Какие две характеристики процессора зависимы друг от друга

Обновлено: 07.07.2024

Существующие в настоящее время центральные процессоры (ЦП) могут различаться по множеству параметров. Существуют различные характеристики процессора, набор которых для каждой модели ЦП уникален. Абсолютно одинаковых микросхем, имеющих полностью совпадающие параметры, практически не существует.

Основные характеристики процессоров

Характеристик у ЦП достаточно много, однако, главной является его набор команд или система команд. В настоящее время все ЦП для компьютеров используют систему команд, совместимую с 8086 (так называемое семейство х86). Для ЦП с 64-х битной архитектурой эта система команд расширяется дополнительным набором команд, но при этом, совместимость с х86 остаётся.

Следующей важной характеристикой ЦП является его разрядность или битность. Это число показывающее, со сколькими единичными разрядами ЦП может работать за 1 машинный цикл. Современные ЦП имеют разрядность 32 или 64 бита.

Помимо перечисленных, основными характеристиками ЦП являются:

применяемая технология изготовления;
используемый ЦП разъём или сокет;
частота работы ЦП;
наличие дополнительных ядер (как основных, так и графических);
объём быстродействующей памяти на кристалле (кэша);
наличие дополнительных функций.

Рассмотрим их более детально.

Сокет

Сокет материнской платы – это разъём, в который ЦП устанавливается. Он определят число выводов ЦП, подключённых к материнской плате. В зависимости от типа сокета их число, как и их тип (ножки или контактные площадки) могут быть различными.

Количество ядер центрального процессора

В настоящее время одноядерных ЦП практически не выпускается. Хотя, до сих пор эксплуатируются устаревшие модели Pentium и Celeron, имеющие только одно ядро. Большинство современных ЦП имеет их, как минимум 4. Максимальное их количество составляет 28 у ЦП Xeon от фирмы Intel и 32 у Threadripper от AMD.

Это число является важным параметром, поскольку именно оно определяет производительность ЦП в работе под многозадачной операционной системой.

Важно! В настоящее время существует дополнительная косвенная характеристика, относящаяся к числу ядер и называемая количество потоков. Поток – это минимально существующая часть кода, предназначенная для непрерывного выполнения одиночным ЦП. В большинстве случаев количество потоков в два раза больше числа ядер.

Тактовая частота процессора

Тактовая частота определяет быстродействие ЦП, то есть частоту с которой он может обрабатывать команды. Она выражается в герцах; 1 герц – это тактовый импульс в секунду. У современных ЦП её значение составляет тысячи мегагерц или гигагерцы (миллиарды герц).

Кэш память центрального процессора

К основным характеристикам относится также объём кэш-памяти ЦП, то есть памяти, расположенной внутри него и работающей на той же частоте, что и сам ЦП. Быстродействие такой памяти существенно превышает быстродействие любой другой памяти, к которой относится, например, оперативная. Именно в кэш-память загружаются наиболее часто исполняемые последовательности кодов, а также в ней происходит временное хранение данных для разных потоков.

Объём кэш-памяти очень критичен для серверных задач, а также для задач, связанных с перебором большого количества данных (например, сложные математические расчёты, запросы к базам данных, хеширование при составлении блокчейнов и т.д.)

Это один из важнейших параметров ЦП серверной системы. ЦП, которые имеют большой объём кэша, иногда в 5-10 раз превосходят по производительности ЦП с большей частотой и большим количеством потоков.

Внимание! Разница в объёме кэш-памяти может быть достаточно большой. Минимальные объёмы ограничены 512 килобайтами, максимальные могут составлять десятки мегабайт.

Графическое ядро процессора

Эту характеристику можно назвать основной условно, однако, в последнее время её уделяется всё большее внимание. Дело в том, что идея интегрированной графики не в чипсет, а в ЦП имеет массу преимуществ:

Этим материалом мы открываем цикл статей, посвященный основным параметрам и компонентам компьютера. Не переживайте, перед вами не очередной технический справочник и даже не опусы о преимуществах блоков предварительной выборки.

Мы просто решили доходчиво, по-человечески рассказать, что же пишут производители в своих таблицах и на что конкретно влияют те или иные характеристики. Мы хотим, чтобы вы, прочитав наши материалы, смотрели на сложные ТТХ и сразу же понимали, что значат все эти заумные цифры.

Кроме общей тематики, эти статьи больше ничем не будут связаны — читать их можно в свободном порядке и в любое время. А после изучения полного цикла вы не только узнаете много интересного, но и сможете осмысленно выбрать ПК, подходящий именно под ваши требования.

Процессор

Раз уж планирование будущей системы начинается с процессора, то им мы и откроем наш монументальный труд. Всю жизнь кристалл считался самым важным и дорогим элементом ПК, именно он определяет быстродействие системника, крутит музыку из Winamp, показывает фильмы, отображает буковки в Word, грузит ролики с YouTube и думает за ботов в Far Cry 3. Нам бы тут, конечно, нагнать интриги да сенсационно заявить, что враки все это, но не получится — так оно и есть.

Однако это не значит, что за возможность нормально играть надо готовить кругленькую сумму и покупать топовый Core i7, отнюдь. Производительность сегодняшних камней достигла такого уровня, что можно обойтись не только моделью среднего ценового диапазона, но и бюджетным вариантом. Главное знать, как выбирать и на что смотреть.

Первое, что делаем, — вспоминаем, есть ли у нас уже материнская плата и оставляем ли мы ее. При положительном ответе камень подбираем под нее. Лезть в интернет и изучать странички производителей необязательно. Достаточно взглянуть на название процессорного разъема (сокета) — это слот, куда вставляется ЦП. Что на кристалле, что на материнке записи в этой строке должны совпадать до последнего знака (к примеру, Socket LGA1155). Ошибемся — напильник не поможет: или искать новую плату, или идти на поклон к продавцу и просить поменять процессор.

Если чипсета еще нет, то забываем про сокет и сразу переходим к архитектуре. Ей предстоит управлять всеми делами в кристалле. При глупом «начальнике» часть ресурсов системы окажется не у дел, и мы потеряем в производительности. Попадется удачный экземпляр — все будут работать слаженно и без перерывов.

К сожалению, узнать о плюсах/минусах архитектуры только по названию невозможно. Поэтому основным критерием выбора должна стать дата выпуска. Прикинуть ее на глаз не выйдет, придется запоминать. Сегодня у Intel мы выбираем Ivy Bridge, у AMD — Piledriver. В будущем году ищем Intel Haswell и AMD Steamroller. Впрочем, если с именами беда, то свежесть модели можно определить по еще одному признаку — техпроцессу.

Измеряется он в нанометрах и указывает на то, по каким технологическим нормам создан кристалл. Современные представители делаются на лучших заводах, а значит, и техпроцесс у них наиболее продвинутый, то есть самый маленький. Почему меньше — лучше, объясняется просто.

Техпроцесс — это физический размер транзистора, базового элемента любой микросхемы. Соответственно, чем компактнее эти «кирпичики», тем больше их умещается на отведенной площади и быстрее идет работа. Тут, правда, надо оговориться, что действует аксиома только в пределах одной архитектуры, у разных поколений или компаний «условия труда» могут сильно отличаться.

К примеру, некоторые структуры предполагают встроенное видеоядро, которое также вписывается в строчку «количество транзисторов». Пока интегрированные видеокарты полезны в основном для ноутбуков, HTPC (мультимедийный центр) или офисных машин. Процессорные GPU тихие, и их производительности хватает для уверенной работы Windows и воспроизведения тяжелых Full HD-фильмов, но вот для игр в высоких разрешениях мощности ядер, увы, недостаточно.

Разбиваемся на группы

Определившись с архитектурой, можно переходить к параметрам, напрямую влияющим на производительность. Первый — количество ядер. Многие до сих пор не до конца понимают смысл этой характеристики и упорно думают, что четыре ядра априори в четыре раза быстрее одного. Это ошибка.

Дело в том, что ядро в кристалле — это самостоятельный процессор со всеми конвейерами, вычислительными блоками и кэш-памятью. При росте числа таких наборов их производительность не увеличивается, так как друг с другом они связаны, по сути, лишь общей памятью. Для простоты понимания представьте, что в одной комнате расположились четыре одинаковых компьютера, будут ли они из-за этого работать быстрее? Конечно, нет. Какой тогда толк? А вот какой.

Запустив на одном Far Cry 3, а на втором Winamp — каждой программе мы дадим собственный ПК и избавимся от тормозов. Можно ли быстрее рассчитать одну, но большую задачу? Да, но только при условии, что софт реально разбить на несколько частей, загрузить на раздельные ПК, а итоговые данные собрать в одном месте и объединить. К сожалению, ни вы, ни мы не сможем разложить тот же Photoshop на равные блоки и распихать их по разным системам. Эту возможность должен изначально предусмотреть разработчик. Если ее не будет, то, как бы ни хотелось, считать все придется на одном системнике, в то время как остальные три будут бездельничать и жрать электроэнергию. Стоит ли за это доплачивать?

А вот тут действительно решать вам. Вообще, количество мультипоточных приложений растет. К их списку относятся практически все графические/видео/музыкальные редакторы, а также программы архивации и конвертации данных. Подтягиваются в их ряды и игры, но далеко не все: многие разработчики до сих пор применяют старые движки, которые слишком сложно переделать под новые требования. К примеру, Battlefield 3 работает лишь на одном ядре, а вот Far Cry 3 уже умеет распараллеливать некоторые задачи. Впрочем, это не значит, что дополнительные модули для того же Battlefield 3 бесполезны, свободные ресурсы разрешается загрузить TeamSpeak или Ventrilo, тем же Winamp — на игру они никак не повлияют, так как будут считаться независимо.

В целом итог по количеству ядер следующий. Многие программы могут использовать весь кристалл, некоторые на это не способны. Переплачивая за бонусные блоки, можно быть уверенным только в одном: общая отзывчивость системы увеличится, особенно при запуске нескольких ПО. А вот что касается отдельных приложений — тут как повезет. Если интересует какая-то конкретная программа, то узнать о ее способностях можно, набрав в Google «НАЗВАНИЕ multhreading», ответ найдется сразу.

Отметим, что часть процессоров на одном ядре могут считать два потока. В Intel за это отвечает технология Hyper-Threading, и записывают ее как «количество потоков». Смысл ее в том, что иногда кристалл может загрузить в дополнение к сложной задаче еще одну программку, но полегче. Происходит это когда первое приложение начинает буксовать на каком-то из этапов и часть блоков оказывается незанятой. Случается это не часто, так что возлагать большие надежды на Hyper-Threading не стоит — производительность вырастет всего на несколько процентов.

В последних архитектурах AMD эта технология реализована на железном уровне. В Bulldozer и Piledriver у каждого блока есть по два вычислительных модуля, которые производитель коварно записывает как полноценные ядра. На деле это не так: из-за того, что у них только одна загрузочная линия, второй «калькулятор» зачастую простаивает. При покупке имейте это в виду и делите количество ядер на два.

Вторая космическая

Вторая важная характеристика процессора — частота его работы. Она определяет, сколько операций в секунду совершает транзистор. Лет пять назад можно было с уверенностью говорить, что чем выше этот параметр — тем производительнее кристалл. Сейчас выбирать камень только по этому параметру нельзя.

Объясним на примере. Допустим, у нас есть четыре грузовика (ядра), которые перевозят груз (данные) на скорости 60 км/ч (частота). И второй вариант, есть у нас два тягача, но едущих уже 70 км/ч. Какой из них будет выгоднее? Правильно, зависит от того, сколько мы можем нагрузить контейнеров. Если все четыре, то первый случай будет лучше — груза перевезем больше. Если часть емкостей будет простаивать, то второе предложение окажется предпочтительнее.

Производители про эту зависимость знают и в последнее время предлагают опцию автоматического разгона. Если какие-то блоки остаются свободными, то их отключают, а освободившуюся энергию направляют на работающие модули, повышая их скорость. Такую функцию записывают как вторую, более высокую частоту модели.

Вывод из всего этого следующий. На частоту процессора надо обращать внимание исключительно в пределах одной архитектуры и одинакового количества ядер. Иначе этот параметр ни о чем не скажет, только запутает.

Выбирая модель по скорости, помним, что пропорционально ей растет тепловыделение (TDP). Следить за этим показателем надо при покупке системы охлаждения. Если на коробке с камнем написано, что его TDP равно 120 Вт, то эти же цифры ищите и на упаковке с кулером. Если они выше заданного значения — хорошо, если нет — возможен перегрев и выход ЦП из строя. Плюс имейте в виду, что чем больше TDP — тем, как правило, сильнее шумит кулер.

Как видите, ничего сложного, главное — не промахнуться с процессорным сокетом, годом выпуска и правильно прикинуть нужное количество ядер. Прежде чем поставить точку, расскажем еще одну хитрость, которая может помочь при выборе.

Если мы примерно знаем, зачем необходим новый кристалл (допустим, для Far Cry 3), не ленимся и набираем в Google фразу следующего типа «сore i3-2310 far cry 3 benchmark» — получаем кучу ссылок на отзывы и тесты как пользователей, так и профильной прессы. Этот же способ отлично подходит, если не удается понять, из-за чего тормозит та или иная игра. Проверив таким образом свой камень, легко понять, он в этом виноват или нет. Вот теперь все. В следующем номере будем разбираться с материнскими платами.

Кэш-память

На кэш-память многие обращают внимание и считают, что чем ее больше, тем лучше. В принципе, это верно, только вот не бывает двух одинаковых камней, но с разным кэшем. Как правило, объем подобной памяти подбирают строго под нужды и возможности модели и с лишними мегабайтами стараются не перебарщивать — обходится удовольствие недешево.

Чтобы объяснить назначение кэша, нам придется немного отвлечься и рассказать, как вообще устроена структура передачи и хранения данных в наших системах.

В компьютере используются два типа памяти: постоянная и промежуточная. Первая предназначена для долгого хранения данных — это жесткие диски и SSD. Вторая нужна для временного хранения — оперативка и кэш. Такое разделение далеко не случайно. Для эффективной работы кристалл должен непрерывно получать данные для расчета — без них он будет простаивать. К сожалению, постоянные носители этого сделать не могут, им остро не хватает производительности. Поэтому информацию, нужную камню в самое ближайшее время, перекидывают с того же HDD сначала в оперативку, а затем в еще более скоростной кэш.

Благодаря этому удается держать кристалл в нагруженном состоянии. Заметим, что быстрая память, работающая на одной частоте с ядрами, стоит нереально дорого и собирается на основе физических триггеров, поэтому ее объем до сих пор составляет всего лишь несколько килобайт.

Читаем названия

Далеко не всегда в компьютерных магазинах раскрывают все характеристики представленных процессоров — и особенно это касается готовых ПК. К счастью, определить, что перед вами за модель, не сложно. В названиях ЦП зашифрована практически вся необходимая информация.

Intel

Core i7 (1)-3 (2)7 (3) 0 (3) 0K

1 — СЕРИЯ:

— i7 — топовые процессоры, поддерживают все технологии Intel, имеют четыре ядра и оснащаются кэш-памятью L3 объемом 8 Мб;

— i5 — средний ценовой сегмент; процессоры могут быть двухъядерными и четырехъядерными, как правило, лишены поддержки Hyper-Threading, Virtualization Technology и Trusted Execution, оснащаются 3 или 6 Мб кэш-памяти L3;

— i3 — младшая серия, выпускается только в двухъядерном варианте и с L3-кэшем объемом 3 Мб.

2 - Указывает на поколение серии Core i-Х, Sandy Bridge отмечается «двойкой», Ivy Bridge - «тройкой».

3 - Указывает на положение процессора в серии. Чем выше цифра, тем быстрее процессор. В основном зависит от тактовой частоты.

4 - Версия:

— K — процессор с разблокированным множителем, можно разогнать;

— M — мобильный процессор;

— P — процессор без автоматического разгона;

— S — процессор со сниженным до 65 Вт энергопотреблением;

— T — процессор со сниженным до 45/35 Вт энергопотреблением.

AMD без встроенного видеоядра

1- Аналогично надписи Core в кристаллах Intel, обычное название серии.

2 - Соответствует количеству ядер в процессоре.

3 - Указывает на архитектуру. «Двойка» — Bulldozer, «тройка» — Piledriver.

4 - Kак и у Intel, определяет положение модели в семействе, в основном зависит от частоты; чем выше цифра, тем быстрее камень.

AMD со встроенным видеоядром

A10 (1)-5 (2) 8 (3)00

1 - Прямо указывает на количество ядер и установленный GPU:

A10 — четыре ядра и Radeon HD 7660D (здесь и далее — для архитектуры Trinity);

2.1. Процессор.

Самый основной элемент компьютера, это, конечно, процессор. Давайте подробней его рассмотрим. Упрощённая структура процессора (рис. 4):

Рис. 4. Упрощённая структура процессора

Основные элементы процессора:

· Регистры – это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.

· Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции.

· Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд).

· Тактовый генератор , или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора.

2.2. Режимы работы процессора.

Процессор архитектуры x86 может работать в одном из пяти режимов и переключаться между ними очень быстро:

1. Реальный (незащищенный) режим (real address mode) — режим, в котором работал процессор 8086. В современных процессорах этот режим поддерживается в основном для совместимости с древним программным обеспечением (DOS-программами).

2. Защищенный режим (protected mode) — режим, который впервые был реализован в 80286 процессоре. Все современные операционные системы (Windows, Linux и пр.) работают в защищенном режиме. Программы реального режима не могут функционировать в защищенном режиме.

3. Режим виртуального процессора 8086 (virtual-8086 mode, V86) — в этот режим можно перейти только из защищенного режима. Служит для обеспечения функционирования программ реального режима, причем дает возможность одновременной работы нескольких таких программ, что в реальном режиме невозможно. Режим V86 предоставляет аппаратные средства для формирования виртуальной машины, эмулирующей процессор8086. Виртуальная машина формируется программными средствами операционной системы. В Windows такая виртуальная машина называется VDM (Virtual DOS Machine — виртуальная машина DOS). VDM перехватывает и обрабатывает системные вызовы от работающих DOS-приложений.

4. Нереальный режим (unreal mode, он же big real mode) — аналогичен реальному режиму, только позволяет получать доступ ко всей физической памяти, что невозможно в реальном режиме.

5. Режим системного управления System Management Mode (SMM) используется в служебных и отладочных целях.

При загрузке компьютера процессор всегда находится в реальном режиме, в этом режиме работали первые операционные системы, например MS-DOS, однако современные операционные системы, такие как Windows и Linux переводят процессор в защищенный режим. Вам, наверное, интересно, что защищает процессор в защищенном режиме? В защищенном режиме процессор защищает выполняемые программы в памяти от взаимного влияния (умышленно или по ошибке) друг на друга, что легко может произойти в реальном режиме. Поэтому защищенный режим и назвали защищенным.

2.3. Регистры процессора (программная модель процессора).

Для понимания работы команд ассемблера необходимо четко представлять, как выполняется адресация данных, какие регистры процессора и как могут использоваться при выполнении инструкций. Рассмотрим базовую программную модель процессоров Intel 80386, в которую входят:

· 8 регистров общего назначения, служащих для хранения данных и указателей;

· регистры сегментов — они хранят 6 селекторов сегментов;

· регистр управления и контроля EFLAGS, который позволяет управлять состоянием выполнения программы и состоянием (на уровне приложения) процессора;

· регистр-указатель EIP выполняемой следующей инструкции процессора;

· система команд (инструкций) процессора;

· режимы адресации данных в командах процессора.

Начнем с описания базовых регистров процессора Intel 80386.

Базовые регистры процессора Intel 80386 являются основой для разработки программ и позволяют решать основные задачи по обработке данных. Все они показаны на рис. 5.

Рис. 5. Базовые регистры процессора Intel 80386

Среди базового набора регистров выделим отдельные группы и рассмотрим их назначение.

2.4. Регистры общего назначения.

Остальные четыре регистра – ESI (индекс источника), EDI (индекс приемника), ЕВР (указатель базы), ESP (указатель стека) – имеют более конкретное назначение и применяются для хранения всевозможных временных переменных. Регистры ESI и EDI необходимы в строковых операциях, ЕВР и ESP – при работе со стеком. Так же как и в случае с регистрами ЕАХ - EDX, младшие половины этих четырех регистров называются SI, DI, BP и SP соответственно, и в процессорах до 80386 только они и присутствовали.

2.5. Сегментные регистры.

При использовании сегментированных моделей памяти для формирования любого адреса нужны два числа – адрес начала сегмента и смещение искомого байта относительно этого начала (в бессегментной модели памяти flat адреса начал всех сегментов равны). Операционные системы (кроме DOS) могут размещать сегменты, с которыми работает программа пользователя, в разных местах памяти и даже временно записывать их на диск, если памяти не хватает. Так как сегменты способны оказаться где угодно, программа обращается к ним, применяя вместо настоящего адреса начала сегмента 16-битное число, называемое селектором. В процессорах Intel предусмотрено шесть 16-битных регистров - CS, DS, ES, FS, GS, SS , где хранятся селекторы. (Регистры FS и GS отсутствовали в 8086, но появились уже в 80286.) Это означает, что в любой момент можно изменить параметры, записанные в этих регистрах.

В отличие от DS, ES, GS, FS, которые называются регистрами сегментов данных, CS и SS отвечают за сегменты двух особенных типов – сегмент кода и сегмент стека. Первый содержит программу, исполняющуюся в данный момент, следовательно, запись нового селектора в этот регистр приводит к тому, что далее будет исполнена не следующая по тексту программы команда, а команда из кода, находящегося в другом сегменте, с тем же смещением. Смещение очередной выполняемой команды всегда хранится в специальном регистре EIP (указатель инструкции, 16-битная форма IP), запись в который так же приведет к тому, что далее будет исполнена какая-нибудь другая команда. На самом деле все команды передачи управления – перехода, условного перехода, цикла, вызова подпрограммы и т.п. – и осуществляют эту самую запись в CS и EIP.

2.6. Регистр флагов.

Еще один важный регистр, использующийся при выполнении большинства команд, - регистр флагов. Как и раньше, его младшие 16 бит, представлявшие собой весь этот регистр до процессора 80386, называются FLAGS. В EFLAGS каждый бит является флагом, то есть устанавливается в 1 при определенных условиях или установка его в 1 изменяет поведение процессора. Все флаги, расположенные в старшем слове регистра, имеют отношение к управлению защищенным режимом, поэтому здесь рассмотрен только регистр FLAGS (см. рис. 6):

Рис. 6. Регистр флагов FLAGS.

CF – флаг переноса. Устанавливается в 1, если результат предыдущей операции не уместился в приемнике и произошел перенос из старшего бита или если требуется заем (при вычитании), в противном случае – в 0. Например, после сложения слова 0 FFFFh и 1, если регистр, в который надо поместить результат, – слово, в него будет записано 0000 h и флаг CF = 1.

PF – флаг четности. Устанавливается в 1, если младший байт результата предыдущей команды содержит четное число битов, равных 1, и в 0, если нечетное. Это не то же самое, что делимость на два. Число делится на два без остатка, если его самый младший бит равен нулю, и не делится, когда он равен 1.

AF – флаг полупереноса или вспомогательного переноса. Устанавливается в 1, если в результате предыдущей операции произошел перенос (или заем) из третьего бита в четвертый. Этот флаг используется автоматически командами двоично-десятичной коррекции.

ZF – флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат предыдущей команды – ноль.

SF – флаг знака. Он всегда равен старшему биту результата.

TF – флаг ловушки. Он был предусмотрен для работы отладчиков, не использующих защищенный режим. Установка его в 1 приводит к тому, что после выполнения каждой программной команды управление временно передается отладчику.

IF – флаг прерываний. Сброс этого флага в 0 приводит к тому, что процессор перестает обрабатывать прерывания от внешних устройств. Обычно его сбрасывают на короткое время для выполнения критических участков кода.

DF – флаг направления. Он контролирует поведение команд обработки строк: когда он установлен в 1, строки обрабатываются в сторону уменьшения адресов, когда DF =0 – наоборот.

OF – флаг переполнения. Он устанавливается в 1, если результат предыдущей арифметической операции над числами со знаком выходит за допустимые для них пределы. Например, если при сложении двух положительных чисел получается число со старшим битом, равным единице, то есть отрицательное, и наоборот.

Флаги IOPL (уровень привилегий ввода-вывода) и NT (вложенная задача) применяются в защищенном режиме.

2.7. Цикл выполнения команды

Программа состоит из машинных команд. Программа загружается в оперативную память компьютера. Затем программа начинает выполняться, то есть процессор выполняет машинные команды в той последовательности, в какой они записаны в программе.

Для того чтобы процессор знал, какую команду нужно выполнять в определённый момент, существует счётчик команд – специальный регистр, в котором хранится адрес команды, которая должна быть выполнена после выполнения текущей команды. То есть при запуске программы в этом регистре хранится адрес первой команды. В процессорах Intel в качестве счётчика команд (его ещё называют указатель команды) используется регистр EIP (или IP в 16-разрядных программах).

Счётчик команд работает со сверхоперативной памятью, которая находится внутри процессора. Эта память носит название очередь команд, куда помещается одна или несколько команд непосредственно перед их выполнением. То есть в счётчике команд хранится адрес команды в очереди команд, а не адрес оперативной памяти.

Цикл выполнения команды – это последовательность действий, которая совершается процессором при выполнении одной машинной команды. При выполнении каждой машинной команды процессор должен выполнить как минимум три действия: выборку, декодирование и выполнение. Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то процессору придётся выполнить ещё две операции: выборку операнда из памяти и запись результата в память. Ниже описаны эти пять операций.

Выборка команды . Блок управления извлекает команду из памяти (из очереди команд), копирует её во внутреннюю память процессора и увеличивает значение счётчика команд на длину этой команды (разные команды могут иметь разный размер).
Декодирование команды . Блок управления определяет тип выполняемой команды, пересылает указанные в ней операнды в АЛУ и генерирует электрические сигналы управления АЛУ, которые соответствуют типу выполняемой операции.
Выборка операндов . Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то блок управления начинает операцию по его выборке из памяти.
Выполнение команды . АЛУ выполняет указанную в команде операцию, сохраняет полученный результат в заданном месте и обновляет состояние флагов, по значению которых программа может судить о результате выполнения команды.
Запись результата в память . Если результат выполнения команды должен быть сохранён в памяти, блок управления начинает операцию сохранения данных в памяти.

Суммируем полученные знания и составим цикл выполнения команды:

Выбрать из очереди команд команду, на которую указывает счётчик команд.
Определить адрес следующей команды в очереди команд и записать адрес следующей команды в счётчик команд.
Декодировать команду.
Если в команде есть операнды, находящиеся в памяти, то выбрать операнды.
Выполнить команду и установить флаги.
Записать результат в память (по необходимости).
Начать выполнение следующей команды с п.1.

Это упрощённый цикл выполнения команды. К тому же действия могут отличаться в зависимости от процессора. Однако это даёт общее представление о том, как процессор выполняет одну машинную команду, а значит и программу в целом.

За время работы системный администратором мне не раз приходилось слышать от сотрудников нашего офиса вопросы, которые заставляли меня окунуться в "чертоги разума" или применить дедуктивные навыки, чтобы понять, о чем вообще идёт речь.

И один из таких вопросов "мой процессор перестал включаться" или его другая версия "я что-то нажал и мой процессор отключился".

В это статье я хочу внести немного ясности и рассказать всем, что это вообще такое процессор и почему его не стоит путать с другими компонентами компьютера.

Что такое процессор (CPU)?

Процессор, что это вообще такое? Зачем он нужен? За какие задачи он отвечает?

Для большинства неопытных и технически неподготовленных пользователей процессором зачастую выступает весь системный блок в сборе. Но это относительно ошибочное суждение, процессор - это нечто, что сокрыто за стенками корпуса и толстым радиатором с вентилятором для его охлаждения.

Процессор или, как его еще называют, центральный процессор (Central Processing Unit) - это электронное устройство (интегральная схема), которое выполняет и обрабатывает машинные инструкции, код программ (машинный язык) и отвечает за все логические операции, которые протекают внутри вашей операционной системы и системного блока.

Без преувеличения, процессор можно назвать мозгом (или сердцем, это кому как больше нравится) любого компьютера, мобильного устройства или другого периферийного устройства. Да-да, слово процессор применимо не только к вашему системному блоку, но и планшету, смарт-холодильнику, игровой приставке, фотоаппарату и другой электронике.

Внешне процессор выглядит как квадратный (или прямоугольный) элемент или плата, в нижней части которой располагается контактная группа для подключения, в вверху находится сам кристалл процессора, который сокрыт под металлической крышкой, чтобы исключить возможность повреждения хрупкого кристалла процессора, а также крышка помогает при отводе тепла с поверхности кристалла на радиатор системы охлаждения.

Кристалл процессора состоит из кремния. Если точнее, полупроводники, из которых состоит процессор, производятся из кремния. На кремневой пластине кристалла в несколько слоёв располагается несколько триллиардов транзисторов (размер которых составляет порядка

10 нм в зависимости от используемого техпроцесса при производстве), которые отвечают за все логические операции процессора.

На самом деле это только поверхностное описание того, из чего состоит процессор, и оно предназначено, скорее, для визуализации того, что из себя представляет процессор внутри. На самом деле все намного сложнее. К сожалению, просто и доходчиво объяснить все принципы создания и работы процессора не так просто, здесь потребуются знания как элементарной алгебры, так и продвинутой физики и электротехники, да и большинству пользователей это попросту не нужно.

Впоследствии производители процессоров научились располагать на печатной плате, помимо самого кристалла процессора, кристалл видеоядра (видеокарты), что позволило исключить необходимость в отдельной дискретной видеокарте для вывода изображения на монитор.

Подводя итог этого блока статьи и что бы дать простой ответ на такой сложный вопрос "Что такое процессор (CPU)" — процессор это сердце любого современного устройства, которое выполняет все основные операции, будь то простое сложение 2+2, набор текста в Microsoft Word или расчет физической модели в Blender.

История появления процессоров

Теперь, когда всё стало немного понятнее и слово процессор у вас не ассоциируется с системным блоком, давайте совершим небольшой экскурс в историю и посмотрим, как появились процессоры и что вообще способствовало их появлению.

Первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) появились в 40-х годах прошлого века. Изначально в их основе использовались лампы и примитивные радиоэлементы по типу резисторов и реле. Размер таких ЭВМ мог достигать нескольких квадратных метров.

На фотографии изображена первая ЭВМ — ENIAC. Ее вес составлял порядка 30 тон, и внутри располагалось 18000 электронных ламп.

Но прогресс не стоит на месте, и в 50-х годах громоздкие электронные лампы сменили транзисторы, которые, в свою очередь, в 60-х годах были вытеснены интегральными микросхемами, которые вмещали в себя уже тысячи таких транзисторов.

Всё изменилось в 1971 году, когда компания Intel представила первую 4-битную однокристальную микросхему Intel 4004. Именно Intel 4004 можно считать первым прародителем процессоров, нежели более ранние прототипы по типу электронных ламп и транзисторов. После Intel 4004 индустрия развития стала шагать семимильными шагами, и каждый год инженерам и конструкторам удавалось разработать более современный микропроцессор, который был мощнее и производительней своего приемника.

Мы умышленно не будем перечислять огромный перечень процессоров в силу того, что это уже получится полноценная, отдельная статья про историю процессоров. Поверьте, там есть о чём рассказывать.

В 1993 году компанией Intel был представлен первый полноценный десктоп процессор первого поколения P5, который впоследствии был переименован в Pentium.

Но не стоит полагать, что двигателем прогресса была только компания Intel, свой вклад в индустрию электроники и центральных процессоров внесли такие компании, как Motorola, Zilog, MOS Technology, Sinclair Research (ZX Spectrum). СССР тоже не отставали, и в 70-х годах Российские разработки в области ЭВМ вполне могли потягаться с зарубежными аналогами. Но в силу того, что СССР перенаправила силы из этой области в другие отраслевые технологии, было принято решение отказаться от собственного производства и впоследствии использовать сертифицированные импортные технологии.

Основные характеристики процессоров

Хорошо. Теперь, когда мы знаем, что такое процессор и его краткую историю появления, нам нужно расставить все точки над i и разобрать еще одну не менее важную составляющую процессоров — характеристики и за что они вообще отвечают.

Производитель

На текущий момент на рынке процессоров существует только два крупных игрока, которые постоянно конкурируют друг с другом как в плане технологий, так и за деньги в вашем кармане - AMD (Advanced Micro Devices) и Intel.

Мы не берём в расчет производителей, которые выпускают мобильные или другие узконаправленные процессоры, но в целях этичности их стоит упомянуть - МЦСТ (Эльбрус), Qualcomm, VIA Technologies, Samsung, Huawei и т. д.

Очень трудно говорить, кто лучше или процессор какого производителя вам стоит выбрать. Всё зависит от конкретных потребностей и ряда задач, которые будут выполняться на данном процессоре. Внести немного ясности в процесс выбора как производителя, так и процессора должна наша статья "Какой процессор лучше: AMD или Intel?"

Сокет (Socket)

Сокет - это разъем подключения (программный интерфейс) для установки центрального процессора на материнскую плату. На английском языке он называется Socket. Сокет - это первый параметр, на который вам нужно обратить внимание при выборе центрального процессора. Существует большое количество сокетов и их модификаций. Например, если у вас есть материнская плата с сокетом LGA 1151, то и процессор должен быть с сокетом LGA 1151, так как процессор с другим сокетом попросту невозможно установить в сокет материнской платы LGA 1151.

Тактовая частота

Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ (Генератор технической частоты) и началом подачи следующего. Исторически сложилась, что тактовая частота измеряется в мегагерцах (для тысячных исчислений используются гигагерцы). Под тактовой частотой следует понимать количество тактов или вычислений в секунду. Следовательно, чем выше тактовая частота процессора, тем больше тактов (операций) в секунду может выполнить центральный процессор.

В качестве примера: центральный процессор с тактовой частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион тактов (операций) в секунду.

У процессоров существует параметр как базовой частоты, так и турбочастоты.

Базовая частота подразумевает частоту, с которой центральный процессор готов обрабатывать операций в стандартном режиме или при отсутствии интенсивной нагрузки. Если базовой частоты становиться недостаточно, автоматически включается интерсивный (турборежим) режим работы, в котором за счет повышения напряжения, центральный процессор поднимает свою тактовую частоту до заявленных, максимальных значений, что позволяет увеличить общую производительности и скорость обработки команд (тактов).

Количество ядер

Ядро - является самой главной частью процессора. Это своеобразный "мозг", который обрабатывает все поступающие команды. Ядро может обрабатывать только один поток команд, следовательно, если в процессоре есть два ядра, ОС может распараллелить поток команд, и ядра будут обрабатывать отдельные потоки команд, что увеличивает общую производительность. Стоит отметить, чтобы процессор мог обрабатывать команды в нескольких потоках и на разных ядрах, сам код программы должен поддерживать многоядерность и многопоточность, в противном случае будет работать только одно ядро, и разницы в производительности вы попросту не увидите. К счастью, большинство современных приложений поддерживают и то, и другое.

Число потоков

Число потоков - это параметр, который отвечает за то, сколько потоков информации может обрабатывать одно ядро процессора.

В качестве примера: процессор Intel Core i3-4170 имеет 2 реальных физических ядра, каждое ядро способно обрабатывать команды в два потока, что при должной оптимизации со стороны программного обеспечения позволяет получить бюджетный аналог четырехъядерного процессора при наличии только двух физических ядер. К сожалению, не все модели процессоров имеют дополнительные потоки.

Кэш (L1, L2, L3)

Кэш-память не менее важный параметр при выборе процессора, чем все остальные. Кэш-память это область энергозависимого ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), в котором хранится информация, с которой центральный процессор работает в текущий момент или собирается работать в ближайшем будущем (или, возможно, уже отработал, но ему еще потребуется эта информация).

Использование кэш-памяти позволяет получить доступ к хранимой информации или командам мгновенно без участия в данном процессе оперативной памяти и связующей шины. Следовательно, чем больше кэш-памяти на различных уровнях имеет процессор, тем лучше.

Техпроцесс

Под словом "техпроцесс" следует понимать технологию, которая используется при производстве полупроводниковых элементов процессора. С уменьшением цифры техпроцесса уменьшается размер и толщина транзисторов, которые размещены в процессоре.

В качестве примера: AMD Ryzen 5 1600 имеет техпроцесс 12 нм, что, в свою очередь, означает, что размер используемых в нём транзисторов равен 12 нанометрам.

Тепловыделение (TDP)

В процессе работы процессор выделяет различное количество тепла. Чтобы исключить возможность перегрева, конструкторами был добавлен уникальный для каждого процессора параметр "тепловыделение (TDP)", с помощью которого можно рассчитать необходимое охлаждение для стабильной работы процессора.

Параметр "тепловыделение (TDP)" процессора означает, сколько ватт тепловой мощности выделяется при максимальной нагрузке на процессор. Например, заявленное тепловыделение AMD Ryzen 7 PRO 1700X равно 95 Вт, что означает, что вам потребуется охлаждение, которое сможет рассеять с поверхности процессора 95 Вт тепла.

Хоть многие и игнорируют этот параметр, но как минимум на него стоит обратить внимание и при выборе "горячего" процессора заложить в его стоимость соответствующий кулер, который сможет обеспечить должное охлаждение и поможет избежать чрезмерного нагрева и последующий переход в состояние троттлинга.

Троттлинг (от англ. throttling - удушение) - это естественный механизм защиты процессора, когда при интенсивной нагрузке он умышленно занижает свои рабочие параметры, чтобы избежать потенциального перегрева и, как следствие, выхода из строя.

Разрядность процессора

Под определением разрядности следует понимать количество бит информации, которые центральный процессор может обрабатывать за один такт. Если размер данных за один цикл равен 1 байту, то процессор является восьмиразрядным (8 bit). В случае если размер данных составляет 2 байта, такой процессор будет считаться шестнадцатиразрядным (16 bit). Для тридцатидвухразрядного (32 bit) и шестидесяти четырех разрядного (64 bit) процессоров размер данных будет равен 4 и 8 байтам, соответственно.

Тогда почему все тридцатидвухразрядные процессоры обозначаются как x86? Давайте попробуем прояснить ситуацию - аббревиатура или набор инструкций x86 получен в наследство от процессора Intel i8086 и ряда последующих моделей процессоров, в именовании которых использовалось значение 86.

Хотелось бы добавить, что тридцатидвухразрядные процессоры (32 bit) и операционные системы (Windows x86) не поддерживают более 4 Гб оперативной памяти. В то время как шестидесяти четырех разрядный процессор (64 bit) и ОС могут использовать до 16 Тб оперативной памяти.

Интегрированное графическое ядро

Конструкторы и разработчики процессоров научились умещать под защитной крышкой маленького процессора не только саму архитектуру процессора, но и отдельное графическое ядро, которое способно на аппаратном уровне имитировать внешнюю видеокарту.
И пусть интегрированное графическое ядро значительно уступает в производительности своим старшим братьям, внешним видеокартам, его производительности хватает, чтобы работать с большинством современных программ, к тому же такие интегрированные видеокарты вполне справляются с простыми и нетребовательными видеоиграми по типу Minecraft или Dota 2.

Стоит отметить, что не все модели процессоров имеют интегрированное графическое ядро, и если в ваш бюджет для сборки компьютера не входит покупка отдельной видеокарты, вам стоит обратить внимание на процессоры, которые имеют отдельное интегрированное графическое ядро, например AMD Athlon 3000G или Intel Celeron G5900.

Выбор процессора

Теперь, когда мы узнали все основы и четко понимаем, что такое тактовая частота и техпроцесс или почему количество ядер не стоит путать с количеством потоков, нам осталось выбрать подходящий центральный процессора для нашего компьютера.

К сожалению, здесь тоже всё не так просто.

Вот небольшой пример - если Intel Core i3-8100 будет идеальным решением для офиса (работа в Microsoft Office, 1С, почтовыми программами и т. д.), то он едва ли сможет обеспечить стабильный FPS в современных и требовательных играх.

Как не запутаться в таком обилии и разнообразии различных центральных процессоров и выбрать подходящий процессор именно вам? В этом сложном вопросе вам поможет наша статья "Как выбрать процессор для компьютера? Какой процессор лучше: AMD или Intel?", в которой мы постарались доходчиво разобрать все основные моменты, связанные с выбором центрального процессора.

Читайте также: