Как работает процессор компьютера

Обновлено: 21.11.2024

План North American Electric Reliability Corporation по защите критически важной инфраструктуры (NERC CIP) представляет собой набор стандартов.

Структура управления рисками ISO 31000 – это международный стандарт, который предоставляет компаниям рекомендации и принципы для .

Чистый риск относится к рискам, которые находятся вне контроля человека и приводят к убыткам или их отсутствию без возможности получения финансовой выгоды.

Экранированная подсеть или брандмауэр с тройным подключением относится к сетевой архитектуре, в которой один брандмауэр используется с тремя сетями .

Метаморфное и полиморфное вредоносное ПО – это два типа вредоносных программ (вредоносных программ), код которых может изменяться по мере их распространения.

В контексте вычислений Windows и Microsoft Active Directory (AD) идентификатор безопасности (SID) — это уникальное значение, которое равно .

Медицинская транскрипция (МТ) – это ручная обработка голосовых сообщений, продиктованных врачами и другими медицинскими работниками.

Электронное отделение интенсивной терапии (eICU) — это форма или модель телемедицины, в которой используются самые современные технологии.

Защищенная медицинская информация (PHI), также называемая личной медицинской информацией, представляет собой демографическую информацию, медицинскую .

Снижение рисков – это стратегия подготовки к угрозам, с которыми сталкивается бизнес, и уменьшения их последствий.

Отказоустойчивая технология — это способность компьютерной системы, электронной системы или сети обеспечивать бесперебойное обслуживание.

Синхронная репликация — это процесс копирования данных по сети хранения, локальной или глобальной сети, поэтому .

Интерфейс управления облачными данными (CDMI) – это международный стандарт, определяющий функциональный интерфейс, используемый приложениями.

Износ флэш-памяти NAND — это пробой оксидного слоя внутри транзисторов с плавающим затвором флэш-памяти NAND.

Выносливость при записи — это количество циклов программирования/стирания (P/E), которое может быть применено к блоку флэш-памяти перед сохранением .

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 методы 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, популярных 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.

Энтони Хеддингс

Энтони Хеддингс
Писатель

Энтони Хеддингс (Anthony Heddings) – штатный облачный инженер LifeSavvy Media, технический писатель, программист и эксперт по платформе Amazon AWS. Он написал сотни статей для How-To Geek и CloudSavvy IT, которые были прочитаны миллионы раз. Подробнее.

Рост/Шаттерсток

Большинство компонентов компьютера относительно просты для понимания: ОЗУ, хранилище, периферийные устройства и программное обеспечение работают вместе, чтобы обеспечить работу компьютера. Но сердце вашей системы, ЦП, кажется магией даже многим техническим специалистам. Здесь мы сделаем все возможное, чтобы разбить его.

Большая часть исследований для этой статьи взята из статьи «Но как это узнать?» Дж. Кларк Скотт. Это фантастическое чтение, в нем содержится гораздо больше информации, чем в этой статье, и оно стоит пары долларов на Amazon.

Прежде чем мы начнем, одно замечание: современные ЦП на несколько порядков сложнее, чем то, что мы здесь описываем. Одному человеку почти невозможно понять все нюансы чипа с более чем миллиардом транзисторов. Однако основные принципы того, как все это сочетается друг с другом, остаются прежними, и понимание основ поможет вам лучше понять современные системы.

Начнем с малого

Компьютеры работают в двоичном формате. Они понимают только два состояния: включено и выключено. Для выполнения вычислений в двоичном формате они используют так называемый транзистор. Транзистор позволяет току истока течь через него к стоку только в том случае, если через затвор есть ток. По сути, это формирует двоичный переключатель, который отключает провод в зависимости от второго входного сигнала.

Современные компьютеры используют миллиарды транзисторов для выполнения вычислений, но на самом низком уровне вам нужно всего несколько транзисторов для формирования самых основных компонентов, известных как вентили.

Логические вентили

Правильно расположите несколько транзисторов, и у вас получится так называемый логический вентиль. Логические элементы принимают два двоичных входа, выполняют над ними операцию и возвращают результат. Вентиль ИЛИ, например, возвращает истину, если любой из входов истинен. Логический элемент И проверяет, верны ли оба входа, XOR проверяет, верен ли только один из входных данных, а N-варианты (НЕ, НЕ-И и XNOR) являются инвертированными версиями своих базовых вентилей.

Занимаемся математикой с Гейтсом

С помощью всего двух вентилей вы можете выполнять базовое двоичное сложение. На приведенной выше диаграмме показан половинный сумматор, созданный с помощью Logicly, бесплатной онлайн-площадки для логических вентилей. Здесь вентиль XOR включится, если только один из входов включен, но не оба. Логический элемент И включится, если оба входа включены, но останется выключенным, если входа нет. Таким образом, если оба включены, XOR остается отключенным, а логический элемент AND включается, придя к правильному ответу из двух:

Это дает нам простую настройку с тремя различными выходными данными: ноль, один и два. Но один бит не может хранить ничего больше 1, и эта машина не слишком полезна, поскольку решает только одну из простейших математических задач. Но это только половинчатый сумматор, а если два из них соединить другим входом, то получится полный сумматор:

Полный сумматор имеет три входа: два числа для сложения и «перенос.Перенос используется, когда конечное число превышает то, что может быть сохранено в одном бите. Полные сумматоры будут связаны в цепочку, и перенос будет передаваться от одного сумматора к другому. Перенос добавляется к результату вентиля XOR в первом сумматоре половин, и есть дополнительный вентиль ИЛИ для обработки обоих случаев, когда это необходимо.

Когда оба входа включены, перенос включается и отправляет его на следующий полный сумматор в цепочке:

И это настолько сложно, насколько это возможно. Переход к большему количеству битов по сути просто означает больше полных сумматоров в более длинной цепочке.

Большинство других математических операций можно выполнять сложением; умножение — это просто повторяющееся сложение, вычитание может быть выполнено с некоторой причудливой инверсией битов, а деление — это просто повторяющееся вычитание. И хотя все современные компьютеры имеют аппаратные решения для ускорения более сложных операций, технически все это можно сделать с помощью полного сумматора.

Шина и память

Сейчас наш компьютер представляет собой не более чем плохой калькулятор. Это потому, что он ничего не помнит и ничего не делает со своими выводами. Выше показана ячейка памяти, которая может все это делать. Под капотом он использует много вентилей NAND, и в реальной жизни может быть совершенно другим в зависимости от метода хранения, но его функция та же. Вы даете ему какие-то входные данные, включаете бит «записи», и он сохраняет входные данные внутри ячейки. Это не просто ячейка памяти, нам также нужен способ считывать из нее информацию. Это делается с помощью активатора, который представляет собой набор вентилей И для каждого бита в памяти, все они привязаны к другому входу, биту «чтения». Биты записи и чтения также часто называются «установить» и «разрешить».

Весь этот пакет заключен в так называемом регистре. Эти регистры подключены к шине, которая представляет собой пучок проводов, опоясывающих всю систему и подключенных к каждому компоненту. Даже современные компьютеры имеют шину, хотя они могут иметь несколько шин для повышения производительности многозадачности.

Каждый регистр по-прежнему имеет бит записи и чтения, но в этой настройке ввод и вывод — это одно и то же. Это на самом деле хорошо. Например. Если вы хотите скопировать содержимое R1 в R2, вы должны включить бит чтения для R1, что приведет к передаче содержимого R1 на шину. Пока бит чтения установлен, вы должны включить бит записи для R2, который скопирует содержимое шины в R2.

Регистры также используются для создания оперативной памяти. Оперативная память часто размещается в виде сетки с проводами, идущими в двух направлениях:

Декодеры принимают двоичный вход и включают провод с соответствующим номером. Например, «11» — это 3 в двоичном формате, самое высокое 2-битное число, поэтому декодер включит самый старший провод. На каждом перекрестке стоит регистратор. Все они подключены к центральной шине и к центральному входу записи и чтения. И вход чтения, и вход записи включаются только в том случае, если два провода, пересекающие регистр, также включены, что фактически позволяет вам выбрать регистр, из которого следует выполнять запись и чтение. Опять же, современная оперативная память намного сложнее, но эта установка все еще работает.

Часы, шаговый двигатель и декодер

Регистры используются повсеместно и являются основным инструментом для перемещения данных и хранения информации в ЦП. Так что же заставляет их перемещать вещи?

Часы — это первый компонент ядра ЦП, который включается и выключается с заданным интервалом, измеряемым в герцах или циклах в секунду. Это скорость, которую вы видите в рекламе вместе с процессорами; чип с частотой 5 ГГц может выполнять 5 миллиардов циклов в секунду. Тактовая частота часто является очень хорошим показателем скорости процессора.

Часы имеют три различных состояния: базовые часы, включенные часы и установленные часы. Базовые часы будут включены в течение половины цикла и выключены в течение другой половины. Часы включения используются для включения регистров и должны быть включены дольше, чтобы убедиться, что данные включены. Установленные часы всегда должны быть включены одновременно с включенными часами, иначе могут быть записаны неправильные данные.

Часы подключены к степперу, который будет считать от одного до максимального шага и сбрасывать себя обратно на единицу, когда это будет сделано. Часы также подключены к логическим элементам И для каждого регистра, в который ЦП может записывать:

Эти логические элементы И также подключены к выходу другого компонента, декодера инструкций. Декодер инструкций берет инструкцию типа «SET R2 TO R1» и декодирует ее во что-то, что ЦП может понять. У него есть собственный внутренний регистр, называемый «Регистром инструкций», в котором хранится текущая операция. То, как именно это происходит, зависит от системы, в которой вы работаете, но после декодирования он включит правильный набор и активирует биты для правильных регистров, которые сработают в соответствии с часами.

Программные инструкции хранятся в оперативной памяти (или в кэше L1 в современных системах, ближе к центральному процессору). Поскольку данные программы хранятся в регистрах, как и любая другая переменная, ими можно манипулировать на лету, чтобы перемещаться по программе. Вот как программы получают свою структуру с циклами и операторами if. Инструкция перехода устанавливает текущую ячейку памяти, из которой считывается декодер инструкций, в другую ячейку.

Как все это сочетается

Теперь наше грубое упрощение работы ЦП завершено. Основная шина охватывает всю систему и соединяется со всеми регистрами. Полные сумматоры вместе с кучей других операций упакованы в арифметико-логическое устройство или АЛУ. Это АЛУ будет подключено к шине, а также будет иметь собственные регистры для хранения второго числа, с которым оно работает.

Для выполнения расчета данные программы загружаются из ОЗУ системы в секцию управления. Секция управления считывает два числа из ОЗУ, загружает первое в регистр инструкций АЛУ, а затем загружает второе на шину. Тем временем он отправляет ALU код инструкции, сообщающий ему, что делать. Затем АЛУ выполняет все вычисления и сохраняет результат в другом регистре, из которого ЦП может прочитать и затем продолжить процесс.

› Как использовать команду top в Linux (и понимать ее вывод)
› В чем разница между Windows и Windows Server?
› Эти компьютерные продукты для геймеров отлично подходят для работы в офисе
› Что такое подкачка в Linux? (и как это изменить)
› Что означает XD и как вы его используете?
› Как установить Google Play Маркет в Windows 11
›5 шрифтов, которые следует прекратить использовать (и лучшие альтернативы)
› Как восстановить метки панели задач в Windows 11

Процессор компьютера обычно называют центральным процессором или центральным процессором компьютера. Процессор — это основной компонент компьютера, предназначенный для перемещения и обработки данных. Компьютерные процессоры обычно называют скоростью, с которой ЦП может обрабатывать компьютерные инструкции в секунду, измеряемой в герцах, и являются одним из основных преимуществ компьютера.

Как работает процессор?

Процессор компьютера выступает в качестве основного координирующего компонента компьютера. ЦП будет получать доступ к программам, данным или другим функциям компьютера из ОЗУ (оперативной памяти) при вызове операционной системой компьютера. Затем процессор интерпретирует компьютерные инструкции, относящиеся к упорядоченной задаче, прежде чем отправить ее обратно в оперативную память компьютера для выполнения через системную шину компьютера в правильном порядке выполнения.

Логика компьютерного процессора

В основе компьютерного процессора лежит способность обрабатывать код машинного языка. ЦП может выполнять три основных инструкции машинного языка:

– Перемещение данных из одного места в памяти компьютера в другое

– переход к новым наборам инструкций на основе логических операций или вариантов выбора

– Выполнение математических операций с использованием арифметико-логического устройства (ALU)

Для выполнения этих операций процессор использует адресную шину, которую он использует для отправки адресов в память компьютера, а также шину данных, которая используется для извлечения или отправки информации в память компьютера. Он также имеет отдельную строку управления, которая будет уведомлять память компьютера, если он получает или отправляет/устанавливает заданную ячейку памяти. Для выполнения всех запланированных операций ЦП также имеет часы, которые составляют основу для синхронизации действий процессора с остальной частью компьютера. Для доступа к часто используемым компьютерным инструкциям или данным процессоры также будут реализовывать различные схемы кэширования, чтобы получить доступ к требуемым данным с большей скоростью, чем при использовании ОЗУ с прямым доступом.

Память процессора

Процессор компьютера использует память только для чтения и оперативную память (соответственно ПЗУ и ОЗУ). ПЗУ процессора запрограммировано с предварительно установленной информацией, которая постоянно запрограммирована с основными функциями, чтобы обеспечить связь процессора с шиной данных. ПЗУ обычно называют BIOS (базовая система ввода-вывода) на компьютерах с Windows, а также используют для извлечения загрузочного сектора компьютера.

Процессор может читать и записывать в ОЗУ в зависимости от того, какие действия определил текущий набор инструкций, если процессор должен их выполнять. Оперативная память не предназначена для постоянного хранения данных и освобождается, когда компьютер выключается или пропадает питание.

Роль 64-битного процессора

Несмотря на то, что 64-разрядные компьютерные процессоры используются с начала 1990-х годов, в последние годы они широко используются на потребительском уровне. Все основные производители компьютерных процессоров в настоящее время производят 64-битные компьютерные процессоры, которые доступны для использования в различных типах операционных систем. Основным преимуществом 64-битного компьютерного процессора по сравнению с устаревшими конструкциями является значительно расширенное адресное пространство, доступное для процессора. Предыдущие 32-разрядные процессоры были ограничены максимум двумя-четырьмя гигабайтами эффективного доступа к ОЗУ. Процессоры 64 Gigabyte также могут обеспечить расширенный доступ ввода-вывода к жестким дискам и видеокарте компьютера, что помогает еще больше повысить общую производительность системы.

Первые пользователи 64-разрядных процессоров не обязательно видят большую производительность системы, если не выполняют ресурсоемкие задачи, такие как редактирование видео или сетевые 3D-видеоигры. Ситуация будет меняться по мере того, как все больше приложений будет разрабатываться с учетом преимуществ 64-разрядных процессоров и увеличенного объема памяти новых компьютерных процессоров.

Читайте также: