Як працює центральний процесор

Одним з найважливіших елементів комп`ютера є процесор, який відповідає за швидкодію ПК. Технічний прогрес, який проходив роками привів до того, що вдалося поєднати в єдине ціле мільярди транзисторів, які видають зображення на екран.

Відео: DISCOVERY. Як це працює?! Комп`ютерні процесори.

Можливості комп`ютерів дуже великі. Однак, не важливо, з якою метою буде застосовуватися комп`ютер, все це є результатом роботи процесора. Процесор збирає команди від користувача і програм, обробляє їх і пересилає потрібних елементів ПК. Процесор можна назвати мозком комп`ютера. Це центр управління, який постійно обробляє числа для виконання завдань.

складові

Сучасний процесор містить у собі кілька видів обладнання. Виконавчі пристрої призначені для проведення розрахунків. Засоби контролю потрібні для того, щоб виконавче обладнання коректно распознавало команди і обробляли інформацію.

Регістри призначені для збереження проміжних підсумків. Майже всі команди використовують інформацію регістрів. Шина інформації проводить функції об`єднання CPU з іншим обладнанням ПК. Саме шина переміщує центрального процесора файли і відображає підсумки розрахунків.

Кеш процесора потрібно для швидкісного переходу CPU до часто вживаним командам і файлів. Це швидкісна пам`ять, розміщена у кришталику центрального процесора. Також CPU володіє додатковими модулями, які потрібні для проведення спеціальних обчислень.

частота

Швидкість роботи ПК безпосередньо прив`язана до частоти центрального процесора,
яка вимірюється в мегагерцах. Імпульси для CPU і шин створює тактовий генератор, в основі якого лежить резонатор з кварцу, який знаходиться на материнке. Головний елемент резонатора вдає із себе кварцовий кристал, який вбудований в олов`яну оправу.

Під напругою у кришталику з`являються електроколебанія. Їх частота змінюється від форми і розміру кришталика. Потім сигнал передається на генератор, де він переробляється в впорядковані імпульси однієї або більшої кількості частот, якщо шини різночастотні.

Тактова частота призначена для синхронізації всіх елементів ПК. Це означає, що передавальне обладнання повинно працювати синхронно з приймаючим. Цього вдається досягти, коли все обладнання працює на одному сигналі, який пов`язує всі елементи і дозволяє отримати єдине ціле.

Найменшій одиницею виміру часу для CPU є такт. Будь-яка дія вимагає мінімум одного такту. Обмін інформацією з оперативкою виконується в кілька тактів, куди відносяться і такти простою.

Відео: Що таке CPU [Центральний Процесор, ЦП] - Швидко і Зрозуміло!

Різні команди потребують свого кількості тактів, тому порівнювати ПК тільки по частоті є не зовсім правильним рішенням. При рівних параметрах можна проводити порівняння ПК по частоті. Але це робити потрібно дуже обережно, оскільки на це можуть впливати різні чинники. В результаті може вийти, що ПК з меншою частотою буде працювати швидше ПК з високою частотою.

Від чого ще залежить продуктивність CPU

У більшості випадків це визначається Бітність компонентів, які обробляються відразу. Процесор включає в себе три головні елементи, для яких головним показником є бітность. Це шина обміну інформацією, вбудовані регістри і шина адреси пам`яті.

Наскільки можна підняти частоту?

Швидкість роботи CPU можна легко підняти збільшенням частоти. Однак, не варто забувати, що чіп може перегріватися. З підняттям частоти зростає споживання енергії процесором і його нагрівання. Крім того, збільшення частоти може збільшити ступінь електромагнітних завад. Іншими словами, збільшенням частоти підняти продуктивність CPU не вийти.

шина даних

Це підключення, які призначені для обміну інформацією. Кількість відразу надходять сигналів на шину впливає на обсяг даних, який може переміщатися по ній за конкретний час. Для кращого розуміння, бітность шини можна прирівняти до автодороги з смугами. Більша їх кількість збільшує пропускну здатність.

Розрядність шини

Як говорилося вище, цей параметр можна представити у вигляді автомагістралі. Якщо смуга одна, то і пропускна здатність буде погана. Щоб підняти пропускну здатність, необхідно додати по смузі в обох напрямках. 16-бітна шина може бути представлена у вигляді магістралі з двох смуг, так як за певну кількість часу шина може пропускати два байта даних.

шина адреси

Цей елемент є набором підключень, по якому переміщається адресу відділу пам`яті, куди заноситься і зчитується інформація. За принципом шини інформації, тут по кожному з`єднанню проходить один біт адреси, який відповідає одній цифрі. Збільшення з`єднань веде до доступності більшої кількості відділів пам`яті процесору.

Шину адреси можна уявити як системи нумерації будинків. Число смуг в шині відповідає кількості цифр в номері будівлі. Якщо в номері будівель допускається не більше 2-х цифр, то кількість будівель буде не більше ста. Якщо вставити одне число в номер, то число адрес виросте до 103. У ПК застосовується двійкова система обчислення, тому число осередків пам`яті дорівнює 2.

Шина адреси та інформації не залежать один від одного, тому розробники виставляють їм бітность за своїм бажанням. Цей показник - один з найважливіших. Виходить, що кількість бітів в шині даних встановлює обсяг даних, яку CPU зможе обробити за один такт, а бітность шини адреси є розміром пам`яті, який він зможе обробити.

вбудовані регістри

Обсяг даних, який може обробити центральний процесор за певний час, є обсягом вбудованих регістрів. Це дуже швидкісна оперативка процесора, яка може застосовуватися для збереження інформації та проміжних підсумків прорахунків. Наприклад, CPU зможе скласти числа двох регістрів, а відповідь перенести в третій.

Чому відбувається нагрів процесора

У кожному CPU присутня безліч дрібних транзисторів. Їх число впливає на тактову частоту і споживання енергії. Процесори для лептопів споживають небагато енергії. Комп`ютерні процесори здатні споживати на порядок вище. Внаслідок цього виробляється велика кількість тепла, яке необхідно відвести від CPU. Для цього необхідно використовувати спеціальну систему охолодження.

Є кілька методів знизити енергоспоживання. Може відбуватися вимикання деяких модулів, зниження частоти і напруги при зменшенні навантаження на процесор. Також можна зменшити компоненти процесора. Але у тонких елементів є істотний мінус - в них з`являються витоку і наведення. При цьому виробляється тепло.

Крім того, можна використовувати сучасні матеріали. Також є процесори, які функціонують на низькій напрузі. При цьому зміна потужності безпосередньо залежить від напруги. При зменшенні напруги на 10% зменшується споживання енергії на 20%.

Яким чином можна збільшити продуктивність процесорів

Щоб збільшити швидкість обчислень, можна застосовувати кілька технологій. Необхідно прискорити доступ до оперативці і пам`яті. Якщо CPU буде швидко отримувати інформацію і команди з пам`яті, тоді менше часу буде йти на простий. Виходить, що швидкісна шина піднімає швидкість роботи комп`ютера.

Також необхідно мати у своєму розпорядженні швидкісним кешем. Процесори зберігають підсумки своїх розрахунків в своїй пам`яті. Частота кеш дорівнює частоті CPU, тому вона функціонує швидше оперативки.

В основній своїй масі CPU мають три рівні кеш. Рівень L1 - найшвидший, але маленький за розміром. L2 і L3 рівні набагато більше, але при цьому працюють зі значно меншою швидкістю, але все одно функціонує швидше, ніж оперативна пам`ять. Інформація та команди швидко передаються з кешу, що максимально завантажує процесор, і при цьому не потрібно простоювати, очікуючи дані з оперативної пам`яті.

Якщо процесору не вистачає свого кеша, тоді він працює з оперативкою мул вінчестером, що істотно знижує продуктивність комп`ютера. Виходить так, що великий розмір пам`яті є дуже важливим параметром.

Конвеєрна обробка. Для збільшення швидкості проведення команд процесори створюють в них конвеєри, в яких виконується впорядкований проведення команд в різних елементах процесора. Перевагою даного методу в тому, що з конвеєром процесор проводить не одну команду в конкретний часовий проміжок, а кілька - наскільки розрахований конвеєр.

Довжина конвеєра впливає на розмір тактової частоти. Але не завжди довгий конвеєр є перевагою, оскільки при появі помилки передвибірки або виникненні якоїсь ситуації при обробці коду, процесор повинен буде скинути всі дані з конвеєра і завантажити їх знову, що збільшує час роботи.

Крім того, можна використовувати попередню вибірку команд і інформації. В цьому випадку при виконанні будь-якої команди, процесор намагається передбачити наступні команди. Це дозволяє швидше завантажити конвеєр, так як немає необхідності вичікувати, поки виконуватися попередні команди. Якщо ж обрані команди виявилися помилковими, тоді необхідні команди і інформацію потрібно заново шукати, при цьому конвеєр повністю очищається і завантажується знову.

Паралельні обчислення. Сучасні комп`ютери можуть мати у своєму розпорядженні кількома ядрами, що може створювати імітацію декількох процесорів в операционке. Якщо додаток для комп`ютера здатне підтримувати паралельні обчислення, тоді вони можуть виконуватися відразу. Але багатоядерні процесори мають якесь мінусом - велика витрата енергії, що веде до швидкого і сильного нагрівання, а це вимагає хорошої охолоджувальної системи.

Також важливі алгоритми роботи з мультимедійним контентом. У більшості випадків ці алгоритми працюють за принципом SIMD. Процесори з такою технологією здатні швидко обробляти інформацію, яка потребує багаторазовому проведенні одних і тих же команд. Під це підходить відтворення відео і обробка графіки.

Як же він все-таки працює

Варто розглянути, як працює процесор. Нижче буде опис цього процесу, але воно буде спрощено, оскільки будуть вказані тільки функції великих елементів без технічних особливостей.

Процесор починає функціонувати з отримання команди. Блок вибірки, маючи уявлення про адресу розташування команди, намагається знайти її в кеші першого рівня. Якщо вона відсутня, тоді він переходить до кешу другого рівня, який масивніше за розміром, ніж перший. Якщо і тут вона відсутня, тоді переходить до третього рівня кешу. Якщо команди немає і в ньому, тоді CPU через шину завантажує її з оперативки, при цьому розміщуючи у всіх своїх кешах. За таким же принципом завантажується інформація, необхідна для проведення команди.

Потім команда переміщається за допомогою відділу вибірки в ракодіровщік. Даний вузол потрібно для поділу великих команд на більшу кількість поменше, при цьому кожна операція в виконуваних пристроях буде виконуватися за один такт. Готовий порядок дрібних дій раскодіровщік переносить в пам`ять декодованих команд.

Далі блоку вибірки потрібно ще одна команда. Щоб зрозуміти, де взяти іншу команду і інформацію для неї, використовується блок попередньої вибірки. Проаналізувавши порядок дій, він здатний визначити наступну команду.

Потім планувальник відбирає з пам`яті декодованих команд кілька операцій і з`ясовує їх порядок проведення. Якщо обчислення одних команд не впливають на результати інших, тоді вони можуть виконуватися на паралельних виконавчих інструментах. Подібні до модулів в ядрі CPU досить багато.

На даному етапі може визначитися помилка попередньої вибірки. наприклад,
виконувану дію являє собою команду умовного переходу, тоді блок передвибірки, без можливості з`ясувати значення регістра в процесі виконання команди, помилково припускає, що перехід виповнився і видати блоку вибірці неправильний адресу іншої команди.

Аналогічна ситуація трапляється і з передвибірки інформації. Якщо в процесі виконання команди завантаження інформації значення регістрів з адресою інформації будуть відмінними від моменту передвибірки, тоді з`явиться помилка, так як в кеші виявилися неправильні файли.

Відео: Додавання в процесорі

Після цього відбувається скидання конвеєра і блок вибірки заново запитується команда, яка була до отримання помилки. Скидання і ще одна завантаження конвеєра веде до збільшення часу обробки команди. Якщо при роботі відбувається багато збоїв передвибірки, то продуктивність процесора істотно падає. Однак, в сучасних CPU предвибірки працює з ефективністю 95%.

Якщо на виході з конвеєра команда проведена коректно, тоді отриманий результат заноситися в кеш, а потім переноситься в оперативку CPU.

Ось, в принципі, і все, що необхідно знати пересічному користувачеві про процесорах і принципи його роботи.