Функция процессора в компьютере: Как работает процессор?

Как работает процессор?

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

Чарльз Бэббидж

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.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные: move, input, outptut, load и store.
• Команды перехода: goto, if ... goto, call и return.
• Команда останова: halt.

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

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, <1100 1000>. 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.

Шина

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.

Кэш

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).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Если хотите узнать о процессорах больше, посмотрите, какие бывают популярные архитектуры: CISC, RISC, MISC и другие и виды.

Перевод статьи «How does a CPU work?»

Устройство процессора и его назначение

Описание и назначение процессоров

На самом деле то, что мы сегодня называем процессором, правильно называть микропроцессором. Разница есть и определяется видом устройства и его историческим развитием.

Первый процессор (Intel 4004) появился в 1971 году.

Внешне представляет собой кремневую пластинку с миллионами и миллиардами (на сегодняшний день) транзисторов и каналов для прохождения сигналов.

Назначение процессора – это автоматическое выполнение программы. Другими словами, он является основным компонентом любого 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.

Схема процессора

Работа процессора

Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти.

(Работа процессора сложнее, чем это изображено на схеме выше. Например, данные и команды попадают в кэш не сразу из оперативной памяти, а через блок предварительной выборки, который не изображен на схеме. Также не изображен декодирующий блок, осуществляющий преобразование данных и команд в двоичную форму, только после чего с ними может работать процессор.)

Блок управления помимо прочего отвечает за вызов очередной команды и определение ее типа.

Арифметико-логическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.

Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было команды перехода или останова).

Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.

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.

Функции, типы и компоненты процессора (ЦП)

Компьютерный процессор или центральный процессор (ЦП) называется мозгом компьютера. Это основной компонент любого доступного вычислительного устройства. Обычно он состоит из микроэлектронных компонентов, закрепленных в микросхеме.

Основная функция процессора компьютера — выполнять инструкции и выдавать требуемые выходные результаты. Он состоит из 3 основных компонентов: блока управления (CU), арифметико-логического блока (ALU) и основной памяти (RAM). Процессоры можно разделить по количеству ядер на 6 типов: одноядерные, двухъядерные, четырехъядерные, шестиядерные, восьмиядерные и десятиядерные.

AMD Ryzen 9 5900X, 12-ядерный

AMD Ryzen 9 5900X, 12-ядерный, 24-поточный разблокированный процессор для настольных ПК. Если вы собираете свой ПК для высокой игровой производительности, тогда процессор AMD Ryzen 9. Попробуйте сейчас, и вы не будете оглядываться назад.

Купить сейчас

Мы получаем комиссию, если вы совершаете покупку без каких-либо дополнительных затрат для вас.

4 Функции компьютерного процессора (ЦП)

1. ЦП получает и выполняет команды.
2. Временно хранит обрабатываемые данные и промежуточные результаты.
3. Контролирует всю связь между оперативной памятью и всеми другими устройствами ввода-вывода, интерпретируя данные от устройств и к ним.
4. Выполняет все арифметические вычисления и выполняет логические операции.

Типы компьютерных процессоров

Прежде чем обсуждать типы, давайте сначала определим, что такое ядро. Ядро процессора — это единый блок выполнения команд, который может выполнять команды независимо. Один ЦП может иметь несколько ядер, что означает, что он может выполнять несколько инструкций одновременно. Это позволяет современным вычислительным устройствам иметь возможности многозадачности.

Для еще более эффективного использования ЦП производители процессоров, такие как Intel, внедряют гиперпоточность. Hyperthreading — это создание двух логических ядер из одного физического ядра. Это позволяет назначить многопоточность для выполнения на одном ядре.

1. Одноядерный

Это самый старый тип процессора с тех пор, как Intel начала производить процессоры с ядром. У них есть один процессор, который имеет одно ядро. Они медленные, так как могут выполнять только одну инструкцию за раз.

2. Двухъядерные

Они являются вторыми в очереди по ядрам процессоров. У них есть два ядра в одном процессоре. они быстрее, чем одноядерные, и могут поддерживать многопроцессорность. При использовании гиперпоточности каждое ядро ​​может иметь два логических ядра, что делает его четырьмя ядрами.

3. Четырехъядерный

В этой технологии один процессор имеет четыре ядра. Это означает, что потоки или инструкции могут выполняться всеми ядрами одновременно. Опять же, используя гиперпоточность, они могут получить восемь логических ядер. Это высокопроизводительные компьютерные процессоры, которые можно использовать в высокопроизводительных системах, таких как игровые компьютеры.

4. Шестиядерный

Состоят из шести ядер в одном микропроцессоре. Hexacore даже мощнее четырехъядерных процессоров. Они повышают уровень многопроцессорности до очень высокого уровня работы. Процессор имеет одиночные четырехъядерные и двухъядерные ядра.

5. Восьмиядерный

ЦП имеет 8 ядер, которые предлагают еще лучшие возможности многопроцессорной обработки. Он поставляется с двумя наборами четырехъядерных процессоров для достижения восьмиъядерного процессора.

6. Десятиъядерный

Предлагает десять независимых ядер, которые используются для выполнения команд. Конечно, они предлагают больше многопроцессорных возможностей, чем все остальные процессоры. Он имеет два четырехъядерных и один двухъядерный, который является одним процессором.

Обзор типов ядер процессоров и примеры.

900 84

9 0085 AMD Ryzen 7 4980U, Intel Core i7-9800X, Qualcomm Snapdragon 665

90 163

Компоненты и функции центрального процессора (ЦП)

Когда большинство пользователей определяют части процессора, они упоминают только 3 компонента: ALU, CU и RAM, но при детализации мы можем добавить еще больше компонентов. Ниже мы обсудим 7 компонентов, которые обеспечивают эффективную и экономичную работу процессора.

1. Блок управления процессором (CU)

Это блок, который контролирует все действия, происходящие внутри устройства. При обработке инструкций компьютеру требуется механизм, гарантирующий, что действия протекают так, как они предполагают, и в нужное время. Блок управления процессором гарантирует, что имеется в виду.

2. Арифметико-логическое устройство

В АЛУ происходят все расчетные и логические операции. Он состоит из арифметических и логических блоков. Арифметический блок занимается основными арифметическими операциями, такими как сложение, вычитание, умножение и деление. Логический блок обслуживает логические операции, такие как И, ИЛИ, НЕ и ИЛИ.

3. Оперативная память (ОЗУ)

ОЗУ считается частью ЦП, но не интегрирована в микрочип, несущий другой компонент. Это часть, поскольку ЦП не может обрабатывать данные, не имея места для хранения данных. Основная память (ОЗУ) временно используется для хранения данных, необходимых для обработки в ЦП.

4. Регистры центрального процессора

Регистры — это самые первые временные памяти, встроенные в процессор. Существует несколько регистров, которые используются для различных функций внутри процессора.

1. Счетчик программ (ПК): хранит следующую команду.
2. Регистр адреса памяти (MAR): хранит адрес следующей инструкции.
3. Регистр данных памяти (MDR): содержит данные, которые должны быть прочитаны/записаны в или из адреса.
4. Регистр текущих инструкций (IR): хранит инструкции, выполняемые в данный момент.
5. Регистр накопителя (AR): используется для хранения полученных промежуточных результатов.

Подробнее о типах регистров ЦП и их функциях можно прочитать в этой другой статье.

5. Компьютерные шины

Это пути, по которым проходят данные, когда ЦП взаимодействует с ОЗУ и другими устройствами ввода-вывода. Существует 3 типа компьютерных шин.

• Адрес BUS: содержит адрес, куда и откуда поступают данные в ОЗУ.
• Шина управления: передает данные управляющего сигнала, которые используются для управления связью между устройствами.
• ШИНА данных: передает реальные данные, которые передаются из одного места в другое.

6. Кэш-память

Это тип памяти, который используется для хранения данных, часто используемых ЦП. есть 2, первичный и вторичный тайники. Первичный кэш в основном встроен в процессор, в то время как вторичный кэш может быть как внутри, так и вне процессора. Эта память увеличивает скорость доступа к данным, поскольку она быстрее, чем ОЗУ. Для получения более подробной информации о типах, функциях и характеристиках кэш-памяти нажмите на эту статью.

7. Тактовая частота ЦП

Это электронный импульс, который определяет количество циклов, которые ЦП выполняет инструкции в секунду. Циклы измеряются в герцах. Текущие компьютерные процессоры имеют скорость гигагерца (миллиарда циклов в секунду). Тактовая частота указана вместе с типами и поколениями процессоров. Узнайте больше о типах часов ЦП/системы и их функциях.

Факторы, влияющие на скорость ЦП

Для определения скорости ЦП необходимо использовать множество факторов, чтобы избежать необъективных сравнений, включая поколения. Наиболее распространенным фактором, влияющим на скорость процессора, является 9.0003

1. Количество ядер: дополнительных ядер означают, что процесс может обрабатываться многими ядрами, что ускоряет выполнение.
2. Размер кэша: Большой кэш означает, что больше данных будет храниться ближе к процессору, следовательно, будет высокая скорость доступа. Когда скорость доступа увеличивается, это означает, что время, затрачиваемое на ожидание данных из более медленной оперативной памяти, сокращается.
3. Тактовая частота: высокая тактовая частота приводит к более быстрому процессору. Процессор 3 ГГц будет быстрее, чем 2,3 ГГц.
4. Hyperthreading: создает логические ядра, что означает, что многопоточность может использоваться для одновременного выполнения множества потоков.
5. Архитектура набора инструкций: определяет количество адресов расположения, которые может поддерживать процессор. Процессоры X86-64 будут выполняться быстрее, поскольку они имеют больший объем памяти для хранения данных во время их выполнения.

ПРИМЕЧАНИЕ. При сравнении различных скоростей процессоров полезно использовать более одного фактора, чтобы получить лучший процессор для ваших целей.  

Как проверить тип и поколение базового процессора Intel в Windows 10

Для всех компьютеров, использующих базовые процессоры Intel, они указывают тип и поколение. поколение обозначается номером после номера ядра i3, i4, i5, i9 и т. д. Например, Intel(R) Core(TM) i5-3320M означает процессор 3-го поколения.

В операционной системе Windows компьютер щелкает свойства системы, чтобы просмотреть тип используемого процессора.

Подробнее об именах и номерах процессоров Intel Core можно прочитать на веб-сайте Intel.

Типы разъемов процессора компьютера тип

Для подключения доступны 2 основные категории разъемов процессора.

1. Массив контактов (PGA): в этом типе разъема материнская плата имеет гнездовой разъем. ЦП имеет контакты, которые подключаются к гнезду на материнской плате.
2. Массив Land Grid (LGA): Контакты (вилка) находятся на материнской плате и соединяются с розеткой ЦП.

Разница между процессорной архитектурой X86 (32-разрядная) и X86-64 (64-разрядная) 964) память. Это ограничивает систему X86 4 ГБ ОЗУ, в то время как X86-64 имеет больше, чем может потребоваться любому компьютеру сегодня .

X86 (32-разрядная) система: Он использовался в процессоре старого компьютера и разработке программного обеспечения. Он поддерживает максимум 4 ГБ адреса ОЗУ. 32-разрядное программное обеспечение можно использовать только в системе X86, без обратной совместимости.

X86-64 (64-битная) система: большинство современных компьютеров и смартфонов используют эту архитектуру, которая может поддерживать более 4 ГБ адресов ОЗУ. Современное программное обеспечение предназначено для использования 64-битных процессоров, что делает их более быстрыми и эффективными. 64-битная система поддерживает обратную совместимость.

Это означает, что 32-разрядное программное обеспечение может работать на 64-разрядном процессоре, но 64-разрядное программное обеспечение не может работать на 32-разрядном процессоре. Большинство типов операционных систем разрабатываются как 64-разрядные операционные системы, чтобы использовать преимущества архитектуры X86-64bit.

Список производителей центральных процессоров (ЦП)

Основными конкурентами процессоров являются компании Intel и ADM, давно присутствующие на рынке. В приведенном ниже списке представлены 5 основных мировых производителей компьютерных процессоров на сегодняшний день.

1. Intel
2. AMD
3. Apple
4. Samsung
5. Huawei
6. ARM Holdings MediaTek
7. Qualcomm
8. Cavium

Как работает процессор ЦП? | Малый бизнес

Джон Папевски

Каждое вычислительное устройство, от простых игрушек до крупных бизнес-систем, имеет важный компонент, называемый центральным процессором. ЦП выполняет вычисления, выполняет логические сравнения и перемещает данные до миллиардов раз в секунду. Он работает, выполняя простые инструкции по одной за раз, запускаемые основным синхронизирующим сигналом, который запускает весь компьютер.

Описание

1. Процессор ЦП представляет собой компьютерный чип размером со спичечный коробок. Внутри корпуса находится кремниевый прямоугольник, содержащий миллионы транзисторных схем. Из устройства торчат десятки металлических штифтов, каждый из которых передает электронные сигналы внутрь и наружу чипа. Чип подключается к разъему на печатной плате компьютера и обменивается данными с памятью, жесткими дисками, экранами дисплеев и другими устройствами, внешними по отношению к ЦП.

Часы

1. Схема синхронизации, называемая часами, посылает электрические импульсы в ЦП. В зависимости от процессора часы могут работать со скоростью от сотен тысяч до миллиардов циклов в секунду. Импульсы управляют активностью внутри ЦП; поскольку другие схемы зависят от одних и тех же часов, сложные события в компьютере синхронизируются.

Инструкции

1. Все ЦП имеют набор инструкций — список действий, выполняемых процессором, включая сложение чисел, сравнение двух частей данных и перемещение данных в ЦП. Программное обеспечение, которое вы запускаете на своем компьютере, состоит из миллионов инструкций ЦП, расположенных в определенной последовательности; инструкции являются очень простыми операциями, поэтому центральный процессор выполняет многие из них для выполнения значимых задач. Некоторые семейства процессоров, например, используемые в настольных ПК, используют один и тот же набор инструкций, что позволяет им запускать одно и то же программное обеспечение. ЦП вне семейства продуктов могут использовать разные инструкции; ЦП iPad, например, имеет другие инструкции, чем процессор ноутбука на базе Windows.

АЛУ

1. Процессоры имеют схему, называемую арифметико-логическим устройством, которое выполняет вычисления и сравнения. Арифметика, которую выполняет большинство ЦП, — это базовое умножение, сложение, деление и вычитание; сложные математические операции, такие как статистические функции, представляют собой комбинации множества простых операций, выполняемых с высокой скоростью. ALU также выполняет логическое сравнение между двумя элементами данных, чтобы определить, равны ли они или имеет ли один большее значение, чем другой.

Блок управления

1. ЦП содержит блок управления, который координирует деятельность других рабочих частей процессора.

   Назад: Ip компа узнать: 2ip.ru | DDoS protection

   Вперед: Как вернуть в windows 10 просмотр фотографий: Как включить всем привычный Просмотр Фотографий в Windows 10. G-ek.com