8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает процессор

Как работает процессор?

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Процессор Хоффа

Первый микропроцессор для персонального компьютера был изобретён почти пол века назад – в 1970 году Маршианом Эдвардом Хоффом и его командой инженеров из Intel.

Первый процессор Хоффа работал на частоте всего-навсего 750 кГц.

Основные характеристики процессора компьютера сегодня, конечно, не сравнимы с вышеуказанной цифрой, нынешние «камни» в несколько тысяч раз мощнее своего предка и перед тем, как выбрать процессор, лучше немного ознакомиться с задачами, которые он решает.

Многие люди полагают, что процессоры могут «думать». Надо сразу сказать, что в этом нет ни доли правды. Любой сверхмощный процессор персонального компьютера состоит из множества транзисторов – своеобразных переключателей, которые выполняют одну единственную функцию – пропустить сигнал дальше или остановить. Выбор зависит от напряжения сигнала.

Если взглянуть на это с другой стороны, то можно увидеть, из чего состоит микропроцессор, а состоит он из регистров – информационных обрабатывающих ячеек.

Для связи «камня» с остальными устройствами персонального компьютера используется специальная скоростная дорога, именующаяся «шиной». По ней с молниеносной скоростью «летают» крошечные электромагнитные сигналы. В этом-то и состоит принцип работы процессора компьютера или же ноутбука.

Как работает процессор компьютера?

Вычислительное ядро процессора может выполнять только математические операции, операции сравнения и перемещение данных между ячейками и оперативной памятью, но этого вполне достаточно, чтобы вы могли играть игры, смотреть фильмы и просматривать веб-страницы и многое другое.

Фактически любая программа состоит из таких команд: переместить, сложить, умножить, делить, разница и перейти к инструкции если выполняется условие сравнения. Конечно, это далеко не все команды, есть другие, которые объединяют между собой уже перечисленные или упрощают их использование.

Все перемещения данных выполняются с помощью инструкции перемещения (mov), эта инструкция перемещает данные между ячейками регистров, между регистрами и оперативной памятью, между памятью и жестким диском. Для арифметических операций есть специальные инструкции. А инструкции перехода нужны для выполнения условий, например, проверить значение регистра A и если оно не равно нулю, то перейти к инструкции по нужному адресу. Также с помощью инструкций перехода можно создавать циклы.

Все это очень хорошо, но как же все эти компоненты взаимодействуют между собой? И как транзисторы понимают инструкции? Работой всего процессора управляет дешифратор инструкций. Он заставляет каждый компонент делать то, что ему положено. Давайте рассмотрим что происходит когда нужно выполнить программу.

На первом этапе дешифратор загружает адрес первой инструкции программы в памяти в регистр следующей инструкции EIP, для этого он активирует канал чтения и открывает транзистор-защелку чтобы пустить данные в регистр EIP.

Во втором тактовом цикле дешифратор инструкций преобразует команду в набор сигналов для транзисторов вычислительного ядра, которые выполняют ее и записывают результат в один из регистров, например, С.

На третьем цикле дешифратор увеличивает адрес следующей команды на единицу, так, чтобы он указывал на следующую инструкцию в памяти. Далее, дешифратор переходит к загрузке следующей команды и так до окончания программы.

Каждая инструкция уже закодирована последовательностью транзисторов, и преобразованная в сигналы, она вызывает физические изменения в процессоре, например, изменению положения защелки, которая позволяет записать данные в ячейку памяти и так далее. На выполнение разных команд нужно разное количество тактов, например, для одной команды может понадобиться 5 тактов, а для другой, более сложной до 20. Но все это еще зависит от количества транзисторов в самом процессоре.

Ну с этим все понятно, но это все будет работать только если выполняется одна программа, а если их несколько и все одновременно. Можно предположить, что у процессора есть несколько ядер, и тогда на каждом ядре выполняется отдельная программ. Но нет, на самом деле там таких ограничений нет.

В один определенный момент может выполняться только одна программа. Все процессорное время разделено между всеми запущенными программами, каждая программа выполняется несколько тактов, затем процессор передается другой программе, а все содержимое регистров сохраняется в оперативную память. Когда управление возвращается этой программе, то в регистры грузятся ранее сохраненные значения.

Читать еще:  Скайп не работает и пишет «Не удалось установить соединение»

Лучше два модуля по 8 ГБ, чем четыре по 4 ГБ

Выше мы говорили о разном объеме оперативной памяти — 4, 8, 16, 32 ГБ. Но почему нет ни слова о 9 или 12 ГБ? Ведь можно взять один модуль емкостью 4 ГБ, потом докупить еще 4 ГБ, подсобрать денег и впихнуть в компьютер еще 4 ГБ. Так обманем систему! Начнем с малого и потихонечку будем апгрейдиться!

Делать так никто не запрещает, но есть нюанс. Во-первых, исходить надо из того, что сегодня широко распространены планки памяти объемом 4, 8 и 16 ГБ. То есть установить 3 ГБ + 6 ГБ точно не получится. Во-вторых, компьютеры любят четное количество установленных планок памяти, то есть фактически два или четыре модуля. В-третьих, если вы забьете все четыре слота на материнской плате, это приведет к повышенной нагрузке на контроллер памяти, а потому может негативно сказаться на стабильности и производительности системы, а также возможном разгоне.

Таким образом получается, что оптимальнее всего использовать два слота (три — очень нежелательно, один — можно, но с прицелом на «добавку»). Можно и четыре, но вы должны быть уверены в качестве всех компонентов системы и в том, что не будете ее разгонять.

Так что же лучше — один модуль на 8 ГБ или два по 4 ГБ? Если речь о новой системе, логичнее купить один 8-гигабайтный модуль и начать откладывать на еще один такой же. А если выбор между одним модулем емкостью 16 ГБ и двумя по 8 ГБ? В таком случае предпочтительней второй вариант, и вот почему.

В современных компьютерах поддерживается двухканальный режим работы памяти, при котором увеличивается скорость передачи данных между памятью и компьютерными компонентами. То есть фактически забесплатно пользователь получает прирост к производительности компьютера. Мощность увеличится ненамного, но почему бы не воспользоваться таким приятным бонусом?

Без нюанса не обошлось и здесь — для двухканального режима работы необходимо два идентичных по характеристикам модуля памяти от одного производителя. Многие вендоры предлагают комплекты такой памяти — одинаковой и гарантированно работающей в этом режиме. Бывает, что такие комплекты стоят дороже, чем аналогичные модули, но вне комплекта. Вестись на «сборные» предложения не обязательно, достаточно купить идентичные планки одной серии (проверяйте маркировку).

Чтобы двухканальный режим заработал, память надо установить в «правильные» слоты на материнской плате. Обычно они обозначены одним цветом и размещаются через один. Например, синие 1-й и 3-й слоты, а также черные 2-й и 4-й.

Что такое процессор или CPU?

Сначала давайте рассмотрим что такое процессор. CPU или central processing unit (центральное обрабатывающее устройство) — который представляет из себя микросхему с огромным количеством транзисторов, сделанную на кристалле кремния. Первый в мире процессор был разработан корпорацией Intel в 1971 году. Все началось с модели Intel 4004. Он умел выполнять только вычислительные операции и мог обрабатывать только 4 байта данных. Следующая модель вышла в 1974 году — Intel 8080 и мог обрабатывать уже 8 бит информации. Дальше были 80286, 80386, 80486. Именно от этих процессоров произошло название архитектуры.

Тактовая частота процессора 8088 была 5 МГц, а количество операций в секунду только 330 000 что намного меньше чем в современных процессоров. Современные устройства имеют частоту до 10 ГГц и несколько миллионов операций в секунду.

Мы не будем рассматривать транзисторы, переместимся на уровень выше. Каждый процессор состоит из таких компонентов:

  • Ядро — здесь выполняется вся обработка информации и математические операции, ядер может быть несколько;
  • Дешифратор команд — этот компонент относится к ядру, он преобразует программные команды в набор сигналов, которые будут выполнять транзисторы ядра;
  • Кэш — область сверхбыстрой памяти, небольшого объема, в которой хранятся данные, прочитанные из ОЗУ;
  • Регистры — это очень быстрые ячейки памяти, в которых хранятся сейчас обрабатываемые данные. Их есть всего несколько и они имеют ограниченный размер — 8, 16 или 32 бит именно от этот зависит разрядность процессора;
  • Сопроцессор — отдельное ядро, которое оптимизировано только для выполнения определенных операций, например, обработки видео или шифрования данных;
  • Адресная шина — для связи со всеми, подключенными к материнской плате устройствами, может иметь ширину 8, 16 или 32 бит;
  • Шина данных — для связи с оперативной памятью. С помощью нее процессор может записывать данные в память или читать их оттуда. Шина памяти может быть 8, 16 и 32 бит, это количество данных, которое можно передать за один раз;
  • Шина синхронизации — позволяет контролировать частоту процессора и такты работы;
  • Шина перезапуска — для обнуления состояния процессора;
Читать еще:  Steam os установка инструкция. Краткий обзор и установка Steam OS. Впечатления о SteamOS

Главным компонентом можно считать ядро или вычислительное-арифметическое устройство, а также регистры процессора. Все остальное помогает работать этим двум компонентам. Давайте рассмотрим какими бывают регистры и какое у них предназначение.

  • Регистры A, B, C — предназначены для хранения данных во время обработки, да, их только три, но этого вполне достаточно;
  • EIP — содержит адрес следующей инструкции программы в оперативной памяти;
  • ESP — адрес данных в оперативной памяти;
  • Z — содержит результат последней операции сравнения;

Конечно, это далеко не все регистры памяти, но эти самые главные и ими больше всего пользуется процессор во время выполнения программ. Ну а теперь, когда вы знаете из чего состоит процессор, можно рассмотреть как он работает.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

  1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
  2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
  3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
  4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Основные характеристики процессора

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. Для домашних компьютеров уже существуют процессоры с 8 ядрами. Для серверов на рынке есть 12-ядерные предложения (Opteron 6100). Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер.

Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем их (ядер) больше, тем процессор производительнее.

Количество потоков.

Чем больше потоков – тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и во многом опережает 6-тиядерных конкурентов.

Размер кеша 2 и 3 уровней.

Кеш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени. Чем кеш больше – тем лучше.

Структура не всех современных процессоров предусматривает наличие кеша 3 уровня, хотя критичным моментом это не является. Так, по результатам многих тестов производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпускавшихся с 2007 г. по 2011 г. и не имеющих кеша 3 уровня, даже сейчас выглядит достойно. Правда, кеш 2 уровня у них достаточно большой.

Частота процессора.

Здесь все просто – чем выше частота процессора, тем он производительнее.

Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI).

Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах и чем она выше — тем лучше.

Техпроцесс.

Понятие техпроцесса рассматривалось в предыдущем пункте этой статьи. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP.

Termal Design Point — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — Ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.

Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с TDP до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15 – 25 %, но это уже отдельная тема.

Читать еще:  Как настроить ММС на Теле2

В то же время, проблему с высоким TDP всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения (см. последний пункт этой статьи).

Наличие и производительность видеоядра.

Последние технические достижения позволили производителям, помимо вычислительных ядер, включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты. Возможностей некоторых из них вполне достаточно для игры в компьютерные игры, не говоря уже о просмотре фильмов, работе с текстом и решении остальных задач.

Если видеоигры — не главное предназначение компьютера, процессор со встроенным графическим ядром позволит сэкономить на приобретении отдельного графического адаптера.

Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти.

Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.

Процессор Хоффа

Первый микропроцессор для персонального компьютера был изобретён почти пол века назад – в 1970 году Маршианом Эдвардом Хоффом и его командой инженеров из Intel.

Первый процессор Хоффа работал на частоте всего-навсего 750 кГц.

Основные характеристики процессора компьютера сегодня, конечно, не сравнимы с вышеуказанной цифрой, нынешние «камни» в несколько тысяч раз мощнее своего предка и перед тем, как выбрать процессор, лучше немного ознакомиться с задачами, которые он решает.

Многие люди полагают, что процессоры могут «думать». Надо сразу сказать, что в этом нет ни доли правды. Любой сверхмощный процессор персонального компьютера состоит из множества транзисторов – своеобразных переключателей, которые выполняют одну единственную функцию – пропустить сигнал дальше или остановить. Выбор зависит от напряжения сигнала.

Если взглянуть на это с другой стороны, то можно увидеть, из чего состоит микропроцессор, а состоит он из регистров – информационных обрабатывающих ячеек.

Для связи «камня» с остальными устройствами персонального компьютера используется специальная скоростная дорога, именующаяся «шиной». По ней с молниеносной скоростью «летают» крошечные электромагнитные сигналы. В этом-то и состоит принцип работы процессора компьютера или же ноутбука.

Лучше два модуля по 8 ГБ, чем четыре по 4 ГБ

Выше мы говорили о разном объеме оперативной памяти — 4, 8, 16, 32 ГБ. Но почему нет ни слова о 9 или 12 ГБ? Ведь можно взять один модуль емкостью 4 ГБ, потом докупить еще 4 ГБ, подсобрать денег и впихнуть в компьютер еще 4 ГБ. Так обманем систему! Начнем с малого и потихонечку будем апгрейдиться!

Делать так никто не запрещает, но есть нюанс. Во-первых, исходить надо из того, что сегодня широко распространены планки памяти объемом 4, 8 и 16 ГБ. То есть установить 3 ГБ + 6 ГБ точно не получится. Во-вторых, компьютеры любят четное количество установленных планок памяти, то есть фактически два или четыре модуля. В-третьих, если вы забьете все четыре слота на материнской плате, это приведет к повышенной нагрузке на контроллер памяти, а потому может негативно сказаться на стабильности и производительности системы, а также возможном разгоне.

Таким образом получается, что оптимальнее всего использовать два слота (три — очень нежелательно, один — можно, но с прицелом на «добавку»). Можно и четыре, но вы должны быть уверены в качестве всех компонентов системы и в том, что не будете ее разгонять.

Так что же лучше — один модуль на 8 ГБ или два по 4 ГБ? Если речь о новой системе, логичнее купить один 8-гигабайтный модуль и начать откладывать на еще один такой же. А если выбор между одним модулем емкостью 16 ГБ и двумя по 8 ГБ? В таком случае предпочтительней второй вариант, и вот почему.

В современных компьютерах поддерживается двухканальный режим работы памяти, при котором увеличивается скорость передачи данных между памятью и компьютерными компонентами. То есть фактически забесплатно пользователь получает прирост к производительности компьютера. Мощность увеличится ненамного, но почему бы не воспользоваться таким приятным бонусом?

Без нюанса не обошлось и здесь — для двухканального режима работы необходимо два идентичных по характеристикам модуля памяти от одного производителя. Многие вендоры предлагают комплекты такой памяти — одинаковой и гарантированно работающей в этом режиме. Бывает, что такие комплекты стоят дороже, чем аналогичные модули, но вне комплекта. Вестись на «сборные» предложения не обязательно, достаточно купить идентичные планки одной серии (проверяйте маркировку).

Чтобы двухканальный режим заработал, память надо установить в «правильные» слоты на материнской плате. Обычно они обозначены одним цветом и размещаются через один. Например, синие 1-й и 3-й слоты, а также черные 2-й и 4-й.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector