Принцип работы современного компьютерного процессора

Принцип работы современного компьютерного процессора

Центральный процессор является основным и самым главным элементом системы. Благодаря нему выполняются все задачи связанные с передачей данных, исполнением команд, логическими и арифметическими действиями. Большинство пользователей знают, что такое ЦП, но не разбираются в принципе его работы. В этой статье мы постараемся просто и понятно объяснить, как работает и за что отвечает CPU в компьютере.

Как работает компьютерный процессор

Перед тем, как разобрать основные принципы работы CPU, желательно ознакомиться с его компонентами, ведь это не просто прямоугольная пластина, монтируемая в материнскую плату, это сложное устройство, образующееся из многих элементов. Более подробно с устройством ЦП вы можете ознакомиться в нашей статье, а сейчас давайте приступим к разбору главной темы статьи.

Выполняемые операции

Операция представляет собой одно или несколько действий, которые обрабатываются и выполняются компьютерными устройствами, в том числе и процессором. Сами операции делятся на несколько классов:

1. Ввод и вывод. К компьютеру обязательно подключено несколько внешних устройств, например, клавиатура и мышь. Они напрямую связаны с процессором и для них выделена отдельная операция. Она выполняет передачу данных между CPU и периферийными девайсами, а также вызывает определенные действия с целью записи информации в память или ее вывода на внешнюю аппаратуру.
2. Системные операции отвечают за остановку работы софта, организовывают обработку данных, ну и, кроме всего, отвечают за стабильную работу системы ПК.
3. Операции записи и загрузки. Передача данных между процессором и памятью осуществляется с помощью посылочных операций. Быстродействие обеспечивается одновременной запись или загрузкой групп команд или данных.
4. Арифметически-логические. Такой тип операций вычисляет значения функций, отвечает за обработку чисел, преобразование их в различные системы исчисления.
5. Переходы. Благодаря переходам скорость работы системы значительно увеличивается, ведь они позволяют передать управление любой команде программы, самостоятельно определяя наиболее подходящие условия перехода.

Все операции должны работать одновременно, поскольку во время активности системы за раз запущено несколько программ. Это выполняется благодаря чередованию обработки данных процессором, что позволяет ставить приоритет операциям и выполнять их параллельно.

Выполнение команд

Обработка команды делится на две составные части – операционную и операндную. Операционная составляющая показывает всей системе то, над чем она должна работать в данный момент, а операндная делает то же самое, только отдельно с процессором. Выполнением команд занимаются ядра, а действия осуществляются последовательно. Сначала происходит выработка, потом дешифрование, само выполнение команды, запрос памяти и сохранение готового результата.

Благодаря применению кэш-памяти выполнение команд происходит быстрее, поскольку не нужно постоянно обращаться к ОЗУ, а данные хранятся на определенных уровнях. Каждый уровень кэш-памяти отличается объемом данных и скоростью выгрузки и записи, что влияет на быстродействие систем.

Взаимодействия с памятью

ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство) может хранить в себе только неизменяемую информацию, а вот ОЗУ (Оперативная память) используется для хранения программного кода, промежуточных данных. С этими двумя видами памяти взаимодействует процессор, запрашивая и передавая информацию. Взаимодействие происходит с использованием подключенных внешних устройств, шин адресов, управления и различных контролеров. Схематически все процессы изображены на рисунке ниже.

Если разобраться о важности ОЗУ и ПЗУ, то без первой и вовсе можно было бы обойтись, если бы постоянное запоминающее устройство имело намного больше памяти, что пока реализовать практически невозможно. Без ПЗУ система работать не сможет, она даже не запустится, поскольку сначала происходит тестирование оборудования с помощью команд БИОСа.

Работа процессора

Стандартные средства Windows позволяют отследить нагрузку на процессор, посмотреть все выполняемые задачи и процессы. Осуществляется это через «Диспетчер задач», который вызывается горячими клавишами Ctrl + Shift + Esc.

В разделе «Быстродействие» отображается хронология нагрузки на CPU, количество потоков и исполняемых процессов. Кроме этого показана невыгружаемая и выгружаемая память ядра. В окне «Мониторинг ресурсов» присутствует более подробная информация о каждом процессе, отображаются рабочие службы и связанные модули.

Сегодня мы доступно и подробно рассмотрели принцип работы современного компьютерного процессора. Разобрались с операциями и командами, важностью каждого элемента в составе ЦП. Надеемся, данная информация полезна для вас и вы узнали что-то новое.

Мы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.

Помимо этой статьи, на сайте еще 12368 инструкций.
Добавьте сайт Lumpics.ru в закладки (CTRL+D) и мы точно еще пригодимся вам.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.

Опишите, что у вас не получилось. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Устройство процессора и его назначение

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.

Что такое процессор и для чего он нужен

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru.

При выборе нового компьютера мы обращаем внимание на несколько характеристик: модель материнской платы, размер оперативной и внутренней памяти, объем видеокарты, наличие дополнительных возможностей.

Не обходим стороной и важнейший элемент любого ПК (это что?) — процессор.

И хоть большинство пользователей старается подбирать чип нового поколения с максимальным количеством ядер, далеко не все догадываются, для чего нужен и какие функции выполняет элемент.

Я попытаюсь ликвидировать этот пробел в ваших знаниях и простым языком объяснить, что такое процессор в компьютере и почему он настолько важен.

Процессор — что это

Процессор называют мозгом компьютера. И не зря, ведь он обеспечивает беспрерывную работу всего механизма. Процессор можно сравнить с сердцем в человеческом организме: пока он функционирует, работать будут другие составляющие системного блока и подключенные к нему внешние устройства.

С его помощью обрабатывается программный код, работает операционная система и устанавливаемые приложения. Чем выше скорость процессора, тем быстрее работает компьютер.

Википедия гласит, что процессор — это главная часть аппаратного обеспечения ПК, которое отвечает за исполнение кода программ, обрабатывает поток данных, регулирует работу частей системы.

Внешне он выглядит как небольшая пластинка квадратной формы и имеет толщину в несколько миллиметров. Настольные версии устройств прикрываются металлической крышкой, а в нижней части процессора находится много контактов.

Кроме привычного термина «процессор», встречаются также такие варианты, как микропроцессор, центральный процессор (ЦП) и центральное процессорное устройство (ЦПУ).

Часто можно встретить обозначение CPU, что расшифровывается как «central processing unit» и переводится с английского как «центральное обрабатывающее устройство».

Из чего состоит процессор

Процессор состоит из следующих компонентов:

1. ядро (ядра) — сюда входят регистр (внутренняя память), кэш (быстрая память), арифметико-логическое устройство;
2. шины — с их помощью происходит передача данных, а также управление операциями и внешними составляющими компьютера.

Функции процессора

ЦПУ выполняет две важные функции:

1. управление всеми операциями ПК, начиная сложением двух чисел и заканчивая обработкой видео или запуском игр;
2. обработка данных с помощью арифметических и логических операций.

Характеристики процессора

При выборе процессора для компьютера стоит обратить внимание на его характеристики.

Их довольно много, выделим несколько основных:

1. тактовая частота;
2. разрядность;
3. количество ядер;
4. размер кэша;
5. интегрированная графика;
6. энергопотребление и тепловыделение.

Тактовая частота

Тактовая частота — это число операций, выполняемое процессором за 1 секунду. Единицы измерения — мегагерц (миллион тактов за секунду) и гигагерц (миллиард). Высокая тактовая частота позволяет процессору быстрее обрабатывать данные.

Разрядность

Разрядность — это количество битов, которое обрабатывается ЦПУ за один такт. Процессоры бывают 32 или 64-разрядными, и от этого показателя зависит размер оперативной памяти, которую можно устанавливать в компьютер.

Для мощных игровых компьютеров с 4 ГБ ОЗУ и более подойдет 64-разрядный ЦП.

Количество ядер

Одноядерные процессоры выполняют задачи последовательно, двухъядерные — до двух одновременно, четырехъядерные — до четырех и так далее. Исходя из этого, современные компьютеры могут называться многозадачными, так как чем больше ядер у процессора, тем производительнее ПК.

Но иногда программы (это что?) бывают не заточены под многопоточность (идет использование только одного ядра), поэтому в этих приложениях многоядерные процессоры не дают пользователю возможность ощутить всю мощь компьютера.

Размер кэша

Кэш — это быстродействующая память внутри ЦПУ, которая выступает в роли буфера между ОЗУ (оперативной памятью на материнской плате) и ядром процессора, а также предоставляет ускоренный доступ к блокам обрабатываемых данных.

Этот вид памяти быстрее оперативной, так как взаимодействует напрямую с ядром ЦП.

Интегрированная графика

Наличие процессоров с интегрированной графикой дает возможность выполнять несложные видео-операции без покупки дискретной (отдельной) видеокарты. Это очень удобно, если ПК покупается для офиса или серфинга в сети.

Энергопотребление и тепловыделение

Чем больше энергии потребляет процессор, тем больше тепла он выделяет. Этот параметр следует учитывать при выборе системы охлаждения ПК и блока питания.

Производители процессоров

Ассортимент процессоров включает как слабые одноядерные процессоры, так и мощные многоядерные. Их созданием занимаются многие производители, но флагманами считаются две марки — Intel и AMD.

Различие между товарами двух брендов заключается в архитектуре и каждый из них предлагает свой вид процессора, который кардинально отличается друг от друга.

Продукция каждого из производителей имеет свои достоинства и недостатки. Предлагаю ознакомиться с ними ниже.

Intel

Достоинства процессоров Intel:

1. низкое потребление энергии;
2. высокая производительность в играх;
3. высокий уровень доверия у разработчиков ПО;
4. хорошая связь с ОЗУ;
5. в рамках одной программы операции выполняются лучше, чем в случае с процессорами AMD.

Недостатки:

1. высокая стоимость;
2. снижение производительности при использовании нескольких ресурсоемких программ;
3. интегрированная графика реализована хуже, чем в AMD.

Достоинства процессоров AMD:

1. сравнительно невысокая стоимость;
2. разгон процессора и последующее повышение его мощности до 20%;
3. хорошие графические ядра.

Недостатки:

1. не очень хорошее взаимодействие с ОЗУ;
2. довольно высокое потребление энергии;
3. иногда недостаточная производительность в играх при наличии мощной видеокарты.

Вот и все, дорогие друзья. Я постарался простыми словами рассказать, что такое процессор и для чего он необходим. Надеюсь, что после прочтения статьи у вас не останется вопросов.

Приглашаю пообщаться на эту тему с другими читателями блога KtoNaNovenkogo.ru в комментариях и высказать свое мнение насчет того, процессор какого производителя лучше — Intel или AMD.

Напоследок предлагаю посмотреть видео по теме:

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

Эта статья относится к рубрикам:

Комментарии и отзывы (3)

Я бы не сказал, что AMD дешевле, главное, по их маркировке невозможно понять их производительность в сравнении с процессорами Intel. Сколько у меня было интеловских процессоров, все их менял только по причине морального устаревания, из строя они ни разу не выходили, потому предпочитаю Intel.

Те, кто не разбираются в компьютерах, часто называют процессором весь системный блок!:) А вообще, сейчас производительности современных процессоров хватает для любых задач. Его можно не менять по 5-10 лет, прогресс в этом сегменте идет не так быстро.

Сергей: скажу Вам больше. Уже лет пять-семь, как никакого прогресса в ЦП нет. Есть маркетинговые ходы, заставляющие покупать новое, но реальная производительность уперлась в фундаментальные ограничения, которые с текущим подходом обойти не удается.

CPU и GPU: в чем разница?

Строение любого сервера во многом похоже на системный компьютерный блок. Внутри корпуса помещена материнская плата, на которой установлены комплектующие. Основную функцию выполняет CPU — центральный процессор, который отвечает за обработку всех данных. Но в последнее время востребованы сервера с GPU — графическим процессором, который способен не только одновременно работать с большим массивом данных, но и обрабатывать графические материалы. И здесь назревает вопрос: а с каким процессором нужно выбрать сервер для тех или иных задач? Для ответа нужно разобрать в чем их разница.

Для начала нужно отметить, что компьютерные процессоры (ЦП и видеокарта) отличаются от серверных архитектурой. Так как к CPU, установленных на серверах, выдвигают особые требования в надежности, безотказности и наличии самокорректирующейся системы. Небольшое изменение в архитектуре, заточенное под работу 24/7 и высокую нагрузку, является единственным отличием серверного процессора от компьютерного. Именно поэтому в технических характеристиках серверов чаще можно встретить не какой-нибудь CPU Intel Core i7, а, например, Intel Xeon E5620 (4 Core, 12M Cache, 2.40 GHz).

Графические процессоры в серверах тоже имеют несколько иную архитектуру, заточенную под задачи обработки больших массивов данных в режиме non stop. Видеокарты в системных блоках и в серверах внешне могут быть похожи, но они отличаются технически. У Nvidia для серверного оборудования есть специальные линейки GPU с названием TESLA и QUADRO. Видеокарты из серии QUADRO имеют архитектуру, ориентированную под машинное обучение и видеоаналитику, без ограничений по числу входных видеопотоков (у игровой серии Geforce максимум 3 потока). А GPU в линейке TESLA поддерживает виртуализацию, что позволяет выполнять еще более сложные задачи. А у AMD есть особое решение для серверов под названием FirePro или Radeon & Vega.

Для работы приложений с математическим модулем видеокарты на серверах используются две технологии — CUDA и OpenCL.

Зачем в серверах используют GPU

А теперь перейдем к непосредственной разнице возможностей CPU и GPU в серверах. Еще несколько лет назад в СХД использовались только CPU, которые отвечали за обработку всех данных, включая графику и видео. Любой центральный процессор способен обрабатывать графические материалы, но только когда речь идет о простых задачах. Например, вывести изображение на экран или предоставить к графике удаленный доступ. По такому принципу работали первые компьютеры, на которых можно было играть в 2D-игры, но в них не было дискретных видеокарт.

Сейчас же стала востребованной обработка графической информации, что невозможно именно без GPU — графического процессора. Только благодаря видеокарте в сервере можно работать со сложными массивами данных, касающихся графики. Например, удаленно работать с программами по обработке фото (тот же Photoshop), предоставить облачный доступ к геймингу, управлять видео с системы видеонаблюдения (например, использовать систему распознавания лиц или автомобильных номеров). Помимо этого, серверы с GPU позволяют использовать их для 3D-моделирования и программирования при помощи CUDA. А еще их наличие в целом увеличивает вычислительную мощность за счет особенностей архитектуры.

Разница в CPU и GPU в серверном оборудовании

С технической стороны разница между CPU и GPU заключается в принципах потоковой обработки информации. Ядра CPU выполняют задачи последовательно.

Если появляются приоритетные задачи высокой важности, то они обрабатываются тоже в порядке общей очереди. Если на каком-то этапе происходит сбой, то возникает ошибка и весь процесс сбивается. За счет нескольких ядер достигается многозадачность, но по-прежнему все данные обрабатываются в едином потоке на каждом ядре отдельно.

Архитектура GPU построена несколько иначе. Там все задачи выполняются параллельно. За счет этого достигается высокая многозадачность и устойчивость. Именно поэтому для майнинга криптовалюты при очень больших объемах обрабатываемых данных используются GPU, а не CPU. Видеокарты поэтому и называют еще графическим ускорителем.

А еще разница заключается в доступе к памяти каждого из видов процессоров. GPU попросту не нужно много кэша, чтобы обрабатывать массивы данных. Даже при работе с графикой достаточно пары сотен килобайт кэша. В современных графических процессорах используется 2048 и более исполнительных блоков, а у центральных процессоров — от 2 до 48.

Заключение

Исходя из особенностей GPU, их стали использовать на многих серверах, которые задействуются в обработке больших массивов данных и работе с графикой/видео. Многие компании выбирают именно такие сервера с GPU при работе с Big Data и Artificial Intelligence, 3D-моделированием и криптографией. Но даже современные системы видеонаблюдения с системой анализа и корпоративные облачные сети трудно представить без серверов с GPU.

Осталось только определить, для каких целей вам нужен сервер, и действительно ли нельзя обойтись только CPU? В этом вам помогут специалисты ittelo, которые не только подберут оптимальную конфигурацию, но и проведут развернутую консультацию по выбору серверного оборудования под конкретные цели.