вплоть до инициации новой команды. Команда формируется операционными записями, подлежащими исполнению, адресами данных и результатом. Адреса служат для перемещения данных в некомандные регистры, которые также необходимы для промежуточной записи результата. После записи в регистре результат отражается в команде.
Характеристики процессора
Одним из наиболее значимых параметров ЦП является тактовая частота, определяющая его быстродействие. В один такт может быть выполнено множество операций, в секунду, современный процессор способен выполнить несколько миллиардов тактов, в зависимости от частоты. Показатель тактовой частоты выражается в ГГц (гигагерцы). 1 гигагерц равен миллиарду тактов, то есть ЦП с частотой 3.4ГГц выполняет 3.4 млн такта в секунду. Дополнительными способами увеличения производительности ЦПУ являются увеличение количества ядер или внедрение технологии гипертрейдинг – создающей виртуальные ядра. ЦП связывается с прочими компонентами компьютера посредствам контактных линий, адреса, управления и шины данных. Наибольшее значение имеют шины данных и адресов, имеющие определенную разрядность кратную восьми. Показатель разрядности влияет на объем передаваемой информации в секунду, то есть определяет степень быстродействия. Чем выше разрядность, тем быстрее передается и обрабатывается информация. Кроме того, показатель разрядности влияет на максимальный объем устанавливаемой оперативной памяти.
Современные технологии предусматривают работу с большим объемом информации, так, за 1 такт передается несколько бит и показатель увеличивается в зависимости от разрядности шины. Рассчитать пропускную способность шины, можно умножив количество бит передаваемых в секунду на частоту шины. Так, при частоте шины в 100 Мгц, возможно передать 2 бита за 1 такт, что говорит о пропускной способности в 200Мбит/с.
Современные ПК работают имеют показатели пропускной способности, измеряемые в десятка гигабит. Кроме шины, важным параметром ЦП является кэш-память, а точнее ее объем. Данный отдел отвечает за безостановочную обработку информации поступающей из ОЗУ (оперативной памяти). Кеш является своеобразным буфером, обладающим более высоким быстродействием нежели оперативная память.
При необходимости последовательно обрабатывать несколько разрозненных данных, в кэш-память они поступают поочередно из памяти оперативной. Возможность буферизации данных позволила значительно ускорить быстродействие компьютера и свести к минимуму так называемые подвисания.
Кэш подразделяется на три уровня, отличающиеся скоростью работы, локализацией, объемом и размерами:
- L1 – максимальное быстродействие, расположен на кристалле ядра, имеет минимальный объем;
- L2 – среднее значение быстродействия, устанавливается рядом с ядром, может иметь объем до нескольких мегабайт;
- L3 – имеет объем памяти больший чем у кэша L2, меньший показатель быстродействия, расположен рядом с ядром.
Совокупный объем памяти определяет быстродействие ПК в целом.
Технологические особенности и ограничения позволяют ЦП взаимодействовать только с определенным видом памяти. Также каждый процессор имеет собственный разъем (сокет) с определенным количеством контактов. Не существует универсальных сокетов, на каждую материнскую плату может быть установлен только процессор определенной модели.
Типы процессоров
В настоящее время выпуском микропроцессоров для домашних ПК, занимаются компании Intel и AMD. Самым первым процессором, выпущенным Intel Corp. имел условное обозначение 8086, где последние три цифры указывают на количество контактов и подходящий сокет. Первое поколение CPU получившее название х86 имело узкую линейку и простую градацию: от 8086 до 80386. Выпуском процессоров занимаются и такие компании как IBM, Cyrix и Texas Instr., но они больше ориентированы на корпоративный и промышленный сегмент. Новые процессоры часто имеют маркировку х2, х3 и т.д., указывающую на количество физических ядер на кристалле. Так, модель процессора Phenom X3 8600, выпущенная в начале 2010 годов компанией AMD работает на трех физических ядрах с одинаковой тактовой частотой. Среди современных процессоров Intel заметна градация по поколениям, например, I3 2120, является процессором второго поколения линейки «i». Современные процессоры могут иметь на кристалле встроенный видеочип, производительность которого зависит от конкретной модели.
ЦП подбирается под сокет материнской платы, частоту системной шины и совместимую оперативную память. Новые процессоры — это высокоавтоматизированные интеллектуальные системы, которым доступно не только автоматическое отключение при перегреве, но и работа с переключением режимов энергопотребления.
Существуют многопроцессорные системы, характеризующиеся одновременной работой нескольких процессоров, устанавливаемых на одну материнскую плату.