Что такое процессор и как он работает

Центральный процессор (ЦП, или CPU — от англ. central processing unit) — главный компонент компьютера, который выполняет все вычисления и управляет другими системами. Часто процессор сравнивают с мозгом — он тоже умеет обрабатывать информацию и принимать решения, а разобраться в его работе очень сложно. Однако в этой статье мы предпримем попытку.

Содержание

• Для чего нужен процессор
• Из чего он состоит
• Основные характеристики
• Как он работает
• Виды процессоров

Для чего нужен процессор

Основное назначение процессора — это обработка машинного кода, из которого состоят программы. Сами программы — это последовательные команды, которые пользователь даёт компьютеру. Запустить браузер, найти результат выражения во встроенном калькуляторе и скопировать его в текстовый документ — всё это делает процессор компьютера.

Основные функции центрального процессора:

• Выполнение инструкций. Программы отправляют процессору машинные инструкции в виде двоичного кода, которые он интерпретирует и выполняет на аппаратном уровне.
• Управление памятью. ЦП обращается к оперативной памяти, записывает информацию в постоянную память или берёт данные из собственной кэш-памяти.
• Обработка данных. Вместе с программными инструкциями поступают данные, которые надо обработать и вернуть результат.
• Управление системой. CPU связывает между собой работу жёстких дисков, видеокарты, оперативной памяти и других компонентов.

Читайте также:

Оперативная память (ОЗУ): что это, для чего она нужна и какая бывает

Из чего состоит процессор

Рассмотрим, как производят процессоры и какие компоненты в них используются.

Как изготавливают процессоры

CPU — это тонкая кремниевая пластинка с миллиардами напаянных на неё транзисторов. Именно транзисторы выполняют все вычисления. Изготовление процессора — сложный процесс. Если упростить, то этапы работы над ним будут выглядеть так:

• Песок (диоксида кремния, SiO₂) превращают в поликристаллический кремний высокой чистоты.
• Его плавят, чтобы получить кремниевый стержень.
• Стержень нарезают на идеально гладкие пластины толщиной до 1 миллиметра.
• Методом литографии в несколько этапов на пластины наносят миллиарды транзисторов.
• Пластины нарезают на кристаллы, каждый из которых представляет собой самостоятельный чип.
• Кристаллы упаковывают в корпуса с термоинтерфейсом для отвода тепла.
• Полученные процессоры тестируют, маркируют и выпускают в продажу.

Звучит вроде бы несложно, однако за каждым из этих этапов стоит высокотехнологичное производство. Например, чтобы получить чистый кремний, нужно провести не менее трёх этапов химической очистки, в процессе которой материал нагревают до 1900 градусов по Цельсию.

Литография — отдельный сложный этап. Сейчас размеры транзисторов измеряются в нанометрах, а это миллиардная доля метра. Если в процессе нанесения транзисторов на пластину попадёт пылинка — могут забраковать всю «кремниевую вафлю». В цехах постоянно фильтруют воздух, рабочим запрещено использовать духи и косметику, ходить можно только в специальных костюмах, а сами заводы стоят на сейсмических подушках, чтобы колебания грунта не влияли на точность литографии.

Устройство процессора

Теперь мы знаем, из чего и как делают процессоры, а значит, пришло время заглянуть внутрь самого устройства. Если скальпировать ЦП, то есть снять верхнюю крышку термоинтерфейса, то можно увидеть кристалл в ещё одном защитном корпусе.

Счищаем защиту и графит с подложки и видим постепенно проступающую топологию блоков процессора.

Если же удалить все защитные слои полностью, то можно увидеть вот такую красоту. Это и есть кристалл CPU с нанесёнными на него полупроводниками.

Читайте также:

Опальный «Байкал»: быть или не быть российскому процессору?

А вот как выглядит вытравленный кристалл процессора Intel Core i5-12400F, выпущенный в том же году, что и Baikal-S 2022.

Что внутри кристалла

В кристалле процессора можно выделить три основные части: ядро, запоминающее устройство и шины.

Ядро ЦП выполняет основную работу, включая чтение, расшифровку, выполнение и отправку инструкций. Оно состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и ещё множества блоков, которые выполняют «внутреннюю магию» вычислений. АЛУ выполняет основные математические и логические операции. УУ управляет работой процессора с помощью электрических сигналов. Все эти устройства представляют собой многочисленные блоки, которые связаны в циклы.

Запоминающее устройство представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, состоящую из регистров и кэш-памяти. Регистры хранят текущие команды, данные и промежуточные результаты операций, а кэш-память загружает часто используемые команды и данные из оперативной памяти.

Шины — это каналы, по которым передаётся информация между CPU, оперативной памятью и другими устройствами. Они работают как рельсы для перевозки данных и обеспечивают передачу информации между компонентами компьютера.

Читайте также:

Джон фон Нейман: архитектура жизни гениального математика

Основные характеристики процессора

Производительность процессора определяется двумя основными параметрами: тактовой частотой и разрядностью.

Тактовая частота — показатель того, сколько операций процессор может выполнить за одну секунду. Измеряется в гигагерцах (ГГц). Например, если тактовая частота составляет 3 ГГц, то он сможет выполнять до 3 миллиардов операций в секунду. Чем выше частота, тем быстрее процессор выполняет задачи. Если перегрузить CPU, то это может вызвать троттлинг — принудительное снижение тактовой частоты, которое нужно, чтобы не перегреть оборудование.

Разрядность — показатель рабочего объёма данных. Например, если у процессора 32-битная разрядность, то он может обработать 32 бита данных за один такт. В современных компьютерах чаще используются 64-битные CPU. Они более быстрые и лучше обрабатывают большие объёмы данных.

Также характеристики процессора определяются такими параметрами:

Кэш-память — это быстрая память, в которой процессор хранит часто используемые данные и инструкции. Она бывает разных уровней: L1, L2 и L3. Чем больше кэш-память, тем быстрее ЦП получает доступ к данным.

Архитектура процессора определяет его внутреннюю структуру и набор команд. Современные CPU используют архитектуру:

• CISC (complex instruction set computer — «компьютер с полным набором команд») — архитектура, которая использует сложные и многофункциональные команды. Процессоры с CISC-архитектурой могут выполнять сложные команды за несколько тактов, поэтому их можно не разделять на более компактные команды.
• RISC (reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура с минимальным набором простых команд. Размер команд подбирается так, чтобы их можно было выполнять за один такт. Обычно RISC-архитектуру используют в устройствах с низким энергопотреблением.
• VLIW (very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура, в которой за один такт выполняется несколько операций, объединённых в длинную команду.
• MISC (minimal instruction set computer — «компьютер с минимальным набором команд») — архитектура с минимально возможным набором простых команд. Такие CPU часто используют в IoT-устройствах.

Все эти архитектуры относятся к неймановскому типу — программа и данные хранятся в оперативной памяти, и ЦП загружает их поочерёдно. Существует также гарвардская архитектура, у которой программный код и данные хранятся в разных типах памяти. Её чаще всего используют во встраиваемых системах: бытовой технике, системах сигнализации и медицинских приборах.

Энергопотребление — количество электроэнергии, которое процессор использует для своей работы. Оно измеряется в ваттах (Вт). Энергопотребление может увеличиваться под нагрузками.

Тепловыделение — это количество тепла, которое выделяется при работе процессора. Оно зависит от энергопотребления и других характеристик ЦП. Важно учитывать тепловыделение при выборе системы охлаждения и корпуса компьютера.

Как работает процессор

Если не закапываться в инженерные глубины процессов, то цикл работы CPU выглядит так:

Шаг 1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Это нужно для того, чтобы понять, требуется ли остановка выполнения текущей задачи, например, если поступили данные от клавиатуры или сетевой карты. Если прерывание есть, то данные регистров и счётчика команд заносятся в стек, а в счётчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончании работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены.

Шаг 2. Далее процессору надо определиться, какую команду выполнять следующей. Для этого блок выборки инструкций из счётчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из кэша или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования.

Шаг 3. Теперь ЦП знает, какую команду надо выполнять следующей, но её сперва надо декодировать. Для этого блок декодирования команд расшифровывает команду. Если это команда перехода, то в счётчик команд записывается адрес перехода и управление передаётся в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе показание счётчика команд увеличивается на размер команды (для процессора с длиной команды 32 бита — на 4) и передаёт управление в блок выборки данных.

Шаг 4. Для выполнения команды нужны данные, поэтому блок выборки данных считывает их из кэша или ОЗУ и передаёт управление планировщику.

Шаг 5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передаёт управление этому блоку.

Шаг 6. Блоки выполнения инструкций выполняют команду и передают управление блоку сохранения результатов.

Шаг 7. Блок сохранения результатов заносит их в оперативную память и передаёт управление блоку выборки инструкций (пункт 1).

Описанный выше цикл называется процессом. Он повторяется по кругу, а скорость перехода от одного цикла к другому определяется тактовой частотой.

Читайте также:

Принципы фон Неймана и первые компьютеры на их основе

Виды процессоров

Рассмотрим распространённые виды процессоров, которые чаще всего используют в гаджетах.

Универсальные процессоры — это наиболее распространённый вид, предназначенный для выполнения различных вычислительных задач и управления операциями памяти и периферийных устройств. Они используются в большинстве компьютеров и рабочих станций.

Серверные процессоры — ЦП с большим количеством ядер и потоков, что обеспечивает высокую производительность при обработке ресурсоёмких задач и больших баз данных. Используются в серверном оборудовании.

Мобильные процессоры — энергоэффективные процессоры для смартфонов, планшетов и других мобильных устройств. Они отличаются компактными размерами и низким энергопотреблением.

Встраиваемые процессоры — ЦП встроены непосредственно в приборы, такие как телевизоры, бытовая техника и автомобили. Они предназначены для выполнения узкопрофильных задач.

По типу выполняемых задач процессоры делятся на:

• Графические процессоры (GPU) — ориентированы на работу со сложной графикой, 3D-визуализацией и поддержкой значительного количества потоков, что делает их идеальным решением для игр и графических приложений.
• Центральные процессоры (CPU) — предназначены для выполнения всех основных вычислительных операций, контроля и координации работы других устройств и систем компьютера, а также обработки данных из памяти и отправки их обратно или на устройство вывода.

По типу крепления на материнской плате процессоры бывают:

• Распаянные — их невозможно снять с платы без паяльника. Если надо будет заменить такой процессор, то придётся повозиться.
• Разъёмные — устанавливаются в специальный разъём — сокет. Такие процессоры можно быстро заменять без специального оборудования.

Что запомнить

• Процессор — главный компонент компьютера и других гаджетов, который отвечает за все основные вычисления и связывает другие системы между собой.
• Тактовая частота ЦП показывает, сколько операций он может выполнить за одну секунду.
• В современных компьютерах обычно используются 64-битные процессоры. Это значит, что за один такт они могут обработать 64 бита данных.
• CPU изготавливают из кремниевых пластин, на которые с помощью литографии крепят транзисторы. Это очень сложное и дорогое производство.
• По типу выполнения задач процессоры делятся на графические и центральные. Первые отвечают за обработку графики, а вторые — выполняют все основные вычислительные операции.