Центральный процессор – это мозг компьютера. Его задача – выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой.
Именно это устройство руководит другими частями компьютера.
Процессор используется для работы с информацией, среди которой есть те, что отвечают за прием информации, ее хранение, обработку и вывод. Внешне процессор представляет собой кремневую пластину с миллионами и миллиардами транзисторов и каналов для прохождения сигналов.
Основными производителями процессоров являются американские компании Intel и AMD.
Конкуренция этих компаний содействует быстрому развитию этой отрасли.
Главными характеристиками процессора являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.
Структура процессора и принцип работы
Ключевыми компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и устройство управления (УУ).
От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. Устройство управления 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.
Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления.
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 – это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.
В регистрах временно хранится текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.
Кэш данных и команд хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем лучше.
Характеристики процессора
Тактовая частота
Тактовая частота определяет количество циклов, выполняемых процессором за секунду и измеряется в гигагерцах (ГГц). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает процессор.
С технической точки зрения цикл представляет собой импульс. В течение каждого цикла в процессоре открываются и закрываются миллиарды транзисторов. Процессор с тактовой частотой 3,2 ГГц выполняет 3,2 млрд. циклов в секунду.
Поскольку разные архитектуры процессоров обрабатывают команды по разному, лучше всего сравнивать тактовую частоту процессоров одной марки и одного поколения.
Разрядность процессора
Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым единовременно может производиться машинная операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем выше производительность процессора. Сейчас большинство процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ.
Размерность технологического процесса
Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). Если меньше размер, значит меньше площадь, а значит и выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах, чем меньше этот показатель, тем лучше.
От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора – TDP.
TDP
Termal Design Point – показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы.
Чем больше TDP, тем больше процессор потребляет энергии и, соответственно, греется. Потребление энергии особенно важно в ноутбуках и портативных компьютерах, так как оно влияет на продолжительность работы мобильного и портативного устройства от аккумуляторов.
Единицы измерения – Ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.
Тип сокета
Сокет – это гнездо (разъём) для установки центрального процессора на материнской плате.
Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора.
Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров, поэтому перед установкой необходимо сверить сокет выбранного процессора с материнской платой, она должна ему соответствовать.
Кэш-память процессора
Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ.
Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций.
Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти.
Количество вычислительных ядер
Многоядерные процессоры – это процессоры, содержащие на одном процессорном кристалле или в одном корпусе два и более вычислительных ядра.
Многоядерность, как способ повышения производительности процессоров, используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития.
Количество потоков
Технология многопоточности разработана для повышения производительности системы в специально оптимизированных приложениях. Она обеспечивает работу двух виртуальных процессоров на одном реальном ядре. Достигается это за счет максимально полной загрузки всех вычислительных ресурсов и организации обслуживания двух независимых потоков команд.
У Intel есть технология HT (Hyper Threading), которая позволяет одному ядру выполнять два потока вычислений. У AMD аналогичной технологии нет, так что у них всегда сколько ядер, столько и потоков. Windows считает ядра именно по количеству потоков, так что она видит 4-ядерный i7 как 8-ядерный.
Благодаря технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и во многом опережает 6-тиядерных конкурентов.
Тип поддерживаемой оперативной памяти
Существует несколько поколений стандартов модулей оперативной памяти, поддерживаемых процессорами. Модули разных стандартов не совместимы между собой. Как правило, с каждым новым поколением увеличивается пропускная способность и снижается энергопотребление.
© Сариева Надежда Анатольевна, ЭОР «Физические основы вычислительной техники»
Учреждение образования «Гомельский государственный профессиональный аграрно-технический лицей», 2022