Как работает cpu?

Рад встрече с вами, мои дорогие читатели. Надеюсь, вы полны сил и серьезно настроены выяснить, как работает процессор. Этот сложный вопрос мне приходится слышать все чаще и чаще, и сегодня я попытаюсь все понятно объяснить.

Вообще-то это целая наука, на изучение которой уходит несколько курсов высшего учебного заведения. Но если вы мобилизуете уже имеющиеся у вас знания и примете некоторые условности, то сможете понять принципы функционирования этого «черного ящика».

Чем занимается проц?

Чтобы понять, как работает ЦПУ, нужно кратко уяснить, что он делает.

• Используя данные с жесткого диска или из сети, выполняет программу и выдает конечный результат в виде файла или картинки, отображаемой на мониторе;
• В процессе этого обеспечивается взаимодействие с устройствами ПК посредством операционной системы и определенных инструкций (драйверов).

Например, процессор сам производит сложные расчеты, занося промежуточные и конечные результаты в оперативную память. Так же параллельно дает команды видеокарте визуализировать их.

• CPU работает с оцифрованными данными, представленным в виде двоичного кода. Фактически с ними он выполняет арифметические и логические операции. Если вы имели дело с простыми программками или алгоритмами, то это как раз оно.

Вот здесь обычно начинаются сложности в дальнейшем понимании процесса. Ведь всем известно, что CPU– это небольшая пластина, представляющая кристалл кремния, на который что-то там наносят. И он становиться центром компьютерного разума.

Но как работает эта схема?

«Не зная прошлого, невозможно понять подлинный смысл настоящего и цели будущего». (М. Горький)

Давайте вернемся к истории создания вычислительных машин, первыми из которых были, конечно, счеты. По сути, они выполняли функции ячеек памяти, помогающие человеку выполнять арифметические операции.

Потом появились механические устройства, выполняющие сложение и вычитание.

В XVII веке известный математик Лейбниц не только создал арифмометр, способный еще делить и умножать, но и открыл преимущества двоичной системы вычислений, что в последующем упростило работу создателям первых компьютеров.

Джордж Буль в XIX веке предложил систему логических операций И, ИЛИ, НЕ и их производные элементы (алгебру логики).

Не мене важное событие произошло в 1937 году, кода Клод Шеннон, исследуя цифровые цепи, смог создать вычислитель двоичных систем на основе электронных реле.

Все эти идеи объединил немецкий изобретатель Конрад Цузе.

Он в 1941 году создал устройство Z3, по праву считающееся прообразом современных компьютеров. В нем телефонные реле были объединены в модули, которые с помощью логических операций выполняли действия и математические вычисления с двоичными данными.

Спустя три года Цузе усовершенствовал свое детище, но главное, он предложил первый язык программирования «Планкалкюль».

Прогресс не стоит на месте

С тех пор вычислительные принципы практически не менялись. Все силы разработчиков были брошены на увеличение быстродействия вычислительной системы. Также на уменьшение ее размеров и на снижение нагрева при работе.

Сначала реле были заменены ламповыми приборами.

А в 1957 год компания NCR из США поразила мир компактной ЭВМ на полупроводниковых транзисторах. Через пару лет Несколькими изобретателями были заложены основы технологии объединения электронных схем на одном кристалле.

На что способны миллиарды транзисторов?

Надеюсь, что с этими знаниями вам легче будет представить себе работу процессора.

Итак, что же представляет собой современный ЦПУ?

Это действительно кристалл кремния. На его поверхности путем фототравления нанесена сложнейшая структуру из проводников и огромного количества полупроводниковых транзисторов.

• в 2004 году их число на кристалле было чуть больше 500 миллионов;
• 2006-й год – 1 миллиард;
• в 2008 – 2 миллиарда транзисторов.

Темпы роста увеличения плотности транзисторов немного упали, что обусловлено возможностями технологии их нанесения.

Сейчас для этого используется многоядерность и нанотехнология (актуальна 14 нм, ожидают от производителей 10 нм).

Вот пример процессора 2017 года.

Intel SKL Core i9-7000X заявлены около 6,5–7 миллиардов транзисторов. Но если честно транзисторы сейчас никто не считает.

Всех интересует тактовая частота, число ядер и разрядность (64 или 32 бита) и энергопотребление.

Структура ЦПУ и распределение функциональных «обязанностей»

Разговор о количестве транзисторов я повел к тому, чтобы вы оценили растущую вычислительную мощность процессоров. Из полупроводниковых элементов состоят все рабочие компоненты CPU и нам пора выяснить, что они собой представляют и как взаимодействуют.

• Вычислительное ядро, которых может быть несколько. Состоит из Устройства управления, направляющего данные и команды в виде сигналов в соответствии с полученными инструкциями и Арифметико-логического устройства, непосредственно занимающегося вычислением и реализацией условий сложных алгоритмов.
• За преобразование цифровых данных из памяти компьютера в поток сигналов, понятных процессору отвечает дешифратор.
• При этом данные разбиваются на блоки по 8, 16, 32 или 64 бита, которые содержатся в специальных ячейках, именуемых регистрами.Они выполнены по схеме триггера. Их максимальный размер означает разрядность процессора. И вместе с тактовой частотой обработки данных этот параметр определяет его производительность. Каждый регистр имеет свое назначение, так, например, A, B и C предназначены для обрабатываемых данных. ESP – их адрес в ОЗУ, Z – для последней операции сравнения, EIP – сообщает об адресации следующей инструкции в оперативке. Связка регистров и ядра – базовый элемент процессора.

• Важным компонентом CPU является многоуровневая кэш память, подгружающая информацию из ОЗУ. Непосредственно с ядром связана сверхбыстрая но самая маленькая L1, потом идет промежуточная L2, и на внешнем уровне находится большая по объему, но менее скоростная L В любом случае получение данных из нее происходит намного быстрее, чем из оперативки.
• Взаимодействие ЦПУ с другими компонентами ПК на физическом уровне происходит посредством шин, контакты от которых выводятся на сокет процессора на материнской плате. Они так же имеют разрядность соответствующую размеру основных реестров. Шина данных работает с ОЗУ, шина синхронизации – с генератором частотных импульсов. Адресная шина общается с другими устройствами, а шина перезапуска – обнуляет текущее состояние CPU.

Иногда на одном кристалле с ЦПУ располагают вспомогательный графический процессор, заточенный под выполнение специализированных задач и берущий значительную часть нагрузки на себя.

Команды, которые слышит процессор

Что же заставляет процессор корректно и эффективно работать с кодами, написанными порой на разных языках программирования. Языки то может и разные, но все они состоят из простых операций, предусматривающих:

• математические и логические операции с данными;
• их перемещение;
• сравнение;
• действие при выполнении условия;
• переадресацию.

Все эти функции прописаны для CPU в виде набора определенных инструкций.

Некоторые из них так же специально усовершенствованы для решения конкретных задач.

Поскольку компьютер работает не с реальными объектами, а с их математическими моделями, то процессор с помощью имеющихся в нем модулей легко справляется с обработкой цифровой информации и выдает требуемый результат.

Быстродействие процессора, как я уже сказал, зависит от тактовой частоты.

Например, не самый мощный четырех ядерный AMD Ryzen 5 2400G при 3.6GHz будет способен выполнить более 14 миллиардов операций в секунду. Поверьте, этого вполне достаточно для решения большинства компьютерных задач.

Пожалуй, дальше углубляться в работу процессора не стоит, ведь это уже епархия крутых айтишников. Но если есть такое желание, то я уверен, что полученные сегодня знания станут вам отличным подспорьем в боле серьёзном изучении ЦПУ.

На этом я желаю закончить статью и попрощаться с вами, пожелав всем успехов!