▷ Части на процесор отвън и отвътре: основни понятия?

Със сигурност всички знаем приблизително какво е процесор, но наистина ли знаем какви са частите на процесора ? Всяка една от основните, които са необходими на този малък квадратен силиций, за да може да обработва големи количества информация, като е в състояние да премести човечеството в епоха, в която, без да има електронни системи, би било пълен дебал.

Процесорите вече са част от нашето ежедневие, особено на хората, които са родени през последните 20 години. Мнозина са станали напълно смесени с технологиите, да не говорим за малките, които носят смартфон под мишниците си вместо хляб… Във всички тези устройства има общ елемент, наречен процесор, който е отговорен за даването на "интелигентност" на машините около нас. Ако този елемент не съществуваше, нито компютрите, мобилните телефони, роботите и монтажните линии, накратко, всеки би имал работа… но би било невъзможно да стигнем до мястото, където сме ги направили, все още няма свят като "Матрицата", но всичко ще върви.

Индекс на съдържанието

Какво е процесор и защо е толкова важно

На първо място, трябва да сме наясно, че не само компютър има процесор вътре. Всички електронни устройства имат в себе си елемент, който функционира като процесор, независимо дали е цифров часовник, програмируем автомат или смартфон.

Но разбира се, ние също трябва да сме наясно, че в зависимост от техните възможности и за това, което са произведени, процесорите може да са повече или по-малко сложни, от просто извършване на последователност от двоични кодове, за да запалят LED панел, до обработка на огромни количества информация, включително обучение от тях (машинно обучение и изкуствен интелект).

Централният процесор или централният процесор на испански е електронна схема, способна да изпълнява задачите и инструкциите, съдържащи се в дадена програма. Тези инструкции са значително опростени и се свеждат до основни аритметични изчисления (събиране, изваждане, умножение и деление), логически операции (ИЛИ, ИЛИ, НЕ, NOR, NAND) и контрол на входа / изхода (I / O). на устройствата.

Тогава процесорът е елементът, отговарящ за извършването на всички операции, които формират инструкциите на дадена програма. Ако се поставим в гледната точка на машината, тези операции се свеждат до прости вериги от нули и такива, наречени битове и които представляват текущите / не-текущите състояния, като по този начин образуват бинарни логически структури, на които дори човекът е способен. за разбиране и програмиране в машинен код, асемблер или чрез език за програмиране на по-високо ниво.

Транзисторите, виновниците за всичко

Процесорите не биха съществували, поне толкова малки, ако не беше транзисторите. Те са основната единица, така да се каже, на всеки процесор и интегрална схема. Това е полупроводниково устройство, което затваря или отваря електрическа верига или усилва сигнал. По този начин това е начинът, по който можем да създадем такива и нули, бинарният език, който процесорът разбира.

Тези транзистори започнаха като вакуумни клапани, огромни устройства, подобни на електрически крушки, способни да изпълняват собствените комутации на транзистора, но с механични елементи във вакуум. Компютри като ENIAC или EDVAC имаха вакуумни клапани вътре в тях вместо транзистори и те бяха изключително големи и практически консумираха енергията на малък град. Тези машини бяха първите с архитектурата на фон Нойман.

Но през 50-те до 60-те години на миналия век започват да се създават първите транзисторни процесори - всъщност това е IBM през 1958 г., когато създава първата си полупроводникова транзисторна машина с IBM 7090. Оттогава еволюцията беше грандиозна, производители като Intel и по-късно AMD започнаха да създават първите процесори за настолни компютри, внедрявайки революционната x86 архитектура, благодарение на процесора Intel 8086. Всъщност, дори и днес нашите настолни процесори са базирани на тази архитектура, по-късно ще видим частите на процесора x86.

След това архитектурата започва да става все по-сложна, с по-малки чипове, а също така и с първото въвеждане на повече ядра вътре, а след това с ядра, специално посветени на графичната обработка. Дори ултрабързи банки с памет, наречени кеш памет и свързващата шина с основната памет, RAM, бяха въведени вътре в тези малки чипове.

Външните части на процесор

След този кратък преглед на историята на процесорите, докато не сме в наши дни, ще видим какви външни елементи има текущият процесор. Говорим за физически елементи, които могат да бъдат докоснати и които са с оглед на потребителя. Това ще ни помогне да разберем по-добре физическите и свързаните нужди на процесора.

гнездо

Цокълът или гнездото на процесора е електромеханична система, неподвижно инсталирана на дънната платка, която е отговорна за свързването на процесора с останалите елементи на платката и компютъра. На пазара има няколко основни типа гнездо, а също и с много различни конфигурации. Има три елемента във вашето име или деноминация, които ще ни накарат да разберем за кой от тях говорим:

Производителят може да бъде Intel или AMD в случай на персонални компютри, това е нещо просто за разбиране. Що се отнася до типа връзка, ние имаме три различни типа:

• LGA: (решетка за контактна мрежа), означава, че контактните щифтове са инсталирани в самия гнездо, докато централния процесор има само плосък контактен масив. PGA: (решетъчен масив от пинове), това е точно обратното на предходния, процесорът има щифтовете, а гнездото - дупките, за да ги поставите. BGA: (масивна сферична решетка), в този случай процесорът е директно споен към дънната платка.

Що се отнася до последния номер, той идентифицира вида на разпределението или броя на пиновете за връзка, които CPU има със сокета. Има огромно количество от тях както в Intel, така и в AMD.

субстрат

Субстратът е основно PCB, където е инсталиран силиконовият чип, който съдържа електронната верига на ядрата, наречена DIE. Днешните процесори може да имат повече от един от тези елементи, инсталирани отделно.

Но също така тази малка печатна платка съдържа цялата матрица на връзките с гнездото на дънната платка, почти винаги позлатена за подобряване на прехвърлянето на електричество и със защита срещу претоварвания и токови скокове под формата на кондензатори.

DIE

DIE е точно квадратът или чипът, който съдържа всички интегрални схеми и вътрешни компоненти на процесор. Визуално той се разглежда като малък черен елемент, стърчащ от основата и осъществяващ контакт с елемента на разсейване на топлината.

Тъй като цялата система за обработка е вътре в нея, DIE достига невероятно високи температури, така че трябва да бъде защитен от други елементи.

IHS

Нарича се още DTS или интегриран термичен дифузьор и неговата функция е да улавя цялата температура на процесорните ядра и да го прехвърля към радиатора, който този елемент е инсталирал. Изработена е от мед или алуминий.

Този елемент представлява лист или капсула, който защитава DIE отвън и може да бъде в пряк контакт с него с помощта на термична паста или директно заварена. В потребителското оборудване за игри потребителите премахват този IHS, за да поставят радиатори директно в контакт с DIE, използвайки термопаст в течен метален състав. Този процес се нарича Delidding и неговата цел е значително да подобри температурата на процесора.

радиатор

Последният елемент, който е отговорен за улавянето на възможно най-много топлина и пренасянето му в атмосферата. Те представляват малки или големи блокове, изработени от алуминий и медна основа, снабдени с вентилатори, които спомагат за охлаждането на цялата повърхност с помощта на принудителен въздушен ток през перките.

Всеки компютър процесор се нуждае от радиатор, за да функционира и поддържа температурите си под контрол.

Ами това са частите на един процесор отвън, сега ще видим най-техническата част, неговите вътрешни компоненти.

Von Neumann архитектура

Днешните компютри са базирани на архитектурата на Фон Нойман, който беше математикът, който отговаряше за живота през 1945 г. на първите компютри в историята, знаете, ENIAC и другите му големи приятели. Тази архитектура е основно начинът, по който елементите или компонентите на компютъра се разпределят, така че работата му да е възможна. Състои се от четири основни части:

• Програма и памет за данни: това е елементът, където се съхраняват инструкциите, които трябва да бъдат изпълнени в процесора. Състои се от дискове за съхранение или твърди дискове, RAM с произволен достъп и програми, които съдържат самите инструкции. Централен процесор или процесор: това е процесорът, единицата, която контролира и обработва цялата информация, която идва от основната памет и входните устройства. Входна и изходна единица: позволява комуникация с периферни устройства и компоненти, които са свързани към централното устройство. Физически бихме могли да ги идентифицираме като слотовете и портовете на дънната ни платка. Шини за данни: са пистите, пистите или кабелите, които физически свързват елементите.В процесора те са разделени на контролната шина, шината за данни и адресната шина.

Многоядрени процесори

Преди да започнем да изброяваме вътрешните компоненти на процесора, много важно е да знаем какви са ядрата на процесора и каква е тяхната функция в него.

Ядрото на един процесор е интегралната схема, която отговаря за извършването на необходимите изчисления с информацията, която преминава през него. Всеки процесор работи с определена честота, измерена в MHz, което показва броя на операциите, които е способен да извърши. Е, сегашните процесори имат не само ядро, но и няколко от тях, всички с еднакви вътрешни компоненти и способни да изпълняват и решават инструкции едновременно във всеки часовник цикъл.

Така че, ако основният процесор може да изпълни по една инструкция във всеки цикъл, ако имаше 6, той може да изпълни 6 от тези инструкции в същия цикъл. Това е драматично надграждане на производителността и точно това правят днешните процесори. Но ние имаме не само ядра, но и обработващи нишки, които са като вид логически ядра, през които циркулират нишките на дадена програма.

Посетете нашата статия относно: какви са нишките на процесора? Разлики с ядрата, за да знаете повече по темата.

Вътрешни части на процесор (x86)

Има много различни микропроцесорни архитектури и конфигурации, но тази, която ни интересува, е тази, която е вътре в нашите компютри и това несъмнено е тази, която получава името на x86. Бихме могли да го видим директно физически или схематично, за да стане малко по-ясно, знайте, че всичко това е в рамките на DIE.

Трябва да имаме предвид, че контролното устройство, аритметично-логическата единица, регистрите и FPU ще присъстват във всяко от процесорните ядра.

Нека първо разгледаме основните вътрешни компоненти:

Блок за управление

На английски, наречен Conrol Unit или CU, той отговаря за ръководството на работата на процесора. Това прави чрез издаване на команди под формата на управляващи сигнали към RAM, аритметично-логическата единица и устройствата за вход и изход, така че да знаят как да управляват информацията и инструкциите, изпратени до процесора. Например те събират данни, извършват изчисления и съхраняват резултати.

Това устройство гарантира, че останалите компоненти работят в синхронизация, като използват сигнали за часовник и синхронизация. Почти всички процесори имат този модул вътре, но нека кажем, че е извън това, което е ядрото на самата обработка. От своя страна можем да различим в него следните части:

• Clock (CLK): той е отговорен за генерирането на квадратен сигнал, който синхронизира вътрешните компоненти. Има и други часовници, които отговарят за този синхрон между елементи, например умножителя, който ще видим по-нататък. Програмен брояч (CP): съдържа адреса на паметта на следващата инструкция, която трябва да бъде изпълнена. Регистър на инструкциите (RI): записва инструкцията, която се изпълнява Sequencer и Decoder: интерпретира и изпълнява инструкциите чрез команди

Аритметично-логическа единица

Със сигурност ще знаете това чрез съкращението си „ALU“. ALU е отговорен за извършването на всички аритметични и логически изчисления с цели числа на ниво бит, това устройство работи директно с инструкциите (операндите) и с операцията, която управляващото устройство му е възложило да извърши (оператор).

Операндите могат да идват или от вътрешните регистри на процесора, или директно от RAM паметта, дори могат да бъдат генерирани в самия ALU в резултат на друга операция. Резултатът от това ще бъде резултат от операцията, като е друга дума, която ще се съхранява в регистър. Това са основните му части:

• Регистри на входа (REN): те съхраняват в тях операндите, които ще бъдат оценявани. Код на операцията: CU изпраща оператора, така че операцията да бъде извършена Акумулатор или Резултат: резултатът от операцията излиза от ALU като двоична дума Регистър на статуса (Flag): той съхранява различни условия, които трябва да се вземат предвид по време на операцията.

Единица с плаваща запетая

Ще го знаете като FPU или единица с плаваща запетая. По същество това е актуализация, извършена от процесорите от ново поколение, която е специализирана в изчисляването на операции с плаваща запетая с помощта на математически копроцесор. Има единици, които дори могат да извършват тригонометрични или експоненциални изчисления.

По същество това е адаптация за повишаване на производителността на процесорите в графичната обработка, където изчисленията, които трябва да бъдат извършени, са много по-тежки и сложни, отколкото в нормалните програми. В някои случаи функциите на FPU се изпълняват от самия ALU, като се използва микрокод с инструкции.

записи

Днешните процесори имат собствена система за съхранение, така да се каже, а най-малката и бърза единица са регистрите. По същество това е малък склад, където се съхраняват инструкциите, които се обработват и получените от тях резултати.

Кеш памет

Следващото ниво на съхранение е кеш паметта, която също е изключително бърза памет, много повече от RAM памет, която е отговорна за съхраняването на инструкциите, които незабавно ще бъдат използвани от процесора. Или поне ще се опитате да запазите инструкциите, които смятате, че ще бъдат използвани, тъй като понякога няма друг избор, освен да ги поискате директно от RAM.

Кешът на текущите процесори е интегриран в едно и също DIE на процесора и е разделен на общо три нива, L1, L2 и L3:

• Кеш на ниво 1 (L1): Това е най-малкото след регистрация и най-бързото от трите. Всяко ядро ​​за обработка има свой L1 кеш, който от своя страна е разделен на две, L1 Data, който отговаря за съхраняването на данните, и L1 Инструкцията, която съхранява инструкциите за изпълнение. Обикновено е 32KB всеки. Кеш на ниво 2 (L2) - Тази памет е по-бавна от L2, но и по-голяма. Обикновено всяко ядро ​​има свой собствен L2, който може да е около 256 KB, но в този случай той не е интегриран директно в основната верига. Кеш на ниво 3 (L3): Той е най-бавният от трите, макар и много по-бърз от RAM паметта. Той също се намира извън ядрата и се разпределя между няколко ядра. Той варира между 8 MB и 16 MB, въпреки че в много мощни процесори достига до 30 MB.

Входящи и изходящи автобуси

Шината е комуникационният канал между различните елементи , съставляващи компютър. Те са физическите линии, по които циркулират данните под формата на електричество, инструкциите и всички елементи, необходими за обработка. Тези шини могат да бъдат поставени директно вътре в процесора или извън него, на дънната платка. На компютъра има три типа автобуси:

• Шина за данни: със сигурност най-лесната за разбиране, защото това е шината, през която циркулира данните, изпратени и получени от различните компоненти, към или от процесора. Това означава, че това е двупосочна шина и през нея ще циркулират думи с дължина 64 бита, дължината, която процесорът е в състояние да обработва. Пример за шина за данни са LANES или PCI Express Lines, които комуникират процесора с PCI слотовете, например за графична карта. Адресна шина: адресната шина не циркулира данни, а адреси от паметта, за да намерите къде се съхраняват данните в паметта. RAM е като голямо хранилище за данни, разделено на клетки и всяка от тези клетки има свой собствен адрес. Процесорът ще поиска паметта за данните, като изпрати адрес на паметта, този адрес трябва да е толкова голям, колкото клетките да имат RAM памет. Понастоящем процесор може да адресира адреси на паметта до 64 бита, тоест бихме могли да обработим паметта до 2 ⁶⁴ клетки. Контролна шина: контролната шина отговаря за управлението на двете предишни шини, използвайки сигнали за управление и синхронизиране, за да се синхронизира и ефективно да използва цялата информация, която циркулира към или от процесора. Това би било като кулата за контрол на въздушното движение на летище.

BSB, входно / изходно устройство и умножител

Важно е да знаете, че настоящите процесори нямат традиционния FSB или Front Bus, който служи за комуникация на процесора с останалите елементи на дънната платка, например чипсет и периферни устройства през северния и южния мост. Това е така, защото самата шина е вкарана в процесора като устройство за управление на данни за вход и изход (I / O), което директно комуникира оперативната памет с процесора, сякаш това е стария северен мост. Технологии като HyperTransport на AMD или HyperThreading на Intel са отговорни за управлението на обмена на информация на високопроизводителни процесори.

BSB или обратната шина е шината, която отговаря за свързването на микропроцесора със собствена кеш памет, обикновено тази на L2. По този начин предна шина може да се освободи от доста натоварване и по този начин да доближи скоростта на кешовете още повече до скоростта на ядрото.

И накрая имаме множителите, които са поредица от елементи, разположени вътре или извън процесора, които отговарят за измерването на връзката между часовника на процесора и часовника на външните шини. В този момент знаем, че процесорът е свързан с елементи като RAM, чипсет и други периферни устройства чрез шини. Благодарение на тези множители е възможно честотата на процесора да е много по-бърза от външните шини, за да може да обработва повече данни.

Умножител на x10 например ще позволи на система, която работи на 200 MHz, да работи върху процесора на 2000 MHz. В настоящите процесори можем да намерим единици с отключен множител, това означава, че можем да увеличим честотата му и по този начин скоростта на обработка. Ние наричаме това овърклок.

IGP или вътрешна графична карта

За да завършим с частите на процесора, не можем да забравим интегрираната графична единица, която някои от тях носят. Преди да разберем какво е FPU и в този случай се сблъскваме с нещо подобно, но с много повече мощност, тъй като в основата си те са серия от ядра, способни да обработват самостоятелно графиките на нашия екип, които за математически цели са огромно количество изчисления с плаваща запетая и графично изобразяване, които биха били много интензивни за процесора.

IGP изпълнява същата функция като външна графична карта, тази, която инсталирахме през слота за PCI-Express, само при по-малък мащаб или мощност. Нарича се интегриран графичен процесор, тъй като е интегрирана схема, инсталирана в същия процесор, която облекчава централния блок от тази серия от сложни процеси. Ще бъде полезно, когато нямаме графична карта, но засега няма производителност, сравнима с тази.

Както AMD, така и Intel имат единици, които интегрират IGP в процесора, като по този начин се наричат APU (Accelerated Processing Unit). Пример за това е почти цялото Intel Core от семейство i, заедно с AMD Athlon и някои Ryzen.

Заключение за частите на процесора

Е, стигаме до края на тази дълга статия, в която виждаме по повече или по-малко основен начин какви са частите на процесора, както от външна, така и от вътрешна гледна точка. Истината е, че това е много интересна тема, но дяволски сложна и дълга за обяснение, подробности за която са извън разбирането на почти всички нас, които не сме потопени в монтажните линии и производителите на този тип устройства.

Сега ви оставяме няколко урока, които може да ви бъдат интересни.

Ако имате въпроси или искате да изясните някой проблем в статията, приканваме ви да го напишете в полето за коментар. Винаги е добре да имате мнението и мъдростта на другите.