Как называется процесс в котором участвует цп когда он исполняет инструкции в программе

Роль центрального процессора очень важна для общего
функционирования компьютерной системы, поскольку он интерпретирует и выполняет
большинство команд, поступающих от аппаратного и программного обеспечения
компьютера. За прошедшие годы процессоры эволюционировали от одноядерных до
многоядерных с улучшенными возможностями производительности, включая более
эффективную обработку нескольких задач и более эффективное энергопотребление.
Расскажем простыми словами об этом устройстве.

Что такое центральный процессор

Картинка с сайта: digitalocean.ru

Центральный процессор (CPU) — это электронная схема, которая выполняет инструкции, составляющие компьютерную программу.

Центральный процессор (ЦП) часто считают «мозгом»
компьютера, поскольку он обрабатывает инструкции, поступающие от аппаратного,
программного обеспечения и периферийных устройств компьютера. Именно в нем
происходит большинство вычислений. С точки зрения вычислительной мощности
центральный процессор — самый важный элемент цифровой компьютерной системы.

История центрального процессора (ЦП) — это увлекательное
путешествие по пути развития вычислительной техники. Вот краткий обзор
некоторых ключевых вех.

1940-е: ранние
компьютеры

Концепция центрального процессора была представлена в ранних
компьютерах, таких как электронный цифровой интегратор и компьютер (ENIAC). Эти
машины были массивными и базировались на вакуумных трубках.

1950-е: транзисторные
процессоры

Изобретение транзистора в 1947 году стало важной вехой.
Транзисторы были намного меньше, быстрее, надежнее и энергоэффективнее
вакуумных трубок. Первым коммерческим компьютером, в котором использовался
транзистор, стал IBM 7090, представленный в 1959 году.

1960-е: интегральные
микросхемы

Появление интегральных схем (ИС) ознаменовало собой следующий
большой шаг в развитии процессоров. ИС могла содержать множество транзисторов и
других компонентов на одном маленьком чипе, что значительно уменьшало размеры и
повышало производительность компьютеров. Первым компьютером на базе ИС стала
IBM System/360, представленная в 1964 году.

1970-е: микропроцессоры

Микропроцессор — это однокристальный процессор, который
значительно уменьшил стоимость и размер компьютеров, сделав возможным
использование персональных компьютеров. Intel 4004, выпущенный в 1971 году,
часто считается первым коммерчески доступным микропроцессором. Он привел к
разработке более мощных микропроцессоров, таких как Intel 8080 и Zilog Z80.

1980-е: расцвет персональных компьютеров

1980-е годы ознаменовались появлением персональных
компьютеров (ПК), оснащенных более совершенными процессорами, такими как Intel
8086 и Motorola 68000. Эти процессоры отличались более высокой тактовой
частотой, большим количеством инструкций и могли обращаться к большему объему
памяти, что позволяло создавать более сложные программные приложения.

1990-е: эра
конкуренции производительности

1990-е годы были отмечены острой конкуренцией между
производителями процессоров, в частности Intel и AMD. В этот период произошел
быстрый прогресс в архитектуре процессоров, включая внедрение 32-разрядной
обработки, повышение тактовой частоты и первый коммерческий 64-разрядный
процессор (DEC Alpha, представленный в 1992 году). Серия Intel Pentium стала
синонимом персональных компьютеров в эту эпоху.

2000-е годы и настоящее время: многоядерные процессоры и
не только

В начале 2000-х годов появились многоядерные процессоры,
одними из первых стали IBM POWER4 и AMD Athlon 64 X2. Многоядерные процессоры
могут выполнять несколько задач одновременно, что значительно повышает
производительность при многозадачной и параллельной обработке данных. Сегодня
процессоры не только продолжают наращивать количество ядер и эффективность, но
и интегрируют такие передовые функции, как ускорение искусственного интеллекта,
поддержка виртуализации и повышенные меры безопасности.

За свою историю центральный процессор превратился из машины
размером с комнату в крошечный чип, который питает огромное количество
устройств — от серверов до смартфонов, — постоянно расширяя границы
возможностей компьютеров. От увеличения тактовых частот внимание переключилось
на расширение возможностей параллельной обработки данных, повышение
энергоэффективности и интеграцию дополнительных функций в сам процессор,
определяя будущее вычислительных технологий.

Как устроен компьютер:

Из чего состоит центральный процессор: устройство CPU

Картинка с сайта: digitalocean.ru

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). ALU выполняет
все арифметические и логические операции. Арифметические операции включают в
себя основные вычисления, такие как сложение, вычитание, умножение и деление.
Логические операции включают в себя операции сравнения, такие как AND, OR, NOT
и XOR.

Блок управления (БУ). CU управляет работой
процессора. Он указывает памяти компьютера, арифметическому/логическому блоку,
а также устройствам ввода и вывода, как реагировать на инструкции, переданные
процессору.

Регистры. Регистры — это небольшие, быстродействующие
места хранения данных в процессоре, используемые для временного хранения данных
и инструкций, которые используются АЛУ или блоком управления. Они играют
решающую роль в выполнении инструкций.

Кэш. В состав процессора часто входит кэш-память,
которая представляет собой небольшой по размеру тип энергозависимой
компьютерной памяти, обеспечивающий высокоскоростной доступ процессора к данным
и хранящий часто используемые компьютерные программы, приложения и данные.

Ядра и потоки. Современные процессоры могут иметь
несколько ядер, что позволяет им выполнять несколько процессов одновременно.
Поток — это последовательность запрограммированных инструкций, которые может
выполнять процессор. Многопоточность и многоядерные технологии значительно
повышают производительность, позволяя одновременно выполнять несколько потоков.

Как работает центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) работает, выполняя ряд операций,
которые приводят в исполнение инструкции из программ. Эти инструкции указывают
процессору, что делать, начиная с базовых арифметических действий и заканчивая
сложными вычислениями и принятием решений. Работу процессора можно разбить на
цикл, известный как «выборка-декодирование-исполнение»,
который повторяется для каждой инструкции. Вот упрощенный обзор этапов этого
цикла.

Выборка

Выборка инструкции. Процессор извлекает инструкцию из
памяти. Каждая инструкция имеет определенное место в памяти, обозначаемое
адресом. ЦП использует счетчик программ (PC), чтобы отслеживать, какая
инструкция должна быть извлечена следующей. После извлечения инструкции PC
обновляется и указывает на следующую инструкцию.

Реестр инструкций. Полученная инструкция сохраняется
в регистре инструкций (IR) для декодирования.

Декодирование

Декодирование инструкции. Блок управления (CU)
декодирует инструкцию, хранящуюся в IR. Этот процесс включает в себя понимание
того, что должна делать инструкция (например, арифметическая операция, доступ к
памяти, операция ввода-вывода). CU переводит инструкцию в сигналы, которые
могут управлять другими частями процессора для выполнения требуемой операции.

Выполнение

Получение операнда. Если инструкция требует данных из
памяти или ввода, ЦП извлекает операнды, необходимые для выполнения операции.

Исполнение. Фаза выполнения может включать в себя
различные действия в зависимости от типа инструкции:

·
Арифметические и логические вычисления
выполняются блоком арифметической логики (ALU).

·
Инструкции перемещения данных (например, load,
store) связаны с передачей данных между процессором и памятью или устройствами
ввода-вывода.

·
Управляющие инструкции могут изменять
последовательность выполнения команд, например, обновлять счетчик программы для
перехода к другой части программы.

Запись

Хранение результата. После выполнения результат
операции записывается обратно в память или регистр процессора, в соответствии с
инструкцией.

Дополнительные понятия

Pipelining (конвейер). Современные процессоры
повышают эффективность за счет использования конвейерной обработки, когда
различные этапы нескольких инструкций обрабатываются одновременно. Например,
пока выполняется одна инструкция, следующая может быть декодирована, а другая —
извлечена.

Кэширование: Процессоры используют кэши для ускорения
доступа к часто используемым данным и инструкциям. Кэши — это небольшие, более
быстрые памяти, расположенные рядом с ядрами процессора.

Параллелизм: Многие процессоры имеют несколько ядер,
что позволяет им выполнять несколько инструкций одновременно. Такие
усовершенствованные функции, как гиперпоточность (технология Intel), позволяют
одному ядру обрабатывать несколько потоков одновременно, что еще больше
повышает эффективность.

Работа центрального процессора включает в себя сложные
взаимодействия между его компонентами для обеспечения эффективного и
корректного выполнения инструкций, поступающих от программного обеспечения.
Достижения в области разработки процессоров, такие как увеличение количества ядер,
повышение тактовой частоты, улучшение кэширования и конвейеризации, продолжают
повышать их производительность и возможности.

Основные характеристики центрального процессора (CPU)

Картинка с сайта: digitalocean.ru

Центральный процессор (ЦП) имеет несколько ключевых характеристик,
которые определяют его производительность и пригодность для выполнения
различных вычислительных задач. Эти характеристики очень важны для понимания
того, как процессор будет работать в различных сценариях, от повседневных
вычислений до специализированных приложений, таких как игры или анализ данных.
Вот основные характеристики процессора.

Тактовая частота

Определение. Тактовая частота, измеряемая в
гигагерцах (ГГц), показывает, сколько циклов процессор может выполнить за
секунду. Более высокая тактовая частота означает, что процессор может выполнять
больше инструкций в секунду.

Влияние. Влияет на общую скорость работы процессора,
хотя фактическая производительность зависит и от других факторов, таких как
набор инструкций, архитектура и рабочая нагрузка.

Количество ядер

Определение. Современные процессоры могут иметь
несколько ядер, каждое из которых способно выполнять инструкции независимо.
Большее количество ядер улучшает способность выполнять несколько задач
одновременно или параллельную обработку.

Влияние. Многоядерные процессоры могут значительно
повысить производительность программного обеспечения, предназначенного для
использования преимуществ параллельной обработки, например программ для
редактирования видео или научных вычислений.

Размер кэша

Определение. Кэш процессора — это небольшая, быстрая
память, расположенная внутри процессора. В ней хранятся копии часто
используемых данных и инструкций, чтобы сократить время доступа к данным из
основной памяти.

Влияние. Увеличение объема кэша может повысить
производительность процессора за счет сокращения времени, необходимого для
получения данных и инструкций, особенно в тех случаях, когда к одним и тем же
данным или инструкциям обращаются неоднократно.

Архитектура набора инструкций (ISA)

Определение. ISA определяет набор инструкций, которые
может выполнять процессор, включая арифметические действия, перемещение данных
и операции управления. Распространенные ISA включают x86-64 (используется в
процессорах Intel и AMD) и ARM (используется во многих мобильных устройствах).

Влияние. Определяет типы программного обеспечения,
которое может запускать процессор, и влияет на эффективность и сложность
выполнения различных задач.

Тепловая расчетная мощность (TDP)

Определение. TDP — это максимальное количество тепла,
выделяемое процессором, которое система охлаждения способна рассеять в
нормальных условиях работы. Обычно она измеряется в ваттах (Вт).

Влияние. Влияет на конструкцию системы охлаждения
компьютера и может влиять на дросселирование процессора и общую
производительность под нагрузкой.

Техпроцесс

Определение. Размер техпроцесса (измеряется в
нанометрах, нм) означает размер наименьшего элемента, который может быть
изготовлен на полупроводнике процессора. Меньшие размеры техпроцесса обычно
позволяют разместить на чипе больше транзисторов, что повышает
производительность и энергоэффективность.

Влияние. Уменьшение размеров техпроцесса может
привести к созданию более быстрых и энергоэффективных процессоров, но при этом
требует более совершенных и дорогих технологий производства.

Интегрированная графика

Определение. Многие современные процессоры включают
интегрированные графические процессоры (IGP), которые выполняют задачи
обработки графики и видео, не требуя отдельной видеокарты.

Влияние. Полезно для повседневных вычислительных
задач, легких игр и мультимедиа, но может не подойти для высококлассных игр или
профессиональной работы с графикой.

Совместимость и тип гнезда

Определение. Для обеспечения совместимости тип сокета
(гнезда) процессора должен совпадать с типом сокета материнской платы. Разные
производители и модели процессоров используют разные типы сокетов.

Влияние. Определяет, в какие материнские
платы может быть установлен процессор, что влияет на возможности
модернизации и совместимость с другими компонентами.

Что такое чипсет:

Понимание этих характеристик может помочь в выборе
подходящего процессора для конкретных нужд, обеспечивая баланс между
производительностью, энергопотреблением и стоимостью.

Как в процессоре реализовано исполнение команд?
Я знаю схему простого компьютера. Его элементы, АЛУ, регистры, кэш, декодирование команд, разбиение их на элементарные операции (о них и речь, как они выполняются?).

Возьмем команду JNE (jump not equal). Что бы ее исполнить, процессор должен взять результат cmp и послать $eip, счетчику команд (моторчику) новый импульс, равный метке.
Как моторчик посчитает, сколько импульсов он получил, его либо нужно связать с АЛУ, либо встроить собственный счетчик импульсов. И это только 1 команда. Как процессор поймет, что ему делать, когда он получит другую команду, PUSH например (ее двоичный код, условно 11110000) ?
Если жестко забить ~400 x86 команд, то получится очень сложная архитектура. Следовательно, должен быть какой то интерпретатор, про который я слышал, но не смог найти информации. Получается рекурсия, интерпретатор команд для ассемблерных команд.
Если кто то знает книги по тематике «как собрать компьютер из транзисторов и установить туда простейшую ОС», то буду признателен.
Я читал книги Таненбаума и «Код, тайный язык информатики», понял не все.
Прошу прощения, что все намешано в кашу.

Иллюстратор: Оля Ежак для Skillbox Media

Филолог и технарь, пишет об IT так, что поймут даже новички. Коммерческий редактор, автор технических статей для vc.ru и «Хабра».

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

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

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

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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

Картинка с сайта: skillbox.ru

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

Картинка с сайта: skillbox.ru

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

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

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.

Картинка с сайта: skillbox.ru

• 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.

Попробуйте себя в IT бесплатно
Вы познакомитесь с основами разработки, напишете первую программу на Python и поймёте, как быстро устроиться в IT.
Учиться бесплатно →

В основе любого «умного» устройства лежит процессор — компонент, который отвечает за вычисления внутри гаджета. Процессоры есть в компьютерах, смартфонах, смарт-часах и браслетах — в любой вычислительной технике.

Рассказываем, что такое процессор и почему без него не может обойтись ни один компьютер.

Что представляет собой процессор

Центральный процессор еще называют CPU или ЦПУ. Это небольшое устройство, которое выглядит как квадратная или прямоугольная пластина. Процессор домашнего компьютера имеет размер около 5 см по каждой стороне.

В центре пластины — чип из кремния. К нему припаяно множество транзисторов. Именно они выполняют вычисления, а кремний проводит между ними ток. 

Кремний — полупроводник: он может изменять свою способность проводить ток в зависимости от обстоятельств. Поэтому его проводимостью можно управлять, и он подходит для создания процессоров.

В компьютере процессор расположен на материнской плате — она связывает его с другими компонентами, например с жестким диском или видеокартой. Так процессор получает возможность обмениваться информацией с другими системами.

Кроме центрального процессора компьютера, существуют сопроцессоры — дополнительные процессоры, которые расширяют возможности ЦПУ. Например, ускоряют математические вычисления или решают какие-то узкие задачи. Также свой процессор может быть у видеокарты: это позволяет ей обрабатывать сложную графику. 

Для чего нужен процессор

Функционально процессор — это мозг компьютера. Как и человеческий мозг, он обрабатывает всю информацию, которую получает устройство, управляет системой и памятью компьютера.

Функции процессора можно разделить на несколько групп:

• интерпретация и выполнение инструкций — программы компьютера отправляют процессору инструкции в двоичном коде, а он проводит вычисления и выполняет эти инструкции;
• обработка информации — другие системы могут передавать процессору данные, которые он обрабатывает с помощью вычислений и возвращает результат;
• управление памятью — процессор записывает данные в постоянную память, получает информацию из оперативной памяти, управляет доступом к памяти и пользуется собственным кэшем для краткосрочного хранения данных;
• управление системой — процессор взаимодействует с другими аппаратными компонентами, например жестким диском и видеокартой, передает иным системам результаты своих вычислений.

Принцип работы процессора основан на вычислительном цикле, или fetch-decode-execute cycle. Это последовательность действий, которая постоянно повторяется — миллионы раз в секунду. Именно в рамках вычислительного цикла процессор выполняет инструкции и обрабатывает информацию.

Цикл состоит из трех основных шагов:

1. Fetch — получение команды, которую процессору отправила какая-либо программа.
2. Decode — декодирование, или расшифровка полученной команды, перевод в понятный для процессора вид.
3. Execute — выполнение команды.

На третьем шаге процессор вычисляет результат и может совершить с ним какое-либо действие. Например, записать его в память или создать на его основе команду, чтобы передать в другую систему. В этот момент в компьютере что-нибудь происходит: создается новый файл, открывается программа, отрисовывается картинка — в зависимости от того, какой была команда.

Внутреннее устройство процессора в компьютере

Основной компонент процессора — кристалл: та самая кремниевая пластина с транзисторами. Он состоит из двух главных частей:

• Ядро. Именно оно отвечает за вычисления. Ядро в свою очередь включает в себя арифметическо-логическое устройство для выполнения операций, устройство управления, которое обрабатывает команды, и других компонентов. В современных процессорах ядер обычно больше одного — поэтому устройства могут выполнять несколько команд одновременно.
• Память процессора. Ее еще называют запоминающим устройством. Она тоже состоит из двух компонентов: регистров и кэша. Регистры — очень маленькие ячейки памяти, которые хранят данные текущей команды. Кэш чуть больше: в нем хранятся часто используемые команды, к которым нужен быстрый доступ.

Кроме того, к процессору присоединены шины — каналы передачи данных. С их помощью ЦПУ обменивается информацией с другими системами и компонентами.

Поверх кристалла находится слой изоляционного материала, несколько защитных слоев и термоинтерфейс для отведения тепла. Поэтому сам кристалл как правило не видно. Его можно увидеть, только если разобрать процессор, но в домашних условиях это невозможно без поломки устройства.

Основные характеристики процессора

Процессоры разных видов и серий отличаются друг от друга по множеству параметров. От этих параметров зависит, насколько быстро и эффективно будет работать процессор. Вот некоторые из характеристик, которые могут быть важны при выборе устройства.

Тактовая частота. Этот параметр показывает, сколько операций в секунду способен выполнить процессор. Он измеряется в мегагерцах или гигагерцах: 1 МГц — миллион операций в секунду, а 1 ГГц — миллиард операций. То есть, чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор будет совершать вычисления и исполнять команды.

Разрядность. Это количество информации, которую процессор может обработать за один такт — то есть за одну операцию. Информация измеряется в битах: 1 бит — это ноль или единица. Например, 64-разрядный процессор обрабатывает 64 бита за такт. Чем выше разрядность, тем производительнее устройство.

Количество ядер. В современных процессорах обычно несколько ядер. Они выполняют операции одновременно друг с другом, поэтому вычисления заметно ускоряются. Тут принцип тот же: чем больше ядер, тем выше скорость работы.

Часто разные ядра берут на себя разные задачи. Например, в современных процессорах есть P-ядра и E-ядра: первые предназначены для более сложных вычислений, вторые, более энергоэффективные — для тех, что не требуют высокой нагрузки на процессор.

Количество потоков. Увеличение количества ядер — не единственный способ выполнять несколько действий одновременно. Большинство современных процессоров поддерживают многопоточность: одно ядро одновременно решает несколько задач. Чем больше потоков, тем больше операций оно может выполнять. Правда, многопоточность не так заметно увеличивает производительность, как дополнительные ядра.

Размер транзисторов. Этот параметр еще называют техпроцессом. В современных процессорах его измеряют в нанометрах. Чем меньше транзисторы, тем большее их количество можно разместить на процессоре — и тем выше его производительность. Кроме того, маленькие транзисторы выделяют меньше тепла.

Самый маленький техпроцесс в современном мире — около 2 нанометров. Но крупные производители уже разрабатывают процессоры с техпроцессом 1 нм и даже меньше. Правда, до их выпуска на рынок придется подождать еще несколько лет.

Размер кэша. Кэш — это внутренняя память процессора. Она очень быстрая, но не очень большая, и состоит из трех уровней: L1, L2, L3.  В кэше процессор хранит самые распространенные команды, которые могут быстро ему понадобиться. Чем больше кэш, тем больше команд в нем можно сохранить — и тем эффективнее будет работать процессор.

Выделение тепла. Во время работы, особенно при выполнении сложных команд, процессор греется. Чем больше тепла он выделяет — тем более мощная система охлаждения ему понадобится.

Энергопотребление. Это то, сколько электроэнергии в ваттах потребяет процессор. Чем более сложную задачу он решает, тем больше энергии потребляет — и тем сильнее греется. Параметр стоит учитывать, чтобы понимать энергоэффективность процессора.

Сокет. Так называется разъем, с помощью которого процессор соединяют с материнской платой. Если ЦПУ покупают отдельно от материнской платы, нужно проследить, чтобы их сокеты подходили друг к другу — иначе процессор не получится установить.

Какой бывает архитектура процессора

Еще один важный параметр — архитектура, или то, как процессор спроектирован внутри. Архитектуры различаются подходом к написанию инструкций для процессора, устройством компонентов и многим другим.

Компьютерные процессоры обычно используют неймановскую архитектуру — и программа, и ее данные хранятся в оперативной памяти. Среди них существует несколько стандартных архитектурных концепций:

• CISC — архитектура с длинными командами и небольшим набором регистров. По сравнению с другими у нее есть проблемы с быстродействием и параллельными вычислениями. Но многие компьютеры до сих пор работают на процессорах, основанных на ней;
• RISC — архитектура с короткими командами, длина которых ограничена, чтобы выполнить их можно было за один такт. Большинство современных процессоров имеют архитектуру, основанную на ней — в основном это процессоры для мобильных устройств;
• VLIW — архитектура с очень длинными инструкциями, в каждой из которых находится несколько операций. У таких процессоров несколько арифметическо-логических устройств, которые исполняют инструкции параллельно. Сейчас такой подход используется в сопроцессорах мобильных устройств;
• MISC — архитектура с последовательностями очень коротких команд. Такие процессоры довольно дешевые и не слишком сильно греются. Часто их используют в IoT-устройствах.

В рамках этих концепций существуют уже более конкретные реализации архитектуры — и их множество. Например, архитектура ARM основана на RISC. А архитектура x86-x64 — на CISC. И у каждой из них тоже есть вариации.

Кроме неймановской, также существует гарвардская архитектура. В ней программа и данные хранятся в разных местах, и процессор может обращаться к ним одновременно. Но этот вид архитектуры редко используется в компьютерах. Его в основном применяют в бытовых, медицинских и других приборах.

Какие процессоры существуют на рынке

Главных производителей процессоров в мире два: Intel и AMD. Именно они выпускают большинство современных ЦПУ. Но на рынке есть не только они — рассмотрим главных производителей процессоров для компьютеров и мобильных устройств.

• Intel — один из самых популярных производителей процессоров. Он выпускает линейки ЦПУ для персональных компьютеров, ноутбуков и нетбуков, а также для мобильных устройств, профессиональных компьютеров и серверов. Например, легковесный Intel Atom используется в мобильных гаджетах, а линейка Intel Core i9 — высокопроизводительные процессоры, которые часто применяют в геймерских сборках ПК.
• AMD — еще один популярный производитель, который выпускает процессоры под разные нужды. Например, линейка AMD Ryzen 9 подходит для геймеров, а AMD Threadripper — для сложных вычислений, например видеомонтажа. А специализированная серия AMD EPYC предназначена для серверов.
• Apple — производитель смартфонов и компьютеров, который также создает для них процессоры. Они предназначены специально для техники Apple. Изначально компания выпускала ЦПУ только для своих мобильных устройств, но с 2020 года начала переводить на собственные процессоры ПК и ноутбуки. Процессоры Apple основаны на ARM-архитектуре, поэтому энергоэффективны и быстро работают. 
• Qualcomm — один из наиболее популярных производителей ЦПУ для мобильных устройств. Его процессоры Snapdragon основаны на архитектуре ARM и используются в смартфонах Samsung, Sony, Xiaomi и многих других.
• Nvidia — самый известный производитель графических процессоров и видеокарт. Именно эта компания ввела термин GPU — графический процессор. Но кроме них, она также выпускает специализированные процессоры для автомобильной электроники и многое другое.

Кроме того, собственные процессоры создают некоторые производители электроники, например Huawei, IBM и другие. Зачастую они предназначены для устройств, которые производит сама корпорация.

Стоит также упомянуть компанию ARM. Сама по себе она не производит процессоры, но разработала архитектуру ARM и выдает лицензии на ее использование другим компаниям — производством занимаются уже они. Например, лицензией ARM пользуются Apple и Qualcomm.

Краткие выводы

• Процессор — это устройство, которое отвечает за вычисления в компьютере, его своеобразный мозг. Он есть во всех современных гаджетах: компьютерах, телефонах, умной бытовой технике, смарт-часах и даже автомобилях.
• Главный компонент процессора — кристалл. Это пластинка кремния с огромным количеством транзисторов, которые и выполняют вычисления. Кристалл окружают защитные, изолирующие и отводящие тепло слои.
• В ходе работы процессор получает инструкции от других систем и исполняет их. Результат он отправляет в память или возвращает какой-то другой системе. Он отвечает за вычисления, управление памятью и системами компьютера.
• У процессора есть вычислительные ядра и собственная память. От количества ядер и размера памяти зависит производительность устройства. Также важны количество потоков, размер транзисторов, тактовая частота и другие характеристики.