Что такое процессор, как устроен, из чего состоит и для чего он нужен. Как выглядит и как работает процессор, какой лучше выбрать.
Что такое процессор компьютера
Процессор (также говорят “Центральный процессор”, ЦП или ЦПУ – более корректное полное название) – некоторый электронный блок или интегральная схема, которая выполняет машинные команды. В качестве команд выступают коды программ. Если говорить более простыми словами, то каждое действие, совершаемое в устройстве, обрабатывается процессором. Обработка инструкций – его главная задача. Нажатие клавиши мыши, любой кнопки и другое (даже самые незначительные действия) – все это является некоторой инструкцией, которая записана в машинном коде.
Когда мы хотим поговорить с кем-то по видеосвязи, мы используем специальные программы. В свою очередь, эти программы используют камеру и микрофон, подключенные к компьютеру (или внедренные в ноутбук). При совершении вызова, программа запрашивает у системы разрешение на использование нужных ей устройств – подключенной камеры и микрофона. Такой запрос, который посылается к процессору, имеет свое собственное представление в машинном коде. И после того, как ЦП получает такую команду (происходит все в порядке очереди), он, образно говоря, дает распоряжение системе на включение необходимых устройств (запрашиваемой камеры и микрофона). Распоряжения также представляют собой машинный код и результаты логических/арифметических вычислений ЦП.
Во время написания сообщения или работы с документами на компьютере, определенно, приходится использовать клавиатуру. И в таком случае тоже задействуется ЦП. Именно благодаря ему каждая буква, которая нажимается пользователем, появляется на экране монитора или ноутбука. И если даже при выполнении таких действий не обойтись без процессора, то что и говорить о запуске игр или просмотре видео и прочих операциях. Процессор – “сердце” любого компьютера.
Для чего предназначен процессор
Единственное и самое важное предназначение ЦПУ – управление любыми действиями, происходящими на компьютере. Без него невозможно существование такого сложного механизма, как компьютер (сложный, потому что буквально состоит из нескольких механизмов: клавиатура, мышь, монитор, микрофон и т.д.). Необходимо нечто, что будет обрабатывать любые данные и процессы, связывать несколько устройств, практически в одно целое и организовывать их слаженную, совместную и одновременную работу.
ЦПУ выступает в роли “дирижера”, который может управлять работой подключенных дополнительных устройств (клавиатура, мышь и другие), а также следит за любыми действиями на компьютере. Вернее, именно через него проходят и осуществляются любые действия и процессы.
Как выглядит процессор
Обычно процессор компьютера выглядит как небольшая квадратная плата размером не больше, чем спичечный коробок. На одной стороне располагается огромное количество контактов, а другая почти всегда закрыта металлической крышкой.
Как устроен процессор
Процессор состоит главным образом из 3 компонентов: арифметико-логическое устройство, устройство управления (АЛУ и УУ соответственно) и регистры памяти. Рассмотрим каждое подробнее.
Арифметико-логическое устройство
Как можно догадаться по названию это нечто, производящее все логические и арифметические вычисления. Часть ЦП, которая занимается только подсчетом и операциями, такими как вычитание, сложение, логические операции (“или”, “и”, “не”, “исключающее или” и другие).
Устройство управления
Этот компонент ЦПУ предназначен для работы с командами. Простыми словами, это “менеджер”, который принимает инструкции, прочитывает их и принимает различные решения. Такое устройство отдает распоряжения и управляет работой других компонентов компьютера.
Существует несколько видов УУ:
- Построенный на жесткой логике;
- Микропрограммируемый.
Первый тип УУ невозможно модифицировать и изменять его поведение и реакцию на различные команды без физического вмешательства. Это объясняется тем, что характер работы задается устройством печатной платы или кристаллом (более глубокие элементы внутреннего строения УУ). Второй тип как раз таки больше поддается различным изменениям, так как его можно запрограммировать под любые задачи. Стоит отметить, что УУ, построенный на жесткой логике, работает быстрее, в то время как микропрограммируемый УУ более гибкий.
Регистры
Фактически, регистры – внутренние ячейки памяти процессора. 1 регистр – это минимальная ячейка в памяти, которая состоит из логических элементов. Такие ячейки были придуманы с целью ускорения работы процессора с данными. Зачастую ЦПУ нужно сохранять какую-либо информацию (адреса ячеек в памяти, инструкции и другие данные) на момент, пока она не пригодится вновь. И существует множество операций, которые проходят через ЦП и требуют неоднократного использования одних и тех же данных. Так вот регистры и призваны для сохранения таких данных. Они находятся “ближе” к процессору, чем постоянная память или ОЗУ и, таким образом, позволяют брать данные и записывать новые значительно быстрее. Особенно, если одну и ту же информацию необходимо использовать процессору многократно.
Вся работа между регистрами, устройствами ввода-вывода, памятью и компонентами процессора происходит по шине данных и шине адреса. Первая отвечает за хранение непосредственно информации, а вторая за адреса ячеек, в которых и хранится эта информация.
Каждый регистр состоит из триггеров, которых существует 2 вида: асинхронный и синхронный. По функциональному назначению их разделяют на 4 группы: RS-триггер, JK-триггер, T-триггер и D-триггер.
Как работает процессор
Рассмотрим схему, которая описывает весь цикл работы ЦП над определенной задачей.
- Из некоторой “кучи” команд выбирается та, до которой дошла очередь. Порядок очереди определяется с помощью специального счетчика. Команда берется из определенной ячейки в памяти, а счетчик команд увеличивается на 1 (взяли команду, увеличиваем счетчик на 1, чтобы очередь дошла до следующей);
- Команда, которая была выбрана, отправляется в устройство управления. УУ считывает адресное поле, выбранной команды из памяти, и полученные операнды направляются в АЛУ на специальные регистры;
- УУ продолжает читать код команды и распознает операции, которые записаны в коде. Далее выдается сигнал в АЛУ для выполнения найденных операций;
- На этом этапе происходит вычисление операций в АЛУ и сохранение результата в самом ЦПУ. Если в команде присутствовал адрес ячейки для хранения результата, он будет помещен в нее;
- Этапы 1-4 повторяются в порядке очереди до тех пор, пока УУ не “наткнется” на команду “стоп”, которая и означает конец инструкций.
Виды процессоров
Чтобы понять, что же такое виды процессоров, необходимо обозначить понятие архитектуры. Архитектура – совместимость процессора с различными наборами команд. Каждый процессор при решении задачи и выполнении каких-либо операций руководствуется базовым набором, заложенных в нем архитектурой команд.
- CISC-платформа (CISC – Complex Instruction Set Computer). Одна из наиболее самых архитектур, которая представлена семейством х86. Такая архитектура подразумевает наличие сложных наборов команд. Благодаря этому платформа х86 является универсальной, так как поддерживает инструкции на любой случай. Кроме того, это еще и высокопроизводительный вариант, в сравнении с другими платформами. Но у такой архитектуры есть и свои минусы: запутанность команд и плохая энергоэффективность;
- RISC-платформа (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Более усовершенствованная версия CISC. Идея данной платформы – использовать только самые необходимые и упрощенные команды, избавиться от сложности и запутанности. RISC-процессоры более просты и оптимизированы, энергоэффективны и меньше, чем их CISC “коллеги”;
- MISC-платформа (MISC – Minimum Instruction Set Computer) – архитектура с минимальным набором команд, используемых для совершения операций. Идея MISC, как и RISC-платформы также заключается в минимизации числа команд для проектирования более простых и оптимизированных чипов. Фактически, та же самая архитектура, что и RISC, но еще более настроенная на простоту;
- VLIW-платформа (Very Long Instruction Word) – архитектура с несколькими вычислительными устройствами (АЛУ). Во многом по своей логике является продолжением RISC. Ключевое отличие – акцент на принципе параллельных вычислений, когда сразу несколько операций могут выполняться одновременно.
Основные производители
С каждым годом количество производителей меняется. Одни появляются и даже начинают бороться за рынок, но настолько безуспешно, что о них большинство даже и не догадывается, ведь сегодня уже есть 2 гегемона. Другие терпят убытки и признают производство невыгодным, а затем и “сворачиваются”. И если говорить о наиболее известных и надежных производителях в наши дни, можно сформировать примерно такой список:
Для компьютеров:
- Intel;
- AMD;
- IBM.
Для мобильных устройств:
- Qualcomm;
- Apple;
- Samsung;
- MediaTek;
- Huawei;
- Nvidia;
- Spreadtrum;
- Allwinner.
Характеристики процессора
Практически любой процессор можно охарактеризовать тремя критериями.
- Тактовая частота. Это показатель, который отображает, какое количество задач в секунду может решать процессор. Чем больше это число, тем быстрее будет работать компьютер (или другое устройство), ведь тогда процессор сможет быстрее проводить вычисления и другие операции. За 1 такт процессор успевает выполнить какую-то часть своей задачи. Больше тактов – быстрее работа. Частота измеряется в мегагерцах (МГц). 1 МГц = 1 млн. тактов в секунду;
- Разрядность. Разрядность процессора – наибольшее число разрядов двоичного кода, с которым может работать процессор. ЦП, имеющий более высокую разрядность, может работать с более сложной и объемной информацией;
- Ядра и потоки. Ядро – физически обособленная часть процессора, которая имеет собственное вычислительное устройство и способно выполнять операции. Например, процессор, имеющий 1 ядро и 1 поток (или виртуальное ядро), может работать только над 1 операцией. Он переключается между инструкциями в порядке очереди и пока не выполнит существующую, не начнет выполнять следующую. Если ядер больше, например 4 (и 1 поток), то операций, которые могут выполняться одновременно также 4. Такие ЦПУ называются многоядерными. Что такое потоки? Теоретически, это то же самое, что и ядра. При наличии, например, 1 ядра и 2 потоков (ядро разбивается на 2 части) сразу 2 задачи (1*2) могут выполняться одновременно. Это называется гиперпоточностью. Когда ядро может виртуально разделяться на части и выполнять параллельно несколько задач. Если ядер 8, каждое из которых может работать над 2 операциями одновременно, получаем 8*2 = 16 операций “за 1 подход”.
Как выбрать процессор
В зависимости от задач, выбор ЦПУ может отличаться. Но общие ориентиры таковы: больше тактовая частота – лучше, больше ядер (и/или потоков) – лучше. Есть более мелкие аспекты (работа с памятью и др.), на которые стоит обращать внимание, но основа именно в этом.
И все же, лучший выбор процессора для игр и максимальной производительности – Intel. Они лучше работают с оперативной памятью, более мощны при выполнении одной задачи, в играх, обладают небольшим энергопотреблением, но и являются достаточно дорогими.
Если бюджет ограничен, лучше смотреть в сторону AMD. Здесь и богатые возможности для разгона (повышения производительности), более мощные интегрированные видеоядра, чем у Intel ну и более адекватное соотношение цены/качества.
