К каким данным центральный процессор может обращаться непосредственно

Обновлено: 07.07.2024

Центральный процессор (ЦП, CPU) - это мозг нашего компьютера. Он выполняет арифметические и логические вычисления в огромных объёмах. Центральный процессор исполняет команды пользователя, обрабатывает информацию и управляет остальными задачами компьютера. А без команд от ЦП не произойдёт ни одна задача, даже самая простая, как 2+2 к примеру.

Центральный процессор представляет из себя чип со сложнейшей микроструктурой, в котором находятся транзисторы. В современном мире (в нашем с Вами) количество этих транзисторов исчисляется в 1,5- 2 миллиарда ! Только представьте.. в эту небольшую штучку засовывают миллиард транзисторов..

На мировом современном рынке крупными и зарекомендованными производителями ЦП конечно же являются Intel и AMD . Самые настоящие конкуренты. Сейчас много от кого можно услышать, типа "Intel лучшие! AMD горячие и глючные!".. бла бла.. На мой взгляд два производителя заслуживают БЫТЬ. Лично у меня платформа на Intel , но не в коем случае не потому что " AMD - какаха .. " Как созрею- соберу на AMD. =)

Итак, из чего же делают сие чудо с миллионами транзисторов внутри? Делают их из кремния. Очищенный кремний превращают в монолитный кристалл в форме цилиндра, который весит килограммов 100.. После чего нарезают блинчики.. с примерной толщиной- 1 мм:

Вот такие блинчики доводят до идеально ровного состояния и и полируют до зеркального блеска. После всего этого предстоит задача нанесения на пластины структуру будущих процессоров. А именно, на пластины внедряется примесь, которая и будет являться транзисторами. Происходит внедрение по технологии фотолитографии .

Ну а как процессоры отличаются друг от друга? Основные отличия проявляются в техпроцессе , в разрядности , в тактовой частоте , в типе и размере кэш памяти , в количестве физических и виртуальных ядер , в наличии или отсутствии встроенного видеоядра , в коэффициенте умножения тактовой частоты , в потреблении напряжения и соответственно тепловыделения . Ну а теперь кратенько разберем каждый пунктик:

1 . Техпроцесс (технологический процесс)

- в общем, это процедура изготовления какой- либо продукции, в нашем случае- процедура и технология изготовления ЦП. Слышали такое определение, как нанометр (НМ)? Если мы с Вами возьмём метр , затем поделим его на миллиард частей, то одна часть (одна миллиардная) будет равняться нанометру . Средняя ширина человеческого волоса где то 8000 нанометров , а процессоры сейчас изготавливают по технологии 14, 10 НМ . Круто, не так ли? Так вот, чем меньше нанометров в техпроцессе, тем лучше. Почему? В первую очередь это позволяет снизить энергопотребление процессора (чем тоньше транзистор, тем меньше он "кушает"), соответственно уменьшается тепловыделение (нагрев ЦП) и у нас есть возможность устанавливать более мощные процессоры например в смартфоны, а на ПК это позволяет упростить систему охлаждения. И, наконец, это напрямую влияет на производительность ЦП. Давайте представим.. Физический размер остаётся прежним, но благодаря улучшенному техпроцессу (уменьшенному) вмещается больше элементов, соответственно и работать он будет быстрее. Из минусов, пожалуй то, что такие технологии требуют больших материальных затрат.. Вот и цены на процессоры у нас такие.. =)

2 . Разрядность процессора

- это величина, которая показывает нам сколько бит процессор может обработать за один такт. В свою очередь, такт - это самый короткий промежуток времени, в течении которого выполняется какая либо команда. Именно поэтому 64- х битные процессоры превосходят своих предшественников на 32 бита. ( 1 такт 64 бита > 1 такт 32 бита ).

3 . Тактовая частота

- это один из основных показателей производительности ЦП. По сути, это количество элементарных (самых простых, например сложение двух чисел) операций, которые процессор может обработать за одну секунду. Получается, чем выше тактовая частота процессора, тем больше он обрабатывает операций за одну секунду, следовательно добавляется быстродействие и производительность.

4 . Кэш память ЦП (или Сверхоперативная память)

- это сверхскоростная память с самой быстрой скоростью доступа! Хранятся там временные данные, которые больше всего востребовательны и чаще всего используются во время работы системы. Короче, кэш память- это своего рода буфер обмена данными между процессором и оперативной памятью компьютера. Данная память тоже состоит из группы транзисторов, что так же тянет за собой трудности в производстве и обуславливается ограничением объёма такой памяти. Но главным преимуществом кэш памяти является её скорость, что положительно сказывается опять же на быстродействии. Кэш память существенно быстрее оперативной памяти компьютера. Современные ЦП имеют два или три уровня встроенной кэш памяти, называют их L1, L2 и L3 . L1 имеет наиболее высокую скорость доступа , работает напрямую с ядром процессора и служит буфером обмена между процессором и кэш памятью L2. L2- среднячок по скорости доступа , его объём больше, чем на первом уровне (L1), служит он буфером обмена данными между L1 и L3. Ну и третий уровень, L3- более медленная память предшествующих , но часто существенно больше своим объёмом. Если кэш первого и второго уровня присутствуют у каждого ядра процессора, то L3 напротив- является общим на все ядра .

5 . Ядро ЦП

- это центральный модуль процессора, в котором производятся все расчёты. Современные процессоры обладают многоядерностью, что опять же положительно сказывается на быстродействии чипа. Такие процессоры способны распараллеливать ресурсоёмкие зачачи, тем самым справляться с задачами быстрее. Но и здесь свой подход- больше не всегда лучше. Всё зависит от оптимизации программ и игр к многоядерности. Например, чуть ранее разница в быстродействии между 2-х и 4-х ядерных процессоров могла не отличаться вовсе в силу того, что программы и игры были оптимизированы под два ядра, тем не менее оптимизация под 4 ядра даёт преимущественный прирост скорости обработки данных. Ну и, как правило, чем больше ядер- тем больше энергопотребление процессора и соответственно нужно учитывать факт бОльшего тепловыделения (нагрева) процессора. При этом так же стоит обратить внимание на систему охлаждения процессора. Однако, существуют ещё и виртуальные ядра. Слышали же наверняка- 4 ядра и 4 потока , либо 4 ядра и 8 потоков ? Так вот последнее означает, что процессор имеет 4 физических ядра, нанесённых на чип, но каждое отдельное ядро способно делить себя и на одно виртуальное, тем самым выполнять вместо одного потока- два. Конечно же такой подход не заменит нам наличие физического ядра, но всё же и это позволяет увеличить быстродействие компьютера. Когда одно ядро способно предоставить нам два потока- это называют поддержкой Hyper-Threading . Собственно, отсюда у нас и происходят процессоры, которые не поддерживают Hyper-Threading (например, 4 ядра- 4 потока), или же процессоры, поддерживающие данную функцию (например, 4 ядра- 8 потоков).

6. Видеоядро ЦП

- это встроенное устройство в ЦП, которое параллельно с основными расчётами процессора обрабатывает данные, которые отвечают за картинку на нашем мониторе. Наличие данного ядра часто "обзывается" интегрированной графикой. Отметим тот факт, что данное ядро встраивается не во все процессоры . Так же второй факт, что данное ядро не заменит нам дискретные видеокарты. Для интегрированной графики память выделяется непосредственно из оперативной память компьютера. В чём же плюсы наличия данного ядра? Если вы не собираетесь работать с программами, которые требуют колоссальные графические ресурсы (например рендеринг, работа с 3D графикой и т.д.), а так же не являетесь любителем ультрамаксималок в современных играх с высоким FPS, то данное решение позволит полноценно пользоваться компьютером в прочих надобностях при этом не тратясь на покупку дискретной видеокарты. А цены у них, сами знаете, какие..

7. Коэффициент умножения тактовой частоты процессора

- это число, на которое умножается частота шины (FSB) , в результате чего мы получаем общую частоту нашего процессора. Например, частота шины (FSB) составляет 700 Mhz, коэффициент умножения — 5, получаем: 700 x 5 = 3500 Мгц или 3,5 Ггц. Именно это число и является показателем частоты нашего процессора. Тут же можно объяснить "природу" разгона тактовой частоты процессора (тоже слышали, не так ли?). Данная процедура является энтузиазмом у некоторых пользователей, которые хотят повысить производительность процессора, повышая его тактовую частоту. Делается это и путём увеличения того же самого множителя (увеличением значения коэффициента умножения). В нашем случае, увеличивая коэффициент умножения с 5 до 5,5 даст нам 700 x 5,5 = 3850 Мгц, т.е. частота процессора увеличилась на (3850-3500) 350 Мгц.

Это один из методов разгона частоты ЦП. Производители же могут устанавливать запрет на изменение множителя. В таком случае разгон осуществляется с помощью повышения частоты системной шины материнской платы, но это уже совсем другая история..

Друзья, я считаю, на этом этапе мы можем закончить знакомство с ЦП. Основные понятия, а так же принцип работы мы с Вами разобрали.

От себя скажу следующее:

Со времен создания ЭВМ фон Неймана основная память в компьютерной системе организована как линейное (одномерное) адресное пространство , состоящее из последовательности слов, а позже байтов [10]. Аналогично организована и внешняя память . Хотя такая организация и отражает особенности используемого аппаратного обеспечения, она не соответствует способу, которым обычно создаются программы. Большинство программ организованы в виде модулей, некоторые из которых неизменны (только для чтения, только для исполнения), а другие содержат данные, которые могут быть изменены.

Если операционная система и аппаратное обеспечение могут эффективно работать с пользовательскими программами и данными, представленными модулями, то это обеспечивает ряд преимуществ.

Модули могут быть созданы и скомпилированы независимо друг от друга, при этом все ссылки из одного модуля в другой разрешаются системой во время работы программы.
Разные модули могут получать разные степени защиты (только чтение, только исполнение) за счет весьма умеренных накладных расходов.
Возможно применение механизма, обеспечивающего совместное использование модулей разными процессами (для случая сотрудничества процессов в работе над одной задачей).

Память – важнейший ресурс вычислительной системы, требующий эффективного управления. Несмотря на то, что в наши дни память среднего домашнего компьютера в тысячи раз превышает память больших ЭВМ 70-х годов, программы увеличиваются в размере быстрее, чем память . Достаточно сказать, что только операционная система занимает сотни Мбайт (например, Windows 2000 – до 30 млн строк), не говоря о прикладных программах и базах данных, которые могут занимать в вычислительных системах десятки и сотни Гбайт.

Перефразированный закон Паркинсона гласит: "Программы расширяются, стремясь заполнить весь объем памяти, доступный для их поддержки" (сказано это было об ОС). В идеале программисты хотели бы иметь неограниченную в размере и скорости память , которая была бы энергонезависимой, т.е. сохраняла свое содержимое при выключении электричества, а также недорого бы стоила. Однако реально пока такой памяти нет. В то же время на любом этапе развития технологии производства запоминающих устройств действуют следующие достаточно устойчивые соотношения:

чем меньше время доступа, тем дороже бит;
чем выше емкость, тем ниже стоимость бита;
чем выше емкость, тем больше время доступа.

Чтобы найти выход из сложившийся ситуации, необходимо опираться не на отдельно взятые компоненты или технологию, а выстроить иерархию запоминающих устройств, показанную на рис. 6.1. При перемещении слева направо происходит следующее :

снижается стоимость бита;
возрастает емкость;
возрастает время доступа;
снижается частота обращений процессора к памяти.

Предположим, процессор имеет доступ к памяти двух уровней. На первом уровне содержится Е₁ слов, и он характеризуется временем доступа Т₁ = 1 нс . К этому уровню процессор может обращаться непосредственно. Однако если требуется получить слово , находящееся на втором уровне, то его сначала нужно передать на первый уровень. При этом передается не только требуемое слово , а блок данных , содержащий это слово . Поскольку адреса, к которым обращается процессор , имеют тенденцию собираться в группы (циклы, подпрограммы), процессор обращается к небольшому повторяющемуся набору команд. Таким образом, работа процессора с вновь полученным блоком памяти будет проходить достаточно длительное время.

Обозначим через Т₂ = 10 нс время обращения ко второму уровню памяти, а через Р – отношение числа нахождений нужного слова в быстрой памяти к числу всех обращений. Пусть в нашем примере Р = 0,95 (т.е. 95% обращений приходится на быструю память , что вполне реально), тогда среднее время доступа к памяти можно записать так:

Этот принцип можно применять не только к памяти с двумя уровнями. Реально так и происходит. Объем оперативной памяти существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса, так как он ограничивает число одновременно выполняющихся программ, т.е. уровень мультипрограммирования. Если предположить, что процесс проводит часть р своего времени в ожидании завершения операции ввода-вывода, то степень загрузки Z центрального процессора (ЦП) в идеальном случае будет выражаться зависимостью

Z = 1 - p n , где n – число процессов.

На рис. 6.2 показана зависимость Z=p(n) для различного времени ожидания завершения операции ввода-вывода (20%, 50% и 80%) и числа процессов n. Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, требует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск .

Рис. 6.2. Загрузка процессора при различном числе процессов

Очевидно, что имеет смысл временно выгружать неактивные процессы, находящиеся в ожидании каких-либо ресурсов, в том числе очередного кванта времени центрального процессора. К моменту, когда пройдет очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память . Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена ( виртуализация ) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования, поскольку объем оперативной памяти теперь не столь жестко ограничивает число одновременно выполняемых процессов. При этом суммарный объем оперативной памяти, занимаемой образами процессов, может существенно превосходить имеющийся объем оперативной памяти.

В данном случае в распоряжение прикладного программиста предоставляется виртуальная оперативная память , размер которой намного превосходит реальную память системы и ограничивается только возможностями адресации используемого процесса (в ПК на базе Pentium 2 32 = 4 Гбайт). Вообще виртуальным (кажущимся) называется ресурс , обладающий свойствами (в данном случае большой объем ОП), которых в действительности у него нет.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью аппаратных и программных средств вычислительной системы (схемами процессора и операционной системой) автоматически без участия программиста и не сказывается на логике работы приложения.

Виртуализация памяти возможна на основе двух возможных подходов [17]:

свопинг (swapping) – образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;
виртуальная память ( virtual memory ) – между оперативной памятью и диском перемещаются части образов (сегменты, страницы, блоки и т.п.) процессов.

избыточность перемещаемых данных и отсюда замедление работы системы и неэффективное использование памяти;
невозможность загрузить процесс, виртуальное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Достоинство свопинга по сравнению с виртуальной памятью – меньшие затраты времени на преобразование адресов в кодах программ, поскольку оно делается один раз при загрузке с диска в память (однако это преимущество может быть незначительным, т.к. выполняется при очередной загрузке только часть кода и полностью преобразовывать код, может быть, и не надо).

Виртуальная память не имеет указанных недостатков, но ее ключевой проблемой является преобразование виртуальных адресов в физические (почему это проблема, будет ясно дальше, а пока можно отметить существенные затраты времени на этот процесс, если не принять специальных мер).

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:

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.
Системные операции отвечают за остановку работы софта, организовывают обработку данных, ну и, кроме всего, отвечают за стабильную работу системы ПК.
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.
Арифметически-логические. Такой тип операций вычисляет значения функций, отвечает за обработку чисел, преобразование их в различные системы исчисления.
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.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.

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

В этой статье мы рассмотрим, что такое процессор CPU, какие у него функции и из чего он состоит.

В каждом вычислительном устройстве (ПК, смартфон, фотоаппарат) есть центр, который отвечает за правильную работу машины ― процессор.

В широком смысле процессор ― это устройство, которое выполняет вычислительные и логические операции с данными. Чаще всего этот термин используется для обозначения центрального процессора устройства. Расшифровка CPU ― Central Processing Unit (центральное обрабатывающее устройство). Это самая важная часть компьютера. Его мозг. Он выглядит как квадрат размером приблизительно 5x5 см:

Что значит CPU на процессоре

С обратной стороны CPU находятся ножки, с помощью которых он крепится к материнской плате:

Назначение и характеристика процессора

От мощности центрального процессора зависит скорость обработки команд и продуктивность работы других составляющих компьютера. Например, можно купить современную видеокарту, но она не сможет показать свои возможности, если управляется слабым CPU.

Функции CPU

Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU:

получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции, передаёт их на внешние устройства,
формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств,
временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных,
принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их.

Из чего состоит CPU

Центральный процессор состоит из 3-х частей:

Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать, выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.

Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на скорость выполнения запросов.
Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

Главной характеристикой процессора является производительность. Она зависит от двух параметров: тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает машина.

Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.

Производители CPU

На рынке есть два основных производителя центральных процессоров ― Intel и AMD.

Продукты Intel — дорогие, но имеют высокую производительность. Потребляют меньше энергии, следовательно меньше перегреваются. Имеют хорошую связь с оперативной памятью.

Продукты AMD значительно отстают от Intel, однако стоят дешевле. Они требуют много энергии и хуже взаимодействуют с оперативной памятью по сравнению с процессорами от Intel.

Читайте также: