З чого складається процесор: КОМП’ЮТЕР | Фармацевтична енциклопедія

Для чого призначений Процесор (CPU)

Процесор, він же мікропроцесор, він же центральний процесор, він центральний процесорний (обробний) пристрій (ЦПУ), він же central processing unit (CPU) – як стає зрозуміло з назви – основний елемент апаратного забезпечення обчислювального пристрою, за допомогою якого відбувається обробка інформації. 

Саме на технічні характеристики процесора звертають увагу при виборі комп’ютера або сервера, адже чим потрібна продуктивність, тим потужнішим повинен бути «камінь». Так, така назва теж використовується, оскільки процесор виготовляється найчастіше з кристала кремнію.

Далі розглянемо докладніше, що таке комп’ютерний процесор і для чого він потрібен.

Зміст

1. ФУНКЦІЇ ПРОЦЕСОРА
2. ТТХ ПРОЦЕСОРА
3. СЕРВЕРНІ ПРОЦЕСОРИ
4. ВИБІР ПРОЦЕСОРА

ФУНКЦІЇ ПРОЦЕСОРА

Щоб краще зрозуміти призначення процесора, звернімося до пристрою. Обов’язкові складові: ядро ​​процесора, що складається з арифметико-логічного пристрою, внутрішньої пам’яті (регістрів) та швидкої пам’яті (кеш), а також шини – пристрої управління всіма операціями та зовнішніми компонентами.  Через шини до ЦПУ потрапляє інформація, яку потім обробляє ядро.

Таким чином, в основні функції процесора входить:

1. обробка інформації за допомогою арифметичних та логічних операцій;
2. керування роботою всього апаратного забезпечення комп’ютера.

Продуктивність обладнання залежить від характеристик процесора, про які йтиметься далі.

ТТХ ПРОЦЕСОРА

Тактова частота означає кількість операцій на секунду. Виконання окремих операцій може займати від кількох часток такту до десятків тактів. Вимірюється в мегагерцях (мільйон тактів за секунду) або гігагерцях (мільярд тактів за секунду). Чим вища тактова частота, тим швидше ЦПУ обробляє вхідну інформацію.

Розрядність – кількість бітів (розрядів двійкового коду), що обробляється центральним процесором за одиницю часу. Сучасні процесори – 32 або 64-розрядні, тобто вони обробляють 32 або 64 біта інформації за один такт. Розрядність процесора також впливає на кількість оперативної пам’яті, яку можна встановити на комп’ютер.  Тільки 64-розрядний процесор підтримує понад 4 ГБ ОЗП.

Кількість ядер – ще одна важлива характеристика процесора. Сучасні ЦПУ можуть мати від однієї до кількох обчислювальних ядер однією кристалі. Одноядерні процесори виконують кілька завдань не одночасно, а послідовно, при цьому виконання окремих операцій займає частки секунди. Двоядерний процесор здатний виконувати два завдання одночасно, чотириядерний – чотири і т.д., що дозволяє з повним правом називати сучасні комп’ютери багатозадачними. З одного боку, що більше ядер у процесора, то потужнішим і продуктивнішим стає комп’ютер. Але є й нюанси. Так, якщо програма, що виконується на комп’ютері, не оптимізована під багатопоточність, то і виконуватися вона буде тільки одним ядром, не дозволяючи належним чином відчути всю міць пристрою.

Розмір кеш-пам’яті– Інший параметр, від якого залежить продуктивність процесора. Це швидкодіюча пам’ять усередині процесора, що служить буфером між ядром процесора і оперативною пам’яттю і забезпечує прискорений доступ до блоків інформації, що обробляється зараз.  Кеш-пам’ять набагато швидше за оперативну пам’ять, оскільки ядра процесора взаємодіють з нею безпосередньо. Сучасні процесори мають кілька рівнів кеш-пам’яті (L1, L2, L3). Перший рівень – хоч і незначний за обсягом (всього сотні кілобайт), але найшвидший (і дорогий), тому що знаходиться на самому кристалі процесора і працює на його тактовій частоті. З першим рівнем взаємодіє другий – він більше за обсягом, що особливо важливо при ресурсомісткій роботі, але має меншу швидкість. Багато процесорів мають і третій, «повільний»,

Це, звичайно, далеко не повний перелік характеристик, але саме ці параметри мають найбільший вплив на продуктивність обчислювального пристрою, те, на що слід звертати увагу при виборі процесора.

Але, крім технічних характеристик, важливо також враховувати, де використовуватиметься ЦПУ. Встановлювати процесор для сервера у звичайний персональний комп’ютер немає особливого сенсу – сучасні десктопні процесори досить потужні і продуктивні, а коштують дешевше.  А ставити процесор для комп’ютера на сервер з метою, наприклад, економії, – не дуже хороша ідея. Чому? Розглянемо далі.

СЕРВЕРНІ ПРОЦЕСОРИ

Від сервера потрібна надійність та стабільна робота в режимі 24/7, і тому серверні процесори ретельно тестують на стійкість до стресових умов: високих обчислювальних та температурних навантажень.

Через вимоги надійності у процесора для сервера відсутня можливість його розгону (підвищення тактової частоти), через який існує ризик передчасного виходу ЦПУ з ладу.

Важливою особливістю серверного процесора є підтримка ECC-пам’яті (англ. error-correcting code – виявлення та виправлення помилок). Помилки пам’яті, що накопичуються в цілодобово серверах, що працюють, можуть негативно впливати на стабільність роботи. Технологія корекції «на льоту» застосовується переважно у серверних, а чи не десктопних процесорах.

ВИБІР ПРОЦЕСОРА

Сучасний ринок ЦПУ представлений головним чином двома великими виробниками – Intel та AMD.  Процесори Intel – дорогі, але мають високу якість та продуктивність. Серверна лінійка представлена ​​процесорами Xeon. У процесорах Intel реалізовано технологію гіперпоточності (Hyper Threading, HT). Ідея в тому, що на кожне ядро ​​спрямовується два віртуальні обчислювальні потоки і за рахунок цього зростає продуктивність процесора.

Технологічно процесори AMD відстають від Intel, але коштують значно дешевше. Часто у ЦПУ від AMD вбудовано відеоядро. Для серверів пропонується серія процесорів Opteron.

Що таке процесор? характеристики процесора

Що таке процесор? Тут Ви зможете прочитати невелику термінологію даного поняття. Ми розглянемо з чого він складається, що таке ядро ​​процесора, системна шина, кеш процесора, які роз`єми бувають у процесора, а також популярні виробники. А тепер, приступимо до справи.

Процесор (ЦП або CPU) — це пристрій або схема, яка виконує машинні команди (інструкції). Є найважливішим компонентом будь-якого комп`ютера і ноутбука. Виконує будь-які, як логічні, так і арифметичні операції. Також управляє всіма пристроями, підключеними до ПК.

Відео: Як вибрати процесор | Що потрібно знати при виборі процесора і збірці PC

пристрій процесора

На даний момент процесори являють собою схему (мікропроцесор) і є маленькою тонкої пластиною, квадратної за формою. На такій схемі розташовані елементи, що забезпечують функціональність самого процесора і ПК в цілому. Така пластина захищена пластмасовим або керамічним корпусом, під`єднана золотими проводами з наконечниками з металу. Дана конструкція дозволяє приєднати процесор до системної плати.

Відео: Процесор — що це таке?

З чого складається процесор?

• регістри
• Арифметико-логічний пристрій
• Шини даних і адрес
• кеш пам`ять
• математичний співпроцесор

архітектура процесора

У фахівців різних професій поняття про архітектуру процесора трохи відрізняються. Наприклад, програмісти думають, то архітектура процесора — це коли процесор здатний виконувати набори машинних кодів. Розробники комп`ютерних складових мають іншу думку, а саме те, що архітектора процесора відображає будь-які властивості і якості, які притаманні цілому сімейству процесорів (іншими словами, організація процесорів або їх внутрішня конструкція). Наприклад, існує така архітектура, як Intel Pentium, вона позначається, як P5. Наприклад, Pentium IV позначається, як NetBurst.

Що таке ядро ​​процесора?

Навіть якщо процесори мають однакову архітектуру, вони можуть мати відмінності. В першу чергу це звичайно ж відмінність в процесорних ядрах, які наділяють сам процесор, будь-якими характеристиками. Звичайно, відрізнятися вони можуть і розмірами кешу, і відмінностями в частоті системної шини. По суті, термін ядро ​​процесора чіткого визначення не має, але може дозволити виділити особливості будь-якої моделі.

У разі заміни ядра, швидше за все доведеться міняти і процесорний роз`єм, що тягне за собою певні труднощі, які пов`язані з сумісністю системних плат. Звичайно, розробники постійно займаються над вдосконаленням ядер. Такі нововведення називаються ревізією ядер, вони в свою чергу позначаються літерними і числових значеннями.

Що таке системна шина?

Системна шина або шина процесора (FSB) — є сукупністю сигнальних ліній, об`єднаних за призначенням. Простими словами, системна шина пов`язує всі компоненти комп`ютера з процесором, будь це жорсткий диск, відеокарта або оперативна пам`ять. Процесор підключається тільки до системної шини, інші пристрої підключаються через спеціальні контролери.

Що таке роз`єм (сокет) процесора?

Є два типи роз`ємів (гнізд) — гніздовий і щілинний. Хоча це можна вважати, як один роз`єм, тому що він створений лише для установки процесора. Наявність сокета значно полегшує заміну процесора. Також його можна було б зняти на час ремонту комп`ютера. До речі, якщо що, даний роз`єм розташований на материнської плати. У компаній Intel і AMD свої типи роз`ємів, які можна подивитися тут.

Що таке регістр процесора?

Регістром в процесорі є блок осередків, який утворює надшвидку оперативну пам`ять. Така пам`ять використовується тільки процесором.

Відео: Як вибрати процесор для комп`ютера

Поділися в соціальних мережах:

Схожі

Центральный процессор Факты для детей

ЦП Pentium внутри компьютера

Центральный процессор (ЦП ) является важной частью каждого компьютера. Центральный процессор посылает сигналы для управления другими частями компьютера, почти так же, как мозг управляет телом.

ЦП — это электронная машина, которая работает со списком компьютерных задач, называемых инструкциями . Он читает список инструкций и запускается ( выполняет ) каждый по порядку. Список инструкций, которые может выполнять ЦП, представляет собой компьютерную программу.

Тактовая частота или скорость внутренних частей ЦП измеряется в герцах (Гц). Современные процессоры часто работают так быстро, что вместо них используются гигагерцы (ГГц). Один ГГц — это 1 000 000 000 циклов в секунду.

Большинство процессоров, используемых в настольных (домашних) компьютерах, представляют собой микропроцессоры производства Intel или Advanced Micro Devices (обычно сокращенно AMD). Некоторые другие компании, производящие процессоры, — это ARM, IBM и AMD под управлением ATI Technologies, которая сейчас является лидером. Большинство их процессоров используются во встроенных системах для более специализированных вещей, например, в мобильных телефонах, автомобилях, игровых приставках или в вооруженных силах.

Содержание

• Типы процессоров
• Регистры
• Память
• Кэш
• Автобусы
• Наборы инструкций
• Функциональность
• Командные трубопроводы
• Блоки управления памятью (MMU) и виртуальная память
• Несколько ядер
• Производители
• Дополнительная информация
• Картинки для детей

Типы процессоров

В 20 веке инженеры изобрели множество различных компьютерных архитектур. В настоящее время большинство настольных компьютеров используют либо 32-разрядные, либо 64-разрядные процессоры. Инструкции в 32-битном ЦП хорошо справляются с обработкой 32-битных данных (большинство инструкций «думают» 32-битными в 32-битном ЦП). Точно так же 64-разрядный ЦП хорошо справляется с обработкой 64-разрядных данных (и часто хорошо справляется с обработкой 32-разрядных данных). Размер данных, который ЦП обрабатывает лучше всего, часто называют размер слова ЦП. Многие старые процессоры 70-х, 80-х и начала 90-х годов (и многие современные встраиваемые системы) имеют размер слова 8 или 16 бит. Когда процессоры были изобретены в середине 20-го века, они имели много разных размеров слов. В некоторых были разные размеры слов для инструкций и данных. Менее популярные размеры слов позже перестали использоваться.

Большинство процессоров являются микропроцессорами. Это означает, что ЦП представляет собой всего лишь один чип. Некоторые микросхемы с микропроцессорами внутри также содержат другие компоненты и представляют собой полноценные однокристальные «компьютеры». Это называется микроконтроллер.

Регистры

Когда ЦП запускает компьютерную программу, ему нужно где-то хранить данные, с которыми работают инструкции (данные, которые они считывают и записывают). Это хранилище называется регистром . ЦП обычно имеет много регистров. Регистры должны быть очень быстрыми для доступа (для чтения и записи). Следовательно, они являются частью самого чипа ЦП.

Память

Хранение всех данных в регистрах сделало бы большинство процессоров слишком сложными (и очень дорогими). Поэтому регистры обычно хранят только те данные, над которыми процессор работает «прямо сейчас». Остальные данные, используемые программой, хранятся в ОЗУ (памяти). За исключением микроконтроллеров, оперативная память обычно хранится вне ЦП в отдельных микросхемах.

Когда ЦП хочет прочитать или записать данные в ОЗУ, он выводит для этих данных адрес . Каждый байт в оперативной памяти имеет адрес памяти. Размер адресов часто совпадает с размером слова: 32-битный ЦП использует 32-битные адреса и т. д. Однако меньшие ЦП, такие как 8-битные ЦП, часто используют адреса, превышающие размер слова. В противном случае максимальная длина программы будет слишком короткой.

Поскольку размер адресов ограничен, максимальный объем памяти также ограничен. 32-разрядные процессоры обычно могут обрабатывать только до 4 ГБ ОЗУ. Это количество различных байтов, которые можно выбрать, используя 32-битный адрес (каждый бит может иметь два значения — 0 и 1 — и 2 9).0075 32 байт — это 4 ГБ). 64-разрядный процессор может обрабатывать до 16 ЭБ ОЗУ (16 эксабайт, около 16 миллиардов ГБ или 16 миллиардов миллиардов байт). Операционная система может ограничивать использование меньших сумм.

Информация, хранящаяся в ОЗУ, обычно изменчива. Это означает, что он исчезнет, ​​если компьютер будет выключен.

Кэш

На современных компьютерах оперативная память намного медленнее регистров, поэтому доступ к оперативной памяти замедляет работу программ. Чтобы ускорить доступ к памяти, более быстрый тип памяти называется 9. Кэш 0011 часто помещают между оперативной памятью и основными частями процессора. Кэш обычно является частью самого чипа ЦП и намного дороже в пересчете на байт, чем ОЗУ. Кэш хранит те же данные, что и оперативная память, но обычно намного меньше. Поэтому все данные, используемые программой, могут не поместиться в кэш. Кэш пытается хранить данные, которые, вероятно, будут часто использоваться. Примеры включают недавно использованные данные и данные, близкие в памяти к недавно использованным данным.

Часто имеет смысл иметь «кэш для кеша», так же как имеет смысл иметь кеш для оперативной памяти. В многоуровневое кэширование , существует множество кешей, называемых кешем L1, кешем L2 и так далее. Кэш L1 является самым быстрым (и самым дорогим в пересчете на байт) кешем и «ближе всего» к ЦП. Кэш L2 находится на шаг впереди и медленнее, чем кеш L1 и т. д. Кэш L1 часто можно рассматривать как кеш для кеша L2 и т. д.

Шины

Компьютерные шины — это провода, используемые ЦП для связи с оперативной памятью и другими компонентами компьютера. Почти все процессоры имеют как минимум 9Шина данных 0011 — используется для чтения и записи данных — и адресная шина — используется для вывода адресов. Другие шины внутри ЦП передают данные в разные части ЦП.

Наборы инструкций

Набор инструкций (также называемый ISA — Архитектура набора инструкций) — это язык, понятный непосредственно конкретному ЦП. Эти языки также называются машинным кодом или двоичным кодом. Они говорят о том, как вы говорите процессору делать разные вещи, например, загружать данные из памяти в регистр или добавлять значения из двух регистров. Каждая инструкция в наборе инструкций имеет кодировку, то есть инструкцию записывают в виде последовательности битов.

Программы, написанные на таких языках программирования, как C и C++, не могут выполняться непосредственно процессором. Они должны быть переведены в машинный код, прежде чем ЦП сможет их запустить. Компилятор — это компьютерная программа, которая выполняет этот перевод.

Машинный код — это просто последовательность нулей и единиц, что затрудняет его чтение людьми. Чтобы сделать его более читабельным, программы машинного кода обычно пишутся на языке ассемблера . Язык ассемблера использует текст вместо нулей и единиц: например, вы можете написать «LD A,0», чтобы загрузить значение 0 в регистр A. Программа, переводящая язык ассемблера в машинный код, называется 9.0011 ассемблер .

Функциональность

Вот некоторые из основных функций, которые может выполнять ЦП:

• Чтение данных из памяти и запись данных в память.
• Добавить один номер к другому номеру.
• Проверить, больше ли одно число другого числа.
• Перемещение числа из одного места в другое (например, из одного регистра в другой или между регистром и памятью).
• Перейти к другому месту в списке инструкций, но только если какой-то тест верен (например, только если одно число больше другого).

Даже очень сложные программы можно составить, объединив множество простых инструкций, подобных этим. Это возможно, потому что выполнение каждой инструкции занимает очень короткое время. Сегодня многие процессоры могут выполнять более 1 миллиарда (1 000 000 000) инструкций за одну секунду. В общем, чем больше процессор может сделать за заданное время, тем он быстрее. Одним из способов измерения скорости процессора является MIPS (миллион инструкций в секунду). Flops (операции с плавающей запятой в секунду) и тактовая частота процессора (обычно измеряемая в гигагерцах) также являются способами измерения того, сколько работы процессор может выполнить за определенное время.

ЦП состоит из логических вентилей; он не имеет движущихся частей. Центральный процессор компьютера электронно подключен к другим частям компьютера, таким как видеокарта или BIOS. Компьютерная программа может управлять этими периферийными устройствами, читая или записывая числа в специальные места в памяти компьютера.

Конвейеры инструкций

Каждая инструкция, выполняемая ЦП, обычно выполняется в несколько шагов. Например, шаги для запуска инструкции «INC A» (увеличение значения, хранящегося в регистре A, на единицу) на простом процессоре могут быть следующими:0003

• Чтение инструкции из памяти,
• декодировать инструкцию (выяснить, что делает инструкция), а
• добавить единицу в регистр A.

Различные части процессора выполняют разные функции. Часто можно выполнять несколько шагов из разных инструкций одновременно, что делает процессор быстрее. Например, мы можем читать инструкцию из памяти одновременно с декодированием другой инструкции, поскольку эти шаги используют разные модули. Это можно представить как наличие множества инструкций «внутри конвейера» одновременно. В лучшем случае все модули работают сразу по разным инструкциям, но это не всегда возможно.

Дополнительные сведения см. в разделе Конвейерная обработка инструкций

Блоки управления памятью (MMU) и виртуальная память

Современные ЦП часто используют блок управления памятью (MMU). MMU — это компонент, который транслирует адреса из ЦП в (обычно) разные адреса ОЗУ. При использовании MMU адреса, используемые в программе, (обычно) не являются «настоящими» адресами, по которым хранятся данные. Это называется виртуальной (противоположность «реальной») памяти. Несколько причин, по которым лучше иметь MMU, перечислены ниже:

• MMU может «скрыть» память других программ от программы. Это достигается за счет того, что никакие адреса не преобразуются в «скрытые» адреса во время работы программы. Это хорошо, потому что это означает, что программы не могут читать и изменять память других программ, что повышает безопасность и стабильность. (Программы не могут «шпионить» друг за другом или «наступать друг другу на пятки».)
• Многие MMU могут сделать некоторые части памяти недоступными для записи, чтения или выполнения (это означает, что код, хранящийся в этой части памяти, не может быть запущен). Это может быть хорошо по соображениям стабильности и безопасности, а также по другим причинам.
• MMU позволяют различным программам иметь разные «представления» памяти. Это удобно во многих различных ситуациях. Например, всегда можно будет иметь «основной» код программы по одному и тому же (виртуальному) адресу, не конфликтуя с другими программами. Это также удобно, когда есть много разных фрагментов кода (из библиотек ), которые совместно используются программами.
• MMU позволяют коду из библиотек появляться по разным адресам каждый раз при запуске программы. Это хорошо, потому что незнание того, где что находится в памяти, часто мешает хакерам заставить программы делать плохие вещи. это называется рандомизация адресного пространства .
• Расширенные программы и операционные системы могут использовать трюки с MMU, чтобы избежать копирования данных между разными местами в памяти.

Многоядерные

Многоядерные процессоры стали обычным явлением в начале 21 века. Это означает, что у них есть много процессоров, встроенных в один и тот же чип, так что они могут выполнять множество инструкций одновременно. Некоторые процессоры могут иметь до тридцати двух ядер, например AMD Epyc 7601.

Дополнительные сведения см. в разделе Многоядерный процессор 9.0003

Производители

Следующие компании производят процессоры для компьютеров:

• ARM
• Интел
• Расширенные микроустройства
• МЦСТ
• СРИС
• Sun Microsystems

Дополнительная информация

• Микропроцессор
• АЛЮ
• Исполнительный блок
• Модуль с плавающей запятой
• Интел
• драм

Картинки для детей

• EDVAC, один из первых компьютеров с хранимой в памяти программой

• Процессор IBM PowerPC 604e

• Плата Fujitsu с процессорами SPARC64 VIIIfx

• ЦП, основная память и интерфейс внешней шины DEC PDP-8/I, изготовленные из интегральных схем среднего масштаба

• Внутри ноутбука с извлеченным ЦП из сокета

• Блок-схема базового однопроцессорного компьютера. Черные линии указывают на поток данных, тогда как красные линии указывают на поток управления; стрелки указывают направления потока.

• Символическое представление АЛУ и его входных и выходных сигналов

• Шестибитное слово, содержащее двоичное кодированное представление десятичного числа 40. Большинство современных ЦП используют размеры слов, равные степени двойки, например 8, 16, 32 или 64 бита.

• Модель субскалярного ЦП, в которой для выполнения трех инструкций требуется пятнадцать тактов

• Базовый пятиступенчатый трубопровод. В лучшем случае этот конвейер может поддерживать скорость выполнения одной инструкции за такт.

Все содержимое статей энциклопедии Kiddle (включая изображения статей и факты) можно свободно использовать по лицензии Attribution-ShareAlike, если не указано иное. Процитируйте эту статью:

Центральный процессор Факты для детей. Энциклопедия Киддла.

Объяснение характеристик ЦП. Краткий обзор смысла… | by Cory Maklin

7 минут чтения

·

29 марта 2019 г.

Photo by Slejven Djurakovic on Unsplash

Apple, одна из самых прибыльных компаний в мире, славится своими красиво оформленными продуктами. В эпоху, когда компьютеры использовались строго в бизнес-среде, Джобс представлял себе полностью интегрированный компьютер, который можно было бы продать среднему потребителю. Apple стремилась максимально упростить использование компьютера, вложив значительные средства в графические пользовательские интерфейсы, которые позволяли пользователям перемещаться, нажимая на значки, а не вводя команды на терминале.

Не поймите меня неправильно, я люблю продукты Apple, но в конечном итоге они требуют существенной надбавки к основному оборудованию. Чаще всего вы можете получить гораздо большую отдачу от своих денег, собрав компьютер самостоятельно. В этой серии я попытаюсь объяснить роль различных компонентов компьютера и значение каждой из рекламируемых спецификаций. В предыдущем посте мы рассмотрим центральный процессор или ЦП.

Центральный процессор — это мозг компьютера. Независимо от того, транслируете ли вы свое любимое шоу, играете в MMORPG или читаете электронную почту; все, что работает на вашем компьютере, в конечном итоге сводится к последовательности двоичных битов и обрабатывается процессором (ами).

Чтобы помочь нам понять различные заявленные спецификации ЦП, мы будем использовать Процессор Intel Core i5–8400 для настольных ПК в качестве эталона . Характеристики указанного процессора следующие:

Согласно закону Мура, средние современные процессоры имеют тактовую частоту около 3-4,00 ГГц. G в ГГц означает гига. В метрической системе измерения гига в 1000 раз больше, чем мега (М) , а мега в свою очередь в 1000 раз больше, чем кило (К) .

Частота лучше всего понимается с точки зрения периода. Предположим, мы принимаем время, когда возникает нарастающий фронт (переход от низкого уровня к высокому), как начало нашей системы отсчета, период — это количество времени (в секундах), которое проходит до следующего нарастающего фронта.

В абсолютном выражении тактовая частота 4 ГГц означает, что каждую секунду происходит 4000000000 циклов (где один цикл состоит из периода, в течение которого сигнал переходит от низкого уровня к высокому, обратно к низкому и затем снова от низкого к высокому).

Основным компонентом ЦП является флип-флип. Принципиальная схема D-триггера выглядит примерно так.

Когда логические вентили помещаются в предыдущую конфигурацию, возникает особое свойство.

В промежутках между тактовыми циклами триггеры сохраняют состояние.

Что мы подразумеваем под состоянием? По сути, триггер будет хранить либо 1, либо 0, которые затем могут использоваться комбинационной логикой, подключенной к его выходу, для выполнения какой-либо операции.

Допустим, у нас есть два процессора, один из которых работает с частотой 1 Гц, а другой — с частотой 2 Гц. Второй процессор имеет в два раза больше тактов в секунду, чем первый. Другими словами, последовательная логика (триггеры) может принимать в два раза больше значений за тот же период времени. Второй процессор теоретически может вычислить сумму двух наборов чисел за то же время, которое требуется первому процессору для вычисления одного.

Частота часов ограничена критическим путем. Критический путь — это самая длинная последовательность прямой комбинационной логики. Если передний фронт возникнет до того, как у комбинационной логики будет достаточно времени для вычисления результата, входные сигналы изменятся, что приведет к другому результату.

Для уточнения предположим, что критический путь состоит из 4-битного сумматора, каждый входной сигнал которого соединен с выходом регистра (набора триггеров). Если в начале периода состояние регистров было 1000 (десятичная 8) и 0010 (десятичная 2), то мы ожидаем, что сумма будет 1010 (десятичная 10). Однако, если бы тактовая частота была установлена ​​слишком высокой, внутреннее состояние триггеров изменилось бы до того, как сумма попала бы на вход другого регистра.

Ядро — это ЦП. Следовательно, когда мы читаем, что процессор Intel Core i5–8400 имеет 6 ядер, это означает, что он имеет 6 процессоров, одновременно выполняющих инструкции на одном физическом чипе. Если каждый ЦП поддерживает инструкцию сложения, то процессор может одновременно вычислять 6 различных сумм.

Два гиганта полупроводниковой индустрии, Intel и AMD, решили создать самый быстрый в мире процессор. Используя суперскалярные архитектуры и конвейерную обработку, им удалось создать процессоры, работающие на частотах порядка нескольких гигагерц. Однако, как и в большинстве случаев, вы не можете измерить успех на основе одной метрики. Скорость, хотя и важна, не должна гнаться за всем остальным. С появлением ноутбуков и мобильных устройств энергопотребление стало брать приоритет над скоростью.

Помимо счетов за электроэнергию, чем больше энергии потребляет процессор, тем больше тепла он выделяет, а если процессор постоянно перегревается, срок его службы сокращается. Именно по этой причине они создали различие между номинальной и турбо частотами. Большую часть времени процессор будет работать на номинальной частоте. Однако для ресурсоемких задач, таких как игры и обработка видео, можно перенаправить мощность с нескольких ядер на одно ядро, чтобы повысить его тактовую частоту до заданного предела (максимальная турбочастота). Возвращаясь к процессору Intel Core i5-8400, номинальная частота, которой могут достичь все ядра одновременно, составляет 2,8 ГГц, а максимальная турбо-частота, которую может достичь одно ядро, если позволяют ограничения мощности и температуры, составляет 4,0 ГГц.

Другие компоненты, из которых состоит компьютер, не работают на той же тактовой частоте, что и процессор. Современные материнские платы, например, обычно имеют тактовую частоту порядка 500 МГц. Из-за несоответствия тактовых частот каждый раз, когда процессору приходится обращаться к основной памяти для извлечения данных, большую часть времени он простаивает. Именно по этой причине современные процессоры используют кеш на физическом чипе. Кэш использует преимущества пространственной и временной локализации, чтобы сократить время, которое ЦП тратит на ожидание на других устройствах.

Пространственное местоположение

Пространственное местоположение относится к тому факту, что диапазон адресов, находящихся в непосредственной близости друг от друга, имеет тенденцию использоваться вместе. Чтобы уточнить, представьте, что к телу цикла обращаются неоднократно.

Временная локализация

Временная локализация относится к тому факту, что доступ к определенным наборам адресов обычно осуществляется примерно в одно и то же время. Например, представьте себе две переменные, которые хотя и хранятся по адресам, расположенным далеко друг от друга, к которым какая-то программа постоянно обращается одна за другой.

Сохраняя содержимое этих адресов в процессоре, ЦП могут непрерывно выполнять инструкции, не обращаясь к нижним уровням памяти для извлечения дополнительных, при условии, что они хранятся в кэше.

Размер

Мы измеряем процент количества раз, когда ЦП должен извлекать данные, которые не кэшируются, как процент промахов. Увеличивая размер кеша, мы можем хранить содержимое большего количества адресов в кеше, тем самым уменьшая процент промахов. После этого объяснения можно подумать, что больший объем кеша — это всегда хорошо. Однако увеличение размера кэша также увеличивает время поиска. Время поиска — это время, которое ЦП тратит на поиск данных в кэше. Учитывая, что вы, скорее всего, найдете данные, которые ищете 9В 5% случаев даже небольшое увеличение времени поиска может сильно повлиять на общую производительность процессора.

При поиске по магазинам можно с уверенностью предположить, что инженеры, разработавшие чип, определили оптимальный баланс между снижением процента промахов и увеличением времени поиска по отношению к размеру кэша.

Повышение тактовой частоты и/или увеличение количества ядер позволит вашему компьютеру обрабатывать больше информации за заданный период времени.