Moderní procesory mají tvar malého obdélníku, který je prezentován ve formě křemíkového plátku. Samotná deska je chráněna speciálním pouzdrem z plastu nebo keramiky. Všechny hlavní obvody jsou chráněny, díky nim je zajištěn plný provoz CPU. Pokud s vzhled vše je extrémně jednoduché, co se týká samotného obvodu a jak je uspořádán procesor? Podívejme se na to podrobněji.

CPU obsahuje malé množství různé prvky. Každý z nich provádí svou vlastní akci, přenášejí se data a ovládání. Běžní uživatelé používá se k rozlišení procesorů podle jejich taktu, množství vyrovnávací paměti a jader. Ale to není zdaleka vše, co poskytuje spolehlivé a rychlá práce. Stojí za to věnovat zvláštní pozornost každé složce.

Architektura

Vnitřní konstrukce CPU se od sebe často liší, každá rodina má vlastní sadu vlastností a funkcí – tomu se říká její architektura. Příklad návrhu procesoru můžete vidět na obrázku níže.

Ale mnozí jsou zvyklí chápat pod architekturou procesoru trochu jiný význam. Pokud to vezmeme z hlediska programování, pak je určeno jeho schopností vykonávat určitou sadu kódů. Pokud si koupíte moderní CPU, pak s největší pravděpodobností patří do architektury x86.

Nuclei

Hlavní část CPU se nazývá jádro, obsahuje všechny potřebné bloky a také provádění logických a aritmetických úloh. Pokud se podíváte na obrázek níže, můžete zjistit, jak vypadá každý funkční blok jádra:

1. Modul načítání instrukcí. Zde jsou instrukce rozpoznávány na adrese, která je uvedena v počítadle programu. Počet současných čtení příkazů přímo závisí na počtu nainstalovaných dešifrovacích bloků, což pomáhá načíst každý cyklus práce s největším počtem instrukcí.
2. prediktor přechodu zodpovědný za optimální výkon blok načítání instrukce. Určuje posloupnost příkazů, které mají být provedeny, a načítají kanál jádra.
3. Dekódovací modul. Tato část jádra je zodpovědná za definování některých procesů pro provádění úkolů. Samotná úloha dekódování je velmi obtížná kvůli proměnlivé velikosti instrukce. V nejnovějších procesorech je takových bloků v jednom jádru několik.
4. Moduly vzorkování dat. Berou informace z operační nebo cache paměti. Provádějí vzorkování dat, které je v tuto chvíli nutné pro provedení instrukce.
5. řídicí blok. Už samotný název vypovídá o důležitosti této složky. V jádru je hlavním prvkem, protože rozděluje energii mezi všechny bloky a pomáhá dokončit každou akci včas.
6. Modul pro ukládání výsledků. Navrženo pro zápis do RAM po zpracování instrukce. Adresa uložení je uvedena ve spuštěné úloze.
7. Prvek přerušení. CPU je schopno provádět více úloh najednou díky funkci přerušení, což mu umožňuje zastavit postup jednoho programu přepnutím na jinou instrukci.
8. Registry. Zde se ukládají dočasné výsledky instrukcí, tuto komponentu lze nazvat malou rychlou RAM. Jeho velikost často nepřesahuje několik set bajtů.
9. Počítadlo příkazů. Ukládá adresu instrukce, která bude použita v dalším cyklu procesoru.

Systémová sběrnice

Zařízení, která jsou součástí PC, jsou připojena přes systémovou sběrnici CPU. Pouze on je k němu přímo připojen, zbývající prvky jsou připojeny přes různé ovladače. Samotná sběrnice má mnoho signálních linek, kterými jsou přenášeny informace. Každá linka má svůj vlastní protokol, který umožňuje řadičům komunikovat s ostatními připojenými počítačovými komponenty. Sběrnice má vlastní frekvenci, respektive čím je vyšší, tím je výměna informací mezi spojovacími prvky systému rychlejší.

Mezipaměti

Rychlost CPU závisí na jeho schopnosti načítat instrukce a data z paměti co nejrychleji. Mezipaměť snižuje dobu provádění operací díky tomu, že funguje jako dočasná vyrovnávací paměť, která zajišťuje okamžitý přenos dat z CPU do RAM nebo naopak.

Hlavní charakteristikou mezipaměti je její rozdíl v úrovních. Pokud je vysoká, pak je paměť pomalejší a objemnější. Nejrychlejší a nejmenší paměť je první úroveň. Princip fungování tohoto prvku je velmi jednoduchý - CPU čte data z RAM a zadává je do mezipaměti libovolné úrovně, přičemž maže informace, ke kterým se přistupovalo po dlouhou dobu. Pokud procesor potřebuje tyto informace znovu, získá je díky dočasné vyrovnávací paměti rychleji.

Zásuvka (konektor)

Vzhledem k tomu, že procesor má vlastní patici (zásuvku nebo slot), můžete jej snadno vyměnit, pokud se porouchá nebo upgradovat váš počítač. Bez patice by byl CPU jednoduše zapájen do základní desky, což znesnadnilo pozdější opravu nebo výměnu. Stojí za to věnovat pozornost - každá zásuvka je určena výhradně pro instalaci určitých procesorů.

Uživatelé si často neúmyslně koupí nekompatibilní procesor a základní desku, což způsobuje další problémy.

Moderního spotřebitele elektroniky je velmi těžké překvapit. Už jsme si zvykli, že naši kapsu oprávněně zabírá chytrý telefon, notebook je v tašce, „chytré“ hodinky poslušně počítají kroky na ruce a sluchátka s aktivním systémem redukce hluku nás hladí na uších.

Je to legrační věc, ale my jsme zvyklí nosit ne jeden, ale dva, tři nebo více počítačů najednou. Ostatně takto lze nazvat zařízení, které má procesor. A nezáleží na tom, jak konkrétní zařízení vypadá. Za svou práci je zodpovědný miniaturní čip, který překonal turbulentní a rychlou cestu vývoje.

Proč jsme nastolili téma procesorů? Všechno je jednoduché. Za posledních deset let došlo ve světě ke skutečné revoluci mobilní zařízení.

Mezi těmito zařízeními je rozdíl pouze 10 let. Nokia N95 nám ale tehdy připadala jako vesmírné zařízení a dnes se na ARKit díváme s jistou nedůvěrou

Všechno ale mohlo dopadnout jinak a otlučené Pentium IV by zůstalo konečným snem obyčejného kupce.

Snažili jsme se obejít bez složitých technických termínů a říct, jak procesor funguje a zjistit, která architektura je budoucnost.

1. Jak to všechno začalo

První procesory byly zcela odlišné od toho, co můžete vidět, když otevřete víko systémové jednotky vašeho PC.

Místo mikroobvodů ve 40. letech XX. elektromechanická relé doplněné vakuovými trubicemi. Lampy fungovaly jako dioda, jejíž stav bylo možné regulovat snižováním nebo zvyšováním napětí v obvodu. Struktury vypadaly takto:

Pro provoz jednoho gigantického počítače byly potřeba stovky, někdy i tisíce procesorů. Ale zároveň byste na takovém počítači nebyli schopni spustit ani jednoduchý editor jako NotePad nebo TextEdit ze standardní sady Windows a macOS. Počítač by prostě neměl dostatek energie.

2. Nástup tranzistorů

První FET se objevil v roce 1928. Svět se ale změnil až poté, co se objevily tzv bipolární tranzistory otevřena v roce 1947.

Na konci čtyřicátých let vyvinuli experimentální fyzik Walter Brattain a teoretik John Bardeen první bodový tranzistor. V roce 1950 byl nahrazen prvním přechodovým tranzistorem a v roce 1954 oznámil známý výrobce Texas Instruments křemíkový tranzistor.

Opravdová revoluce ale přišla v roce 1959, kdy vědec Jean Henri vyvinul první křemíkový planární (plochý) tranzistor, který se stal základem pro monolitické integrované obvody.

Ano, je to trochu ošemetné, pojďme se tedy ponořit trochu hlouběji a zabývat se teoretickou částí.

3. Jak funguje tranzistor

Takže úkolem takové elektrické součásti, jako je tranzistor je ovládat proud. Jednoduše řečeno, tento malý záludný spínač ovládá tok elektřiny.

Hlavní výhodou tranzistoru oproti klasickému spínači je, že nevyžaduje přítomnost osoby. Tito. takový prvek je schopen nezávisle řídit proud. Navíc funguje mnohem rychleji, než byste sami zapínali nebo vypínali elektrický obvod.

Ze školního kurzu informatiky si pravděpodobně pamatujete, že počítač „rozumí“ lidské řeči prostřednictvím kombinací pouze dvou stavů: „zapnuto“ a „vypnuto“. V chápání stroje je to stav "0" nebo "1".

Úkolem počítače je reprezentovat elektřina ve formě čísel.

A pokud dříve úkol přepínání stavů vykonávala nemotorná, objemná a neefektivní elektrická relé, nyní tuto rutinní práci převzal tranzistor.

Od začátku 60. let se začaly vyrábět tranzistory z křemíku, což umožnilo nejen učinit procesory kompaktnějšími, ale také výrazně zvýšit jejich spolehlivost.

Nejprve se ale vypořádejme s diodou

Křemík(alias Si - "křemík" v periodické tabulce) patří do kategorie polovodičů, což znamená, že na jedné straně propouští proud lépe než dielektrikum, na druhé straně hůře než kov.

Ať se nám to líbí nebo ne, ale abychom pochopili práci a další historii vývoje procesorů, budeme se muset ponořit do struktury jednoho atomu křemíku. Nebojte se, řekněme to stručně a velmi jasně.

Úkolem tranzistoru je zesilovat Slabý signál s přídavným napájecím zdrojem.

Atom křemíku má čtyři elektrony, díky kterým tvoří vazby (a abych byl přesný - kovalentní vazby) se stejnými blízkými třemi atomy, které tvoří krystalovou mřížku. Zatímco většina elektronů je ve vazbě, malá část z nich je schopna se pohybovat krystalovou mřížkou. Právě kvůli tomuto částečnému přenosu elektronů byl křemík klasifikován jako polovodič.

Ale tak slabý pohyb elektronů by neumožnil použití tranzistoru v praxi, proto se vědci rozhodli zvýšit výkon tranzistorů o doping, nebo jednodušeji přídavky do krystalové mřížky křemíku atomy prvků s charakteristickým uspořádáním elektronů.

Začali tedy používat 5-valentní nečistotu fosforu, kvůli které dostávali tranzistory typu n. Přítomnost dalšího elektronu umožnila urychlit jejich pohyb a zvýšit tok proudu.

Při dopování tranzistorů p-typ Takovým katalyzátorem se stal bor, který obsahuje tři elektrony. Díky absenci jednoho elektronu se v krystalové mřížce objevují díry (plní roli kladného náboje), ale díky tomu, že elektrony jsou schopny tyto díry vyplnit, výrazně se zvyšuje vodivost křemíku.

Předpokládejme, že jsme vzali křemíkový plátek a dopovali jednu jeho část nečistotou typu p a druhou nečistotou typu n. Tak jsme dostali dioda- základní prvek tranzistoru.

Nyní elektrony umístěné v n-části budou mít tendenci jít do otvorů umístěných v p-části. V tomto případě bude mít n-strana mírně záporný náboj a p-strana kladný náboj. Elektrické pole vytvořené v důsledku této "gravitace" - bariéra - zabrání dalšímu pohybu elektronů.

Pokud připojíte zdroj energie k diodě tak, že se „-“ dotýká p-strany destičky a „+“ se dotýká n-strany, nebude tok proudu možný, protože otvory budou být přitahován k zápornému kontaktu zdroje energie a elektrony ke kladnému a vazba mezi elektrony p a n se ztratí v důsledku expanze kombinované vrstvy.

Pokud ale připojíte zdroj s dostatečným napětím naopak, tzn. "+" od zdroje ke straně p a "-" na stranu n, elektrony umístěné na straně n budou odpuzovány záporným pólem a zatlačeny na stranu p, přičemž obsadí otvory v p- kraj.

Nyní jsou však elektrony přitahovány ke kladnému pólu zdroje energie a pokračují v pohybu přes p-otvory. Tento jev byl nazýván dopředně zatížená dioda.

dioda + dioda = tranzistor

Samotný tranzistor si lze představit jako dvě diody připojené k sobě. V tomto případě se p-oblast (ta, kde jsou umístěny otvory) pro ně stává běžnou a nazývá se „základna“.

V N-P-N tranzistor dvě n-oblasti s dodatečnými elektrony - jsou také "emitorem" a "kolektorem" a jedna, slabá oblast s dírami - p-oblast, nazývaná "základna".

Pokud připojíte napájecí zdroj (říkejme mu V1) do n-oblastí tranzistoru (bez ohledu na pól), jedna dioda bude obráceně předpětí a tranzistor bude ZAVŘENO.

Jakmile však připojíme další zdroj napájení (říkejme mu V2), nastavíme kontakt „+“ na „centrální“ p-oblast (základna) a kontakt „-“ na n-oblast (emitor), část elektronů proteče opět vytvořeným řetězcem (V2) a část bude přitahována kladnou n-oblastí. V důsledku toho budou elektrony proudit do oblasti kolektoru a slabý elektrický proud bude zesílen.

Výdech!

4. Jak tedy počítač vlastně funguje?

A teď nejdůležitější.

V závislosti na použitém napětí může být tranzistor buď OTEVŘENO nebo ZAVŘENO. Pokud napětí nestačí k překonání potenciálové bariéry (ta na přechodu desek p a n) - tranzistor bude v uzavřeném stavu - ve stavu „vypnuto“ nebo v jazyce binární systém – "0".

Při dostatečném napětí se tranzistor zapne a dostaneme hodnotu "on" nebo "1" v binárním systému.

Tento stav, 0 nebo 1, se v počítačovém průmyslu nazývá „bit“.

Tito. dostáváme hlavní vlastnost samotného přepínače, který otevřel lidstvu cestu k počítačům!

V prvním elektronickém digitálním počítači ENIAC, nebo jednodušeji v prvním počítači, bylo použito asi 18 tisíc triodových lamp. Velikost počítače byla srovnatelná s tenisovým kurtem a jeho hmotnost byla 30 tun.

Abychom pochopili, jak procesor funguje, je třeba porozumět dalším dvěma klíčovým bodům.

Moment 1. Takže jsme se rozhodli, co je bit. Ale s jeho pomocí můžeme získat pouze dvě charakteristiky něčeho: buď "ano" nebo "ne". Aby se nám počítač naučil lépe rozumět, přišli s kombinací 8 bitů (0 nebo 1), kterou nazvali byte.

Pomocí bajtu můžete zakódovat číslo od nuly do 255. Pomocí těchto 255 čísel – kombinací nul a jedniček, můžete zakódovat cokoliv.

Moment 2. Přítomnost čísel a písmen bez jakékoli logiky by nám nic nedala. Proto ten koncept logické operátory.

Připojením pouze dvou tranzistorů určitým způsobem můžete dosáhnout několika logických akcí najednou: „a“, „nebo“. Kombinace množství napětí na každém tranzistoru a typu jejich připojení vám umožňuje získat různé kombinace nuly a jedničky.

Díky úsilí programátorů se hodnoty nul a jedniček, binární systém, začaly převádět do desítkové soustavy, abychom pochopili, co přesně počítač „říká“. A pro zadávání příkazů jsou naše obvyklé akce, jako je zadávání písmen z klávesnice, reprezentovány jako binární řetězec příkazů.

Jednoduše řečeno, představte si, že existuje korespondenční tabulka, řekněme ASCII, ve které každému písmenu odpovídá kombinace 0 a 1. Stiskli jste tlačítko na klávesnici a v tu chvíli se na procesoru díky programu tranzistory spínaly tak, že se na obrazovce objevilo: nejvíce napsané písmeno na klávese.

Toto je poměrně primitivní vysvětlení toho, jak procesor a počítač fungují, ale právě toto pochopení nám umožňuje jít dál.

5. A začal závod tranzistorů

Poté, co britský radiotechnik Geoffrey Dahmer navrhl v roce 1952 umístit tu nejjednodušší elektronické komponenty v monolitickém polovodičovém krystalu udělal počítačový průmysl skok vpřed.

Z integrovaných obvodů navržených Dahmerem inženýři rychle přešli na mikročipy na bázi tranzistorů. Několik takových čipů se již samo vytvořilo procesor.

Rozměry takových procesorů se samozřejmě těm moderním příliš nepodobají. Navíc až do roku 1964 měly všechny procesory jeden problém. Vyžadovali individuální přístup – vlastní programovací jazyk pro každý procesor.

• 1964 IBM System/360. Univerzální kompatibilní počítač programový kód. Instrukční sadu pro jeden model procesoru lze použít pro jiný.
• 70. léta. Vzhled prvních mikroprocesorů. Jednočipový procesor od Intelu. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 tranzistorů, 740 kHz.
• 1973 Intel rok 4040 a Intel 8008. 3 000 tranzistorů při 740 kHz pro Intel 4040 a 3 500 tranzistorů při 500 kHz pro Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 mikronů TPU a 6000 tranzistorů. Hodinová frekvence je asi 5 000 kHz. Právě tento procesor byl použit v počítači Altair-8800. Domácí kopií Intel 8080 je procesor KR580VM80A, vyvinutý Kyjevským výzkumným ústavem mikrozařízení. 8 bitů
• 1976 Intel 8080. 3mikronové TPU a 6500 tranzistory. Frekvence hodin 6 MHz. 8 bitů
• 1976 Zilog Z80. 3mikronové TPU a 8500 tranzistory. Frekvence hodin až 8 MHz. 8 bitů
• 1978 Intel 8086. 3mikronové TPU a 29 000 tranzistorů. Hodinová frekvence je asi 25 MHz. Instrukční sada x86, která se používá dodnes. 16 bitů
• 1980 Intel 80186. 3mikronové TPU a 134 000 tranzistorů. Frekvence hodin - až 25 MHz. 16 bitů
• 1982 Intel 80286. TPU 1,5 mikronu a 134 000 tranzistorů. Frekvence - až 12,5 MHz. 16 bitů
• 1982 Motorola 68000. 3 µm a 84 000 tranzistorů. Tento procesor byl použit v Počítač Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 mikronu tp a 275 000 tranzistorů.Kmitočet - až 33 MHz ve verzi 386SX.

Zdálo by se, že ve výčtu by se dalo pokračovat donekonečna, ale pak inženýři Intelu čelili vážnému problému.

6. Moorův zákon aneb jak žijí výrobci čipů

Ven koncem 80. let. Na začátku 60. let jeden ze zakladatelů od společnosti Intel Gordon Moore formuloval tzv. „Moorův zákon“. Zní to takto:

Každých 24 měsíců počet tranzistorů umístěných na čipu integrovaný obvod, je zdvojnásobena.

Je těžké tento zákon nazvat zákonem. Přesnější by bylo nazvat to empirickým pozorováním. Při srovnání tempa vývoje technologií Moore dospěl k závěru, že by se mohl vytvořit podobný trend.

Ale už během vývoje čtvrté generace procesory Intel Inženýři i486 se potýkají se skutečností, že již dosáhli výkonnostního stropu a více procesorů se již do stejné oblasti nevejde. Technika to tehdy neumožňovala.

Jako řešení byla nalezena varianta využívající řadu dalších prvků:

• mezipaměť;
• dopravník;
• vestavěný koprocesor;
• násobitel.

Část výpočetní zátěže padla na bedra těchto čtyř uzlů. V důsledku toho vzhled mezipaměti na jedné straně zkomplikoval konstrukci procesoru, na druhou stranu se stal mnohem výkonnějším.

Procesor Intel i486 se již skládal z 1,2 milionu tranzistorů a maximální frekvence jeho práce dosáhla 50 MHz.

V roce 1995 se připojuje voj AMD a vydává nejrychlejší procesor Am5x86 kompatibilní s i486 v té době na 32bitové architektuře. Vyráběl se již procesní technologií 350 nanometrů a počet instalovaných procesorů dosáhl 1,6 milionu kusů. Hodinová frekvence se zvýšila na 133 MHz.

Výrobci čipů se ale neodvážili pokračovat v dalším zvyšování počtu procesorů nainstalovaných na čipu a rozvoji již tak utopické architektury CISC (Complex Instruction Set Computing). Místo toho americký inženýr David Patterson navrhl optimalizovat chod procesorů a ponechat jen nejnutnější výpočetní instrukce.

Výrobci procesorů tedy přešli na platformu RISC (Reduced Instruction Set Computing), ale ani to nestačilo.

V roce 1991 byl vydán 64bitový procesor R4000 pracující na frekvenci 100 MHz. O tři roky později se objevuje procesor R8000 a o dva roky později R10000 s taktem až 195 MHz. Paralelně se rozvíjel trh s procesory SPARC, jejichž architekturou byla absence instrukcí násobení a dělení.

Místo boje o počet tranzistorů začali výrobci čipů přehodnocovat architekturu své práce.. Odmítnutí „zbytečných“ příkazů, provádění instrukcí v jednom cyklu, přítomnost registrů obecné hodnoty a pipelining umožnily rychle zvýšit taktovací frekvenci a výkon procesorů bez zkreslení počtu tranzistorů.

Zde je jen několik architektur, které se objevily v letech 1980 až 1995:

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

Byly založeny na platformě RISC a v některých případech na částečném kombinovaném použití platformy CISC. Ale vývoj technologie opět přiměl výrobce čipů, aby pokračovali ve výrobě procesorů.

V srpnu 1999 vstoupil na trh AMD K7 Athlon, vyrobený procesní technologií 250 nm a obsahující 22 milionů tranzistorů. Později byla laťka zvýšena na 38 milionů procesorů. Pak až 250 milionů.

Zvýšil se technologický procesor, zvýšila se taktovací frekvence. Ale jak říká fyzika, všechno má své meze.

7. Konec soutěže tranzistorů se blíží

V roce 2007 Gordon Moore učinil velmi strohé prohlášení:

Moorův zákon brzy přestane platit. Je nemožné instalovat neomezený počet procesorů donekonečna. Důvodem je atomová povaha hmoty.

Pouhým okem je patrné, že dva přední výrobci čipů AMD a Intel v posledních letech zřetelně zpomalili tempo vývoje procesorů. Přesnost technologického procesu se zvýšila na pouhých pár nanometrů, ale umístit ještě více procesorů nelze.

A zatímco výrobci polovodičů vyhrožují uvedením vícevrstvých tranzistorů, což je paralela s pamětí 3DN a pamětí, před 30 lety se na architektuře x86 objevil vážný konkurent.

8. Co čeká "běžné" procesory

Moorův zákon je od roku 2016 zrušen. Oficiálně to oznámil největší výrobce procesorů Intel. Dvojnásobek výpočetní výkon 100 % každé dva roky již výrobci čipů nejsou schopni.

A nyní mají výrobci procesorů několik neslibných možností.

První možnost - kvantové počítače . Byly již pokusy sestrojit počítač, který využívá částice k reprezentaci informací. Na světě existuje několik podobných kvantových zařízení, ale dokážou si poradit pouze s algoritmy nízké složitosti.

Navíc sériové uvedení takových zařízení v příštích desetiletích nepřichází v úvahu. Drahé, neefektivní a… pomalé!

Ano, kvantové počítače spotřebují mnohem méně energie než jejich moderní protějšky, ale budou také pomalejší, dokud vývojáři a výrobci komponent nepřejdou na novou technologii.

Druhá možnost - procesory s vrstvami tranzistorů. Intel i AMD o této technologii vážně přemýšleli. Místo jedné vrstvy tranzistorů plánují použít několik. Zdá se, že v příštích letech se mohou dobře objevit procesory, u kterých bude důležitý nejen počet jader a taktovací frekvence, ale také počet tranzistorových vrstev.

Řešení má právo na život a monopolisté tak budou moci dojit spotřebitele ještě několik desítek let, ale nakonec technologie opět narazí na strop.

Dnes, když si Intel uvědomil rychlý vývoj architektury ARM, v tichosti oznámil rodinu čipů Ice Lake. Procesory budou vyráběny 10nanometrovým procesem a stanou se základem pro smartphony, tablety a mobilní zařízení. Stane se tak ale v roce 2019.

9. ARM je budoucnost

Architektura x86 se tedy objevila v roce 1978 a patří k typu platformy CISC. Tito. sama o sobě znamená existenci instrukcí pro všechny příležitosti. Všestrannost je hlavní silnou stránkou x86.

Ale zároveň si s těmito procesory hrála krutý vtip všestrannost. x86 má několik klíčových nevýhod:

• složitost příkazů a jejich upřímná záměna;
• vysoká spotřeba energie a uvolňování tepla.

Pro vysoký výkon jsem se musel rozloučit s energetickou účinností. Kromě toho dvě společnosti v současné době pracují na architektuře x86, kterou lze bezpečně připsat monopolistům. Jedná se o Intel a AMD. Pouze oni mohou vyrábět procesory x86, což znamená, že pouze oni vládnou vývoji technologií.

Zároveň se na vývoji ARM (Arcon Risk Machine) podílí několik společností. Již v roce 1985 si vývojáři zvolili platformu RISC jako základ pro další vývoj architektury.

Na rozdíl od CISC zahrnuje RISC návrh procesoru s minimálním požadovaným počtem instrukcí, ale maximální optimalizací. Procesory RISC jsou mnohem menší než CISC, jsou energeticky účinnější a jednodušší.

Navíc byl ARM původně vytvořen výhradně jako konkurent x86. Vývojáři si dali za úkol vybudovat architekturu, která je efektivnější než x86.

Již od 40. let inženýři chápali, že jedním z prioritních úkolů je práce na zmenšení velikosti počítačů a především samotných procesorů. Před téměř 80 lety si ale sotva kdo dokázal představit, že plnohodnotný počítač bude menší než krabička od sirek.

Kdysi byla podporována architektura ARM Apple společnost, zahajující výrobu tabletů Newton založených na rodině ARM6 procesorů.

Prodeje stolních počítačů rychle klesají, zatímco počet prodaných mobilních zařízení ročně se pohybuje již v miliardách. Při výběru elektronického gadgetu se uživatel často kromě výkonu zajímá o několik dalších kritérií:

• mobilita;
• autonomie.

Architektura x86 je výkonově silná, ale jakmile se vzdáte aktivního chlazení, jak výkonný procesor ve srovnání s architekturou ARM vypadá žalostně.

10. Proč je ARM nesporným lídrem

Sotva vás překvapí, že váš smartphone, ať už se jedná o jednoduchý Android nebo vlajkovou loď Applu pro rok 2016, je desítkykrát výkonnější. plnohodnotné počítačeéra konce 90. let.

Ale o kolik výkonnější je stejný iPhone?

Srovnání dvou různých architektur je samo o sobě velmi obtížné. Měření zde lze provádět pouze přibližně, ale můžete pochopit obrovskou výhodu, kterou procesory smartphonů postavené na architektuře ARM poskytují.

Univerzálním pomocníkem v této věci je umělý test výkonu Geekbench. Nástroj je k dispozici jako stacionární počítače i na platformách Android a iOS.

Notebooky střední a základní třídy jasně zaostávají za výkonem iPhonu 7. V top segmentu jsou věci trochu složitější, ale v roce 2017 Apple vydává iPhone X na novém čipu A11 Bionic.

Tam už je vám architektura ARM povědomá, ale figurky v Geekbench se téměř zdvojnásobily. Notebooky z „vyššího patra“ se napjaly.

A to je teprve jeden rok.

Vývoj ARM jde mílovými kroky. Zatímco Intel a AMD vykazují 5-10% nárůst výkonu rok od roku, za stejné období se výrobcům smartphonů daří zvýšit výkon procesoru dvakrát až dvaapůlkrát.

Skeptičtí uživatelé, kteří procházejí horními liniemi Geekbench, chtějí jen připomenout: in mobilní technologie velikost je nejdůležitější.

Položte na stůl sladkou tyčinku s výkonným 18jádrovým procesorem, který „roztrhá architekturu ARM na kusy“, a poté vedle něj položte svůj iPhone. Cítit rozdíl?

11. Místo výstupu

Obsáhnout 80letou historii vývoje počítačů jedním materiálem nelze. Ale po přečtení tohoto článku budete schopni pochopit, jak je uspořádán hlavní prvek jakéhokoli počítače - procesor a co očekávat od trhu v následujících letech.

Intel a AMD budou samozřejmě pracovat na dalším zvýšení počtu tranzistorů na jednom čipu a podpoře myšlenky vícevrstvých prvků.

Ale potřebujete jako zákazník takovou sílu?

S výkonem nebudete pravděpodobně spokojeni iPad Pro nebo vlajková loď iPhone X. Nemyslím si, že byste byli nespokojeni s výkonem vašeho multicookeru ve vaší kuchyni nebo s kvalitou obrazu na 65palcovém 4K televizoru. Ale všechna tato zařízení používají procesory na architektuře ARM.

Windows již oficiálně oznámil, že se zájmem pohlíží na ARM. Společnost zahrnula podporu pro tuto architekturu zpět do Windows 8.1 a nyní aktivně pracuje na tandemu s předním výrobcem čipů ARM Qualcomm.

Google se také podařilo podívat na ARM - operační systém Chrome OS tuto architekturu podporuje. Najednou se objevilo několik distribucí Linuxu, které jsou také kompatibilní s touto architekturou. A to je jen začátek.

A zkuste si jen na chvíli představit, jak příjemné bude spojení energeticky úsporného ARM procesoru s grafenovou baterií. Právě tato architektura umožní získat mobilní ergonomické gadgety, které mohou diktovat budoucnost.

4,61 z 5, hodnoceno: 38 )

webová stránka Skvělý článek, nalijte si čaj.

Procesor je bezesporu hlavní součástí každého počítače. Je to tento malý kousek křemíku o velikosti několika desítek milimetrů, který to všechno splňuje náročné úkoly které si dáte před počítač. Zde běží operační systém a také všechny programy. Ale jak to celé funguje? Pokusíme se tuto otázku analyzovat v našem dnešním článku.

Procesor spravuje data ve vašem počítači a provádí miliony instrukcí za sekundu. A slovním procesorem mám na mysli přesně to, co ve skutečnosti znamená - malý křemíkový čip, který vlastně provádí všechny operace na počítači. Než přistoupíte k úvahám o tom, jak procesor funguje, musíte nejprve podrobně zvážit, co to je a z čeho se skládá.

Nejprve se podívejme, co je to procesor. CPU nebo centrální procesorová jednotka (centrální procesorová jednotka) - což je mikroobvod s obrovské množství tranzistory, vyrobené na křemíkovém krystalu. První procesor na světě byl vyvinut společností Intel Corporation v roce 1971. Všechno to začalo modely Intel 4004. Uměl provádět pouze výpočetní operace a zpracovávat pouze 4 bajty dat. Další model vyšel v roce 1974 – Intel 8080 a dokázal již zpracovat 8 bitů informací. Pak tu byly 80286, 80386, 80486. Právě z těchto procesorů vzešel název architektury.

Taktovací frekvence procesoru 8088 byla 5 MHz a počet operací za sekundu byl pouze 330 000, což je mnohem méně než u moderních procesorů. Moderní zařízení mají frekvence až 10 GHz a několik milionů operací za sekundu.

Tranzistory uvažovat nebudeme, přesuneme se na vyšší úroveň. Každý procesor se skládá z následujících komponent:

• Jádro- zde se provádí veškeré zpracování informací a matematické operace, může být několik jader;
• Příkazový dekodér- tato součástka patří k jádru, převádí softwarové příkazy na sadu signálů, které budou vykonávány jádrovými tranzistory;
• Mezipaměti- oblast ultrarychlé paměti, malý objem, ve kterém jsou uložena data načtená z RAM;
• Registry- Jedná se o velmi rychlé paměťové buňky, ve kterých se ukládají aktuálně zpracovávaná data. Je jich jen pár a mají omezenou velikost - 8, 16 nebo 32 bitů, na tom závisí bitová hloubka procesoru;
• koprocesor- samostatné jádro, které je optimalizováno pouze pro určité operace, jako je zpracování videa nebo šifrování dat;
• adresní sběrnice- pro komunikaci se všemi zařízeními připojenými k základní desce může mít šířku 8, 16 nebo 32 bitů;
• Datová sběrnice- pro komunikaci s operační pamětí. S ním může procesor zapisovat data do paměti nebo je odtud číst. Paměťová sběrnice může mít 8, 16 a 32 bitů, to je množství dat, které lze přenést najednou;
• Synchronizační sběrnice- umožňuje ovládat frekvenci procesoru a hodinové cykly;
• Restartujte autobus- resetovat stav procesoru;

Za hlavní součást lze považovat jádro nebo výpočetně-aritmetickou jednotku a také registry procesoru. Vše ostatní pomáhá těmto dvěma komponentům fungovat. Podívejme se, co jsou registry a jaký je jejich účel.

• Registry A, B, C- určeno k ukládání dat během zpracování, ano, jsou pouze tři, ale to je docela dost;
• EIP- obsahuje adresu další instrukce programu v RAM;
• ESP- adresa dat v RAM;
• Z- obsahuje výsledek poslední porovnávací operace;

Nejsou to samozřejmě zdaleka všechny paměťové registry, ale tyto jsou nejdůležitější a nejvíce je využívá procesor při provádění programu. Nyní, když víte, z čeho se procesor skládá, můžete zvážit, jak funguje.

Jak pracuje počítačový procesor?

Procesorové jádro procesoru může provádět pouze matematické operace, porovnávací operace a přesouvat data mezi buňkami a RAM, ale to vám stačí na hraní her, sledování filmů a surfování na webu a mnoho dalšího.

Ve skutečnosti se jakýkoli program skládá z takových příkazů: přesun, sčítání, násobení, dělení, rozdíl a přechod na instrukci, pokud je splněna podmínka porovnání. Samozřejmě to nejsou všechny příkazy, existují i ​​​​další, které kombinují již uvedené nebo zjednodušují jejich použití.

Veškeré pohyby dat se provádějí pomocí instrukce move (mov), tato instrukce přesouvá data mezi buňkami registru, mezi registry a RAM, mezi pamětí a pevný disk. Pro aritmetické operace tady je speciální instrukce. A přechodové instrukce jsou potřeba ke splnění podmínek, například zkontrolujte hodnotu registru A a pokud není rovna nule, přejděte na pokyn pro požadovanou adresu. Můžete také vytvářet smyčky pomocí pokynů pro skok.

To vše je velmi dobré, ale jak se všechny tyto komponenty vzájemně ovlivňují? A jak tranzistory chápou instrukce? Činnost celého procesoru je řízena instrukčním dekodérem. Nutí každou komponentu dělat to, co dělat má. Podívejme se, co se stane, když je třeba spustit program.

V první fázi dekodér načte adresu první instrukce programu v paměti do registru další instrukce EIP, k tomu aktivuje čtecí kanál a otevře záchytný tranzistor, aby vpustil data do registru EIP.

V druhém hodinovém cyklu instrukční dekodér převede instrukci na sadu signálů pro tranzistory výpočetního jádra, které ji provedou a výsledek zapíší do jednoho z registrů, například C.

Ve třetím cyklu dekodér zvýší adresu další instrukce o jednu, takže ukazuje na další instrukci v paměti. Dále dekodér pokračuje v načítání dalšího příkazu a tak dále až do konce programu.

Každá instrukce je již zakódována sekvencí tranzistorů a převedena na signály, způsobí fyzické změny v procesoru, například změnu polohy západky, která umožňuje zápis dat do paměťové buňky a tak dále. Provedení různých příkazů vyžaduje různý počet cyklů, například jeden příkaz může trvat 5 cyklů a jiný, složitější až 20. To vše ale stále závisí na počtu tranzistorů v samotném procesoru .

S tím je vše jasné, ale vše bude fungovat, pouze pokud běží jeden program a pokud jich je několik a všechny současně. Dá se předpokládat, že procesor má několik jader a na každém jádru je pak spuštěn samostatný program. Ale ne, ve skutečnosti žádná taková omezení neexistují.

Do jednoho určitý okamžik může běžet pouze jeden program. Veškerý čas CPU je sdílen mezi všemi spuštěné programy každý program je vykonáván po několik cyklů, poté je procesor převeden do jiného programu a veškerý obsah registrů je uložen v RAM. Když se řízení vrátí do tohoto programu, dříve uložené hodnoty se načtou do registrů.

závěry

To je vše, v tomto článku jsme se podívali na to, jak počítačový procesor funguje, co je procesor a z čeho se skládá. Může to být trochu komplikované, ale popsali jsme věci jednodušeji. Doufám, že nyní máte jasnější představu o tom, jak toto velmi složité zařízení funguje.

Na konci videa o historii vzniku procesorů:

Osobní počítač je velmi složitá a mnohostranná věc, ale v každém systémová jednotka najdeme centrum všech operací a procesů – mikroprocesor. Z čeho se skládá počítačový procesor a proč je stále potřeba?

Pravděpodobně mnohé potěší, když se dozví, z čeho se mikroprocesor skládá. osobní počítač. Téměř úplně se skládá z obyčejných kamenů, skal.

Ano, je to tak... Procesor obsahuje látky, jako je například křemík - stejný materiál, ze kterého se skládá písek a žulové horniny.

procesor Hoff

První mikroprocesor pro osobní počítač vynalezl téměř před půl stoletím – v roce 1970 Marťan Edward Hoff a jeho tým inženýrů z Intelu.

První Hoffův procesor běžel na pouhých 750 kHz.

Hlavní charakteristiky počítačového procesoru dnes samozřejmě nejsou srovnatelné s výše uvedeným obrázkem, současné „kameny“ jsou několik tisíckrát výkonnější než jejich předchůdce a předtím je lepší se seznámit s úkoly, které řeší.

Mnoho lidí věří, že procesory umí „myslet“. Je třeba hned říci, že na tom není ani zrnko pravdy. Každý výkonný procesor osobního počítače se skládá z mnoha tranzistorů – jakési přepínače, které plní jedinou funkci – přeskakovat signál dále nebo jej zastavit. Volba závisí na napětí signálu.

Když se na to podíváte z druhé strany, vidíte, z čeho se mikroprocesor skládá a skládá se z registrů – buněk zpracovávajících informace.

Pro spojení „kámenu“ se zbytkem zařízení osobního počítače se používá speciální vysokorychlostní silnice, nazývaná „autobus“. Drobné elektromagnetické signály jím „létají“ rychlostí blesku. Toto je princip fungování procesoru počítače nebo notebooku.

mikroprocesorové zařízení

Jak je uspořádán počítačový procesor? V každém mikroprocesoru lze rozlišit 3 komponenty:

1. Jádro procesoru (zde dochází k dělení nul a jedniček);
2. Mezipaměť je malé úložiště informací přímo uvnitř procesoru;
3. Koprocesor je speciální mozkové centrum každého procesoru, ve kterém probíhají nejsložitější operace. Zde je práce s multimediálními soubory.

Obvod počítačového procesoru ve zjednodušené verzi je následující:

Jedním z hlavních ukazatelů mikroprocesoru je hodinová frekvence. Ukazuje, kolik cyklů „kámen“ vykoná za sekundu. Výkon procesoru počítače závisí na souhrnu výše uvedených indikátorů.

Nutno podotknout, že kdysi starty raket a provoz družic řídily mikroprocesory s hodinovou frekvencí tisíckrát nižší, než jakou disponují dnešní „bratři“. A velikost jednoho tranzistoru je 22nm, vrstva tranzistorů je pouze 1nm. Pro srovnání, 1 nm je tloušťka 5 atomů!

Nyní víte, jak funguje počítačový procesor a jakých úspěchů dosáhli vědci pracující ve firmách vyrábějících osobní počítače.

Struktura CPU

Aby bylo neprofesionálovi jasné, jak funguje centrální procesorová jednotka počítače, zvažte, z jakých bloků se skládá:

Řídicí jednotka procesoru;

Příkazové a datové registry;

Aritmetické logické jednotky (provádějí aritmetické a logické operace);

Blok operací s reálnými čísly, to znamená s čísly s pohyblivou řádovou čárkou nebo jednodušeji se zlomky (FPU);

Vyrovnávací paměť (cache) první úrovně (samostatně pro příkazy a data);

Vyrovnávací paměť (cache) druhé úrovně pro ukládání mezivýsledků výpočtů;

Většina moderních procesorů má také mezipaměť třetí úrovně;

Rozhraní systémové sběrnice.

Princip procesoru

Algoritmus centrálního procesoru počítače může být reprezentován jako sled následujících akcí.

Řídicí jednotka procesoru přebírá z paměti RAM, do které je program nahrán, určité hodnoty (data) a příkazy, které mají být vykonány (instrukce). Tato data se načtou do mezipaměti procesoru.

Z vyrovnávací paměť instrukce procesoru (cache) a přijatá data se zapisují do registrů. Instrukce jsou umístěny v instrukčních registrech a hodnoty jsou umístěny v datových registrech.

Aritmetická logická jednotka čte instrukce a data z příslušných registrů procesoru a provádí tyto instrukce na přijatých číslech.

Výsledky se opět zapisují do registrů a pokud jsou výpočty dokončeny, do vyrovnávací paměti procesoru. Procesor má velmi málo registrů, takže je nucen ukládat mezivýsledky do mezipaměti různé úrovně.

Nová data a příkazy potřebné pro výpočty se načítají do mezipaměti vyšší úrovně (z třetí do druhé, z druhé do první) a nevyužitá data naopak do mezipaměti nižší úrovně.

Pokud výpočetní cyklus skončí, výsledek se zapíše do paměti RAM počítače, aby se uvolnilo místo ve vyrovnávací paměti procesoru pro nové výpočty. Totéž se stane, když je mezipaměť plná dat: nevyužitá data se přesunou do mezipaměti nižší úrovně nebo RAM.

Posloupnost těchto operací tvoří operační vlákno procesoru. Během provozu se procesor velmi zahřívá. Abyste tomu zabránili, musíte notebook včas vyčistit doma.

Pro urychlení práce centrálního procesoru a zvýšení výkonu výpočtů se neustále vyvíjejí nová architektonická řešení, která zvyšují efektivitu procesoru. Mezi nimi je potrubní provádění operací, trasování, tedy pokus o předvídání další akce programy, paralelní zpracování příkazů (instrukcí), multithreading a multi-core.

Vícejádrový procesor má několik výpočetních jader, to znamená několik aritmeticko-logických jednotek, jednotek s pohyblivou řádovou čárkou a registrů, stejně jako mezipaměť první úrovně, z nichž každé je sloučeno do vlastního jádra. Jádra mají společnou vyrovnávací paměť druhé a třetí úrovně. Vzhled mezipaměti třetí úrovně byl přesně způsoben vícejádrovými, a tedy potřebou většího množství rychlé vyrovnávací paměti pro ukládání mezivýsledků výpočtů.

Hlavními ukazateli, které ovlivňují rychlost zpracování dat procesorem, jsou počet procesorových jader, délka pipeline, taktovací frekvence a velikost vyrovnávací paměti. Pro zvýšení výkonu počítače je často nutné vyměnit procesor a to znamená výměnu základní deska a RAM. Naši odborníci vám pomohou upgradovat, nakonfigurovat a opravit váš počítač doma v Moskvě. servisní středisko, pokud se bojíte procesu svépomocné montáže a modernizace počítače.