Съвременни процесориимат формата на малък правоъгълник, който се представя под формата на силиконова пластина. Самата плоча е защитена от специален калъф от пластмаса или керамика. Всички основни вериги са защитени, благодарение на тях се осъществява пълната работа на процесора. Ако с външен видвсичко е изключително просто, какво се отнася до самата схема и как е подреден процесорът? Нека разгледаме това по-подробно.

Процесорът съдържа малко количество различни елементи. Всеки от тях извършва собствено действие, предават се данни и контрол. Редовни потребителиизползва се за разграничаване на процесорите по тяхната тактова честота, количество кеш памет и ядра. Но това далеч не е всичко, което осигурява надеждни и бърза работа. Струва си да се обърне специално внимание на всеки компонент.

Архитектура

Вътрешният дизайн на процесора често се различава един от друг, всяко семейство има свой собствен набор от свойства и функции - това се нарича неговата архитектура. Можете да видите пример за дизайн на процесор на изображението по-долу.

Но мнозина са свикнали да означават малко по-различно значение под архитектурата на процесора. Ако го разглеждаме от гледна точка на програмирането, то се определя от способността му да изпълнява определен набор от кодове. Ако купувате модерен процесор, най-вероятно той принадлежи към архитектурата x86.

Ядра

Основната част на процесора се нарича ядро, то съдържа всички необходими блокове, както и изпълнението на логически и аритметични задачи. Ако погледнете фигурата по-долу, можете да разберете как изглежда всеки функционален блок на ядрото:

1. Модул за извличане на инструкции.Тук инструкциите се разпознават на адреса, който е посочен в програмния брояч. Броят на едновременното четене на команди директно зависи от броя на инсталираните блокове за дешифриране, което помага да се зареди всеки цикъл на работа с най-голям брой инструкции.
2. предиктор на преходаотговорен за оптимална производителностблок за извличане на инструкции. Той определя последователността от команди, които трябва да бъдат изпълнени, зареждайки конвейера на ядрото.
3. Модул за декодиране.Тази част от ядрото е отговорна за дефинирането на някои процеси за изпълнение на задачи. Самата задача за декодиране е много трудна поради променливия размер на инструкцията. В най-новите процесори има няколко такива блока в едно ядро.
4. Модули за вземане на проби от данни.Те вземат информация от оперативната или кеш паметта. Те извършват извадка от данни, която е необходима в този момент за изпълнение на инструкцията.
5. контролен блок.Самото име говори за важността на този компонент. В ядрото той е основният елемент, тъй като разпределя енергията между всички блокове, като помага да се извърши всяко действие навреме.
6. Модул за запазване на резултатите.Проектиран да бъде записан в RAM, след като инструкцията бъде обработена. Адресът за запис е посочен в изпълняваната задача.
7. Прекъсващ елемент.Централният процесор е в състояние да изпълнява множество задачи наведнъж благодарение на функцията за прекъсване, което му позволява да спре напредъка на една програма чрез превключване към друга инструкция.
8. Регистри.Тук се съхраняват временните резултати от инструкциите, този компонент може да се нарече малка бърза RAM. Често неговият размер не надвишава няколкостотин байта.
9. Брояч на команди.Той съхранява адреса на инструкцията, която ще се използва при следващия цикъл на процесора.

Системна шина

Устройствата, които са част от компютър, са свързани чрез системната шина на процесора. Само той е директно свързан с него, останалите елементи са свързани чрез различни контролери. Самата шина има много сигнални линии, по които се предава информация. Всяка линия има свой собствен протокол, който позволява на контролерите да комуникират с други свързани компютърни компоненти. Шината има собствена честота, съответно колкото по-висока е тя, толкова по-бърз е обменът на информация между свързващите елементи на системата.

Кеш памет

Скоростта на процесора зависи от способността му да извлича инструкции и данни от паметта възможно най-бързо. Кеш паметта намалява времето за изпълнение на операциите поради факта, че действа като временен буфер, който осигурява незабавно прехвърляне на данни от процесора към RAM или обратно.

Основната характеристика на кеш паметта е нейната разлика в нивата. Ако е високо, тогава паметта е по-бавна и по-обемна. Най-бързата и малка памет е първото ниво. Принципът на работа на този елемент е много прост - процесорът чете данни от RAM и ги въвежда в кеш на всяко ниво, като същевременно изтрива информацията, която е била достъпна за дълго време. Ако процесорът се нуждае от тази информация отново, той ще я получи по-бързо благодарение на временния буфер.

Гнездо (конектор)

Поради факта, че процесорът има собствен сокет (гнездо или слот), можете лесно да го смените, ако се повреди или да надстроите компютъра си. Без гнездото процесорът просто ще бъде запоен в дънната платка, което ще затрудни ремонта или подмяната му по-късно. Струва си да се обърне внимание - всеки сокет е предназначен изключително за инсталиране на определени процесори.

Често потребителите по невнимание купуват несъвместими процесор и дънна платка, което причинява допълнителни проблеми.

Съвременният потребител на електроника е много труден за изненада. Вече сме свикнали с факта, че джобът ни е законно зает от смартфон, лаптоп е в чанта, „умен“ часовник послушно брои стъпки на ръката, а слушалки с активна система за намаляване на шума галят ушите ни.

Смешно е, но сме свикнали да носим не един, а два, три или повече компютъра наведнъж. В края на краищата, така можете да наречете устройство, което има процесор. И няма значение как изглежда конкретно устройство. За неговата работа отговаря миниатюрен чип, преодолял бурен и бърз път на развитие.

Защо повдигнахме темата за процесорите? Всичко е просто. През последните десет години в света се случи истинска революция мобилни устройства.

Има само 10 години разлика между тези устройства. Но тогава Nokia N95 ни се стори космическо устройство, а днес гледаме на ARKit с известно недоверие

Но всичко можеше да се окаже различно и очуканият Pentium IV щеше да остане най-голямата мечта на обикновен купувач.

Опитахме се да се справим без сложни технически термини и да кажем как работи процесорът и да разберем коя архитектура е бъдещето.

1. Как започна всичко

Първите процесори бяха напълно различни от това, което можете да видите, когато отворите капака на системния модул на вашия компютър.

Вместо микросхеми през 40-те години на ХХ век, електромеханични релетадопълнени с вакуумни тръби. Лампите действаха като диод, чието състояние можеше да се регулира чрез понижаване или увеличаване на напрежението във веригата. Конструкциите изглеждаха така:

За работата на един гигантски компютър са били необходими стотици, понякога хиляди процесори. Но в същото време не бихте могли да стартирате дори прост редактор като NotePad или TextEdit от стандартния набор от Windows и macOS на такъв компютър. Компютърът просто няма да има достатъчно мощност.

2. Появата на транзисторите

Първо FETs се появява през 1928 г. Но светът се промени едва след появата на т.нар биполярни транзисториоткрит през 1947 г.

В края на 40-те години експерименталният физик Уолтър Братейн и теоретикът Джон Бардийн разработват първия точков транзистор. През 1950 г. той е заменен от първия преходен транзистор, а през 1954 г. известният производител Texas Instruments обяви силициев транзистор.

Но истинската революция идва през 1959 г., когато ученият Жан Анри разработва първия силициев планарен (плосък) транзистор, който става основа за монолитни интегрални схеми.

Да, малко е сложно, така че нека се задълбочим малко и да се заемем с теоретичната част.

3. Как работи транзисторът

И така, задачата на такъв електрически компонент като транзисторе да контролира тока. Просто казано, този малък сложен превключвател контролира потока на електричество.

Основното предимство на транзистора пред конвенционалния ключ е, че не изисква присъствието на човек. Тези. такъв елемент е способен независимо да контролира тока. Освен това работи много по-бързо, отколкото вие сами бихте включили или изключили електрическата верига.

От училищен курс по компютърни науки вероятно си спомняте, че компютърът „разбира“ човешкия език чрез комбинации от само две състояния: „включено“ и „изключено“. В разбирането на машината това е състоянието "0" или "1".

Задачата на компютъра е да представя електричествопод формата на числа.

И ако по-рано задачата за превключване на състоянията се изпълняваше от тромави, обемисти и неефективни електрически релета, сега транзисторът пое тази рутинна работа.

От началото на 60-те години транзисторите започнаха да се правят от силиций, което направи възможно не само да се направят процесорите по-компактни, но и значително да се повиши тяхната надеждност.

Но първо, нека се справим с диода

Силиций(известен още като Si - "силиций" в периодичната таблица) принадлежи към категорията на полупроводниците, което означава, че, от една страна, предава ток по-добре от диелектрик, от друга страна, го прави по-лошо от метал.

Независимо дали ни харесва или не, но за да разберем работата и по-нататъшната история на развитието на процесорите, ще трябва да се потопим в структурата на един силициев атом. Не се страхувайте, нека го направим кратко и много ясно.

Работата на транзистора е да усилва слаб сигналс допълнително захранване.

Силициевият атом има четири електрона, благодарение на които образува връзки (и за да бъдем точни - ковалентни връзки)със същите близки три атома, образувайки кристална решетка. Докато повечето от електроните са във връзка, малка част от тях могат да се движат през кристалната решетка. Именно поради този частичен пренос на електрони силицият е класифициран като полупроводник.

Но такова слабо движение на електрони не би позволило използването на транзистор на практика, така че учените решиха да увеличат производителността на транзисторите с допинг, или по-просто, добавки към кристалната решетка на силиция от атоми на елементи с характерно подреждане на електрони.

Така те започнаха да използват 5-валентен примес от фосфор, поради което получиха n-тип транзистори. Наличието на допълнителен електрон направи възможно ускоряването на тяхното движение, увеличавайки текущия поток.

При легиране на транзистори p-типборът, който съдържа три електрона, стана такъв катализатор. Поради липсата на един електрон в кристалната решетка се появяват дупки (те играят ролята на положителен заряд), но поради факта, че електроните могат да запълнят тези дупки, проводимостта на силиция се увеличава значително.

Да предположим, че сме взели силициева пластина и сме легирали една част от нея с примес от p-тип, а другата с примес от n-тип. Така че имаме диод- основният елемент на транзистора.

Сега електроните, разположени в n-частта, ще се стремят да отидат до дупките, разположени в p-частта. В този случай n-страната ще има лек отрицателен заряд, а p-страната ще има положителен заряд. Електрическото поле, образувано в резултат на тази "гравитация" - бариерата - ще предотврати по-нататъшното движение на електроните.

Ако свържете източник на захранване към диода по такъв начин, че "-" докосва p-страната на плочата, а "+" докосва n-страната, протичането на ток няма да бъде възможно поради факта, че дупките ще бъдат привлечени към отрицателния контакт на източника на енергия, а електроните към положителния, и връзката между p и n електроните ще се загуби поради разширяването на комбинирания слой.

Но ако свържете захранването с достатъчно напрежение обратното, т.е. "+" от източника към p-страната и "-" към n-страната, електроните, поставени от n-страната, ще бъдат отблъснати от отрицателния полюс и избутани към p-страната, заемайки дупки в p- регион.

Но сега електроните са привлечени от положителния полюс на източника на енергия и продължават да се движат през p-дупките. Това явление е наречено предубеден диод.

диод + диод = транзистор

Сам по себе си транзисторът може да се разглежда като два диода, свързани един към друг. В този случай p-областта (тази, в която се намират дупките) става обща за тях и се нарича „база“.

При N-P-N транзистордве n-области с допълнителни електрони - те са и "емитер" и "колектор" и една, слаба област с дупки - p-областта, наречена "база".

Ако свържете захранване (да го наречем V1) към n-области на транзистора (независимо от полюса), един диод ще бъде обратно предубеден и транзисторът ще бъде затворен.

Но веднага щом свържем друг източник на захранване (да го наречем V2), настройвайки контакта "+" към "централната" p-област (база) и контакта "-" към n-областта (емитер), някои от електроните ще преминат през отново образувана верига (V2), а частта ще бъде привлечена от положителната n-област. В резултат на това електроните ще потекат в областта на колектора и ще се усили слаб електрически ток.

Издишайте!

4. И така, как всъщност работи компютърът?

И сега най-важните.

В зависимост от приложеното напрежение транзисторът може да бъде и от двете отворен, или затворен. Ако напрежението е недостатъчно за преодоляване на потенциалната бариера (тази на кръстовището на p и n плочи) - транзисторът ще бъде в затворено състояние - в състояние "изключено" или на езика двоична система – "0".

При достатъчно напрежение транзисторът се включва и получаваме стойността "on" или "1" в двоична система.

Това състояние, 0 или 1, се нарича "бит" в компютърната индустрия.

Тези. получаваме основното свойство на самия превключвател, който отвори пътя към компютрите за човечеството!

В първия електронен цифров компютър ENIAC, или по-просто казано, първия компютър, са използвани около 18 хиляди триодни лампи. Размерът на компютъра беше сравним с тенис корт, а теглото му беше 30 тона.

За да разберете как работи процесорът, трябва да разберете още две ключови точки.

Момент 1. И така, ние решихме какво е малко. Но с негова помощ можем да получим само две характеристики на нещо: или „да“, или „не“. За да се научи компютърът да ни разбира по-добре, те измислиха комбинация от 8 бита (0 или 1), която нарекоха байт.

Използвайки байт, можете да кодирате число от нула до 255. Използвайки тези 255 числа - комбинации от нули и единици, можете да кодирате всичко.

Момент 2.Наличието на цифри и букви без никаква логика не би ни дало нищо. Ето защо концепцията логически оператори.

Свързвайки само два транзистора по определен начин, можете да постигнете няколко логически действия наведнъж: „и“, „или“. Комбинацията от количеството напрежение на всеки транзистор и вида на тяхната връзка ви позволява да получите различни комбинациинули и единици.

Чрез усилията на програмистите стойностите на нули и единици, двоичната система, започнаха да се превеждат в десетична, за да можем да разберем какво точно „казва“ компютърът. А за въвеждане на команди нашите обичайни действия, като например въвеждане на букви от клавиатурата, са представени като двоична верига от команди.

Просто казано, представете си, че има таблица на съответствие, да речем, ASCII, в която всяка буква съответства на комбинация от 0 и 1. Натиснахте бутон на клавиатурата и в този момент на процесора, благодарение на програмата, транзисторите се превключиха така, че на екрана се появи следната най-изписана буква на ключа.

Това е доста примитивно обяснение за това как работят процесорът и компютърът, но именно това разбиране ни позволява да продължим напред.

5. И надпреварата с транзисторите започна

След като британският радиоинженер Джефри Дамер предложи през 1952 г. да се постави най-простият електронни компонентив монолитен полупроводников кристал, компютърната индустрия направи крачка напред.

От интегралните схеми, предложени от Dahmer, инженерите бързо преминаха към микрочиповена базата на транзистори. На свой ред вече са се образували няколко такива чипа процесор.

Разбира се, размерите на такива процесори не са много подобни на съвременните. Освен това до 1964 г. всички процесори са имали един проблем. Те изискваха индивидуален подход - собствен език за програмиране за всеки процесор.

• 1964 IBM System/360.Универсално съвместим компютър програмен код. Набор от инструкции за един модел процесор може да се използва за друг.
• 70-те години.Появата на първите микропроцесори. Едночипов процесор от Intel. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 транзистора, 740 kHz.
• 1973 Intel година 4040 и Intel 8008. 3000 транзистора при 740 kHz за Intel 4040 и 3500 транзистора при 500 kHz за Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 микрона TPU и 6000 транзистора. Тактовата честота е около 5000 kHz. Именно този процесор беше използван в компютъра Altair-8800. Домашното копие на Intel 8080 е процесорът KR580VM80A, разработен от Киевския изследователски институт по микроустройства. 8 бита
• 1976 Intel 8080. 3 микрона TPU и 6500 транзистора. Тактова честота 6 MHz. 8 бита
• 1976 Zilog Z80. 3 микрона TPU и 8500 транзистора. Тактова честота до 8 MHz. 8 бита
• 1978 Intel 8086. 3 микрона TPU и 29 000 транзистора. Тактовата честота е около 25 MHz. Наборът от инструкции x86, който все още се използва днес. 16 бита
• 1980 Intel 80186. 3 микрона TPU и 134 000 транзистора. Тактова честота - до 25 MHz. 16 бита
• 1982 Intel 80286. 1,5 микрона TPU и 134 000 транзистора. Честота - до 12,5 MHz. 16 бита
• 1982 Motorola 68000. 3 µm и 84 000 транзистора. Този процесор е използван в Apple компютърЛиза.
• 1985 Intel 80386. 1,5 микрона tp и 275 000 транзистора.Честота - до 33 MHz във версия 386SX.

Изглежда, че списъкът може да бъде продължен за неопределено време, но тогава инженерите на Intel се сблъскаха със сериозен проблем.

6. Законът на Мур или как живеят производителите на чипове

Излиза в края на 80-те. Още в началото на 60-те години един от основателите от IntelГордън Мур формулира така наречения "закон на Мур". Звучи така:

На всеки 24 месеца броят на транзисторите, поставени на чип интегрална схема, се удвоява.

Трудно е този закон да се нарече закон. Би било по-точно да го наречем емпирично наблюдение. Сравнявайки темповете на развитие на технологиите, Мур заключи, че може да се формира подобна тенденция.

Но вече по време на разработката четвърто поколение Процесори на IntelИнженерите на i486 са изправени пред факта, че вече са достигнали тавана на производителността и вече не могат да поставят повече процесори в същата област. По това време технологиите не позволяваха това.

Като решение беше намерен вариант, използващ редица допълнителни елементи:

• кеш-памет;
• конвейер;
• вграден копроцесор;
• множител.

Част от изчислителното натоварване падна върху плещите на тези четири възела. В резултат на това появата на кеш паметта, от една страна, усложни дизайна на процесора, от друга страна, той стана много по-мощен.

Процесорът Intel i486 вече се състоеше от 1,2 милиона транзистора и максимална честотаработата му достигна 50 MHz.

През 1995 г. се присъединява разработката AMDи пуска най-бързия i486-съвместим Am5x86 процесор по това време на 32-битова архитектура. Той вече беше произведен по 350-нанометрова технологична технология, а броят на инсталираните процесори достигна 1,6 милиона броя. Тактовата честота е увеличена до 133 MHz.

Но производителите на чипове не посмяха да преследват по-нататъшното увеличаване на броя на процесорите, инсталирани на чип, и разработването на вече утопичната CISC (Complex Instruction Set Computing) архитектура. Вместо това американският инженер Дейвид Патерсън предложи да се оптимизира работата на процесорите, оставяйки само най-необходимите изчислителни инструкции.

Така производителите на процесори преминаха към платформата RISC (Reduced Instruction Set Computing), но дори това не беше достатъчно.

През 1991 г. е пуснат 64-битовият процесор R4000, работещ на честота 100 MHz. Три години по-късно се появява процесорът R8000, а две години по-късно R10000 с тактова честота до 195 MHz. Успоредно с това се развива пазарът на процесори SPARC, чиято архитектурна характеристика е липсата на инструкции за умножение и деление.

Вместо да се борят за броя на транзисторите, производителите на чипове започнаха да преосмислят архитектурата на своята работа.. Отхвърлянето на "ненужни" команди, изпълнението на инструкции в един цикъл, наличието на регистри с обща стойност и конвейеризация позволиха бързо да се увеличи тактовата честота и мощността на процесорите, без да се нарушава броят на транзисторите.

Ето само някои от архитектурите, появили се между 1980 и 1995 г.:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Те са базирани на платформата RISC, а в някои случаи на частично, комбинирано използване на платформата CISC. Но развитието на технологиите отново тласна производителите на чипове да продължат да изграждат процесори.

През август 1999 г. AMD K7 Athlon навлезе на пазара, произведен по 250 nm технологичен процес и включващ 22 милиона транзистора. По-късно летвата е вдигната до 38 милиона процесора. След това до 250 милиона.

Технологичният процесор се увеличи, тактовата честота се увеличи. Но, както казва физиката, всичко си има граници.

7. Краят на транзисторното състезание е близо

През 2007 г. Гордън Мур направи много пряко изявление:

Законът на Мур скоро ще спре да се прилага. Невъзможно е да се инсталират неограничен брой процесори за неопределено време. Причината за това е атомната природа на материята.

С невъоръжено око се забелязва, че двата водещи производителя на чипове AMD и Intel явно забавиха темпото на развитие на процесорите през последните няколко години. Точността на технологичния процес се е увеличила до само няколко нанометра, но е невъзможно да се поставят още повече процесори.

И докато производителите на полупроводници заплашват да пуснат многослойни транзистори, правейки паралел с 3DN и паметта, сериозен конкурент се появи при стената x86 архитектура преди 30 години.

8. Какво очаква "обикновените" процесори

Законът на Мур е анулиран от 2016 г. Това съобщиха официално от най-големия производител на процесори Intel. Двойна изчислителна мощност 100% на всеки две години производителите на чипове вече не могат.

И сега производителите на процесори имат няколко необещаващи опции.

Първи вариант - квантови компютри . Вече има опити да се създаде компютър, който използва частици за представяне на информация. В света има няколко подобни квантови устройства, но те могат да се справят само с алгоритми с ниска сложност.

Освен това не може да се говори за серийно пускане на такива устройства през следващите десетилетия. Скъпо, неефективно и… бавно!

Да, квантовите компютри консумират много по-малко енергия от съвременните си колеги, но те също ще бъдат по-бавни, докато разработчиците и производителите на компоненти не преминат към нова технология.

Вторият вариант - процесори със слоеве транзистори. И Intel, и AMD са помислили сериозно за тази технология. Вместо един слой транзистори, те планират да използват няколко. Изглежда, че през следващите години може да се появят процесори, в които не само броят на ядрата и тактовата честота ще бъдат важни, но и броят на транзисторните слоеве.

Решението има право на живот и по този начин монополистите ще могат да доят потребителя още няколко десетилетия, но в крайна сметка технологията отново ще удари тавана.

Днес, осъзнавайки бързото развитие на ARM архитектурата, Intel направи тихо съобщение за семейството чипове Ice Lake. Процесорите ще се произвеждат по 10-нанометров процес и ще станат основа за смартфони, таблети и мобилни устройства. Но това ще се случи през 2019 г.

9. ARM е бъдещето

И така, архитектурата x86 се появи през 1978 г. и принадлежи към типа платформа CISC. Тези. само по себе си това предполага наличието на инструкции за всички случаи. Гъвкавостта е основната силна страна на x86.

Но в същото време гъвкавостта изигра жестока шега с тези процесори. x86 има няколко основни недостатъка:

• сложността на командите и тяхното откровено объркване;
• висока консумация на енергия и отделяне на топлина.

За висока производителност трябваше да се сбогувам с енергийната ефективност. Освен това две компании в момента работят върху архитектурата x86, която може безопасно да се припише на монополисти. Това са Intel и AMD. Само те могат да произвеждат x86 процесори, което означава, че само те управляват развитието на технологиите.

В същото време няколко компании участват в разработването на ARM (Arcon Risk Machine). Още през 1985 г. разработчиците избраха платформата RISC като основа за по-нататъшно развитие на архитектурата.

За разлика от CISC, RISC включва проектиране на процесор с минимален необходим брой инструкции, но максимална оптимизация. RISC процесорите са много по-малки от CISC, по-енергоефективни и по-прости.

Освен това ARM първоначално е създаден единствено като конкурент на x86. Разработчиците си поставиха задачата да изградят архитектура, която е по-ефективна от x86.

Още от 40-те години на миналия век инженерите разбраха, че една от приоритетните задачи е да работят за намаляване на размера на компютрите и на първо място на самите процесори. Но преди почти 80 години едва ли някой можеше да си представи, че един пълноценен компютър ще бъде по-малък от кибритена кутия.

Веднъж поддържана ARM архитектура Apple компания, стартирайки производството на таблети Newton, базирани на фамилията ARM процесори ARM6.

Продажбите на настолни компютри спадат бързо, докато броят на мобилните устройства, продавани годишно, вече е в милиарди. Често, в допълнение към производителността, при избора на електронна джаджа, потребителят се интересува от още няколко критерия:

• мобилност;
• автономия.

x86 архитектурата е силна като производителност, но щом се откажеш от активно охлаждане как мощен процесоризглежда жалко в сравнение с ARM архитектурата.

10. Защо ARM е безспорен лидер

Едва ли ще се изненадате, че вашият смартфон, независимо дали е обикновен Android или флагманът на Apple от 2016 г., е десетки пъти по-мощен. пълноценни компютриерата от края на 90-те години.

Но колко по-мощен е същият iPhone?

Само по себе си сравняването на две различни архитектури е много трудно нещо. Измерванията тук могат да се извършват само приблизително, но можете да разберете огромното предимство, което предоставят процесорите за смартфони, изградени на ARM архитектура.

Универсален помощник по този въпрос е изкуственият тест за производителност Geekbench. Помощната програма се предлага като стационарни компютрикакто и на платформи Android и iOS.

Лаптопите от среден и начален клас очевидно изостават от производителността на iPhone 7. В горния сегмент нещата са малко по-сложни, но през 2017 г. Apple пуска iPhone X на новия чип A11 Bionic.

Там архитектурата на ARM вече ви е позната, но цифрите в Geekbench почти са се удвоили. Лаптопите от "висшия ешелон" се напрегнаха.

И това е само една година.

Развитието на ARM е в скокове и граници. Докато Intel и AMD показват 5-10% увеличение на производителността година след година, за същия период производителите на смартфони успяват да увеличат мощността на процесора от два до два и половина пъти.

Скептичните потребители, които минават през горните редове на Geekbench, просто искат да им се напомни: в мобилни технологииразмерът е най-важен.

Поставете моноблок с мощен 18-ядрен процесор, който „разкъсва архитектурата ARM на парчета“ на масата и след това поставете своя iPhone до него. Почувствай разликата?

11. Вместо изход

Невъзможно е да се обхване 80-годишната история на развитието на компютрите в един материал. Но след като прочетете тази статия, ще можете да разберете как е подреден основният елемент на всеки компютър - процесорът и какво да очаквате от пазара през следващите години.

Разбира се, Intel и AMD ще работят върху по-нататъшното увеличаване на броя на транзисторите на един чип и насърчаването на идеята за многослойни елементи.

Но вие като клиент имате ли нужда от такава мощност?

Едва ли ще останете доволни от представянето iPad Proили водещия iPhone X. Не мисля, че сте недоволни от работата на вашия мултикукър във вашата кухня или от качеството на картината на 65-инчов 4K телевизор. Но всички тези устройства използват процесори на ARM архитектурата.

Windows вече официално обяви, че гледа към ARM с интерес. Компанията включи поддръжка за тази архитектура още в Windows 8.1 и сега активно работи върху тандем с водещия производител на ARM чипове Qualcomm.

Google също успя да разгледа ARM - операционна система Chrome OS поддържа тази архитектура. Наведнъж се появиха няколко Linux дистрибуции, които също са съвместими с тази архитектура. И това е само началото.

И просто се опитайте за момент да си представите колко приятно ще бъде комбинирането на енергоефективен ARM процесор с графенова батерия. Именно тази архитектура ще направи възможно получаването на мобилни ергономични джаджи, които могат да диктуват бъдещето.

4,61 от 5, оценен: 38 )

уебсайт Страхотна статия, налейте си чай.

Процесорът без съмнение е основният компонент на всеки компютър. Именно това малко парче силиций, с размери няколко десетки милиметра, изпълнява всички тези предизвикателни задачикоито поставяте пред компютъра си. Това е мястото, където работи операционната система, както и всички програми. Но как работи всичко това? Ще се опитаме да анализираме този въпрос в нашата днешна статия.

Процесорът управлява данните на вашия компютър и изпълнява милиони инструкции в секунда. И под текстовия процесор имам предвид точно това, което наистина означава - малък силиконов чип, който всъщност изпълнява всички операции на компютъра. Преди да продължите да разглеждате как работи процесорът, първо трябва да разгледате подробно какво представлява и от какво се състои.

Първо, нека да разгледаме какво е процесор. CPU или централен процесор (централен процесор) - който е микросхема с голямо количествотранзистори, направени върху силициев кристал. Първият в света процесор е разработен от Intel Corporation през 1971 г. Всичко започна с Модели на Intel 4004. Той можеше да извършва само изчислителни операции и можеше да обработва само 4 байта данни. Следващият модел излиза през 1974 г. - Intel 8080 и вече може да обработва 8 бита информация. След това имаше 80286, 80386, 80486. Именно от тези процесори идва името на архитектурата.

Тактовата честота на процесора 8088 беше 5 MHz, а броят на операциите в секунда беше само 330 000, което е много по-малко, отколкото в съвременните процесори. Съвременните устройства имат честоти до 10 GHz и няколко милиона операции в секунда.

Няма да разглеждаме транзисторите, ще преминем към по-високо ниво. Всеки процесор се състои от следните компоненти:

• Ядро- цялата обработка на информация се извършва тук и математически операции, може да има няколко ядра;
• Декодер на команди- този компонент принадлежи към ядрото, той преобразува софтуерните команди в набор от сигнали, които ще бъдат изпълнени от транзисторите на ядрото;
• Кеш памет- област от ултра-бърза памет, малък обем, в който се съхраняват данни, прочетени от RAM;
• Регистри- Това са клетки с много бърза памет, в които се съхраняват текущо обработваните данни. Има само няколко от тях и те са с ограничен размер - 8, 16 или 32 бита, битовата дълбочина на процесора зависи от това;
• копроцесор- отделно ядро, което е оптимизирано само за определени операции, като обработка на видео или криптиране на данни;
• адресна шина- за комуникация с всички устройства, свързани към дънната платка, може да има ширина 8, 16 или 32 бита;
• Шина за данни- за комуникация с оперативната памет. С него процесорът може да записва данни в паметта или да ги чете от там. Шината на паметта може да бъде 8, 16 и 32 бита, това е количеството данни, което може да бъде прехвърлено наведнъж;
• Синхронизираща шина- позволява ви да контролирате честотата на процесора и тактовите цикли;
• Рестартирайте автобуса- за нулиране на състоянието на процесора;

Основният компонент може да се счита за ядро ​​или изчислително-аритметична единица, както и регистри на процесора. Всичко останало помага на тези два компонента да работят. Нека да разгледаме какво представляват регистрите и каква е тяхната цел.

• Регистри A, B, C- предназначени за съхраняване на данни по време на обработка, да, има само три от тях, но това е напълно достатъчно;
• EIP- съдържа адреса на следващата програмна инструкция в RAM;
• ESP- адрес на данните в RAM;
• З- съдържа резултата от последната операция за сравнение;

Разбира се, това далеч не са всички регистри на паметта, но те са най-важните и се използват най-много от процесора по време на изпълнение на програмата. Е, сега, след като знаете от какво се състои процесорът, можете да помислите как работи.

Как работи компютърният процесор?

Обработващото ядро ​​на процесора може да извършва само математически операции, операции за сравнение и преместване на данни между клетки и RAM, но това е достатъчно, за да играете игри, да гледате филми и да сърфирате в мрежата и много повече.

Всъщност всяка програма се състои от такива команди: преместване, добавяне, умножение, деление, разлика и преминаване към инструкцията, ако условието за сравнение е изпълнено. Разбира се, това не са всички команди, има и други, които комбинират вече изброените или опростяват използването им.

Всички премествания на данни се извършват с помощта на инструкцията за преместване (mov), тази инструкция премества данни между регистрови клетки, между регистри и RAM, между памет и харддиск. За аритметични операцииима специални инструкции. И инструкциите за преход са необходими, за да изпълните условията, например проверете стойността на регистър A и ако тя не е равна на нула, отидете на инструкцията за желан адрес. Можете също да създавате цикли, като използвате инструкции за прескачане.

Всичко това е много хубаво, но как всички тези компоненти взаимодействат помежду си? И как транзисторите разбират инструкциите? Работата на целия процесор се управлява от декодера на инструкциите. Той принуждава всеки компонент да прави това, което трябва да прави. Нека да разгледаме какво се случва, когато една програма трябва да бъде изпълнена.

На първия етап декодерът зарежда адреса на първата инструкция на програмата в паметта в регистъра на следващата EIP инструкция, за това активира канала за четене и отваря транзистора на ключалката, за да пусне данните в EIP регистъра.

Във втория тактов цикъл декодерът на инструкции преобразува инструкцията в набор от сигнали за транзисторите на изчислителното ядро, които я изпълняват и записват резултата в един от регистрите, например C.

На третия цикъл декодерът увеличава адреса на следващата инструкция с единица, така че да сочи към следващата инструкция в паметта. Освен това декодерът преминава към зареждане на следващата команда и така до края на програмата.

Всяка инструкция вече е кодирана от поредица от транзистори и преобразувана в сигнали, причинява физически промени в процесора, например промяна на позицията на ключалката, която позволява данните да бъдат записвани в клетка с памет и т.н. Изпълнението на различни команди изисква различен брой цикли, например за една команда може да са необходими 5 цикъла, а за друга, по-сложна, до 20. Но всичко това все още зависи от броя на транзисторите в самия процесор .

Е, всичко е ясно с това, но всичко ще работи само ако една програма работи и ако има няколко от тях и всички по едно и също време. Може да се приеме, че процесорът има няколко ядра, след което на всяко ядро ​​се изпълнява отделна програма. Но не, всъщност няма такива ограничения.

В едно определен моментможе да работи само една програма. Цялото процесорно време се споделя между всички работещи програми, всяка програма се изпълнява за няколко цикъла, след което процесорът се прехвърля към друга програма и цялото съдържание на регистрите се съхранява в RAM. Когато контролът се върне към тази програма, предварително съхранените стойности се зареждат в регистрите.

заключения

Това е всичко, в тази статия разгледахме как работи компютърният процесор, какво представлява процесорът и от какво се състои. Може да е малко сложно, но ние разгледахме нещата по-просто. Надявам се, че вече разбирате по-ясно как работи това много сложно устройство.

В края на видеото за историята на създаването на процесори:

Персоналният компютър е много сложно и многостранно нещо, но във всеки системна единицаще открием центъра на всички операции и процеси – микропроцесора. От какво се състои компютърният процесор и защо все още е необходим?

Вероятно мнозина ще се радват да научат от какво се състои микропроцесорът. персонален компютър. Почти изцяло се състои от обикновени камъни, скали.

Да, точно така... Процесорът съдържа вещества като например силиций - същият материал, който изгражда пясъка и гранитните скали.

Процесор Hoff

Първият микропроцесор за персонален компютър е изобретен преди почти половин век - през 1970 г. от марсианеца Едуард Хоф и неговия екип от инженери от Intel.

Първият процесор на Hoff работи само на 750 kHz.

Основните характеристики на компютърния процесор днес, разбира се, не са сравними с горната цифра, сегашните "камъни" са няколко хиляди пъти по-мощни от своя прародител и преди това е по-добре да се запознаете със задачите, които изпълнява решава.

Много хора вярват, че процесорите могат да "мислят". Веднага трябва да се каже, че в това няма зрънце истина. Всеки мощен персонален компютърен процесор се състои от много транзистори - вид превключватели, които изпълняват една единствена функция - да пропуснат сигнала допълнително или да го спрат. Изборът зависи от напрежението на сигнала.

Ако го погледнете от другата страна, можете да видите от какво се състои микропроцесорът, а той се състои от регистри - клетки за обработка на информация.

За свързване на „камъка“ с останалите устройства на персоналния компютър се използва специален високоскоростен път, наречен „автобус“. Малки електромагнитни сигнали "прелитат" през него със светкавична скорост. Това е принципът на работа на процесора на компютър или лаптоп.

микропроцесорно устройство

Как е устроен компютърен процесор? Във всеки микропроцесор могат да се разграничат 3 компонента:

1. Ядро на процесора (тук се извършва разделянето на нули и единици);
2. Кеш паметта е малко място за съхранение на информация точно вътре в процесора;
3. Копроцесорът е специален мозъчен център на всеки процесор, в който се извършват най-сложните операции. Тук е работата с мултимедийни файлове.

Схемата на компютърния процесор в опростена версия е както следва:

Един от основните показатели на микропроцесора е тактовата честота. Той показва колко цикъла извършва "камъкът" в секунда. Мощността на компютърния процесор зависи от съвкупността от посочените по-горе показатели.

Трябва да се отбележи, че някога изстрелването на ракети и работата на сателитите се управляваха от микропроцесори с тактова честота хиляда пъти по-ниска от тази на днешните „братя“. И размерът на един транзистор е 22nm, слоят от транзистори е само 1nm. За справка, 1 nm е с дебелина 5 атома!

Сега знаете как работи компютърният процесор и какви успехи са постигнали учените, работещи във фирми за производство на персонални компютри.

CPU структура

За да стане ясно на непрофесионалист как работи централния процесор на компютъра, помислете от какви блокове се състои:

Блок за управление на процесора;

Регистри на команди и данни;

Аритметични логически единици (извършват аритметика и логически операции);

Блок от операции с реални числа, т.е. с числа с плаваща запетая или по-просто с дроби (FPU);

Буферна памет (кеш) от първо ниво (отделно за команди и данни);

Буферна памет (кеш) от второ ниво за съхраняване на междинни резултати от изчисленията;

Повечето съвременни процесори също имат кеш от трето ниво;

Интерфейс на системната шина.

Принципът на процесора

Алгоритъмът на централния процесор на компютъра може да бъде представен като последователност от следните действия.

Блокът за управление на процесора взема от RAM паметта, в която е заредена програмата, определени стойности (данни) и команди за изпълнение (инструкции). Тези данни се зареждат в кеш паметта на процесора.

от буферна паметинструкциите на процесора (кеша) и получените данни се записват в регистрите. Инструкциите се поставят в регистри на инструкции, а стойностите се поставят в регистри на данни.

Аритметичното логическо устройство чете инструкции и данни от съответните регистри на процесора и изпълнява тези инструкции върху получените числа.

Резултатите отново се записват в регистрите и, ако изчисленията са завършени, в буферната памет на процесора. Процесорът има много малко регистри, така че е принуден да съхранява междинни резултати в кеш памет на различни нива.

Новите данни и команди, необходими за изчисленията, се зареждат в кеша от горно ниво (от третото към второто, от второто към първото), а неизползваните данни, напротив, в кеша от по-ниско ниво.

Ако цикълът на изчисление приключи, резултатът се записва в RAM паметта на компютъра, за да се освободи място в буферната памет на процесора за нови изчисления. Същото се случва, когато кешът е пълен с данни: неизползваните данни се преместват в кеша от по-ниско ниво или в основната памет.

Последователността на тези операции формира операционната нишка на процесора. По време на работа процесорът се нагрява много. За да не се случи това, трябва да почиствате лаптопа си у дома своевременно.

За да се ускори работата на централния процесор и да се увеличи производителността на изчисленията, непрекъснато се разработват нови архитектурни решения, които повишават ефективността на процесора. Сред тях са тръбопроводното изпълнение на операциите, проследяването, тоест опитът за предвиждане по-нататъшни действияпрограми, паралелна обработка на команди (инструкции), многопоточност и многоядреност.

Многоядрен процесорима няколко изчислителни ядра, тоест няколко аритметично-логически единици, единици с плаваща запетая и регистри, както и кеш от първо ниво, всяко обединено в собствено ядро. Ядрата имат обща буферна памет от второ и трето ниво. Появата на кеша от трето ниво е причинена именно от многоядреността и съответно необходимостта от по-голямо количество бърза буферна памет за съхраняване на междинни резултати от изчисленията.

Основните показатели, които влияят върху скоростта на обработка на данни от процесора, са броят на обработващите ядра, дължината на конвейера, тактовата честота и обемът на кеш паметта. За да увеличите производителността на компютъра, често е необходимо да смените процесора и това води до подмяна дънна платкаи RAM. Нашите специалисти ще ви помогнат да надстроите, конфигурирате и ремонтирате компютъра си у дома в Москва. център за услуги, ако се страхувате от процеса на самосглобяване и модернизация на компютъра.