Какво е процесор и как работи?

Днес ще видим малко хардуер. Екипът ни е съставен от голям брой електронни компоненти, които заедно са в състояние да съхраняват и обработват данни. Процесорът, процесорът или централният процесор е основният му компонент. Ще поговорим за това какво представлява процесор, какви са неговите компоненти и как работи подробно.

Готов ли си? Да започнем!

Индекс на съдържанието

Какво е процесор?

Първото нещо, което ще трябва да определим, е какво е микропроцесор, за да знае всичко останало. Микропроцесорът е мозъкът на компютър или компютър, той е съставен от интегрална схема, капсулирана в силиконов чип, съставена от милиони транзистори. Нейната функция е да обработва данните, да контролира работата на всички устройства на компютъра, поне на голяма част от тях и най-важното: той отговаря за извършването на логическите и математическите операции.

Ако го осъзнаем, всички данни, които циркулират през нашата машина са електрически импулси, съставени от сигнали от такива и нули, наречени битове. Всеки от тези сигнали е групиран в набор от битове, които съставят инструкции и програми. Микропроцесорът е отговорен за смисъла на всичко това чрез извършване на основни операции: SUM, SUBTRACT, И, ИЛИ, MUL, DIV, OPPOSITE И INVERSE. Тогава трябва да микропроцесора:

• Той декодира и изпълнява инструкциите на програмите, заредени в основната памет на компютъра. Координира и контролира всички компоненти, които съставляват компютъра и периферните устройства, които са свързани към него, мишка, клавиатура, принтер, екран и т.н.

Понастоящем процесорите обикновено са с квадратна или правоъгълна форма и са разположени върху елемент, наречен гнездо, прикрепен към дънната платка. Това ще бъде отговорно за разпространението на данните между процесора и останалите елементи, свързани към него.

Архитектура на компютър

В следващите раздели ще видим цялата архитектура на процесор.

Von Neumann архитектура

От изобретението на микропроцесорите до днес те се основават на архитектура, която разделя процесора на няколко елемента, които ще видим по-нататък. Това се нарича архитектура на фон Нойман. Това е архитектура, изобретена през 1945 г. от математика Фон Нойман, която описва дизайна на цифров компютър, разделен на серия от части или елементи.

Настоящите процесори все още до голяма степен се основават на тази основна архитектура, въпреки че логично са въведени голям брой нови елементи, докато не имаме изключително пълните елементи, които имаме днес. Възможност за множество номера на един и същ чип, елементи от паметта на различни нива, вграден графичен процесор и т.н.

Вътрешни части на компютър

Основните части на компютър в съответствие с тази архитектура са следните:

• Памет: е елементът, в който се съхраняват инструкциите, които компютърът изпълнява, и данните, върху които работят инструкциите. Тези инструкции се наричат ​​програмата. Централен процесор или процесор: той е елементът, който предварително сме дефинирали. Той отговаря за обработката на инструкциите, които идват към него от паметта. Входно-изходен блок: позволява комуникация с външни елементи. Шини за данни: са пистите, коловозите или кабелите, които физически свързват предишните елементи.

Елементи на микропроцесор

Определи основните части на компютъра и разбрах как информацията циркулира през него.

• Управляващ блок (UC): той е елементът, който е отговорен за извършване на поръчки чрез контролни сигнали, например, часовника. Той търси инструкции в основната памет и ги предава на декодера за инструкции, който да се изпълни. Вътрешни части:
  1. Clock: Генерира квадратна вълна за синхронизиране на операциите на процесора Брояч на програмата: Съдържа адреса на паметта на следващата инструкция, която трябва да бъде изпълнена Инструкция Запис: Съдържа инструкцията, която в момента изпълнява Sequencer: Генерира елементарни команди за обработка на инструкция. Инструкция декодер (DI): той отговаря за интерпретацията и изпълнението на инструкциите, които пристигат, извличайки кода на операцията на инструкцията.

• Логическа аритметична единица (ALU): тя отговаря за извършването на аритметични изчисления (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) и логически операции (AND, OR,…). Вътрешни части.
  1. Оперативна схема: те съдържат мултиплексорите и веригите за извършване на операции. Входни регистри: данните се съхраняват и работят преди да влязат в оперативната верига Акумулатор: съхранява резултатите от извършените операции Регистър на състоянието (Flag): съхранява определени условия, които трябва да се вземат предвид при следващите операции.

• Единица с плаваща запетая (FPU): Този елемент не е бил в оригиналния архитектурен дизайн, по-късно е въведен, когато инструкциите и изчисленията стават по-сложни с появата на графично представените програми. Това устройство е отговорно за извършване на операции с плаваща запетая, тоест реални числа. Record Bank и кеш: Днешните процесори имат летлива памет, която свързва RAM към процесора. Това е много по-бързо от RAM и е отговорно за ускоряване на достъпа на микропроцесора до основната памет.

• Предна странична шина (FSB): Известна също като шина за данни, главна шина или системна шина. Пътят или каналът комуникира микропроцесора с дънната платка, по-специално с чипа, наречен северен мост или nothbridge. Това е отговорно за контрола на работата на основната процесорна шина, RAM и портовете за разширение, като PCI-Express. Термините, използвани за определяне на тази шина, са "Quick Path Interconnect" за Intel и "Hypertransport" за AMD.

Източник: sleeperfurniture.co

Източник: ixbtlabs.com

• Задна страна BUS (BSB): тази шина комуникира кеш паметта от ниво 2 (L2) с процесора, стига да не е интегрирана в самото ядро ​​на процесора. Понастоящем всички микропроцесори имат кеш памет, вградена в самия чип, така че тази шина също е част от същия чип.

Два или повече ядра микропроцесор

В същия процесор не само ще разполагаме тези елементи, разпределени вътре, но те вече се възпроизвеждат. Ще имаме няколко ядра за обработка или какви са едни и същи няколко микропроцесора в рамките на устройството. Всеки от тях ще има свой кеш L1 и L2, обикновено L3 се споделя между тях, по двойки или заедно.

В допълнение към това ще имаме ALU, UC, DI и FPU за всяко от ядрата, така че скоростта и капацитетът на обработка се умножават в зависимост от броя на ядрата, които има. В микропроцесорите се появяват и нови елементи:

• Интегриран контролер на паметта (IMC): Сега с появата на няколко ядра процесорът има система, която ви позволява директно да получите достъп до основната памет. Интегриран GPU (iGP) - Графичният процесор обработва графична обработка. Това са предимно операции с плаваща запетая с битови низове с висока плътност, така че обработката е много по-сложна от нормалните програмни данни. Поради това има микропроцесорни гами, които въвеждат в тях единица, изключително предназначена за графична обработка.

Някои процесори, като AMD Ryzen, нямат вътрешна графична карта. Само вашите APU-та?

Работа на микропроцесора

Процесорът работи по инструкции, всяка от тези инструкции е двоичен код на определено разширение, което процесорът е в състояние да разбере.

Програмата, следователно, е набор от инструкции и за да се изпълни, тя трябва да се изпълнява последователно, тоест да се изпълнява една от тези инструкции на всеки етап или период от време. За да изпълните инструкция, има няколко фази:

• Търсене на инструкции: привеждаме инструкцията от паметта към процесора Декодиране на инструкции: инструкцията е разделена на по-прости кодове, разбираеми от процесора. Оперирано търсене: с инструкцията, заредена в процесора, трябва да намерите съответния оператор Изпълнение на инструкция: извършете необходимата логическа или аритметична операция Запазване на резултата: резултатът се кешира

Всеки процесор работи с определен набор от инструкции, които се развиват заедно с процесорите. Името x86 или x386 се отнася до набор от инструкции, с които работи процесор.

Традиционно 32-битовите процесори също се наричат ​​x86, това е така, защото в тази архитектура са работили с този набор от инструкции от процесора Intel 80386, който е първият, който е въвел 32-битова архитектура.

Този набор от инструкции трябва да се актуализира, за да работи по-ефективно и с по-сложни програми. Понякога виждаме, че в изискванията за изпълнение на програма влизат набор от съкращения като SSE, MMX и т.н. Това са набор от инструкции, с които може да се справи един микропроцесор. Така че имаме:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Те овластяват процесорите да работят с операции с плаваща запетая. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 и т.н.: различни актуализации на този набор от инструкции.

Несъвместимост на процесора

Всички помним кога операционната система на Apple може да работи на компютър с Windows или Linux. Това се дължи на типа инструкции от различните процесори. Apple използваха процесори PowerPC, които работеха с инструкции, различни от Intel и AMD. По този начин има няколко дизайна на инструкции:

• CISC (Комплект Компютърни инструкции): той е този, използван от Intel и AMD, става въпрос за използване на набор от няколко инструкции, но сложен. Те имат по-голямо потребление на ресурси, като са по-пълни инструкции, които изискват няколко цикъла на часовника. RISC (Компютър с намалени инструкции): той е този, използван от Apple, Motorola, IBM и PowerPC, това са по-ефективни процесори с повече инструкции, но с по-малка сложност.

В момента и двете операционни системи са съвместими, тъй като Intel и AMD прилагат комбинация от архитектури в своите процесори.

Процес на изпълнение на инструкциите

1. Процесорът се рестартира, когато получава RESET сигнал, по този начин системата се подготвя, като получава часовник сигнал, който ще определи скоростта на процеса.В регистъра на CP (програмния брояч) адресът на паметта, на който Управляващият блок (UC) издава командата да извлече инструкцията, която RAM е запазила в адреса на паметта, който е в CP.Тогава RAM изпраща данните и тя се поставя на шината на данните, докато който се съхранява в RI (регистър на инструкциите). UC управлява процеса и инструкцията преминава към декодера (D), за да намери смисъла на инструкцията. След това преминава през UC, който трябва да бъде изпълнен. След като инструкцията е известна и каква операция да се извърши, и двете се зареждат във входните регистри на ALU (REN). ALU изпълнява операцията и поставя резултата в шина за данни и CP се добавя 1 за изпълнение на следната инструкция.

Как да разбера дали един процесор е добър

За да знаем дали един микропроцесор е добър или лош, трябва да разгледаме всеки от неговите вътрешни компоненти:

Ширина на шината

Ширината на шина определя размера на регистрите, които могат да циркулират през нея. Тази ширина трябва да съответства на размера на процесорните регистри. По този начин имаме, че ширината на шината представлява най-големия регистър, който е в състояние да транспортира в една операция.

Пряко свързана с шината ще бъде и RAM паметта, тя трябва да може да съхранява всеки от тези регистри с ширината, която имат (това се нарича ширината на паметта дума).

Какво имаме в момента, когато ширината на шината е 32 бита или 64 бита, тоест можем едновременно да транспортираме, съхраняваме и обработваме вериги от 32 или 64 бита. С 32 бита, всеки от които има възможност да бъде 0 или 1, можем да адресираме количество памет от 2 ³² (4 GB) и с 64 бита 16 EB Exabytes. Това не означава, че имаме 16 екзабайта памет на нашия компютър, а по-скоро представлява способността за управление и използване на определено количество памет. Оттук и известното ограничение на 32-битовите системи за адресиране само на 4 GB памет.

Накратко, колкото по-широк е шината, толкова повече работоспособност.

Кеш памет

Тези спомени са много по-малки от RAM, но много по-бързи. Неговата функция е да съхранява инструкциите, които тепърва ще се обработват или последните се обработват. Колкото повече кеш памет, толкова по-висока е скоростта на транзакцията, която процесорът може да вземе и изпусне.

Тук трябва да сме наясно, че всичко, което достига до процесора, идва от твърдия диск и това може да се каже, че е изключително бавно от RAM паметта и още повече от кеш паметта. Именно поради тази причина тези твърдотелни спомени са проектирани да решат голямото тясно място, което е твърдият диск.

И ще се запитаме, защо тогава те не произвеждат само големи кешове, отговорът е прост, защото са много скъпи.

Вътрешна скорост на процесора

Интернет скоростта почти винаги е най-поразителното, когато гледате процесор. „Процесорът работи на 3, 2 GHz“, но какво е това? Скоростта е тактовата честота, при която работи микропроцесорът. Колкото по-висока е тази скорост, толкова повече операции за единица време ще бъде в състояние да извърши. Това се превръща в по-висока производителност, затова има кеш памет, за да се ускори събирането на данни от процесора, за да се прави винаги максималният брой операции за единица време.

Тази тактова честота се дава от периодичен квадратен вълнен сигнал. Максималното време за извършване на операция е един период. Периодът е обратната на честотата.

Но не всичко е скорост. Има много компоненти, които влияят на скоростта на процесора. Ако например имаме 4-ядрен процесор на 1, 8 GHz и друг едноядрен на 4, 0 GHz, сигурно е четириядреният процесор е по-бърз.

Скорост на автобуса

Точно както скоростта на процесора е важна, така и скоростта на шината за данни е важна. Дънната платка винаги работи с много по-ниска тактова честота от микропроцесора, поради тази причина ще се нуждаем от умножител, който регулира тези честоти.

Ако например имаме дънна платка с шина с тактова честота 200 MHz, 10x умножител ще достигне CPU честота от 2 GHz.

микроархитектура

Микроархитектурата на процесор определя броя транзистори на единица разстояние в него. Понастоящем тази единица се измерва в nm (нанометри), колкото по-малка е, толкова по-голям може да се въведе броя на транзисторите и следователно, може да се настани по-големият брой елементи и интегрални схеми.

Това влияе пряко върху консумацията на енергия, по-малките устройства ще се нуждаят от по-малък електронен поток, така че ще е необходимо по-малко енергия за изпълнение на същите функции, както в по-голяма микроархитектура.

Източник: intel.es

Охлаждане на компонента

Поради огромната скорост, постигната от процесора, текущият поток генерира топлина. Колкото по-висока честота и напрежение ще има по-голямо генериране на топлина, следователно е необходимо този компонент да се охлажда. Има няколко начина да направите това:

• Пасивно охлаждане: с помощта на метални дисипатори (мед или алуминий), които увеличават повърхността на контакт с въздуха с помощта на перки. Активно охлаждане : В допълнение към радиатора, се поставя и вентилатор, който осигурява принудителен поток на въздух между перките на пасивния елемент.

• Течно охлаждане: състои се от верига, съставена от помпа и ребра радиатор. Водата се циркулира през блок, разположен в процесора, течният елемент събира генерираната топлина и я транспортира до радиатора, който чрез принудителна вентилация разсейва топлината, като отново понижава температурата на течността.

Някои процесори включват радиатор. Обикновено те не са голяма работа… но те служат за стартиране и работа на компютъра и подобряване на него едновременно

• Охлаждане чрез Heatpipes: системата се състои от затворена верига от медни или алуминиеви тръби, пълни с течност. Тази течност събира топлина от процесора и се изпарява, издигайки се до върха на системата. В този момент има ребра радиатор, който обменя топлината на течността от вътрешната към външната въздух, като по този начин течността се кондензира и пада обратно към блока на процесора.

Препоръчваме ви

С това завършваме нашата статия за това какво представлява процесор и как работи подробно. Надяваме се да ви е харесало