Как процессор выглядит внутри

Обновлено: 21.11.2024

Компьютер, на котором вы читаете эту страницу, использует для своей работы микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого обычного компьютера, будь то настольный компьютер, сервер или ноутбук. Существует множество типов микропроцессоров, но все они делают примерно одно и то же примерно одинаково.

Микропроцессор, также известный как центральный процессор или центральный процессор, представляет собой законченный вычислительный механизм, созданный на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, представленный в 1971 году. 4004 был не очень мощным — все, что он мог делать, это складывать и вычитать, и он мог делать это только 4 бита за раз. Но было удивительно, что все было на одном чипе. До 4004 инженеры строили компьютеры либо из наборов микросхем, либо из отдельных компонентов (транзисторов, соединенных по одному). На базе 4004 был создан один из первых портативных электронных калькуляторов.

Если вы когда-нибудь задумывались о том, что делает микропроцессор в вашем компьютере, или если вы когда-нибудь задумывались о различиях между типами микропроцессоров, читайте дальше. В этой статье вы узнаете, как довольно простые приемы цифровой логики позволяют компьютеру выполнять свою работу, будь то игра или проверка орфографии в документе!

Развитие микропроцессоров: Intel

Представленный Intel в 1974 году, микропроцессор 8080 стал первым микропроцессором, достаточно мощным для создания компьютера. Библиотека изображений «Наука и общество»/Getty Images

С 2004 года корпорация Intel представила многоядерные микропроцессоры и еще миллионы транзисторов. Но даже эти микропроцессоры подчиняются тем же общим правилам, что и более ранние чипы.

Процессор Intel Core i9 может иметь до восьми ядер, каждое из которых может выполнять любой фрагмент кода, работавший на исходном 8088, всего примерно в 6700 раз быстрее! Каждое ядро может обрабатывать несколько потоков инструкций, что позволяет компьютеру более эффективно управлять задачами.

С 1970-х годов ассортимент продукции Intel значительно расширился. На момент написания этой статьи компания по-прежнему производит процессоры Pentium и Core для компьютеров, но более производительные ПК и серверы могут использовать чип Xeon. Кроме того, Intel предлагает линейки процессоров Celeron и Atom. Celeron предназначен для пользователей компьютеров начального уровня, а процессоры Atom лучше подходят для мобильных устройств и устройств, являющихся частью Интернета вещей.

Несмотря на то, что Intel по-прежнему занимает значительную долю рынка, у нее больше конкурентов, чем ее справедливая доля. AMD конкурирует с Intel на рынке процессоров для ПК, но также имеет большой бизнес в области чипов для графических процессоров, которые популярны среди геймеров. Nvidia, известная своими графическими чипами, также производит процессоры. В 2020 году Apple представила свои чипы серии M, которые заменяют чипы Intel, которые Apple использовала для своих компьютеров Macintosh. Samsung также может работать над собственным дизайном процессоров. Многие другие компании производят процессоры для других применений электроники, таких как автомобили и продукты для умного дома. Рынок становится все более и более конкурентным.

Чип также называют интегральной схемой. Как правило, это небольшой тонкий кусочек кремния, на котором выгравированы транзисторы, из которых состоит микропроцессор. Чип может быть размером с дюйм со стороны и содержать десятки миллионов транзисторов. Более простые модели могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе площадью всего несколько квадратных миллиметров. Стало обычным видеть чипы во всевозможных устройствах с несколькими ядрами, каждое из которых является процессором.

Наследие более ранних разработок, таких как разностная машина Бэббиджа и перфокартные системы мейнфреймов 1970-х годов, оказывают значительное влияние на современные компьютерные системы. В своей первой статье из этой исторической серии «История компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов» я обсудил несколько предшественников современного компьютера и перечислил характеристики, определяющие то, что мы сегодня называем компьютером.

В этой статье я расскажу о центральном процессоре (ЦП), включая его компоненты и функциональные возможности. Многие темы относятся к первой статье, поэтому обязательно прочитайте ее, если вы еще этого не сделали.

Центральный процессор (ЦП)

ЦП современных компьютеров — это воплощение «мельницы» в разностной машине Бэббиджа. Термин центральный процессор возник еще в далекие компьютерные времена, когда в одном массивном корпусе содержалась схема, необходимая для интерпретации программных инструкций машинного уровня и выполнения операций с предоставленными данными. Центральный процессор также завершил всю обработку всех подключенных периферийных устройств.Периферийные устройства включали принтеры, устройства чтения карт и ранние устройства хранения, такие как барабаны и дисководы. Современные периферийные устройства сами обладают значительной вычислительной мощностью и разгружают некоторые задачи обработки с ЦП. Это освобождает ЦП от задач ввода-вывода, так что его мощность применяется к основной задаче под рукой.

Ранние компьютеры имели только один ЦП и могли выполнять только одну задачу за раз.

Сегодня мы сохраняем термин ЦП, но теперь он относится к процессорному пакету на типичной материнской плате. На рис. 1 показан стандартный пакет процессоров Intel.

Рис. 1. Процессор Intel Core i5 (Джуд МакКрени, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Здесь действительно не на что смотреть, кроме самого пакета процессора. Пакет процессора представляет собой микросхему, содержащую процессор(ы), запечатанную внутри металлического контейнера и установленную на небольшой печатной плате (ПК). Пакет просто вставляется в гнездо ЦП на материнской плате и фиксируется с помощью фиксирующего рычага. Процессорный кулер крепится к корпусу процессора. Существует несколько различных физических разъемов с определенным количеством контактов, поэтому, если вы собираете свои собственные компьютеры, очень важно подобрать правильный корпус, подходящий для разъема материнской платы.

Как работает процессор

Давайте рассмотрим ЦП более подробно. На рис. 2 представлена концептуальная схема гипотетического ЦП, позволяющая упростить визуализацию компонентов. ОЗУ и системные часы заштрихованы, поскольку они не являются частью ЦП и показаны только для ясности. Кроме того, никакие связи между тактовым генератором ЦП и блоком управления и компонентами ЦП не используются. Достаточно сказать, что сигналы от тактового генератора и блока управления являются неотъемлемой частью любого другого компонента.

Рисунок 2. Упрощенная концептуальная схема типичного процессора.

Этот дизайн не выглядит особенно простым, но на самом деле все еще сложнее. Этой цифры достаточно для наших целей, но она не слишком сложная.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические функции, за которые отвечает компьютер. A и B регистры содержат входные данные, а накопитель получает результат операции. Регистр инструкций содержит инструкцию, которую должен выполнить АЛУ.

Например, при добавлении двух чисел одно число помещается в регистр A, а другое — в регистр B. АЛУ выполняет сложение и помещает результат в аккумулятор. Если операция логическая, сравниваемые данные помещаются в регистры ввода. Результат сравнения, 1 или 0, помещается в аккумулятор. Независимо от того, является ли это логической или арифметической операцией, содержимое накопителя затем помещается в ячейку кэша, зарезервированную программой для результата.

Существует еще один тип операций, выполняемых ALU. Результатом является адрес в памяти, который используется для вычисления нового местоположения в памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат помещается в регистр указателя команд.

Регистр инструкций и указатель

Указатель инструкции указывает место в памяти, содержащее следующую инструкцию, которую должен выполнить ЦП. Когда ЦП завершает выполнение текущей инструкции, следующая инструкция загружается в регистр инструкций из ячейки памяти, на которую указывает указатель инструкции.

После загрузки инструкции в регистр инструкций указатель регистра инструкций увеличивается на один адрес инструкции. Увеличение позволяет ему быть готовым к перемещению следующей инструкции в регистр инструкций.

Кэш

ЦП никогда не обращается напрямую к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кеша. Способность ЦП выполнять вычисления намного быстрее, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП. Причины этого выходят за рамки этой статьи, но я расскажу об этом подробнее в следующей статье.

Кэш-память быстрее системной ОЗУ и ближе к ЦП, поскольку находится на кристалле процессора. Кэш обеспечивает хранение данных и инструкции, чтобы ЦП не ждал, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору нужны данные — а инструкции программы также считаются данными — кэш определяет, имеются ли уже данные, и предоставляет их центральному процессору.

Если запрошенных данных нет в кеше, они извлекаются из ОЗУ и с помощью алгоритмов прогнозирования перемещают больше данных из ОЗУ в кеш. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные потребуются из оперативной памяти. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Храня некоторые данные ближе к ЦП в кеше, который быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и не тратить циклы на ожидание данных.

Наш простой ЦП имеет три уровня кэша. Уровни 2 и 3 предназначены для прогнозирования того, какие данные и программные инструкции потребуются в следующий раз, для перемещения этих данных из ОЗУ и перемещения их как можно ближе к ЦП, чтобы они были готовы, когда это необходимо. Эти размеры кэша обычно варьируются от 1 МБ до 32 МБ в зависимости от скорости и предполагаемого использования процессора.

Кэш уровня 1 расположен ближе всего к центральному процессору. В нашем процессоре есть два типа кеша L1. L1i — это кэш инструкций, а L1d — кэш данных. Размер кэша уровня 1 обычно составляет от 64 КБ до 512 КБ.

Блок управления памятью

Блок управления памятью (MMU) управляет потоком данных между основной памятью (ОЗУ) и ЦП. Он также обеспечивает защиту памяти, необходимую в многозадачных средах, и преобразование адресов виртуальной памяти в физические адреса.

Часы процессора и блок управления

Все компоненты ЦП должны быть синхронизированы для бесперебойной совместной работы. блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые распространяются на ЦП.< /p>

Оперативная память (ОЗУ)

Хотя ОЗУ или основное хранилище показаны на этой и следующей диаграммах, на самом деле они не являются частью ЦП. Его функция заключается в хранении программ и данных, чтобы они были готовы к использованию, когда они потребуются процессору.

Как это работает

ЦП работают по циклу, который управляется блоком управления и синхронизируется с часами ЦП. Этот цикл называется циклом инструкций ЦП и состоит из ряда компонентов выборки/декодирования/выполнения. Инструкция, которая может содержать статические данные или указатели на переменные данные, извлекается и помещается в регистр инструкций. Команда декодируется, и любые данные помещаются в регистры данных A и B. Инструкция выполняется с использованием регистров A и B, а результат помещается в аккумулятор. Затем ЦП увеличивает значение указателя инструкции на длину предыдущего и начинает заново.

Базовый цикл инструкций ЦП выглядит следующим образом.

Рисунок 3. Базовый цикл инструкций ЦП.

Потребность в скорости

Хотя базовый ЦП работает хорошо, ЦП, работающие в этом простом цикле, можно использовать еще эффективнее. Существует несколько стратегий повышения производительности ЦП, и здесь мы рассмотрим две из них.

Ускорение цикла инструкций

Одной из проблем, с которой столкнулись первые разработчики ЦП, была трата времени на различные компоненты ЦП. Одной из первых стратегий повышения производительности ЦП было перекрытие частей цикла инструкций ЦП для более полного использования различных частей ЦП.

Например, когда текущая инструкция декодирована, следующая извлекается и помещается в регистр инструкций. Как только это произошло, указатель инструкции обновляется адресом памяти следующей инструкции. Использование перекрывающихся циклов команд показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Цикл инструкций ЦП с перекрытием.

Этот дизайн выглядит красиво и плавно, но такие факторы, как ожидание ввода-вывода, могут нарушить поток. Отсутствие правильных данных или инструкций в кэше требует, чтобы MMU находил правильные данные и перемещал их в ЦП, а это может занять некоторое время. Для выполнения некоторых инструкций также требуется больше циклов ЦП, чем для других, что мешает плавному перекрытию.

Тем не менее, это мощная стратегия повышения производительности ЦП.

Гиперпоточность

Еще одна стратегия повышения производительности ЦП — гиперпоточность. Гиперпоточность заставляет одно ядро процессора работать как два процессора, предоставляя два потока данных и инструкций. Добавление второго указателя инструкций и регистра инструкций к нашему гипотетическому ЦП, как показано на рис. 5, заставляет его функционировать как два ЦП, выполняя два отдельных потока инструкций в течение каждого командного цикла.Кроме того, когда один поток выполнения останавливается в ожидании данных (опять же, инструкции также являются данными), второй поток выполнения продолжает обработку. Каждое ядро, реализующее гиперпоточность, эквивалентно двум ЦП по способности обрабатывать инструкции.

Рис. 5. Концептуальная схема ЦП с технологией Hyper-Threading.

Помните, что это очень упрощенная схема и объяснение нашего гипотетического процессора. Реальность гораздо сложнее.

Дополнительная терминология

Я столкнулся с множеством различных терминов ЦП. Чтобы более точно определить терминологию, давайте рассмотрим сам ЦП с помощью команды lscpu.

Процессор Intel, показанный выше, представляет собой корпус, который подключается к одному разъему на материнской плате. Пакет процессора содержит шесть ядер. Каждое ядро поддерживает гиперпоточность, поэтому каждое из них может одновременно запускать два потока, что в сумме дает 12 ЦП.

Ядро. Ядро — это наименьшая единица физического оборудования, способная выполнять задачу обработки. Он содержит одно АЛУ и один или два набора вспомогательных регистров. Второй набор регистров и поддерживающих схем обеспечивает гиперпоточность. Одно или несколько ядер можно объединить в один физический пакет.
ЦП. Логический аппаратный блок, способный обрабатывать один поток выполнения. Современное использование термина центральный процессор относится к общему количеству потоков, которые процессорный пакет может выполнять одновременно. Одноядерный процессор, не поддерживающий гиперпоточность, эквивалентен одному процессору. В этом случае ЦП и ядро являются синонимами. Процессор Hyper-Threading с одним ядром является функциональным эквивалентом двух процессоров. Процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading с восемью ядрами функционально эквивалентен 16 процессорам.
Пакет – физический компонент, содержащий одно или несколько ядер, как показано на рис. 1 выше.
Процессор. 1) Устройство, которое обрабатывает инструкции программы для обработки данных. 2) Часто используется как синоним пакета.
Сокет. Иногда используется как синоним пакета, но более точно относится к физическому сокету на материнской плате, в который вставляется корпус процессора.

Термины сокет, процессор и пакет часто используются взаимозаменяемо, что может вызвать некоторую путаницу. Как видно из приведенных выше результатов команды lscpu, Intel предоставляет нам собственную терминологию, и я считаю ее авторитетным источником. На самом деле мы все используем эти термины по-разному, но если мы понимаем друг друга в любой момент времени, это действительно важно.

Обратите внимание, что указанный выше процессор имеет два кэша уровня 1 по 512 КиБ каждый: один для инструкций (L1i) и один для данных (L1d). Кэш уровня 1 находится ближе всего к ЦП, и он ускоряет работу, разделяя инструкции и данные на этом этапе. Кэши уровня 2 и уровня 3 больше, но инструкции и данные сосуществуют в каждом из них.

Что все это значит?

Хороший вопрос. На заре мейнфреймов каждый компьютер имел только один ЦП и не мог одновременно запускать более одной программы. Мейнфрейм может выполнять расчет заработной платы, затем учет запасов, затем выставление счетов клиентам и т. д., но одновременно может выполняться только одно приложение. Каждая программа должна была завершиться, прежде чем системный оператор мог запустить следующую.

В некоторых ранних попытках одновременного запуска нескольких программ применялся простой подход, направленный на более эффективное использование одного процессора. Например, программа1 и программа2 были загружены, а программа1 выполнялась до тех пор, пока не была заблокирована в ожидании ввода-вывода. В этот момент программа2 работала до тех пор, пока не была заблокирована. Такой подход назывался многопроцессорной обработкой и позволял полностью использовать ценное компьютерное время.

Все ранние попытки многозадачности включали очень быстрое переключение контекста выполнения одного ЦП между потоками выполнения нескольких задач. Эта практика не является настоящей многозадачностью, как мы ее понимаем, потому что в действительности одновременно обрабатывается только один поток выполнения. Правильнее будет назвать это разделением времени.

Все современные компьютеры, от смарт-часов и планшетов до суперкомпьютеров, поддерживают настоящую многозадачность с несколькими процессорами. Наличие нескольких процессоров позволяет компьютерам выполнять множество задач одновременно. Каждый ЦП выполняет свои функции одновременно со всеми остальными ЦП. Восьмиъядерный процессор с технологией Hyper-Threading (т. е. 16 ЦП) может одновременно выполнять 16 задач.

Заключительные мысли

Мы рассмотрели концептуальный и упрощенный ЦП, чтобы немного узнать о структурах. В этой статье я лишь поверхностно коснулся функциональности процессора.Вы можете узнать больше, воспользовавшись встроенными ссылками на изученные нами темы.

Помните, что схемы и описания в этой статье носят чисто концептуальный характер и не представляют реальный ЦП.

В следующей части этой серии статей я рассмотрю оперативную память и дисковые накопители как разные типы хранилищ и поясню, почему каждый из них необходим современным компьютерам.

Каждое вычислительное устройство, от простых игрушек до крупных бизнес-систем, имеет важный компонент, называемый центральным процессором. ЦП выполняет вычисления, выполняет логические сравнения и перемещает данные до миллиардов раз в секунду. Он работает, выполняя простые инструкции по одной за раз, запускаемые основным синхронизирующим сигналом, который запускает весь компьютер.

Описание

Процессор ЦП – это компьютерная микросхема размером со спичечный коробок. Внутри корпуса находится кремниевый прямоугольник, содержащий миллионы транзисторных схем. Из устройства торчат десятки металлических штифтов, каждый из которых передает электронные сигналы внутрь и наружу чипа. Микросхема подключается к разъему на печатной плате компьютера и обменивается данными с памятью, жесткими дисками, дисплеями и другими устройствами, внешними по отношению к ЦП.

Часы

Схема синхронизации, называемая часами, посылает электрические импульсы в ЦП. В зависимости от процессора часы могут работать со скоростью от сотен тысяч до миллиардов циклов в секунду. Импульсы управляют активностью внутри ЦП; поскольку другие цепи зависят от одних и тех же часов, сложные события в компьютере синхронизируются.

Инструкции

У всех процессоров есть набор инструкций — список действий, которые выполняет процессор, включая сложение чисел, сравнение двух фрагментов данных и перемещение данных в процессор. Программное обеспечение, которое вы запускаете на своем компьютере, состоит из миллионов инструкций ЦП, расположенных в определенной последовательности; инструкции являются очень простыми операциями, поэтому центральный процессор выполняет многие из них для выполнения значимых задач. Некоторые семейства процессоров, например, используемые в настольных ПК, используют один и тот же набор инструкций, что позволяет им запускать одно и то же программное обеспечение. ЦП вне семейства продуктов могут использовать разные инструкции; например, процессор iPad имеет другие инструкции, чем процессор ноутбука на базе Windows.

Процессоры имеют схему, называемую арифметико-логическим устройством, которое выполняет вычисления и сравнения. Арифметика, которую выполняет большинство ЦП, — это базовое умножение, сложение, деление и вычитание; сложные математические операции, такие как статистические функции, представляют собой комбинации множества простых операций, выполняемых с высокой скоростью. АЛУ также выполняет логическое сравнение двух элементов данных, чтобы определить, равны ли они или имеет ли один большее значение, чем другой.

Блок управления

ЦП содержит блок управления, который координирует действия других рабочих частей процессора. Блок управления разбивает каждую инструкцию на набор действий и направляет различные подсистемы ЦП на выполнение действий. Например, блок управления может указать АЛУ перемножить два числа, а затем добавить к результату третье число.

Память

Чип ЦП имеет ограниченный объем очень быстрой памяти. Он имеет набор областей хранения, называемых регистрами, на которые непосредственно воздействует АЛУ. Например, АЛУ может быстро добавить число в регистре 2 к содержимому регистра 1. ЦП также хранит недавно использованные инструкции и данные в области, называемой кешем, что повышает эффективность компьютера. Например, в программе, которая умножает цену на количество, ЦП ищет эти числа в своей кэш-памяти. Если он их находит, это избавляет процессор от дополнительной работы по извлечению чисел из микросхем памяти вне ЦП.

Уроженец Чикаго Джон Папевски имеет степень по физике и пишет с 1991 года. Он участвует в информационном бюллетене Foresight Institute "Foresight Update", посвященном нанотехнологиям. Он также участвовал в написании книги «Нанотехнологии: молекулярные размышления о глобальном изобилии».

Я не думаю, что вы понимаете, насколько волшебным является компьютерный чип в основе вашего смартфона или ПК. В случае SoC смартфона у вас, по сути, есть один пакет размером менее квадратного дюйма, который позволяет вам делать практически все, от игр до доступа к сотовой сети и бесконтактной оплаты продуктов. Для этого внутри каждого чипа есть миллиарды крошечных переключателей, которые включаются и выключаются до четырех миллиардов раз в секунду.Современный компьютерный чип действительно чудо, особенно если учесть, что первые интегральные схемы, созданные всего 50 лет назад, состояли примерно из дюжины транзисторов.

Меня поражает не только богатая функциональность передовых компьютерных чипов, способная изменить общество, но и совершенно ошеломляюще миниатюрный масштаб этих вещей. В современном чипе, изготовленном по 20-нм или 22-нм техпроцессу, площадь каждого транзистора составляет примерно 30 нанометров. Одна ячейка SRAM, состоящая из шести транзисторов, имеет площадь около 0,1 микрометра (или 100 нанометров, если хотите). Если вы отрежете крошечный кусочек человеческого волоса, вы можете получить около 500 ячеек SRAM — 3000 транзисторов — в поперечном сечении. Вы могли бы даже втиснуть около 60 ячеек SRAM или 360 транзисторов на площадь размером с человеческий эритроцит — и каким-то образом, несмотря на то, что один чип содержит миллиарды этих крошечных элементов, они могут непрерывно работать на частоте в миллиарды герц в течение десятилетия.

Я мог бы продолжать, но это видео довольно хорошо показывает, как много всего мы впихиваем в один чип. Он начинается с фотографии чипа без крышки, а затем увеличивается серия фотографий, прежде чем переключиться на сканирующую электронную микроскопию.

В этом видео есть несколько замечаний. Во-первых, это довольно старый чип — современный чип производства Intel или TSMC был бы намного плотнее. Во-вторых, вы можете видеть только первую пару слоев — несколько соединительных медных проводов и верхние части некоторых транзисторов; Последние 14-нм чипы Intel Broadwell состоят из 13 слоев.

Вот как выглядит современный чип под электронным микроскопом — в данном случае это один из 14-нанометровых чипов Intel FinFET Broadwell.

Если вы хотите узнать больше о ЦП, прочтите наш пояснитель о кэшах L1 и L2 или о том, что на самом деле делает ЦП, когда он простаивает. Если вы склонны к авантюрам, у нас также есть история о том, как разбивать фишки и делать собственные броски.

Читайте также: