Призначення, основні характеристики та будова процесора

Центральний процесор, ЦП (англ. Central processing unit, CPU) - функціональна частина комп'ютера, що реалізує процес переробки інформації і координує роботу периферійних пристроїв.

Виготовлення процесора – це складний технологічний процес, що включає в себе кілька сотень етапів.

Мікропроцесори формуються на поверхні тонких пластин кремнію, які нарізають з довгих циліндричних кристалів кремнію, вирощених з розплаву кремнієвого піску. Кремній володіє напівпровідниковими властивостями, його провідністю можна керувати шляхом введення домішок.

Кремнієвий пісок

Вирощений кремнієвий кристал

Кристал розрізають на пластини

В процесі виготовлення мікросхем на пластини-заготовки наносяться найтонші шари різних матеріалів. На них фотолітографічним способом шар за шаром формують «малюнок» майбутньої мікросхеми.

У ході наступної операції, що називається легуванням, відкриті ділянки кремнієвої пластини бомбардують іонами різних хімічних елементів, які формують в кремнії мікроскопічні ділянки, що мають різну електричну провідність. Кожен шар процесора має свій власний малюнок, в сукупності всі ці шари утворюють тривимірну структуру процесора.

Після цього пластини розрізають на окремі мікросхеми, які проходять ретельне тестування, щоб перевірити якість виконання всіх технологічних операцій. Заготовки, в яких виявляються несправності, просто вибраковуються, оскільки не існує способів виправлення помилок.

Основні характеристики процесора:

1. Сокет (socket) - це роз'єм (гніздо) на материнській платі, куди встановлюється процесор. Але коли ми говоримо «сокет процесора», то маємо на увазі під цим, як гніздо на материнській платі, так і підтримку даного сокета певними лінійками процесорів. Сокет потрібен саме для того, щоб можна було з легкістю замінити що вийшов з ладу процесор або апгрейдити систему більш продуктивний процесор.

2. Техпроцес виробництва безпосередньо не впливає на продуктивність процесора при виконанні завдань. Збільшення тактової частоти або будь-які інші архітектурні зміни, неможливі без внесення змін до поточного техпроцес, так як в межах одного сімейства процесорів на одному техпроцесі, запас на нарощування тактової частоти обмежений.

По суті техпроцес – це ширина бази транзисторів, на яких переважно побудовані процесори. Логічним є той факт, що чим менше буде ширина бази транзистора, то тим більше їх можна буде розмістити на кристалі, а значить - продуктивність процесора збільшиться.

На даний момент процесори AMD мають в своєму розпорядженні техпроцес 3 нм, Intel – 4 нм.

3. Лінійка – це модельний ряд. В рамках однієї лінійки процесори можуть значно відрізнятися один від одного за цілим рядом параметрів. У кожного виробника існує так звана бюджетна лінійка процесорів. Вони відрізняються від своїх "старших" братів відсутністю деяких функцій або меншим значенням параметрів. Так, у процесора в бюджетній лінійці може бути відсутнім або бути значно зменшеною кеш-пам'ять різних рівнів.

4. Кеш сучасних процесорів значно додає їм продуктивності. Кеш – це надшвидка енергозалежна пам'ять, яка дозволяє процесору швидко отримати доступ до певних даними, які часто використовуються.

5. Рівні кеш-пам’яті процесора

Кеш першого рівня (L1) - найбільш швидкий рівень кеш-пам'яті, який працює безпосередньо з ядром процесора, завдяки цьому щільному взаємодії, даний рівень має найменший час доступу і працює на частотах близьких процесору. Є буфером між процесором і кеш-пам'яттю другого рівня.

Розглянемо об’єм кеш-пам’яті на процесорі Intel Core i7-3770K. Даний процесор оснащений 4х32 КБ кеш-пам'яті першого рівня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (На кожне ядро ​​по 32 КБ)

Кеш другого рівня (L2) - другий рівень більш масштабний, ніж перший, але в результаті, має меншими «швидкісними характеристиками». Відповідно, служить буфером між рівнем L1 і L3. Якщо звернутися знову до нашого прикладу Core i7-3770 K, то тут обсяг кеш-пам'яті L2 складає 4х256 Кб = 1 Мб.

6. Кількість ядер

На перших етапах розвитку процесорів, всі спроби підвищення продуктивності процесорів були спрямовані в бік нарощування тактової частоти, але з підкоренням нових вершин показників частоти, нарощувати її стало важче, так як це позначалося на збільшенні TDP процесорів. Тому розробники стали вирощувати процесори «в ширину», а саме додавати ядра, так і виникло поняття багатоядерності.

7. Тактова частота процесора

Тактова частота показує нам, скільки процесор може виконати обчислень в одиницю часу. Відповідно, чим більше частота, тим більше операцій в одиницю часу може виконати процесор. Тактова частота сучасних процесорів, в основному, становить 1,0-4ГГц. Вона визначається множенням зовнішньої або базової частоти, на певний коефіцієнт.

Наприклад, процесор Intel Core i7 920 використовує частоту шини 133 МГц і множник 20, в результаті чого тактова частота дорівнює 2660 МГц.

Частоту процесора можна збільшити в домашніх умовах, за допомогою розгону процесора. Існують спеціальні моделі процесорів від AMD і Intel, які орієнтовані на розгін самим виробником, наприклад Black Edition у AMD і лінійки К-серії у Intel.

Процесор працює в тісному контакті з мікросхемою, яка називається генератором тактової частоти. ГТЧ виробляє періодичні імпульси, синхронізуючі роботу всіх вузлів комп'ютера. Це своєрідний метроном всередині ПК. У ритмі цього метронома працює ЦП.

Тактова частота дорівнює кількості тактів в секунду. Такт - проміжок часу між початком подачі поточного імпульсу і початком подачі наступного. На виконання процесором кожної операції відводиться певна кількість тактів. Вимірюється в МГц.

Тактова частота процесора визначається двома факторами: частотою системної шини і внутрішнім множником процесора (внутрішньою тактовою частотою). Перший параметр фактично не залежить від самого процесора, а визначається системною платою, точніше її чіпсетом. Системні плати можуть випускатися з різними частотами - від 256 до 800 МГц.

8. Розрядність процесора

Розрядністю процесора називають максимальну кількість розрядів двійкового коду, які можуть оброблятися або передаватися процесором одночасно.
Розрядність процесора визначається розрядністю його регістрів, в які поміщаються оброблювані дані. Наприклад розрядність регістра 2 байта - 16 біт, то розрядність ЦП - 16, 8 байт – 64

Комірка - група послідовних байтів ОЗУ, що вміщає в себе інформацію, доступну для обробки окремою командою процесора. Вміст комірки пам'яті називається машинним словом.

Розмір комірки пам'яті і машинного слова дорівнює розрядності процесора.
Обмін інформацією між ЦП і внутрішньою пам'яттю проводиться машинними словами.

Адреса комірки пам'яті - дорівнює адресою мл. байта (байта з найменшим номером), що входить в клітинку. Адресація як байтів, так і комірок починається з 0. Адреси комірок кратні кількості байтів в машинному слові.
Отже, комірка – місце зберігання інформації, машинне слово - інформація в комірці.

9. Продуктивність процесора

Продуктивність процесора характеризує швидкість виконання додатків.

Продуктивність ~ Розрядність × Частота × Кількість команд за такт

Розрядність процесора визначається кількістю двійкових розрядів, які процесор обробляє за один такт.

З моменту появи першого процесора 4004 розрядність процесора збільшилася в 16 разів (з 4 біт до 64 бітів).

Частота відповідає кількості тактів обробки даних, які процесор виробляє за 1 секунду.

З моменту появи першого процесора частота процесора збільшилася в 37 000 разів (з 0,1 МГц до 3700 МГц).

Архітектура фон Неймана

Архітектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) - широко відомий принцип спільного зберігання програм і даних в пам'яті комп'ютера. Обчислювальні системи такого роду часто позначають терміном «Машина фон Неймана», проте, відповідність цих понять не завжди однозначно.

У загальному випадку, коли говорять про архітектуру фон Неймана, мають на увазі фізичне відділення процесорного модуля від пристроїв зберігання програм і даних.

Принципи фон Неймана

1. Принцип програмного управління.

Програма складається з набору команд, які виконуються процесором один за одним в певній послідовності.

2. Принцип однорідності пам'яті.

Як програми (команди), так і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті (і кодуються в одній і тій же системі числення - найчастіше двійковій). Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

3. Принцип адресування пам'яті.

Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих ділянок; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка ділянка.

Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносять до типу Фоннеймановських.