Jak funguje počítačový mikroprocesor? Podívejme se na některé důležité body o tom, jak počítač funguje.

Domov / Notebooky

Téměř každý ví, že v počítači je hlavním prvkem všech „tvrdých“ komponent centrální procesor. Ale okruh lidí, kteří rozumí tomu, jak procesor funguje, je velmi omezený. Většina uživatelů o tom nemá ponětí. A i když se systém náhle začne zpomalovat, mnozí věří, že je to procesor, který nefunguje dobře, a nepřikládají důležitost jiným faktorům. Abychom plně porozuměli situaci, podívejme se na některé aspekty provozu CPU.

Co je to centrální procesorová jednotka?

Z čeho se skládá procesor?

Pokud mluvíme o tom, jak funguje procesor Intel nebo jeho konkurent AMD, musíte se podívat na to, jak jsou tyto čipy navrženy. První mikroprocesor (mimochodem byl od Intelu, model 4040) se objevil již v roce 1971. Uměl provádět pouze nejjednodušší operace sčítání a odčítání se zpracováním pouze 4 bitů informace, tedy měl 4bitovou architekturu.

Moderní procesory, stejně jako prvorozené, jsou založeny na tranzistorech a jsou mnohem rychlejší. Vyrábějí se fotolitografií z určitého počtu jednotlivých křemíkových plátků, které tvoří jediný krystal, do kterého jsou otištěny tranzistory. Obvod je vytvořen na speciálním urychlovači pomocí urychlených iontů boru. Ve vnitřní struktuře procesorů jsou hlavními součástmi jádra, sběrnice a funkční částice zvané revize.

Hlavní vlastnosti

Jako každé jiné zařízení se i procesor vyznačuje určitými parametry, které nelze ignorovat při zodpovězení otázky, jak procesor pracuje. Za prvé toto:

počet jader;
počet vláken;
velikost mezipaměti (vnitřní paměť);
hodinová frekvence;
rychlost pneumatiky.

Prozatím se zaměřme na taktovací frekvenci. Ne nadarmo se procesoru říká srdce počítače. Stejně jako srdce pracuje v pulzačním režimu s určitým počtem úderů za sekundu. Hodinová frekvence se měří v MHz nebo GHz. Čím vyšší je, tím více operací může zařízení provádět.

Na jaké frekvenci procesor pracuje, zjistíte z jeho deklarovaných charakteristik nebo se podívejte na informace v Ale při zpracování příkazů se frekvence může měnit a při přetaktování (overlockingu) může narůst až do krajních mezí. Deklarovaná hodnota je tedy pouze průměrným ukazatelem.

Počet jader je ukazatel, který určuje počet procesorových center procesoru (neplést s vlákny – počet jader a vláken nemusí být stejný). Díky této distribuci je možné přesměrovat operace na jiná jádra, a tím zvýšit celkový výkon.

Jak funguje procesor: zpracování příkazů

Nyní něco málo o struktuře spustitelných příkazů. Když se podíváte na to, jak procesor funguje, musíte jasně pochopit, že každý příkaz má dvě složky - operační a operandní.

Provozní část specifikuje, co musí být splněno momentálně počítačový systém, operand určuje, na čem má procesor pracovat. Kromě toho může jádro procesoru obsahovat dvě výpočetní centra (kontejnery, vlákna), která rozdělují provádění příkazu do několika fází:

výroba;
dešifrování;
provedení příkazu;
přístup k paměti samotného procesoru
uložit výsledek.

Dnes se používá oddělené ukládání do mezipaměti ve formě použití dvou úrovní vyrovnávací paměti, což zabraňuje zachycení přístupu dvěma nebo více příkazy k jednomu z paměťových bloků.

Podle typu zpracování příkazů se procesory dělí na lineární (provádění příkazů v pořadí, v jakém jsou zapsány), cyklické a větvené (provádění instrukcí po zpracování podmínek větvení).

Provedené operace

Mezi hlavní funkce přiřazené procesoru, pokud jde o prováděné příkazy nebo instrukce, se rozlišují tři hlavní úkoly:

matematické operace založené na aritmeticko-logickém zařízení;
přesun dat (informací) z jednoho typu paměti do druhého;
rozhodování o provedení příkazu a na jeho základě volbu přechodu na provádění jiných sad příkazů.

Interakce s pamětí (ROM a RAM)

V tomto procesu je třeba poznamenat, že komponenty jsou sběrnice a kanál čtení a zápisu, které jsou připojeny k paměťovým zařízením. ROM obsahuje konstantní sadu bajtů. Nejprve si adresová sběrnice vyžádá konkrétní bajt z ROM, poté jej přenese na datovou sběrnici, načež čtený kanál změní svůj stav a ROM poskytne požadovaný bajt.

Procesory ale umí data z RAM nejen číst, ale i zapisovat. V tomto případě se použije nahrávací kanál. Ale když se na to podíváte, celkově moderní počítačeČistě teoreticky bychom se bez RAM obešli úplně, protože moderní mikrokontroléry jsou schopny umístit potřebné bajty dat přímo do paměti samotného procesorového čipu. Bez ROM se ale neobejdete.

Systém se mimo jiné spustí z režimu testování hardwaru (příkazy systému BIOS) a teprve poté se řízení přenese na načítající se operační systém.

Jak zkontrolovat, zda procesor funguje?

Nyní se podívejme na některé aspekty kontroly výkonu procesoru. Je třeba jasně chápat, že pokud by procesor nefungoval, počítač by se vůbec nemohl začít načítat.

Jiná věc je, když se potřebujete podívat na ukazatel využití schopností procesoru v určitou chvíli. To lze provést ze standardního „Správce úloh“ (naproti jakémukoli procesu je uvedeno, kolik procent zatížení procesoru poskytuje). Chcete-li tento parametr vizuálně určit, můžete použít kartu výkonu, kde jsou změny sledovány v reálném čase. Pokročilé možnosti lze zobrazit pomocí speciální programy např. CPU-Z.

Kromě toho můžete použít více procesorových jader pomocí (msconfig) a další možnosti stahování.

Možné problémy

Na závěr pár slov o problémech. Mnoho uživatelů se často ptá, proč procesor funguje, ale monitor se nezapne? Tato situace nemá nic společného s centrálním procesorem. Faktem je, že když zapnete jakýkoli počítač, nejprve se otestuje grafický adaptér a až poté vše ostatní. Možná je problém právě v procesoru grafického čipu (všechny moderní video akcelerátory mají své vlastní grafické procesory).

Ale na příkladu fungování lidského těla musíte pochopit, že v případě zástavy srdce zemře celé tělo. To samé s počítači. Procesor nefunguje - celý počítačový systém „umře“.

Moderní procesory mají tvar malého obdélníku, který je prezentován ve formě křemíkového plátku. Samotná deska je chráněna speciálním pouzdrem vyrobeným z plastu nebo keramiky. Všechny hlavní obvody jsou chráněny, díky nim je zajištěn plný provoz CPU. Pokud s vzhled vše je extrémně jednoduché, co samotný obvod a jak je navržen procesor? Podívejme se na to podrobněji.

CPU nezahrnuje velký počet různé prvky. Každý z nich provádí svou vlastní akci, přenášejí se data a ovládání. Běžní uživatelé Jsme zvyklí rozlišovat procesory podle taktu, množství vyrovnávací paměti a jader. Ale to není vše, co zajišťuje spolehlivé a rychlá práce. Stojí za to věnovat zvláštní pozornost každé složce.

Architektura

Vnitřní design CPU se od sebe často liší, každá rodina má svou vlastní sadu vlastností a funkcí – tomu se říká její architektura. Příklad konstrukce procesoru je vidět na obrázku níže.

Mnoho lidí je ale zvyklých chápat architekturu procesoru trochu jinak. Pokud to vezmeme z programátorského hlediska, pak je definováno svou schopností vykonávat určitou sadu kódů. Pokud si koupíte moderní CPU, pak s největší pravděpodobností jde o architekturu x86.

Jádra

Hlavní část CPU se nazývá jádro, obsahuje všechny potřebné bloky a také provádí logické a aritmetické úlohy. Pokud se podíváte na obrázek níže, můžete vidět, jak každý funkční blok jádra vypadá:

Modul načítání instrukcí. Zde jsou instrukce rozpoznávány podle adresy, která je uvedena v programovém počítadle. Počet současných čtení příkazů přímo závisí na počtu nainstalovaných dešifrovacích jednotek, což pomáhá načíst každý cyklus práce s největším počtem instrukcí.
Prediktor přechodu je zodpovědný za optimální provoz jednotky pro načítání instrukcí. Určuje posloupnost instrukcí, které mají být provedeny, a načítají kanál jádra.
Dekódovací modul. Tato část jádra je zodpovědná za definování určitých procesů pro provádění úkolů. Samotná dekódovací úloha je velmi obtížná kvůli variabilní velikosti instrukce. V nejnovějších procesorech je několik takových bloků v jednom jádru.
Moduly vzorkování dat. Berou informace z paměti RAM nebo mezipaměti. Provádějí přesně vzorkování dat, které je v tuto chvíli nutné k provedení instrukce.
Ovládací blok. Už samotný název vypovídá o důležitosti této komponenty. V jádru je nejdůležitějším prvkem, protože rozděluje energii mezi všechny bloky a pomáhá provádět každou akci včas.
Modul pro ukládání výsledků. Určeno pro záznam po dokončení zpracování instrukce v RAM. Adresa úložiště je uvedena ve spuštěné úloze.
Prvek práce s přerušeními. CPU je schopné multitaskingu díky funkci přerušení, která mu umožňuje zastavit postup jednoho programu přepnutím na jinou instrukci.
Registry. Zde se ukládají dočasné výsledky instrukcí; tuto komponentu lze nazvat malou rychlou RAM. Jeho velikost často nepřesahuje několik set bajtů.
Počítadlo příkazů. Ukládá adresu instrukce, která bude použita v dalším cyklu procesoru.

Systémová sběrnice

Systémová sběrnice CPU propojuje zařízení obsažená v PC. Pouze on je k němu přímo připojen, zbývající prvky jsou připojeny přes různé ovladače. Samotná sběrnice obsahuje mnoho signálních linek, kterými jsou přenášeny informace. Každá linka má svůj protokol, který zajišťuje komunikaci přes řadiče s ostatními připojenými počítačovými komponentami. Sběrnice má svou vlastní frekvenci, čím vyšší je, tím rychleji dochází k výměně informací mezi spojovacími prvky systému.

Vyrovnávací paměť

Výkon CPU závisí na jeho schopnosti načítat instrukce a data z paměti co nejrychleji. Díky vyrovnávací paměti se zkracuje doba provádění operací, protože funguje jako dočasná vyrovnávací paměť, která zajišťuje okamžitý přenos dat z CPU do RAM nebo naopak.

Hlavní charakteristikou mezipaměti je její rozdíl v úrovních. Pokud je vysoká, znamená to, že paměť je pomalejší a objemnější. Nejrychlejší a nejmenší paměť je první úroveň. Princip fungování tohoto prvku je velmi jednoduchý - CPU čte data z RAM a vkládá je do mezipaměti libovolné úrovně, přičemž maže informace, ke kterým se přistupovalo již dávno. Pokud procesor potřebuje tyto informace znovu, získá je díky dočasné vyrovnávací paměti rychleji.

Zásuvka (konektor)

Vzhledem k tomu, že procesor má vlastní konektor (samice nebo slot), můžete jej snadno vyměnit, pokud se rozbije nebo upgradovat váš počítač. Bez patice by se CPU jednoduše zapájel do základní desky, což by ztížilo následné opravy nebo výměnu. Stojí za to věnovat pozornost - každý slot je určen výhradně pro instalaci určitých procesorů.

Uživatelé často neúmyslně nakupují nekompatibilní procesor a základní deska, což způsobuje další problémy.

CPU je hlavní pracovní součást počítače, která provádí aritmetické a logické operace, řídí výpočetní proces a koordinuje činnost všech počítačových zařízení.

Centrální procesor obecně obsahuje:

aritmeticko-logická jednotka;

datové sběrnice a adresové sběrnice;

registry;

počítadla programů;

cache - velmi rychlá paměť malý objem,

matematický koprocesor s plovoucí desetinnou čárkou.

Moderní procesory jsou implementovány jako mikroprocesory. Fyzicky je mikroprocesor integrovaný obvod - tenký obdélníkový plátek krystalického křemíku o ploše pouhých několika čtverečních milimetrů, na kterém jsou umístěny obvody, které implementují všechny funkce procesoru. Krystalová deska je obvykle umístěna v plastovém nebo keramickém plochém pouzdře a spojena zlatými dráty s kovovými kolíky, aby mohla být připevněna k základní desce počítače.

Hlavní vlastnosti procesoru:

Výkon je hlavní charakteristikou ukazující rychlost, s jakou počítač provádí operace zpracování informací. To zase závisí na následujících vlastnostech:

Frekvence hodin - určuje počet cyklů procesoru za sekundu

Bitová kapacita – určuje velikost minimální části informace nazývané strojové slovo

Adresní prostor - šířka adresové sběrnice, tj. maximální množství paměti RAM, kterou lze nainstalovat do počítače

8.2.3. Princip činnosti procesoru.

Procesor je hlavním prvkem počítače. Přímo nebo nepřímo řídí všechna zařízení a procesy probíhající v počítači.

V konstrukci moderních procesorů je jasný trend k neustálému zvyšování taktovací frekvence. To je přirozené: čím více operací procesor provádí, tím vyšší je jeho výkon. Maximální taktovací frekvence je do značné míry dána stávající technologií výroby mikroobvodů (nejmenší dosažitelné velikosti prvků, které určují minimální dobu přenosu signálu).

Kromě zvýšení hodinové frekvence je zvýšení výkonu procesoru dosaženo vývojáři pomocí méně zřejmých technik spojených s vynálezem nových architektur a algoritmů zpracování informací. Podívejme se na některé z nich na příkladu Procesor Pentium(P5) a následující modely.

Uveďme hlavní vlastnosti procesoru Pentium:

zpracování informací o potrubí;

superskalární architektura;

přítomnost oddělených mezipamětí pro příkazy a data;

přítomnost bloku predikce přechodové adresy;

dynamické provádění programu;

přítomnost výpočetní jednotky s pohyblivou řádovou čárkou;

podpora víceprocesorového provozu;

dostupnost nástrojů pro detekci chyb.

Pojem "superskalární architektura" znamená, že procesor obsahuje více než jednu výpočetní jednotku. Tyto výpočetní jednotky se častěji nazývají pipeline. Všimněte si, že první superskalární architektura byla implementována v domácím počítači „Elbrus-1“ (1978).

Přítomnost dvou kanálů v procesoru mu umožňuje současně provádět (dokončovat) dva příkazy (instrukce).

Každý kanál rozděluje proces provádění příkazu do několika fází (například pěti):

načtení (čtení) příkazu z RAM nebo mezipaměti;

dekódování (dekódování) příkazu, tj. určení kódu prováděné operace;

provedení příkazu;

přístup k paměti;

uložení získaných výsledků do paměti.

Pro realizaci každého z uvedených stupňů (každé operace) se používá samostatný stupeň zařízení. V každém procesoru Pentium je tedy pět stupňů.

Při zpracování potrubí je pro provedení každé fáze přidělen jeden cyklus synchronizační (hodinové) frekvence. V každém novém cyklu končí provádění jednoho příkazu a začíná provádění nového příkazu. Tento typ provádění příkazů se nazývá vlákno.

Obrazně se to dá přirovnat k výrobnímu dopravníku (flow), kde se na každé sekci s různými produkty provádí vždy stejná operace. Současně, když hotový výrobek opustí montážní linku, přijde na něj nový a zbytek výrobků je v tuto chvíli v různých fázích připravenosti. Přechod vyráběných výrobků ze sekce do sekce musí probíhat synchronně, podle speciálních signálů (v procesoru jsou to cykly generované generátorem hodin).

Celková doba provádění jedné instrukce v pětistupňovém potrubí by byla pět hodinových cyklů. V každém taktu bude potrubí současně zpracovávat (provádět) pět různých instrukcí. Výsledkem je, že pět příkazů bude vykonáno v pěti hodinových cyklech. Zřetězení tedy zvyšuje výkon procesoru, ale nezkracuje dobu provádění jedné instrukce. Zisk je dosažen díky skutečnosti, že je zpracováváno několik příkazů najednou.

Ve skutečnosti zřetězení dokonce prodlužuje dobu provádění každého jednotlivého příkazu kvůli dodatečným nákladům spojeným s organizací zřetězení. V tomto případě je taktovací frekvence omezena rychlostí provozu nejpomalejšího stupně dopravníku.

Jako příklad uvažujme proces provádění příkazu, jehož doby provádění fáze jsou 60, 30, 40, 50 a 20 ns. Dodatečné náklady na organizaci zpracování potrubí vezměme 5 ns.

Kdyby nebylo potrubí, tak by to trvalo

60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200 ns.

Pokud je použita dopravníková organizace, pak by se doba trvání takt měla rovnat trvání nejpomalejší fáze zpracování s připočtením „režijních“ nákladů, tzn. 60 + 5 = 65 ns. Zkrácení doby provádění příkazu získané v důsledku zřetězení tedy bude 200/65"3,1krát.

Všimněte si, že doba provádění pipeline pro jednu instrukci je 5 × 65 = 325 ns. Tato hodnota je výrazně více než 200 ns – doba provádění příkazu bez zřetězení. Ale současné provedení pěti příkazů najednou dává průměrnou dobu dokončení jednoho příkazu 65 ns.

Procesor Pentium má dvě L1 cache (jsou umístěny uvnitř procesoru). Jak víte, ukládání do mezipaměti zvyšuje výkon procesoru snížením počtu čekání na informace z pomalé paměti RAM. Potřebná data a příkazy přebírá procesor z rychlé cache paměti (bufferu), kam je předem zadává.

Jednotná mezipaměť v předchozích návrzích procesorů vedla ke strukturálním konfliktům. Dvě instrukce prováděné potrubím se někdy současně pokusily číst informace z jedné mezipaměti. Provádění samostatného ukládání do mezipaměti (ukládání do vyrovnávací paměti) pro příkazy a data takové konflikty eliminuje a umožňuje provádění obou příkazů současně.

Vývoj výpočetní techniky je neustálý. Designéři neustále hledají nové způsoby, jak své produkty vylepšit. Nejcennějším zdrojem procesorů je jejich výkon. Z tohoto důvodu se vymýšlejí různé techniky ke zvýšení výkonu procesoru.

Jednou z takových technik je ušetřit čas předpovídáním možných cest provádění větvícího algoritmu. To se provádí pomocí budoucího bloku predikce adresy větve. Myšlenka, jak to funguje, je podobná myšlence, jak funguje mezipaměť.

Jak známo, existují lineární, cyklické a větvené výpočetní procesy. V lineárních algoritmech se příkazy provádějí v pořadí, v jakém jsou zapsány v paměti RAM: postupně jeden po druhém. Pro takové algoritmy nemůže blok predikce adresy větve zavedený do procesoru přinést žádné zisky.

U větvících algoritmů je výběr instrukce určen výsledky kontroly podmínek větvení. Pokud počkáte na konec výpočetního procesu v bodě větvení a poté vyberete z RAM správný příkaz, pak nevyhnutelně dojde k časovým ztrátám v důsledku neproduktivní doby nečinnosti procesoru (čtení příkazu z RAM je pomalé).

Blok predikce adresy větve pracuje proaktivně a snaží se předem předpovědět adresu větve, aby se požadovaná instrukce přesunula z pomalé paměti RAM do speciální rychlé cílové vyrovnávací paměti větve BTB (Branch Target Buffer).

Když vyrovnávací paměť BTV obsahuje správnou předpověď, dojde k přechodu bez zpoždění. To připomíná vyrovnávací paměť, která má také chyby. Kvůli chybám se operandy musí číst nikoli z vyrovnávací paměti, ale z pomalého OP. Z tohoto důvodu se ztrácí čas.

Myšlenka predikce adresy skoku je implementována v procesoru pomocí dvou nezávislých vyrovnávací paměti předběžného načtení. Pracují společně s vyrovnávací pamětí pro predikci větve, přičemž jeden z vyrovnávacích pamětí vybírá instrukce sekvenčně a druhý - podle predikcí BTV.

Procesor Pentium má dvě pětistupňová potrubí pro provádění operací s pevným bodem. Procesor má navíc osmistupňovou pipeline s plovoucí desetinnou čárkou. Takové výpočty jsou vyžadovány při provádění matematických výpočtů a také pro rychlé zpracování dynamických 3D barevných obrázků.

Vývoj architektury procesoru jde cestou neustálého zvyšování objemu vyrovnávací paměti první a druhé úrovně. Výjimkou byl procesor Pentium 4, jehož velikost cache se oproti Pentiu III nečekaně zmenšila.

Chcete-li zlepšit výkon v nových konstrukcích procesorů, dva systémové sběrnice, pracující na různých hodinových frekvencích. Rychlá sběrnice se používá pro práci s mezipamětí druhé úrovně a pomalá sběrnice se používá pro tradiční výměnu informací s jinými zařízeními, jako je RAM. Přítomnost dvou sběrnic eliminuje konflikty při výměně informací mezi procesorem a hlavní pamětí a mezipamětí druhé úrovně umístěnou mimo procesorový čip.

Procesory navazující na Pentium obsahují velké množství fází. To zkracuje dobu provádění každé operace v samostatné fázi, což znamená, že umožňuje zvýšit taktovací frekvenci procesoru.

Procesor Pentium Pro (P6) využívá nový přístup k pořadí, ve kterém jsou instrukce prováděny sekvenčně v RAM.

Nový přístup spočívá v provádění příkazů v náhodném pořadí, jak jsou připraveny (bez ohledu na pořadí v paměti RAM). Konečný výsledek je však vždy generován v souladu s původním pořadím příkazů v programu. Toto pořadí provádění příkazů se nazývá dynamické nebo anticipační.

Vezměme si jako příklad následující fragment učebního plánu napsaného v nějakém (fiktivním) strojově orientovaném jazyce.

r1 ¬mem Příkaz 1

r3 ¬r1 + r2 Příkaz 2

r5 ¬r5 + 1 tým 3

r6 ¬r6 – r7 Tým 4

Symboly r1…r7 označují registry obecný účel(RON), které jsou obsaženy v bloku registru procesoru.

Symbol mem označuje paměťovou buňku RAM.

Pojďme se vyjádřit k natočenému pořadu.

Příkaz 1: zapište do RON r1 obsah paměťové buňky RAM, jejíž adresa je specifikována v RON r4.

Příkaz 2: zapište do RON r3 výsledek sečtení obsahu registrů r1 a r2.

Příkaz 3: přidejte jedničku k obsahu registru r5.

Příkaz 4: snižte obsah RON r6 o obsah registru r7.

Předpokládejme, že při provádění instrukce 1 (načítání operandu z paměti do univerzálního registru r1) se ukázalo, že obsah paměti paměťové buňky není v mezipaměti procesoru (došlo k chybě; požadovaný operand nebyl dříve doručen do vyrovnávací paměti z RAM).

Při tradičním přístupu bude procesor pokračovat ve vykonávání instrukcí 2, 3, 4 až poté, co data z hlavní paměťové buňky vstoupí do procesoru (přesněji do registru r1). Protože čtení bude probíhat z pomalu běžící paměti RAM, bude tento proces trvat poměrně dlouho (podle standardů procesoru). Během čekání na tuto událost bude procesor nečinný a nebude vykonávat užitečnou práci.

Ve výše uvedeném příkladu nemůže procesor provést instrukci 2 před dokončením instrukce 1, protože instrukce 2 používá výsledky instrukce 1. Zároveň by procesor mohl předem provést instrukce 3 a 4, které nezávisí na výsledku pokyny 1 a 2.

V takových případech pracuje procesor P6 jinak.

Procesor P6 nečeká na dokončení provedení instrukcí 1 a 2, ale okamžitě přistoupí k provedení mimo pořadí instrukcí 3 a 4. Výsledky předběžného provedení instrukcí 3 a 4 jsou uloženy a načteny později, po provedení instrukcí 1 a 2. Procesor P6 tedy provádí instrukce v souladu s jejich připraveností k provedení, bez ohledu na jejich počáteční umístění v programu.

Produktivita je samozřejmě důležitým ukazatelem výkonu počítače. Je však stejně důležité, aby proběhly rychlé výpočty s malým počtem chyb.

Procesor má samotestovací zařízení, které automaticky kontroluje funkčnost většiny prvků procesoru.

Kromě toho se detekce poruch, ke kterým dochází uvnitř procesoru, provádí pomocí speciálního formátu dat. Ke každému operandu je přidán paritní bit, což způsobí, že všechna čísla obíhající uvnitř procesoru jsou sudá. Výskyt lichého čísla znamená, že došlo k selhání. Přítomnost lichého čísla je jako vzhled padělané bankovky bez vodoznaku.

Jednotky pro měření rychlosti procesorů (a počítačů) mohou být:

MIPS (MIPS - Mega Instruction Per Second) - milion příkazů (instrukcí) na pevných řádových číslech za sekundu;

MFLOPS (Mega Floating Operation Per Second) – milion operací na číslech s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu;

GFLOPS (Giga Floating Operation Per Second) – miliarda operací na číslech s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu.

Existují zprávy o nejrychlejším počítači světa ASCI White (IBM Corporation), který dosahuje 12,3 TFLOPS (bilion operací).

Procesor je bezesporu hlavní součástí každého počítače. Je to tento malý kousek křemíku o velikosti několika desítek milimetrů, který plní všechny složité úkoly, které si na svém počítači nastavíte. Běží tady operační systém, stejně jako všechny programy. Ale jak to celé funguje? Pokusíme se tuto otázku prozkoumat v našem dnešním článku.

Procesor spravuje data ve vašem počítači a provádí miliony instrukcí za sekundu. A slovním procesorem mám na mysli přesně to, co ve skutečnosti znamená - malý čip vyrobený z křemíku, který skutečně provádí všechny operace v počítači. Než přejdeme k tomu, jak procesor funguje, musíme nejprve podrobně zvážit, co to je a z čeho se skládá.

Nejprve se podívejme, co je to procesor. CPU nebo centrální procesorová jednotka (centrální procesorová jednotka) - což je mikroobvod s velkým počtem tranzistorů, vyrobený na křemíkovém krystalu. První procesor na světě byl vyvinut společností Intel v roce 1971. Všechno to začalo Intel 4004. Uměl provádět pouze výpočetní operace a zpracovávat pouze 4 bajty dat. Další model vyšel v roce 1974 – Intel 8080 a dokázal již zpracovat 8 bitů informací. Další byly 80286, 80386, 80486. Právě podle těchto procesorů získala architektura své jméno.

Takt procesoru 8088 byl 5 MHz a počet operací za sekundu byl pouze 330 000, což je mnohem méně než u moderních procesorů. Moderní zařízení mají frekvence až 10 GHz a několik milionů operací za sekundu.

Nebudeme uvažovat tranzistory, přesuneme se na vyšší úroveň. Každý procesor se skládá z následujících komponent:

Jádro- zde se provádí veškeré zpracování informací a matematické operace, může být několik jader;
Příkazový dekodér- tato součástka patří k jádru, převádí softwarové příkazy na sadu signálů, které budou vykonávány tranzistory jádra;
Cache- oblast ultrarychlé paměti, malý objem, ve kterém jsou uložena data načtená z RAM;
Registry- jedná se o velmi rychlé paměťové buňky, ve kterých se ukládají aktuálně zpracovávaná data. Je jich jen pár a mají omezenou velikost - na tom závisí bitová kapacita procesoru;
Koprocesor- samostatné jádro, které je optimalizováno pouze pro provádění určitých operací, například zpracování videa nebo šifrování dat;
Adresní sběrnice- pro komunikaci se všemi zařízeními připojenými k základní desce, může mít šířku 8, 16 nebo 32 bitů;
Datová sběrnice- pro komunikaci s RAM. Pomocí něj může procesor zapisovat data do paměti nebo je odtud číst. Paměťová sběrnice může mít 8, 16 nebo 32 bitů, to je množství dat, které lze přenést najednou;
Synchronizační sběrnice- umožňuje řídit frekvenci procesoru a provozní cykly;
Restartujte autobus- resetovat stav procesoru;

Za hlavní součást lze považovat jádro nebo aritmetické výpočetní zařízení a také registry procesoru. Vše ostatní pomáhá těmto dvěma komponentům fungovat. Podívejme se, co jsou registry a jaký je jejich účel.

Registry A, B, C- určeno k ukládání dat během zpracování, ano, jsou pouze tři, ale to je docela dost;
EIP- obsahuje adresu další instrukce programu v RAM;
ESP- adresa dat v RAM;
Z- obsahuje výsledek poslední porovnávací operace;

Nejedná se samozřejmě o všechny paměťové registry, ale tyto jsou nejdůležitější a nejvíce je využívá procesor při provádění programu. No, když už víte, z čeho se procesor skládá, můžete se podívat, jak funguje.

Jak pracuje počítačový procesor?

Výpočetní jádro CPU může provádět pouze matematiku, porovnávání a přesouvání dat mezi buňkami a RAM, ale stačí k tomu, abyste mohli hrát hry, sledovat filmy, procházet web a další.

Ve skutečnosti se každý program skládá z následujících instrukcí: přesun, sčítání, násobení, dělení, rozdíl a přechod na instrukci, pokud je splněna podmínka porovnání. Samozřejmě to nejsou všechny příkazy, existují i jiné, které kombinují ty již uvedené nebo zjednodušují jejich použití.

Veškeré pohyby dat se provádějí pomocí instrukce move (mov), tato instrukce přesouvá data mezi buňkami registru, mezi registry a RAM, mezi pamětí a pevný disk. Existují speciální instrukce pro aritmetické operace. A instrukce skoku jsou potřeba pro splnění podmínek, například zkontrolujte hodnotu registru A a pokud není nula, přejděte na instrukci na požadované adrese. Můžete také vytvářet smyčky pomocí pokynů pro skok.

To vše je velmi dobré, ale jak se všechny tyto komponenty vzájemně ovlivňují? A jak tranzistory chápou instrukce? Chod celého procesoru je řízen instrukčním dekodérem. Přiměje každou komponentu dělat to, co dělat má. Podívejme se, co se stane, když potřebujeme spustit program.

V první fázi dekodér načte adresu první instrukce programu v paměti do registru další instrukce EIP, k tomu aktivuje čtecí kanál a otevře záchytný tranzistor, aby vložil data do registru EIP.

Ve druhém taktu instrukční dekodér převede příkaz na sadu signálů pro tranzistory výpočetního jádra, které jej provedou a výsledek zapíší do jednoho z registrů, například C.

Ve třetím cyklu dekodér zvýší adresu další instrukce o jednu tak, aby ukazovala na další instrukci v paměti. Dále dekodér pokračuje k načtení dalšího příkazu a tak dále až do konce programu.

Každá instrukce je již zakódována sekvencí tranzistorů a převedena na signály, způsobí fyzické změny v procesoru, například změnu polohy západky, která umožňuje zápis dat do paměťové buňky a podobně. Různé příkazy vyžadují ke svému provedení různý počet hodinových cyklů, například jeden příkaz může vyžadovat 5 hodinových cyklů a jiný, složitější, až 20. Ale to vše stále závisí na počtu tranzistorů v samotném procesoru.

To je všechno jasné, ale to vše bude fungovat pouze tehdy, pokud běží jeden program a pokud jich bude několik a všechny současně. Můžeme předpokládat, že procesor má několik jader a potom se každé jádro spustí samostatné programy. Ale ne, ve skutečnosti žádná taková omezení neexistují.

V jeden okamžik lze spustit pouze jeden program. Veškerý čas CPU je sdílen mezi všemi spuštěné programy, každý program probíhá několik hodinových cyklů, poté je procesor převeden do jiného programu a veškerý obsah registrů je uložen v BERAN. Když se řízení vrátí do tohoto programu, dříve uložené hodnoty se načtou do registrů.

Závěry

To je vše, v tomto článku jsme se podívali na to, jak počítačový procesor funguje, co je procesor a z čeho se skládá. Může to být trochu komplikované, ale my jsme to zjednodušili. Doufám, že nyní lépe rozumíte tomu, jak toto velmi složité zařízení funguje.

Na závěr videa o historii procesorů:

V dnešní době je na internetu spousta informací na téma procesory, dá se najít hromada článků o tom, jak to funguje, kde se zmiňují hlavně registry, hodiny, přerušení atd... Ale, pro člověka, který je neznáte všechny tyto termíny a koncepty, je docela obtížné jako tato moucha" porozumět procesu, ale musíte začít v malém - konkrétně se základním porozuměním jak procesor funguje a z jakých hlavních částí se skládá.

Co tedy bude uvnitř mikroprocesoru, pokud jej rozeberete:

Číslo 1 označuje kovový povrch (kryt) mikroprocesoru, který slouží k odvodu tepla a ochraně před mechanickým poškozením toho, co je za tímto krytem (tedy uvnitř samotného procesoru).

Na čísle 2 je samotný krystal, který je ve skutečnosti nejdůležitější a nejdražší součástí mikroprocesoru na výrobu. Právě díky tomuto krystalu probíhají veškeré výpočty (a to je nejdůležitější funkce procesoru) a čím je složitější, tím je dokonalejší, tím je procesor výkonnější a tím i dražší. . Krystal je vyroben z křemíku. Ve skutečnosti je výrobní proces velmi složitý a obsahuje desítky kroků, více podrobností v tomto videu:

Číslo 3 je speciální textolitový substrát, ke kterému jsou připevněny všechny ostatní části procesoru, navíc plní roli kontaktní podložky - na něm zadní strana Existuje velké množství zlatých „teček“ - to jsou kontakty (na obrázku je trochu vidíte). Díky kontaktní podložce (substrát) je zajištěna úzká interakce s krystalem, jelikož není možné přímo krystal nijak ovlivnit.

Kryt (1) je připevněn k podložce (3) lepidlem a tmelem, který je odolný vůči vysoké teploty. Mezi krystalem (2) a krytem není vzduchová mezera, po vytvrzení vytváří „můstek“ mezi krystalem procesoru a krytem, který zajišťuje velmi dobrý přenos tepla.

Krystal je spojen s podložkou pomocí pájení a tmelu, kontakty podložky jsou spojeny s kontakty krystalu. Tento obrázek jasně ukazuje, jak jsou krystalové kontakty spojeny s kontakty substrátu pomocí velmi tenkých drátů (zvětšení 170x na fotografii):

Obecně platí, že zařízení procesorů různých výrobců a dokonce i modely od stejného výrobce se mohou značně lišit. Však schéma zapojení Provoz zůstává stejný - všechny mají kontaktní substrát, krystal (nebo několik umístěných v jednom pouzdru) a kovový kryt pro odvod tepla.

Takto například vypadá kontaktní substrát procesoru Intel Pentium 4 (procesor je vzhůru nohama):

Tvar kontaktů a struktura jejich uspořádání závisí na procesoru a základní deska počítač (zásuvky se musí shodovat). Například na obrázku výše jsou kontakty procesoru bez „pinů“, protože kolíky jsou umístěny přímo v patici základní desky.

A existuje další situace, kdy „kolíky“ kontaktů trčí přímo z kontaktního substrátu. Tato vlastnost je typická hlavně pro procesory AMD:

Jak bylo uvedeno výše, zařízení různé modely procesory od stejného výrobce se mohou lišit, máme toho jasný příklad – čtyřjádrový procesor; Intel Core 2 Quad, což je v podstatě 2 dvoujádrový procesor Core 2 duo linky kombinované v jednom pouzdře:

Důležité! Počet krystalů uvnitř procesoru a počet procesorových jader nejsou totéž.

V moderních modelech procesory Intel Najednou se vejdou 2 krystaly (čipy). Druhý čip - grafické jádro procesoru, v podstatě hraje roli grafické karty zabudované v procesoru, to znamená, že i když v systému není žádná grafická karta, grafické jádro převezme roli grafické karty. , a to docela výkonný (u některých modelů procesorů vám výpočetní výkon grafických jader umožňuje hrát moderní hry na středním grafickém nastavení).

To je vše centrální mikroprocesorové zařízení, zkrátka samozřejmě.