Физический процессор для чего

Обновлено: 06.07.2024

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.

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.

25–27 ноября, Онлайн, Беcплатно

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:

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 .
LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
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 .
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).

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.

От имени пса-миллионера продают роскошный особняк в Майями

Все секреты правильного кляра - 25 рецептов для всех продуктов

Как отец Маколея Калкина позавидовал сыну и чуть не сломал ему жизнь

Ценовая политика «жриц любви» в разных странах – искусство выживания в ковид

Зачем европейские мужчины в XVIII веке носили огромные парики и пудрили лицо?

Не самое удачное место для высадки ребенка у школы

История, рекорды и космос: интересные факты о бумажных самолетах

"Приходи один, мы тоже одни придем": в драке из-за девушки подростка-инвалида избила толпа.

Чем можно объяснить тягу к молоку у взрослого человека?

Шикарные туалеты для грязных делишек лордов - подтирка из мха и настоящий смыв

Королева, которую, кажется, не любил никто: Бона Сфорца

"Это оно! Это не человек!": Распутина сравнила Моргенштерна с Сатаной

Porsche так и не построил 959 Speedster, поэтому компания из Майами решила сама сделать такой.

Девушка получила травмы из-за своей смартфонной зависимости

Автомобиль Барби в натуральную величину: на самом деле это электрический Fiat

Авария дня. Молодая автомобилистка погибла в ДТП в Тверской области

Женщина чудом отделалась легкими травмами после того, как ее автомобиль расплющил грузовик

"Считаю свое поведение недопустимым": Михаил Леонтьев извинился за сравнение россиян со стадом.

Мужчина умер от разрыва сердца на похоронах своего кота

Может ли стрела выпущенная из классического лука пробить современный кевларовый бронежилет?

Не выдержал напряжения: у депутата Рады задымился пульт для голосования

Ожидание и реальность: разоружение преступника по уроку самообороны

Кто ж его унизит, он же памятник! В украинском Днепре из памятника Ленину сделали писсуар

Попытка изобрести полноценный «автопилот» при помощи бутылки закончилась аварией

15 тортов от горе-кондитеров, и 15 - от мастеров своего дела

В Башкирии пытаются продать арестованное семя быков

Ослепляющий камуфляж: психоделическая маскировка военных кораблей, 1917-1918 гг

Вы видели, сколько стоят новые авто? Реакция соцсетей на действия дилеров

Муфтий Москвы предлагает построить мусульманский центр в каждом районе

Как пройти собеседование для получения Грин Карты в посольстве США

Концерт ценою в 10 жизней и 750 миллионов долларов

В карьере ей повезло больше, чем в личной жизни: где теперь Патрисия Каас

Зачем же своих родственников коптить? Малоизвестные факты о народах

Торпеда пошла: газовый баллон чуть не сшиб школьника

Откуда взялись аяты Корана на шлемах русских царей и бояр

Несколько малоизвестных фактов о "Поттериане" к 20-летию франшизы

14 невыносимых жлобов, которые даже за копейку готовы развязать настоящую войну

Первыми разработанными физическими процессорами являются SPARTA и HELLAS.

Содержание

Ageia PhysX

Процессор PhysX состоит из RISC-ядра общего назначения, который управляет массивом настраиваемых VLIW-процессоров, работающих с SIMD-инструкциями и плавающей запятой. Процессор работает с локальными банками памяти со встроенным переключателем для управления потоками между ними. PhysX не имеет такой иерархии кэш-памяти, как CPU или GPU.

В настоящее время платы с процессором PhysX доступны в продаже от трёх компаний. ASUS и BFG Technologies стали первыми компаниями, которые начали продавать платы. Готовые комплекты компьютеров с установленными платами PhysX доступны от таких сборщиков компьютеров, как Alienware, Dell и Falcon Northwest.

В феврале 2008 года, после того, как Nvidia купила Ageia Technologies, казалось, что все наработки последней полностью перешли к Nvidia. Однако в марте 2008 года Nvidia заявила, что сделает PhysX SDK открытым стандартом, доступным для всех желающих. [1] Поддержка PhysX SDK будет доступна для всех видеокарт производства Nvidia, начиная с серии 8ххх. На данный момент Nvidia готовит к выпуску новую версию драйверов, которая включает поддержку PhysX SDK в этих видеокартах. 24 июля 2008 года стало известно, что Nvidia выпустит WHQL-сертифицированный драйвер ForceWare с поддержкой ускорения физики 5 августа 2008 года. [2]

15 августа 2008 года компания NVIDIA выпустила драйвер ForceWare 177.83, который активирует поддержку PhysX в видеокартах серий 8, 9 и 200. Это немедленно расширило пользовательскую базу до более чем 70 миллионов человек во всем мире. [5] [6]

Сопроцессор VU0 в PS2 как PPU

VP0 условно можно считать ограниченной реализацией физического процессора. Его набор признаков и размещение в пределах микропроцессора приспособлены к ускорению обновления игровых задач, включая физику и искусственный интеллект; VU0 может разгрузить центральную часть «Emotion Engine». Будучи цифровым сигнальным процессором, VU0, однако, является намного более зависимым от центрального процессорного элемента и не может быть способным к осуществлению полного физического API. Именно поэтому VU0 не может классифицироваться как PPU.

Это использование подобно до Havok FX или физике GPU в том, что мощь универсального блока с плавающей запятой используется для дополнения центрального процессора, а также графики и физики.

Процессор Cell как PPU

Havok FX

Физический движок Havok SDK является главным конкурентом движка PhysX SDK. Он используется более чем в 150-ти играх, включая такие игры, как Half-Life 2, The Elder Scrolls IV: Oblivion и Dead Rising. [7]

Чтобы конкурировать с физическим процессором PhysX, была разработана концепция Havok FX, основная суть которой заключалась в использовании мощностей видеокарт для ускорений определённых физических вычислений. Havok FX должен был использоваться только на компьютерах, оснащенных минимум двумя видеокартами, соединёнными при помощи NVIDIA SLI или ATI Crossfire. При этом одна видеокарта из этой связки должна была полностью выделяться для физических обсчётов. [8]

Решение Havok делит все физические симуляции на физические эффекты и «геймплейную» физику. Физические эффекты (пыль, мелкие осколки и обломки от взрывов, огонь) обрабатываются при помощи графического процессора на видеокарте как инструкции Shader Model 3.0 (Шейдерная модель версии 3.0). «Геймплейная» физика обрабатывается при помощи центрального процессора обычным способом. Важным различием между этими двумя направлениями является то, что физические эффекты не влияют на геймплей игры; огромное большинство физических операций всё ещё выполняется стандартным программным способом при помощи CPU. Этот подход значительно отличается от движка PhysX SDK, который перенаправляет все текущие физические вычисления на карту PhysX.

Так как 15 сентября 2007 года фирма Intel выкупила фирму Havok, то «Havok FX» был отменён. Предполагалось, что Intel заморозит проект аппаратной поддержки движка на видеокартах своего конкурента, компании AMD, и сосредоточится на оптимизации движка под свои многоядерные CPU. [9] [10] [11]

Как и было обещано, AMD и Havok провели демонстрацию физики на GDC 09. Впервые были продемонстрированы возможности выполнения «Havok Cloth» на расширении OpenCL. Было заявлено, что для расчётов данной подсистемы необходим графический процессор от AMD с поддержкой OpenCL и AMD Stream. Также было заявлено об ориентации Havok на новейшие многоядерные процессоры AMD Phenom. [16] [17] [18]

GPU против PPU

Sieve C++ Parallel Programming System поддерживает PPU, показывая, что чип Ageia PhysX был бы подходящим для задач типа GPGPU.

Intel Larrabee & AMD Fusion

Компания AMD объявила о своём проекте AMD Fusion. AMD Fusion будет представлять собой процессор, который на одном кристалле будет объединять стандартных центральный х86-64 процессор и графический сопроцессор, созданный на основе последних моделей серии Radeon. Различные ресурсы процессора AMD Fusion, такие как иерархический кэш, будут использоваться совместно. Эта будущая конфигурация, вероятно, также будет подходящей для роли PPU.

Технологии

Трудно оценивать новую технологию без учёта процессора. Проблема в том, что декодировать то, что делает процессор, довольно сложно, даже если вы технарь.

Процессоры — это мозг компьютера. Они управляют логикой, которая выполняет вычисления и запускает программы на вашем компьютере.

В этой статье мы поговорим о том, что такое процессоры, как они работают, и обсудим основные элементы процессора.

Что такое процессор

Процессор — это часть оборудования, которая интерпретирует инструкции, управляющие компьютером. Процессоры называют мозгом компьютера неспроста: без него компьютеры не могут запускать программы.

Процессоры часто называют ЦП. Технически в компьютере есть более одного процессора, например, графический процессор (GPU), но центральный процессор, возможно, является самым важным из них.

Блоки обработки принимают инструкции из оперативной памяти (RAM) компьютера. Когда эти инструкции получены, ЦП декодирует и обрабатывает действие, а затем выдаёт результат.

Intel и AMD — самые известные компании в индустрии процессоров для настольных, портативных и серверных компьютеров. Intel Core и AMD Ryzen — одни из самых популярных процессоров для настольных ПК. Apple, Nvidia и Qualcomm известны своими процессорами для мобильных устройств.

Где находится процессор

Процессоры расположены на материнской плате компьютера. Они подключаются к так называемому сокету ЦП или слоту ЦП. Обычно рядом с процессором есть рычаг, который используется для обеспечения того, чтобы он оставался прикреплённым к материнской плате.

Что делает процессор процессором

Процессор состоит из четырёх компонентов: ALU, FPU, регистров и кэш-памяти.

Арифметико-логический блок (ALU) выполняет все арифметические и логические операции. Он работает с целыми числами. Модуль с плавающей запятой (FPU) управляет числами с плавающей запятой, которые являются числами, включающими десятичную дробь.

Тогда есть реестр. В регистре хранятся инструкции, полученные от других частей компьютера. Затем он сообщает ALU, какие процессы выполнять, и сохраняет результаты этих операций.

Наконец, процессоры включают в себя память L1, L2 и L3. Этот кэш-память позволяет процессору хранить данные локально, не извлекая их из ОЗУ. Включение этого компонента помогает сделать ЦП более быстрым и эффективным.

Как работает процессор

Процессоры могут поставляться с большим количеством наворотов, чем когда-либо прежде. По своей сути они состоят из одного и того же набора процессов. Эти процессы называются циклом выборки-выполнения. Этот цикл состоит из трёх шагов: выборка; декодировать; и выполнить.

Выборка

Первый шаг в цикле выборка-выполнение — выборка. Он включает в себя получение — или «извлечение» — инструкции. Эта инструкция передаётся из ОЗУ в ЦП.

Когда процессор получает инструкцию, он будет отслеживать ту, над которой работает, используя счётчик программ. Все инструкции, которые он получает, хранятся в регистре команд.

Декодировать

Когда инструкция была выбрана и сохранена в регистре инструкций, ЦП обрабатывает инструкцию, используя свой декодер. Это превращает инструкцию в серию сигналов, которые могут интерпретироваться другими частями ЦП.

Выполнить

В конце этого процесса декодированные инструкции выполняются. Инструкции отправляются другим частям процессора для выполнения. После выполнения этих инструкций они обычно сохраняются в регистре ЦП. Это помогает повысить скорость процессора, поскольку он может запоминать некоторые инструкции, которые он ранее обработал.

Технические характеристики процессора

Хотя все процессоры выполняют одни и те же — инструкции процесса, — спецификации процессора различаются в зависимости от варианта его использования. Давайте обсудим несколько основных характеристик, о которых вам следует знать.

32- и 64-битные процессоры

Есть два основных типа процессоров: 32-битные и 64-битные. Эти числа относятся к тому, сколько бит может быть передано одновременно между разными частями ЦП. Чем выше количество битов, тем быстрее будет процессор.

Тактовая частота

Тактовая частота означает, сколько инструкций процессор может обработать в секунду. Обычно они представлены в гигагерцах (ГГц), и вы часто будете видеть это число в спецификациях процессора. Чем выше тактовая частота, тем быстрее будет работать процессор.

В большинстве случаев сравнивать тактовую частоту необходимо только при оценке процессоров одного поколения. Это потому, что, хотя тактовая частота является фактором, влияющим на скорость процессора, есть и другие компоненты, которые имеют такое же значение.

L2 / L3 кэш

Память L2 и L3 — это место, где ЦП хранит обычно используемые данные. Вместо того, чтобы обращаться к ОЗУ каждый раз, когда ЦП необходимо обработать инструкцию, ЦП может хранить некоторые инструкции, которые часто возникают внутри себя. Кэш работает быстрее, чем ОЗУ, потому что он является частью процессора, чем больше у вас кеша, тем быстрее будет ваш процессор.

Как работают ядра процессора

В старые времена вычислительной техники компьютерный процессор имел бы одно ядро. Это означает, что он мог одновременно выполнять только один набор инструкций. Аппаратные инженеры раздвинули этот предел, и сегодня многоядерные процессоры стали стандартом. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер, поэтому они могут выполнять разные инструкции одновременно.

Большинство компьютеров сегодня имеют от двух до четырёх ядер. Вы часто слышите, что эти настройки называются «двухъядерными» и «четырехъядерными» соответственно. Некоторые процессоры имеют до 12 ядер, в зависимости от их назначения. Чем больше ядер у ЦП, тем больше инструкций может интерпретировать процессор.

Многоядерные процессоры — это просто два или более процессора на одном кристалле. Четырехъядерный процессор — это четыре процессора, всё на одном кристалле. Затем они связываются, чтобы они могли работать вместе.

Подведение итогов

Процессоры — неотъемлемая часть компьютера. Он отвечает за обработку данных, которые позволяют запускать программы на вашем компьютере. В последние годы процессоры значительно улучшились.

Внедрение многоядерных процессоров, а также новые инновации, такие как гиперпоточность, позволяют нашим компьютерам работать быстрее и эффективнее.

Читайте также: