Устройство современного процессора компьютера

Устройство процессора

Ключевыми компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и устройство управления. АЛУ выполнят основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах временно хранятся 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 процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), Ранее измерялось в мегагерцах (МГц). 1МГц = 1 миллиону тактов в секунду.

Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины.

Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адресазависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.

На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.
Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

  1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
  2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
  3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
  4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
  5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Устройство управления

Для
реализации любой команды необходимо
на соответствующие управляющие входы
любого устройства компьютера подать
определенным образом распределенную
во времени последовательность управляющих
сигналов. Часть цифрового вычислительного
устройства, предназначенная для выработки
этой последовательности, называется
устройством
управления
.

Любое
действие, выполняемое в операционном
блоке, описывается некоторой микропрограммой
и реализуется за один или несколько
тактов. Элементарная функциональная
операция, выполняемая за один тактовый
интервал и приводимая в действие
управляющим сигналом, называется
микрооперацией.
Совокупность микроопераций,
выполняемых в одном такте, называется
микрокомандой
(МК). Если все такты должны иметь одну и
ту же длину, а именно это имеет место
при работе компьютера, то она устанавливается
по самой продолжительной микрооперации.
микрокоманды,
предназначенные для выполнения некоторой
функционально законченной последовательности
действий, образуют микропрограмму.
Например, микропрограмму
образует набор микрокоманд
для выполнения команды умножения.
Устройство
управления
предназначено для выработки управляющих
сигналов, под воздействием которых
происходит преобразование информации
в арифметико-логическом устройстве, а
также операции по записи и чтению
информации в/из запоминающего устройства.

Устройства
управления
делятся на:

  • УУ с
    жесткой, или схемной логикой;

  • УУ с программируемой логикой
    (микропрограммные
    УУ
    ).

В устройствах управленияпервого типа для каждой команды,
задаваемой кодом операции, строится
набор комбинационных схем, которые в
нужных тактах вырабатывают необходимые
управляющие сигналы.В
микропрограммных УУкаждой
команде ставится в соответствие
совокупность хранимых в специальной
памяти слов —микрокоманд. Каждая
измикрокомандсодержит информацию
омикрооперациях, подлежащих
выполнению в данном такте, и указание,
какое слово должно быть выбрано из
памяти в следующем такте.Микропрограммное
устройство управления
представлено
на рисунке. Преобразователь адресамикрокомандыпреобразует код
операции команды, присутствующей в
данный момент в регистре команд, в
начальный адресмикропрограммы,
реализующей данную операцию, а также
определяет адрес следующеймикрокомандывыполняемоймикропрограммыпо
значению адресной части текущеймикрокоманды.

Функциональная
схема микропрограммного устройства
управления

Устройство
управления содержит дешифратор
операций- логический блок, выбирающий
в соответствии с поступающим из регистра
команд кодом операции (КОП) один из
множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство
микропрограмм
— хранит в своих ячейках
коды об управляющих сигналах (импульсах),
необходимые для выполнения в блоках ПК
операций обработки информации. Эти
коды, по выбранному дешифратором операций
в соответствии с кодом операции команды,
считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую
последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса(находится
в интерфейсной части МП) — устройство,
вычисляющее полный адрес ячейки памяти
(регистра) по реквизитам, поступающим
из регистра команд и регистров
микропроцессорной памяти.

Кодовые шины данных, адреса и инструкций— часть внутренней шины микропроцессора.
В общем случае УУ формирует управляющие
сигналы для выполнения следующих
основных процедур:

  • выборки
    из регистра-счетчика адреса команды
    МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится
    очередная команда программы;

  • выборки
    из ячеек ОЗУ кода очередной команды и
    приема считанной команды в регистр
    команд;

  • расшифровки
    кода операции и признаков выбранной
    команды;

  • считывания
    из соответствующих расшифрованному
    коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм
    управляющих сигналов (импульсов),
    определяющих во всех блоках машины
    процедуры выполнения заданной операции,
    и пересылки управляющих сигналов в эти
    блоки;

  • считывания
    из регистра команд и регистров МПП
    отдельных составляющих адресов операндов
    (чисел), участвующих в вычислениях, и
    формирования полных адресов операндов;

  • выборки
    операндов (по сформированным адресам
    ) и выполнения заданной операции
    обработки этих операндов;

  • записи
    результатов операции в память;

  • формирования
    адреса следующей команды программы.

Как это все работает?

Логика работы любого процессора строится на том, что все данные компьютера хранятся в битах, специальных ячейках информации, представленных 0 или 1. Попробуем разобраться, что происходит, как из этих нулей и единиц на экран перед нами предстают красочные фильмы и захватывающие компьютерные игры?

Прежде всего, необходимо уяснить, что имея дело с электроникой, мы получаем любую информацию в виде напряжения. Выше определенного значения мы получаем единицу, ниже – ноль. К примеру, включенный в комнате свет – это единица, выключенный – ноль. Дальнейшая иерархия, благодаря которой получаются более сложные элементы – это байт, состоящий из восьми битов. Благодаря этим самым байтам речь может идти не только о включенном или выключенном свете в помещении, но и о его яркости, оттенке цвета и так далее.

Напряжение проходит через память и передает данные процессору, который использует, в первую очередь, собственную кэш-память как наиболее оперативную, однако, небольшую ячейку. Через специальный блок управления данные обрабатываются и распределяются по дальнейшему пути.

Процессор использует байты и целые последовательности из них, что, в свою очередь, называется программой. Именно программы, обрабатываемые процессором, заставляют компьютер выполнить то или иное действие: воспроизвести видео, запустить игру, включить музыку и так далее.

Характеристики процессора

При выборе ЦП стоит обратить внимание на следующие параметры, именно они влияют на общую производительность процессора: частота, кэш, количество ядер. Чем выше эти показатели, тем выше мощность ЦПУ

Частота процессора

Частота CPU измеряется в ГГц (GHz). Этот показатель отвечает за скорость обработки поставленных задач. Соответственно, чем выше цифра частоты, тем быстрее процессор справляется с заданными командами.

Современные процессоры, в отличии от старых, заточены не только на производительности, но и на энергосбережении. Именно поэтому в нынешних ЦП можно часто встретить заниженную частоту по умолчанию, но с поддержкой Turbo Boost. То есть эта технология позволяет не потреблять лишний раз ресурсы процессора и повышает тактовую частоту, лишь в случае нагрузок. К примеру, Intel Core i5 9400F по умолчанию работает на частоте 2.9 ГГц, а в случае загруженности переключается в режим Turbo до 4.1 ГГц.

Кэш процессора

Кэш CPU – это буфер, который позволяет через себя прогнать больший объем информации, не привлекая при этом оперативную память. Маленький кэш заставляет обращаться к озу, а это снижает скорость обработки. Вывод, чем больше кэш, тем быстрее процессор выполняет работу.

По сегодняшним меркам небольшим объемом кэша можно считать 1-3 Мб. На примере того же Intel Core i5 9400F кэш L3 составляет 9Мб. У процессоров AMD кэш L3 отсутствует, поэтому смотреть нужно на показатель L2.

Количество ядер процессора

Количество ядер процессора влияет на скорость обработки задач. Чтобы было понятно, объясню на примере более детально, одно ядро Core i5 9400F в обычном режиме работает на частоте 2.9 ГГц и обрабатывает N-количество данных. В данный ЦП встроено 6 ядер, то есть скорость обработки увеличивается до 6 раз, так как N-количество обрабатываемых данных умножается на 6 ядер. Когда эти ядра сильно нагружены, открывается режим Turbo Boost и скорость обработки еще увеличивается до частоты 4.1 ГГц.

И еще один момент, некоторые процессоры могут иметь, к примеру, 4 ядра, но работать в 8 потоков. То есть, если вы откроете в диспетчере устройств “Процессоры”, то можете увидеть 8 ядер, но это не ядра, а потоки. То есть, у вас может быть 8 ядер в 8 потоков, а может быть 4 ядра в 8 потоков. Думаю, суть уловили. Чем больше ядер и потоков, тем быстрее ЦПУ обрабатывает задачи.

А вот кэш, это общий показатель, и он никак не связан с количеством ядер или потоков ЦП.

Будущие перспективы

Разновидности микропроцессоров

И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:

  1. CISC – универсальная архитектура, появившаяся в 1980-ом году. Поддерживается расширенный список команд, простые операции выполняются достаточно долго, зато проблем со сложными не бывает из-за многозадачности.
  2. RISC – альтернатива первому варианту с усеченной памятью. Каждый процесс при выполнении разбивается на маленькие команды.
  3. VLIW, поддерживающие сразу несколько вычислительных устройств, и выполняющие операции параллельно для обеспечения максимального быстродействия.
  4. MISC – хитрая архитектура, позволяющая укладывать разные команды в одну большую ячейку. В итоге, при одном цикле работы, центральный процессор считывает все записанные команды за раз.

Периферийные устройства компьютера

Как говорит википедия:

Периферийные устройства — это аппаратура, которая позволяет вводить информацию в компьютер или выводить её из него. Периферийные устройства являются не обязательными для работы системы и могут быть отключены от компьютера.

Но, я с ней не согласен. К примеру, без монитора нам и компьютер не нужен, а без клавиатуры не каждый сможет включить компьютер, без мышки смогут обойтись только самые опытные пользователи, а без динамиков ничего не посмотришь и не послушаешь. Это еще далеко не все устройства, поэтому давайте рассмотрим каждое из них отдельно.

Монитор персонального компьютера

Немного повторюсь – без монитора компьютер нам не нужен, иначе мы не увидим, что там происходит. Возможно в дальнейшем придумают какую-то голограмму или специальные очки, но пока что это лишь моя больная фантазия).

Монитор подключается в видеокарту специальным кабелем, которых бывает 2 типа VGA (устарелый разъем) и HDMI. HDMI обеспечивает лучшее изображение, а так же параллельно изображению передает звук. Так что, если в вашем мониторе есть встроенные колонки и он имеет высокое разрешение, вам обязательно нужно использовать HDMI кабель.

Клавиатура

Клавиатура нужна для ввода информации, вызова команд и выполнения действий. Клавиатуры бывают разные: обычные, бесшумные, мультимедийные и геймерские.

  1. Обычные – самая простая клавиатура, на которой только стандартные кнопки.
  2. Бесшумные – резиновые/силиконовые клавиатуры, при работе с которыми не слышно ни одного звука.
  3. Мультимедийные. Кроме стандартных кнопок клавиатура имеет дополнительные клавиши для управления аудио/видео файлами, громкостью, тачпад (возможно), и остальное.
  4. Геймерские – Дополнительные кнопки для разных игр, основные кнопки для игры имеют другой цвет и другие плюшки.

Мышь

Основная задача компьютерной мыши — это управление/передвижение курсора на экране. Так же выбирать и открывать файлы/папки и вызывать меню правой кнопкой.

Сейчас существует много самых разных мышек для компьютера. Бывают беспроводные, маленькие, большие, с дополнительными кнопками для удобства, но основная её функция осталось прежней спустя десятилетия.

Акустическая система

Как было сказано выше, акустическая система подключается к звуковой карте. Через звуковую передаться сигнал на колонки, и Вы слышите, о чем говорят в видео и поют в песне. Акустика бывает разной, но без какой либо, компьютер со всеми своими возможностями становиться обычным рабочим инструментом, перед которым скучно проводить время.

МФУ – Многофункциональные устройства

МФУ больше необходим для офиса и учебы. Обычно содержит: сканер, принтер, ксерокс. Хоть это все в одном устройстве, выполняют они абсолютно разные задачи:

  1. Сканер – делает точную копию фотографии/документа в электронном варианте.
  2. Принтер – распечатывает электронную версию документа, фотографии, картинки на бумагу.
  3. Ксерокс – Делает точную копию с одной бумаги на другую.

Что значит электронное и цифровое устройство

Рассмотрим устройство процессора компьютера. Сначала расшифруем отдельно прилагательные «электронное» и «цифровое».

Вместе с тем в радиоэлектронике электронные устройства делятся на 2 больших класса: аналоговые и цифровые.

Упомянутые аналоговые устройства преобладали среди радиоэлектронной аппаратуры 20-30 лет назад. А появились они тогда, когда радиоинженеры научились записывать и передавать звук и изображение в виде аналоговых сигналов. Это были радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и т.п.

Аналоговые устройства уступили пальму первенства лишь в конце прошлого века, когда развитие цифровых устройств привело к тому, что с помощью цифровых кодов научились записывать и передавать любую информацию, включая уже упомянутые звуки и изображения.

Цифровые сигналы в отличие от аналоговых в незначительной степени подвержены помехам и без искажения передаются на  расстояния. Они лучше записываются, хранятся и не «портятся» со временем.

Как разогнать процессор с помощью утилит

Производители процессоров облегчили задачу оверклокерам и выпустили удобные программы для разгона.

Intel Performance Maximizer

Утилита для автоматического разгона разработана для процессоров Intel Core девятого поколения — моделей с индексом К: i9‑9900K, i9‑9900KF, i7‑9700K, i7‑9700KF, i5‑9600K, i5‑9600KF. Для её работы нужны от 8 ГБ оперативной памяти, от 16 ГБ свободного места на диске, материнская плата с поддержкой оверклокинга, улучшенное охлаждение и 64‑битная Windows 10.

Intel Performance Maximizer использует собственные тесты, чтобы подобрать оптимальные параметры для вашего процессора. Эксперименты проводятся отдельно для каждого ядра и порой длятся несколько часов, но затем вы сможете использовать найденную конфигурацию для максимальной производительности.

После установки достаточно запустить утилиту и нажать «Продолжить». Компьютер перезагрузится, запустится UEFI, там будут меняться параметры и проводиться тесты. По завершении процедуры вы увидите такое окно:

Intel Extreme Tuning Utility

Утилита подходит для разгона процессоров Intel серий К и Х (конкретные модели перечислены на этой странице). Для корректной работы нужны 64‑битная Windows 10 RS3 или новее, материнская плата с поддержкой оверклокинга.

Работа с Intel Extreme Tuning Utility похожа на разгон процессора в BIOS/UEFI, но в более комфортном интерфейсе. Здесь есть и бенчмарк, и функции измерения температуры, и другие инструменты.

После установки вам нужно запустить утилиту, перейти на вкладку Basic Tuning и нажать Run Benchmark. Программа оценит производительность вашей системы до разгона и выдаст результат в баллах.

После этого вы можете постепенно увеличивать значения множителя для всех ядер процессора в разделе Basic Tuning или более тонко настроить параметры производительности на вкладке Advanced Tuning. Алгоритм один и тот же: увеличиваете на одну‑две единицы, запускаете бенчмарк, оцениваете результаты.

После того как вы достигли максимально возможных значений, перейдите на вкладку Stress Test. Пяти минут хватит для базовой проверки. Получасовой тест даст понять, не перегревается ли процессор под нагрузкой. А длящийся 3–5 часов позволит проверить стабильность системы, которая сможет работать с максимальной производительностью круглые сутки.

AMD Ryzen Master

Утилита для комплексного разгона: она может повысить не только производительность процессора, но также видеокарты и памяти. Здесь мы расскажем только о разгоне процессора с AMD Ryzen Master.

Отметим, что раньше производитель предлагал утилиту AMD Overdrive. Но она больше не поддерживается официально, а у AMD Ryzen Master гораздо шире возможности.

После запуска вы увидите компактное окно:

Здесь можно постепенно повышать значения CPU Clock Speed и CPU Voltage, затем нажимать Apply & Test, чтобы применить и проверить новые настройки.

Опция Advanced View позволяет менять значения отдельных параметров (напряжения и частоты ядер, частоты встроенной видеокарты, тайминга памяти) и сохранять их в виде профилей для разных игр и режимов работы.

Также есть функция Auto Overclocking для автоматического разгона системы.

Перспективы развития центральных процессоров

По всей видимости, архитектура центральных процессоров останется фон-неймановской. Увеличение производительности будет обеспечиваться за счёт лучшей параллелизации инструкций и перехода на асинхронную схемотехнику. Для обеспечения наилучшей параллелизуемости потребуется переход на более совершенные наборы инструкций — в частности, пригодные для одноразового использования регистров.

Современные процессоры используют от 1 до 16 управляющих блоков и от 4 до 64 операционных блоков. При переходе к асинхронной схемотехнике будет оправдано использование нескольких десятков управляющих блоков и нескольких сотен операционных блоков. Такой переход вместе с соответствующим увеличением числа блоков обеспечит увеличение пиковой производительности более чем на два порядка и средней производительности более чем на порядок.

Определение модели средствами ОС

Рассмотрим метод при помощи стандартных инструментов операционных систем.

В Windows 7

Необходимо нажать правой кнопкой мыши на значок рабочего стола “Компьютер” и выбрать пункт “Свойства”. В открывшемся окне будут отображены общие сведения о системе, в том числе и название процессора.
Также, если нажать на пункт “Управление” и выбрать “Диспетчер устройств”. Найти в списке пункт “Процессоры” и выполнить двойной клип по нему. В новом окне можно увидеть подробную характеристику вашего ЦП.

В Windows 8 и 10

В данных операционных системах, все действия аналогичны семерке, за исключением одного момента, значок на рабочем столе будет называться «Этот компьютер».
Пример отображения сведений о системе в Win 8:

Таким образом сведения выглядят в Win 10:

В том случае, если на рабочем столе этого значка не будет, можно воспользоваться другим способом.

  1. Нажать комбинацию клавиш Win + R.
  2. В поле редактора ввести «msinfo32» и подтвердить.
  3. Перед вами появится окно со всеми необходимыми данными.

Из чего состоит современный микропроцессор?

Структура процессора сегодня представлена следующими основными элементами:

  • Собственно, ядро процессора. Наиболее важная деталь, сердце устройства, которая называется также кристаллом или камнем современного микропроцессора. От характеристик и новизны ядра напрямую зависит разгон и оперативность работы микропроцессора.
  • Кэш-память является небольшим, но очень быстрым накопителем информации, расположенным прямо внутри процессора. Используется микропроцессором в целях значительного уменьшения времени доступа к основной памяти компьютера.
  • Специальный сопроцессор, благодаря которому и производятся сложные операции. Такой сопроцессор в значительной мере расширяет функциональные возможности любого современного микропроцессора и является его неотъемлемой составляющей. Встречаются ситуации, когда сопроцессор является отдельной микросхемой, однако, в большинстве случаев, он встроен непосредственно в компьютерный микропроцессор.

Путем буквального разбора компьютерного процессора мы сможем увидеть следующие элементы строения, представленные на схеме:

Верхняя металлическая крышка используется не только для защиты «камня» от механических повреждений, но также для отвода тепла.
Непосредственно, кристалл или камень является самой важной и дорогостоящей деталью любого компьютерного микропроцессора.Чем сложнее и совершеннее такой камень, тем быстродействующей является работа «мозга» любого компьютера.
Специальная подложка с контактами на обратной стороне завершает конструкцию микропроцессора, как представлено на картинке. Именно благодаря такой конструкции тыльной стороны и происходит внешнее взаимодействие с центральным «камнем», непосредственно оказывать влияние на сам кристалл невозможно

Скрепление всего строения осуществляется с помощью специального клея-герметика.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий